（水利工程专业论文）冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究.pdf

摘要 随着经济发展 科技进步 内河船舶向大体积 大功率发展 船行波对驳岸的冲刷力及船体对驳岸产生的撞击力加大 而我省大 量现有的航道驳岸老化损毁严重 已经影响船舶的安全航运 导致 了大量适宜内河运输的货物被迫弃水登陆 大大增加了物流成本和 社会成本 已不能适应社会经济的发展 所以 如何对大批原有航 道驳岸进行维护 改善运营条件和状况成为重要的任务之一 其中 最主要的内容就是对大量老旧驳岸进行改造 那么对老旧驳岸的改造是拆除重建 还是进行加固 如何能既 考虑经久耐用又兼顾经济合理及可操作性成为急需研究的课题 本文以泰州市驳岸加固工程为研究载体 研究冲沉桩板及优化 设计在航道驳岸加固中的应用 旨在寻求一种更加稳固 更加经济 更加便于操作的航道驳岸加固方案 本文对冲沉桩板结构的稳定性进行了分析 结果表明桩板结构 新驳岸在抗滑 抗倾 地基承载力上都能满足规范要求 本文用弹性力学的方法 采用a n i d a 软件对桩板结构新驳岸的 内力变形进行了分析 计算结果表明结构内力 变形均符合要求 再次证明了冲沉桩板结构新驳岸的安全可靠性 本文对冲沉桩板新驳岸进行了结构优化设计 提出了桩板结构 优化设计方案 经过优化设计 确定了合理的桩距 桩板断面尺寸 使桩板结构更加的经济 合理 与将原有重力式驳岸彻底拆除重建相比 冲沉桩板结构加固老 旧驳岸大大减少了工程量 且施工中无需修筑围堰 无需停航 施 工便捷 缩短了建设工期 节省了建设投资 表明其在航道改造建 设中具有非常广阔的应用前景 关键词 冲沉桩板优化设计a n i d a 软件 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n da n dt h es c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s r i v e r v e s s e l sd e v e l o pt o l a r g ev o l u m ea n d h i g h p o w e r s ot h ee r o s i o nf o r c eo fs h i pw a v e sa n dt h ei m p a c tf o r c e o f h u l lo nt h er e v e t m e n tg e te n h a n c e d al a r g en u m b e ro fe x i s t i n gc h a n n e l r e v e t m e n t sa g i n gs e v e r e l yi no u rp r o v i n c e t h e yh a v ea f f e c t e dt h es a f e t y o fs h i p p i n gv e s s e l s e n f o r c e dal a r g en u m b e ro fg o o d ss u i t a b l ef o ri n l a n d w a t e rt r a n s p o r tt ol a n d a n dg r e a t l yi n c r e a s e dt h el o g i s t i c sc o s t sa n dt h e s o c i a l c o s t s t l l e y h a v e b e e nu n a b l et o a d a p t s o c i o e c o n o m i c d e v e l o p m e n t s o h o wt om a i n t a i nal a r g en u m b e ro fo r i g i n a lc h a n n e l r e v e t m e n ta n di m p r o v et h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n ds t a t u sb e c o m eo n e o ft h ei m p o r t a n tt a s k s t h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n ti st ot r a n s f o r ml o t so f o l dr e v e t m e n t t h e ni nt h ep r o g e s so fo l dr e v e t m e n ta l t e r a t i o n r e c o n s t r u c t i n gt h e m o rr e i n f o r c i n gt h e m h o wt ot a k ei n t oa c c o u n tb o t ht h ed u r a b i l i t ya n dt h e e c o n o m i cr a t o n a l i t yh a sb e c o m ea l lu r g e n ts t u d y t h ea p p l i c a t i n gt h eo p t i m a ld e s i g no fs h e e tp i l ej e t t i n gt ot h e r e i n f o r c e m e n to fc h a n n e lr e v e