天津市海河堤岸工程中预制板桩墙设计

吕中维 陶连银 张

海河堤岸工程是天津市海河两岸综合开发的一项重要的基础设施项目,历史上海河堤岸改造工程中直立式护岸结构型式先后采用过预制板桩墙与锚碇系统组合结构、预制间隔桩挡板与锚碇系统组合结构、支承于混凝土预制桩(或木桩)上的重力挡土结构等等。目前堤岸结构工程中密排灌注桩、地下连续墙等亦有采用,而灌注桩、地下连续墙均需要现场制作钢筋笼和浇筑水下混凝土,要求现场有较大的施工空间,对场地要求较高,且水下浇筑混凝土质量保证率低,同时钢筋制作以及混凝土养护时间较长,从而施工周期长,另外,现实施工中灌注桩难以实现连续外切,常出现较大间隙,需采取止水措施,如设水泥旋喷桩等,地下连续墙所需结构厚度较大,不够经济;而预制板桩墙作为预制构件,可以在预制厂提前加工制作,结构本身的安全度容易保证,经济合理,同时不需现场制作钢筋笼和浇筑水下混凝土,对场地要求不高且节省了施工周期,在施工上采用成槽植桩工艺,桩与桩之间连接易于平顺、间隙便于控制。前期实施的海河堤岸工程位于天津市中心城区,海河两岸周边场地狭小,同时工程施工周期短,更为重要的是预制板桩墙作为预制构件,结构本身的强度容易保证,因此预制板桩墙结构在堤岸工程中应用,其安全性、经济性得以充分发挥。以下结合海河堤岸结构对预制板桩墙进行设计分析。

预制板桩墙设计计算的主要内容是在各类作用效应组合下,板桩墙的 “踢脚”稳定性、锚碇设施的稳定性、整体稳定性和按承载能力极限状态设计桩的承载力及构件强度等计算。

1 预制板桩墙的 “踢脚”稳定性计算

1.1 地质条件

各土层的物理力学性质指标见表1。

表1 土体物理力学性质指标表

1.2 地震情况

工程处于7度抗震设防区,设计基本地震加速度为0.15g,场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第1组,工程区饱和粉土为不液化土层。

1.3 计算条件

设计计算桩排墙墙顶及墙后土面标高为4.100m,拉杆标高为2.500m;设计计算桩排墙入土深度和稳定性时,河底高程为-1.50m;设计荷载:亲水平台人群流动荷载4.00kN/m2;考虑临时度汛荷载10.00kN/m2;设计水位:设计高水位2.50m;设计低水位0.50m;极端低水位 -0.50m。

计算简图见图1。

1.4 计算结果

预制板桩墙“踢脚”稳定性计算所得预制板桩入土深度为-9.514m,设计标准弯矩值为77.350(kN◦m)/m,设计标准剪力值为88.618kN/m,整体稳定安全系数满足规范[1～2]要求。

图1 预制板桩计算简图

2 预制板桩设计

2.1 预制板桩的型式及选型

钢筋混凝土预制板桩可采用矩形或T形截面,也可采用圆管形或组合形截面。工程中应用最为广泛的是矩形截面,其厚度应由计算确定,可采用200～500mm。当板桩厚度较大时,宜采用空心板桩以达到节省工程量减轻结构自重,矩形截面预制板桩的宽度多为500～600mm。当施工条件允许时,宜增大板桩宽度,减少板桩和接缝的数量。矩形截面预制板桩的细部构造见图2,海河堤岸结构工程中大部分均为该形板桩。

图2 预制板桩细部构造图

2.2 预制板桩的强度计算

由第1部分可知:预制板桩的设计标准弯矩值为77.350(kN◦m)/m,设计标准剪力值为88.618kN/m。根据工程经验取预制板桩厚度为300mm,宽度为600mm,混凝土强度等级为C35进行试算,同时根据JTJ 292—98《板桩码头设计与施工规范》第3.1.6条之规定:计算板桩码头中所有钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土构件强度时,作用效应设计值可按有关作用标准值计算的作用效应乘综合分项系数确定。综合分项系数应采用1.40,所以预制板桩弯矩设计值为77.350×1.4×0.6=64.974(kN◦m)/m,预制板桩剪力设计值为 88.618×1.4×0.6=74.439kN/m。再根据如下公式进行预制板桩强度计算。

其中,fcbx=fyAs+f′yA′s。

预制板桩竖向钢筋采用HRB335级钢筋、箍筋采用HPB235级钢筋,经计算所需竖向钢筋面积为917mm2,所需箍筋按构造要求配置即可。结合板桩运输和吊装要求选配竖向钢筋5Ф 20(面积为1570mm2)可以满足计算要求。

3 预制板桩施工中应注意的问题

3.1 预制板桩的预制及转运、堆放

预制板桩在工厂预制,预制后养护28 d,经试验确保强度达到设计要求后,用平板拖车运至现场,在转运过程中应采取有效的措施保证桩身质量不受损坏。植桩现场,在板桩堆放前应对场地进行平整压实,堆放高度不超过3层。

3.2 植桩允许偏差

预制板桩的植桩允许偏差见表2。

表2 预制板桩的植桩允许偏差

3.3 植桩

因为预制板桩是刚性体,轴线方向阴隼阳隼锚固相连形成一道地下连续墙体,所以定位桩的垂直度和稳定性很是关键。在施工过程中应严格控制其垂直度和平面位置,并按要求将定位桩沉到设计标高,以确保定位桩的稳定性。在工程中为了便于控制桩底高程,往往在设计槽底回填一定厚度的碎石。在完成定位桩的植桩后,再逐根依次将下一根板桩套隼植入,然后一次性沉桩到设计标高位置。

3.4 植桩后板桩墙的保护措施

板桩墙形成后,在后方的锚固设施还未形成之前,墙后的土体荷载、机械设备动荷载均会引起整个板桩墙的位移;因此,应对植桩后的板桩墙进行保护,通过开挖板桩墙后的土体,以减轻土体荷载;植桩施工前,开挖减震沟,以减小植桩过程中对板桩墙的震动破坏。并应在整个板桩施工过程中,对板桩墙和护岸、堆场的其它构件进行了全面观测,以便及时采取相应保护措施。

4 结 语

将预制板桩应用于天津市海河堤岸工程,虽然在施工过程中也遇到过一些问题,如桩位偏差较大、个别桩顶高程低于设计标高、板桩之间的缝隙较大等等,但这些问题通过采取一些有效的措施是可以解决的,且工程竣工多年来运行状态良好。应该说将预制板桩应用到海河堤岸工程是一个非常成功的范例,只要因地制宜地在充分总结地区经验的基础上,精心设计、选取适宜的施工工艺,预制板桩墙必将拥有更加广阔的应用前景。

[1] JTJ 292—98,板桩码头设计与施工规范[S].

[2] JTJ 250—98,港口工程地基规范[S].