預制混凝土板樁在內河航道中的應用研究

蔣永明 陳志強 錢惠軍

隨著長三角區域經濟的快速發展，交通和物流運輸量相應得到迅猛的提升，為了適應大宗貨物和集裝箱運輸的需要，急需對浙北內河航道網的主干航道提升其通航級別。針對這一要求，交通運輸部經反復論證和研究后要求湖嘉申線航道按三級標準建設，同時對京杭運河、杭申線航道列入“四改三”規劃。提升航道級別勢必要對老航道適當拓寬并浚深至設計斷面要求。通過對京杭運河、杭申線航道涉及嘉興市航區改造的110 km航道的調查，沿線大量工礦碼頭，征地拆遷難于實施，期望通過大規模征地和拆遷來達到“四改三”航道建設的方案已經不契合實際。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四級航道提升為三級航道是個重大課題。

1 板樁的發展歷程

板樁的應用在我國歷史悠久，在公元前5000年的河母渡文明遺址(現在浙江余姚附近)，發現了板樁用于木構淺水井的重要支撐物，標志著板樁的應用已具雛形。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，有效地保證了海塘基礎的穩定和承載能力。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。木樁外側設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。到了現代，板樁的設計和施工的技術都有了長足的發展。預應力鋼筋混凝土技術和預應力錨桿錨固技術與鋼筋混凝土板樁的結合為板樁的發展史填了劃時代的一筆。1997年我國第一座在開敞河域建設的黃河海港板樁碼頭建成投產，歷經8級大風20多次，經歷3次風暴潮襲擊，特別是1997年8月百年一遇的強臺風中心從該區通過，該碼頭經住了考驗，取得了成功經歷，標志著鋼筋混凝土板樁與水工建筑物的結合已經達到了成熟的階段。

2 板樁在航道中的應用概述

預制混凝土板樁護岸結構是利用地下連續板樁墻作為河岸土體或建筑物基礎的圍護結構，通過板樁與土體的共同作用，形成穩定的護岸結構體，并采取有效的工程措施使其達到耐久、抗沖、透水、與環境協調并具備生態效果的岸坡體系。該結構是一項邊界條件極為復雜的介質與結構共同作用的體系，它既涉及土力學中典型的強度及穩定問題，又與變形密切相關，涉及到土與圍護結構的共同作用問題，同時由于土質、地下水及環境條件的變化而復雜化。所以盡管該結構從理論上講具有其他結構無法相比的優越性，多年來板樁結構的設計和施工技術都有很大的發展，但一直無法在內河航道上大面積的推廣和應用，其主要原因如下:1)由于現場條件存在諸多不確定因素，結構計算在理論分析的基礎上考慮了各種差異的影響，而套用板樁碼頭設計規范的偏于安全的綜合安全系數或荷載分項系數，使得對結構要求增加，如加大加長板樁尺寸，加大配筋率等，導致建設成本增大，而難于接受;2)缺乏配套的施工設備，采用普通的錘擊式打樁設備或鏟挖機鏟斗簡易壓樁法作業，水上作業效率低下，施工質量難于達到設計要求，施工成本居高不下，施工進度也不能滿足大規模航道改造的需要;3)由于是低水平施工，工程質量不佳，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)根據圓弧滑動法和經典理論法用BZJS板樁墻計算系統計算機對板樁加固的護岸結構進行整體穩定分析，從理論上對各種荷載工況加以驗證結構的可靠性和合理性。2)根據空間有限元理論，建立多材料、多構件、多約束的試驗結構數學模型，應用FLAC3D，Midas/GTS等專業空間有限元結構分析程序進行結構仿真計算，分析結構的應力應變、彈性變形和塑性變形、整體位移以及周圍土體的應力變化和塑性區破壞情況。從理論上提出結構的優化方案。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。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值分析方法，它可以模擬巖土或其他材料的三維力學行為。三維快速拉格朗日分析將計算區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關系，如果單元應力使得材料屈服或產生塑性流動，則單元網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;利用動態的運動方程進行求解，這使得FLAC3D能模擬動態問題，如振動、失穩、大變形等;FLAC3D采用顯式方法求解，對顯式算法來說，非線性本構關系與線性本構關系并無本質的區別，采用中等容量的內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，FLAC3D還具有強大的前后處理功能。GTS是根據地基與結構協同作用原理和大規?？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域最新發展技術的專業程序。其功能包括:應力分析、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、應力—滲流耦合分析、軟弱土層的填土及固結分析、基坑開挖與支護分析、地震、爆破及振動分析、襯砌分析、邊坡穩定分析。3)按照板樁碼頭設計規范，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構加以分析，確定板樁的各種技術參數。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下的板樁。用此方法解決問題時，板樁墻入土段的工作狀態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構，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的地基系數法。其中，“m法”使用的比較多。m法是假設地基系數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為地基系數分布的斜率。

3.2 現場試驗研究

1)預制鋼筋混凝土板樁的規?；A制生產試驗、高質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置傳感器，板樁每0.5 m～1.0 m高度設一組應變片(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構的作用情況從而分析結構的可靠性，確定最佳斷面和預應力板樁的合理尺寸。

4 結語

隨著社會文明的發展，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，國內外眾多的專家、學者和工程技術人員對板樁工程的時空效應規律做了大量的探索和研究工作，其中不乏大型的室內和現場的試驗，為現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計多采用的是半經驗半理論的方法。如今，板樁工程的設計和施工也逐漸的程序化、規范化、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構和支撐結構分析軟件，北京理正軟件設計研究所開發的理正深基坑支護結構設計軟件。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。縱觀板樁的發展，其與水利工程的結合順理成章，因此，有專家預測:板樁將會和水利工程更加緊密的結合并在實際工程中發揮更大的作用。

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