叉桩在船闸引航道支护工程中的适用性分析.pdf

第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ，收稿日期：?作者简介：牛继业（），男，硕士，工程师，从事船闸水工结构设计。文章编号：?（）?叉桩在船闸引航道支护工程中的适用性分析牛继业，匡涛，张景瑞，刘双名（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 ）摘要：在船闸改扩建工程中，引航道往往紧邻河堤，受地形条件的约束大，无放坡开挖条件，常常采用双排桩垂直支护。在大支护深度时，为了更好地抵抗水平土压力，减小桩顶位移，考虑采用叉桩支护。分析叉桩夹角（）对桩身受力的影响，基于 进行有限元计算，得出不同工况下的桩身变形和桩身弯矩。结果表明，随着夹角增大，桩身弯矩与变形逐渐减小，但开挖边线距引航道边线也越来越远。综合考虑两者的影响，夹角 为叉桩抵抗水平力的最优角度。关键词：引航道支护；叉桩；夹角；弯矩；变形中图分类号：文献标志码：引言随着内河水运的发展，航道扩能升级工程增多，新建船闸常常紧邻原一线、二线船闸，场地狭窄，导致引航道的布置受限，基本无放坡开挖施工条件，不得不采用排桩支护 。如大源渡二线船闸船闸轴线距一线船闸 ，其上下游辅导航墙施工时为了不影响一线船闸导航墙稳定，采用双排桩支护，并将其作为导航墙的基础变成永久结构 ，支护深度最大约 。新建艳洲枢纽船闸下游引航道边线离堤顶只有 ，为避免开挖堤脚，采用双排桩支护，支护深度 。双排桩在挡土时主要抵抗土的水平压力，为了提高双排桩的抗变形能力，可使 根桩呈某一夹角形成叉桩，桩顶用冠梁连接形成整体。叉桩主要应用于港口工程中，可有效减少船舶撞击力下码头的横向位移 ，在船闸引航道的支护中较少应用，本文基于 建立叉桩的有限元模型，通过分析不同叉桩夹角对桩身受力的影响，提出船闸引航道支护叉桩的最优夹角。工程概况某船闸引航道采用双排桩支护，原始地面线约为 ，施工水位 ，桩顶高程 ，支护深度 ，桩径 ，桩间距 ，排距 ，入土深度 ，持力层为含块石卵石，总 桩 长 ，冠 梁 厚 度 ，宽 度 ，为防止前排桩桩间土流失，桩间采用高压旋喷注浆。为优化双排桩受力，同时减小桩顶位移，考虑一种叉桩支护方案，叉桩桩径、桩长、桩间距、桩顶排距、冠梁均相同，种支护方式如图所示。双排桩冠梁前沿线即为引航道边线，而叉桩由于前排桩倾斜，引航道边线位于冠梁前面，且随着夹角的增加，离冠梁前沿越远，开挖坡脚线越靠近堤顶。地质条件引航道支护桩区域主要分布地层为第四系冲洪积的卵石、圆砾及含块石卵石。其中：卵石层饱和中密 密实，局部河床区域表层松散 稍密，含漂（块）石、砾石和砂，局部夹黏性土或粉砂透镜体。卵石粒径一般 ，含量为 ，磨圆度好，亚圆状、扁圆状，不均匀含有漂（块）石，砾石含量约占 ，级配差，含少量黏性土。圆砾层中密 密实，含卵石和砂，局部夹黏性土或粉砂透镜体。砾石粒径一般 ，含量为 ，磨圆度好，亚圆状、扁圆状，砂质成分含量较高，含量为 ，含少量黏期牛继业，等：叉桩在船闸引航道支护工程中的适用性分析图 不同夹角的支护桩对比（单位：）性土。含块石卵石层中密 密实，含大量漂石、块石和砾石、砂。卵石粒径一般 ，含量为 ，磨圆度好，亚圆状、扁圆状；漂、块石母岩成分为石英砂岩，垂直向块径一般 ，含量为 。各岩土层物理学参数见表 。表 岩土层物理力学参数编号地层岩性压缩模量 黏聚力（）内摩擦角 （）桩基极限侧阻力标准值 桩基极限端阻力标准值 粉质黏土 卵石 圆砾 含块石卵石 叉桩的有限元模型简介根据 建筑基坑支护技术规程（），基于 建立叉桩平面刚架结构有限元模型，桩基础接触地层为卵石层，包含圆砾及含块石卵石。受水平力作用时，桩顶发生位移，桩基类型为弹性长桩，选用 单元模拟桩基。冠梁长细比为 ，可选用 单元模拟冠梁。