t m e n ti s s t u d i e db a s e do nt h e r e i n f o r c e m e n tp r o je c to fc h a n n e lr e v e t m e n ti nt a i z h o uc i t y a i m e da t f i n d i n gam o r es t a b l e m o r ee c o n o m i c a l m o r ec o n v e n i e n tt oo p e r a t e p l a no fc h a n n e lr e v e t m e n tr e i n f o r c e m e n t a f t e ra n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo ft h es h e e tp i l ej e t t i n gs t r u c t u r e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h en e wp i l er e v e t m e n tc a nm e e tt h er e g u l a t o r y r e q u i r e m e n t si nt h ea n t i s l i d e a n t i r o l la n dc a r r y i n gc a p a c i t yo fs u b g r a d e g r o u n d t h ei n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o no fn e wr e v e t m e n tw i t hs h e e t p i l es t r u c t u r ea r ea n a l y s e du s i n gt h em e t h o do fe l a s t i c i t ya n da n i d a s o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o na r ei n l i n ew i t hr e q u i r e m e n t s w h i c hp r o v e dt h a ts e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e n e wr e v e t m e n tw i t hs h e e tp i l es t r u c t u r eo n c ea g a i n t h eo p t i m a ld e s i g no fs h e e tp i l es t r u c t u r ei sp r o p o s e db a s e do nt h e s t r u c t u r eo p t i m a ld e s i g no fn e wr e v e t m e n tw i t hs h e e tp i l es t r u c t u r e a f t e r t h e o p t i m a ld e s i g n t h e r e a s o n a b l ed i s t a n c eo fp i l ea n dp i l e p l a t e c r o s s s e c t i o nd i m e n s i o n sa r ec o n f o r m e d s ot h a tt h es h e e tp i l es t r u c t u r e i sm o r ee c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l e c o m p a r e d w i t hd i s m a n t l e o r i g i n a lg r a v i t yt y p e c h a n n e l r e v e t m e n t u s i n gs h e e tp i l es t r u c t u r et or a i n f o r c eo l dc h a n n e lr e v e m e n t c a ng r e a t l yd e c r e a s et h ew o r ka m o u n to fp r o j e c t a n db e c a u s eo fn o c o f f e r d a ma n dn os u s p e n d e da n db e i n ge a s yt oc o n s t r u c t c o n s t r u c t i o n p e r i o di sr e d u c e da n dc o n s t r u c t i o ni n v e s ti ss a v e d w h i c hs h o wt h a tt h e s h e e t p i l e s t r u c t u r eh a sav e r yb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h e c o n s t r u c t i o no f c h a n n e lr e f o r m k e y w o r d s s h e e tp i