U型钢板桩在航道护岸加固工程中的应用研究
2021-07-25吕义港嘉兴市交通工程质量安全管理服务中心
吕义港 嘉兴市交通工程质量安全管理服务中心
牛芸 刘琲 嘉兴市世纪交通设计有限公司
1.工程概况
本项目位于杭嘉湖平原，现有护岸局部段落破损、滑塌等缺陷较少，但由于航道等级提升，部分护岸由于桩基入土深度较浅，结构安全存在隐患，威胁到航道两侧岸坡稳定，对此护岸墙前选用U型钢板桩进行加固处理。
2.地质情况
本项目自然地面高程在1.92～4.93m之间（1985国家高程，下同）。沿线地表为第四纪地层覆盖，工程地质情况见表1。对航道稳定影响较大的是第②2层淤泥质粉质黏土，该层属高含水量、高压缩性，高灵敏度的软土，对岸坡的抗滑、抗冲、抗震稳定均存在不利影响，易发生滑移、坍塌等工程地质问题，需采取有效的护岸护坡或加固措施。
表1 工程地质情况
3.加固护岸结构型式
3.1 U型钢板桩特点
U型钢板桩在工程中应用较为广泛，其特点是以最少的用钢量提供最佳的强度和耐久性。具有承载力高、止水性能优越、耐久性强、无需围堰、施工效率高、质量可控、对环境破坏小、占地少等独特优势。U型钢板桩护岸和传统的重力式护岸相比，其结构简单、施工方便、材料用量少、造价低等优点。
3.2 施工工艺特点
航道原护岸墙前疏浚较多，在原护岸前沿采用U型钢板桩的加固结构，后用整体钢模板浇筑C30混凝土作为帽梁。桩基加固护岸采用水上施工，其中桩基施工时应注意对老护岸及墙后建筑物的影响。具体施工工艺如下：
清除墙前块石大致整平工作面→搭建整体钢模→静压钢板桩→浇筑帽梁→回填土方→施工后方绿化及恢复原状。
3.3 结构计算
本工程建筑物安全等级取二级，结构设计使用年限50年。结构计算采用丰海软件板桩码头计算系统进行桩基内力、桩顶水平位移以及踢脚稳定性计算。其中桩的“踢脚”稳定验算采用《码头结构设计规范》（JTS167-2018）中公式，桩的内力采用弹性线法进行计算，水平地基反力按m法确定。其中桩的“踢脚”稳定可按下式进行验算：
式中，γ0为结构重要性系数，γE、γPW分别为自重及回填料产生的土压力、剩余水压力分项系数，Ψ为作用组合系数，持久组合取0.7，短暂组合取1.0，γQ1、γQ2...为非主导可变作用分项系数，γR为抗力分项系数，可取1.25；MP、MEW、MEq分别为自重及回填料产生的土压力标准值、剩余水压力标准值、可变作用总主动土压力的标准值对拉杆锚碇点的“踢脚”力矩（KN.m），MQ1、MQ2...为非主导可变作用标准值产生的“踢脚”力矩（KN.m）。
板桩墙入土段的内力和计算水底处的位移按照《码头结构设计规范》（JTS167-2018）中规定，视为无锚板桩墙，采用竖向弹性地基梁法计算。水平地基抗力系数可按m法确定：
式中K为水平地基抗力系数（kN/m3）；m为水平地基抗力系数随深度增大的比例系数（kN/m4）；Z为计算点距计算水底的深度（m）。
3.4 参数选取
人群荷载取3.5kpa，每层房屋荷载取15kpa，后方荷载按原地形考虑。地震基本烈度值为7度区。墙前设计最高通航水位1.96m，设计最低通航水位0.46m。墙前后水位差，设计最低通航水位取0.40m，设计最高通航水位取0.10m。墙前最不利泥面高程为-1.84m，墙后泥面按原地形考虑。
3.5 计算结果
对U型钢板桩的桩基内力、桩顶水平位移以及踢脚稳定性进行验算，取最低设计通航水位为最不利工况，各项计算内容验算结果均满足规范要求，具体详见表2。
表2 计算结果
4.变形观测方案与实施
4.1 观测内容和方法
板桩的破坏多数是由于变形过度所致，需要对护岸进行施工期变形观测。针对U型钢板桩护岸工程变形观测主要包括竖向位移和水平位移观测，观测时间从帽梁施工完毕后开始并作为起始观测时间，观测节点分别为后方回填土回填至设计标高、航道疏浚至设计底高程、航道两侧绿化施工完毕。观测时间原则上在施工期间每天连续观测，施工完毕后则每7天观测一次。
变形观测点的观测精度选择三级标准作为沉降和位移观测工作的精度指标，位移中误差为+6mm，高程中误差为+2.0mm。测量主要仪器设备为DSZ2水准仪、全站仪、GPS设备，同时配合水准尺进行作业。
4.2 观测布置方案
沉降位移观测点布设在护岸帽梁顶面，距离前沿线10cm处，沿航道方向每隔100m布置一处观测点，共布置15个观测点，观测点采用钢钉打入方式设置，待帽梁混凝土初凝时放置，在观测初始对观测点进行坐标采样。观测点布置如图1所示。
图1 观测点布置情况
4.3 观测结果分析
按照观测的时间安排，共计监测10个周期，对于观测点的沉降位移进行记录汇总，每个点按照起止时间对累计水平位移和沉降位移进行汇总分析，累计水平位移集中在2.0mm～13.2mm之间，累计沉降位移集中在0.8mm～3.6mm之间。具体结果见表3。
表3 观测结果
对D7、D8点、D9点，因其紧邻房屋建筑，后方无较多的地面多余荷载，总体累计水平位移和沉降位移均较小。D1-D6、D10-D15点，其后在施工完毕后，因实施了航道两侧绿化工程的施工，增加了荷载，造成总体累计水平位移和沉降位移较其他点稍大。但是，因本工程主要是对原有护岸的加固，后方基本趋于稳定，故总体累计水平位移和沉降位移均不是很大。
5.结论
本文针对U型钢板桩在内河航道工程护岸的应用进行了研究，采用U型钢板桩加混凝土帽梁的型式，计算分析了在最低通航水位情况下U型钢板桩护岸顶面水平位移。对于完工后的U型钢板桩护岸工程进行水平位移和沉降位移观测，对比结构计算和实际观测值，说明了U型钢板桩在内河航道护岸工程的适用性。
