U型板樁在水庫加固工程中的應用分析

余東延，胡一志，曾曉洲

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川 成都 611130)

先張法預應力鋼筋混凝土U型板樁是用于支護工程，增加結構穩定性的主要措施之一[1- 2]。U型板樁由于其造價低、穩定性高、施工工藝簡單的優點，已被逐漸廣泛應用于水利、航道護岸、海上圍堰、城市基坑圍護等支護加固工程中，并取得了十分顯著優越的工程效果[3- 4]。已有水庫工程由于設計水平、勘測水平等技術水平有限，導致工程質量較低，水庫除險加固工程現如今出現次數日漸頻繁[5]。提高水庫質量，對水庫工程進行加固變得尤為重要。因此急需運用U型板樁的優點，將其適用于水庫加固工程中。

Miyashita等[6]對板樁支護結構進行了抗震分析，指出采用混凝土U型板樁的結構抗震性明顯提高；Lee等[7]對板樁基于振動方法施工時的特性進行了研究，指出沉樁過程中的砂層特性、沉樁進尺等均會對結構穩定性造成顯著影響。目前國內對于U型板樁的應用較晚。張后禪[8]于2010年首次對新引進的U型混凝土板樁進行了實際應用和初步的理論分析，總結了相應的施工方法和措施，提出了初步的設計理論，為U型板樁的應用打下了基礎；付明等研究了U型板樁在泵站工程中的應用，明確指出了U型板樁的優缺點及在應用時的注意事項。

本文研究了U型板樁在水庫加固過程中的應用，明確了其在施工過程中的注意事項，同時基于LS-DYNA軟件模擬了水庫在蓄水過程中動水荷載下U型板樁的動力響應分析，以期為U型板樁的設計和施工提供一定的理論支撐。

1 U型板樁基本型式

U型板樁具體結構如圖1所示。由圖1可以看出，板樁存在凹槽和凸榫，便于U型連接成片，連接處用橡膠止水帶進行止水，將樁打入土體后，中間連接的凹凸處與土體有著非常好的契合作用，樁體和土體易形成統一整體，有很好的整體效果，可增加穩定性，其凹凸處截面為半徑15mm半圓。射水孔主要連接高壓水機，方便沉樁施工工作的進行。

圖1 U型板樁具體結構

2 U型板樁施工方法

U型板樁主要施工方法包括：靜壓法、振動法、錘擊法和引孔植樁法。從方法的技術可行性、經濟合理性等方面比較了4種施工方法的優缺點，結果見表1。由表1可以看出，綜合比較各種方法，結合水庫加固施工過程中的周圍環境及施工特點，選擇靜壓法進行U型板樁沉樁為最適宜的方法。

表1 施工方法比較

3 U型板樁在水庫加固過程中的應用

查閱相關文獻，并根據以往的施工經驗，可得出U型板樁在整個水庫加固過程中的施工流程，如圖2所示。

圖2 U型板樁在水庫加固工程中的施工流程

(1)測量放線。根據實際情況，掌握水庫加固工程的實際特點，確定板樁中心線位置，根據板樁尺寸確定每個樁的中心點位置及水平標高，經相關建筑單位確定均符合要求，避免發生偏差。

(2)設置導向架。U型板樁的導向架是施工的關鍵。對于導向架的要求應滿足以下規定：導向架的材料應選用抗剪強度較高的型鋼等材料；導向架的定位和安裝，需要嚴格按照設計要求，通過經緯儀和水準儀進行控制和調整；導向架與U型板樁接觸部位需涂抹潤滑劑。

(3)沉樁施工。將所要假設施工的U型板樁吊入合適的位置，將樁尖對準樁位插入，為防止板樁插入后垂直度發生偏差，需將相鄰板樁綁緊。在確認無誤后，將樁體加壓并下沉，在壓樁過程中，當遇到壓力值急劇增加，樁體突然發生傾斜、位移，樁頂或樁體出現嚴重裂縫、破碎等情況時，應暫停壓樁，并分析原因，采取相應措施。

(4)沉樁質量檢查。在沉樁過程中，首先要時刻監測樁體垂直度，如不符合規范和設計要求，及時通知設計單位進行復核，提出修改意見，采用低應變檢測法檢測樁身完整性。在沉樁過程中如果出現樁位偏差，可導致鎖口開裂，需采用索具使樁體之間咬合緊密。水庫加固工程中U型板樁沉樁允許偏差應符合表2中的規定。

表2 沉樁允許偏差

4 基于LS-DYNA的U型板樁動水荷載動力響應

4.1 模型參數確定

對U型板樁沉樁土體結構模型采用摩爾-庫倫模型，板樁樁型采用U-CS- 800-Ⅳ型，板樁混凝土采用C60，彈性模量為30000MPa，泊松比為0.2，截面為1000mm×1500mm，厚度為200mm，樁體周圍土層參數采用強度折減法確定[10]，具體參數取值可見表3。

表3 樁體土層參數取值

4.2 模擬結果分析

圖3為U型板樁樁身模擬的水平位移變化趨勢圖。由圖3可以看出，樁頂處的水平位移呈現由正位移向負位移的變化，而樁土界面處的樁身位移呈現逐漸減小的趨勢，表明樁頂出的水平位移變化要高于其余樁身部位。在5000s左右的時間內，樁頂處水平位移由2.65cm變為了-1.18cm，而樁土界面處的樁身水平位移由2.0cm變為了0.01cm，因此在實際施工中應在樁頂施加帽梁等措施，以減少樁頂水平位移。

圖3 U型板樁樁身水平位移變化

淤泥交界處是易發生樁體破壞的區域，為制定相應的防護措施，模擬了在淤泥頂面處樁身與土體的位移變化，結果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著時間的增加，樁身和土體的最大負向水平位移變化趨勢基本一致，兩者的相對位移有趨于平緩的趨勢；樁身最大正向位移隨著荷載作用時間的增加而減小，有趨于穩定的趨勢，而土體的位移則出現逐漸增大的趨勢，造成了樁身與土體之間的相對位移逐漸增大。因此，在施工中在淤泥交界面處，應增加樁身配筋率，增加抗拉強度。

圖4 U型板樁

5 結語

本文指出了U型板樁的具體施工方法和注意事項，同時明確了U型板樁在設計施工中應明確注意淤泥頂面處與樁頂的受力情況，增加板樁配筋，保證U性板樁的穩定性。本文基于LS-DYNA軟件對板樁受力的位移情況進行了模擬，結論與實際情況基本一致。本文在研究過程中選擇了樁頂、樁身與土的分界面和淤泥頂面幾個特征斷面進行研究，在今后的研究中應主要分析U型板樁各個斷面的空間受力情況，模擬整個板樁的位移情況，為U型板樁的配筋設計與施工提供更準確的理論依據。