U型板桩在水库加固工程中的应用分析

余东延，胡一志，曾晓洲

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川 成都 611130)

先张法预应力钢筋混凝土U型板桩是用于支护工程，增加结构稳定性的主要措施之一[1- 2]。U型板桩由于其造价低、稳定性高、施工工艺简单的优点，已被逐渐广泛应用于水利、航道护岸、海上围堰、城市基坑围护等支护加固工程中，并取得了十分显著优越的工程效果[3- 4]。已有水库工程由于设计水平、勘测水平等技术水平有限，导致工程质量较低，水库除险加固工程现如今出现次数日渐频繁[5]。提高水库质量，对水库工程进行加固变得尤为重要。因此急需运用U型板桩的优点，将其适用于水库加固工程中。

Miyashita等[6]对板桩支护结构进行了抗震分析，指出采用混凝土U型板桩的结构抗震性明显提高；Lee等[7]对板桩基于振动方法施工时的特性进行了研究，指出沉桩过程中的砂层特性、沉桩进尺等均会对结构稳定性造成显著影响。目前国内对于U型板桩的应用较晚。张后禅[8]于2010年首次对新引进的U型混凝土板桩进行了实际应用和初步的理论分析，总结了相应的施工方法和措施，提出了初步的设计理论，为U型板桩的应用打下了基础；付明等研究了U型板桩在泵站工程中的应用，明确指出了U型板桩的优缺点及在应用时的注意事项。

本文研究了U型板桩在水库加固过程中的应用，明确了其在施工过程中的注意事项，同时基于LS-DYNA软件模拟了水库在蓄水过程中动水荷载下U型板桩的动力响应分析，以期为U型板桩的设计和施工提供一定的理论支撑。

1 U型板桩基本型式

U型板桩具体结构如图1所示。由图1可以看出，板桩存在凹槽和凸榫，便于U型连接成片，连接处用橡胶止水带进行止水，将桩打入土体后，中间连接的凹凸处与土体有着非常好的契合作用，桩体和土体易形成统一整体，有很好的整体效果，可增加稳定性，其凹凸处截面为半径15mm半圆。射水孔主要连接高压水机，方便沉桩施工工作的进行。

图1 U型板桩具体结构

2 U型板桩施工方法

U型板桩主要施工方法包括：静压法、振动法、锤击法和引孔植桩法。从方法的技术可行性、经济合理性等方面比较了4种施工方法的优缺点，结果见表1。由表1可以看出，综合比较各种方法，结合水库加固施工过程中的周围环境及施工特点，选择静压法进行U型板桩沉桩为最适宜的方法。

表1 施工方法比较

3 U型板桩在水库加固过程中的应用

查阅相关文献，并根据以往的施工经验，可得出U型板桩在整个水库加固过程中的施工流程，如图2所示。

图2 U型板桩在水库加固工程中的施工流程

(1)测量放线。根据实际情况，掌握水库加固工程的实际特点，确定板桩中心线位置，根据板桩尺寸确定每个桩的中心点位置及水平标高，经相关建筑单位确定均符合要求，避免发生偏差。

(2)设置导向架。U型板桩的导向架是施工的关键。对于导向架的要求应满足以下规定：导向架的材料应选用抗剪强度较高的型钢等材料；导向架的定位和安装，需要严格按照设计要求，通过经纬仪和水准仪进行控制和调整；导向架与U型板桩接触部位需涂抹润滑剂。

(3)沉桩施工。将所要假设施工的U型板桩吊入合适的位置，将桩尖对准桩位插入，为防止板桩插入后垂直度发生偏差，需将相邻板桩绑紧。在确认无误后，将桩体加压并下沉，在压桩过程中，当遇到压力值急剧增加，桩体突然发生倾斜、位移，桩顶或桩体出现严重裂缝、破碎等情况时，应暂停压桩，并分析原因，采取相应措施。

(4)沉桩质量检查。在沉桩过程中，首先要时刻监测桩体垂直度，如不符合规范和设计要求，及时通知设计单位进行复核，提出修改意见，采用低应变检测法检测桩身完整性。在沉桩过程中如果出现桩位偏差，可导致锁口开裂，需采用索具使桩体之间咬合紧密。水库加固工程中U型板桩沉桩允许偏差应符合表2中的规定。

表2 沉桩允许偏差

4 基于LS-DYNA的U型板桩动水荷载动力响应

4.1 模型参数确定

对U型板桩沉桩土体结构模型采用摩尔-库伦模型，板桩桩型采用U-CS- 800-Ⅳ型，板桩混凝土采用C60，弹性模量为30000MPa，泊松比为0.2，截面为1000mm×1500mm，厚度为200mm，桩体周围土层参数采用强度折减法确定[10]，具体参数取值可见表3。

表3 桩体土层参数取值

4.2 模拟结果分析

图3为U型板桩桩身模拟的水平位移变化趋势图。由图3可以看出，桩顶处的水平位移呈现由正位移向负位移的变化，而桩土界面处的桩身位移呈现逐渐减小的趋势，表明桩顶出的水平位移变化要高于其余桩身部位。在5000s左右的时间内，桩顶处水平位移由2.65cm变为了-1.18cm，而桩土界面处的桩身水平位移由2.0cm变为了0.01cm，因此在实际施工中应在桩顶施加帽梁等措施，以减少桩顶水平位移。

图3 U型板桩桩身水平位移变化

淤泥交界处是易发生桩体破坏的区域，为制定相应的防护措施，模拟了在淤泥顶面处桩身与土体的位移变化，结果如图4所示。由图4可以看出，随着时间的增加，桩身和土体的最大负向水平位移变化趋势基本一致，两者的相对位移有趋于平缓的趋势；桩身最大正向位移随着荷载作用时间的增加而减小，有趋于稳定的趋势，而土体的位移则出现逐渐增大的趋势，造成了桩身与土体之间的相对位移逐渐增大。因此，在施工中在淤泥交界面处，应增加桩身配筋率，增加抗拉强度。

图4 U型板桩

5 结语

本文指出了U型板桩的具体施工方法和注意事项，同时明确了U型板桩在设计施工中应明确注意淤泥顶面处与桩顶的受力情况，增加板桩配筋，保证U性板桩的稳定性。本文基于LS-DYNA软件对板桩受力的位移情况进行了模拟，结论与实际情况基本一致。本文在研究过程中选择了桩顶、桩身与土的分界面和淤泥顶面几个特征断面进行研究，在今后的研究中应主要分析U型板桩各个断面的空间受力情况，模拟整个板桩的位移情况，为U型板桩的配筋设计与施工提供更准确的理论依据。