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      塑鋼板樁在河流溝道治理中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

      2023-12-07 03:56:51李鈺
      工程機(jī)械與維修 2023年6期
      關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)應(yīng)用穩(wěn)定性

      李鈺

      摘要:塑鋼板樁具有抗彎強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度高、質(zhì)量可靠、施工方便快捷、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在河流溝道治理工程中采用塑鋼板樁,突破了以往溝道治理的傳統(tǒng)工藝,消除了河道存在的塌岸險(xiǎn)情,提高了防洪減災(zāi)和排灌調(diào)控能力,改善了河流溝道生態(tài)環(huán)境。以寧夏艾依河溝道治理工程為例,分析塑鋼板樁應(yīng)用的可行性和特有優(yōu)勢(shì),為同類(lèi)工程中塑鋼板樁的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

      關(guān)鍵詞:塑鋼板樁;河流溝道;工程治理;穩(wěn)定性;強(qiáng)度驗(yàn)算;設(shè)計(jì)應(yīng)用

      0? ?引言

      對(duì)于河流溝道治理工程,寧夏地區(qū)一般采用傳統(tǒng)的治理方式,主要結(jié)構(gòu)形式主要有鉛絲籠式、格賓石籠式、漿砌石式、混凝土式等。近年來(lái),塑鋼板樁作為一種新型建筑材料板樁,因具有材質(zhì)輕、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)地基承載力要求低、維護(hù)成本低、造價(jià)低廉、施工快捷以及節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)[1],逐漸被廣泛應(yīng)用于公路、林道邊坡穩(wěn)固墻以及江河航道護(hù)岸等工程治理當(dāng)中。

      本文以寧夏艾依河溝道治理工程為例,分析塑鋼板樁應(yīng)用的可行性和特有優(yōu)勢(shì),介紹其在寧夏艾依河溝道治理工程中的應(yīng)用概況,證實(shí)其可行性和特有優(yōu)勢(shì),為同類(lèi)工程中塑鋼板樁的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

      1? ?塑鋼板樁性能

      塑鋼板樁經(jīng)國(guó)家高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)多年,在抗老化、抗紫外、耐酸、耐堿,抗凍耐高溫等方面均有良好表現(xiàn)。其材料成分穩(wěn)定,不含鉛和塑化劑,無(wú)有毒有害物質(zhì)成分,對(duì)水土環(huán)境不產(chǎn)生污染,綠色環(huán)??裳h(huán),符合國(guó)家綠色建筑的工程需求。

      1.1? ?結(jié)構(gòu)特性

      板樁外形依據(jù)物理學(xué)原理設(shè)計(jì),采用大慣性矩截面設(shè)計(jì),每片兩側(cè)設(shè)置C和T字形等凹凸套接接頭。塑鋼板樁兩端分別為C和T形接頭,兩個(gè)以上板樁通過(guò)C和T形連接頭匹配連接,在遇到轉(zhuǎn)角處,采用C、T形連接頭相同設(shè)計(jì)形狀的連接件進(jìn)行轉(zhuǎn)向連接,使組合后的塑鋼板樁整體形狀貼合堤岸[2]。CT接頭連接如圖1所示。

      通過(guò)對(duì)C、T形連接頭的形狀進(jìn)行優(yōu)化,可使塑鋼板樁連接更緊密穩(wěn)固,實(shí)用性和抗?jié)B水性等大大增強(qiáng)。其材質(zhì)非常堅(jiān)固、穩(wěn)定,既不受氣候影響,也不受水質(zhì)影響。組合形成的整體連續(xù)的護(hù)岸板墻,除本身材質(zhì)具有較強(qiáng)的拉伸、抗彎強(qiáng)度外,還具有較強(qiáng)的抗沖擊和柔韌性,并且材質(zhì)穩(wěn)定、堅(jiān)固耐久,不易腐蝕、蟻駐、開(kāi)裂,具有極高的抗壓強(qiáng)度和抗沖擊能力[3]。

