移动式不抢险潜坝桩体抗拉分析

胡俊玲，张 波，胡 燚

（1.河南黄河勘测设计研究院，450003，郑州;2.黄河勘测规划设计有限公司，450003，郑州）

一、潜坝结构

黄河下游移动式不抢险潜坝可以作为永久性控导工程或用于修建临时抢护工程，为河道整治工程建设提供了一种可供选择的新坝型。该潜坝布置为顺河道治导线的透水桩形式，为实现导流桩坝的简便拼装、拆卸和移动，达到不抢险运用，设计采用预应力钢筋混凝土管桩、预制钢筋混凝土连接销轴和连系帽梁有机组合的装配式结构，管桩外径0.5 m、内径 0.25 m、净间距 0.3 m，设计桩长15 m。

二、桩体抗拉分析

黄河下游移动式不抢险潜坝通常位于河滩地的前沿。所谓潜坝的可移动性，是指当不抢险坝需要拆除时，可先拆卸连系帽梁和连接销轴，再拔出桩体，达到重复使用。施工阶段当桩体压入土中时，主要承受压力；当桩体从土中拔出时，则主要承受拉力。

根据该潜坝的施工工艺，当桩体需要从土中拔出时，采用特制的“旋转射流冲击式拔桩机”，包括底盘架、机架、卷扬机、水泵—电机和拔桩器，利用高压水泵产生高速射流，在水流的作用下，使桩体附近的土壤松动，同时由于桩体周围产生水流，所受土壤的摩擦力也会相应减小，以利于桩体完好地从土中拔出。

在拔桩过程中，假定管桩被土体掩埋，且地下水位降至桩底以下，此时为最不利情况。如图1所示，桩体受力作用分别为：桩体上拔力F，桩体自重G，桩底下吸力P以及桩周摩擦力 f。

（1）管桩与土体之间的摩擦力

管桩与土体之间的摩擦力参照《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中单桩总极限侧阻力标准值计算方法：

式中，Qsk为总极限侧阻力标准值（kN），up为桩的周长（m），up 为 3.14×0.5 m；qsi为桩周第i层土桩的极限侧阻力标准值（kPa）；li为第 i层土的厚度（m）。

黄河滩地土质多为粉细沙，对于预制混凝土桩的极限侧阻力标准值取48 kPa，计算单桩总极限侧阻力标准值Qsk为 1 130 KN。

（2）桩体自重

预应力钢筋混凝土管桩外径0.5m、内径0.25 m，设计桩长15 m。对于钢筋混凝土构件重度取25 KN/m3，则桩体自重G为55 kN。

（3）桩底下吸力

当桩体被上拔的瞬间，桩体因周围射流与底缘之间出现空隙，空隙无法及时补气，此时易产生负压，会使桩体底缘处的水压力脉动性增强，产生下吸力。桩底下吸力参照《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74—95）中，闸门底缘部分的平均下吸强度20 kN/m2计算，则桩底下吸力P为4 kN。

（4）桩体上拔力

由以上计算结果，单桩总极限侧阻力标准值Qsk为 1 130 kN，桩体自重G为55kN，桩底下吸力P为4kN，则上拔力F为1 189 kN。为避免应力集中现象，采用均布荷载施加于桩顶，不考虑偏心，横截面均布荷载为8.07 MPa。

采用三维有限元方法分析拔桩受力，桩体单元如图2所示，桩体横断面如图3所示。考虑桩土间摩擦力是沿程分布的，如果不考虑地下水的作用，则桩体上拔时最大拉应力为3.5 MPa。上拔时最佳着力点应避开桩头，在距离桩顶约1 m处均匀向上施力，管桩可以被拔出。

三、桩体抗拉配筋计算

拟定预应力管桩混凝土强度等级 C50（EC为 3.45×104N/mm2），预应力钢筋采用钢绞线（1×7）（Es为 1.95×105N/mm2、fpy为 1 220 N/mm2），按照桩体受拉状态进行承载力及抗裂验算。为确保构件安全，轴向拉力设计值采用式（1）的计算结果1 189 kN。

经过计算，预应力管桩主筋采用13φS12.7，螺旋箍筋采用冷拔低碳钢丝φb5@100，并在管桩吊装一端设置箍筋加密区，长度为1m，以此满足施工阶段桩体抗拉承载力及抗裂要求。

四、结 语

黄河下游移动式不抢险潜坝的可移动性在于坝体可以拆卸重复使用。预应力管桩作为潜坝的主体，在施工阶段拔桩过程中，桩体主要承受拉力，只有满足抗拉承载力及抗裂条件下，确保构件的安全可靠度，才能够真正实现潜坝的可移动性。