預(yù)制混凝土板樁在內(nèi)河航道中的應(yīng)用研究

蔣永明 陳志強 錢惠軍

隨著長三角區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通和物流運輸量相應(yīng)得到迅猛的提升，為了適應(yīng)大宗貨物和集裝箱運輸?shù)男枰?，急需對浙北?nèi)河航道網(wǎng)的主干航道提升其通航級別。針對這一要求，交通運輸部經(jīng)反復(fù)論證和研究后要求湖嘉申線航道按三級標準建設(shè)，同時對京杭運河、杭申線航道列入“四改三”規(guī)劃。提升航道級別勢必要對老航道適當(dāng)拓寬并浚深至設(shè)計斷面要求。通過對京杭運河、杭申線航道涉及嘉興市航區(qū)改造的110 km航道的調(diào)查，沿線大量工礦碼頭，征地拆遷難于實施，期望通過大規(guī)模征地和拆遷來達到“四改三”航道建設(shè)的方案已經(jīng)不契合實際。研究在不增加或少增加航道面寬的情況下，通過浚深航道來實現(xiàn)四級航道提升為三級航道是個重大課題。

1 板樁的發(fā)展歷程

板樁的應(yīng)用在我國歷史悠久，在公元前5000年的河母渡文明遺址(現(xiàn)在浙江余姚附近)，發(fā)現(xiàn)了板樁用于木構(gòu)淺水井的重要支撐物，標志著板樁的應(yīng)用已具雛形。清代開始類似于板樁的“梅花樁”和“馬丈樁”大量的應(yīng)用于海塘基樁。這兩種基樁的采用能夠部分地阻擋潮水侵襲基礎(chǔ)，有效地保證了海塘基礎(chǔ)的穩(wěn)定和承載能力。近代，混凝土板樁墻開始在水利工程中廣泛應(yīng)用，尤其是在海港碼頭和河流駁岸工程中。1898年開建的大港一號碼頭的大港環(huán)形防波堤堤身北岸建筑為木樁基混凝土，頂上澆筑混凝土擋土墻。木樁外側(cè)設(shè)鋼筋混凝土板樁一道，板樁與木樁取齊，并有拉鏈連接，下端插入海底土中，以使所填砂石不致外流，保護木樁防止海上附生生物的侵蝕。到了現(xiàn)代，板樁的設(shè)計和施工的技術(shù)都有了長足的發(fā)展。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土技術(shù)和預(yù)應(yīng)力錨桿錨固技術(shù)與鋼筋混凝土板樁的結(jié)合為板樁的發(fā)展史填了劃時代的一筆。1997年我國第一座在開敞河域建設(shè)的黃河海港板樁碼頭建成投產(chǎn)，歷經(jīng)8級大風(fēng)20多次，經(jīng)歷3次風(fēng)暴潮襲擊，特別是1997年8月百年一遇的強臺風(fēng)中心從該區(qū)通過，該碼頭經(jīng)住了考驗，取得了成功經(jīng)歷，標志著鋼筋混凝土板樁與水工建筑物的結(jié)合已經(jīng)達到了成熟的階段。

2 板樁在航道中的應(yīng)用概述

預(yù)制混凝土板樁護岸結(jié)構(gòu)是利用地下連續(xù)板樁墻作為河岸土體或建筑物基礎(chǔ)的圍護結(jié)構(gòu)，通過板樁與土體的共同作用，形成穩(wěn)定的護岸結(jié)構(gòu)體，并采取有效的工程措施使其達到耐久、抗沖、透水、與環(huán)境協(xié)調(diào)并具備生態(tài)效果的岸坡體系。該結(jié)構(gòu)是一項邊界條件極為復(fù)雜的介質(zhì)與結(jié)構(gòu)共同作用的體系，它既涉及土力學(xué)中典型的強度及穩(wěn)定問題，又與變形密切相關(guān)，涉及到土與圍護結(jié)構(gòu)的共同作用問題，同時由于土質(zhì)、地下水及環(huán)境條件的變化而復(fù)雜化。所以盡管該結(jié)構(gòu)從理論上講具有其他結(jié)構(gòu)無法相比的優(yōu)越性，多年來板樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工技術(shù)都有很大的發(fā)展，但一直無法在內(nèi)河航道上大面積的推廣和應(yīng)用，其主要原因如下:1)由于現(xiàn)場條件存在諸多不確定因素，結(jié)構(gòu)計算在理論分析的基礎(chǔ)上考慮了各種差異的影響，而套用板樁碼頭設(shè)計規(guī)范的偏于安全的綜合安全系數(shù)或荷載分項系數(shù)，使得對結(jié)構(gòu)要求增加，如加大加長板樁尺寸，加大配筋率等，導(dǎo)致建設(shè)成本增大，而難于接受;2)缺乏配套的施工設(shè)備，采用普通的錘擊式打樁設(shè)備或鏟挖機鏟斗簡易壓樁法作業(yè)，水上作業(yè)效率低下，施工質(zhì)量難于達到設(shè)計要求，施工成本居高不下，施工進度也不能滿足大規(guī)模航道改造的需要;3)由于是低水平施工，工程質(zhì)量不佳，破損率高、板樁沉樁后參差不齊、縫隙大、偏差大、外觀差、耐久性差等。

