天津市海河堤岸工程中預制板樁墻設計

呂中維 陶連銀 張

海河堤岸工程是天津市海河兩岸綜合開發的一項重要的基礎設施項目,歷史上海河堤岸改造工程中直立式護岸結構型式先后采用過預制板樁墻與錨碇系統組合結構、預制間隔樁擋板與錨碇系統組合結構、支承于混凝土預制樁(或木樁)上的重力擋土結構等等。目前堤岸結構工程中密排灌注樁、地下連續墻等亦有采用,而灌注樁、地下連續墻均需要現場制作鋼筋籠和澆筑水下混凝土,要求現場有較大的施工空間,對場地要求較高,且水下澆筑混凝土質量保證率低,同時鋼筋制作以及混凝土養護時間較長,從而施工周期長,另外,現實施工中灌注樁難以實現連續外切,常出現較大間隙,需采取止水措施,如設水泥旋噴樁等,地下連續墻所需結構厚度較大,不夠經濟;而預制板樁墻作為預制構件,可以在預制廠提前加工制作,結構本身的安全度容易保證,經濟合理,同時不需現場制作鋼筋籠和澆筑水下混凝土,對場地要求不高且節省了施工周期,在施工上采用成槽植樁工藝,樁與樁之間連接易于平順、間隙便于控制。前期實施的海河堤岸工程位于天津市中心城區,海河兩岸周邊場地狹小,同時工程施工周期短,更為重要的是預制板樁墻作為預制構件,結構本身的強度容易保證,因此預制板樁墻結構在堤岸工程中應用,其安全性、經濟性得以充分發揮。以下結合海河堤岸結構對預制板樁墻進行設計分析。

預制板樁墻設計計算的主要內容是在各類作用效應組合下,板樁墻的 “踢腳”穩定性、錨碇設施的穩定性、整體穩定性和按承載能力極限狀態設計樁的承載力及構件強度等計算。

1 預制板樁墻的 “踢腳”穩定性計算

1.1 地質條件

各土層的物理力學性質指標見表1。

表1 土體物理力學性質指標表

1.2 地震情況

工程處于7度抗震設防區,設計基本地震加速度為0.15g,場地類別為Ⅲ類,設計地震分組為第1組,工程區飽和粉土為不液化土層。

1.3 計算條件

設計計算樁排墻墻頂及墻后土面標高為4.100m,拉桿標高為2.500m;設計計算樁排墻入土深度和穩定性時,河底高程為-1.50m;設計荷載:親水平臺人群流動荷載4.00kN/m2;考慮臨時度汛荷載10.00kN/m2;設計水位:設計高水位2.50m;設計低水位0.50m;極端低水位 -0.50m。

計算簡圖見圖1。

1.4 計算結果

預制板樁墻“踢腳”穩定性計算所得預制板樁入土深度為-9.514m,設計標準彎矩值為77.350(kN?m)/m,設計標準剪力值為88.618kN/m,整體穩定安全系數滿足規范[1～2]要求。

圖1 預制板樁計算簡圖

2 預制板樁設計

2.1 預制板樁的型式及選型

鋼筋混凝土預制板樁可采用矩形或T形截面,也可采用圓管形或組合形截面。工程中應用最為廣泛的是矩形截面,其厚度應由計算確定,可采用200～500mm。當板樁厚度較大時,宜采用空心板樁以達到節省工程量減輕結構自重,矩形截面預制板樁的寬度多為500～600mm。當施工條件允許時,宜增大板樁寬度,減少板樁和接縫的數量。矩形截面預制板樁的細部構造見圖2,海河堤岸結構工程中大部分均為該形板樁。

圖2 預制板樁細部構造圖

2.2 預制板樁的強度計算

由第1部分可知:預制板樁的設計標準彎矩值為77.350(kN?m)/m,設計標準剪力值為88.618kN/m。根據工程經驗取預制板樁厚度為300mm,寬度為600mm,混凝土強度等級為C35進行試算,同時根據JTJ 292—98《板樁碼頭設計與施工規范》第3.1.6條之規定:計算板樁碼頭中所有鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土構件強度時,作用效應設計值可按有關作用標準值計算的作用效應乘綜合分項系數確定。綜合分項系數應采用1.40,所以預制板樁彎矩設計值為77.350×1.4×0.6=64.974(kN?m)/m,預制板樁剪力設計值為 88.618×1.4×0.6=74.439kN/m。再根據如下公式進行預制板樁強度計算。

其中,fcbx=fyAs+f′yA′s。

預制板樁豎向鋼筋采用HRB335級鋼筋、箍筋采用HPB235級鋼筋,經計算所需豎向鋼筋面積為917mm2,所需箍筋按構造要求配置即可。結合板樁運輸和吊裝要求選配豎向鋼筋5Ф 20(面積為1570mm2)可以滿足計算要求。

3 預制板樁施工中應注意的問題

3.1 預制板樁的預制及轉運、堆放

預制板樁在工廠預制,預制后養護28 d,經試驗確保強度達到設計要求后,用平板拖車運至現場,在轉運過程中應采取有效的措施保證樁身質量不受損壞。植樁現場,在板樁堆放前應對場地進行平整壓實,堆放高度不超過3層。

3.2 植樁允許偏差

預制板樁的植樁允許偏差見表2。

表2 預制板樁的植樁允許偏差

3.3 植樁

因為預制板樁是剛性體,軸線方向陰隼陽隼錨固相連形成一道地下連續墻體,所以定位樁的垂直度和穩定性很是關鍵。在施工過程中應嚴格控制其垂直度和平面位置,并按要求將定位樁沉到設計標高,以確保定位樁的穩定性。在工程中為了便于控制樁底高程,往往在設計槽底回填一定厚度的碎石。在完成定位樁的植樁后,再逐根依次將下一根板樁套隼植入,然后一次性沉樁到設計標高位置。

3.4 植樁后板樁墻的保護措施

板樁墻形成后,在后方的錨固設施還未形成之前,墻后的土體荷載、機械設備動荷載均會引起整個板樁墻的位移;因此,應對植樁后的板樁墻進行保護,通過開挖板樁墻后的土體,以減輕土體荷載;植樁施工前,開挖減震溝,以減小植樁過程中對板樁墻的震動破壞。并應在整個板樁施工過程中,對板樁墻和護岸、堆場的其它構件進行了全面觀測,以便及時采取相應保護措施。

4 結 語

將預制板樁應用于天津市海河堤岸工程,雖然在施工過程中也遇到過一些問題,如樁位偏差較大、個別樁頂高程低于設計標高、板樁之間的縫隙較大等等,但這些問題通過采取一些有效的措施是可以解決的,且工程竣工多年來運行狀態良好。應該說將預制板樁應用到海河堤岸工程是一個非常成功的范例,只要因地制宜地在充分總結地區經驗的基礎上,精心設計、選取適宜的施工工藝,預制板樁墻必將擁有更加廣闊的應用前景。

[1] JTJ 292—98,板樁碼頭設計與施工規范[S].

[2] JTJ 250—98,港口工程地基規范[S].