U形预应力混凝土板桩在河道治理工程中的应用

侯延福

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，陕西 西安 710014）

1 概述

扁滘涌位于佛山市顺德区容桂街道，河涌深2.5～3.0m，水面宽10-12m，主要功能为排涝，河涌全长1.78km。河涌左右岸均有沿涌道路，路宽6-10m，路旁为居住区。河底高程-0.4m，涌顶高程2.6m，最高水位2.1m，常水位1.4m。该河涌原驳岸设计方案为重力式混凝土挡墙，墙高3.0m，挡墙地基采用高压旋喷桩进行加固，该方案河道驳岸每延米造价约1.7万元。由于重力式挡墙施工需开挖放坡，涌边用地紧张，作业面较小，施工会对道路交通及涌边建筑产生不良影响，且挡墙方案造价较高，因此对驳岸方案进行了调整，改用U形板桩护砌，并在桩顶设冠梁。U形板桩方案河道驳岸每延米造价约1.2万元。板桩方案基本避免了开挖，占地少，且不用进行地基处理，对涌边交通影响较小，投资省，对本项目具备良好的适应性。如图1所示。

图1 U形板桩典型横断面图

2 地质概况

依据地质勘察钻孔揭露，场地20m钻探深度内地层自上而下分别为：

1）素填土（Q4ml）：褐黄色，可塑，稍湿～湿，成分以黏性土为主，含少量中粗砂或碎石块，顶部约5～35cm砼路面。层厚2.10～4.20m，平均2.58m。标贯测试7次，实测击数N=5.0～9.0击，平均N=6.6击，标准值5.5击；校正击数N’=4.9～8.9击，平均N’=6.5击，标准值5.5击。

2）淤泥质土（Q4al）：深灰色，流塑～软塑，含腐殖质及粉细砂，手捏黏滑，干强度低，韧性低，具腥臭味。场地大部分钻孔均有揭露，顶板埋深2.10～2.90m，揭露厚度1.30～4.40m，平均2.40m。标贯测试7次，实测击数N=2～5击，平均N=3.9击，标准值2.9击；校正击数 N’=1.8～4.7击，平均 N’=3.6击，标准值2.6击。

3）粉质黏土（Q4al）：黄褐色，可塑，干强度及韧性中等，手搓砂感强，局部夹粉细砂层，场地钻孔大部分均有揭露。顶板埋深3.50～6.80m，揭露厚度1.30～12.40m，平均5.14m。标贯测试14次，实测击数N=7～16击，平均值N=12.4击，标准值11.3击；校正击数N’=6.1～13.9击，平均N’=10.6击，标准值9.7击。

4）砾砂（Q4al）：褐黄色，稍密～中密，饱和，矿物成分以石英为主，土质均匀性差，级配不良，偶见卵石，含较多黏性土，场地钻孔大部分均有揭露。顶板埋深5.50～19.50m，揭露厚度4.10～12.60m，平均10.01m。标贯测试17次，实测击数N=11～25击，平均值N=20.2击，标准值18.6击；校正击数N’=9.2～18.4击，平均N’=15.6击，标准值14.5击。

各土层主要力学参数见表1：

表1 各土层主要力学参数

3 U形板桩设计

板桩设计选型步骤为：依据以往工程经验初选型号——进行稳定及内力计算——根据板桩内力计算结果进行选型复核——复核满足要求后确定最终板桩型号。

3.1 初步选型

依据工程布置要求，扁滘涌板桩悬挑长度为3m。根据以往工程经验初步选择板桩型号为U-CS-450-Ⅲ-15，板桩截面高度为450mm，宽1m，桩长15m。

3.2 稳定及内力计算

U形板桩内力采用理正深基坑软件进行计算。依据《混凝土结构设计规范》（GB50010），板桩计算采用结构等效原则，即截面面积、截面惯性矩和形心位置三等效，将U形截面等效为矩形截面进行计算。

1）整体稳定计算。采用瑞典条分法进行计算，整体稳定安全系数为Ks=5.56，圆弧半径R=14.6m，满足规范要求。

2）抗倾覆稳定计算。

计算得抗倾覆稳定系数为Ks=1.28，满足规范要求。

3）嵌固深度计算。依据《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-2012，按下式计算，

计算得嵌固深度ld=11.6m，设计采用值为12m，满足要求。

4）内力计算。内力计算结果如图2所示。

图2 板桩内力计算结果

基坑内侧最大弯矩为0.29kN·m，基坑外侧最大弯矩为256.42kN·m，最大剪力为68.16kN。

3.3 选型复核

依据 《先张法U形预应力混凝土板桩》（图集号ZPZ-QG-BZ001 2010）[1]，U-CS-450-Ⅲ-15 型 U 形板桩力学指标如下：最大抗弯设计值为301kN·m，抗剪设计值为257kN，理论重量为439kg/m。与计算内力对比可知，该型U形板桩可以满足设计要求。

4 U形板桩优点

U形板桩具有以下优点：

1）力学性能优。U形板桩因其独特的截面结构，具有壁薄、自重轻、用料省、抗弯性能优等特点。其采用变截面结构设计，在加大截面高度、增大截面抵抗弯矩的同时，还增加了截面的宽度。从结构受力原理分析，其受力特点与工字形受力特点一致，具有良好的抗弯性能。在同等用材用料情况下，U型板桩与工程实践中常用的预应力混凝土管桩和预应力混凝土实心方桩相比，具有较大的优越性。见表2。

表2 不同预制桩主要力学参数

2）施工方便。板桩沉桩方式可采用振动沉桩法或液压沉桩法。沉桩机械可采用履带式吊车、步履式桩架、导杆式桩架等施工机械。振动沉桩法施工锤采用电动锤或液压振动锤，桩锤功率及频率大小根据工程地质条件及桩型号大小综合选用。

3）耐久性好。U型板桩采用C60高强高性能混凝土，并采用预应力钢筋、钢棒和钢绞线，结构坚固耐用，耐久性优异，使用年限50年以上。

4）用料省，造价低。U型板桩相比传统混凝土预制桩相比，钢筋和混凝土用量少，能够有效减少资源消耗，节省建材。同等条件下，U型板桩造价更低，能够显著减低工程造价。

5）占地少。U形板桩应用在河道治理工程时，相比传统河驳岸形式，U形板桩开挖面小，可减少占地，节约土地资源，对于城市河道或用地紧张河道治理具有较好的适用性。

5 结束语

U形板桩具有挡土截面大、受力性能优、性价比高、成桩美观等优点。板桩的企口之间还可以预埋橡胶止水条，能够满足工程止水要求，使用范围广泛。目前板桩在国内外已经有许多的成功案例，广泛应用在建设工程的各个领域，具备较强的推广价值。