硬巖地質(zhì)中鋼管樁支架施工技術(shù)探討

耿慶祥

（中鐵北京工程局集團(tuán)第五工程有限公司，杭州 311215）

1 引言

20世紀(jì)50年代中期開始，鋼管樁在國外被大量使用。由于鋼材抗壓、抗拉強(qiáng)度高，材質(zhì)均勻，延性好，加工成鋼管后剛性好，抗彎、抗剪能力強(qiáng)，鋼管樁在我國也得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。鋼管樁作為優(yōu)點(diǎn)十分突出的一種樁型，其綜合效益也相當(dāng)明顯。隨著國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，我國高層、超高層建筑，橋梁等工程中不斷地開始使用鋼管樁作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[4]。本文以金甬鐵路站前工程烏竹溪特大橋12#～13#墩現(xiàn)澆簡支箱梁為例，闡述在硬巖地質(zhì)施工中遇到鋼管樁無法插打，不能保證錨固長度的情況，如何優(yōu)化改進(jìn)施工方案，并解決支架體系的整體穩(wěn)定性的問題。

2 打樁遇到的難題

金甬鐵路站前工程烏竹溪特大橋梁跨越烏竹溪支流，梁高3.3 m，河流與鐵路夾角為110°，河寬為24 m，施工時(shí)正值梅雨季節(jié)，河水深3.5 m，洪水位水深達(dá)5.5 m，梅雨季節(jié)河水流速達(dá)2.5 m/s。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑牡刭|(zhì)情況為：從上到下分別為淤泥質(zhì)土0.5 m；粗圓礫石0.5m 左右，承載力為300 kPa；砂礫巖強(qiáng)風(fēng)化5 m，承載力為350 kPa；砂礫巖弱風(fēng)化，承載力為500 kPa。河水流速過快且河水較深，針對該情況采用SY600HD 打樁機(jī)，采用射水引孔后插打鋼管樁。鋼管支架設(shè)計(jì)情況：支架采用鋼管支撐+貝雷梁支架體系，支架支撐立柱采用4 排φ630 mm×16 mm 鋼管，鋼管頂部橫向布設(shè)2I56b 工字鋼，其上縱橋向設(shè)單層雙片組合貝雷梁承重結(jié)構(gòu)。鋼管支架縱向間距為10 m+15 m+12 m，12#、13#墩承臺上各設(shè)置1 排鋼管支墩，鋼管橫向間距為3.75 m；河中設(shè)置2 排鋼管支墩，單排5 根鋼管，鋼管橫向間距布置為1.6 m+2.35 m+2.35 m+1.6 m，河中兩排鋼管打入河床不少于5 m。按照既定施工方案實(shí)施，打樁機(jī)達(dá)到工作極限，每根鋼管插打時(shí)長達(dá)50 min 以上，鋼管仍無法下沉，插打3 d后鋼管樁僅僅進(jìn)入淤泥層和粗圓礫土土層中，無法滿足工程施工要求。

針對按照原施工方案施工遇到的問題，公司及項(xiàng)目部立即成立科研組，對該問題進(jìn)行研討。首先分析原因，討論豎向承載力和鋼管支架穩(wěn)定性是否滿足。科研組經(jīng)過反復(fù)研究討論確定了方案一：即提高打樁機(jī)機(jī)型，采用振動(dòng)錘最大錘擊力達(dá)到232 t 的APE200-6 液壓振動(dòng)錘進(jìn)行錘樁，其他按照原設(shè)計(jì)方案。確定該施工方案后，現(xiàn)場立即組織人員和機(jī)械進(jìn)行施工，按照方案實(shí)施鋼管樁插打1 d 后仍然無法加深鋼管貫入度?？蒲薪M針對該情況繼續(xù)深化研究討論，本著確保地基承載力能夠滿足要求，同時(shí)增強(qiáng)支架體系穩(wěn)定性的設(shè)想，將支架改為框架結(jié)構(gòu)，通過增強(qiáng)支架自重來提高支架的穩(wěn)定性，大膽確定了方案二：即繼續(xù)利用APE200-6 液壓振動(dòng)錘將鋼管樁打到極限入土深度即可，增加支架平聯(lián)和總聯(lián)，將支架改為框架結(jié)構(gòu)，利用支架自身重力，使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，以抵抗河水的沖刷作用和風(fēng)荷載的影響。對此，施工前需驗(yàn)算方案二在風(fēng)荷載、水流等影響下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是否能夠滿足要求。

3 計(jì)算支架受力情況

原施工方案見圖1，改進(jìn)方案二模型如圖2所示。

圖1 原施工方案

圖2 改進(jìn)方案二模型圖

3.1 鋼管樁強(qiáng)度計(jì)算

通過對12#～13#一跨現(xiàn)澆梁的鋼管樁強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算鋼管強(qiáng)度可得最大組合應(yīng)力為94 MPa（見圖3），由于允許應(yīng)力值為215/1.35=160 MPa，得出該鋼管支架能夠滿足承載力要求，滿足規(guī)范中的強(qiáng)度要求。

圖3 鋼管樁組合應(yīng)力圖

3.2 鋼管樁基礎(chǔ)驗(yàn)算

12#～13#墩跨烏竹溪支流，河底地質(zhì)情況為粗圓礫土（稍密）、砂礫巖（強(qiáng)風(fēng)化）和砂礫巖（弱風(fēng)化），地基基本承載力分別為300 kPa、350 kPa、和500 kPa。

當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定鋼管樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk時(shí)，可按公式（1）計(jì)算[5，6]：

