基于PLAXIS 软件的某河道仿木桩加固堤岸设计及探究

范 煌，宋成涛

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060）

随着我国城市河道治理项目广泛的开展，为适应现代城市发展理念，城区水系朝着生态自然的方向发展，构成水系最基本的堤岸结构同样需要防洪与景观生态性并重。仿木桩是一种仿木纹的预应力钢筋混凝土管桩，相对于常规的PHC 管桩，仿木桩表面经工艺处理后造型美观，且桩身结构强度较高，仿木桩桩径一般有200 mm、300 mm、400 mm 三种规格[1]，接近一般的实木胸径。通常将仿木桩应用于城区河道岸坡，紧密排列的仿木桩能挡土固岸，桩后的土工织物起反滤作用，防止桩后土体流失的同时可以使河道地表水与岸坡地下水交换，生态性好。仿木桩护岸以其耐久可靠、造型美观、生态自然、便于施工、经济合理等优势而逐渐得到青睐。

仿木桩较传统的PHC 管桩的尺寸小，实际应用中应根据堤岸结构特点选取合理的桩位及桩长，在确保堤岸稳定的同时，尽可能发挥桩本身的强度作用。本文基于有限元软件PLAXIS，对仿木桩堤岸进行模拟分析。

1 工程应用

1.1 工程概况

某河道位于东莞市大朗镇，为区域排洪通道之一，河道治理长度3.58 km，包括多段明渠及暗涵，明渠段河道上口宽12～17 m，岸坡高3～4 m，由于多年未经整治且疏于管理，工程段内河床淤积严重，局部岸坡过陡且无防护措施。依据镇区的防洪规划，河道防洪标准为50 年一遇，本次堤岸工程级别定为2 级。

该河道下游桩号K0+700 处左岸现状为土坡，坡比1∶1.3，现状河底高程3.65 m，岸顶高程7.33 m，自然边坡陡峭，存在安全隐患，岸顶为现状土路，近路侧为公园，本次设计考虑对河道进行清淤，对现状土坡段进行防护。设计对河道清淤0.3 m，岸坡拟采用Φ300 mm紧密排列的单排仿木桩进行加固，在岸坡坡面不同高度拟定3 个仿木桩布置方案。方案一，桩位于边坡下部，桩顶高程4.85 m，高于设计河底1.5 m，桩顶设0.5 m宽平台，平台以上以1∶1.5 的坡比对现状岸坡进行修整。方案二，桩位于边坡中间，桩顶高程5.85 m，高于设计河底2.5 m。方案三，桩位于边坡上部，桩顶高程5.85 m，高于设计河底3.5 m，3 个方案仿木桩桩长均取7.0 m。仿木桩堤岸的施工时段选取在枯水期，设围堰干地作业，此时河道内侧无水，堤岸地下水水位考虑高于设计河底高程0.5 m，岸顶考虑10 kPa 施工车辆荷载。本文就施工期工况，采用PLAXIS 软件对上述3 个仿木桩桩位方案进行计算分析。见图1。

图1 仿木桩堤岸典型断面图

1.2 PLAXIS 软件建模

表1 HSS 土层参数统计表

图2 仿木桩堤岸有限元模型（方案一）

1.3 计算分析

1）仿木桩桩位的影响分析

通过PLAXIS 软件对仿木桩加固堤岸方案进行有限元计算分析，得出的岸坡稳定安全系数及仿木桩桩身内力及位移见表3。

表3 岸坡稳定及桩身内力及位移计算成果统计表

各方案增量位移云图见图3，PLAXIS 软件通过增量位移云图来反映堤岸边坡整体的滑动趋势，现状岸坡进行清淤及边坡修整后，施工期岸坡稳定安全系数为1.08，危险滑动面是穿过坡顶及坡脚深层滑弧。加设仿木桩的三个方案，坡顶、坡脚及土层内部的滑动趋势范围均较打桩前的堤岸有所扩大，且随着仿木桩高程的降低，滑动范围有向深层发展的趋势，方案一的边坡稳定安全系数为1.20，较方案二（Kc=1.17）及方案三（Kc=1.14）高，且三个方案边坡稳定安全系数均高于打桩前，说明仿木桩的增设可以起到加固岸坡的作用，在桩长不变的条件下，随着仿木桩桩顶高程的降低，岸坡稳定性逐步提高。

图3 打桩前及三种仿木桩方案堤岸增量位移云图

仿木桩桩身弯矩及位移分布详见图4，弯矩及位移极值统计见表2，方案一仿木桩最大正弯矩16.81 kN·m，出现在桩顶以下4.75 m 处，最小负弯矩-1.83 kN·m，出现在桩顶以下1.5 m 处，随着仿木桩桩顶高程的抬高，最大正弯矩显著减小，而最小负弯矩显著增加，出现的位置往桩下端方向移动。三个方案仿木桩最大位移均出现在桩顶，方案一桩身最大位移33.7 mm，随着仿木桩桩顶高程的抬高，桩身最大位移逐渐增大。

