鋼管樁的創(chuàng)新應(yīng)用

何 雋

（江南大學(xué),江蘇 無錫 214122）

鋼管樁的創(chuàng)新應(yīng)用

何 雋

（江南大學(xué),江蘇 無錫 214122）

鋼管樁因其強度高、加工制作方便、可焊接切割成任意長度、打設(shè)方便、可多次周轉(zhuǎn)使用等特點，在基礎(chǔ)工程、基坑工程、大型水上（海上）作業(yè)平臺、支架工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在廣東肇慶新區(qū)，為某斜拉橋施工而修建鋼便橋時，創(chuàng)新使用鋼管樁，設(shè)計鋼管樁橋臺，實現(xiàn)了鋼便橋的快速、綠色、更低造價施工，為類似工程提供參考。

鋼管樁；創(chuàng)新；應(yīng)用

0 引言

鋼管樁承載力較高、施工工藝簡單、施工速度快、材料可多次周轉(zhuǎn)使用，樁與樁之間連接方式簡單，穩(wěn)定性較好，施工費用低。在施工技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

（1）基礎(chǔ)工程。寶鋼的廠房和設(shè)備基礎(chǔ)采用鋼管樁基礎(chǔ)，寶鋼一、二、三期工程共使用鋼管樁34萬t[1]。寶鋼指揮部會同寶鋼二十冶分指揮部和建筑研究總院共同編制了冶金工業(yè)部《鋼管樁施工技術(shù)規(guī)程》（YBJ 233-91）。

（2）基坑工程。鋼管樁、鎖扣鋼管樁、微型鋼管樁在基坑支護工程中應(yīng)用廣泛。微型鋼管樁基坑支護在場地狹小的條件下施工更有優(yōu)勢。

（3）大型水上（海上）作業(yè)平臺。杭州灣等跨海大橋?qū)ｉT制定了適用于跨海大橋工程鋼管樁加工制作、防護，以及沉樁施工過程，作為對鋼管樁制作加工及沉樁施工的基本技術(shù)依據(jù)和技術(shù)要求的施工技術(shù)規(guī)程。

杭州灣跨海大橋水中區(qū)引橋長達18.27 km，采用大直徑、超長鋼管樁基礎(chǔ)。鋼管樁樁徑采用1.5 m和1.6 m兩種規(guī)格，樁長71～89 m，最大樁重74 t，總樁數(shù)5 474根，總用鋼量37萬t，其樁長、樁徑、樁重、樁數(shù)均為國內(nèi)鋼管樁工程之最[2]。

（4）支架工程。在橋梁施工中，鋼箱梁等的安裝、現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁墩梁式等都普遍使用鋼管樁支架。

1 工程背景

肇慶新區(qū)位于廣東省肇慶市，地處鼎湖區(qū)中部，東鄰肇慶國家高新區(qū)和佛山市三水區(qū)，南靠高要市，西倚端州區(qū)，北接四會市，是肇慶市各功能區(qū)緊密連接的主要紐帶，是珠三角聯(lián)通大西南各省區(qū)的重要交通節(jié)點，是珠江西岸正在崛起的具有較大開發(fā)潛力和支撐引領(lǐng)作用的新興增長極。2016年起，肇慶新區(qū)建設(shè)進入快速期，項目不斷鋪開，參戰(zhàn)單位有中國中鐵、中國建筑、上海建工、中冶、太平洋建設(shè)、中天建設(shè)、浙江萬里等，國道321（中鐵一局，快速化改造）及周邊道路將日趨擁堵。

肇慶新區(qū)某大橋主橋為（60 m+100 m）密索體系獨塔斜拉橋，跨越河道上口寬187.6 m。為了打通河道南北兩岸的交通，避開國道321及周邊道路對橋梁施工的影響，混凝土車等車輛將直接通過施工便道到橋梁的各個墩臺位置，造就一個暢通的施工路徑，需修建一座跨河鋼便橋。

