基于PLAXIS 軟件的某河道仿木樁加固堤岸設(shè)計及探究

范 煌，宋成濤

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430060）

隨著我國城市河道治理項目廣泛的開展，為適應(yīng)現(xiàn)代城市發(fā)展理念，城區(qū)水系朝著生態(tài)自然的方向發(fā)展，構(gòu)成水系最基本的堤岸結(jié)構(gòu)同樣需要防洪與景觀生態(tài)性并重。仿木樁是一種仿木紋的預應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，相對于常規(guī)的PHC 管樁，仿木樁表面經(jīng)工藝處理后造型美觀，且樁身結(jié)構(gòu)強度較高，仿木樁樁徑一般有200 mm、300 mm、400 mm 三種規(guī)格[1]，接近一般的實木胸徑。通常將仿木樁應(yīng)用于城區(qū)河道岸坡，緊密排列的仿木樁能擋土固岸，樁后的土工織物起反濾作用，防止樁后土體流失的同時可以使河道地表水與岸坡地下水交換，生態(tài)性好。仿木樁護岸以其耐久可靠、造型美觀、生態(tài)自然、便于施工、經(jīng)濟合理等優(yōu)勢而逐漸得到青睞。

仿木樁較傳統(tǒng)的PHC 管樁的尺寸小，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)堤岸結(jié)構(gòu)特點選取合理的樁位及樁長，在確保堤岸穩(wěn)定的同時，盡可能發(fā)揮樁本身的強度作用。本文基于有限元軟件PLAXIS，對仿木樁堤岸進行模擬分析。

1 工程應(yīng)用

1.1 工程概況

某河道位于東莞市大朗鎮(zhèn)，為區(qū)域排洪通道之一，河道治理長度3.58 km，包括多段明渠及暗涵，明渠段河道上口寬12～17 m，岸坡高3～4 m，由于多年未經(jīng)整治且疏于管理，工程段內(nèi)河床淤積嚴重，局部岸坡過陡且無防護措施。依據(jù)鎮(zhèn)區(qū)的防洪規(guī)劃，河道防洪標準為50 年一遇，本次堤岸工程級別定為2 級。

該河道下游樁號K0+700 處左岸現(xiàn)狀為土坡，坡比1∶1.3，現(xiàn)狀河底高程3.65 m，岸頂高程7.33 m，自然邊坡陡峭，存在安全隱患，岸頂為現(xiàn)狀土路，近路側(cè)為公園，本次設(shè)計考慮對河道進行清淤，對現(xiàn)狀土坡段進行防護。設(shè)計對河道清淤0.3 m，岸坡擬采用Φ300 mm緊密排列的單排仿木樁進行加固，在岸坡坡面不同高度擬定3 個仿木樁布置方案。方案一，樁位于邊坡下部，樁頂高程4.85 m，高于設(shè)計河底1.5 m，樁頂設(shè)0.5 m寬平臺，平臺以上以1∶1.5 的坡比對現(xiàn)狀岸坡進行修整。方案二，樁位于邊坡中間，樁頂高程5.85 m，高于設(shè)計河底2.5 m。方案三，樁位于邊坡上部，樁頂高程5.85 m，高于設(shè)計河底3.5 m，3 個方案仿木樁樁長均取7.0 m。仿木樁堤岸的施工時段選取在枯水期，設(shè)圍堰干地作業(yè)，此時河道內(nèi)側(cè)無水，堤岸地下水水位考慮高于設(shè)計河底高程0.5 m，岸頂考慮10 kPa 施工車輛荷載。本文就施工期工況，采用PLAXIS 軟件對上述3 個仿木樁樁位方案進行計算分析。見圖1。

圖1 仿木樁堤岸典型斷面圖

1.2 PLAXIS 軟件建模

表1 HSS 土層參數(shù)統(tǒng)計表

圖2 仿木樁堤岸有限元模型（方案一）

1.3 計算分析

1）仿木樁樁位的影響分析

通過PLAXIS 軟件對仿木樁加固堤岸方案進行有限元計算分析，得出的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)及仿木樁樁身內(nèi)力及位移見表3。