l ej e t t i n g o p t i m a ld e s i g n a n i d a s o f t w a r e 张海翎 冲沉桩扳在航道驳岸加固中的应用研究 1 1 选题背景 1 绪论 随着经济发展 科技进步 内河船舶向大体积 大功率发展 船行波对两岸的冲刷能力及船体对驳岸产生的撞击力加大 而建 于多年前的旧驳岸由于缺乏规范的养护维修 老化损毁严重 已 不能适应社会经济的发展 江苏省第十一次党代会在工作报告中明确提出要加快构建全 国领先的综合运输体系 奋力推进江苏交通又好又快发展 而目 前我省以航道为代表的弱势项目的发展水平 远远滞后于公路等 优势项目 导致了大量适宜内河运输的货物被迫弃水登陆 大大 增加了物流成本和社会成本 所以 航道事业的加快振兴和迅速 崛起成为当务之急 除了加快建设高等级航道 加大水运运载能 力外 对原有的航道进行维修 改善运营条件和状况也成为重要 的任务之一 目前航道中大量老旧驳岸的改造迫在眉睫 对老旧驳岸的改造是拆除重建 还是进行加固 如何能既考 虑经久耐用又兼顾经济合理及可操作性成为急需研究的课题 本 文以泰州市航道驳岸改造为研究载体 研究冲沉桩板的优化设计 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究 及其在航道驳岸加固中的应用 寻求更加稳固 更加经济 更加 便于操作的航道驳岸加固方案 1 2 泰州市航道驳岸现状 航道驳岸有斜坡护岸和直立护岸 目前使用和在建的大多为直 立式结构 直立式护岸结构形式有 重力式浆砌块石结构 钢筋 混凝土悬臂结构 钢筋混凝土扶壁式及沉箱结构等 这种结构形 式的驳岸施工 不仅需要修筑围堰 拆除围堰 施工期还必须设 立井点排水 土方开挖占地面积也大 若附近存在群众住房 房 屋损坏赔偿费用高 且协调工作难度大 导致工期长 对船舶航 运干扰大 工程造价高 块石开采还破坏了当地环境 因此根据 目前水运事业日益发展的形势 为了适应社会经济可持续发展的 需要 对航道护岸进行新型结构 新材料的开发和研究 加快对 老旧驳岸进行改造的步伐 以继续发挥其作用 势在必行 泰州市位于江苏中部 沿江岸线长9 5 7 6 k m 下辖四市两区 面积5 7 9 0k m 2 总人口5 0 0 万 气候温和 雨量充沛 境内地势 低平 南高北低 地面高程在2 5 m 河网密布 航道纵横 水域 面积9 9 9k m 2 占总面积的1 7 2 6 根据最近航道普查结果 现有 2 0 0 条航道 通航里程2 5 6 7 5 3 k m 占全省的十分之一强 航道两 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加周中的应用研究 侧驳岸累计2 3 5 1 2 k m 其中七级以上航道总里程1 2 2 7 4 1 k m 驳 岸2 1 2 1 5 k m 硬质化率仅8 6 4 泰州市作为水运大市 不仅拥 有数量众多的运输船舶 而且船体大推进功率高 船行波对两岸 的冲刷也较严重 导致边坡塌陷 河床雍高 在影响通航的同时 也增加了汛期的防洪压力 因此航道驳岸改建更显重要 1 3 桩板结构的结构型式及特点 桩板墙是一种新型支挡结构n 1 利用深埋入稳定地层的桩体 与桩周土体的相互嵌制作用 将上部结构的压力传递至稳定地层 利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来保证结构的整体稳定 利 用在桩之间插入板起到挡土的作用 桩板墙依照桩自由端是否锚 固可分为悬臂式和锚固式 桩板之间的连接有外挂式和插入式 桩和板的截面型式可根据受力和施工设计为不同型式 常见的桩 板墙形式见图1 1 1 2 1 3 由于桩板墙具有抗滑能力强 工程量 小 桩位布置灵活 施工方便 施工影响范围小等诸多特点 近 年来在公路 铁路的基础加固和边坡治理等领域等到了广泛应用 而在航道驳岸加固中的应用尚处于起步阶段 张海翎 冲沉桩板d 航道驳岸加吲中的应用研究 蹦卜l 锚同式外挂桩板墙 悬臂式外挂桩板墙 孙疆氇谴i翳1 2 m 心藩戮o m 张海翎 冲沉桩板花坑道驳岸加嗣中的脚用州究 图1 3 插入式锚 桩板墙 1 4 桩板结构设计研究的现状 日前桩板墙的结构设计研究发展迅速 黄齐武等在 侧向受荷 板桩极艰承载力的下限有限元分析 o 一文中比较有代表性地 阐述了有限元法在桩板培设计中的应用 该文基于结构和平面应 变单元 采用数值下限法分析结构一土体接触的稳定性问题 目 前 以承受侧向荷载为主的桩基础在桥梁 高层建筑和港口等工 程中应用普遍 由于侧向荷载作用下桩身内力与位移实质是较为 复杂的桩土共同作用问题 因而 与之相应的理论研究的紧迫性 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究6 也日益凸现 对于侧向受荷的桩基础设计 主要采用经验法 w i n k l e r 地基反力法 p o u l o s 弹性理论法和常规数值计算法 正 如其他稳定性问题一样 考虑一定安全系数的侧向受荷桩体同样 可以以其极限状态作为研究对象 s l o a n l l l 最早将有限元法与极 限分析相结合 采用数学规划方法求解稳定性问题 这也标志着 极限分析有限元法的诞生 但是 极限分析有限元法至今仍局限 于浅基础承载力和边坡稳定性问题的简单运用 尽管u k r i t c h o n 在基坑稳定性分析中涉及到桩基的计算 但没有详细说明其方法 因而 在某种程度上而言 对于深基础的极限分析几乎无人涉足 由于极限分析下限法的思想与工程界偏于安全的理念一致 因而 