（水利工程专业论文）钢筋混凝土板桩结合土层锚杆结构在海河改造中的应用.pdf

摘要 为了构筑与国际化大都市形象相适应的”水清、岸绿、景美、游畅”的滨河景 观，天津市委市政府决定以建设世界名河为目的对海河进行历史上最大规模的综 合开发改造，将海河建成独具特色、国际一流的服务型经济带、景观带、文化带。 海河市区段位于天津市中心繁华地带，河道弯曲、河岸冲刷严重、地质条 件复杂、沿河道周边建筑物密布、管线错综复杂，使河道护岸工程的建设受到较 大的限制和制约。设计方案的选择是在不产生对临近建筑物、地下管线不利影响 前提下设计合理、节约造价、方便施工、缩短工期。经方案比较，堤岸采用了钢 筋混凝土板桩结合土层锚杆锚固的结构型式。 由于目前的工程设计计算原理多采用半经验、半理论的方法，结构参数和边 界条件的拟定与工程实施的具体情况有一定的差距。理论计算与实际工程之间的 差别是多方面的，许多问题还无法用定量的方式表示出来，尤其是在软土水利工 程中，土、水压力的综合作用指标较难测试，计算方法存在着分歧，故需要工程 经验的积累来修正理论计算上的不足。 本文结合现有实际工程，介绍了工程区的设计资料，采用上海同济启明星深 基坑支挡结构分析计算软件进行了结构计算，采用埋设监测仪器的方法进行了现 场试验。通过理论计算和实验测试分析，验证了设计采用的结构型式的安全可靠 性及合理性；采取设计一现场观测一实施工程中调整设计的顺序解决理论计算与 实际工程之间的差别问题。 通过对理论计算与现场检测试验结果的分析比较，验证了设计所采取的各种 假设和参数的正确性，为改进设计、提高工程整体水平提供了依据。 关键词：钢筋混凝土扳桩土层锚杆锚固海河堤岸工程 a b s t r a c t i no r d e rt oc o n s t r u c ta ”c l e a rw a t e r , g r e e nr i v e r s i d e ，b e a u t i f u ls c e n e r y , c a r e f r e e t o u r ”r i v e r s i d es c e n e r ys oa st os u i tt ot h el a r g ei n t e r n a t i o n a lm e t r o p o l i s ，t i a n j i n g o v e m m e n td e c i d e dt om a k et h eb i g g e s tt r a n s f o r m a t i o nt o h a i h er i v e ri nt i a n j i n h i s t o r yt ob u i l daf a m o u sr i v e ri nt h ew o r d s o1 1 1 a tt h er i v e ri st ob ec o n s t r u c t e di n t oa u n i q u ec h a r a c t e r i s t i c ，i n t e r n a t i o n a l l yf i r s t c l a s s i ce c o n o m yz o n e ，s c e n ea r e aa n d c u l t u r eb e l t t h ep a r to fh a i h er i v e ri nt h ec i t yg o e st h r o u g ht h em o s tf l o u r i s h i n ga r e ai nt h e c i t yc e n t e na n dt h ew i n d i n gr i v e rc o u r s e ，s e r i o u s l ye r o d e dr i v e r s i d e ，c o m p l i c a t e d g e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，d e n s e l yd o r e db u i l d i n ga l o n gt h er i v e ra n di n t r i c a t ep i p e l i n e p l a c eg r e a t l yr e s t r i c ta n dl i m i tt h ec o n s t r u c t i o no f t h er i v e r s i d ep r o t e c t i o ne n g i n e e r i n g o n 恤ep r o m i s et h a tt h e r ei sn on e g a t i v ee f f e c tt ot h en e a r b yb u i l d i n g sa n d u n d e r g r o u n dp i p d i n e s ，t h es e l e c t i o no f t h ed e s i g np l a nm u s tb eb a s e do nr e a s o n