簡述河道護岸采用U型預應力混凝土板樁的設計計算

戴俊

東莞市水利勘測設計院有限公司 廣東 東莞 523000

1 工程概況

中小河流虎門-1項目區位于東莞市虎門鎮大沙河下游，整治長約1.3km。項目區主要為河岸整治，增強其防洪排澇能力，配合生態岸坡工程，營造良好生態水環境。本次綜合考慮按50年一遇防洪標準對河道進行整治[1]。

2 工程地質

地層由上至下：淤質黏土層，流塑～軟塑狀，微透水性，為相對隔水層，其承載力低，高壓縮性，易產生較大沉降。淤質粉細砂透水性較強，松散，為可能液化砂土層，易產生滲透變形。粉質黏土，可塑狀，較均勻，地基承載力稍高，可作為天然地基基礎。中細砂，松散～稍密狀，中等透水性，為可能液化土，建議加密處理。含礫中粗砂，埋深稍大，承載力較高，可作為地基基礎持力層。

表1 各巖土層主要物理力學參數建議值表

3 河岸整治形式的選擇和設計計算

3.1 樁體選擇

本工程河岸形式采用U型板樁，板樁型號選用YUBZ-450（Ⅲ型），板樁截面高度h=450mm，截面寬度D=1020mm，板壁厚度B=120mm，截面面積Au=172260mm2。預應力筋數量規格為12Dφ12.6，鋼筋抗拉強度標準值取1420Mpa，預應力鋼筋總截面面積為1995.04mm2。

圖1 U型混凝土板樁截面圖

3.2 U型截面等效簡化

U型截面在進行結構力學性能計算時，根據規范《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010），采用結構等效原則，即截面面積、截面慣性矩、形心位置三等效，將結構等效為工字型受力結構，如圖2[2]。

圖2 等效工字型計算簡圖

在抗彎載力計算時，首先應保證截面等效后受力筋保護層厚度與構件截面有效高度等值，假定工字截面高度h為450mm。構件箍筋與混凝土主要承擔抗剪承載力，為保證等效后兩種截面混凝土所承擔的抗剪承載力相接近，就應滿足承擔抗剪承載力的混凝土截面面積相等，因已假設截面高度為450mm，則工字形截面腹板寬度b應等于U型截面腹板寬度d的2倍，即b=2d=280mm。假設工字形截面上下翼緣寬度相等，均為bf。等效公式如下：

式中y為U型截面水平形心軸至截面底板底邊的距離，經算可得y=224mm，U型截面慣性矩Iu=3468573000mm4，經算可得bf=464mm，hf=126mm。

3.3 樁身抗裂彎矩計算

根據規范《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010），板樁抗裂彎矩按下式計算：

式中：Mcr為樁身抗裂彎矩，經算得197.56KN.m；預應力鋼棒有效預壓應力值取994Mpa（已按0.7倍折減），為樁身截面混凝土有效預壓應力，經算得9.80Mpa；γ為混凝土截面抵抗矩塑性影響系數，取1.0；ftk為樁身混凝土抗拉強度標準值，為2.85Mpa；W O為板樁換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩，經算得0.0157m3。

3.4 樁身結構正截面抗彎彎矩計算

板樁正截面抗彎彎矩按對應的等效工字形截面計算，為方便計算，設預應力鋼棒均設置在第一排。計算公式如下：

Mu為樁身m正截面抗彎彎矩，經算得340.91KN.m； 為受壓區混凝土矩形應力圖的應力值與混凝土軸心抗壓強度設計值比值，C60時取1.0；fc為混凝土抗壓強度設計值，為27.5Mpa；pσ為預應力鋼筋的實際應力值，取994Mpa；Ap為預應力鋼筋的截面積（按單排），取997mm2；X為等效矩形應力圖的混凝土受壓區高度，經算得78mm，小于450mm；ho為受拉預應力鋼筋距離混凝土受壓區外邊緣的距離，保護層厚度取50mm，得383mm[3]。

3.5 樁身斜截面抗剪承載力計算

根據《預應力混凝土結構設計規范》（JGJ369-2016），板樁斜截面抗剪承載力設計值V，計算公式如下：其中如根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010），計算公式如下：

若根據《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008），計算公式如下：

V為樁身斜截面抗剪承載力，經算得249.54kn或256.19kn；ft為混凝土抗拉強度設計值，為2.04Mpa； 為箍筋抗拉強度設計值，為210Mpa；S為沿長度方向的箍筋間距，為150mm；Asv為螺旋箍筋的截面面積，取50.24mm2。Vc為板樁斜截面上混凝土受剪承載力，經算得151.94KN；VS為箍筋受剪承載力，經算得26.60kn或33.25KN；Np0為計算截面上混凝土法向預應力等于零時的預加力；V p為由預加力所提高的構件受剪承載力設計值，經算得71KN。根據計算結果可知，構件采用不同的規范，會導致計算結果有所偏差。因本工程為河岸整治工程，因此斜截面抗剪承載力值取256.19KN。

將上述等效后的計算結果與U型板樁性能指標值對比可知，樁身抗裂彎矩值和樁身斜截面抗剪承載力值與指標值誤差小于0.5%，樁身正截面抗彎彎矩值與指標值誤差小于4%。表明U型板樁簡化為工字型受力結構是可行的。

3.6 岸坡穩定分析計算

經上述等效分析后，岸坡穩定計算模型再采用理正深基坑支護結構設計軟件7.0進行計算，計算內容包括：土壓力、嵌固深度、內力及變形、整體穩定、抗傾覆、抗隆起和嵌固深度計算等。

（1）整體穩定驗算

計算方法：瑞典條分法

應力狀態：總應力法

整體穩定安全系數 Ks= 1.725＞ 1.30，滿足規范要求。

（2）抗傾覆穩定性驗算

抗傾覆安全系數：

Mp——被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩，對于內支撐支點力由內支撐抗壓力；決定；對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值[4]。

Ma——主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

（3）樁頂位移驗算

根據計算結果，樁頂位移為5.44mm＜10mm，滿足規范要求。

（4）抗隆起驗算

從支護底部開始，逐層驗算抗隆起穩定性，結果如下：

支護底部，驗算抗隆起：

Ks = 2.567 ≥ 1.600，抗隆起穩定性滿足。

（5）嵌固深度計算

根據公式：嵌固構造深度=嵌固構造深度系數×基坑深度=0.800×4.650=3.720m，嵌固深度采用值9.000m ＞= 3.720m，滿足構造要求[5]。

4 結束語

本工程已竣工驗收且已運行3年多，河岸未發現不良情況，說明本工程采用U型板樁是合適的，不僅縮短施工工期，又節省工程造價，成樁效果良好，值得今后類似工程參考。