预制混凝土板桩在岸坡支护中的应用研究

仲曼，陈晓瑞，蒋红俊

(镇江市勘察测绘研究院，江苏 镇江 212000)

预制混凝土板桩在岸坡支护中的应用研究

仲曼*，陈晓瑞，蒋红俊

(镇江市勘察测绘研究院，江苏 镇江 212000)

以苏南运常州段河航道升级为背景，通过有限元软件建立多个数值模型，确定典型断面中的板桩长度和超载工况下板桩支护的可行性。并研究对板桩进行锚固时最佳锚固点的选择。基于控制板桩水平位移的角度确定了板桩较佳的倾斜角度。通过工程实例对比直板桩和斜板桩在工程中的应用效果，得出可以通过适当增加板桩倾斜角度来达到缩短板桩长度的目的，从而降低工程造价。

预制混凝土板桩；数值模拟；岸坡支护；斜板桩

1 引 言

我国目前水运事业内河航道等级偏低，大多数航道处于天然状况，现存的多数低级航道已不能满足目前运输发展的需要。提升航道级别是对原航道进行适当的疏浚并拓宽，而航道岸坡的表面通常是软土，若放坡开挖，就需要大量征收航道周边土地[1]，将拆迁大量的厂矿、码头及民宅商贸等建筑，此举成本太高。

本文从苏南运河常州段航道出现的实际工程问题出发，利用有限元软件Flac 3D并对比现场试验，研究采用混凝土板桩对航道岸坡的加固作用。

模型在航道轴线方向长度为 46 m，其中 30 m在河道内， 16 m为岸坡。沿航道轴线方向宽度为 20 m，锚索长度为 8 m。在模拟悬臂式板桩时不激活锚索单元。模型如图1所示。

图1 Flac 3D有限差分计算模型

模型中土体参数通过室内试验得到如表1所示。板桩和锚索的参数如表2所示。

土性参数 表1

板桩和锚杆参数 表2

2 板桩垂直护岸的适用性研究

2.1 板桩嵌入深度的确定

在基坑工程中，板桩嵌入深度对开挖边坡的稳定性影响很大[2]，影响支护结构插入深度的因素较多[3]。数值模拟分析依据国家规范[4]和实际工程经验，选取板桩悬臂长度为 3 m，嵌入深度分别为 2 m、3 m、4 m。不同嵌入深度下板桩的位移情况如图2所示。

图2 板桩桩长对板桩水平位移的影响

从图2中可以看出，随着板桩长度的增加，板桩位移减小的幅度在降低，说明当板桩的长度超过 6 m，板桩相对于 7 m板桩，降低岸坡和板桩的水平位移作用不太明显。在板桩长度小于 6 m时，增加板桩长度对于岸坡和板桩的水平位移控制能起较大作用的。在实际工程中可以适当增加板桩的长度，也就是在悬臂长度一定时，增加板桩的嵌入深度，可以有效地降低位移，增加安全性。

2.2 岸坡超载对稳定性影响

京杭运河两岸靠岸建设的厂矿企业较多，不利于岸坡的稳定和安全。研究超载对岸坡稳定性的影响，在有限差分模型中，板桩后 1 m的地方加入竖向的面荷载模拟超载，宽度为 5 m，沿河道方向分布。模拟的面荷载为 10 kPa、15 kPa和 20 kPa。以具代表性的桩体水平位移为参数，桩体水平位移对比如图3所示。

图3 岸坡超载时桩体水平位移

如图3所示，荷载越大板桩位移越大，其增加幅度也在增大。相比于 10 kPa的超载，15 kPa超载下板桩的位移增加1倍，但水平位移数值仍然可以接受。当超载 20 kPa时，桩体水平位移迅速增大，最大水平位移接近 30 mm，说明此时岸坡已经变形很大，丧失安全性，悬臂板桩无法承受如此大的岸坡超载。 20 kPa对应于实际中低矮的建筑物，所以悬臂式板桩在此工程中很难保证岸坡的稳定性，适用性受到限制，需要增加其他辅助措施进行加固。

2.3 锚杆锚固式板桩垂直护岸结构研究

锚杆锚固式板桩在边坡支护和码头工程中已经广泛应用，在岸坡支护中应用较少，而且研究较少。由以上可知，当荷载超过 20 kPa时，悬臂式板桩难以达到有效维护岸坡稳定性的作用，研究岸坡表面过载情况下锚固板桩是势在必行的[5]。

模型中锚杆长度 8 m。所得模拟结果以土体水平位移云图如图4所示。

图4 岸坡土体水平位移云图

由水平位移云图对比发现，图4(a)中岸坡位移沿板桩从下到上不断增加，位移最大值在 0.2 m左右，已经严重影响岸坡以及板桩结构的安全性，板桩极有可能发生倾覆失稳。图4(b)中岸坡位移相对较小，最大位移发生在板桩顶端以下 1 m处附近，数值在 0.008 m左右，比无锚式板桩支护时明显减小，说明锚固式板桩护岸结构能够有效阻止岸坡水平位移的增加，在岸坡过载工况下能够保持岸坡和护岸板桩结构的稳定性。图4(b)中板桩后面出现了水平向后的位移，是由于岸坡均布荷载位于板桩后不远，而板桩位移被有效控制，导致均布荷载另一侧岸坡土体被向另一侧挤压。

