戴俊

东莞市水利勘测设计院有限公司 广东 东莞 523000

1 工程概况

中小河流虎门-1项目区位于东莞市虎门镇大沙河下游，整治长约1.3km。项目区主要为河岸整治，增强其防洪排涝能力，配合生态岸坡工程，营造良好生态水环境。本次综合考虑按50年一遇防洪标准对河道进行整治[1]。

2 工程地质

地层由上至下：淤质黏土层，流塑～软塑状，微透水性，为相对隔水层，其承载力低，高压缩性，易产生较大沉降。淤质粉细砂透水性较强，松散，为可能液化砂土层，易产生渗透变形。粉质黏土，可塑状，较均匀，地基承载力稍高，可作为天然地基基础。中细砂，松散～稍密状，中等透水性，为可能液化土，建议加密处理。含砾中粗砂，埋深稍大，承载力较高，可作为地基基础持力层。

表1 各岩土层主要物理力学参数建议值表

3 河岸整治形式的选择和设计计算

3.1 桩体选择

本工程河岸形式采用U型板桩，板桩型号选用YUBZ-450（Ⅲ型），板桩截面高度h=450mm，截面宽度D=1020mm，板壁厚度B=120mm，截面面积Au=172260mm2。预应力筋数量规格为12Dφ12.6，钢筋抗拉强度标准值取1420Mpa，预应力钢筋总截面面积为1995.04mm2。

图1 U型混凝土板桩截面图

3.2 U型截面等效简化

U型截面在进行结构力学性能计算时，根据规范《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），采用结构等效原则，即截面面积、截面惯性矩、形心位置三等效，将结构等效为工字型受力结构，如图2[2]。

图2 等效工字型计算简图

在抗弯载力计算时，首先应保证截面等效后受力筋保护层厚度与构件截面有效高度等值，假定工字截面高度h为450mm。构件箍筋与混凝土主要承担抗剪承载力，为保证等效后两种截面混凝土所承担的抗剪承载力相接近，就应满足承担抗剪承载力的混凝土截面面积相等，因已假设截面高度为450mm，则工字形截面腹板宽度b应等于U型截面腹板宽度d的2倍，即b=2d=280mm。假设工字形截面上下翼缘宽度相等，均为bf。等效公式如下：

式中y为U型截面水平形心轴至截面底板底边的距离，经算可得y=224mm，U型截面惯性矩Iu=3468573000mm4，经算可得bf=464mm，hf=126mm。

3.3 桩身抗裂弯矩计算

根据规范《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），板桩抗裂弯矩按下式计算：

式中：Mcr为桩身抗裂弯矩，经算得197.56KN.m；预应力钢棒有效预压应力值取994Mpa（已按0.7倍折减），为桩身截面混凝土有效预压应力，经算得9.80Mpa；γ为混凝土截面抵抗矩塑性影响系数，取1.0；ftk为桩身混凝土抗拉强度标准值，为2.85Mpa；W O为板桩换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩，经算得0.0157m3。

3.4 桩身结构正截面抗弯弯矩计算

板桩正截面抗弯弯矩按对应的等效工字形截面计算，为方便计算，设预应力钢棒均设置在第一排。计算公式如下：

Mu为桩身m正截面抗弯弯矩，经算得340.91KN.m； 为受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值比值，C60时取1.0；fc为混凝土抗压强度设计值，为27.5Mpa；pσ为预应力钢筋的实际应力值，取994Mpa；Ap为预应力钢筋的截面积（按单排），取997mm2；X为等效矩形应力图的混凝土受压区高度，经算得78mm，小于450mm；ho为受拉预应力钢筋距离混凝土受压区外边缘的距离，保护层厚度取50mm，得383mm[3]。

3.5 桩身斜截面抗剪承载力计算

根据《预应力混凝土结构设计规范》（JGJ369-2016），板桩斜截面抗剪承载力设计值V，计算公式如下：其中如根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），计算公式如下：

若根据《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008），计算公式如下：

V为桩身斜截面抗剪承载力，经算得249.54kn或256.19kn；ft为混凝土抗拉强度设计值，为2.04Mpa； 为箍筋抗拉强度设计值，为210Mpa；S为沿长度方向的箍筋间距，为150mm；Asv为螺旋箍筋的截面面积，取50.24mm2。Vc为板桩斜截面上混凝土受剪承载力，经算得151.94KN；VS为箍筋受剪承载力，经算得26.60kn或33.25KN；Np0为计算截面上混凝土法向预应力等于零时的预加力；V p为由预加力所提高的构件受剪承载力设计值，经算得71KN。根据计算结果可知，构件采用不同的规范，会导致计算结果有所偏差。因本工程为河岸整治工程，因此斜截面抗剪承载力值取256.19KN。

将上述等效后的计算结果与U型板桩性能指标值对比可知，桩身抗裂弯矩值和桩身斜截面抗剪承载力值与指标值误差小于0.5%，桩身正截面抗弯弯矩值与指标值误差小于4%。表明U型板桩简化为工字型受力结构是可行的。

3.6 岸坡稳定分析计算

经上述等效分析后，岸坡稳定计算模型再采用理正深基坑支护结构设计软件7.0进行计算，计算内容包括：土压力、嵌固深度、内力及变形、整体稳定、抗倾覆、抗隆起和嵌固深度计算等。

（1）整体稳定验算

计算方法：瑞典条分法

应力状态：总应力法

整体稳定安全系数 Ks= 1.725＞ 1.30，满足规范要求。

（2）抗倾覆稳定性验算

抗倾覆安全系数：

Mp——被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支点力由内支撑抗压力；决定；对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值[4]。

Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

（3）桩顶位移验算

根据计算结果，桩顶位移为5.44mm＜10mm，满足规范要求。

（4）抗隆起验算

从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性，结果如下：

支护底部，验算抗隆起：

Ks = 2.567 ≥ 1.600，抗隆起稳定性满足。

（5）嵌固深度计算

根据公式：嵌固构造深度=嵌固构造深度系数×基坑深度=0.800×4.650=3.720m，嵌固深度采用值9.000m ＞= 3.720m，满足构造要求[5]。

4 结束语

本工程已竣工验收且已运行3年多，河岸未发现不良情况，说明本工程采用U型板桩是合适的，不仅缩短施工工期，又节省工程造价，成桩效果良好，值得今后类似工程参考。