支撐式排樁在河道護(hù)岸工程中的應(yīng)用研究

邱學(xué)山，李 帆，孫 丹，郝青芳，潘逸卉

(1.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017)

0 引言

支撐式排樁在工程基坑支護(hù)中應(yīng)用極其廣泛，但在河道護(hù)岸工程中的應(yīng)用較為少見(jiàn)。相比懸臂式排樁護(hù)岸，支撐式排樁護(hù)岸具有樁體變形小、樁身彎矩及剪力小、樁底嵌固深度淺、工程投資經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。本項(xiàng)目將該支護(hù)結(jié)構(gòu)成功運(yùn)用到竹簀河治理工程中，避免了大范圍的拆遷，保證了河道兩岸建筑物的安全，同時(shí)又減小了河道過(guò)水?dāng)嗝娴目s窄，保證了河流的排洪需要。

1 工程概況

1.1 河道概況

竹簀河位于溧陽(yáng)市竹簀鎮(zhèn)，是溧陽(yáng)北山地區(qū)一條主要的引排河道，河道全長(zhǎng)22.76 km。竹簀河古稱(chēng)北山河，1612—1614年(明萬(wàn)歷四十至四十二年)夏煒任溧陽(yáng)知縣期間興巟開(kāi)挖，1796年(清嘉慶元年)后稱(chēng)竹簀河，1779年(清乾隆四十四年)疏浚，民國(guó)期間疏浚2次。河道兩岸保存有多處不同歷史時(shí)期的傳統(tǒng)建筑：民國(guó)傳統(tǒng)建筑、近代建筑、近現(xiàn)代工業(yè)建筑群。

本次治理段為竹簀鎮(zhèn)區(qū)段，治理段河道全長(zhǎng)1.3 km，現(xiàn)狀河口寬15.0～20.0 m，河槽深6.0～7.0 m。

1.2 存在的問(wèn)題

1.2.1 現(xiàn)狀河道河岸標(biāo)準(zhǔn)低

現(xiàn)狀河道河岸主要有自然土坡和砌石駁岸兩種。自然土坡坡面較陡，雜草、灌木叢生；砌石駁岸大部分為漿砌，少部分為干砌，存在墻身單薄、墻面勾縫砂漿剝落等問(wèn)題，局部段擋墻已失穩(wěn)、垮塌。

1.2.2 河道岸坡穩(wěn)定性較差

根據(jù)工程地勘資料，整治段竹簀河沿線(xiàn)河岸基礎(chǔ)存在層厚3.10～4.50 m淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土質(zhì)較差。由于現(xiàn)狀河道岸坡較陡，極易發(fā)生滑坡，存在垮塌危險(xiǎn)。

1.2.3 兩岸民房占用河道行洪斷面

整治段河道穿鎮(zhèn)而過(guò)，河道兩岸居民房屋大多臨河而建，甚至部分房屋伸入河道，阻礙行洪。

1.3 工程任務(wù)

本工程主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)竹簀河竹簀鎮(zhèn)區(qū)段進(jìn)行整治，提高竹簀鎮(zhèn)的防洪、排澇標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)沿岸居民、工廠企業(yè)等，并改善現(xiàn)狀河道水生態(tài)、水環(huán)境，構(gòu)建適宜的人居環(huán)境，并為后續(xù)竹簀古鎮(zhèn)的打造提供良好的基礎(chǔ)。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)《溧陽(yáng)市竹簀鎮(zhèn)竹簀河綜合整治工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，場(chǎng)地在勘探深度內(nèi)所揭露的土層，按其沉積環(huán)境、成因類(lèi)型以及土的工程地質(zhì)性質(zhì)，自上而下各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各工程地質(zhì)層物理力學(xué)指標(biāo)

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 方案比選

竹簀河河道兩側(cè)為眾多的鎮(zhèn)區(qū)民房，現(xiàn)有民房中多為需要保護(hù)的不同歷史時(shí)期的傳統(tǒng)建筑，部分房屋甚至以現(xiàn)狀砌石護(hù)岸作為基礎(chǔ)，且河道深度普遍在6.0 m左右。若河道采用常規(guī)的護(hù)岸結(jié)構(gòu)，如重力擋墻、懸臂擋墻、扶壁擋墻等，工程施工難度大、拆遷費(fèi)用高、對(duì)周邊環(huán)境的影響也很大。為保護(hù)兩岸現(xiàn)有建筑，同時(shí)滿(mǎn)足河道行洪需要，工程擬采用排樁支擋結(jié)構(gòu)作為河道護(hù)岸。