a b l e d e s i g n ，e c o n o m i c a lc o s t ，c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o na n ds h o r t e dt i m el i m i t a f t e r c o m p a r i s o n t h er e i n f o r c e dc o n c r e t es h e e tp i l ew a l li nc o m b i n a t i o nw i t ha n c h o rr o d s t r u c t u r ew a sa d o p t e df o rt h el e v e e s m o s to ft h ec a l c u l a t i o np r i n c i p l e si ne n g i n e e r i n gd e s i g nu s e dh a l f - e x p e r i m e n t a l a n dh a l f - t h e o r e t i c a lm e t h o da tp r e s e n t ，s ot h e r ea r ec e r t a i nd a t u md i f i e r e n c e sb e t w e e n t h es c h e d u l e ds t r u c r l r ep a r a m e t e ra n dd r a f t e db o u n d a r yc o n d i f i o na n dt h ea c t u a l c o n d i t i o no f t h ee n g i n e e r i n gi m p l e m e n t a t i o n a n dt h e r ea r es o m ed a t u md i f f e r e n c e si i 1 m a n yw a y sb e t w e e nt h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o na n da c t u a le n g i n e e r i n g ，m a n yp r o b l e m s c a nn o tb es t i l l e x p r e s s e dq u a n t i t a t i v e l y , e s p e c i a l l yi nt h es o f t - s o i l e dh y d r a u l i c e n g i n e e r i n g ，t h ec o m p r e h e n s i v ef o r c ei n d e xo fe a r t ha n dh y d r a u l i cp r e s s u r e sc a nb e d i f f i c u l t l ym e a s u r e d ，a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa l s oh a v ec e r t a i nd i f f e r e n c e s ，s oi ti s n e c e s s a r yt oa c c u m u l a t ee x p e r i e n c e sf o rc o r r e c t i n gt h ed e f i c i e n c yi nt h et h e o r e t i c c a l c u l a t i o n i nt h i st h e s i s ，如ed e s i g nd a t ao ft h ew o r k i n ga r e aa r eb r i e f e d ，t h es t r u c t u r e c a l c u l a t i o n sa r ed o n ew i t ht h ef r w sv 4 0 ( n a m e dq i m s t a r li nc o m b i n a t i o nw i t ht h e a c t u a le n g i n e e r i n g s ，a n dt h eo n t h e s p o te x p e r i m e n t sw i t hb u r i e dm o n i t o ra r ed o n e t h r o u g h t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lt e s ta n a l y s i s ，t h er e l i a b i l i t ya n d r e a s o n a b i l i t yo ft h es t r u c t u r ea r eu s e di nt h ed e s i g na r ev e r i f i