下限分析有限元法更具实际意义 结合自主开发的程序 u k r i t c h o n 基于下限定理 利用结构单元和平面应变单元 采用锥 形规划理论中的原一对偶内点法 对侧向受荷板桩的极限承载力 问题进行探究 下限分析的求解借助锥形规划中原一对偶内点算 法 提出了可以考虑轴力 剪力和力矩复合加载形式下的结构屈 服形式 该文以侧向受荷板桩为例得出了水平力和力矩共同作用 下的破坏包络线 结果显示 侧向受荷板桩的极限承载力h c l 是相对强度参数m j c u 的函数 该结果与d a v i s 1 9 6 1 的刚性桩 近似计算比较吻合 该文是下限有限元法首次采用结构和平面应 张海翎 冲沉桩扳在航道驳岸加同中的应用研究 7 变单元复合形式在深基础中的应用 1 5 桩板结构在工程中应用现状 1 5 1 在道路工程中的应用 桩板墙在公路 铁路的基础加固和墩台施工中自7 0 年代以来 就开始得到广泛的应用 李安宏在 变截面t 形桩板墙的设计及 应用 n 1 一文中详细阐述了t 型桩板墙的结构特点和设计特点 变截面t 形桩板墙由变截面t 形锚固桩及桩问挡土板组成 其墙背土压力由挡土板传至桩上 最后由锚固段桩周岩土承担 桩的内力分布与普通悬臂式桩板墙相同 其最大弯矩及剪力均在 地面线 锚固段顶端 附近桩锚固段内 悬臂段弯矩 剪力衰减较快 若采用恒截面将造成较大的混凝土圬工浪费 根据桩的内力变化 特点及施工方便 如在地面以下锚固段采用恒定矩形截面 地面 以上采用桩厚按某一坡度变化的矩形变截面可节省较多的混凝 土 在地面横坡较陡的情况下 悬臂段桩采用t 形截面可节省桩 长 另外 采用t 形截面又可减少挡土板跨度 减少部分受拉钢 筋数量 同时又增强了域体美观 作用于桩板墙上的力系可简化 为墙后填料及列车荷载产生的水平土压力之和 填料产生的水平 土压力 按库伦主动土压力计算 列车荷载产生的水平土压力按 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究 弹性理论 布辛涅斯克假定 即条形荷载作用下土中水平应力公式 计算 桩所承担的力 取桩两侧范围各半的墙后土压力 将该力 按桩的锚固段顶端弯矩 剪力相等的原理简化为三角形或梯形分 布 非锚固段桩的内力可按三角形或梯形分布荷载的悬臂粱计算 锚固段内力可根据锚固段顶端的弯矩及剪力q 视锚固段桩周岩土 情况按k 法或m 法计算 与普通抗滑桩计算相同 张晓波在 洪 凝河特大桥深基坑挖孔桩板墙结构防护技术 3 1 文中描述了跨 越既有公路的铁路墩台施工中桩板墙的设计应用 为跨越既有公 路而设的新线铁路桥梁或以较小线间距与既有桥梁并行的复线铁 路桥梁常常会出现墩台基础位于既有路基边坡内或既有桥台锥体 护坡内的情况 设计通常采用打拔钢板桩或钢轨桩的防护方案 但由于既有公路或铁路边坡上打桩设备就位困难 安全风险高 加之钢板桩或钢轨桩嵌入基底岩层作业难度大 稳定性不好 实 际施工时往往难以付诸实施 经实践证明 施做挖孔桩板墙结构 体系可以较好的解决上述问题 利用在菏日复线大宇中桥 南尚 舒中桥基础施工采用挖孔桩板墙结构体系防护所取得的成功经 验 在胶新铁路洪凝河特大桥1 4 号墩深基坑施工中再次运用这一 技术 取得了较为理想的效果 刘宏波在 西藏俗坡下至三安曲 林段公路中桩板墙的应用 7 1 中阐述了桩板墙在路基产生滑坡加 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加冈中的应用研究 固中的应用 在公路建设中 经常会遇到深挖路基 而在很多的 深挖路基中 或多或少会存在着边坡的破坏问题 边坡的破坏将 会导致公路建设以及养护期间花费大量的人力财力加以处治 甚 至于在公路的运营期间会造成严重的交通阻塞 西藏俗马边防公 路俗坡下至三安曲林段边防公路改建工程瞄9 5 2 0 k 3 9 5 5 0 处右 侧上边坡 由于地质条件复杂 地层破碎 而且切割较深 边坡 坡度大 在施工开挖时 发生大规模滑塌 通过对本处工程坍塌 产生原因以及边坡特征分析后 最后研究决定采用桩板墙对边坡 进行防护 1 5 2 在建筑工程中的应用 郑云刚等在 桩板墙结构加高挡土墙的应用 1 3 1 一文中介 绍了在某电厂的扩建工程中 运用桩板墙结构对既有挡土墙的加 高改造进行了探索 分析了该工程的设计思路和计算方法 对既 有挡土墙进行加高改造是建筑工程改扩建建设中常会遇到的问 题 用桩板墙结构对既有挡土墙进行加高改造是一种新的设计思 路 它具有施工速度快 对周围建 构 筑物影响小 基坑开挖范 围小 挖方填方量小 节约用地等优点 根据现场检测结果 桩 顶位移很小 未发现开裂 变形等现象 墙后的建 构 筑物没有 受到影响 这些都说明桩板墙结构对原有挡土墙的加改造达到了 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加网中的应用研究 1 0 相关的要求 通过工程的实施 说明采用桩板墙结构对既有挡土 墙进行加高改造是一种合理的结构形式 在场地布置紧凑 用地 紧张 基坑开挖困难的情况下 其效益尤为明显 吴天毅在 桩 板墙倾斜加固 n 4 1 一文中阐述了桩板墙在山区建筑工程中的应 用 设计对山包切除部分边坡 用浆砌片石挡土墙与桩板墙共同 挡护 中部边坡较高段设桩板墙 两端连接浆砌片石挡土墙 桩 板墙设计为1 4 根直立式一字型排列的钢筋混凝土桩桩间距3 0 m 两桩之间设置钢筋混凝土挡板 由于施工方法是单桩跳槽开挖 施工 要求在全部桩群完工以前不允许提前挖除桩间土 钢筋混 凝土挡板没有采用插入方式 而与桩身采用焊接方式连接组成桩 板墙 1 5 3 在滑坡危岩整治中的应用 