排樁支擋結(jié)構(gòu)具體分類(lèi)如圖1所示。

圖1 排樁支擋結(jié)構(gòu)分類(lèi)

根據(jù)勘察資料，本工程河道兩岸地表以下存在厚層的雜填土，結(jié)構(gòu)松散，不利于錨拉式排樁錨桿的成孔與錨固。雙排樁結(jié)構(gòu)造價(jià)高，且需占用更多的河道行洪斷面。本工程河槽深度較深，若采用懸臂式結(jié)構(gòu)，排樁嵌固深度及樁身變形均較大，工程投資也較高。綜上所述，工程采用支撐式排樁結(jié)構(gòu)。

3.2 斷面設(shè)計(jì)

支撐式排樁護(hù)岸采用Φ1000@1100鋼筋砼灌注樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)10.6 m，樁底高程為-7.70 m(黃海高程系)。樁頂冠梁結(jié)合景觀步道設(shè)計(jì)，冠梁寬2.2 m、高0.7 m，冠梁內(nèi)側(cè)設(shè)高2.8 m、厚0.4 m的鋼筋砼直墻，外側(cè)設(shè)1.2 m高的石質(zhì)欄桿。排樁迎水面設(shè)0.20 m厚的鋼筋砼掛板，掛板底至底梁，頂至冠梁(見(jiàn)圖2)。

圖2 支撐式排樁護(hù)岸斷面

排樁護(hù)岸采用兩岸對(duì)撐結(jié)構(gòu)，共設(shè)置兩道橫向支撐：第一道橫向支撐采用直徑600 mm的臨時(shí)鋼管支撐，設(shè)置在冠梁位置；第二道橫向支撐采用800 mm×800 mm矩形截面的鋼筋混凝土永久支撐，設(shè)置在河道清淤線(xiàn)位置，并與800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土底梁連接。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

考慮到現(xiàn)狀兩岸砌石護(hù)岸局部已失穩(wěn)滑動(dòng)，因此本次計(jì)算偏安全考慮，概不考慮現(xiàn)有護(hù)岸的抗滑作用。計(jì)算方法主要采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)的有關(guān)規(guī)定。

3.3.1 計(jì)算工況

根據(jù)本項(xiàng)目的施工組織安排，河道護(hù)岸采用分河段施工，護(hù)岸施工前應(yīng)首先在河道內(nèi)采用外運(yùn)土方進(jìn)行施工平臺(tái)的填筑，填筑平臺(tái)頂高程不低于4.0 m，平臺(tái)完成后再進(jìn)行排樁、冠梁、直墻、底梁、支撐等主體結(jié)構(gòu)施工。根據(jù)上述施工安排，本工程護(hù)岸結(jié)構(gòu)計(jì)算工況如表2所示。

表2 支撐排樁護(hù)岸計(jì)算工況

3.3.2 排樁嵌固深度計(jì)算

根據(jù)本工程排樁護(hù)岸的施工與運(yùn)行工況，樁底按單支撐計(jì)算公式進(jìn)行嵌固穩(wěn)定性的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Kem為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)，取Kem不小于1.25；Eak為河道護(hù)岸外側(cè)主動(dòng)土壓力合力的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Epk為河道護(hù)岸內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Za2為河道護(hù)岸外側(cè)主動(dòng)土壓力合力點(diǎn)至支撐點(diǎn)的距離，m；Zp2為河道護(hù)岸內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力點(diǎn)至支撐點(diǎn)的距離，m。

3.3.3 坑底隆起穩(wěn)定計(jì)算

支撐式排樁嵌固段深度應(yīng)同時(shí)符合坑底隆起穩(wěn)定性要求,抗隆起穩(wěn)定性的計(jì)算公式如下:

(2)

(3)

Nc=(Nq-1)tanφ

(4)