      1.2? ?整體綜合性能

      高強(qiáng)度塑鋼組合板樁具有制造工藝先進(jìn)、材料質(zhì)量輕、適應(yīng)性好、整體強(qiáng)度、剛度高、耐久性好、施工便捷、占地少,工程造價(jià)和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn),廣泛適用于堤防、護(hù)岸、擋土墻、防滲、支護(hù)等相關(guān)水利與土木工程。塑鋼板樁材料的化學(xué)有害物含量、燃燒性能、抗老化等技術(shù)指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)范要求,對(duì)土壤和水體等環(huán)境無(wú)不利影響,且可重復(fù)使用和再生利用。塑鋼板樁首創(chuàng)多種連接件,采用CT圓弧形套接接頭,組合成為一種新型的護(hù)岸支擋結(jié)構(gòu),護(hù)岸形成后其穩(wěn)固性、抗?jié)B性能好,使用壽命長(zhǎng)。

      2? ?工程概況

      艾依河是集防洪排水、城市治污、溝道整治、城市景觀、生態(tài)建設(shè)為一體的寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)水利工程,它南起永寧縣唐徠渠永家湖退水閘,北至石嘴山入黃河,橫跨永寧縣、興慶區(qū)、賀蘭縣、平羅縣、惠農(nóng)區(qū),總長(zhǎng)158.5km,河道設(shè)計(jì)排水流量為10.3~120m3/s。

      艾依河承擔(dān)的主要任務(wù)有3個(gè):一是承擔(dān)排泄區(qū)農(nóng)田排水任務(wù),二是承擔(dān)賀蘭山東麓山洪排泄任務(wù),三是承擔(dān)排域內(nèi)城市生活污水和工業(yè)廢水任務(wù)。前期曾對(duì)存在重大防洪隱患且連續(xù)集中的段落進(jìn)行了治理,經(jīng)治理后,相應(yīng)段抗水流淘沖能力得到明顯提升,塌岸險(xiǎn)情得到有效遏制。但由于受資金限制等問(wèn)題,仍有部分段落存在溝道淤積、岸坡滑塌、坡腳坍塌變形等問(wèn)題,嚴(yán)重威脅溝道運(yùn)行安全。

      為了消除河道塌岸險(xiǎn)情,確保防洪排水通道暢通,完善區(qū)域防洪排水體系,進(jìn)一步提高防洪減災(zāi)和排灌調(diào)控能力,決定對(duì)艾依河河流溝道開(kāi)展全面治理。治理工程包括河道疏浚7.1km,河道砌護(hù)3.9km,砌護(hù)總長(zhǎng)度7.3km。

      3? ?總體治理方案

      根據(jù)河道沿線(xiàn)支溝匯入點(diǎn)分布情況,針對(duì)溝道存在的問(wèn)題,以三二支溝匯入點(diǎn)為節(jié)點(diǎn),分段確定治理措施。三二支溝上段溝道流量較小,水深較淺,分段導(dǎo)流施工難度較小,仍采用以往傳統(tǒng)砌護(hù)結(jié)構(gòu)形式,即土工格柵石籠基礎(chǔ)+格賓墊石籠護(hù)坡進(jìn)行治理。

      三二支溝下游溝道不僅承擔(dān)溝道沿線(xiàn)農(nóng)田排水,還承擔(dān)平羅縣工業(yè)園區(qū)和三二支溝沿線(xiàn)城鎮(zhèn)、企業(yè)生活、生產(chǎn)污水排泄任務(wù)。該段溝道水深常年在1.0m左右,灌溉期水深更大。如對(duì)該段溝道迎水坡進(jìn)行防沖砌護(hù),需要采取水下填筑施工圍堰、分段導(dǎo)流方式進(jìn)行施工,但土工格柵石籠基礎(chǔ)砌筑難以在無(wú)水環(huán)境下施工,且施工工期較長(zhǎng)。

