薄壁筒桩在河岸支护工程中的设计浅析
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摘要：通过基于液压高频振动锤施工成形的大直径现浇薄壁灌注桩技术在某深厚软土排洪渠支护中的设计研究,简述此工程的设计，分析比较了不同直径灌注桩排桩支护的经济与技术指标, 论证该桩型在沿海软土地基挡土支护工程（深基坑、护岸等）中具有广泛的推广价值。
关键词：排洪渠；薄壁筒桩，支护；软土地区；挡土墙；设计
中图分类号：TU74文献标识码： A
Design Analysisof Cast-in-situ Concrete Tubular Pile with Large Diameter in support for a bank
Chen Dongshu, Hu Shaojie
Zhejiang Haitong High Technology Co.,Ltd,Ningbo 315800,China
Abstract:Large diameter cast-in-place thin-walled tubular piles were employed to ditch of water in deep soft clay layer, which was driven by a high-frequency hydraulic vibratory hammer.Construction techniques outlined in this project.The economic and technicalparameters of different types of cast-in-place piles were analyzed. It is indicated that the cast-in-place tubular piles can be well adopted in coastal soft clay excavations(deep foundation pit, revetment, etc.).
Key words :ditch of water; cast-in-place thin-walled tubular piles; supporting system; soft clay area
retaining wall;design
一、引言
随着城市中大量高层建筑，河道拓宽以及地处山区的边坡建筑、高等级公路和铁路工程的兴建, 挡土墙在基坑、边坡工程以及护岸工程中的应用越来越广，需要在极其狭窄的场地或密集的建筑群与设施中设置挡土墙，而传统的重力式、悬臂式或扶壁式挡土墙因要进行放坡，其施工作业面大或者需专门基坑支护或者围堰工程后才能进行施工， 故其使用范围受到限制。利用排桩布置形式灵活、施工场地不大、可以省去基坑支护或围堰等优点,加之桩排组合的护壁墙，具有承重、挡土及抗滑移等功能，墙体具备刚度大、基础深、变形小的特点，将排桩结构作为永久性挡土墙使用, 无疑是一种不错的选择，例如筒板联桩排桩结构，它具有耗材少、施工简单、成本低、质量易控制，在这类挡土墙的具有更大的性价比优势。
二、案例分析
一）工程概况
该工程的场地原为鱼塘养殖场，又沿海软土地区, 地质条件差, 软土层深厚, 地质情况由上而下为:①层素填土：灰黄色，主要由粘性土组成，局部由碎石土和块石组成，层底含软塑粘土，呈松散状；②层粘土：灰黄色，呈可塑~软塑状态，呈中高压缩性，低渗透性覆盖在淤泥层之上；③层淤泥：深灰色，呈软塑~流塑状态，呈高压缩性，灵敏度较低，St约为1.25，低渗透性，为正常固结土； ④层粉质粘土：黄色，呈可塑~硬塑状态； ⑤层含粘性土碎石：灰黄色，由风化碎石，砾石、砂和粘性土组成，角状，呈稍密~中密状。 土层性质见表1
表1 岩土层主要物理力学性质指标推荐表
层号 土层
名称 含水量 液性指数 压缩模量 孔隙比 内聚力 内摩擦角 地基土承载力特征值fak
W(%) IL Es（Mpa） e Ck（Kpa） фk（度） (Kpa)
② 粘土 43.4 0.47 3.0 1.175 25 3.0 80
③ 淤泥 62.5 1.31 1.9 1.645 10.8(固快) 7.3(固快) 50
④ 粉质粘土 26.4 0.05 7.4 0.746 40.0 6.0 200
⑤ 含粘性土碎石 14 20(E0) 260
二）设计方案
该工程的主排渠道的顶面设计标高在3.50m左右，渠道底设计标-0.70m~-1.50m，渠道底宽6.0m，开挖最深处5.5m，原设计方案为：渠道两侧壁设计为浆砌块石挡土墙，挡土墙基底拟采用水泥土搅拌法做地基处理。但是由于排洪渠两边不远处，在打沉管灌注桩，开挖时直接把搅拌桩直接剪断，出现大量涌土，而无法施工。河渠两边填土已经填到标高，旁边厂房，无法进行放坡。只能考虑排桩式挡土墙，但是采用灌注桩挡墙的结构却带来耗材多、施工难、成本高、质量难保证等一系列问题。为了结构的安全、施工的方便以及造价的控制，最终采用筒板联桩方案（见图1）。