式中：Khe為抗隆起安全系數(shù)，取Khe不小于1.80；γm1為墻后排樁樁底以上各土層的加權(quán)平均重度，kN/m3；γm2為墻前排樁樁底以上各土層的加權(quán)平均重度，kN/m3；D為河道底面至排樁樁底的所有土層總厚，m；h為基坑深度，m；q0為地面均布荷載，kPa；Nc，Nq為承載力系數(shù)；c，φ分別為排樁樁底以下土層的黏聚力(kPa)和內(nèi)摩擦角(°)。

3.3.4 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算采用《理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件》按彈性法計(jì)算，主要計(jì)算結(jié)果如表3所示。支撐式排樁護(hù)岸的計(jì)算結(jié)果包絡(luò)圖如圖3所示。

表3 支撐排樁護(hù)岸計(jì)算成果

圖3 支撐式排樁護(hù)岸的計(jì)算結(jié)果包絡(luò)圖

根據(jù)上述各工況計(jì)算結(jié)果，樁身最大位移為7.13 mm，發(fā)生在拆除頂部臨時(shí)支撐后，滿(mǎn)足《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 379—2007)中入土點(diǎn)位變不大于10 mm的要求；嵌固穩(wěn)定系數(shù)最小為1.308>Kem=1.25，滿(mǎn)足規(guī)范要求，且穩(wěn)定系數(shù)略大于允許值，說(shuō)明排樁嵌固長(zhǎng)度比較適中；抗隆起穩(wěn)定系數(shù)為4.224>Khe=1.80，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.3.5 懸臂式與支撐式排樁計(jì)算對(duì)比

懸臂式排樁位移、彎矩、剪力及嵌固深度均大于支撐式排樁，因此支撐式排樁方案更經(jīng)濟(jì)、更合理，如表4所示。

表4 懸臂式與支撐排樁護(hù)岸計(jì)算成果對(duì)比

4 施工注意事項(xiàng)

(1)排樁護(hù)岸施工前應(yīng)先填筑施工平臺(tái)，施工平臺(tái)頂高程應(yīng)高于設(shè)計(jì)樁頂高程。

(2)排樁護(hù)岸施工完畢后須在混凝土強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度情況下，方可開(kāi)展墻前土方施工。墻前土方開(kāi)挖須分層、分段開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)做好排樁的位移、沉降觀測(cè)。

(3)土方開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)底梁及支撐的保護(hù)，施工機(jī)械不得直接壓在底梁及支撐上。

(4)灌注樁頂部鋼護(hù)筒長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)回填土埋深，護(hù)筒應(yīng)進(jìn)入原狀土不小于0.2 m。

(5)頂部臨時(shí)鋼支撐應(yīng)在基坑內(nèi)土方開(kāi)挖至2.8 m高程，并在冠梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可安裝。

(6)鋼管支撐長(zhǎng)度方向拼接宜使用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)結(jié)或焊縫，且拼接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)的截面強(qiáng)度。

(7)鋼管支撐應(yīng)與錨板滿(mǎn)焊，錨板采用Q235級(jí)鋼，錨筋與錨板采用T形壓力埋弧焊接。

(8)頂層的臨時(shí)鋼管支撐，應(yīng)在底部永久支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后才能拆除，并采取安全可靠的措施，保證永久結(jié)構(gòu)的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

懸臂式、錨拉式排樁護(hù)岸在水利工程中有一定的應(yīng)用，但支撐式排樁應(yīng)用相對(duì)較少，主要是在設(shè)計(jì)過(guò)程中約束的條件較多，如河道兩岸保護(hù)對(duì)象的重要性、河道寬度、河槽深度等。支撐式排樁護(hù)岸屬于硬質(zhì)護(hù)岸，生態(tài)性與美觀性較差，有條件的項(xiàng)目可結(jié)合水生態(tài)、景觀等專(zhuān)業(yè)同步設(shè)計(jì)。支撐式排樁在竹簀河治理中的應(yīng)用，成功解決了河道治理與建筑物保護(hù)的矛盾，同時(shí)也滿(mǎn)足了河道的行洪要求，為類(lèi)似河道治理項(xiàng)目提供了借鑒。