论文部分内容阅读
摘要： 针对峡口～樟村段河道整治工程左岸桩号DZI5+276～~DZI5+446段中河岸附近埋设有各类管道且管道无法改迁的特殊情况，在考虑地质条件及施工难易条件等因素的基础上拟定堤防护岸的永久支护结构方案，进行方案比选，并分析了选定方案的计算过程与结果。本文结合工程实例介绍了双排桩支护结构在河道整治工程中的应用，以供同类工程参考。
关键词： 双排桩 河道整治工程 永久支护 方案比选 弹性地基梁法
1工程概述
峡口～樟村段河道整治工程为东莞市东引运河、寒溪水流域综合整治工程的一部分，是峡口水闸、樟村水闸及峡口节制闸的配套工程。工程范围为拟建峡口节制闸～新建樟村水闸约6.2km的河段，内容包括河道疏浚、左岸堤防、右岸东莞大堤护脚及穿堤涵等部分。东引运河城区段堤防工程的防护对象为东莞市，其防洪标准为堤、库、闸结合100年一遇，左岸堤防级别为2级。该河道左岸埋设有多种类型的管道设施，局部地段距离控制岸线较近，势必影响到堤防护岸结构设计方案的选择。因而特地委托相关单位进行物探，以便进一步查明本段各类管道的走向及埋深，为设计提供准确可靠的地下管线资料。根据提供的物探资料，发现左岸桩号DZI5+276～DZI5+446段各类管路设施分布最为集中，且距离控制岸线最近，因而是本工程的设计难点，同时也是本论文要研究介绍的对象。左岸桩号DZI5+276～DZI5+446段长170m，为本工程左岸堤防护岸的一部分。经过综合考虑该段防洪堤断面型式采用直斜复合式断面。该段设计河底高程为▽-1.84～▽-1.85m，设计洪水位（P=1%）为▽4.77～▽4.75m，由此确定的设计护岸顶高程为▽4.16～▽4.15m，设计堤顶高程为▽5.77～▽7.81m。
2工程地质条件
2.1地层岩性
根据钻孔揭露，该段地层自上而下依次为:
①人工填土：主要由粘性土为主，局部夹有碎石块、混凝土块体、淤质土及粉细砂、中粗砂，局部欠压实。土质不均一，物理力学指标离散性大，孔隙比大，中～高压缩性，强度变化较大，结构松散，易产生较大沉降。厚4.5～6.4m。其天然密度ρ=1.89g/cm3，凝聚力C=12kPa，内摩擦角Φ=12°。
②淤泥质土： 灰黑色淤泥质土局部淤质砂，土质均匀，粘性好，软塑，为高压缩性、微透水层。厚1.5～2.5m。其天然密度ρ=1.77g/cm3，凝聚力C=8kPa，摩擦角Φ=5°。
③全风化泥质粉砂岩：风化完全，呈粘性土状， 可塑～硬塑状，局部坚硬，夹少量未风化透的强风化岩块，为中压缩性、微透水层。厚1.5～2.5m。其天然密度ρ=1.90g/cm3，凝聚力C=28kPa，内摩擦角Φ=18°。
④强风化泥质粉砂岩：岩质较软，钻探岩芯多呈饼状或短柱状，完整性较差，风化较剧烈，不均，局部间夹风化土及弱风化岩。厚4.0～4.5m。其天然密度ρ=2.50g/cm3，凝聚力C=50kPa，内摩擦角Φ=23°。
⑤弱风化泥质粉砂岩：岩质稍硬，钻探岩芯多呈5～20cm柱状，岩芯较完整，岩面光滑，RQD一般在60～90%。其天然密度ρ=2.64g/ cm3，凝聚力C=200kPa，内摩擦角Φ=30°。
2.2水文地质条件
该段地下水类型主要为第四系砂土孔隙水和基岩裂隙、孔隙水。地下水以潜水为主，局部有大面积粘性土覆盖，存在微承压水。地下水埋深为1.5～3m。
3护岸永久支护结构设计
3.1方案选择
3.1.1方案拟定
挡土墙结构是最常用的垂直护岸结构，但由于该段河岸土体中各类管路设施分布最为集中，距离控制岸线最近且管道又无法改迁，无法进行放坡开挖施工，因此也就无法采用，而只能采用无需放坡开挖施工的永久支护结构。根据工程经验和结合本工程实际，初步拟定的支护结构形式有：锚杆式单排桩支护结构、T型地下连续墙支护结构、双排桩支护结构。