2.4 最佳锚固点确定

将锚固点距桩顶的距离定为h，取h=2 m、1.5 m、1 m、0.5 m、0 m。不同锚固位置模拟的位移云图如图5所示。从图5中对比发现，当锚固位置较低时，岸坡位移主要集中于靠近桩顶部位置且数值较大，随着锚固位置的升高岸坡较深处水平位移在增加，上部水平位移不断减小。板桩桩体最大水平位移的变化趋势可以用图6中的曲线表示。

图5 不同锚固点位置时岸坡水平位移云图

图6 桩体最大水平位移与锚固点位置关系

从图6中可以看出，当锚固点位置远离桩顶超过 0.5 m时，随着锚固位置的下降，桩体最大水平位移在不断增大，但是锚固点离桩顶在 0.5 m以内时，桩体最大水平位移随着锚固位置上升会增大，说明从控制岸坡位移方面考虑，最佳锚固位置在板桩桩顶以下 0.5 m处附近。实际工程中为了使施工方便，降低工程造价，可以在桩顶部位安装锚杆，不会明显影响加固效果。对于实际工程中，不同的板桩长度，不同的嵌入比，不同的锚杆，不同的土体土性参数等许多因素可能对最佳锚固点位置有一定的影响。

2.5 数值模拟结果可信度分析

数值模拟作为一种研究手段在岩土力学领域广泛应用，但由于其结果受到多种因素的影响很难准确的反应土体和结构的位移及应力等参数。为了确定所模拟结果具有参考价值，需要提取特定的模拟结果与实测值进行比对，若误差在一定范围内，则所得模拟结果可以作为预测土体和结构的变形和破坏趋势的有效参考。以板桩的水平位移作为衡量标准，分析所做模拟结果的可信性，如图7所示。

图7 现场试验数据测定

取6 m长锚固式板桩作为护岸结构并且岸坡 20 kPa超载时板桩的桩体水平位移和现场试验中板桩的钢筋应力进行研究，实测结果和数值模拟结果对比如图8所示。

从图8中可见，模拟数据比现场实测数据稍大，但是变化趋势是一致的，水平位移都是从桩顶端开始向下沿桩身不断增大，到 2 m左右深度达到最大值，然后继续减小。模拟结果中在 5 m左右深度板桩的水平位移减小速度变缓，而现场实测结果中在此深度变化趋势稍有不同。

图8 锚固区6 m桩桩体水平位移现场值和模拟值对比图

3 斜板桩的应用研究

3.1 板桩合理的倾斜角度

板桩倾斜嵌入土体支护岸坡作为一种新的支护方式，其有效性已得到论证。张燕[6]运用卸载拱原理分析墙土间摩擦角与墙背土压力之间的关系。斜板状的优越性在于其作为一个结构体系，在保证不出现失稳的条件下，可控制位移量，不致影响周边建筑物的安全使用。

一般支护结构主要是以控制水平位移为主，因为水平位移比较直观，比较易于在施工过程中监测。因此本节将从桩身位移的角度对斜板桩在工程中的应用进行进一步的研究。取倾斜角度为0°、2.9°和5.7°。

图9 板桩水平位移图

在保证垂直高度6 m不变的情况下，通过调整桩顶向支护侧岸坡的倾斜距离，从而使板桩产生一定的倾斜角度。从图9倾斜板桩桩身水平位移图中可以看出，桩身的水平位移都有所减小，靠近桩顶部位位移量降低明显，随着倾斜角度的增加，桩顶的水平位移在不断减小。说明从控制板桩水平位移来看，板桩存在一个较佳的倾斜角度，也可以说桩顶存在一个较好的倾斜距离。而由图10板桩弯矩图可以看出，板桩弯矩随着倾斜角度的增加而有所增大。在实际工程中，支护岸坡的板桩失稳模式主要是倾覆破坏、踢脚破坏和整体滑动破坏，通常不会发生折断破坏。

图10 板桩弯矩图

为了进一步寻找出板桩较佳的倾斜角度，将桩顶的倾斜距离增加到 1.5 m，由于桩顶向岸坡支护侧发生倾斜后，在保持垂直高度不变时，桩身长度会有所加长，所研究的不同倾斜距离对应的桩长如表3所示。

不同倾斜角度时的桩长 表3

图11 不同倾斜角度板桩位移对比

图12 斜板桩桩体水平位移

由图11可以看出，随着板桩倾斜角度的增加，桩顶的水平位移量在不断减小，而且降低幅度也在不断缩小，桩底的水平位移从岸坡支护侧向岸坡开挖侧方向发生变化。当板桩倾斜角度超过8.5°时，桩顶的水平位移减小速度减缓很多。从图12中可以看出，随着板桩倾斜角度的增加，在板桩倾斜角度大于5.7°时，桩身0.2H范围内桩体的水平位移减小变化幅度在不断缩小。综合考虑，结合不同倾斜距离所对应的桩长变化以及水上作业时的精确度，建议在实际工程中取板桩倾斜角度为5.7°～8.5°，这样可以在基本保证桩身长度不变的情况下，降低板桩的位移，增加岸坡的稳定性。