e d n l es e q u e n c eo ft h e d e s i g n o n - t h e - - s p o to b s e r v a t i o n r e a d j u s t m e n ti nt h ec o n s t r u c t i o ni su s e dt os o l v e t h ed a t u md i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o na n dt h ea c t u a le n g i n e e r i n g a f t e rc o m p a r i n gt h er e s u l to ft h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o nw i t ht h a to ft h e o n t h e s p o tt e s t ，i ti sp r o v e dt h a ta 1 1t h ep r e s u m p t i o n sa n dp a r a m e t e r su s e di nt h e d e s i g na r er i g h t ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o ri m p r o v i n gt h ed e s i g na n dr a i s i n gt h e l e v e lo f t h ew h o l ee n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：r e i n f o r c e dc o n c r e t es h e e tp i l e ；a n c h o r e de a r t h - l a y e r ； h a i h er i v e rl e v e ep r o j e c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：歹j 劾 签字日期：；酬年- 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彳彳欠 翩繇f 程 签字日期： 扫形年，j 月， 日 签字日期：驴卢年l 月日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着城市环境要求的逐渐提高，城市水利建设进入了前所未有的发展阶段 特别是沿海经济发达地区，城市防洪、水环境的综合治理、城市河网的合理调整 都需建设大量的水利控制工程【1 】。 城市河道弯曲复杂是目前城市水网的现状，给城市防洪排涝、河道的清污治 理带来了极大的困难。城市化的大力发展，土地资源的紧缺，沿河周边建筑物林 立密布，管线错综复杂，使水利控制工程及河道护岸工程的建设受到周边环境较 大的限制和制约。 天津海河是天津的母亲河，一直伴随和牵系着天津的兴襄，天津市就是靠海 河之水哺育成长、发展壮大的，7 0 多公里长的海河犹如一把巨型扇柄，其中约 1 0 多公里穿过市中心，以下流经东丽、津南、塘沽郊区及塘沽市区注入渤海湾， 海河作为天津市的象征，多年以来市区段两岸已经形成了许多特有的地理风貌。 列入2 0 0 4 年开发段的海河堤岸由于位于市中心繁华地带，特色建筑物较多且距 堤岸很近，堤岸两侧煤气管、输水管、电缆、光缆等纵横交错，道路、引桥、园 林小品以及许多生长了几十年的树木紧邻堤岸”3 。本次结合海河开发进行的堤岸 结构设计方案的选择应考虑在不产生对临近建筑物、地下管线使用功能的不利影 响前提下设计合理、节约造价、方便施工、缩短工期。 针对海河市区段现状多为直立式堤岸的特点，若应用坡式、重力墙、悬臂墙 等传统的堤岸结构，需要大量的开挖，势必会因堤后施工条件的限制无法实施。 因此，结合工程现状实际情况，设计拟采取钢筋混凝土板桩结合土拉锚的结构型 式，该结构是在靠河侧打入钢筋混凝土板桩作为围护结构，通过土层锚杆提供的 锚固力控制其变形，具有施工简单、水平位移小的特点，对堤岸两侧管线及建筑 物无不利影响。但由于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，又密切与变形有关，同时还涉 及土与围护结构的共同作用问题。本工程是将该结构作为河道的堤岸结构，更会 由于土质、地下水及环境条件的变化和复杂化，成为一种难度大、风险高且受多 因素影响和制约的复杂系统。 尽管多年来设计和施工技术都有很大的发展，该种结构在实施过程中仍然有 较高的事故率，其主要原因是传统的设计与施工方法难以适应实际工程的复杂多 交情况，理论计算结果与实际结果可能有一定的差异，因此，为了使结构设计方 第一章绪论 案更合理、完善，本工程设计拟通过计算与试验相结合的方法，将软件计算结果 作为指导设计的参考，与监测数据相对比，确定结构设计的合理性。 1 2 钢筋混凝土板桩及土层锚杆在水利工程中的应用与发展 ( 1 ) 钢筋混凝土板桩在水利工程中的应用与发展。 