开口钢管桩竖向承载力机理及计算探讨

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文章编号:() 1003-4722200504-0038-03

桥梁建设 2005年第4期

开口钢管桩竖向承载力机理及计算探讨

李学民1, 伍 军1, 李国亮2, 覃勇刚2

(浙江慈溪3江苏南京2) 1. 中铁四局杭州湾大桥项目经理部, 15300; 2. 东南大学土木学院, 10096

摘 要:由于具有施工、回收方便的优点, 许多临时结构采用打入式开口钢管桩基础, 然而现行桥规并没有关于开口钢管桩竖向承载力计算的规定。结合杭州湾跨海大桥南岸栈桥工程实例, 介绍开口钢管桩的竖向承载机理, 推导了考虑闭塞效应的桩端阻力理论公式, 经过与静载试验结果的比较, 证明该公式是可靠的。

关键词:开口钢管桩; 竖向承载力; 静载试验; 机理; 探讨中图分类号:U 443. 159; T U 473. 11文献标识码:A

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22

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1 概 述

开口钢管桩具有抗冲击、打入容易、回收方便等优点, 在我国首次运用于20世纪70年代中期的某

1]

石化码头的建设上[。随后, 开口钢管桩又被成功

2]

建成后将是世界最长的栈桥[。栈桥所处地区k m , 土质差、冲刷严重、环境恶劣。工程的特点要求桩在

保证承载力的同时易打入、易回收, 因而选用打入式开口钢管桩。开口钢管桩不同于闭口桩, 其挤土效应小于闭口桩, 管内土芯的闭塞效应形成机理较复杂, 而现行桥规在这方面没有规定。

为了确保杭州湾大桥南岸栈桥的安全, 本文研究了开口钢管桩的竖向承载机理, 推导出考虑闭塞

地应用于浦口桥墩、上海宝钢等工程。近年来, 随着我国钢材产量的增加以及人们对其工作性能认识的提高, 开口钢管桩得到了越来越广泛的应用。

杭州湾跨海大桥南岸的施工栈桥全长9. 78

收稿日期:2004-07-15

作者简介:李学民(, 男, 高级工程师, 1965-) 1987年毕业于上海铁道学院铁道工程专业。

开口钢管桩竖向承载力机理及计算探讨 李学民, 伍 军, 李国亮,

覃勇刚39

效应的桩端阻力计算公式, 并与静载试验相互校验、分析。

2 开口钢管桩竖向荷载下的承载机理

对于开口钢管桩, 土对其支承能力主要由两部分组成:桩外侧阻力以及桩内侧阻力。虽然它们本质上都是桩壁与土之间的摩擦力以及粘结力, 但是为了与闭口桩一致, 习惯上常将桩外侧阻力称为桩

3]

。侧阻力, 而将桩内侧阻力称为桩端阻力[

根据竖向力的平衡关系, 有:

(A +3U d A =p v x p +d p ) p i i 11++

() 1U d x +4A d x +C i i 11++

) ; 式中, k P a U 为管p 为计算深度处的垂直压应力(

2

的内径周长(; ) ; m ) m A 为管的内径横截面积(C i +1

为第i ) ; +1层土的单位面积粘聚力(k P a 4i +1为第i

3) ; /+1层土的容重(k N m +1层土与钢i +1为第i 3管内壁的摩擦系数, 取值1; v +1层土的侧i +1为第i 压力系数, 取值1。

对式() 进行积分, 并考虑边界条件, 经整理得:1

在打入过程中, 一部分土体被挤向桩的四周, 另一部分土体涌入管内形成土芯。在桩向四周挤土的过程中, 土与桩的外壁接触更为紧密, 其法向应力更大, 桩侧阻力也更大, 这种效应称之为“挤土效

应”[4]

。由于开口桩中存在土芯, 其排土量小于闭口

桩, 其挤土效应不如闭口桩, 因而必须考虑挤土效应降低对桩侧阻力的折减。涌入管内的土芯与桩内壁之间存在摩擦力和粘聚力, 当大于或等于按闭口桩计算时的桩端阻力时, 土芯所起的作用相当于一个塞子, 这种效应称之为“土塞效应”, 此时桩的受力等同于闭口桩, 称之为“完全闭塞”, 反之为“不完全闭塞”。

在竖向荷载作用下, 由于桩底土和桩本身的压缩, 桩与土体将发生相对位移, 从而导致桩侧阻力的产生。荷载在向下传递的过程中, 必须不断克服桩侧阻力, 因而荷载随着深度是递减的。桩侧阻力在相对位移不大时便产生, 且往往在不到20m m 的相对位移时便得到充分发挥。

