预制混凝土板桩在内河航道中的应用研究

蒋永明 陈志强 钱惠军

随着长三角区域经济的快速发展，交通和物流运输量相应得到迅猛的提升，为了适应大宗货物和集装箱运输的需要，急需对浙北内河航道网的主干航道提升其通航级别。针对这一要求，交通运输部经反复论证和研究后要求湖嘉申线航道按三级标准建设，同时对京杭运河、杭申线航道列入“四改三”规划。提升航道级别势必要对老航道适当拓宽并浚深至设计断面要求。通过对京杭运河、杭申线航道涉及嘉兴市航区改造的110 km航道的调查，沿线大量工矿码头，征地拆迁难于实施，期望通过大规模征地和拆迁来达到“四改三”航道建设的方案已经不契合实际。研究在不增加或少增加航道面宽的情况下，通过浚深航道来实现四级航道提升为三级航道是个重大课题。

1 板桩的发展历程

板桩的应用在我国历史悠久，在公元前5000年的河母渡文明遗址(现在浙江余姚附近)，发现了板桩用于木构浅水井的重要支撑物，标志着板桩的应用已具雏形。清代开始类似于板桩的“梅花桩”和“马丈桩”大量的应用于海塘基桩。这两种基桩的采用能够部分地阻挡潮水侵袭基础，有效地保证了海塘基础的稳定和承载能力。近代，混凝土板桩墙开始在水利工程中广泛应用，尤其是在海港码头和河流驳岸工程中。1898年开建的大港一号码头的大港环形防波堤堤身北岸建筑为木桩基混凝土，顶上浇筑混凝土挡土墙。木桩外侧设钢筋混凝土板桩一道，板桩与木桩取齐，并有拉链连接，下端插入海底土中，以使所填砂石不致外流，保护木桩防止海上附生生物的侵蚀。到了现代，板桩的设计和施工的技术都有了长足的发展。预应力钢筋混凝土技术和预应力锚杆锚固技术与钢筋混凝土板桩的结合为板桩的发展史填了划时代的一笔。1997年我国第一座在开敞河域建设的黄河海港板桩码头建成投产，历经8级大风20多次，经历3次风暴潮袭击，特别是1997年8月百年一遇的强台风中心从该区通过，该码头经住了考验，取得了成功经历，标志着钢筋混凝土板桩与水工建筑物的结合已经达到了成熟的阶段。

2 板桩在航道中的应用概述

预制混凝土板桩护岸结构是利用地下连续板桩墙作为河岸土体或建筑物基础的围护结构，通过板桩与土体的共同作用，形成稳定的护岸结构体，并采取有效的工程措施使其达到耐久、抗冲、透水、与环境协调并具备生态效果的岸坡体系。该结构是一项边界条件极为复杂的介质与结构共同作用的体系，它既涉及土力学中典型的强度及稳定问题，又与变形密切相关，涉及到土与围护结构的共同作用问题，同时由于土质、地下水及环境条件的变化而复杂化。所以尽管该结构从理论上讲具有其他结构无法相比的优越性，多年来板桩结构的设计和施工技术都有很大的发展，但一直无法在内河航道上大面积的推广和应用，其主要原因如下:1)由于现场条件存在诸多不确定因素，结构计算在理论分析的基础上考虑了各种差异的影响，而套用板桩码头设计规范的偏于安全的综合安全系数或荷载分项系数，使得对结构要求增加，如加大加长板桩尺寸，加大配筋率等，导致建设成本增大，而难于接受;2)缺乏配套的施工设备，采用普通的锤击式打桩设备或铲挖机铲斗简易压桩法作业，水上作业效率低下，施工质量难于达到设计要求，施工成本居高不下，施工进度也不能满足大规模航道改造的需要;3)由于是低水平施工，工程质量不佳，破损率高、板桩沉桩后参差不齐、缝隙大、偏差大、外观差、耐久性差等。