式中，Qsk、Qpk分別為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長；qsik為用靜力觸探比貫入阻力值估算的樁周第i層土的極限側(cè)阻力；li為樁周第i層土的厚度；λp為樁端阻力修正系數(shù)，對于閉口鋼管樁λp=1，對于敞口鋼管樁按照規(guī)范取值；當(dāng)hb/d＜5 時(shí)，λp=0.16；當(dāng)hb/d≥5 時(shí)，λp=0.8，hb為樁端進(jìn)入持力層深度，d為鋼管樁外徑；qpk為樁端附近的靜力觸探比貫入阻力標(biāo)準(zhǔn)值(平均值)；Ap為樁端面積。對于帶隔板的半敞口鋼管樁，應(yīng)以等效直徑de代替d確定。其中，n為樁端隔板分割數(shù)。

在本項(xiàng)目中，鋼管樁直徑630 cm，樁周長1.98 m，樁長取6 m。

Quk=1.98×(160×2.3+160×3+160×0.7)

+0.8×[6 000×3.14×(0.63/2)2]=3 394.6 kN

單樁豎向承載力特征值Ra應(yīng)按（2）式確定：

式中，Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；k為安全系數(shù)，取k=2。

鋼管樁最大樁底反力948 kN＜1 697 kN，滿足要求。

鋼管樁在采用APE200-6 液壓振動(dòng)錘進(jìn)行沉樁后，激振10 min 以后，未見下沉，此時(shí)鋼管樁最小入土深度為1.5 m，不能滿足摩擦樁要求。

按照以往施工經(jīng)驗(yàn)與振動(dòng)錘參數(shù)進(jìn)行對比和穩(wěn)定性計(jì)算，采用APE200-6 液壓振動(dòng)錘進(jìn)行沉樁時(shí)，長時(shí)間震動(dòng)而樁體未見下沉，表明振動(dòng)錘已達(dá)到最大極限，即單樁承載能力到達(dá)232 t≥94.8 t，滿足要求。由上可見，豎向承載力滿足要求。

3.3 支架穩(wěn)定性計(jì)算

3.3.1 風(fēng)荷載

風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz，按規(guī)范查表確定，按B 類，高度按10 m 考慮，取值1.00；風(fēng)荷載體型系數(shù)μs，按規(guī)范計(jì)算得數(shù)值為1.4；基本風(fēng)壓ω0，取為0.8 kN/m2。

風(fēng)荷載ωk=0.7×1.0×1.4×0.8=0.78 kN/m2。

單根鋼管樁風(fēng)荷載：F=0.78×0.63×10=4.91 kN。

作用點(diǎn)離樁頂高度：H=10/3=3.3 m。

單片貝雷片風(fēng)荷載：F=0.78×1.2056（單片貝雷梁截面面積）=4.91 kN，作用點(diǎn)：貝雷片中心。

3.3.2 水流荷載

流水壓力采用式（3）計(jì)算：

式中，K為圓形截面系數(shù)，取0.8；B為阻水寬度，m，此處為0.63 m；γ 為水的重度，kN/m3；H為水深，m，此處為6.57 m；v為流速，m/s，此處為2 m/s；g為重力加速度。

單根鋼管樁所受動(dòng)水壓力：

作用點(diǎn)離水面高度：h=6.57/3=2.19 m。

當(dāng)支架施工完成后，在未澆筑混凝土?xí)r，在受到其他水平荷載（風(fēng)荷載、水流荷載）的情況下，支架的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最為不利[7，8]。

在支架施工完成，未澆筑混凝土情況下，樁底產(chǎn)生小壓力F1=24 kN（混凝土立柱處）、F2=70.7 kN（中間支架處），均不出現(xiàn)拉力，鋼管樁入土深度取最淺入土深度為1.53 m，滿足自穩(wěn)即可（實(shí)際入土部分存在摩擦力，既可提供抗壓也可提供抗拔作用），穩(wěn)定性驗(yàn)算忽略其有利影響。

抗傾覆彎矩M抗=自重×抗傾覆力臂=2 024 kN·m

傾覆彎矩M傾=傾覆荷載×傾覆力臂=575.8 kN·m

注：貝雷片桁架片所受風(fēng)荷載不超過2 片桁架片之和。抗傾覆安全系數(shù)K=抗傾覆彎矩/傾覆彎矩=自重×抗傾覆力臂/（傾覆荷載×傾覆力臂）=M抗/M傾=2024/575.8=3.52＞1.0。

由以上計(jì)算可知，支架整體穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 沉降觀測數(shù)據(jù)分析

從支架預(yù)壓、混凝土澆筑及混凝土澆筑后進(jìn)行觀測得到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析可知支架在預(yù)壓及混凝土澆筑及澆筑后、支架基本沒有位移，滿足支架受力要求。表1 為部分?jǐn)?shù)據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù)。

表1 部分沉降觀測數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)例對硬質(zhì)巖層中鋼管樁施工遇到的插打困難、入土深度不足的問題進(jìn)行了分析，通過對鋼管樁施工支架進(jìn)行優(yōu)化改良，在豎向承載力滿足要求的前提下僅考慮支架整體穩(wěn)定性，通過有限元軟件建模分析驗(yàn)證了支架的承載力和穩(wěn)定性符合相關(guān)規(guī)范及工程要求。實(shí)踐證明，本工程所提出的改進(jìn)方案能有效解決硬質(zhì)巖層中鋼管樁施工的支架承重問題。目前，該工程已經(jīng)施工完畢，施工質(zhì)量滿足施工規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，可為類似工程提供參考。