表3 岸坡穩(wěn)定及樁身內(nèi)力及位移計算成果統(tǒng)計表

各方案增量位移云圖見圖3，PLAXIS 軟件通過增量位移云圖來反映堤岸邊坡整體的滑動趨勢，現(xiàn)狀岸坡進行清淤及邊坡修整后，施工期岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.08，危險滑動面是穿過坡頂及坡腳深層滑弧。加設(shè)仿木樁的三個方案，坡頂、坡腳及土層內(nèi)部的滑動趨勢范圍均較打樁前的堤岸有所擴大，且隨著仿木樁高程的降低，滑動范圍有向深層發(fā)展的趨勢，方案一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20，較方案二（Kc=1.17）及方案三（Kc=1.14）高，且三個方案邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均高于打樁前，說明仿木樁的增設(shè)可以起到加固岸坡的作用，在樁長不變的條件下，隨著仿木樁樁頂高程的降低，岸坡穩(wěn)定性逐步提高。

圖3 打樁前及三種仿木樁方案堤岸增量位移云圖

仿木樁樁身彎矩及位移分布詳見圖4，彎矩及位移極值統(tǒng)計見表2，方案一仿木樁最大正彎矩16.81 kN·m，出現(xiàn)在樁頂以下4.75 m 處，最小負彎矩-1.83 kN·m，出現(xiàn)在樁頂以下1.5 m 處，隨著仿木樁樁頂高程的抬高，最大正彎矩顯著減小，而最小負彎矩顯著增加，出現(xiàn)的位置往樁下端方向移動。三個方案仿木樁最大位移均出現(xiàn)在樁頂，方案一樁身最大位移33.7 mm，隨著仿木樁樁頂高程的抬高，樁身最大位移逐漸增大。

表2 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計表

圖4 三種方案仿木樁樁身彎矩及位移圖

綜合以上計算結(jié)果可知，仿木樁設(shè)于邊坡下部較中部及上部對邊坡穩(wěn)定更為有利。另一方面，隨著仿木樁樁頂高程的抬高，仿木樁樁身正彎矩顯著減小，而樁頂位移逐步增大，說明仿木樁擋樁后土的作用在減小，從實現(xiàn)仿木樁擋土作用，發(fā)揮仿木樁結(jié)構(gòu)強度的方面看，仿木樁設(shè)于邊坡下部也更為合理。

2）仿木樁樁長的影響分析

維持方案一中仿木樁的樁位，將樁長由7 m 調(diào)整為6 m 及8 m，樁徑及其他荷載條件均不變，通過Plaxis 軟件計算的岸坡穩(wěn)定及仿木樁樁身內(nèi)力及位移見表4。

表4 各樁長岸坡穩(wěn)定及樁身內(nèi)力及位移計算成果統(tǒng)計表

單樁6 m、7 m 及8 m 三種仿木樁樁長加固堤岸增量位移云圖見圖5，7 m 樁長的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20，較6 m 樁長堤岸（Kc=1.15）高，而較8 m 樁長堤岸（Kc=1.25）低，危險滑動面均為穿過坡頂及坡腳深層滑弧，且隨著樁長的增加滑動范圍有向深層發(fā)展的趨勢。在樁頂位置不變的條件下，仿木樁加固堤岸邊坡穩(wěn)定性隨著樁長的增加而逐步提高。

圖5 各樁長加固堤岸增量位移云圖

仿木樁樁身彎矩及位移分布詳見圖6，彎矩及位移極值統(tǒng)計見表4。根據(jù)圖表可知，隨著仿木樁樁長增加，最大正彎矩明顯增加，而最小負彎矩有增加趨勢但變化不大，出現(xiàn)的位置往樁底端方向移動。三種樁長的仿木樁最大位移均出現(xiàn)在樁頂，6 m 仿木樁樁身最大位移41.3 mm，且隨著仿木樁樁長的增加，樁身最大位移明顯減小。

