范 煌，宋成濤

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060）

隨著我國(guó)城市河道治理項(xiàng)目廣泛的開(kāi)展，為適應(yīng)現(xiàn)代城市發(fā)展理念，城區(qū)水系朝著生態(tài)自然的方向發(fā)展，構(gòu)成水系最基本的堤岸結(jié)構(gòu)同樣需要防洪與景觀生態(tài)性并重。仿木樁是一種仿木紋的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，相對(duì)于常規(guī)的PHC 管樁，仿木樁表面經(jīng)工藝處理后造型美觀，且樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，仿木樁樁徑一般有200 mm、300 mm、400 mm 三種規(guī)格[1]，接近一般的實(shí)木胸徑。通常將仿木樁應(yīng)用于城區(qū)河道岸坡，緊密排列的仿木樁能擋土固岸，樁后的土工織物起反濾作用，防止樁后土體流失的同時(shí)可以使河道地表水與岸坡地下水交換，生態(tài)性好。仿木樁護(hù)岸以其耐久可靠、造型美觀、生態(tài)自然、便于施工、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)勢(shì)而逐漸得到青睞。

仿木樁較傳統(tǒng)的PHC 管樁的尺寸小，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)堤岸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取合理的樁位及樁長(zhǎng)，在確保堤岸穩(wěn)定的同時(shí)，盡可能發(fā)揮樁本身的強(qiáng)度作用。本文基于有限元軟件PLAXIS，對(duì)仿木樁堤岸進(jìn)行模擬分析。

1 工程應(yīng)用

1.1 工程概況

某河道位于東莞市大朗鎮(zhèn)，為區(qū)域排洪通道之一，河道治理長(zhǎng)度3.58 km，包括多段明渠及暗涵，明渠段河道上口寬12～17 m，岸坡高3～4 m，由于多年未經(jīng)整治且疏于管理，工程段內(nèi)河床淤積嚴(yán)重，局部岸坡過(guò)陡且無(wú)防護(hù)措施。依據(jù)鎮(zhèn)區(qū)的防洪規(guī)劃，河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，本次堤岸工程級(jí)別定為2 級(jí)。

該河道下游樁號(hào)K0+700 處左岸現(xiàn)狀為土坡，坡比1∶1.3，現(xiàn)狀河底高程3.65 m，岸頂高程7.33 m，自然邊坡陡峭，存在安全隱患，岸頂為現(xiàn)狀土路，近路側(cè)為公園，本次設(shè)計(jì)考慮對(duì)河道進(jìn)行清淤，對(duì)現(xiàn)狀土坡段進(jìn)行防護(hù)。設(shè)計(jì)對(duì)河道清淤0.3 m，岸坡擬采用Φ300 mm緊密排列的單排仿木樁進(jìn)行加固，在岸坡坡面不同高度擬定3 個(gè)仿木樁布置方案。方案一，樁位于邊坡下部，樁頂高程4.85 m，高于設(shè)計(jì)河底1.5 m，樁頂設(shè)0.5 m寬平臺(tái)，平臺(tái)以上以1∶1.5 的坡比對(duì)現(xiàn)狀岸坡進(jìn)行修整。方案二，樁位于邊坡中間，樁頂高程5.85 m，高于設(shè)計(jì)河底2.5 m。方案三，樁位于邊坡上部，樁頂高程5.85 m，高于設(shè)計(jì)河底3.5 m，3 個(gè)方案仿木樁樁長(zhǎng)均取7.0 m。仿木樁堤岸的施工時(shí)段選取在枯水期，設(shè)圍堰干地作業(yè)，此時(shí)河道內(nèi)側(cè)無(wú)水，堤岸地下水水位考慮高于設(shè)計(jì)河底高程0.5 m，岸頂考慮10 kPa 施工車輛荷載。本文就施工期工況，采用PLAXIS 軟件對(duì)上述3 個(gè)仿木樁樁位方案進(jìn)行計(jì)算分析。見(jiàn)圖1。

圖1 仿木樁堤岸典型斷面圖

1.2 PLAXIS 軟件建模

表1 HSS 土層參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖2 仿木樁堤岸有限元模型（方案一）

1.3 計(jì)算分析

1）仿木樁樁位的影響分析

通過(guò)PLAXIS 軟件對(duì)仿木樁加固堤岸方案進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得出的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)及仿木樁樁身內(nèi)力及位移見(jiàn)表3。