      綜合考量施工工期以及施工難度等因素,結(jié)合塑鋼板樁的性能及施工特點(diǎn),本次擬對(duì)該段溝道砌護(hù),采用塑鋼板樁護(hù)岸+植草磚護(hù)坡相結(jié)合的治理措施。

      4? ?工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用

      4.1? ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

      河流溝道設(shè)計(jì)采用塑鋼板樁護(hù)岸+植草磚護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式。為了防止溝坡坡腳受水流沖淘發(fā)生坍塌,于平行于溝道沿溝坡坡腳設(shè)置塑鋼板樁,板樁總長(zhǎng)4.0m,溝底以下2.6m,溝底以上1.4m,樁頂現(xiàn)澆C20鋼筋砼帽梁。

      為了增強(qiáng)板樁的穩(wěn)定性,垂直于板樁布置直徑14mm、長(zhǎng)3.0m的水平拉筋,并在其末端布置寬10cm、長(zhǎng)3.0m的鍍鋅鋼管進(jìn)行固定。板樁以上設(shè)置寬1.0m、厚8cm的植草磚平臺(tái),其上接坡度1:3溝坡。溝坡采用植草磚進(jìn)行砌護(hù),砌護(hù)頂高程與溝道排洪水位齊平。

      為了保證植草磚護(hù)坡穩(wěn)定,在坡腳處設(shè)置寬0.4m、深0.8m的漿砌石基礎(chǔ)。塑鋼板樁位于溝道內(nèi)坡腳,用于將地下水通道截?cái)?,為了快速排板樁護(hù)岸后積水,需在板樁適當(dāng)高度處布置排水孔。排水孔一般在每張板樁開(kāi)設(shè),上下交錯(cuò)設(shè)置,最上排排水孔與常水位齊平或略高于常水位[4]。

      本次在板樁外露高1.3m處布置最上排排水孔,一共需要布置2排,且左右間距要求為18cm,上下間距為20cm。排水孔為直徑為4.0cm的圓孔,在排水孔進(jìn)口處設(shè)置砂礫石反濾層,避免堵塞孔道。

      在保證塑鋼板樁護(hù)岸自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定前提下,盡可能保證板樁頂位于河道常水位以上??紤]每年8月份為灌溉高峰期,農(nóng)田退水量大,而其他月份退農(nóng)田水量少、河道水位低的實(shí)際情況,最終確定板樁頂應(yīng)位于河道水深1.3m以上。

      4.2? ?塑鋼板樁穩(wěn)定計(jì)算及強(qiáng)度驗(yàn)算

      4.2.1? ?公式計(jì)算及參數(shù)選取

      板樁總長(zhǎng)4.0m,樁頂溝底以上距離為1.4m。板樁治理段主要工程地質(zhì)為壤土、砂壤土及細(xì)砂。板樁墻前作用為被動(dòng)土壓力,墻后為主動(dòng)土壓力,根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)和《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL379-2007),主動(dòng)土壓力采用式(1)進(jìn)行計(jì)算,被動(dòng)土壓力系數(shù)采用式(2)進(jìn)行計(jì)算,抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)采用式(3)進(jìn)行計(jì)算[5]。

      Eax=0.5γh2Kacosδ? ? ? ? ? ? ? (1)

      Kp=tan2(45+φ/2)? ? ? ? ? ? ? (2)

      K0=∑My/∑MH? ? ? ? ? ? ? ?(3)

      式中:δ為板樁與土的摩擦角;φ為板樁后土的內(nèi)摩擦角;Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù);Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù);K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù);∑My為板樁抗傾覆力矩;∑MH為板樁傾覆力矩。

      拉桿直徑根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用式(4)計(jì)算:

      式中:K為壓力系數(shù);RA為拉桿的拉力;d為拉桿直徑;T為板樁的使用年期,取50年;α為拉桿與水平面的夾角,取0°;δt為拉桿直徑的年銹蝕量,取0.05mm/年;[σ]為拉桿鋼材的允許應(yīng)力,采用HRB400級(jí)鋼筋時(shí),取360MPa。