板桩和我国的水利发展，或者说是水的发展，可以说是有着不解之缘。在 公元前5 0 0 0 年的河母渡文明遗址( 现在浙江余姚附近) ，发现了厚3 - 5 厘米，宽 2 0 一5 0 厘米的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啪1 。 乾隆初( 1 7 3 7 1 7 4 3 年) ，大学士稽曾筠主持建筑海宁鱼鳞大石塘六千九百多丈 时，在塘基布置了密集的“梅花桩”和“马丈桩”( 又称马牙桩，即排桩，类 似于现在的板桩) ，黄河河工也曾用过，清代开始板桩便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，防止塘基下的泥土被淘走淘 空，从而有效地保证了海塘基础的稳定和承载能力，对于提高地基的承载力有重 要意义啪1 。 近代，随着混凝土技术的发展与成熟，混凝土板桩墙开始在水利工程中广泛 应用，而且施工技术愈趋复杂，施工规模也逐渐扩大，尤其是在海港码头和河流 驳岸工程中。1 8 9 8 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 桩基混凝士，基础部分为长约1 6 米的木桩，成人字形分向内外倾斜，下端深入 海底土中，上端高过低水位，顶上浇筑混凝土挡土墙。木桩外侧设钢筋混凝土板 桩道，板桩与木桩取齐，并有拉链连结，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物的侵蚀o ”。民国1 9 年( 即1 9 3 0 年) 在金山西 塘新港桥外新建的钢筋混凝土插板桩( 岸墙) ，两侧有嵌槽，每隅2 根桩，桩身内 侧用匮钢拉条与拉桩攀拉，然后在桩间横插钢筋混凝土板，墙后上半部填石减载， 墙脚前打术排桩护脚，墙顶用钢筋混凝土压顶。 到了现代，随着水利工程的空前繁荣，板桩的设计和施工的技术都有了长足 的发展，灌注、静压、组合型复合技术相应的出现，应用并达到成熟。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。1 9 5 8 年筑港工程局将预应力钢筋混凝土板桩首次应用于上 海船厂西厂舾装码头工程。投资最多历时最长的辽河护岸工程于1 9 6 3 年7 月在 营口市开工，长达3 0 0 0 余米辽河钢筋混凝土板桩护岸工程动工兴建，总投资1 5 0 0 万元。钢筋混凝土水力插板桩坝在黄河河口地区河道整治中的应用有效减少土方 开挖和石方填筑，减少了抢险概率，提高了防洪效益，加快了施工进度m 1 。1 9 9 7 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2 0 多次，经历3 次风暴潮袭击，特别是1 9 9 7 年8 月百年一遇的强台风中心从该区 2 第一章绪论 通过，风力1 2 级，持续十几个小时，8 级以上大风持续2 0 多个小时，该码头经 住了考验，取得了成功经历，节省投资1 0 0 0 多万元，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1 。 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 从上个世纪五十年代以来，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，其主要原因有以下三点：首先，土力学理论尚 未完善，如软土的流变性，饱和土的流动性，地下水的渗透性等等，至今工程界 对诸如此类的问题，认识和实际还是存在着一定的偏差，许多问题无法用定量的 方式表示出来，计算理论还不明确；其次，土性计算参数的取值还不确定，测试 所得的指标离散性较大，测试方法的不同对指标参数的影响亦很大；再次，计算 过程中，采用了过多的假设，计算的模式与实际情况不完全符合。因此，在土基， 尤其是软土基中钢筋混凝土板桩墙的设计，需设计者具备土力学、基础工程，结 构力学，弹性力学，原位测试等多门学科的理论基础，对于土体参数的选定、各 种公式的要有一定的经验”3 。 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 a n s y s 、a l g o r 、s a p 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。 ( 2 ) 土层锚杆在水利工程中的应用与发展 锚杆技术是一种将受拉杆件一端固定( 称锚固段) 在边坡或地基的岩( 土) 层中，另一端与工程建筑物相连接，用以支承由于土压力、水压力或风压力所施 加予建筑物的推力，从而利用地层锚固力以维持建筑物稳定的技术。 2 0 世纪5 0 年代以前，锚杆技术只是作为施工过程的一种临时性措施，5 0 年 代中期，在国外的隧道工程中开始广泛采用小型永久性灌浆锚杆和喷射混凝土代 替以往的隧道衬砌结构。6 0 年代以来锚杆技术的迅速发展，不仅在临时建筑 物基础开挖中使用，在修造永久性建筑物时也较广泛地应用，与此同时，可供锚 固的地层不仅限于岩石，而且也有了在软岩、风化层以及砂卵石、软粘土等土层 中进行锚固的经验。