图1 筒板联桩挡土墙 图2 筒桩与管桩对比图
从结构特点来看,筒桩（见图2）是大直径桩型，直径1000mm-2000m，又系圆形薄壁结构,且有很强的抗压抗弯抗剪性能（例如直径1500mm的筒桩，壁厚180mm，每延米50公斤的钢筋配置，极限弯矩可达1400kN・m,极限剪力600KN）,采用环形构件可在少量降低抗弯性能的前提下,将管芯混凝土节余下来,用最少的材料获得最有效的结构效应,体现了材料受力合理、用料经济、质量可靠的设计理念。现浇插板拉大了桩间距，很好的实现挡土，同时减少了造价。
三 )计算理论
排桩挡土墙作为永久性支挡结构的设计方法, 铁路、公路、水利等部门规范目前没有涉及,筒桩作为专利技术，其的应用规范少之又少，但是根据他的机理可以当做灌注桩来计算，也 可以参考建筑基的设计方法进行。《建筑基坑支护技术规程》( JGJ 120- 1999)主要适用于建筑物和一般构筑物的基坑工程支护, 由于基坑工程一般只有几个月, 应用于永久性边坡失效概率偏大, 安全系数偏低。为了能设计出一个安全可靠的排洪渠，其安全系数可以结合《水工挡土墙设计规范》（SL_379-2007），计算软件采用理正深基坑支护设计软件(F-SPW V6.0)。
1.土压力的计算
《水工挡土墙设计规范》的土压力计算采用朗金土压力理论,忽略了桩墙与土体的摩擦力作用, 开挖面以下荷载为三角形分布。《建筑基坑支护技术规程》则采用经验的土压力分布模式, 开挖面以下的主动土压力采用矩形分布。在缺乏可靠经验时, 采用《水工挡土墙设计规范》的三角形土压力分布是偏于安全。验算整体稳定与抗倾覆时，在计算土压力的时候用一般模型。在结构内力计算时，可以参照经验的土压力分布模式。
2. 嵌固深度的计算
排桩挡土墙的锚固深度受抗倾覆、抗滑移、抗隆起及整体稳定性等多方面控制.由于渠底宽度只有6m，桩在渠底实现对撑，抗倾覆能力会大大提高，整体造价也会有所下降。单支点排桩挡土墙(图5)可以采用传统的等值梁法, 按下式确定锚固深度
式中 ――支点力, kN;
―― 支点至桩前地面距离, m;
――锚固深度, m。
――被动土压力之合力, kN;
――被动土压力合力作用点至排桩底的距离, m;
――安全系数;
――主动土压力之合力, kN;
――主动土压力合力作用点至排桩底的距离, m。
3.抗滑整体稳定性的计算
按整体稳定条件采用圆弧滑动简单条分法确定其安全系数(计算简图见图6),公式如下:
式中Cik，ψik -----最危险滑动面上第i土条滑动面上的骨节不排水（快）剪粘聚力、内摩擦角标准值；
li-----第i土条的弧长；
bi-----第i土条的宽度；
γk -----整体稳定分项系数，应根据经验确定，当五经验时可取1.3；
Wi-----作用于滑裂面上第i土条的重量，按上覆土层的天然土重计算；
θi-----第i土条弧线重点切线与水平线夹角。
用软件计算时，其安全系数要参照《水工挡土墙设计规范》的抗倾覆一级为1.6，
整体抗滑稳定性一级为1.5。
4.结构内力的计算
结构内力计算宜采用弹性支点法。挡土墙的截面尺寸、内力及配筋计算时, 荷载效应组合应采用承载能力极限状态的基本组合。
对永久荷载效应控制的基本组合, 按下式确定γ0×1.35×Sk≤R
式中: γ0―――结构的重要性系数, Sk―――荷载效应的标准组合值;
R―――结构构件抗力的设计值, 按有关设计规范的规定确定。
对沿周边均匀配置纵向钢筋的圆环截面, 可采用《混凝土结构设计规范》( GB 50010- 2002) 的有关规定进行计算, 并符合有关构造要求.（见图3）
A--环形截面面积；
As--全部纵向普通钢筋的截面面积；
r1、r2--环形截面的内、外半径；
rs--纵向普通钢筋重心所在的圆周的半径；
e0--轴向压力对截面重心的偏心距；图3筒桩配实图
α--受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值；
αt--纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，当α>2/3时，取αt=0。
四） 排桩式挡土墙设计
( 1) 计算资料:
截面形状: 圆形；
桩径: 1.5m；
桩间距: 3.0m；
桩长: 17.0m；
嵌固深度11.5m；
冠梁：宽1.5m，高0.4m；
渠底支撑：宽0.5m，高0.5m，水平间距为3.0m，竖向间距为5m；
由于淤泥含水量高达62.5%，出于安全考虑，其内聚力与内摩擦角进行打折处理，分别为6.4kPa和4.5°
( 2) 计算简图见图4。图4 计算简图
( 3) 计算结果见图5
图5计算结果
( 4)排桩挡土墙结构(见图6、图7)
1）排桩式挡土墙采用薄壁筒桩, 桩径1.5m, 桩间距3m, 桩长17. 0m, 其中悬臂段长5.5m, 嵌入段桩长11. 5m。桩顶设冠梁, 冠梁顶宽1.5m, 高0. 5m, 在渠底设置对撑，桩身、冠梁及支撑均采用C30 钢筋混凝土。
