桥梁工程锁口钢管桩与双承台管桩基础

图8-10锁口钢管桩类型

锁口钢管桩基础的结构特点是：在施工过程中，具有支挡结构挡土挡水类似围堰的结构作用，而管桩又可分散多点流水作业；而建成后又具有沉井那样的整体刚度大的优点，可根据需要设计成多种结构形式的基础。锁口钢管桩的平面布置形状与锁口的不同形式如图8-11所示。

图8-11锁口钢管桩的平面布置形状与锁口的不同形式

1999年建成的宁波大桥大体积承台施工，在我国首次应用锁口钢管桩作为围堰进行施工，宁波大桥是一座独塔带协作体系的大跨度漂浮式预应力混凝土斜拉桥。主跨258m，塔墩承台规模较大，承台平面尺寸为20m×40m，厚5.5m，要求围堰本身除具有足够的强度和刚度外，还要保证足够的施工净空。宁波大桥位于雨江入海口，潮汐变化大，水流急，覆盖层距风化岩达25~33m，并有大型木沉船和片石等障碍物，采用双壁钢围堰、吊箱围堰、筑岛开挖等均较困难，经比较决定采用锁口钢管桩围堰。该方案不需要大吨位的船舶定位和起吊设备，只需一般常规打桩设备，施工方法简单；适用各种平面形状，安装就位准确；在不良地质层和有障碍地质段管桩下沉着床比较容易；工期短，可使钻孔桩和锁口围堰同时施工。

主塔墩锁口钢管桩围堰净长40.30m，净宽20.30m，由132根750mm中桩和4根p980mm角桩组成，每根管桩两对称外侧分别焊上钢轨和槽钢，形成公、母扣锁口，管桩由6=10mm钢板卷压焊接而成（图8-12）。

图8-12宁波桥22号主塔墩锁口钢管桩围堰结构布置图（尺寸单位：mm）

（一）锁口钢管桩施工要点

各种不同形式的锁口管桩基础，其施工步骤和方法并无多大区别，现以一桥墩以锁口桩兼作防水围堰的锁口管桩井筒基础为例，其施工程序如图8-13所示。

图8-13锁口管桩井筒基础施工程序

（1）设置导向框环，以保证插打锁口管桩位置准确和方向垂直。

（2）为了增加基础的刚度，需在切割线以下的管桩及其锁口内用特制的水泥砂浆灌满；为了防水止漏应在切割线以上的锁口内压注止水砂浆。这两种砂浆的质量配合比如表8-1所示。

特制水泥砂浆及止水砂浆配合比表（kg/m2）表8-1

其他有关井筒内挖土，加设支撑等工序与地连墙施工基本一样。

（二）锁口钢管桩计算要点

1.基础的整体计算

锁口管桩井筒基础整体计算，与桩基础相似，也是按弹性地基上的有限长梁图示计算，考虑水平土抗力时地基水平反力系数是按均布假设（张有龄法），其计算图式如图8-14所示。

基本微分方程式为：

E1d“Xdz4

p=K1·D·X2（8-12）则有井筒基础的水平变形为：

地面以上部分

图8-14锁口管柱井筒基础的计算图式

Xo=A。Z3+B0Z2+C0Z+Do地面以下部分

X2=ez（A1singZ+B1cosZ）+e8（C1sinBZ+D，cosBZ）

式中，B=、/Ku·Dv/4E7及A1、B1、C1、D，为未定积分常数，可由下述边界条件求出：

Z=0处

E1坐X|-M。（8-13）dZ2|Z-0/x|

=-H。（8-14）

‘dZ2|Z=0井筒底Z=l处

dexl一签（815）dxX-E

=-KsAvXz（8-16）dZ3|2=1

图8-15锁口钢管桩单桩计算图

Kv-地基垂直反力系数

式中：E——锁口管桩的弹性模量；I——井筒的惯性矩；K；——地基水平反力系数；K:——地基扭转反力系数；K。——地基剪切反力系数；D、——井筒的宽度或直径；A，——井筒内周及外周之间所构成的面积。

以上各参数值计算确定请参照有关文献，在此不详述。

以下就可按图8-15所示的计算图式算出井筒基础中单桩的挠度及其弯矩和剪力。

2.单桩承载力验算

单桩的垂直反力R；按式（8-17）计算：

。MoR.=

n1+n，Zxe式中：V%——承台底面的垂直荷载；M。——作用于承台底面的力矩；X:——各桩至中心轴的距离；n；——构成井筒的桩数；n——在井筒内加打的桩数。

单桩容许承载力[Ra]按式（8-18）计算：

[R.]=（qa·A1+1f·U·4）（8-18）ni’

式中：qa—桩端阻力；A，—单桩底面有效支承面积；U，——井外周的周长，为mDv；

1，—桩的入土长度；f，——井筒管桩的桩侧土摩阻力；K——安全系数，常规取K=3，地震时，取K=2；其他符号意义同前。其最终验算式为：

[R.]>Rme（8-19）

二、双承台管桩（柱）基础

双承台管桩（柱）基础与一般高桩承台基础的差别是修筑上、下两个承台，以此加大基础的侧向刚度减小桩（柱）的计算长度。一般有两种做法：一是将下承台修筑在桩（柱）底岩面上，以保证基桩与岩面发挥更为有效的嵌固作用，避开岩层在构造上的不足。

图8-16西江大桥4号墩双承台钢管柱基础

（尺寸单位：m）

图8-16为广茂铁路肇庆西江大桥水中4号墩的双承台钢管柱基础示意图。4号墩处于主槽中，其局部冲刷可达岩面，由于管柱的自由长度大，由此而计算的柱底截面弯曲应力超过了设计容许值，为此设计成双承台基础。上承台厚5.0m，顶面露出最低水位承托墩身，自上承台底面至岩面分别由26.6m的4根柱径为3.1m管柱及岩面以上厚度为9.0m的下承台组成。在下承台的底面，对应上部柱心钻孔直径2.5m，深为3.0m的钻孔桩伸入岩盘，与下承台共同嵌固于岩盘上，而下承台顶上5.0m厚的柱径放大为3.5m以增加柱的承载力。

另一种做法是将下承台修筑在河床以下一定深度，将上下承台形成一体，以降低桩（柱）顶高程，实际上是以减小桩（柱）计算长度为主。图8-17为2004年建成的安庆长江公路大桥塔墩基础双承台构造图。该桥主

桥为50m+215m+510m+215m+50m五跨连续双塔双索面全焊扁平流线型钢箱梁斜拉桥，呈倒Y形塔。

图8-17主桥基础构造图（尺寸单位：m）

注：括号内的数据为南塔墩

桥位处江面宽900~1500m，最大施工水深35m，表层冲积层厚度11.4~28.6m，基岩为粉细砂岩、砂砾岩、黏土岩及疏松砂岩等软质岩，北南塔基处岩面高程分别为-31.86～-35.61m和-42.66~-43.84m。塔墩和基础除承受竖向荷载外，还有顺桥向27000kN和横桥向13500kN的船舶撞击力。通航水位16.93m。经分析比较，基础采用双壁钢围堰与上、下承台组成组合承台加钻孔桩的复合式基础。以7.0m厚的密水性混凝土封底作下承台，起着减少桩身自由长度作用（图8-17）。钢围堰外径32m，壁厚1.5m，顶面高程15.00m，底面高程北、南塔分别为一36.00m和-44.00m，设计18根直径3.0m钻孔灌注桩，上、下承台间的桩径为3.4m。

双承台管桩（柱）基础计算，按上述介绍的下承台的两种作用，按第五章相关内容进行计算。