海中钢管桩施工

李莹炜

山东省路桥集团有限公司  山东省济南市经三路2号  250021

摘要：近年来，海上施工发展较多，东海大桥，杭州湾大桥，青岛海湾大桥等众多海上施工项目的开展，对我国海上施工提供了广大发展空间，海上钢管桩基础是海上作业平台的形式之一，应用非常广泛，主要介绍钢管桩的竖向承载力性状。

关键词：海中 钢管桩 竖向 承载力 性状

1、工程概况

青岛海湾大桥二合同段桩基施工采用海上平台作业，将海上施工变为陆上施工，大大节约了施工费用，减少了海上施工风险，加快了施工速度；钻孔平台数量众多，且海底地质变化较快，钢管桩竖向承载力计算较复杂。

2、钢管桩的形式

2.1钢管桩的直径

钢管桩的直径为φ529mm，壁厚δ=8mm和φ800mm，壁厚δ=10mm的两种。

2.2钢管桩的桩底构造形式

钢管桩的桩底构造形式可分为开口和闭口两种形式（见图1），其中开口型又分不带隔板

的和带隔板的两种。由于开口型拥入土塞高度大，挤土量小，适用于持力层厚、桩距小的情况。闭口型又分平底和锥底两种，闭口型与混凝土实心桩适应条件相同，适用于无厚持力层的软土地基。

针对我合同段的基础条件不均匀，地质条件较复杂，钢管桩数量较多，使用闭口桩处理较复杂，采用上图的（a）类开口桩，主要针对此类型进行分析。

3、钢管桩承载性状

3.1、承载机理

对于开口桩，其承载机理和承载力随有关因素的变化远比闭口桩复杂。这是由于桩沉入过程，桩端图一部分进入管内形成“土塞”或“土芯”，一部分将被挤向桩周。进入管内的土芯在沉桩过程中受到内壁摩阻力作用将产生一定压缩，因此土芯的高度及其闭塞效果与土性、管径、壁厚、桩入土深度及进入硬持力层的深度等诸多因素有关。而桩端土的闭塞程度又直接影响端阻发挥与破坏性状及桩的承载力，称此为“闭塞效应”。

开口桩的竖向承载力实际上由以下三部分组成（见图2）：桩外侧摩阻力Qsu、管内摩阻力Qisu和环底端阻力Qtpu。故其单桩极限承载力为：

Qu＝Qsu+Qisu+Qtpu

或表示为                           Qu＝Qsu+Qpu

式中                               Qpu＝Qisu+Qtpu 

极限端阻力Qpu由内侧阻力Qisu、环底Qtpu组成，因此问题的实质是如何确定管内侧阻。

管内土芯侧阻力的发挥性状不同于关外侧阻力，后者随桩顶受荷、沉降出现自上而下发挥，前者则只有当荷载传递到桩端并产生桩端沉降才开始由下而上逐渐发挥。由于荷载较小时管内土塞连同桩管同步下沉，只有当土塞底部受到足够大的反力，土塞才产生相对于管壁的向上位移而时侧阻力逐渐发挥出来。土塞的模量愈低，土塞的高度越大，全部充分发挥土塞侧组所需的沉降也越大。一般情况下，要冲分调动土塞全长的侧阻力几乎是不可能的，因其所需沉降过大，比充分发挥端阻力所需沉降更大。

3.2、闭塞效应及其对端阻力的影响

3.2.1、机理分析

为说明闭塞效应随有关因素的变化及其对承载力的影响，下面介绍山原分析方法（山原浩，1963）。

假定土塞不产生固结压缩。

取深度处厚度土塞隔离体的平衡，可得：

由上式得：           

式中：、——深度处的竖向压力、水平压力；

      A、 U ——管内截面积、周长；

          C  ——土的内聚力或土与管壁的粘着力；

          ——土的内摩擦角或土与管壁的外摩擦角，取其较小者；

           ——土的重度

对上式两边积分，并设，DS为桩的内径（m），为水平土压力竖向土压力之比，则有

所以管内土塞总极限阻力为：

又，若设桩端地基极限承载力为，则总极限阻力为

从以上公式可以看出，开口桩端阻的破坏可能以下列两种形式之一出现：

⑴ 管内土塞沿管壁向上挤出                   （）

⑵ 桩端地基破坏                             （）

亦即若管内土塞总极限侧阻力小于桩端地基总极限阻力，管端就刺入土中，桩端土进入管内；反之，则管土形成闭端，桩端地基破坏。

经不同桩径，不同土层地基，不同的入土深度的试验表明，土芯闭塞效应随桩端进入持力层的深度、桩端构造而显著变化。管内土芯的高度是随管径而变化的，表1为不同桩径开口桩沉入相同的土层中土芯高度与桩入土深度之比（），由此表可见，土芯的高度比随桩径增大而提高。

表1  土芯高度与桩入土深度之比

对于开口桩，其侧阻力性状也受到土芯闭塞效应的影响，桩侧阻力随挤土密度而变化，其挤土密度为

由此可见，对于开口钢管桩，由于挤土密度减小，其侧阻力，其侧阻力一般低于相同直径的闭口桩。

4、钢管桩单桩竖向承载力计算

开口钢管桩承载力的计算可分为两大类，第一类是分别计算管内土塞侧阻力、管外侧阻力、环底端阻力，三者之和为单桩承载力；第二类是分别计算管外侧阻力和端阻力，计算侧阻力时考虑挤土效应，计算端阻力时考虑桩端的闭塞效应。

第一类计算方法的难点是钢管桩管内土塞侧阻力计算，因为土塞侧阻的性状受多因素制约而变化。迄今管内土塞侧阻的计算尚未形成切实可行的计算方法，一般使用第二类计算方法。

第二类计算方法是以理论分析与经验为基础建立起来的，开口钢管桩单桩极限承载力计算公式为：

式中：——桩周第i层土的极限侧阻力和极限端阻；

             ——桩周第i层土的厚度；

            ——桩端投影面积；

            ——侧阻挤土效应系数，主要随桩径的增大而减小，按表2取值；

            ——端阻闭塞效应系数，随桩端进入持力层深度增大而增大，按下式确定：

表2  开口钢管桩侧阻挤土效应系数

青岛海湾大桥第二合同段钻孔平台钢管桩承载力计算采用了此方法计算，施工后效果非常好，钢管桩的承载力都达到了施工要求，为钻孔平台的安全性提供了可靠保障，为今后钢管桩施工奠定了基础。

参考文献：

《建筑桩基技术规范》 JGJ94-94

《桩基工程手册》  中国建筑工业出版社

《建筑施工计算手册》  江正荣 编著    中国建筑工业出版社