开口钢管桩考虑闭塞效应的桩端阻力理论公式

引入假设:①土芯与桩内壁之间完全接触; ②土芯在竖直方向可以有分层, 但每层内部为匀质、其力学参数处处相等。

在第i +1层土中,

距该层上端x 处取一厚度为x 的微元体,

其受力示意见图1。图1 微元体受力示意

23p v i +

1=(p i +S i +

1) r i +

1-S i +

1(2

) h i +1=1. 22L i +

1

(3) 式中, p i +

1、p i 分别为第i +1、i 层土下端的垂直压应力, 当大于该处土的极限承载力, R 时, 取, R ; S i +1为综合反映土层力学特性的一个参数, S i +

1=C i +1i +

1r 23

; r 为钢管桩内半径; h i +

1为第i i +1v i +1+1层土的厚度, 按式(3) 计算[5]

; L i +

1为钢管桩位于第i +1层土中的长度。

根据式(2) 、式(3) , 由上至下计算出各层土下端的垂直压应力p i , 直至最下层土的p n 。钢管桩的桩端阻力Q b 等于土芯对桩内壁的总作用力减去土芯自重, 即:

n

Q b =p n -A Σ4

i h i

(4

) i =1

当Q b

表明土芯与内壁的作用力不足以抵抗土芯自重, 此时取Q b =0。实际情况中, 土层的承载力肯定大于其上土层的自重, 因而Q b 必大于0。之所以发生“Q b

1等参数取得不准确造成, 不过, 此时实际的Q b 虽然大于0, 但一般不会太大, 可近似认为0。

钢管桩的半径对其承载力有着很大的影响。根据式(2) , 桩径r 位于指数的分母项上, 因而r 越小, 桩端阻力越大, 土塞效应越明显。当r 小于某一临界值时, 桩端完全闭塞, 开口桩可按闭口桩计算其竖向承载力。《港口工程桩基规范》也有类似结论:$

若其进入持力层深度大于5倍桩径, 则可按闭口桩考虑。

关于开口钢管桩的桩侧阻力, 一般是按照闭口桩计算, 然后乘以系数以考虑挤土效应, 具体可参照《建筑桩基技术规范》(J G J 94-94) (下文简称《建筑桩规》) 及文献[3]有关公式、说明。桩的总的竖向承载力等于桩侧阻力加桩端阻力。

3d 26

40

4 静载试验4. 1 试验介绍

鉴于杭州湾栈桥的重要性, 选取3根桩作为试桩:600m m , 800m m , Ⅱ号试桩为$ⅢⅠ号试桩为$号试桩为$壁厚都为1600m m , 0m m 。试验采用锚桩作反力支架, 大吨位千斤顶作加载装置, 利用现有工程桩作量测基准点, 见图2。加载之前, 将预测的极限承载力等分为1逐级加载, 卸载时每级卸0级, 载值取每级加载值的2倍。每级加载后, 隔5, 10, 以后每隔1直至沉降15m i n 读沉降, 5m i n 读1次, 桥梁建设 2005年第4期

限承载力, 用上文推导的理论解法计算桩端阻力, 同静载试验结果比较见表1。

表1 建筑桩规公式解、理论解与静载试验结果

试桩号ⅠⅡⅢ

公式解

[1**********]

228212137

[1**********]

理论解5711941

k N

静载试验720103500>8

桩侧阻力桩端阻力极限承载力桩端阻力极限承载力

建筑桩规公式计算的 由表1的数据可以看出:

结果偏大, 理论解的桩端阻力小于建筑桩规公式结果, 分析原因为:

稳定。

图2 钢管桩试桩试验加载及测量装置

当出现如下任意一种情况时, 认为达到极限状态, 终止加载:①本级荷载下的沉降量达到前一级的5倍; ②本级荷载下的沉降量达到前一级的2倍且24h 内未达到稳定; ③桩顶总沉降量达80m m ; ④桩顶总沉降量达40m m 且继续增两级仍无陡降段。

Ⅰ号桩试验于2003年12月10日顺利完成; Ⅱ

号桩试验于2004年1月15日顺利完成; Ⅲ号桩试验于2004年5月7日开始, 但由于客观原因未能将承载力做到下降段。

. 2 试验结果及分析

根据试验结果, 绘出3根试桩的P 1S 曲线, 见图3。

图3 试桩D ! K 曲线

取P 1S 曲线发生陡降的起始点对应的P 为钢管桩的竖向极限承载力标准值。Ⅰ号试桩的竖向极限承载力标准值为720k N , Ⅱ号试桩为10

35k N , 而Ⅲ号试桩的极限承载力无法判断, 但大于800k N 。

采用建筑桩规公式计算桩侧阻力、桩端阻力、极

(1

)《建筑桩规》公式考虑的是在陆地施工, 而本工程是在有水环境中沉桩。沉桩过程中, 由于左右摆动, 桩、土之间将存在空隙, 而水将填充这些空隙、润滑桩土界面, 从而降低桩、土之间的粘聚力、摩擦力, 因而建筑桩规的结果偏大。