滑坡是公路工程建设中最常见的现象之一 随着公路等级和 工程技术标准的不断提高 越来越多的路段需要高填深切 如何 治理大规模的滑坡越来越其重要 于伟在 复合式锚拉框架加桩 板墙在滑坡防治中的应用 5 1 一文中结合湖南永州至广东连州 高级公路k 4 8 9 0 0 处半山路基的滑坡实例 通过对滑坡产生原因 的分析 经方案比选 提出采用复合式锚拉框架 桩板路肩墙的处 治措施 张汉平在 预应力锚索抗滑桩板墙在高边坡病害治理中 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加同中的应用研究 1 l 的应用 n 8 1 一文中介绍了预应力锚索抗滑桩板墙在京珠高速公 路粤境南k 1 0 8 2 1 0 8 1 5 4 6 6 高边坡病害处治中的应用 预应 力锚索抗滑桩板墙在高边坡治理中 与其他支挡结构相比具有许 多优点 设计理论和工程实践日趋成熟 具有广泛的用途 特别 适用于工程环境要求较高的高速公路 1 6 桩板结构在航道驳岸加固中的发展趋势及应 用前景 桩板墙作为一种新型的支档结构有与其优异的抗滑性能和施 工的简便性 在航道驳岸加固以及其他很多临水工程上的应用必 将得到快速的发展 而桩板墙的施工工艺及结构设计也将更加的 成熟 这将成为航道驳岸加固可选的新型方案之一 泰州市及周边地区乃至全省 原来航道驳岸多为重力式浆砌 块石结构 风吹雨打日晒夜露导致自然老化 船舶撞击及人为破 坏又致损毁加剧 这样的驳岸不仅不能发挥应有的作用 有些甚 至引发新的事故 因此 大批老旧驳岸亟待改造 但是是拆除重 建 还是进行加固 这要既考虑新驳岸的经久耐用性 又要考虑 经济合理及施工可操作性 本文针对目前泰州市航道护岸现状 研究提出适应形势要求的护岸改造结构形式一一冲沉桩板结构 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加同中的应用研究 1 2 解决老旧驳岸损毁严重无法发挥作用的问题 冲沉桩板结构可以 有效减少土方开挖 免除施工围堰 减少老旧驳岸的拆除工作量 使其继续发挥应有的作用 由于该方案施工便利 并且可以大大 节省工程投资 它必将在航道驳岸加固中得到广泛的推广应用 但是由于目前桩板墙在航道驳岸加固中的应用尚刚刚起步 所以面临许多新的问题需要研究解决 比如设计理论还不是很成 熟 对结构的内力分析及设计优化工作还没有在工程设计中得到 研究或应用 本课题将用弹性力学的方法对冲沉桩板结构的内力 进行有限元法模拟计算 验证其稳定性 然后对结构进行优化设 计 确定最合理 最经济的桩板断面尺寸 这样不仅能提高结构 的安全稳定性能 也能大大节省建设投资 1 7 本文研究的主要内容 本文以泰州市口岸船闸下游西侧引航道试验段桩板驳岸为 研究载体 从以下几个方面开展研究 1 含有桩板的复合基础受力复杂 桩板变形如何 桩板是否 存在整体滑动倾向 论文通过结构受力分析 计算并比较冲沉桩 板结构及其后夹石混凝土与原基础的整体稳定性 2 通过计算对结构进行优化设计 确定最合理的墙身断面及 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加同中的应用研究1 3 桩长 间距 板厚 帽梁 桩板至旧驳岸之间的距离 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究1 4 2 桩板结构设计 本课题主要针对泰州市口岸船闸下游引航道的老化 损毁严 重的驳岸 进行用于基础加固的冲沉桩板结构设计 其原理系依 据桩基及土力学理论 以桩基达到稳固基础 用冲沉板作为护面 模板 墙身面层加设钢筋混凝土提高防撞能力 延长使用寿命 其后填充夹石混凝土扩大基础 达到稳定的目的 桩基截面尺寸 入土段为3 0 x 4 0 c m 的实心矩形 侧面开槽宽度适当大于板宽 以 控制冲沉板的位置 冲沉桩板尺寸根据土质及挡土高度设计 在 预护土坡高度加上一定的埋置深度 根据口岸船闸下游的土质和 现状挡土高度 初拟深度为3 m 宽度为4 7 6 m 左右 厚度1 5 c m 桩板中竖向预埋空心钢管 便于水枪从此处冲水下沉 图2 一l 图 2 2 为该结构施工期和竣工后的实物图片 张海翎 冲沉桩板在航道鸵岸加固中的应用研究1 5 图2 i 上部墙体施t 阶段 圈2 2 工程竣工验收阶段 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究 1 6 2 1 桩板结构护岸墙体荷载计算 2 1 1 自重 图2 3桩板结构护岸横断面布置图单位高程m 其它m m 取5 0 m 长度墙身为计算对象 墙身断面尺寸如图2 3 以护 岸结构底面临水端为矩心 浆砌块石重度取2 2 0 k n m 3 夹石混凝 土重度 c 2 5 现浇混凝土重度取2 4 0 k n m 3 钢筋混凝土重度取 2 5 0 k n m 3 此外 在标高1 0 m 以下部分墙体取其浮重度 新旧墙 体自重计算见表2 1 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加冈t 的应用研究 1 7 表2 1 护岸新旧墙体自重计算表 部位竖向力k n力臂m力矩k n m 原结构基础 1 6 8 o2 7 54 6 2 0 原部分墙体 1 1 8 12 5 32 9 8 8 夹石混凝土 1 2 8 8 0 5 7 57 4 1 1 3 7 91 9 1 52 6 4 1 c 2 5 现浇 1 6 3 4 0 3 6 76 0 混凝土3 6 8 61 8 9 l6 9 7 0 2 