因前排桩土反力与土体压缩的水平位移、桩间土压力与前后排水平位移的差值均成线性正比，符合弹簧变形的特性，选用 单元模拟桩间土弹簧及前排桩反力弹簧，其中、分别为弹簧常数。桩端持力层为含块石卵石层，极限端阻力标准值 ，桩端可视为铰接，沿轴向无位移，但可自由转动。叉桩夹角从 ，每次递增 ，共建立 个不同的模型。后排桩按式（）、式（）施加主动土压力，前排桩按式（）、式（）施加反力，桩间土压力按式（）、式（）计算，叉桩弯矩按式（）计算。，槡（），()（）式中：为后排桩第 层土计算点的主动土压力强度标准值；为后排桩计算点的土中竖向应力标准值；，为第 层土的主动土压力系数；、分别为第 层的黏聚力、内摩擦角，按表 土层取值。（）（）（）式中：为分布土反力；为土的水平反力系数；为挡土构件在分布土反力计算点使土体压缩的水平位移；为初始分布土反力；为土的水平反力系数的比例系数；为计算点距地面的深度；计算工况下的基坑开挖深度。湖南交通科技 卷 （）（）式中：为桩间土对桩侧的压力；为桩间土的水平刚度系数；为前后排桩水平位移的差值；为桩间土对桩侧的初始压力；为计算深度处，前后排桩间土的压缩模量；为双排桩的排距；为桩的直径，取 。式中：为叉桩混凝土的弹性模量，叉桩混凝土为 砼，取 ；为截面惯性矩，桩基 ，冠梁 ，；为叉桩桩基与冠梁的曲率半径。叉桩的计算模型如图 所示。图 叉桩计算模型图 为在不同夹角下叉桩有限元模型的弯矩。（）（）（）图 不同夹角下的叉桩弯矩图（单位：）叉桩的计算结果分析叉桩的桩径、冠梁的尺寸和混凝土的标号等都会改变叉桩的刚度，影响前后排桩以及冠梁的受力。为了分析出叉桩的最优夹角，对叉桩 种计算工况取相同的桩径、冠梁尺度及材料的物理力学参数，分别计算出不同的桩身弯矩、位移及剪力。桩身弯矩基于 对叉桩的 个模型进行计算，分别统计土压力水平分力与冠梁、前排桩、后排桩的最大弯矩，其结果如表 所示。由表 可见，随着叉桩夹角增大，作用在叉桩上的土压力水平分力也在增大，但冠梁、前排桩、后排桩的弯矩逐渐减小。在叉桩夹角从 增大 的过程中，冠梁弯矩减少 ，为 ，前排桩变矩减少 ，为 ，后排桩弯矩减少 ，为 ，结果表明叉桩夹角增大，前后表 叉桩水平土压力、最大弯矩计算结果夹角（）水平土压力 最大弯距（）冠梁前排桩后排桩 排桩桩底距离增加，桩底反力与桩身摩阻力产生的弯矩增加，有效减小了桩身弯矩，有着很好的抵抗水平力作用。计算结果同时指出前排桩弯矩最大，其次为后排桩与冠梁，为前后排桩的差异性设计提期牛继业，等：叉桩在船闸引航道支护工程中的适用性分析拱了依据。在叉桩夹角增大的过程中，前后排桩的弯矩差越来越小。叉桩位移叉桩的位移计算结果如表 所示，随着叉桩夹角增大，由于叉桩的冠梁、前排桩、后排桩桩身弯矩逐渐变小，叉桩的桩顶位移由 减小至 ，且减小速度基本不变，可见叉桩对减少水平土压力引起的桩身变形有较好的效果。船闸施工时先浇筑引航道叉桩，待叉桩达到设计强度时，再进行引航道开挖。因此桩身变形过大，在开挖过程中桩身弯曲会引起引航道后的河堤出现裂缝，对河堤的稳定及防渗造成不利影响。为了防止叉桩变形影响河堤安全，桩身位移应控制在 以内，因此叉桩夹角不应小于 。表 以下夹角时叉桩位移计算结果 桩身剪力叉桩的剪力计算结果如表 所示，前排桩剪力值最大，约为后排桩的 倍。随着叉桩夹角增大，冠梁的剪力明显减小，从 变化到 ，剪力值减小 ，下降 ；前排桩与后排桩的剪力减小幅度小于冠梁，前排桩减不 ，下降 ，后排桩减小 ，下降 。可见叉桩的夹角增加对减少桩身剪力没有明显效果。表 叉桩剪力计算结果夹角（）冠梁剪力 前排桩剪力 后排桩剪力 考虑扩大系数的叉桩受力分析相比于双排桩，叉桩能够有效减小桩身与冠梁的弯矩、位移及剪力，有更好的抵抗水平力效果，但随着叉桩夹角增大，引航道边线距开挖边线也越来越远。例如：夹角为 时，引航道边线距开挖边线为 ；夹角为 时，引航道边线距开挖边线为 。