垂直护岸板桩受力及变形特性现场试验研究

2018-10-12张建强卜一峰李若华

中国农村水利水电 2018年9期

张建强，卜一峰，李若华

(1.杭州大江东产业集聚区规划国土建设局，杭州 311225；2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

垂直板桩护岸是通过在航道两岸老护岸的临水侧打设直立式的钢筋混凝土板桩或钢板桩，使板桩承受由老护岸传递的荷载，从而形成新老挡墙共同护岸的组合结构[1]。

近些年，关于板桩在航道护岸中应用的研究渐渐开始出现。王新泉等[2]展开板桩受力机制的现场试验研究，得出板桩两侧土压力的分布特性；范云中等[3]通过原位测试方法获得板桩护岸的位移和应力变化情况，对板桩航道应用的可行性进行分析；许春虎等[4]通过现场测试板桩钢筋应力计的变化，研究桩侧摩阻力的分布模式和大小；刘林等[5]通过现场试验对护岸板桩内力及土压力展开研究，获得板桩不同位置处的应力变化规律。目前的研究往往只是针对板桩的某一特性进行，很难获得不同材料的板桩变形和受力的相互关系和规律。

本文依托平湖和湖州的航道护岸工程，开展现场试验，对比U形钢筋混凝土板桩和U形钢板桩的变形和受力特性，同时分析岸后土体的位移规律，较为深入地研究了垂直护岸板桩受力及变形特性，为垂直护岸板桩在内河航道中的推广应用提供理论基础。

1 工程概述

本次研究分别以浙江平湖某航道整治工程和湖州某航道护岸板桩加固工程为依托工程开展现场试验。依托工程试验段平面图如图1和图2所示。

图1 平湖试验段Fig.1 Test reach of Pinghu

图2 湖州试验段Fig.2 test reach of Huzhou

根据勘察地质资料显示，2试验均位于冲湖平原区，地层以粉质黏土和淤泥质黏土为主。平湖试验段的试验对象为10 m长U形混凝土板桩，湖州试验段的试验对象为8.5 m长U形钢板桩。

图3为打设完U形混凝土板桩的护岸情况，当护岸打设完成后再浇筑帽梁，形成垂直板桩护岸结构，如图4所示。施工完成后，护岸运行良好。

图3 U形混凝土板桩护岸施工Fig.3 construction process of U-mode concrete sheet pile revetment

图4 完成后的垂直护岸Fig.4 Vertical revetment after completion

2 试验方案

在平湖试验段，选取2根10 m U形混凝土板桩，在第1根板桩内部布置15个土压力盒，沿距离桩顶1、3、5、7、9 m高度处的截面上分别布置3列土压力盒(布置在板桩表面)，分别位于位置1(正面)、位置2(侧面)、位置3(底面)；第2根板桩内布置10个钢筋应力计，沿距离桩顶1、3、5、7、9 m高度处的截面上分别布置2列钢筋应力计(布置在板桩内部)，分别位于位置1(正面)、位置2(底面)。土压力盒和钢筋应力计布置位置如图5所示，断面孔压计和测斜管布置位置如图 6所示。

图5 土压力盒和钢筋应力计布置Fig.5 Schematic of earth pressure box and steel strain gauge layout

图6 U形混凝土板桩现场仪器布置断面Fig.6 Section view of U-mode concrete pile field instrument layout

对于湖州段试验段的8.5 m U形钢板桩，靠岸侧分别在距桩顶1、3、5、7 m处中心位置和临水侧分别在距桩顶5、7 m处中心位置布置土压力盒，测斜管位于原护岸后方，现场仪器布置断面如图7所示。

图7 U形钢板桩现场仪器布置断面Fig.7 Section view of U-mode steel sheet pile field instrument layout

板桩后方土体打入木桩作为沉降监测点，沉降监测分为2个方向，一个平行于板桩墙打设方向，另一个垂直于板桩墙打设方向，用以研究板桩施工造成的土体沉降在2个方向上分布规律的不同。沉降观测点布置位置如图 8、图 9所示。

图8 平湖试验段沉降观测点布置位置示意Fig.8 Schematic of settlement observation point Llocation in Pinghu test reach

图9 湖州试验段沉降观测点布置位置示意Fig.9 Schematic of settlement observation point location in Huzhou test reach

3 监测结果分析

3.1 土压力及桩身受力分析

图10、图11分别为混凝土板桩、钢板桩横向应力分布。钢板桩和混凝土板桩的总土压力和有效压力与《板桩码头设计与施工规范》土压力计算方法的结果进行对比分析，发现规范计算方法计算值与实测值之间存在较大的误差。对于混凝土板桩最大误差值出现在9 m深度处为8.33 kPa，占该处实测值的46%。对于钢板桩最大误差值出现在1 m深度处为7.43 kPa，占该处实测值的64%。说明《板桩码头设计与施工规范》土压力计算方法对于新建U形板桩与老护岸共同作用工况下的土压力计算并不准确，有待探寻更适用于该工况下的土压力计算方法，以提高设计准确性。

图10 混凝土板桩横向有效应力分布Fig.10 Distribution of lateral effective stress of concrete sheet piles