1 9 6 9 年在墨西哥召开的第七届国际土力学和基础工程会议 上，曾把土层锚杆技术作为一个专门的问题来讨论，7 0 年代以后，召开的多次 地区性国际会议上，均有设计有关锚杆技术的经验与研究介绍。当前锚杆技术的 第一章绪论 试验与理论研究仍在不断发展之中。8 0 年代以来，瑞典、德国、美国、英国、 日本等国家分别研制了多种不同类型的锚杆施工机具和灌浆工艺，各国还各自制 定了锚杆设计和施工的技术规程，锚杆技术在经济建设中正起着愈来愈重要的作 用3 “。 土层锚杆在水利、交通、建筑、电力、市政等领域有着广泛的应用，在上述 各领域中，土层锚杆常用于深基础工程、边坡稳定和结构抗倾覆。该结构具有提 供开阔的施工空间、改善施工条件、提高结构施工的效率和质量、节省大量钢材、 减少土方开挖量、降低围护结构的造价等优点，在上海木渎港泵闸基坑围护工程 设计中采用了钻孔灌注桩与土层锚杆相结合的围护方案，经检测，锚杆的极限承 载力均满足设计要求，桩体变形很小，对周围建筑物的影响在容许范围内”；天 津邮电通讯中心大厦基坑围护工程采用了灌注桩加两道锚杆的围护结构，经检 测，锚杆极限抗拔力满足设计要求，蠕变很小且很快收敛侧；在深圳河二期治理 工程中采用了地下连续墙结合土层锚杆的设计方案，节省了征地拆迁的范围，保 证了河道过流断面，降低了综合造价”。 当前国内外对土层锚杆的研究主要有：对锚杆的加固机理和计算理论的研 究；对锚固体系和预应力锚秆的变形、试验、监测和控制研究：对施工工艺如灌 浆工艺、降水方案等的研究。以上研究工作都取得了一定的成果，无论对理论探 索还是对工程实践都具有推动作用。”。 目前值得进一步研究的问题是：在不降低承载力的前提下，为适应场地条件， 使锚固体或锚固段做成扩体，以缩短锚杆长度；在新开挖基坑边离邻近建筑物或 构筑物很近，原有建筑物的基础对锚杆施工的影响；如何回收锚杆，在回收锚杆 的同时，如何加固曾作为锚固段的地基；在沿海大、中城市软土地区如何扩大土 层锚杆的应用范围；土层锚杆的徐变和松弛的研究；对锚固体系破坏机理的进一 步认识；力学模型和分析方法的进一步研究o ”。 1 3 研究内容 本文以钢筋混凝土板桩及土层锚杆的设计方案为研究重点，结合工程实际情 况，主要进行了以下研究工作： ( 1 ) 分析工程区的水文、地质等基础资料，为设计参数的选取提供了技术依 据。 ( 2 ) 对海河堤岸现状情况进行了分析，对几种可行设计方案进行了对比和选 择，明确了采用钢筋混凝土板桩结合土层锚杆结构的必要性，同时论证了该方案 的可行性。 ( 3 ) 分析了在不同入土深度下单锚板桩的工作状态，介绍了结构计算的基本 4 第一章绪论 理论。 ( 4 ) 由于海河为集多功能为一体的行洪河道，本文采用同济启明星深基坑支 挡结构和支撑结构分析软件对拟定的结构体进行了不同工况下的稳定计算和结 构计算。 ( 4 ) 为验证设计所采取的各种假设和参数的正确性，进行了现场监测试验： 板桩结构体观测试验和土层锚杆检测试验，对试验方案和试验结果作了详细论述 和分析。 ( 5 ) 通过理论计算和现场观测结果的对比分析，修正了设计参数，使结构设 计更加合理化，为海河堤岸工程的实施提供了技术依据，同时积累了许多在软土 地区采用钢筋混凝土板桩结合土层锚杆技术的经验。 第二章工程概况及基本资料 第二章工程概况及基本资料 2 1 河道基本情况”1 天津海河干流是海河流域南运河、子牙河、大清河、永定河、北运河等五河 汇流入海的尾闻河道之一，流经天津市区、塘沽市区及各郊区，通过防潮闸入海。 子北汇流口以下至海河防潮闸间的海河段长7 3 4 5 k m ，是一条集行洪、排涝、蓄 水、供水、航运、旅游为一体的多功能河道。 海河作为天津的发祥地和母亲河，孕育了城市的文明，记载着天津的沧桑和 发展历程，又以得天独厚的地理位置，造就了天津在全国各大城市中的显赫地位。 它是天津的天然优势和宝贵财富。天津市计划用3 5 年时间，将海河建设成为 独具特色、国际一流的服务型经济带、景观带、文化带，构筑与天津国际化大都 市形象相适应的”水清、岸绿、景美、游畅4 的滨河景观，发展海河经济，形成海 河效应，使之成为世界名河。 根据工程进度安排，天津市政府将海河堤岸改造和水体t 冶理工程，列为先期 实施的十大基础工程之一，于2 0 0 4 年实施北安桥大光明桥段。该段位于天津 市中心繁华地带，河道弯曲、河岸冲刷严重、地质条件复杂、沿河道周边建筑物 密布、管线错综复杂，使河道护岸工程的建设受到较大的限制和制约，经方案比 较，拟采用钢筋混凝土板桩结合土层锚杆锚固的结构型式作为河道堤岸。 2 2 水文基本资料删 2 21 气象 天津位于华北平原东北部，属温带半湿润大陆性季风型气候区，四季分明， 年内温差较大。气候特征主要受季风影响。冬季受西伯利亚大陆性气团控制，多 西北风，干燥寒冷少雨雪；春季多风，干旱少雨，蒸发量大；夏季受海洋性气团 影响，多东南风，炎热多雨；秋季天高气爽，降雨较少。 天津市区多年平均气温为1 2 2 ，全年一月份气温最低，月平均气温为 一3 9 一5 7 ，极端最低气温达一2 2 9 c ：冰冻期由1 2 月下旬次年3 月上旬， 一般约6 0 8 0 天。