3 0 40 9 5 l2 1 9 1 压顶 3 7 50 9 5 l3 5 7 合计1 3 5 2 72 1 1 0 8 2 1 2 墙后填土重 墙前水位1 3 m 墙后水位取1 8 m 回填土重度1 6 0 k n m 3 内摩擦角2 4 0 墙后填土重和n i 句i 压力计算见表2 2 表2 2护岸墙后土重计算表矩心同表1 部位算式竖向力力臂力矩k n m 1 斟m 土重 1 6 0 0 5 5 2 x 5 02 0 8 04 2 58 8 4 0 1 6 0 x 0 5 0 6 4 7 3 3 3 7 2 2 3 4 1 2 6 5 4 8 5 o 1 6 0 0 5 0 6 3 3 5 07 9 22 8 52 2 5 7 2 合计 6 5 9 42 3 7 5 2 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究 1 8 2 1 3 墙前墙后水压力 墙前水位较低对墙体抗滑稳定不利 故拟墙前水位1 3 m 墙 后水位取1 8 m 墙前 墙后水压力计算见表2 3 表2 3墙前 墙后水压力计算表矩心同表1 荷载名称算式水平水压力力臂力矩k n m l 洲m 墙前水压 o 5 1 0 0 2 3 2 3 一1 3 2 3o 7 7 1 0 1 8 力 5 o 墙后水压0 5 l o o 2 8 2 8 1 9 6 00 9 31 8 2 3 力 5 0 合计 6 3 78 0 5 2 1 4 墙后土压力 墙后土压力分布见图2 4 其具体计算见表2 4 表2 4墙后土压力计算表矩心同表1 荷载名称 算式 p l p 2 e i力臂m力矩k n m 土压力 p l 1 6 3 2 0 4 2 1 72 1 6 强度 p 2 2 1 6 8x2 8x0 4 2 1 73 1 0 e l 0 5 2 1 6 3 2 5 01 7 2 83 8 76 6 8 7 e 2 2 1 6 2 8 5 03 0 2 41 4 04 2 3 4 土压力 e 3 o 5 9 4 x 2 8 x 5 06 5 8o 9 36 1 2 合5 4 1 01 1 5 3 3 计 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究1 9 图2 4 墙后土压力分布图单位高程m 其它唧 2 2 护岸墙体稳定计算 2 2 i 护岸墙体沿墙底面抗滑稳定 基础与粉砂地基之间的摩擦系数厂 0 4 护岸墙体沿基础底 面抗滑稳定极限状态可由下式表示 躺1 y o y e 日 7 p w 斥 毛 妙p r 吉 似幌邑饥 厂 2 1 式中 结构重要性系数 安全等级一 二 三级分别为 1 1 1 0 0 9 乃 结构系数 无波浪作用取1 0 有波浪作用取1 1 自重力的分项系数 取1 0 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究 条采用 g 作用在计算面上的结构自重力的标准值 k n 厂 沿计算面的摩擦系数设计值 按文献 1 第3 4 1 0 土压力的分项系数 乓 毋 分别为计算面以上永久作用总主动土压力的水平分 力标准值和竖向分力的标准值 k n y e w 剩余水压力的分项系数 昂 作用在计算面以上的剩余水压力的标准值 k n 系缆力的分项系数 系缆力的水平分力的标准值 最r 分别为计算面以上可变作用总主动土压力的水平 分力标准值和竖向分力标准值 k n y 作用效应组合系数 持久组合取0 7 短暂组合 取1 0 最矿 系缆力竖向分力的标准值 k n 波浪水平力分项系数 兄一一波谷作用时计算面以上水平波压力的标准值 k n 乃 波浪浮托力分项系数 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加同r l j 的应用研究 2 l 表2 5 幺u 波谷作用时作用在计算底面上的波浪浮托力的标 准值 k n 稳定验算时 作用分项系数按表2 5 采用 稳定验算时作用分项系数表 组永久作用可变作用 厶 口 情 ye y e w ye yp ry p7 u 7p z 况 持 久 1 3 51 0 51 3 5 1 2 5 1 3 5 1 2 5 1 3 5 1 2 5 1 3 5 1 2 5 1 3 5 1 2 5 组 厶 口 短 暂 1 3 51 0 51 2 51 3 01 2 01 2 0 组 a 口 注 持久组合采用设计高低水位时驭表中大值 持久组合采用极端水位时取表中括弧内小值 墙体滑动效应 墨 y o 7 t p w 昂 渺p r 2 2 则s l 1 0 1 3 5 5 4 1 0 1 0 5 x 6 3 7 d o d 0 7 9 7 2 k n 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加网中的应用研究 墙体抗滑效应 蜀2 儿l 7 g g 7 e 毋 r 厂 2 3 则r i 1 o 1 0 1 3 5 2 7 1 3 5 6 5 9 4 0 x 0 4 8 9 7 2 斟 故墙体滑动效应小于墙体抗滑效应 即 墨 r i 墙体抗滑稳 定满足规范安全要求 2 2 2 护岸墙体沿墙底面前趾抗倾稳定 护岸墙体沿墙底面前趾抗倾稳定极限状态可由下式表示1 4 8 1 y q u e me y 蹦mp w 7e m 睡h w 嘿m 嘲 l 儿 r c m g 蚝m 占矿 m 句矿 2 4 式中m g 结构自重力标准值对计算面前趾的稳定力矩 k n m m 职 m 矿 分别为永久作用总主动土压力的水平分力标 准值和竖向分力的标准值对计算面前趾的倾 