      4.2.2? ?穩(wěn)定性計(jì)算及強(qiáng)度驗(yàn)算

      將樁頂以上土產(chǎn)生的土壓力和漿砌石基礎(chǔ)產(chǎn)生的土壓力,采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的方法計(jì)算,然后與板樁頂以下土產(chǎn)生的土壓力進(jìn)行疊加[6]。板樁土壓力合力及樁底彎矩計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中,使板樁端部順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的為正。

      塑鋼板樁在設(shè)計(jì)安裝過(guò)程中,抗傾覆穩(wěn)定性要滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)板樁帽頂以下1.507m的位置求彎矩?cái)?shù)值,1.507m以上的作用力和彎矩如表2所示。

      由表2可知:板樁帽頂以下1.507m處的剪力為0,最大彎矩為9.57kN·m。采用MA718×180mm×8mm型塑鋼板樁的設(shè)計(jì)彎矩為10kN·m,每延米設(shè)計(jì)彎矩為13.93kN·m。荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2kN/m2,板樁承載力安全系數(shù)取1.2kN/m2,則每延米設(shè)計(jì)彎矩13.93kN·m>9.57kN·m×1.2×1.2=13.78kN·m,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

      綜上所述,板樁后溝底以上填土高度≤1.4m,樁帽露出溝底以上高度≤1.5m時(shí),MA718×180mm×8mm型塑鋼板樁可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

      4.2.3? ?塑鋼板樁選型

      選用MA718×180mm×8mm型塑鋼板樁,其截面尺寸(L×H×d)為718mm×180mm×8mm。塑鋼板材的主要物理力學(xué)指標(biāo)詳如表3所示。

      5? ?結(jié)束語(yǔ)

      相比傳統(tǒng)護(hù)岸形式,塑鋼板樁具有堅(jiān)固耐久、不污染土壤及水源、施工簡(jiǎn)便、占地小,施工工期短且可再生利用等優(yōu)點(diǎn),不僅能有效地防止水流對(duì)河岸的淘刷,減少水土流失,有力保障灌區(qū)免受洪水危害,還能充分體現(xiàn)出工程與生態(tài)治理相結(jié)合的治理理念,促進(jìn)生態(tài)環(huán)境向良性循環(huán)發(fā)展

      本文以寧夏艾依河溝道治理工程為例,分析塑鋼板樁應(yīng)用的可行性和特有優(yōu)勢(shì),介紹其在寧夏艾依河溝道治理工程中的應(yīng)用概況,證實(shí)其可行性和特有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)塑鋼板樁在艾依河平羅段溝道治理工程中的實(shí)際應(yīng)用,探索出溝道治理的另一種新的治理方式,可為同類(lèi)工程中塑鋼板樁的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 張策,姚怡斐.城區(qū)段堤防加固相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題及創(chuàng)新應(yīng)用的思考[J].浙江水利科技,2022,50(4):37-41+47.

      [2] 武慧芳,顧靖超,陸立國(guó).塑鋼板樁應(yīng)用于黃河寧夏地區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2020(12):151-157.

      [3] 許珊,熊厚仁,桂悅輝,等.錨貼鋼板對(duì)高強(qiáng)度塑鋼板樁抗彎性能的影響[J].嘉興學(xué)院學(xué)報(bào),2022,34(6):117-124.

      [4] 葉霄,詹偉,余以強(qiáng),等.基于FLAC3D的塑鋼板樁路基防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2021,21 (2):720-727.

      [5] 鄧柏旺,諶廷恩.不露灘條件下塑鋼板樁水下沉樁施工技術(shù)研究[J].水利建設(shè)與管理,2022,42(5):27-33.

      [6] 游菊香.懸臂式塑鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)受力特性分析[J].福建交通科技,2023(2):5-8+36.

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