(2) 在本文的理论解中, p n 的取值不能大于

R ,

还要去除土芯自重, 因而其结果一般都小于建筑桩规公式结果。

结 论

(1) 现行建筑桩规关于开口钢管桩竖向极限承载力的公式用于本工程中, 计算结果偏大, 其原因在于陆地环境与海洋环境的不同。建筑桩规公式可能并不适用于有水环境中的钢管桩。

(2

) 本文推导的理论公式概念清晰, 易于理解, 但将其直接应用于工程仍有待时日。首先, 理论解的参数较多, 而有些参数, 如摩擦系数3、侧压力系数v 等,

难以准确地取值, 凭借经验给定的参数值必将造成一定误差。其次, 土芯上部的土体扰动严重, 其力学性能大大降低, 文献[6]建议仅考虑桩底以上0倍桩径的土芯作用, 在有水环境中, 这种降低更为明显。另外, 土芯最下端的垂直压应力p n 不可能无限增大, 它必有一个上限, 本文规定这个上限为桩端极限承载力, R , 这条规定有待商榷。最后, 理论解假设桩、土在其界面上充分接触, 而实际上其接触情况是很复杂的, 不可能完全接触。因而, 本文的理论解提供了一个从概念上理解桩端阻力的方法, 但它仍不够完善, 有待进一步研究。

(3

) 目前, 开口钢管桩的使用日益广泛, 而现行桥规中无此方面的设计方法及相关条文规定, 这给设计造成了一定的盲目性, 也不利用开口钢管桩的推广。建议有关部门重视该方面的理论研究, 结合各种工程情况下的试验数据, 拟合出满足工程精度

(下转第54页)

, 451

54

拉索桥面固定端索头进入索导管, 直至锚头从钢梁内索导管底端穿出。穿出后立即将斜拉索锚固螺母旋在索头中部, 放开约束牵引钢丝绳滑轮组, 完成桥

3]

(见图8) 。面固定端斜拉索安装[

桥梁建设 2005年第4

期

3 总 结

该桥打破常规斜拉桥挂索施工方法, 采用了“反牵引”施工工艺。即:先安装塔柱斜拉索张拉端, 后安装桥面斜拉索固定端, 再进行斜拉索张拉的施工方法。整个挂索安装的最大牵引力牵引过程始终处于桥面可视、易操作施工面, 方便了大吨位牵引设备的安装使用, 并将大吨位高空牵引斜拉索这一复杂的施工作业变为桥面常规牵引施工作业, 加大了施工的可操作性及施工安全性。

同时可移动式放索转盘使斜拉索索盘吊到桥面后, 直接方便整体移动, 当转盘位置不合适时, 无须采用吊装及运输设备二次运索。索盘在塔根部放索, 角度容易控制, 减少了起吊索与其他已安装完成的斜拉索的摩擦和碰撞, 可以减少对P E 护套的损伤。并且可移动式放索转盘使得挂索施工与放索施工可同时进行, 减少了施工工序、节约了时间、缩短

图8 挂索安装示意

了工期。

2. 3 斜拉索张拉

斜拉索的固定端及张拉端安装完毕后, 即可进行斜拉索的张拉工作。在塔柱内转换硬张拉杆, 按

4]

。软牵引张施工监控数据分级将斜拉索张拉到位[

参 考 文 献:

[]人民交通出版1M ]. 北京: 向中富. 桥梁施工控制技术[

社, 2001.

[]何雨微, 汤立志. 斜拉桥索塔劲性骨架在施工2 陈光新,

中的多种功能[]公路交通科技, , () :J . 200320673-75. []人民交通3M ]. 北京: 李自光. 桥梁施工成套机械设备[

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[]程序设计、施工监控[4M ]. 张海龙. 桥梁的结构分析、

北京:中国建筑工业出版社, 2003.

拉时, 则先张拉加长端钢绞线, 重复操作送油、回油过程, 并在过程中控制钢绞线受力一致, 确保受力均匀(用小千斤顶单抽补强) 。张拉端索头露出锚垫板后, 立即旋上斜拉索锚固螺母(不小于四扣) , 转换硬张拉杆, 按施工监控数据分级将斜拉索张拉到位。拆除索夹等临时施工设备, 进行下步施工。

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(上接第40页) 要求且物理概念明显的计算公式。

桥安全论证报告[R ]. 2004.

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