鋼便橋采用上承式結(jié)構(gòu)，長為216 m。鋼便橋基本跨為12.0 m，橋面寬為6 m（雙車道）。鋼便橋下部橋墩結(jié)構(gòu)采用2Φ630×10 mm鋼管樁（摩擦樁），鋼管樁縱橫向平連、剪刀撐采用[20槽鋼，鋼便橋下部結(jié)構(gòu)橫梁采用雙拼I40 a工字鋼。鋼便橋上部結(jié)構(gòu)主桁架采用321型裝配式公路桁架，鋼便橋縱向設(shè)置8道桁架片，橋面系橫向分配梁采用I20b型工字鋼，間距30 cm布置，其上滿鋪10 mm厚鋼板做橋面板。鋼便橋由大橋橋梁工程專業(yè)分包方自行設(shè)計，總包方、監(jiān)理方審核批準(zhǔn)后實施。

2 橋臺結(jié)構(gòu)選擇

橋臺，位于橋梁兩端，支承橋梁上部結(jié)構(gòu)并和路堤相銜接的建筑物。其功能除傳遞橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載到基礎(chǔ)外，還具有抵擋臺后的填土壓力、穩(wěn)定橋頭路基、使橋頭線路和橋上線路能達到可靠而平穩(wěn)的連接作用。橋臺一般是石砌或素混凝土結(jié)構(gòu)，輕型橋臺則采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橋臺一般包括基礎(chǔ)、蓋梁、背墻、側(cè)墻等。橋臺具有多種形式，主要分為重力式橋臺、輕型橋臺、框架式橋臺、組合式橋臺、承拉橋臺等。

2.1 鋼筋混凝土橋臺

按常規(guī)設(shè)計，首先設(shè)計出鋼筋混凝土橋臺，其立面、平面圖（其他結(jié)構(gòu)圖略）見圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土橋臺立面、平面圖

鋼筋混凝土橋臺一般分2～3次施工：第一次基礎(chǔ)，第二次背墻、側(cè)墻、支承墊石，第三次支座墊石。

鋼便橋施工隊伍的專業(yè)化細分程度比較高，其主要作業(yè)為鋼管樁打設(shè)（吊車配合振動錘）、安裝（鋼管樁接長、鋼構(gòu)件加工安裝），作業(yè)工種以安裝人員為主，沒有土建施工人員即沒有橋臺施工所需要的鋼筋、模板、混凝土等施工人員。鋼便橋施工隊伍不承擔(dān)混凝土橋臺的施工。

施工前期，往往工程重點放在臨時設(shè)施上，專業(yè)工種人員要在工地具備一定條件后，才陸續(xù)進場，否則，就有可能形成鋼便橋施工隊伍進場后，鋼筋混凝土橋臺還沒施工好的尷尬局面。

該工程鋼便橋施工隊伍在廣州，一天內(nèi)隊伍可以進場施工，在土建施工人員沒有進場施工，鋼筋混凝土橋臺無法施工，為了樹形象，盡快使鋼便橋施工動起來，只得在橋臺結(jié)構(gòu)上想辦法。

2.2 鋼管樁橋臺

鋼管柱在橋梁工程施工中有比較廣泛的應(yīng)用。

（1）水上（海上）作業(yè)平臺。鉆孔樁等作業(yè)平臺、混凝土制備平臺等。

（2）墩梁式支架（少支架）。作為鋼結(jié)構(gòu)安裝支架平臺、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁現(xiàn)澆梁澆筑支架。

無論上平臺還是支架鋼管樁，主要利用鋼管樁的豎向承載力（樁端承載力和樁側(cè)承載力）或豎向承載力遠遠大于水平向承載力。

橋臺不僅要承受豎向力，也要抵擋臺后的填土壓力（即水平力）。

從碼頭、橋閘及基坑開挖等工程中，采用的板樁來擋御板樁后的填土得到啟發(fā)，可以利用鋼管擋土樁橋臺來抵擋臺后的填土壓力，即依靠鋼管樁自身的剛度和強度抵抗土體水平推力、減小土體及鋼管樁自身的水平位移來設(shè)計鋼管樁橋臺。

鋼管樁橋臺中鋼管擋土樁因其擋土高度2.6 m，采用施工簡單、完全依靠打入足夠深度來保證其穩(wěn)定性的懸臂式。設(shè)計的鋼管擋土樁橋臺，其立面、平面圖見圖2所示。

