松木樁作為基礎加固結構在護岸工程中的應用及結構計算

李亮亮 中交上海航道勘察設計研究院有限公司

伴隨近些年生態環境所顯現的諸多突出問題，設計工程師在對結構選型時，在考慮經濟實用的基礎上也更加注重對自然環境的影響，盡量選用對環境污染較小的結構及工程材料。松木樁作為樁基結構在航道護岸、小型碼頭等高擋土結構中應用得越發廣泛。本文以北京（曹妃甸）現代產業發展試驗區（生態城先行啟動區）綠珠河工程一期項目為例，對松木樁結構在護岸工程中的結構計算及工程實際應用加以介紹，供類似項目參考。

1.1 項目簡介

綠珠河工程一期位于曹妃甸協同發展示范區（生態城先行啟動區），河道總長459.4m，河道景觀設計外邊線以河道藍線向兩側偏移；綠珠河東側25m，西側10m，內邊線范圍參照首鋼筑境景觀概念設計。綠化總面積16533.0m2。

1.2 主要參數選取

據中華人民共和國國家標準《防洪標準》（GB50201－94）和水利部標準《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252－2000）第2.1.1條規定，本工程河道護岸設計為3級水工建筑物。

本工程河道均為閘控河道，汛限水位3.2m，常水位2.0m。

根據規劃河道底標高均為0.0m。

本工程區域抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g。

設計工況見表1。

表1 護岸計算組合一覽表

2.結構設計

2.1 設計原則

保證河道面寬符合相關規劃的前提下，盡量增加河道防洪過水斷面面積，結合河道功能和條件，優化河道斷面尺度。河道護岸型式應盡量節省工程費用并著重考慮生態景觀效果。

2.2 結構形式

根據上述設計原則，提出了復合式護岸結構，即為上部直立、下部斜坡復合式護岸。根據當地常用的樁型及設計師的環保理念，推出如下兩種結構形式進行比選。

復合式護岸+松木樁：護岸鋼筋砼L型擋墻厚300mm，墻外側布置400×200×200mm劈裂塊，改善景觀效果，墻頂采用540×80mm劈裂塊壓頂，墻頂標高3.5m～4.5m不等。底板寬3.0m，底板厚0.5m，底板前沿設0.9m長齒坎，底板下采用級配碎石換填，厚300mm。級配碎石墊層下設直徑150mm、長8m松木樁，梅花形布置，間距1m。底板以上用回填土分層夯實。底板前方設置3m寬平臺，頂標高1.0m，然后1：3放坡至河道底標高0.0m。

根據當地人工及材料市場價，延米費用約0.9萬元。

圖1 護岸結構示意圖1

復合式護岸+PHC 樁：基礎形式采用兩排φ500PHC樁。直立式擋墻前方為3 m寬平臺，頂標高1.0m，然后1：3放坡至河道底標高0.0m。平臺后方設樁基L型擋墻，墻頂標高3.5m～4.5m不等，墻頂采用390×80mm劈裂塊壓頂，擋墻寬350mm，臨水側采用造型模版飾面。底板寬3.0m、底標厚0.5m，底板前沿設0.9m長齒坎。為降低剩余水壓力，L型擋墻后方設反濾層和排水口。樁基間距前排1.5m，后排2.0m。

根據當地人工及材料市場價，延米費用約1.2萬元。

2.3 護岸樁型比選

工程所在地區為吹填土地基，對于淤泥層較大的區域常用PHC樁作為護岸樁基結構，根據地質報告，本工程最大淤泥厚度小于3m，因此可對樁基結構進行論證比選。

松木樁作為傳統的軟基處理工藝，具有一些獨特的性能：其強度高密度小，由于松木的組織結構特點，使它具有較好的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪四種強度；彈性高韌性好，能承受沖擊和震動作用；簡單處理后，具有較強的耐久性，能很好地防止地下水的腐蝕。

從實用性、經濟性及環保方面考慮，松木樁樁型護岸更優于PHC樁，故今后類似護岸工程項目可參考此案例采用松木樁護岸型式。

圖2 護岸結構示意圖2

3.結構計算

以下對松木樁護岸的結構的樁身彎矩、地基承載力及樁基承載力的計算進行簡述，供參考。

3.1 樁身彎矩計算

3.1.1 計算方法

樁身彎矩計算：采用《港口工程樁基規范 JTS167-4-2012》附錄C中m法進行計算。

假設土的水平地基抗力系數隨深度呈線性增加：

K=mZ

式中：

K——土的水平地基抗力系數（kN/m3）

m——土的水平地基抗力系數隨深度增長的比例系數（kN/m4）；

Z——計算點深度（m）。

在水平力和力矩的作用下，樁身彎矩按下式計算：

樁頂可自由轉動：

樁頂嵌固轉角為零：

式中：

H0、M0——作用在泥面的水平力（kN）及彎矩（kN·m）；

T——樁相對剛度系數（m）；

EP——樁材料彈性模量（k N/m2）

IP——樁截面慣性矩（m4）；

Am、Bm——彎矩無量綱系數；

m——樁側地基土的水平抗力系數隨深度增長比例系數（kN/m4）；

b0——樁換算寬度（m）。

3.1.2 計算結果（見表2）

表2 松木樁護岸樁身彎矩一覽表

3.2 地基承載力計算

3.2.1 計算方法

根據《水工擋土墻設計規范SL379-2007》，擋土墻基底應力按照下式計算：

ΣG——作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載（kN）；

ΣM——作用在擋土墻上的全部荷載對于水平面平行前墻面方向形心軸的力矩之和（kN·m）；

A——擋土墻基底面的面積（m2）；

W——擋土墻基底面對于基底面平行于前墻墻面方向形心軸的截面距（m3）。

3.2.2 計算結果（見表3）

表3 地基承載力計算一覽表

根據上述計算結果，護岸底板地基承載力不滿足要求，需進行處理。地基處理計算結果詳見3.3。

3.3 樁基承載力計算

3.3.1 計算方法

根據《港口工程樁基規范 JTS 167-4-2012》樁基承載力按下列公式計算：

式中：Qd——單樁垂直極限承載力設計值（kN）;

γR——單樁垂直承載力分項系數;

U——樁身截面周長（m）;

qfi——單樁第i層土的極限側摩阻力標準值（kPa）;

li——樁身穿過第i層土的長度（m）;

qR——單樁極限樁端阻力標準值（kPa）;

A——樁身截面面積（m2）。

3.3.2 計算結果（見表4）

表4 樁基豎向承載力計算一覽表

4.結語

本文依托于北京（曹妃甸）現代產業發展試驗區（生態城先行啟動區）綠珠河工程一期項目，對松木樁護岸結構的設計計算進行了研究，通過計算及實際應用分析，工程所提出的松木樁護岸，既能滿足樁基承載力的各項要求，又能實現經濟環保，可以作為護岸樁基結構設計的優選方案，供類似項目參考。