图11 钢板桩横向土压力分布Fig.11 Distribution of lateral earth pressure on steel sheet piles

图12为混凝土板桩填土前后桩身轴力对比。由图12可见，填土前与填土后的轴力分布曲线趋势大致相同，在1～2 m处钢筋所受压应力开始慢慢较小，这是由于板桩临水侧土体受到板桩向前运动趋势的作用，产生朝护岸方向的反作用力即被动土压力作用。在5 m处附近，被动土压力产生的弯矩达到最大，随着桩体入土深度的增加，板桩临水侧土压力相对于靠岸侧开始慢慢较小，而墙后靠岸侧所示土压力变大，为7～8 m，靠岸侧土压力相对于临水侧达到最大值。从图12中还可以看出，最大拉应力发生在4.5 m左右处，但随着桩体入土深度的增加，桩体两侧的土压力差值逐渐减小。随着桩后填土及浇筑帽梁作用后，桩体的受拉区域变大，预应力钢筋在此时发挥承受拉应力作用。比较钢筋所受压应力与拉应力的相对变化值，可以看出压应力变化量为拉应力变化量的69%，所以钢筋主要承受拉应力作用。在9 m处附近受压区的变化不大。结合上述分析中提到的此处两侧压力差值变小的趋势，说明桩体在此段的位移较小，桩体长度的增加对维持稳定性的贡献也越来越小。

图12 混凝土板桩填土前后桩身轴力对比Fig.12 Comparison of axial force of piles before and after filling with concrete sheet piles

3.2 土体沉降分析

平湖段试验桩于2014年4月19日打设完成，4月23日试验桩右侧板桩全部打设完成。6月15日桩机进场进行第2次沉桩，调整桩顶标高，沉降观测数据截止到6月12日截止。图13为平湖段试验桩沉降观测数据，由图13可见，板桩打设完成后，经过50 d以上发展后，沉降基本趋于稳定。前期监测数据波动较明显，说明板桩的打设初期，土体受到扰动，破坏了土体的原有稳定结构，由于施工荷载及涨潮落潮影响，土体会出现局部的隆起或沉降，随着时间的推移，土体结构逐渐稳定，沉降也趋于稳定。

图13 平湖试验段现场沉降观测曲线Fig.13 Graph of field settlement observation in Pinghu test reach

湖州试验段2014年11月12日钢板桩初次打设完成，11月15日进行2次沉桩，调整桩顶至设计标高。前期进行密集监测，后期根据监测数据变化情况适当延长监测周期，各观测点沉降变化规律如图14所示。由图14可见，各观测点的沉降值在11月15日出现较大波动，沉降值减小即发生了隆起现象。这是由于2次沉桩施工中重锤的锤击作用下，造成左侧沉降点发生土体隆起现象。当施工完成后，沉降值又开始逐渐增大，1周后沉降趋于稳定。通过2个方向上观测点的沉降值比较分析(见图15)，可以发现板桩的施工过程在垂直于板桩墙的方向上的影响要比平行于板桩墙方向的影响要小，板桩施工过程中平行于板桩墙的方向应该为施工影响区域主要控制方向。这些结论与第1阶段平湖的现场数据分析结论相似，说明了该规律具有一定的普遍性。

图14 湖州试验段现场沉降观测曲线Fig.14 Graph of field settlement observation in Huzhou test reach

图15 平行及垂直于板桩墙方向沉降对比曲线Fig.15 Comparison Graph of settlement in parallel and vertical direction to sheet pile wall

3.3 土体侧向位移分析

从图16可以发现，7月23日出现较大位移情况，最大横向位移值达到47.6 mm。这是由于2-7月进行了板桩墙后填土，施工机械碾压场地，出现较大位移情况。通过后续监测数据显示，施工完成后，桩后土体的整体情况较为稳定，位移变化值也相对较小。从不同深度处土体横向位移值的比较可以看出，从10 m深度处左右开始出现向前的位移值，而其下部相对稳定，该处板桩长度为10 m，通过地质资料发现，桩尖所在土层为粉土层，说明在粉土层中影响深度与桩长相当，沿桩尖到桩顶方向，位移呈现先增大后减小的现象，最大位移值出现在3 m左右。

图16 平湖段测斜数据Fig.16 Inclinometer data of Pinghu reach

从钢板桩后方土体横向位移变化曲线图17可以看出，由于该段采用水上施工，避免大型机械进场退场等情况对现场造成影响，所以该段在施工完成后，土体横向位移基本稳定，未出现明显的波动情况。出现的最大横向位移值为12.26 mm，明显小于采取陆上施工时出现的最大位移值。从不同深度处土体横向位移值的比较可以看出，在监测的17 m范围内土体都出现了横向位移的情况，而该处钢板桩长度为8.5 m，桩尖所在土层为黏土层，在黏土中，由于土体之间黏聚力的作用使得土体受施工影响的范围相对较大。沿桩尖到桩顶方向，位移呈现先增大后减小的现象，最大位移值出现在5 m左右。

图17 湖州段测斜数据Fig.17 Inclinometer data of Huzhou reach

通过上述2个试验段的测斜数据的对比发现，从桩尖到桩顶方向上横向位移都呈现出先增大后减小的分布规律。这是由于新建板桩后方都有老护岸作用，平湖段老护岸深度在3 m左右，湖州段老护岸深度在4 m左右。通过

横向位移图发现，在老护岸基础深度附近开始，位移值会停止增大的趋势，保持位移值稳定或少量减小。这样的变化规律，说明老护岸的存在，可以有效地阻碍土体的横向位移趋势，表明新老护岸已经在共同发挥作用。鉴于这种在新老护岸共同作用工况的特殊性，在设计时可考虑将新老护岸受力合并进行计算的方法，利用原有存在的老护岸，可以有效减小板桩设计长度，通过计算可以节约造价20%～30%。根据本次研究成果，工程设计单位已经将该方法初步应用于浙江省内几个内河航道改造工程的设计中，既减少了政策处理的难题，又节省了工程投资。