圖2 鋼管擋土樁橋臺立面、平面圖

鋼管樁、鋼板均是鋼便橋橋墩、橋面使用的通用材料，無需另外配備。

為加大鋼管擋土樁的抗彎剛度，采取對鋼管樁內(nèi)灌砂（水密法）。

3 鋼管樁橋臺的受力計算

鋼管擋土樁橋臺的擋土樁與基坑工程懸臂式板樁的受力情形還略有區(qū)別：鋼管擋土樁橋臺的擋土樁是先開挖后打樁再填土受力，基坑工程懸臂式板樁是先打樁后開挖受力。但其受力形式一致。

3.1 荷載

（1）作用在板樁上的土側(cè)壓力。與土的內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c和重度γ有關(guān)，其值應(yīng)由工程地質(zhì)勘察報告提供，如經(jīng)坑內(nèi)打樁、降水后，土質(zhì)有擠密、固結(jié)或擾動情況，φ、c、γ值應(yīng)作調(diào)整，應(yīng)再進行二次勘察測定，如涂層不同時，應(yīng)分層計算土側(cè)壓力，對于不降水的一側(cè)，應(yīng)分別計算地下水位以下的土和水對板樁的側(cè)壓力。

（2）地面荷載包括靜載和活載。按實際情況折算成均布荷載計算。

3.2 鋼管擋土樁計算

鋼管擋土樁的計算可參考懸臂式板樁的計算。其計算簡圖見圖3所示。

圖3 鋼管擋土樁計算簡圖

懸臂式板樁的入土深度和最大彎矩的計算，步驟如下[3]：

（1）試算確定埋入深度t1：先假定埋入深度t1，然后將凈主動土壓力acd和凈被動土壓力def對e點取力矩，要求由def產(chǎn)生的抵抗力矩大于由acd所產(chǎn)生的傾覆力矩的2倍，即防傾覆的安全系數(shù)不小于2。

（2）確定實際所需深度t：將通過試算求得的t1增加15%，以確保板樁的穩(wěn)定。

（3）求入土深度t2處剪力為零的點g：通過試算求得g點，該點凈主動土壓力acd應(yīng)等于凈被動土壓力def。

（4）計算最大彎矩：此值等于acd和dgh繞g點的力矩之差值。

（5）選擇板樁截面：根據(jù)求得的最大彎矩和板樁材料的容許應(yīng)力，即可選擇板樁的截面、型號。

4 結(jié)語

肇慶新區(qū)某大橋工程創(chuàng)新應(yīng)用了鋼管樁，設(shè)計了鋼管擋土樁橋臺，具有以下特點：

（1）鋼管樁橋臺（單個橋臺施工時間1～2 d），克服了圬工橋臺圬工需多次施工（至少二次，單個橋臺施工時間需10～15 d）、每次施工圬工需養(yǎng)護待強度增長而斷時施工；實現(xiàn)了不間斷施工，縮短了鋼便橋的施工時間（10 d左右）。同時，一支鋼便橋施工隊伍便可無上下交接界面地完成整個鋼便橋的施工。

（2）鋼便橋使用結(jié)束后，其圬工橋臺需拆除，拆除物為不復(fù)利用的廢棄物，而若采用鋼管擋土樁橋臺的鋼管、鋼板可全回收并反復(fù)利用。從而最大限度地節(jié)約了資源、減少了對環(huán)境的影響，實現(xiàn)了綠色施工。

（3）鋼管擋土樁橋臺縱向長度比圬工橋臺短且可以更靠近河（江）側(cè)，減少便橋的長度；另外，鋼管擋土樁土方開挖量少，施工簡單、操作簡便、安全可靠。

該方案降低了便橋工程造價。

[1]張桐慶.寶鋼工程鋼管樁在地基土中25年的腐蝕術(shù)[J].寶鋼技術(shù)，2004，（5）：1-4.

[2]陳濤.杭州灣跨海大橋鋼管樁成套關(guān)鍵技術(shù)[J].公路，2010，（5）：57-61.

[3]江正榮等編著.建筑施工簡易計算（續(xù)編）（第二版）[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

U443.15+9

B

1009-7716（2017）10-0081-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.023

2017-06-15

何雋（1974-），女，河南洛陽人，副教授，從事教學(xué)工作，研究方向：橋梁工程。