3.1.2方案比选
锚杆式单排桩支护结构具有造价低、施工速度快、工期短等优点[1]，且可通过锚杆施加预应力减少水平位移。但根据物探资料在堤防断面图中定位后发现，按工程经验初定的锚杆距离管道太近，甚至在某些地段锚杆会穿过管道，这在工程设计中是绝对不允许的。因此本设计不能采用锚杆式单排桩支护结构。
T型地下连续墙支护结构具有侧向刚度大、施工占用场地小等优点。根据物探资料和按工程经验初定的T型地下连续墙结构在图中定位，发现T型地下连续墙和管道之间的距离满足安全要求。但按工程经验为满足稳定要求T型地下连续墙需要较大的嵌固深度，而该段具有岩面线较高的地质特征，因而墙底进入岩层的深度也就大了。这就造成槽孔开挖施工技术难度大，进度缓慢。因而从施工技术难易程度上考慮本设计不宜采用T型地下连续墙支护结构。
与锚杆式单排桩支护结构相比，双排桩支护结构施工占用场地小，可以有效的避开管道设施，而与T型地下连续墙支护结构相比，钻孔相对于槽挖从施工技术角度上看难度小，进度快，因而也就更可行。
综上，本设计堤防护岸结构采用双排桩支护结构型式。
3.2结构计算
3.2.1计算原理
目前我国国内挡土结构计算采用的方法为经典土压力法和弹性支点法。两者各有一定的适用范围。挡土结构按其刚度及位移方式可分为刚性挡土结构与柔性挡土结构。刚性挡土结构由于其刚度大，结构在侧向土压力的作用下，仅能发生整体平移或转动，墙身的绕曲变形可忽略不计。而经典土压力法正是以刚性挡土结构为计算模型的。因而经典土压力法适用于刚性挡土结构。柔性挡土结构由于其刚度小，结构在侧向土压力的作用下会发生明显绕曲变形，因而会影响土压力的大小和分布。而弹性支点法的计算模型是将结构、土体、支点三者共同作用的整体分析，正是考虑结构变形对土压力影响的一种计算理论，因而适用于柔性挡土结构。而双排桩支护结构显然属于柔性挡土结构。
3.2.2计算模型与工况
双排桩支护结构的计算模型与双排桩排距有关。双排桩排距过小(小于2倍桩径)时，双排桩受力近似于单排粧，未能考虑由于后排桩的作用使得土体破裂面发生变化。而当双排桩排距过大(大于6倍桩径)时，双排桩受力近似于拉锚桩，起不到双排桩之间的门架作用。这两种计算模型都不合理。只有当双排桩排距为2～4倍桩直径时, 双排桩才能有效地共同作用从而使得结构本身有着良好的调整桩身弯矩的功能，计算模型才趋于合理，计算时按门式刚架结构考虑。本设计初步拟定桩径为1m，桩间距为2m，排距为3m，前排桩冠梁断面为1.2×1m，后排桩冠梁断面为1×1m，连系梁断面为1×1m，前排桩之间设桩径为1m的短桩进行封堵，迎水面设0.2m厚的护面，各结构构件均采用C25钢筋混凝土。排桩保护层厚度取70mm。采用门式刚架结构的计算模型。
由于支护结构面侧水压力对结构的受力和稳定是有利的，因而河道内无水的完建期显然是控制性工况。本设计采用完建期为计算工况。
3.2.3计算过程与结果
由于本设计中的双排桩支护结构为堤防护岸，属于永久性结构，与通常情况下运用于基坑支护而属于临时性结构的情况不同。其要求比属于基坑支护的临时性结构高，所以应采用适用于永久性结构的相关规范要求进行设计。本结构所在的左岸堤防级别为2级，根据规范要求本结构按2级建筑物的标准设计。该段取一控制断面进行计算。计算断面与各地层厚度见图1。
图1计算断面示意图