3 主要研究方法

3.1 理论分析

1)根据圆弧滑动法和经典理论法用BZJS板桩墙计算系统计算机对板桩加固的护岸结构进行整体稳定分析，从理论上对各种荷载工况加以验证结构的可靠性和合理性。2)根据空间有限元理论，建立多材料、多构件、多约束的试验结构数学模型，应用FLAC3D，Midas/GTS等专业空间有限元结构分析程序进行结构仿真计算，分析结构的应力应变、弹性变形和塑性变形、整体位移以及周围土体的应力变化和塑性区破坏情况。从理论上提出结构的优化方案。FLAC是快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua)的简写，源于流体力学。三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。三维快速拉格朗日分析将计算区域划分为若干四面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形。FLAC3D是FLAC二维计算程序在三维空间的扩展。作为有限差分软件，相比其他有限元软件的优势主要在于:FLAC3D采用了混合离散方法来模拟材料的屈服流动或塑性流动特性;利用动态的运动方程进行求解，这使得FLAC3D能模拟动态问题，如振动、失稳、大变形等;FLAC3D采用显式方法求解，对显式算法来说，非线性本构关系与线性本构关系并无本质的区别，采用中等容量的内存可以求解多单元模拟大变形问题，几乎要比小变形问题消耗更多的时间。另外，FLAC3D还具有强大的前后处理功能。GTS是根据地基与结构协同作用原理和大规模空间有限元原理编制的，不仅是通用的分析软件，而且还是包含岩土与隧道工程领域最新发展技术的专业程序。其功能包括:应力分析、施工阶段分析、渗流分析以及其他多种功能;分析类型有:隧道分析、渗流分析、应力—渗流耦合分析、软弱土层的填土及固结分析、基坑开挖与支护分析、地震、爆破及振动分析、衬砌分析、边坡稳定分析。3)按照板桩码头设计规范，采用竖向弹性地基梁法在各种荷载工况下对板桩加固护岸结构加以分析，确定板桩的各种技术参数。竖向弹性地基梁法是计算板桩最常用的方法之一，其适合任何工作状态下的板桩。用此方法解决问题时，板桩墙入土段的工作状态可视为竖放的弹性地基梁。它与一般的弹性地基梁一样是多次超静定结构，可用解弹性地基梁的方法进行计算。目前多采用以文克勒假定为基础的地基系数法。其中，“m法”使用的比较多。m法是假设地基系数k随深度为线性增大，即 k=my，其中，y为计算点距地基表面的深度;m为地基系数分布的斜率。

3.2 现场试验研究

1)预制钢筋混凝土板桩的规模化预制生产试验、高质量高效率机械施工工艺试验、无围堰混凝土帽梁浇筑试验、拉锚锚固试验等;2)在拉锚锚杆及墙身设置传感器，板桩每0.5 m～1.0 m高度设一组应变片(仪)，墙后逐级增加附加荷载，测定墙后土压力对墙体和板桩结构的作用情况从而分析结构的可靠性，确定最佳断面和预应力板桩的合理尺寸。

4 结语

随着社会文明的发展，对于工程的安全性和美观性有了更高的要求，因此自从20世纪50年代以来，国内外众多的专家、学者和工程技术人员对板桩工程的时空效应规律做了大量的探索和研究工作，其中不乏大型的室内和现场的试验，为现在的工程理论作出了不朽的贡献。然而，目前钢筋混凝土板桩工程设计多采用的是半经验半理论的方法。如今，板桩工程的设计和施工也逐渐的程序化、规范化、标准化和信息化了。许多软件都可以运用到其中。例如，同济启明星深基坑支挡结构和支撑结构分析软件，北京理正软件设计研究所开发的理正深基坑支护结构设计软件。另外如ANYSS，ALGOR，ASP等大型有限元分析软件也可以作为辅助的分析工具。纵观板桩的发展，其与水利工程的结合顺理成章，因此，有专家预测:板桩将会和水利工程更加紧密的结合并在实际工程中发挥更大的作用。

[1] 于卓敏.钢筋混凝土板桩结合土层锚杆结构在海河改造中的应用[D].天津:天津大学硕士学位论文，2004:12.

[2] 张 峰.深基坑板桩支护模型试验研究[D].武汉:武汉大学硕士学位论文，2007:5.

[3] 李晓惠.板桩码头板桩法计算方法研究[D].大连:大连理工大学硕士学位论文，2006:6.