多年平均降水量5 7 0 m 叮】，降雨量年内分配不匀，主要集中在 汛期6 9 月份，其中7 月上旬至8 月中旬的降雨量约占全年降水量的8 9 ：且 降雨量年际变化也较大。多年平均蒸发量1 l o o r m n 。多年平均风速3 o m s ，最大 降雨量年际变化也较大。多年平均蒸发量1 l o o r m n 。多年平均风速3 o m s ，最大 风速2 80 i i l s 。 第二章工程概况及基本资料 第二章工程概况及基本资料 2 1 河道基本情况” 天津海河干流是海河流域南运河、子牙河、大清河、永定河、北运河等五河 汇流入海的尾闾河道之一，流经天津市区、塘沽市区及各郊区，通过防潮闸入海。 子北汇流口以下至海河防潮闸间的海河段长7 3 4 5 k m ，是一条集行洪、排涝、蓄 水、供水、航运、旅游为一体的多功能河道。 海河作为天滓的发祥地和母亲河，孕育了城市的文明，记载着天津的沧桑和 发展历程，又以得天独厚的地理位置，造就了天津在全国各大城市中的显赫地位。 它是天津的天然优势和宝贵财富。天滓市计划用3 5 年时间，将海河建设成为 独具特色、国际一流的服务型经济带、景观带、文化带，构筑与天津国际化大都 市形象相适应的”水清、岸绿、景美、游畅的滨河景观，发展海河经济，形成海 河效应，使之成为世界名河。 根据工程进度安排，天津市政府将海河堤岸改造和水体治理工程，列为先期 实施的十大基础工程之，于2 0 0 4 年实施北安桥大光明桥段。该段位于天津 市中心繁华地带，河道弯曲、河岸冲刷严重、地质条件复杂、沿河道周边建筑物 密布、管线错综复杂，使河道护岸工程的建设受到较大的限制和制约，经方案比 较，拟采用钢筋混凝土板桩结合土层锚杆锚固的结构型式作为河道堤岸。 2 2 水文基本资料瞠1 2 2 1 气象 天津位于华北平原东北部，属温带半湿润大陆性季风型气候区，四季分明， 年内温差较大。气候特征主要受季风影响，冬季受西伯利亚大陆性气团控制，多 西北风，干燥寒冷少雨雪：春季多风，干旱少雨，蒸发量大；夏季受海洋性气团 影响，多东南风，炎热多雨；秋季天高气爽，降雨较少。 天津市区多年平均气温为1 2 2 ，全年一月份气温最低，月平均气温为 一3 9 一5 7 ，极端最低气温达一2 2 9 c ；冰冻期由1 2 月下旬次年3 月上旬， 一般约6 0 8 0 天。多年平均降水量5 7 0 r f u ，降雨量年内分配不匀，主要集中在 汛期6 9 月份，其中7 月上旬至8 月中旬的降雨量约占全年降水量的8 0 ；且 降雨量年际变化也较大。多年平均蒸发量1 l o o r 衄。多年平均风速3 o m s ，最大 风速2 8 o m s 。 第二章工程概况及基本资料 2 2 2 设计洪水和设计涝水 ( 1 ) 设计洪水 海河行洪流量为8 0 0 m 3 s ，本课题选择的工程区段相应的行洪水位为4 4 5 m ( 大沽高程，下同) 。 ( 2 ) 设计涝水 天津市治涝区范围即天津城市防洪圈，西起西部防线、东至海挡、北起永定 新河右堤、南临独流减河左堤，总面积约2 7 0 0 k m z 。在此范围内，除部分地区涝 水直接入海或汇入大沽排污河外，其余地区涝水均汇入海河、永定新河和独流减 河。在天津城市防洪规划中将天津城市防洪圈划分为三个治涝区，即海河干 流治涝区、永定新河治涝区和独流减河治涝区，其中海河干流排涝区汇水面积约 1 3 0 0 k m 。2 。本课题选择的工程区段相应的排涝水位为4 o i m 。 ( 3 ) 近年来海河实测水位 以海河二道闸1 9 9 5 2 0 0 1 年6 年的实测水位资料分析，6 年来海河水位仅 有1 9 9 5 和1 9 9 6 年两年水位超过2 o o m 以上的情况发生，其中，1 9 9 5 年最高水 位为2 1 8 7 m ，1 9 9 6 年最高水位为2 3 1 4 m ，近年来海河水位特征见表2 1 。从本 表可以看出，确定景观亲水平台2 o m 高程是较合理的。 表2 - 1 海河水位特征表 2 3 工程地质嘲 2 3 1 地层岩性 在勘探深度范围内所揭露的地层均属于第四系全新统松散沉积物，现依据地 质时代及成因类型及岩性特征自上而下分述如下： ( 1 ) 人工填土层( r q ) 该层由杂填土和素填土组成。 杂填土：杂色，由建筑垃圾和生活垃圾组成。层厚：2 。0 m ，层底高程2 1 5 m 。 第二章工程概况及基本资料 素填土：灰灰黄色，可塑软塑，以可塑为主，湿到饱和，以粉质粘土和 粉土为主，含锈斑、石子、腐植质和有机质。层厚3 o m ，层底高程一0 8 5 m 。 ( 2 ) 第四系全新统上部陆相冲积层( a l q 。3 ) 岩性主要由粉质粘土、粉土组成，空间分布相对较稳定。 粉质粘士：灰黄色，饱和；可塑软塑，以可塑为主，粘性较大，局部夹粘 土小透镜体夹层，含锈斑及有机质。层厚2 o m ，层底高程- 2 8 5 m 。 粉土：灰黄色浅灰色；湿；松散稍密；含锈斑较多，呈透镜体状分布， 层厚：1 5 0 m ，层底高程：一4 3 5 m 。 ( 3 ) 第四系全新统中部海相层( m q 。