2）墙面采用40cm 厚C30钢筋混凝土现浇插板，深8m，与桩身粘结，并带有滤芯器孔，进行排水理, 这样既可解决挡土问题又可防止坑底土可能出现的突涌问题,做到安全、经济、合理。
图6筒板联桩桩挡墙剖面图
3）为避免河道清淤时或水流造成墙前土体的流失, 以保证挡墙整体稳定安全,河床平铺30cm石渣垫层以及 40cm灌砌石。
图7筒板联桩挡墙平面图
由此可得设计值M=1.35*693.23=935.86 kN・mV=356.13*1.35=480.78kN，纵向受力钢筋采用HRB335 型钢筋, 用16φ20箍筋采用HPB235 型钢筋, 螺旋式箍筋采用φ10@200 mm, 每隔2 m 设一道φ14 的焊接加劲箍筋。其设计抗弯矩有980.02 kN・m，满足设计要求。桩顶设置冠梁, 宽0.8 m, 高0.5 m, 按构造配筋；渠底设置对撑，宽0.5m，高0.5m按构造配筋。
软件计算结果显示: 排桩式挡土墙墙顶最大位移13.07mm, 满足小于0. 15% H 及30mm的规范要求; 整体稳定安全系数1.52> 1. 5 , 满足规范要求; 抗倾覆稳定安全系数1.62 > 1. 6 , 满足规范要求。
五 ）对比分析
结合该工程的场地地质条件与排洪渠开挖深度,从施工工效、施工质量、对周边环境的影响及经济指标等方面与其他不同桩径的实心桩排桩支护体系进行对比,其工效、质量及效益对比结果见表2
表2 800米河道，桩长16m，深度5.5m的排桩对比
技术类型 沉管桩支护 人工挖孔桩支护 冲、钻孔桩支护 薄壁筒桩
桩径/mm 700 800 1,000 1,200 1,500 1,500
桩距/m 1.50 1.50 2.00 2.20 3.00 3.00
混凝土用量/m3・m-1 4.11 5.36 6.28 8.23 9.42 4.36
钢筋用量/kg・m-1 522.67 490.67 408.00 472.73 309.33 325.33
工效/根・台-1 10 技术原始 3 8
环境影响 振动影响大扰民、挤土 振动影响大扰民、挤土 环保较好 泥浆污染严重 泥浆污染严重 振动影响小，少量挤土，无泥浆污染
我们可以发现：
（1）用筒桩方案每延m混凝土的用量仅为同等直径实心桩的1/2,钢筋用量与同等直径实心桩相当。
（2）分析还表明,选用桩径越小,其钢筋的用量越大,当选用700沉管桩时,围护桩每延m基坑钢筋用量是1 500(1 100)沉管薄壁桩的1.61倍。
（3）用筒板联桩作为排桩挡土墙，充分的解决了用灌注桩河渠支护的所带来的造价高的问题，至少光耗材节约30%，加之筒桩的施工便利，其具有相当大的优势。
另外，作为直立护岸本身有很大的节约土地资源优势，拿本工程来说，如果不选择直立，直接放坡，其放坡比例需高达1:8，这样每延米将会浪费0.12亩土地，拿30万每亩来核算土地价格，此工程长800米，就会浪费1440万，用筒桩做支护，其造价也不过1000万。这样算来，用筒桩做这个工程，其还可以赚440万。由此可见，筒桩作为河渠支护的发展潜力。
三、 结语
大直径现浇混凝土薄壁筒桩技术首创采用中高频振动锤+双钢管护筒+环形桩尖结构，将大直径双钢管护筒振压锲沉入土中，使局部地基土由桩靴底向管腔内推进移动挤密并部分排出地面而使外侧土体基本不受挤压特征的一种工程专利技术。根据围护桩的受力特点选择薄壁筒桩作为河渠支护的排桩,以较少的材料实现了大直径、大刚度的要求并具备环保和高工效的特点。
(1) 将现浇薄壁筒桩加插板用于排洪渠是一种大胆的尝试,我们称之为筒板联桩，它可以实现挡土与止水二墙合一,可以与地下连续墙相媲美,使挡土支护手段得以简化和成本降低,丰富了支护结构形式。
(2)采用大直径薄壁筒桩桩数少、支撑刚度大、施工工效快和质量高，造价低，光节省材料高达30%，总造价预计节约有30%--40%左右。再加上排桩挡土墙具备布置形式灵活、对狭窄施工场地适应性强、可以省去基坑支护、围堰等优点运用于沿海深厚软土地基地区挡土坑支护工程（例如深基坑,护岸，排洪渠）有较高的经济和社会效益,具有广泛的应用前景和推广价值。
(3)本文介绍的排桩挡土墙设计方法及就有关问题的讨论, 为海桐公司内部根据相关规范进行的设计模板，作为排桩挡土墙设计方法的补充。
参考文献
[1]谢庆道.埋于软地基的混凝土简体的施工方法及压入式一次成孔器:中国, 98113070. 4[P]. 1999-06-30.
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[3]中华人民共和国建设部. JGJ 120―99建筑基坑支护技术夫程[S].北京:中国建筑工业出版社设, 1999.
[4]中华人民共和国水利部. SL_379-2007水工挡土墙设计规范 [S].北京:中国建筑工业出版社社, 2007.