本设计采用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》进行计算。主要计算结果汇总见表1。
表1 计算成果汇总表
3.2.4计算结果分析
桩身最大位移为19.05mm，满足堤防的正常使用。按照堤防工程设计规范（GB 50286—98）的规定，2级堤防在正常运用条件下边坡抗滑稳定安全系数不小于1.25，本次计算结果为5.394，满足要求。按照水工挡土墙设计规范（SL 379—2007）的要求，2级水工挡土墙在基本组合条件下的抗倾覆安全系数不小于1.5，本次计算结果为1.5，满足要求。
4结语
本工程经过多方面因素的考虑与对比，选定双排桩支护结构为左岸桩号DZI5+276～DZI5+446段堤防护岸结构的最终实施方案。双排桩支护结构方案成功解决了在河道整治工程中遇到因河岸附近埋设有各类管道且管道无法改迁而造成无法开挖施工的特殊问题，避开了各类管道设施的干扰。可以说为遇到为相似工程提供可借鉴的设计经验。
与常用支护结构相比，双排桩支护结构具有下列优点：（1）双排桩支护结构通过桩顶冠梁将前后排桩连结形成门式刚架而拥有较大的侧向刚度[2]，可以有效限制支护结构位移变形。（2）不需要设置锚杆或支撑[3]，需要的施工场地范围小，受场地条件因素干扰小。（3）对地质条件的适应能力强，施工方便，进度快。综上所述，双排桩支护结构是一种具有多方面优点的新型支护结构体系，有良好的发展前景，在未来的工程界将拥有更广阔的运用领域
参考文献：
[1] 李瑜．挡土锚桩深基坑支护在东改工程中的应用[J]．水利规划与设计，2004，（4）：51-53．
[2] 张强，梁凤美．双排桩在软土深基坑支护中的应用初探[J]．山西建筑，2010，36（13）：75-76．
[3] 金造时，魏东．双排桩在武汉地区深基坑支护中的应用探讨[J]．资源环境与工程，2010，24（2）：141-143．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词： 双排桩 河道整治工程 永久支护 方案比选 弹性地基梁法
1工程概述
峡口～樟村段河道整治工程为东莞市东引运河、寒溪水流域综合整治工程的一部分，是峡口水闸、樟村水闸及峡口节制闸的配套工程。工程范围为拟建峡口节制闸～新建樟村水闸约6.2km的河段，内容包括河道疏浚、左岸堤防、右岸东莞大堤护脚及穿堤涵等部分。东引运河城区段堤防工程的防护对象为东莞市，其防洪标准为堤、库、闸结合100年一遇，左岸堤防级别为2级。该河道左岸埋设有多种类型的管道设施，局部地段距离控制岸线较近，势必影响到堤防护岸结构设计方案的选择。因而特地委托相关单位进行物探，以便进一步查明本段各类管道的走向及埋深，为设计提供准确可靠的地下管线资料。根据提供的物探资料，发现左岸桩号DZI5+276～DZI5+446段各类管路设施分布最为集中，且距离控制岸线最近，因而是本工程的设计难点，同时也是本论文要研究介绍的对象。左岸桩号DZI5+276～DZI5+446段长170m，为本工程左岸堤防护岸的一部分。经过综合考虑该段防洪堤断面型式采用直斜复合式断面。该段设计河底高程为▽-1.84～▽-1.85m，设计洪水位（P=1%）为▽4.77～▽4.75m，由此确定的设计护岸顶高程为▽4.16～▽4.15m，设计堤顶高程为▽5.77～▽7.81m。
2工程地质条件
2.1地层岩性
根据钻孔揭露，该段地层自上而下依次为:
①人工填土：主要由粘性土为主，局部夹有碎石块、混凝土块体、淤质土及粉细砂、中粗砂，局部欠压实。土质不均一，物理力学指标离散性大，孔隙比大，中～高压缩性，强度变化较大，结构松散，易产生较大沉降。厚4.5～6.4m。其天然密度ρ=1.89g/cm3，凝聚力C=12kPa，内摩擦角Φ=12°。
②淤泥质土： 灰黑色淤泥质土局部淤质砂，土质均匀，粘性好，软塑，为高压缩性、微透水层。厚1.5～2.5m。其天然密度ρ=1.77g/cm3，凝聚力C=8kPa，摩擦角Φ=5°。
③全风化泥质粉砂岩：风化完全，呈粘性土状， 可塑～硬塑状，局部坚硬，夹少量未风化透的强风化岩块，为中压缩性、微透水层。厚1.5～2.5m。其天然密度ρ=1.90g/cm3，凝聚力C=28kPa，内摩擦角Φ=18°。
④强风化泥质粉砂岩：岩质较软，钻探岩芯多呈饼状或短柱状，完整性较差，风化较剧烈，不均，局部间夹风化土及弱风化岩。厚4.0～4.5m。其天然密度ρ=2.50g/cm3，凝聚力C=50kPa，内摩擦角Φ=23°。
⑤弱风化泥质粉砂岩：岩质稍硬，钻探岩芯多呈5～20cm柱状，岩芯较完整，岩面光滑，RQD一般在60～90%。其天然密度ρ=2.64g/ cm3，凝聚力C=200kPa，内摩擦角Φ=30°。
2.2水文地质条件
该段地下水类型主要为第四系砂土孔隙水和基岩裂隙、孔隙水。地下水以潜水为主，局部有大面积粘性土覆盖，存在微承压水。地下水埋深为1.5～3m。
3护岸永久支护结构设计
3.1方案选择
3.1.1方案拟定
挡土墙结构是最常用的垂直护岸结构，但由于该段河岸土体中各类管路设施分布最为集中，距离控制岸线最近且管道又无法改迁，无法进行放坡开挖施工，因此也就无法采用，而只能采用无需放坡开挖施工的永久支护结构。根据工程经验和结合本工程实际，初步拟定的支护结构形式有：锚杆式单排桩支护结构、T型地下连续墙支护结构、双排桩支护结构。
3.1.2方案比选
锚杆式单排桩支护结构具有造价低、施工速度快、工期短等优点[1]，且可通过锚杆施加预应力减少水平位移。但根据物探资料在堤防断面图中定位后发现，按工程经验初定的锚杆距离管道太近，甚至在某些地段锚杆会穿过管道，这在工程设计中是绝对不允许的。因此本设计不能采用锚杆式单排桩支护结构。
T型地下连续墙支护结构具有侧向刚度大、施工占用场地小等优点。根据物探资料和按工程经验初定的T型地下连续墙结构在图中定位，发现T型地下连续墙和管道之间的距离满足安全要求。但按工程经验为满足稳定要求T型地下连续墙需要较大的嵌固深度，而该段具有岩面线较高的地质特征，因而墙底进入岩层的深度也就大了。这就造成槽孔开挖施工技术难度大，进度缓慢。因而从施工技术难易程度上考慮本设计不宜采用T型地下连续墙支护结构。
与锚杆式单排桩支护结构相比，双排桩支护结构施工占用场地小，可以有效的避开管道设施，而与T型地下连续墙支护结构相比，钻孔相对于槽挖从施工技术角度上看难度小，进度快，因而也就更可行。
综上，本设计堤防护岸结构采用双排桩支护结构型式。
3.2结构计算
3.2.1计算原理
目前我国国内挡土结构计算采用的方法为经典土压力法和弹性支点法。两者各有一定的适用范围。挡土结构按其刚度及位移方式可分为刚性挡土结构与柔性挡土结构。刚性挡土结构由于其刚度大，结构在侧向土压力的作用下，仅能发生整体平移或转动，墙身的绕曲变形可忽略不计。而经典土压力法正是以刚性挡土结构为计算模型的。因而经典土压力法适用于刚性挡土结构。柔性挡土结构由于其刚度小，结构在侧向土压力的作用下会发生明显绕曲变形，因而会影响土压力的大小和分布。而弹性支点法的计算模型是将结构、土体、支点三者共同作用的整体分析，正是考虑结构变形对土压力影响的一种计算理论，因而适用于柔性挡土结构。而双排桩支护结构显然属于柔性挡土结构。