2 ) 岩性由粉质粘土、粉土组成。 粉质粘土：灰色：饱和；软塑流塑，土质不均，具微细层理，粉土与粘土 互层，局部夹粉土层稍厚，含贝壳碎片。层厚2 1 m ，层底高程- 6 4 5 m 。 粉土：灰色；湿；稍密中密；含贝壳碎片及云母，层厚4 8 m ，层底高程 一1 1 2 5 m 。 ( 4 ) 第四系全新统下部陆相冲积层( a l q 。1 ) 岩性主要为粉质粘土、粉土。 粉质粘土：灰白色灰黄色，饱和，可塑，土质不均，含锈斑及姜石，厚度 6 9 m ，层底高程1 8 1 5 m 。 粉土：灰黄色黄色；湿：中密密实；含锈斑较多，该层以透镜体状分布， 层厚1 2 m ，层底高程- 1 9 3 5 m 。 ( 5 ) 第四系上更新统上部陆相冲积层( a l q 。) 岩性主要为粉质粘土，黄色黄褐色，饱和，硬塑，含锈斑及姜石较多，层 厚2 8 0 m ，层底高程一2 2 1 5 m 。 2 3 2 水文地质 工程区地下水主要为孔隙型潜水，主要赋存于粉土及粉质粘土孔隙中，水位 主要受河水水位影响，勘探期间地下水水位高程0 5 1 1 0 r e ，与河水呈互为补 排关系。据室内渗透试验可知，渗透系数在k = i o 。c m s 4 1 l 1 0 。6 c m s 之间， 属中等微弱透水性，以弱透水层为主。 2 3 3 地质构造及地震 工程区位于华北准地台的二级构造单元华北坳陷的北部，三级构造单元沧县 隆起的中部，四级构造单元潘庄凸起与白塘口凹陷结合部，基底构造复杂，断裂 构造发育，第四系松散堆积物厚度较大，地震活动性较强，构造稳定性差。 工程区地震动峰值加速度为0 1 5 9 ，地震动反应谱特征周期0 4 0 s 。相对应 的地震基本烈度为度。 第三章堤岸结构方案的比选及几何尺寸的确定 第三章堤岸结构方案的比选及几何尺寸的确定 3 1 堤岸现状情况分析 海河作为天津市的象征，两岸己形成许多特有的地理风貌，列入2 0 0 4 年计 划开发的北安桥大光明桥段位于天津市中心，沿岸特色建筑物众多，金融街、 天津海关大楼、利顺德、剀悦、天津东站均位于工程范围内。 该段现状河岸宽度约9 1 m 9 7 m ，大部分堤岸为5 0 年代所建，岸墙结构为钢 筋混凝土板桩墙、钢板桩、砌石坡结构。有的位于河道凹岸，冲刷严重，成为险 工陡坎，已不能满足稳定要求；有的破损严重，产生裂缝、坍塌；有的混凝土老 化、钢筋裸露。这些旧堤岸存在着严重的安全隐患，一旦失稳，造成的经济损失 和社会影响是无法弥补的。 天津市委市政府决定以建设世界名河为目的对海河进行历史上最大规模的 综合开发改造，将海河建成独具特色、国际一流的服务型经济带、景观带、文化 带，构筑与天津国际化大都市形象相适应的”水清、岸绿、景美、游畅”的滨河景 观，而现状这些破旧的堤岸与海河两岸的周边环境极不相称，为此结合海河开发 修筑美观、稳定的堤岸结构是十分必要的。 3 2 堤岸设计原则 满足河道行洪过流的要求，不减小过流断面。 保证沿岸建筑物的安全。 减少拆迁征地。 施工方便，减小投资。 3 3 堤岸结构方案的比选 堤岸的类型 堤岸作为挡土和挡水体系，其结构型式可以分为下述几类： a 坡式：b 悬臂墙式；c 重力墙式d 锚杆式：e 锚定板式；f 加筋土式； g 板桩式；h 地下连续墙式。 方案的比选 堤岸结构设计方案的选择应分析地形、地质、填土性质、荷载条件，当地材 料供应及现场地区技术经济各种条件，确定支挡结构类型及截面尺寸。海河堤岸 第三章堤岸结构方案的比选及几何尺寸的确定 的特点是建筑物较多且距堤岸很近，堤岸两侧煤气管、输水管、电缆、光缆等纵 横交错，为减免对现有工程的影响，不宜选择需要较大开挖的坡式、重力式、悬 臂墙式结构；海河是一条具有行洪功能的河道，缩窄河道会影响河道的过流能力， 设计方案不能选择侵河回填的结构型式，故锚定板式、加筋土式不能用于本工程。 较合理的结构型式为板桩式或地下连续墙式，考虑到海河堤岸岸顶距河床的落差 较大，桩墙悬臂段较长，为减小墙体位移，需结合锚杆的拉力维持结构的平衡。 根据该工程的特点，设计比较了以下三种可行方案，分别见附图1 附图3 。 方案一：板梁式。每隔1 5 m 打入一根方桩，桩间插板形成围挡结构，每隔 1 5 m 设一根土层锚杆作为锚固体系。 该方案延米工程投资4 5 0 8 5 元，其优点是可保留原有受力结构不被破坏；施 工简单，速度快。其缺点是结构刚度小，整体性差。由于水平推力太大，配筋量 大，不适合该段河道条件。 方案二：板桩式。将设置有槽结构的混凝土板桩打入土中，通过槽间的相互 连接咬合形成连续的混凝土板桩墙，每隔1 5 m 设一根土层锚杆作为锚固体系。 该方案延米工程投资4 5 0 0 7 元，其优点是可保留原有受力结构不被破坏；投 资较小。较板梁式刚度大。 方案三：地下连续墙。利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下 挖出窄而深的沟槽，并在其内放置钢筋、浇注混凝土形成连续的地下墙体。每隔 1 5 m 设一根土层锚杆作为锚固体系。 该方案延米工程投资5 6 9 4 0 元，其优点是刚度大，整体性好；施工时震动小， 噪音低。