3 主要研究方法

3.1 理論分析

1)根據(jù)圓弧滑動法和經(jīng)典理論法用BZJS板樁墻計算系統(tǒng)計算機對板樁加固的護岸結(jié)構(gòu)進行整體穩(wěn)定分析，從理論上對各種荷載工況加以驗證結(jié)構(gòu)的可靠性和合理性。2)根據(jù)空間有限元理論，建立多材料、多構(gòu)件、多約束的試驗結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用FLAC3D，Midas/GTS等專業(yè)空間有限元結(jié)構(gòu)分析程序進行結(jié)構(gòu)仿真計算，分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變、彈性變形和塑性變形、整體位移以及周圍土體的應(yīng)力變化和塑性區(qū)破壞情況。從理論上提出結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。FLAC是快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua)的簡寫，源于流體力學(xué)。三維快速拉格朗日法是一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法，它可以模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為。三維快速拉格朗日分析將計算區(qū)域劃分為若干四面體單元，每個單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構(gòu)關(guān)系，如果單元應(yīng)力使得材料屈服或產(chǎn)生塑性流動，則單元網(wǎng)格可以隨著材料的變形而變形。FLAC3D是FLAC二維計算程序在三維空間的擴展。作為有限差分軟件，相比其他有限元軟件的優(yōu)勢主要在于:FLAC3D采用了混合離散方法來模擬材料的屈服流動或塑性流動特性;利用動態(tài)的運動方程進行求解，這使得FLAC3D能模擬動態(tài)問題，如振動、失穩(wěn)、大變形等;FLAC3D采用顯式方法求解，對顯式算法來說，非線性本構(gòu)關(guān)系與線性本構(gòu)關(guān)系并無本質(zhì)的區(qū)別，采用中等容量的內(nèi)存可以求解多單元模擬大變形問題，幾乎要比小變形問題消耗更多的時間。另外，F(xiàn)LAC3D還具有強大的前后處理功能。GTS是根據(jù)地基與結(jié)構(gòu)協(xié)同作用原理和大規(guī)?？臻g有限元原理編制的，不僅是通用的分析軟件，而且還是包含巖土與隧道工程領(lǐng)域最新發(fā)展技術(shù)的專業(yè)程序。其功能包括:應(yīng)力分析、施工階段分析、滲流分析以及其他多種功能;分析類型有:隧道分析、滲流分析、應(yīng)力—滲流耦合分析、軟弱土層的填土及固結(jié)分析、基坑開挖與支護分析、地震、爆破及振動分析、襯砌分析、邊坡穩(wěn)定分析。3)按照板樁碼頭設(shè)計規(guī)范，采用豎向彈性地基梁法在各種荷載工況下對板樁加固護岸結(jié)構(gòu)加以分析，確定板樁的各種技術(shù)參數(shù)。豎向彈性地基梁法是計算板樁最常用的方法之一，其適合任何工作狀態(tài)下的板樁。用此方法解決問題時，板樁墻入土段的工作狀態(tài)可視為豎放的彈性地基梁。它與一般的彈性地基梁一樣是多次超靜定結(jié)構(gòu)，可用解彈性地基梁的方法進行計算。目前多采用以文克勒假定為基礎(chǔ)的地基系數(shù)法。其中，“m法”使用的比較多。m法是假設(shè)地基系數(shù)k隨深度為線性增大，即 k=my，其中，y為計算點距地基表面的深度;m為地基系數(shù)分布的斜率。

3.2 現(xiàn)場試驗研究

1)預(yù)制鋼筋混凝土板樁的規(guī)?；A(yù)制生產(chǎn)試驗、高質(zhì)量高效率機械施工工藝試驗、無圍堰混凝土帽梁澆筑試驗、拉錨錨固試驗等;2)在拉錨錨桿及墻身設(shè)置傳感器，板樁每0.5 m～1.0 m高度設(shè)一組應(yīng)變片(儀)，墻后逐級增加附加荷載，測定墻后土壓力對墻體和板樁結(jié)構(gòu)的作用情況從而分析結(jié)構(gòu)的可靠性，確定最佳斷面和預(yù)應(yīng)力板樁的合理尺寸。

4 結(jié)語

隨著社會文明的發(fā)展，對于工程的安全性和美觀性有了更高的要求，因此自從20世紀50年代以來，國內(nèi)外眾多的專家、學(xué)者和工程技術(shù)人員對板樁工程的時空效應(yīng)規(guī)律做了大量的探索和研究工作，其中不乏大型的室內(nèi)和現(xiàn)場的試驗，為現(xiàn)在的工程理論作出了不朽的貢獻。然而，目前鋼筋混凝土板樁工程設(shè)計多采用的是半經(jīng)驗半理論的方法。如今，板樁工程的設(shè)計和施工也逐漸的程序化、規(guī)范化、標準化和信息化了。許多軟件都可以運用到其中。例如，同濟啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)分析軟件，北京理正軟件設(shè)計研究所開發(fā)的理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件。另外如ANYSS，ALGOR，ASP等大型有限元分析軟件也可以作為輔助的分析工具?？v觀板樁的發(fā)展，其與水利工程的結(jié)合順理成章，因此，有專家預(yù)測:板樁將會和水利工程更加緊密的結(jié)合并在實際工程中發(fā)揮更大的作用。

[1] 于卓敏.鋼筋混凝土板樁結(jié)合土層錨桿結(jié)構(gòu)在海河改造中的應(yīng)用[D].天津:天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004:12.

[2] 張 峰.深基坑板樁支護模型試驗研究[D].武漢:武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007:5.

[3] 李曉惠.板樁碼頭板樁法計算方法研究[D].大連:大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006:6.