钢筋混凝土预制桩在陈兴寨水闸陡坡中的应用

刘　平　兰秀乾　雷善军



钢筋混凝土预制桩在陈兴寨水闸陡坡中的应用

刘平1兰秀乾1雷善军2

钢筋混凝土预制桩有承受荷载大、变形沉降小、施工速度快等优点，在水利工程中被广泛应用。预制桩是在工厂或施工现场预制，然后运至桩位处，经锤击或静压或振动或水冲等工艺进入地基土中。预制桩包括钢筋混凝土桩、钢桩及木桩等，目前水利工程中所采用的预制桩中多为钢筋混凝土桩。

一、工程概况

陈兴寨水闸工程位于寨河中下游光山县寨河镇陈兴寨村，是一座以防洪、灌溉为主，结合供水及水产养殖等综合利用的大（2）型工程，陈兴寨水闸工程主要建筑物由泄洪闸、主连接堤、左右连接堤、东西中干渠进水闸、过水土堰等组成。由于陈兴寨水闸老翻板闸及平板闸运用指标达不到设计标准，存在严重安全隐患，目前处于除险加固施工阶段。

泄洪闸是陈兴寨水闸工程的重要组成部分，位于主连接堤西端头与左连接堤交界处，是陈兴寨水闸唯一的泄洪建筑物。泄洪闸30年一遇设计过闸流量1120m3/s，100年一遇校核流量1450m3/s。泄洪闸主要由控制闸、上游铺盖、下游陡坡、消力池、海漫、防冲槽、上下游导水墙、两岸连接建筑物及左岸桥头堡等组成。

控制闸下游陡坡水平投影长72.65m，坡比1∶7.65，陡坡下游接长32.0m的钢筋混凝土挖深式消力池，消力池后接混凝土及浆砌石海漫。

陈兴寨泄洪闸陡坡段作为主要的泄水建筑物，安全性十分重要。《溢洪道设计规范》（SL253-2000）规定，泄槽底板的最小厚度，即泄槽底板在承泄高速水流后，仍能保持不透水性，仍有足够的刚度和强度抵抗外荷变化引起的压曲最小厚度，应根据工程的规模、整体布置、水力条件、地基及运用条件，结合防渗、排水、止水等工程措施，在满足安全、耐久的前提下，选用经济合理的尺寸，可根据类似工程经验进行类比确定。该工程陡坡底板厚度计算参照《水闸设计规范》（SL265-2001）中消力池底板的厚度计算公式，按抗冲和抗浮要求分别进行计算。

二、预制桩设计

泄洪闸陡坡段的高差为9.5m，在宣泄100年一遇校核洪水时，控制闸段陡坡水流流速最大达14.97m，因陡坡的高差及水流流速均较大，根据计算结果，陡坡底板如采用实体混凝土结构，厚度达1.8m，工程量较大。设计中就如下两个方案进行技术经济比较：

方案一：陡坡底板采用C30混凝土结构，厚度1.8m。

方案二：陡坡采用C30混凝土结构，厚度0.6m，下设C30边长0.4m钢筋混凝土预制方桩。

按照《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008），承受拔力的桩基，按下列公式同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力：

式中：

Nk—按荷载效应标准组合计算的基桩拔力（kN）；

Tgk—群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值（kN）；

Tuk—群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值（kN）；

Ggp—群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数，地下水位以下取浮容重（kN）；

Gp—基桩自重，地下水位以下取浮容重（kN）；

ui—桩身周长（m）；

qsik—桩侧第i层土极限侧阻力标准值（kPa）；

λi—抗拔系数；

ul—桩群外围周长（m）；

li—桩周第i层土的厚度（m）；

经计算，预制桩桩长为7.6～13.6m，平均桩长10.6m。

方案一及方案二技术上均可行，通过以上两个方案可比投资比较，方案二投资较小，比方案一可节省投资200.7万元，故该阶段推荐采用方案二即控制闸及溢流堰陡坡均采用C30混凝土结构，厚度0.6m，下设C30边长0.4m钢筋混凝土预制方桩，桩间距3.0m，梅花形布置，桩数共计452根。