3.2 工程造价对比分析

将倾斜角度5.7°的6 m斜板桩与7 m垂直板桩进行对比，两者水平位移云图如图13所示。

由图13的可以发现，6 m斜板桩与 7 m垂直板桩两者桩顶的水平位移相差不大，均是 4 mm左右，可以认为两者在维持岸坡稳定方面效果相同。由图14现场监测数据可以知道， 7 m垂直板桩的最终水平位移为 3.8 mm，这与数值模拟的最大水平位移相接近，说明此次水平位移的数值模拟结果具有一定的参考价值。而由图15板桩弯矩图中可以看出， 7 m垂直板桩在桩身弯矩方面要优于6 m斜板桩，这样看来若板桩不发生折断失稳， 6 m斜板桩就可以更充分的发挥混凝土板桩的自身强度特性。

图13 不同板桩岸坡水平位移云图

图14 7 m板桩桩顶实测水平位移过程线

在杭申线改造升级工程中，混凝土板桩的断面尺寸为 50 cm×25 cm，长度为 7 m，以 1 km护岸进行板桩造价对比，不考虑其他费用的差异，混凝土板桩的材料费计算结果如表4所示。

混凝土板桩材料预算表 表4

从表4中可以看出，每千米节省造价约24万元。杭申线全长 110 km，可见如果整个航线均采用混凝土斜板桩支护岸坡将会明显节省工程造价，带来巨大的经济效益。

综上可知，板桩倾斜后可减小桩顶的水平位移，建议取板桩倾斜角度为5.7°～8.5°，这样可以在基本保证桩身长度不变的情况下，降低板桩的位移，增加岸坡的稳定性。

在实际工程中用6 m斜板状代替 7 m直板桩，发现 6 m斜板桩在维持岸坡稳定方面与 7 m垂直板桩效果相同，我们可以通过适当增加板桩倾斜角度的方式来达到缩短板桩长度的目的，从而降低工程造价。

4 结 论

通过数值模拟和理论分析对混凝土板桩在航道中的应用进行了一定的研究，得到如下结论：

无锚式板桩在无岸坡超载时可以起到支护岸坡的作用，而在有岸坡超载情况下，锚固式板桩能有效减小超载工况下的岸坡位移，增加岸坡稳定性。锚固式板桩的结构研究确定了此工程中最佳锚固位置为桩顶以下 0.5 m处。

板桩向岸坡内倾斜嵌入土体比传统的垂直嵌入土体的形式效果要好，斜板桩可以更好地发挥板桩的作用和自身的强度特性。从控制板桩水平位移的角度出发，建议取板桩倾斜角度为5.7°～8.5°。通过工程实例对比直板桩和斜板桩在工程中的应用效果，得出可以通过适当增加板桩倾斜角度来达到缩短板桩长度的目的，从而降低工程造价。

[1] 原艳. 边坡支护中多种技术措施的综合应用[J]. 山西建筑，2007，2(33)：120～121.

[2] 闫振华，刘芳，高谦. 深基坑锚拉悬臂桩支护设计与稳定性分析[J]. 西部探矿工程，2006(12)：65～67.

[3] 崔自治，张国学. 支护结构最优插入深度[J]. 工业建筑，2000，30(5)：44～47.

[4] JTS 167-3-2009. 板桩码头设计与施工规范[S].

[5] D.M，Potts and A.B.Fourie. The Behavior of a Propped Retaining Wall：Results of Numerical Experiment[J]. Geotechnique，1984，34(3)：383～404.

[6] 张燕. 斜插式桩板墙在边坡支护中的运用[D]. 重庆：重庆交通大学，2008.

Application of Concrete Sheet Pile Wall for Supporting Bank

Zhong Man，Chen Xiaorui，Jiang Hongjun

(Zhenjiang Urban Investigation and Surveying Institute，Zhenjiang 212000，China)

In this paper，with upgrading Changzhou section of Beijing-Hangzhou Grand Canal as the background，the finite difference numerical simulation software was used to establish a number of different models with which supporting embankment with concrete sheet piles. A reasonable sheet pile length was found in this project and feasibility of concrete sheet pile to shore under slope overload was further studied. Based on the control horizontal displacement of sheet pile and the length change of sheet pile as tilted shoring，the better tilt angle of sheet pile is determined. Through engineering examples，contrast the application effect of vertical shoring and tilt shoring in the engineering，it is known that appropriate increase tilt angle of sheet pile can achieve the goal of shorting the length of sheet pile，thus reducing the project cost.

pre-produced concrete sheet pile；numerical simulation；bank shoring；inclined sheet pile

1672-8262(2017)01-146-06

TU473.1

A

2016—09—20 作者简介：仲曼(1986—)，男，工程师，主要从事岩土工程勘察及岩土设计等工作。