表2 模型结构参数统计表

图4 三种方案仿木桩桩身弯矩及位移图

综合以上计算结果可知，仿木桩设于边坡下部较中部及上部对边坡稳定更为有利。另一方面，随着仿木桩桩顶高程的抬高，仿木桩桩身正弯矩显著减小，而桩顶位移逐步增大，说明仿木桩挡桩后土的作用在减小，从实现仿木桩挡土作用，发挥仿木桩结构强度的方面看，仿木桩设于边坡下部也更为合理。

2）仿木桩桩长的影响分析

维持方案一中仿木桩的桩位，将桩长由7 m 调整为6 m 及8 m，桩径及其他荷载条件均不变，通过Plaxis 软件计算的岸坡稳定及仿木桩桩身内力及位移见表4。

表4 各桩长岸坡稳定及桩身内力及位移计算成果统计表

单桩6 m、7 m 及8 m 三种仿木桩桩长加固堤岸增量位移云图见图5，7 m 桩长的边坡稳定安全系数为1.20，较6 m 桩长堤岸（Kc=1.15）高，而较8 m 桩长堤岸（Kc=1.25）低，危险滑动面均为穿过坡顶及坡脚深层滑弧，且随着桩长的增加滑动范围有向深层发展的趋势。在桩顶位置不变的条件下，仿木桩加固堤岸边坡稳定性随着桩长的增加而逐步提高。

图5 各桩长加固堤岸增量位移云图

仿木桩桩身弯矩及位移分布详见图6，弯矩及位移极值统计见表4。根据图表可知，随着仿木桩桩长增加，最大正弯矩明显增加，而最小负弯矩有增加趋势但变化不大，出现的位置往桩底端方向移动。三种桩长的仿木桩最大位移均出现在桩顶，6 m 仿木桩桩身最大位移41.3 mm，且随着仿木桩桩长的增加，桩身最大位移明显减小。

图6 各桩长桩身弯矩及位移图

综合以上计算结果可知，仿木桩桩长的增加对边坡稳定更有利。另一方面，随着仿木桩桩长的增加，仿木桩桩身正弯矩明显增大，而桩顶位移明显减小，说明仿木桩挡桩后土的作用随着桩长增加而增大，长桩能更好地发挥仿木桩结构强度。

3）仿木桩方案的优化

PLAXIS 软件中稳定安全系数是通过程序中的土体抗剪强度折减法得到的，PLAXIS 计算出的边坡稳定安全系数与理正岩土软件中的Bishop 法计算结果是基本一致的，可与《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）中的Bishop 法边坡稳定安全系数允许值进行比对，根据上述规范，堤岸施工期Bishop 法对应的边坡稳定安全系数允许值为1.25[3]，方案一中桩位对应8 m桩长可以满足规范要求，然而标准规格Φ300 mm 仿木桩的最大桩长7.0 m，加长桩需进行定制，费时费工，而增大桩径会降低景观性、增加打桩难度，且提高护岸造价。设计考虑对方案一进行优化，维持Φ300 mm 的7 m仿木桩桩型不变，打桩后在桩前贴坡设0.5 m 厚的二片石护脚，护脚顶高程在桩顶高程以下0.5 m（即4.35 m 高程），二片石护脚在作为坡脚压载的同时可以起到抗水流冲刷保护桩前土层的作用，优化后的仿木桩加固方案见图7。

图7 优化后的仿木桩加固堤岸断面

优化后堤岸施工期边坡稳定安全系数Kc=1.28，能满足设计要求，堤岸增量位移云图见图8，桩前增加二片石护脚后，滑动面的临河侧进一步扩展，压载作用提高了边坡稳定性。

仿木桩桩身弯矩及位移分布详见图9，桩身弯矩最大值17.06 kN·m，桩身最大位移34.4 mm，这与增加二片石护脚前（即原方案一）的仿木桩内力及位移基本一致，差异较小。这是由于Plaxis 软件可考虑加固堤岸的施工顺序，先打入仿木桩，再在桩前铺设二片石护脚，而铺设护脚前桩前土已经产生塑性变形，护脚对仿木桩内力及位移的影响较小。根据《码头结构设计规范》（JTS167 -2018），作用效应设计值按标准值计算的作用效应乘综合分项系数确定，强度计算时综合分项系数取1.40[4]，因而施工期仿木桩最大弯矩设计值为23.88 kN·m，而每延米Φ300 mm 仿木桩承载能力设计值最小为90 kN·m，桩身强度也满足要求。

2 结 论

1）仿木桩设于边坡下部较边坡中部及上部对边坡稳定更为有利，从实现仿木桩挡土作用，发挥仿木桩结构强度的方面看，仿木桩设于边坡下部也更为合理。

图8 优化后仿木桩加固堤岸增量位移云图

图9 优化方案仿木桩桩身弯矩及位移图

2）仿木桩桩长的增加有利于边坡稳定的提高，且仿木桩挡桩后土的作用随着桩长增加而增大，长桩能更好地发挥仿木桩结构强度。

3）仿木桩桩前铺设护脚可以有效提高堤岸边坡的整体稳定性，同时可作为防止桩前土受水流冲刷的措施，可搭配仿木桩进行布置。