覆力矩和稳定力矩 k n m m p 矿一一剩余水压力的标准值对计算面前趾的倾覆力矩 儿 结构系数 无波浪作用取1 2 5 有波浪作用取1 3 5 系缆力的水平分力的标准值 m 蹦 m 厨y 分别为计算面以上可变作用总主动土压力的水平 张海翎 冲移c 桩板在航道驳岸加固巾的应用研究 分力标准值和竖向分力标准值计算面前趾 的倾覆力矩和稳定力矩 k n m m 艘一一系缆力竖向分力的标准值计算面前趾的倾覆力矩 m 朋 波谷作用时水平波压力的标准值计算面前趾的倾覆 力矩 k n m m 册u 波谷作用时作用在计算底面上的波浪浮托力的标 准值对计算面前趾的稳定力矩 k n m 墙体倾覆力矩 s 2 o y e m e h 邝w m p 矿 厂e m 匈 y p r m 肼 2 5 则s z 1 2 5 x 1 3 5 x1 1 5 3 3 1 0 5 x 8 0 5 0 0 2 0 5 1 9 k n m 墙体稳定力矩 r 2 m g y e m m 励矿 2 6 yd 则r 2 1 0 1 0 2 1 1 0 8 1 3 5 2 3 7 5 2 5 31 7 3 2 k n 故墙体倾覆力矩小于稳定力矩即 s 2 r 2 墙体抗倾覆稳定 满足规范安全要求 2 2 3 护岸墙体地基承载力验算 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究 2 4 地基承载力应满足下列规定m 1 盯 2 7 式中 心 地基顶面最大应力分项系数 可取1 o o m a x 地基项面最大应力标准值 k p a 吼 地基承载力设计值 根据地基土性质决定 由勘探资料取矾 1 7 0k p a 孝 詈时地基顶面最大应力按下式计算 盯箸 告 爿 8 p 昙一孝 2 9 弘虿一亏 孝 m i r 一i 0 2 1 0 比 善 2 0 1 2 1 仃器 告 詈 鼍笋 6 0 6 3 4 m 他6 x 0 6 3 4 1 1 6 5 0k p a l 斗 1 3 8 3 地基的最大应力为1 6 5 k p 满足 盯一 q 所以 地基承 载力满足要求 m 们 5 l 一 0 5 一 b一3 一2b 一2 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究 3 桩板结构优化设计 根据试验段桩板结构稳定计算结果 经初步比较分析 冲沉 桩板结构可以采用两种方案 第一种方案保持原护岸结构 仅对 其简单整理以便于桩板施工 冲沉桩板安装就位和帽梁施工完成 后 桩板后回填非粘性土 此方案较经济 但是桩板受力复杂 整体稳定性差 桩板尺寸较小 其耐久性也较差 另一种方案是 以试验段桩板结构形式为依据 保持原护岸结构 并对其进行简 单整理以便于桩板施工 桩板后回填灌砌块石或者混凝土等 此 方案结构整体性好 桩板受力简单 主要承受回填混凝土初凝前 的侧向压力 待混凝土凝固后 桩板与原护岸结构连为一个整体 抗震性能较强 本文仅针对后一方案进行桩长 桩距 插板埋深 板厚优化 设计 3 1 新浇混凝土初凝前对模板的侧向压力计算 新浇混凝土初凝前的侧压力与混凝土浇注方案 浇注速度 振捣方法 初凝速度 混凝土的坍落度及浇筑块的平面尺寸等因 素有关 其中前四个因素影响最为密切 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加同中的应用研究 2 7 3 1 1 普通浇注混凝土 当计入混凝土浇筑温度和浇筑速度的影响 混凝土不加缓凝 剂 且坍落度在11 c m 以内时 新浇大体积混凝土的最大侧压力可 参考表3 1 选用1 4 7 1 表3 1混凝土的最大侧压力p m 值单位 1 0 4 p a 平均浇筑速度 m h 混凝土侧压力分布 温度 o 10 20 30 4o 5o 6 图 52 3 02 6 02 8 03 0 03 2 03 3 0 1 02 o o2 3 02 5 02 7 02 9 03 o o 一p m 弓一 1 51 8 0 2 1 0 2 3 0 2 5 0 2 7 0 2 8 0 焉 2 01 5 01 8 02 o o2 2 02 4 02 5 0 7 2 51 3 01 6 01 8 0 02 0 02 2 02 3 0 由此可见 侧压力计算高度为4 h 纵向侧压力为2 p k 侧 压力平均强度为2 p h 4 h 根据江苏气候特征和护岸加固整修 时间 分别对浇筑温度为1 0 1 5 2 0 2 5o c 平均浇筑速度为0 2 m h o 3 m h 情况下侧压力进行计算 模板侧压力强度计算见表 3 2 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加冈中的应用研究 2 8 表3 2桩板纵向侧压力和平均侧压力强度计算 纵向侧压力平均侧压力强 浇筑浇筑 p 肼 p y 2 p 庸k k n 度 速度温度 k p a m m p 2 k p a 1 02 30 9 5 8 4 4 11 1 5 1 52 10 8 7 5 3 6 8l o 5 o 2 2 01 80 7 5 02 7 o9 o 2 51 60 6 6 72 1 38 o 1 02 51 0 4 25 2 1 1 2 5 1 5 2 30 9 5 84 4 11 1 5 0 3 2 02 00 8 3 33 3 31 0 o 2 51 80 7 5 0 2 7 o9 o 3 1 2 泵送混凝土 泵送混凝土模板最大侧压力按下列二式计算 并取二式中的 较小值e 4 8 1 f 0 2 2 y t 8l 8 2 y 托 f 2 5 h