三、预制桩施工

该工程预制桩采用锤击法施工。打桩锤下落时产生的冲击力会克服地基土对桩的阻力，使桩下沉到设计深度，这就是锤击沉桩法的原理。首先需要确定桩位和沉桩的顺序，根据设计图纸编制好工程桩测量定位图，打桩时易产生震动和挤土，应确保轴线控制点不受影响，也需要保证控制点的准确性。

1.沉桩准备

（1）桩机组装后到达桩位并进行调试，使桩机达到合格的工作状态。（2）定位桩施工放线后进行复测，经监理认可后再施工。（3）定位桩对位准确后，用全站仪调整预制桩的垂直度，调直后再施打，使桩的垂直度偏差小于桩长的0.1%。（4）根据不同桩长，挑选相对应的桩锤和桩垫。该工程桩垫采用厚100mm的牛皮纸垫，且在施打过程中经常检查，一旦发现桩垫被完全打破就及时更换。（5）桩帽与桩头周围留有10mm的空隙，在桩锤与桩帽、桩帽与桩间设弹性衬垫，在桩帽设置透气孔，保持桩锤、桩帽和桩身始终在同一轴线上。

2.沉桩

（1）根据该工程沉桩流程要求，由吊机将现场浇筑的预制桩运至桩位附近，桩机就位后拉起桩锤，起重机再给管桩套上桩帽，将预制桩吊起放进笼口，准确调节桩架位置，使桩尖对准桩位点，由全站仪测量控制其垂直度，待桩身稳定后放下桩锤，压桩下沉至稳定状态并满足垂直度要求后打开油门准备锤击。（2）开始锤击时桩锤的能量控制在小范围，也可空锤试击或重锤轻击。（3）桩的第一节沉桩质量尤其关键，其沉桩垂直度直接影响整桩的垂直精度及桩的完整性。因此在沉桩过程中，全站仪要认真观察，及时调节桩架，使桩锤、桩帽、桩身始终处于同一垂直线，并使桩架龙口与桩身保持平行，以免产生偏心锤击。

3.挤土现象处理

钢筋混凝土预制桩在打桩时产生的挤土效应易导致邻近桩体破坏及后续施工无法沉桩，对这种经常出现的现象可采取如下技术措施加以预防：（1）合理划分分区。该工程桩群密集，分区时按桩的密集程度划分区域，以控制桩体位移，桩机集中先打较密集区域，以减少对周围桩的挤土影响。（2）合理安排施工顺序。按已确定的分区图确定施工顺序，根据先施打中间后两边，先密后疏，先深后浅的原则，明确每个区域具体的桩机施打顺序和流程。（3）控制打桩速度。为控制桩体位移，应连续观测桩的位移结果，结合区域的实际情况，通过限制桩机的打桩数量来适当调整打桩速度。（4）选择对装机操作经验丰富的工人来操作，并要求持证上岗。（5）根据需要，施工时对局部桩基可跳打。（6）陡坡基础开挖须待打桩引起的地基土中的超孔隙水压力消散80%以上方可进行，应尽可能避免由于局部土体失稳造成的桩顶移位。而且在预制桩施工后地面一定范围内不允许通行大型机械设备，以免破坏桩基。

四、结语

陈兴寨水闸陡坡设计采用了钢筋混凝土预制桩，大大减小了混凝土底板的厚度，较好地解决了陡坡的稳定问题，对今后土基上的泄洪道工程具有参考价值。由于对钢筋混凝土预制桩严谨的设计，保证了陡坡的稳定、安全，该工程施工完成后，进行了高应变及低应变检测，抗拔、抗剪及静载试验结果均满足设计及相关规范要求。施工单位紧密配合，严格控制成桩及打桩质量，保证了施工安全。总之，科学地设计、严格地施工是预制桩方案成功的关键■

（作者单位：1.河南省光山县水利局4654502.河南天禹水利工程建设有限责任公司464000）