圖6 各樁長樁身彎矩及位移圖

綜合以上計算結(jié)果可知，仿木樁樁長的增加對邊坡穩(wěn)定更有利。另一方面，隨著仿木樁樁長的增加，仿木樁樁身正彎矩明顯增大，而樁頂位移明顯減小，說明仿木樁擋樁后土的作用隨著樁長增加而增大，長樁能更好地發(fā)揮仿木樁結(jié)構(gòu)強度。

3）仿木樁方案的優(yōu)化

PLAXIS 軟件中穩(wěn)定安全系數(shù)是通過程序中的土體抗剪強度折減法得到的，PLAXIS 計算出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與理正巖土軟件中的Bishop 法計算結(jié)果是基本一致的，可與《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286—2013）中的Bishop 法邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)允許值進行比對，根據(jù)上述規(guī)范，堤岸施工期Bishop 法對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)允許值為1.25[3]，方案一中樁位對應(yīng)8 m樁長可以滿足規(guī)范要求，然而標準規(guī)格Φ300 mm 仿木樁的最大樁長7.0 m，加長樁需進行定制，費時費工，而增大樁徑會降低景觀性、增加打樁難度，且提高護岸造價。設(shè)計考慮對方案一進行優(yōu)化，維持Φ300 mm 的7 m仿木樁樁型不變，打樁后在樁前貼坡設(shè)0.5 m 厚的二片石護腳，護腳頂高程在樁頂高程以下0.5 m（即4.35 m 高程），二片石護腳在作為坡腳壓載的同時可以起到抗水流沖刷保護樁前土層的作用，優(yōu)化后的仿木樁加固方案見圖7。

圖7 優(yōu)化后的仿木樁加固堤岸斷面

優(yōu)化后堤岸施工期邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=1.28，能滿足設(shè)計要求，堤岸增量位移云圖見圖8，樁前增加二片石護腳后，滑動面的臨河側(cè)進一步擴展，壓載作用提高了邊坡穩(wěn)定性。

仿木樁樁身彎矩及位移分布詳見圖9，樁身彎矩最大值17.06 kN·m，樁身最大位移34.4 mm，這與增加二片石護腳前（即原方案一）的仿木樁內(nèi)力及位移基本一致，差異較小。這是由于Plaxis 軟件可考慮加固堤岸的施工順序，先打入仿木樁，再在樁前鋪設(shè)二片石護腳，而鋪設(shè)護腳前樁前土已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形，護腳對仿木樁內(nèi)力及位移的影響較小。根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS167 -2018），作用效應(yīng)設(shè)計值按標準值計算的作用效應(yīng)乘綜合分項系數(shù)確定，強度計算時綜合分項系數(shù)取1.40[4]，因而施工期仿木樁最大彎矩設(shè)計值為23.88 kN·m，而每延米Φ300 mm 仿木樁承載能力設(shè)計值最小為90 kN·m，樁身強度也滿足要求。

2 結(jié) 論

1）仿木樁設(shè)于邊坡下部較邊坡中部及上部對邊坡穩(wěn)定更為有利，從實現(xiàn)仿木樁擋土作用，發(fā)揮仿木樁結(jié)構(gòu)強度的方面看，仿木樁設(shè)于邊坡下部也更為合理。

圖8 優(yōu)化后仿木樁加固堤岸增量位移云圖

圖9 優(yōu)化方案仿木樁樁身彎矩及位移圖

2）仿木樁樁長的增加有利于邊坡穩(wěn)定的提高，且仿木樁擋樁后土的作用隨著樁長增加而增大，長樁能更好地發(fā)揮仿木樁結(jié)構(gòu)強度。

3）仿木樁樁前鋪設(shè)護腳可以有效提高堤岸邊坡的整體穩(wěn)定性，同時可作為防止樁前土受水流沖刷的措施，可搭配仿木樁進行布置。