f 一一新浇混凝土对模板的最大侧压力 k n m 2 7 一一混凝土重力密度 k n m 3 t 一一新浇混凝土的初凝时间 h 可按实测确定 v 一一混凝土浇筑速度 m h 3 1 3 2 张海翎 冲沉桩扳在航道驳岸加同巾的应用研究2 9 h 一一混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度 局一一外加剂影响修正系数 不掺外加剂时取1 0 掺具有缓 凝作用的外加剂时取1 2 反一一混凝土坍落度修正系数 当坍落度小于1 0 0 r a m 时 取 1 1 0 不小于1 0 0 m m 取1 1 5 根据本工程特点 混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶 面的总高度h 4 0 m 模板最大侧压力强度 f 2 5 h 1 0 0 k p a 其平均侧压力强度为5 0k p a 小于普通浇注混凝土对模板的侧压 力强度 因此 从偏于安全的角度考虑 以普通浇注混凝土对模 板的侧压力强度为研究依据 但在工程施工中 有条件时应优先 采用泵送混凝土 3 2 桩板总侧压力计算 根据表3 2 计算结果和冲沉桩中心距 计算桩及桩间板所承 受的侧向压力 具体计算见表3 3 表3 3 桩板总侧压力计算 桩板后总侧向压力 冲沉桩的中心距乇纵向侧压力2 p 死 k n m m k n 2 55 2 11 3 0 3 4 4 11 1 0 3 3 6 8 9 2 o 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究 3 3 38 3 3 2 7 06 7 5 2 1 35 3 3 5 2 11 5 6 3 4 4 1 1 3 2 3 3 6 81 1 0 4 3 0 3 3 31 0 0 0 2 7 o8 1 o 2 1 36 3 9 5 2 11 8 2 4 4 4 11 5 4 4 3 6 81 2 8 8 3 5 3 3 31 1 6 6 2 7 09 4 5 2 1 37 4 6 5 2 12 0 8 4 4 4 11 7 6 4 3 6 81 4 7 2 4 o 3 3 31 3 3 2 2 7 o 1 0 8 2 1 38 5 2 5 2 12 3 4 5 4 4 11 9 8 5 3 6 81 6 5 6 4 5 3 3 31 4 9 9 2 7 o 1 2 1 5 2 1 3 9 5 9 3 3 桩的埋深计算 根据桩板受力特点知 桩前被动土压力不小于桩板后总侧向 压力 桩前被动土压力与土质 桩的埋深和桩前面板宽度有关n 盯 墙前被动土压力 髟 考k p b h 2 3 3 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固l i 的应用研究 3 1 b 桩前挡土宽度 h 一桩的埋深 被动土压力系数 k p 留2 4 5 詈 3 4 粉砂土的内摩擦角取2 4 0 计算得到k p 2 3 7 土体采用浮容 重7 9 2 k n m 3 为便于桩间板安装就位 同时改善冲沉桩的稳定 冲沉就位后立刻对桩顶进行锚固处理 限制其变形 从而将冲沉 桩的受力状态由一端固支悬臂结构转化为两端约束的简支结构 其桩前所需被动土压力近似地减小为模板侧压力的一半 桩长所 需埋深也随之减小 考虑安全富裕长度1 0 m 不同桩间距需要桩 的最小埋深计算见表3 4 表3 4 冲沉桩最小埋深计算 模板侧桩前被桩前桩埋深 冲沉桩的中心距f 0 向动档土 m 压力土压力宽度 h 乒可面i 1 0 k n e pk n b m m 1 3 0 36 5 2o 3 5 5 1 1 1 0 35 5 20 3 54 8 9 2 o4 6 00 3 54 5 2 5 8 3 34 1 70 3 5 4 3 6 7 53 3 8o 3 5 4 o 5 3 3 2 6 7 0 3 53 6 3 01 5 6 37 8 2o 3 55 5 1 3 2 36 6 20 3 55 2 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加固中的应用研究3 2 1 1 0 4 5 5 20 3 5 4 8 1 0 0 05 0 0o 3 5 4 6 8 1 04 0 50 3 54 3 6 3 93 20 3 53 9 1 8 2 49 1 20 3 55 9 1 5 4 47 7 2o 3 55 5 1 2 8 86 4 4o 3 55 1 3 5 1 1 6 65 8 30 3 54 9 9 4 54 7 3o 3 54 5 7 4 63 7 3o 3 5 4 1 2 0 8 41 0 4 20 3 56 2 1 7 6 48 8 20 3 55 8 1 4 7 2 7 3 60 3 5 5 4 4 0 1 3 3 26 6 6o 3 55 2 1 0 85 4 oo 3 54 8 8 5 24 2 60 3 54 3 2 3 4 51 1 7 30 3 56 5 1 9 8 59 9 30 3 5 6 1 1 6 5 68 2 80 3 5 5 7 4 5 1 4 9 97 50 3 55 4 1 2 1 56 0 80 3 55 0 9 5 94 80 3 5 4 5 为了便于施工 桩板构件重量控制在2 0 t 以内 混凝土容重 以2 4 k n m 3 计算 图3 1 所示桩的单位重量为2 4 k n m 故单 桩总长不宜超过8 5 m 根据表3 4 计算结果可知 冲沉桩的中心 距不宜超过3 5 m 张海翎 冲沉桩板在航道驳岸加同i 的应用研究3