表3 岸坡穩(wěn)定及樁身內(nèi)力及位移計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表

各方案增量位移云圖見(jiàn)圖3，PLAXIS 軟件通過(guò)增量位移云圖來(lái)反映堤岸邊坡整體的滑動(dòng)趨勢(shì)，現(xiàn)狀岸坡進(jìn)行清淤及邊坡修整后，施工期岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.08，危險(xiǎn)滑動(dòng)面是穿過(guò)坡頂及坡腳深層滑弧。加設(shè)仿木樁的三個(gè)方案，坡頂、坡腳及土層內(nèi)部的滑動(dòng)趨勢(shì)范圍均較打樁前的堤岸有所擴(kuò)大，且隨著仿木樁高程的降低，滑動(dòng)范圍有向深層發(fā)展的趨勢(shì)，方案一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20，較方案二（Kc=1.17）及方案三（Kc=1.14）高，且三個(gè)方案邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均高于打樁前，說(shuō)明仿木樁的增設(shè)可以起到加固岸坡的作用，在樁長(zhǎng)不變的條件下，隨著仿木樁樁頂高程的降低，岸坡穩(wěn)定性逐步提高。

圖3 打樁前及三種仿木樁方案堤岸增量位移云圖

仿木樁樁身彎矩及位移分布詳見(jiàn)圖4，彎矩及位移極值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，方案一仿木樁最大正彎矩16.81 kN·m，出現(xiàn)在樁頂以下4.75 m 處，最小負(fù)彎矩-1.83 kN·m，出現(xiàn)在樁頂以下1.5 m 處，隨著仿木樁樁頂高程的抬高，最大正彎矩顯著減小，而最小負(fù)彎矩顯著增加，出現(xiàn)的位置往樁下端方向移動(dòng)。三個(gè)方案仿木樁最大位移均出現(xiàn)在樁頂，方案一樁身最大位移33.7 mm，隨著仿木樁樁頂高程的抬高，樁身最大位移逐漸增大。

表2 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖4 三種方案仿木樁樁身彎矩及位移圖

綜合以上計(jì)算結(jié)果可知，仿木樁設(shè)于邊坡下部較中部及上部對(duì)邊坡穩(wěn)定更為有利。另一方面，隨著仿木樁樁頂高程的抬高，仿木樁樁身正彎矩顯著減小，而樁頂位移逐步增大，說(shuō)明仿木樁擋樁后土的作用在減小，從實(shí)現(xiàn)仿木樁擋土作用，發(fā)揮仿木樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方面看，仿木樁設(shè)于邊坡下部也更為合理。

2）仿木樁樁長(zhǎng)的影響分析

維持方案一中仿木樁的樁位，將樁長(zhǎng)由7 m 調(diào)整為6 m 及8 m，樁徑及其他荷載條件均不變，通過(guò)Plaxis 軟件計(jì)算的岸坡穩(wěn)定及仿木樁樁身內(nèi)力及位移見(jiàn)表4。

表4 各樁長(zhǎng)岸坡穩(wěn)定及樁身內(nèi)力及位移計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表

單樁6 m、7 m 及8 m 三種仿木樁樁長(zhǎng)加固堤岸增量位移云圖見(jiàn)圖5，7 m 樁長(zhǎng)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20，較6 m 樁長(zhǎng)堤岸（Kc=1.15）高，而較8 m 樁長(zhǎng)堤岸（Kc=1.25）低，危險(xiǎn)滑動(dòng)面均為穿過(guò)坡頂及坡腳深層滑弧，且隨著樁長(zhǎng)的增加滑動(dòng)范圍有向深層發(fā)展的趨勢(shì)。在樁頂位置不變的條件下，仿木樁加固堤岸邊坡穩(wěn)定性隨著樁長(zhǎng)的增加而逐步提高。

圖5 各樁長(zhǎng)加固堤岸增量位移云圖

仿木樁樁身彎矩及位移分布詳見(jiàn)圖6，彎矩及位移極值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。根據(jù)圖表可知，隨著仿木樁樁長(zhǎng)增加，最大正彎矩明顯增加，而最小負(fù)彎矩有增加趨勢(shì)但變化不大，出現(xiàn)的位置往樁底端方向移動(dòng)。三種樁長(zhǎng)的仿木樁最大位移均出現(xiàn)在樁頂，6 m 仿木樁樁身最大位移41.3 mm，且隨著仿木樁樁長(zhǎng)的增加，樁身最大位移明顯減小。