对于某些紧临河堤、场地受限的引航道，在考虑增大叉桩夹角减小桩身受力的同时，还要考虑减少引航道边线后的开挖距离，以保证河堤的稳定。对于某一夹角的叉桩，可将引航道边线后的开挖距离这一不利因素作为叉桩弯矩与位移的扩大系数，绘制出叉桩夹角从 增大 的过程中，考虑扩大系数后的叉桩弯矩、位移过程曲线，如图 、图 所示。以图可以看出，叉桩夹角 时，叉桩的弯矩与位移迅速上升；夹角 时，叉桩的弯矩与位移趋于平缓，增加速度减慢。说明叉桩夹角 时，叉桩的扩大系数急速增加，叉桩夹角 时，叉桩扩大系数增加速度与弯矩、图 考虑扩大系数后的叉桩弯矩图 考虑扩大系数后的叉桩位移湖南交通科技 卷位移减小速度基本持平。因此，为了减少开挖距离，同时考虑降低桩身弯矩与变形，选择 为叉桩的最优夹角。结论叉桩适用于黏土、砂卵石等土质，桩基为柔性桩，桩身变形后通过挤压桩间土传递土压力，使前后排桩及冠梁均承受弯矩，才能有效抵抗水平力。）叉桩具有良好的抵抗水平土压力作用，随着夹角增大，叉桩的桩身弯矩、位移、剪力均变小，为船闸引航道开挖提供了一种新的支护形式。）不同夹角下叉桩前排桩弯矩约是后排桩的 倍，剪力约是后排桩的 倍。研究为前后排桩配筋、桩间距、直径等差异化设计提供了依据。）叉桩夹角从 的变化过程中，考虑扩大系数后的桩身弯矩、位移，其夹角为 时达到最大。为降低开挖距离对河堤稳定的影响，选择夹角 为叉桩设计时的最优角度。参考文献：王昆 深基坑双排桩支护技术在某船闸工程中的应用 水运工程，（）：欧孝夺，白露，江杰，等 圆砾地层中深基坑双排桩支护结构受力变形计算分析 公路工程，（）：温祥虎，叶四桥，毛晓光 悬臂式双排桩与承台式双排桩的对比研究 公路工程，（）：樊思俊，李卓，李繁，等 抛填石层超深基坑咬合桩结构参数优化研究 交通科学与工程，（）：，王思，张永杰，程鑫，等 大直径超长桩承载性状影响研究 交通科学与工程，（）：王定，刘学著，吴米玲，等 胸墙式双排桩结构在扩建船闸工程中的应用 水运工程，（）：余全华，孙世伟，周远方 叉桩和平联撑在高桩码头中抵抗水平力作用分析 水运工程，（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页）季俊，张其林，杨晖柱，等 高层钢结构 软件研发及在上海中心工程中的应用 东南大学学报（自然科学版），（）：白庶，张艳坤，韩凤，等 技术在装配式建筑中的应用价值分析 建筑经济，（）：汪荃，张玉峰 建筑信息模型（）在电力工程造价中的应用浅析 武汉大学学报（工学版），（）：姜天凌，李芳芳，苏杰，等 在市政综合管廊设计中的应用 中国给水排水，（）：傅战工，郭衡，张锐，等 技术在常泰长江大桥主航道桥设计阶段的应用 桥梁建设，（）：刘文平，郭红领，任剑波，等 在 公路工程中的应用模式研究 建筑经济，（）：张文胜，吴强，祁平利，等 与 的集成技术及在铁路桥梁施工中的应用 中国铁道科学，（）：，：，（）张建平，余芳强，赵文忠，等 技术在邢汾高速公路工程建设中的研究和应用 施工技术，（）：，（）：李晓军，田吟雪，唐立，等 山岭隧道结构 多尺度建模与自适应拼接方法及工程应用 中国公路学报，（）：华昕若 技术在高速公路跨线桥施工安全管理中的应用研究 公路工程，（）：李明博，蒋雅君，刘小俊，等 技术在运营隧道病害检测结果三维可视化中的应用 中外公路，（）：陈浩，沈艳松，郑慧捷 在高速公路智慧隧道监控平台的应用研究 公路，（）：马汝杰，夏建平，徐润，等 技术在改扩建公路桥梁勘察设计中的应用研究 公路，（）：崔小芳 基于 的高速公路桥梁养护综合管理技术研究 公路工程，（）：李茜，李莹 基于 的公路工程全生命周期综合造价精细化管理研究 公路工程，（）：赵强 技术在智慧城市“数字孪生”建设中的应用 智能建筑与智慧城市，（）：张志伟，曹伍富，苑露莎，等 基于 智慧工地平台的桩基施工进度管理方式 城市轨道交通研究，（）：