3.2.2计算模型与工况
双排桩支护结构的计算模型与双排桩排距有关。双排桩排距过小(小于2倍桩径)时，双排桩受力近似于单排粧，未能考虑由于后排桩的作用使得土体破裂面发生变化。而当双排桩排距过大(大于6倍桩径)时，双排桩受力近似于拉锚桩，起不到双排桩之间的门架作用。这两种计算模型都不合理。只有当双排桩排距为2～4倍桩直径时, 双排桩才能有效地共同作用从而使得结构本身有着良好的调整桩身弯矩的功能，计算模型才趋于合理，计算时按门式刚架结构考虑。本设计初步拟定桩径为1m，桩间距为2m，排距为3m，前排桩冠梁断面为1.2×1m，后排桩冠梁断面为1×1m，连系梁断面为1×1m，前排桩之间设桩径为1m的短桩进行封堵，迎水面设0.2m厚的护面，各结构构件均采用C25钢筋混凝土。排桩保护层厚度取70mm。采用门式刚架结构的计算模型。
由于支护结构面侧水压力对结构的受力和稳定是有利的，因而河道内无水的完建期显然是控制性工况。本设计采用完建期为计算工况。
3.2.3计算过程与结果
由于本设计中的双排桩支护结构为堤防护岸，属于永久性结构，与通常情况下运用于基坑支护而属于临时性结构的情况不同。其要求比属于基坑支护的临时性结构高，所以应采用适用于永久性结构的相关规范要求进行设计。本结构所在的左岸堤防级别为2级，根据规范要求本结构按2级建筑物的标准设计。该段取一控制断面进行计算。计算断面与各地层厚度见图1。
图1计算断面示意图
本设计采用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》进行计算。主要计算结果汇总见表1。
表1 计算成果汇总表
3.2.4计算结果分析
桩身最大位移为19.05mm，满足堤防的正常使用。按照堤防工程设计规范（GB 50286—98）的规定，2级堤防在正常运用条件下边坡抗滑稳定安全系数不小于1.25，本次计算结果为5.394，满足要求。按照水工挡土墙设计规范（SL 379—2007）的要求，2级水工挡土墙在基本组合条件下的抗倾覆安全系数不小于1.5，本次计算结果为1.5，满足要求。
4结语
本工程经过多方面因素的考虑与对比，选定双排桩支护结构为左岸桩号DZI5+276～DZI5+446段堤防护岸结构的最终实施方案。双排桩支护结构方案成功解决了在河道整治工程中遇到因河岸附近埋设有各类管道且管道无法改迁而造成无法开挖施工的特殊问题，避开了各类管道设施的干扰。可以说为遇到为相似工程提供可借鉴的设计经验。
与常用支护结构相比，双排桩支护结构具有下列优点：（1）双排桩支护结构通过桩顶冠梁将前后排桩连结形成门式刚架而拥有较大的侧向刚度[2]，可以有效限制支护结构位移变形。（2）不需要设置锚杆或支撑[3]，需要的施工场地范围小，受场地条件因素干扰小。（3）对地质条件的适应能力强，施工方便，进度快。综上所述，双排桩支护结构是一种具有多方面优点的新型支护结构体系，有良好的发展前景，在未来的工程界将拥有更广阔的运用领域
参考文献：
[1] 李瑜．挡土锚桩深基坑支护在东改工程中的应用[J]．水利规划与设计，2004，（4）：51-53．
[2] 张强，梁凤美．双排桩在软土深基坑支护中的应用初探[J]．山西建筑，2010，36（13）：75-76．
[3] 金造时，魏东．双排桩在武汉地区深基坑支护中的应用探讨[J]．资源环境与工程，2010，24（2）：141-143．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。