圖6 各樁長(zhǎng)樁身彎矩及位移圖

綜合以上計(jì)算結(jié)果可知，仿木樁樁長(zhǎng)的增加對(duì)邊坡穩(wěn)定更有利。另一方面，隨著仿木樁樁長(zhǎng)的增加，仿木樁樁身正彎矩明顯增大，而樁頂位移明顯減小，說(shuō)明仿木樁擋樁后土的作用隨著樁長(zhǎng)增加而增大，長(zhǎng)樁能更好地發(fā)揮仿木樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3）仿木樁方案的優(yōu)化

PLAXIS 軟件中穩(wěn)定安全系數(shù)是通過(guò)程序中的土體抗剪強(qiáng)度折減法得到的，PLAXIS 計(jì)算出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與理正巖土軟件中的Bishop 法計(jì)算結(jié)果是基本一致的，可與《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286—2013）中的Bishop 法邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)允許值進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)上述規(guī)范，堤岸施工期Bishop 法對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)允許值為1.25[3]，方案一中樁位對(duì)應(yīng)8 m樁長(zhǎng)可以滿足規(guī)范要求，然而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格Φ300 mm 仿木樁的最大樁長(zhǎng)7.0 m，加長(zhǎng)樁需進(jìn)行定制，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，而增大樁徑會(huì)降低景觀性、增加打樁難度，且提高護(hù)岸造價(jià)。設(shè)計(jì)考慮對(duì)方案一進(jìn)行優(yōu)化，維持Φ300 mm 的7 m仿木樁樁型不變，打樁后在樁前貼坡設(shè)0.5 m 厚的二片石護(hù)腳，護(hù)腳頂高程在樁頂高程以下0.5 m（即4.35 m 高程），二片石護(hù)腳在作為坡腳壓載的同時(shí)可以起到抗水流沖刷保護(hù)樁前土層的作用，優(yōu)化后的仿木樁加固方案見(jiàn)圖7。

圖7 優(yōu)化后的仿木樁加固堤岸斷面

優(yōu)化后堤岸施工期邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=1.28，能滿足設(shè)計(jì)要求，堤岸增量位移云圖見(jiàn)圖8，樁前增加二片石護(hù)腳后，滑動(dòng)面的臨河側(cè)進(jìn)一步擴(kuò)展，壓載作用提高了邊坡穩(wěn)定性。

仿木樁樁身彎矩及位移分布詳見(jiàn)圖9，樁身彎矩最大值17.06 kN·m，樁身最大位移34.4 mm，這與增加二片石護(hù)腳前（即原方案一）的仿木樁內(nèi)力及位移基本一致，差異較小。這是由于Plaxis 軟件可考慮加固堤岸的施工順序，先打入仿木樁，再在樁前鋪設(shè)二片石護(hù)腳，而鋪設(shè)護(hù)腳前樁前土已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形，護(hù)腳對(duì)仿木樁內(nèi)力及位移的影響較小。根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS167 -2018），作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值按標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的作用效應(yīng)乘綜合分項(xiàng)系數(shù)確定，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)綜合分項(xiàng)系數(shù)取1.40[4]，因而施工期仿木樁最大彎矩設(shè)計(jì)值為23.88 kN·m，而每延米Φ300 mm 仿木樁承載能力設(shè)計(jì)值最小為90 kN·m，樁身強(qiáng)度也滿足要求。

2 結(jié) 論

1）仿木樁設(shè)于邊坡下部較邊坡中部及上部對(duì)邊坡穩(wěn)定更為有利，從實(shí)現(xiàn)仿木樁擋土作用，發(fā)揮仿木樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方面看，仿木樁設(shè)于邊坡下部也更為合理。

圖8 優(yōu)化后仿木樁加固堤岸增量位移云圖

圖9 優(yōu)化方案仿木樁樁身彎矩及位移圖

2）仿木樁樁長(zhǎng)的增加有利于邊坡穩(wěn)定的提高，且仿木樁擋樁后土的作用隨著樁長(zhǎng)增加而增大，長(zhǎng)樁能更好地發(fā)揮仿木樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3）仿木樁樁前鋪設(shè)護(hù)腳可以有效提高堤岸邊坡的整體穩(wěn)定性，同時(shí)可作為防止樁前土受水流沖刷的措施，可搭配仿木樁進(jìn)行布置。