其缺点是需拆除原有结构；工程投资大。 由于该段冲刷严重，设计需要的桩体长度和刚度较大，故板梁式结构不适合； 地下连续墙结构投资大而且需拆除现有的墙体结构，而板桩方案较板梁式刚度 大、可保留原有受力结构，且工程投资较小，故选择板桩结合土层锚杆方案作为 设计推荐方案。 3 4 钢筋混凝土板桩结合土层锚杆结构方案的可行性 在5 0 - - - 6 0 年代的海河堤岸中，市区段8 0 以上均采用了钢筋混凝土板桩 结合锚拉式结构，从几十年的运行情况来看，大部分堤岸段结构保持稳定，运行 良好；从2 0 0 3 年海河堤岸改造的大悲院示范段施工中拆除的板桩及锚杆结构来 看，结构较完整。港口工程中，采用钢筋混凝土板桩结合锚杆作为码头结构的工 程实例也很多，但在已建工程中采用无锚桩的土层锚杆结构的不是很广泛。设置 锚桩要求无障碍、平坦开阔的地面；士层锚杆结构需要地基土能提供较大锚固力， 较适合本工程粘土地基，在经济、施工简便等方面较其它结构具有很大优势，近 1 0 第三章堤岸结构方案的比选及几何尺寸的确定 几年来，随着扩孔技术和注浆技术以及优化设计的推广，应用范围不断扩大。在 1 9 9 6 的海河堤岸加固工程中( 右岸营口道彰德道段) 采用了土层锚杆式围护结 构，至今运行良好，故本设计采用该结构方案是可行的。 3 5 推荐方案结构尺寸的拟定 钢筋混凝土板桩主要有矩形截面和t 字型薄壁截面两种结构形式，如图3 - 1 。 a 矩形截面 b t 形截面 图3 - 1 钢筋混凝土板桩的两种主要结构形式 考虑到工程费用及施工的复杂程度，本设计采用槽榫结合的矩形截面，桩尖 部分做成斜坡以利于打桩时使桩能挤进，挤紧后由于缝中夹有泥砂一般均能做到 基本不渗漏。初步拟定板桩横截面结构尺寸为4 0 x 4 5 c m 。根据桩体悬臂段长度拟 定桩长为1 7 m ，其中泥面以上悬出部分长度为7 m ，泥面以下嵌固长度l o m 。桩体上 部为现浇钢筋混凝土帽梁，将桩体连接为一体。 钢筋混凝土板桩支撑方式为土层锚杆式。土层锚杆是一种埋入土层深处的受 拉杆件，它一端与钢筋混凝土板桩相连，另一端锚固在土层中，对其施加预应力， 以承受由土压力、水压力等所产生的拉力，用以维护构筑物的稳定。考虑到海河 水位对锚杆施工的影响，设计采用单锚板桩型式。 土层锚杆类型分为圆柱型、端部扩大头型、连续球体型三种，不同形状锚固 体结构详见附图4 。考虑到本工程土层条件较差、而要求锚杆的承载力较高本 设计选择二次高压注浆形成的连续球体型锚杆。锚杆的倾斜角度为2 5 度，预应 力筋材采用钢绞线。自由段长度为6 m ，锚固段长度根据计算的设计轴向拉力值确 定。锚杆水平向间距为1 5 m 。 f 第四章结构计算的基本理论 第四章结构计算的基本理论 4 1 单锚扳桩墙的工作状态幢2 1 由于单锚板桩墙的入土深度不同，其工作状态也不相同。图4 1 是不同入土 深度单锚板桩墙的土压力，弯矩及变形的示意图。 第一种情况( 图4 1 ( a ) ) 是，当作用在板桩上的外力能达到平衡的条件， 即主动土压力和被动土压力对锚碇点a 的力矩相等( 。= 肘) 时，板桩墙 的跨中弯矩及变形最大，而板桩的入土深度最小。在这种情况下，板桩的入土部 分发生较大的位移，但不产生反向弯矩，称为“自由支承”的情况。这种工作状 态所需要的板桩长度最短，断面最大。 第二种情况( 图4 1 ( b ) ) 是，板桩的入土段比前者要稍深，板桩墙受力后， 其底端只有转动，而没有位移。此时，跨中弯矩及变形均比前者减少，它亦属于 自由支承状态。 第三种情况( 图4 1 ( c ) ) 是，板桩入土段比较长，墙体受力后，入土段向 前位移甚小，板桩底端形成嵌固支承，并且向后侧有少量的位移，墙后产生一定 的被动土压力，入土段出现嵌固弯矩m ：。板桩墙的跨中弯矩又比前者有所减少。 这种嵌固工作状态的板桩墙所需要断面较小，稳定性也好。 第四种情况( 图4 一l ( d ) ) 是，板桩的入土深度更大，墙体的稳定性有富余， 但对减少墙体跨中弯矩非常有限。它类似于第三种情况的工作状态。 a 匡筝丑箩 a 匡f = 匿氟名1蚕壶 孑气二暴变奠亚孑萋 ( b ) ( c ) ，d 、 图4 - 1 不同入土深度单锚板桩墙的土压力，弯距和变形图 。爿触变 4酋羁线 m 矩 r 弯 第四章结构计算的基本理论 4 2 竖向弹性地基梁法 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 随深度为线形增大，即k = m y ，y 为计算点距地基表面 的深度，m 是地基系数分布的斜率啪3 。 m 法中板桩墙部分，板桩墙内力计算： 首先，板桩墙的入土深度t 按公式( 4 1 ) 确定。 y o l 蚝+ ，屹。+ 痧薹场l i 。兰o 5 的粘性土、粉砂，m 值为2 0 0 0 4 0 0 0 i n m 4 ，本计算取为3 0 0 0 i ( n m 4 。 其它土层参数见表5 1 。 表5 1 地质条件和计算参数表 ( 4 ) 荷载选项 1 ) 水土合算”和“水土分算”的选择0 1 作用在围护结构上的土压力包括两个部分，即水压力和有效土压力，对于透 水性较强的砂性土，地下水以自由水