王志红 WANG Zhi-hong
（中铁建港航局集团路桥工程有限公司，广州 511442）
（Road and Bridge Engineering Co.，Ltd. of CRCC Harbour & Channel Engineering Bureau Group，Guangzhou 511442，China）
摘要： 为了在施工条件非常恶劣的海况下快速成桩，节约有效的施工时间，根据实际地质情况、设计图纸和海港规范以及打桩设备，计算出钢管桩的摩擦力和最终贯入度。在平潭海峡大桥独立平台钢管桩的打设过程中，圆满完成工作任务，计算公式运用得当。
Abstract: In order to quickly complete the offshore piles setting under very bad construction conditions save the construction time, according to the actual geological conditions, design drawings, harbour specifications and piling equipment, this paper calculated friction and ultimate penetration of steel pipe piles. In the course of playing and setting independent platform steel pipe pile of Pingtan Strait Bridge, the task is successfully completed and the formula is used properly.
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关键词 ： 计算；钢管桩；打设；参数
Key words: computing；steel pipe pile；playing and setting；parameter
中图分类号：TU473 文献标识码：A
文章编号：1006-4311（2015）06-0118-02
0 引言
随着我国经济高速发展，科学技术的日益创新，跨海大桥将是今后施工建设的重点项目。为方便水上施工，减少水上船舶施工组织管理难度，降低海上施工安全风险，将海上施工陆地化，施工中设计独立施工平台最常见的是钢管桩基础，海上独立平台基础的钢管桩施打用打桩船作业。本人结合福平铁路FPZQ-4标北东口水道特大桥利用打桩船施工钢管桩的实例，介绍施工中钢管桩及钢护筒打设参数的计算方法。
1 工程概况
新建福州至平潭铁路站前工程FPZQ-4标段起讫里程：DK70+564.70～DK88+099.55，路线长17.535km，位于福建省平潭县境内。其中北东口水道特大桥起讫里程为DK72+024.44～DK75+737.915，总长3713m，桥址属于丘陵及浅海区，主体位于东海海域，水位受潮汐影响。为减少施工成本，设计采用主体钢护筒与辅助钢管桩共同受力作为施工平台的基础。
桥址区的岩土层按其成因分类主要有:第四系坡积层块石土，第四系全新统冲海积层淤泥质黏土、粉质黏土、细砂、粗砂、砾砂、块石土等土层，第四系残坡积层粉质黏土夹碎石、白垩系下统石帽山组凝灰岩，燕山晚期花岗岩。
2 打桩设备
打桩设备采用“路桥建设桩8#”打桩船，“路桥建设桩8#”是目前国内施打大直径钢管桩最先进的多功能起重打桩船之一。船主尺度：型长60m×型宽27m×型深5m；满载吃水：2.5m；总吨：2340t； 净吨：703t；配8口海军锚各重9000kg；锚绳直径φ43mm各长450m；桩架高92m；抗风能力6级，能施打 90m长桩，有最大施打φ3.3m钢管桩的能力。
打桩船配hhp35液压打桩锤设计参数如下：
打击能量：525 kJ；
锤心（冲击体）重量：35000 kg；
锤心最大行程：1500 mm；
锤心最小行程：200 mm；
打击频率：30~90 次/分钟；
锤心驱动方式：液压缸双缸提升；
液压锤锤体外形尺寸:13640×2886×2886 mm；
液压锤锤体总质量(含桩帽、锤脚)：85000 kg。
液压动力站主要参数如下：
发动机功率：960 kW；
液压油理论流量：1179 L/min；
额定工作油压：26 MPa；
液压动力站外形尺寸：7100×2200×3351 mm；
液压动力站净质量：18500 kg。
3 钢管桩及钢护筒打设参数计算
根据设计要求的极限承载力，代入所选定的动力打桩公式，求出相应的贯入度，并以此贯入度，作为施工时检验每根桩承载力的标准。
3.1 摩阻力计算 以26#墩平台为例，钢护筒φ2.8m长31.6m，钢管桩φ1.2m长30m，钢管桩φ1.0m长31m，查《港口工程桩基规范》（JTS 167-4-2012），Qd=1/γR（U∑qfili+qRA）
式中，Qd为单桩轴向承载力设计值/（kN）；R为单桩轴向承载力分项系数，按《港口工程桩基规范》表4.2.2取值；U为桩身截面周长/m；qfi为单桩第i层土的单位面积极限桩侧摩阻力标准值/（kPa），无当地经验时，可按《港口工程桩基规范》表4.2.4-1取值；li为桩身穿过第i层土的长度/m；qR为单桩单位面积极限桩端阻力标准值/（kPa），无当地经验值时，可按表4.2.4-2取值；A为桩身截面面积/m2。
可求得26#墩平台管桩的侧摩阻力值见表1。
3.2 桩终锤贯入度计算 应用打桩试验结果得到的参数，求桩的容许承载力的公式称为动力打桩公式。动力打桩公式是一种桩承载力检测方法，它广泛应用于施工中，以控制打桩的静载力要求。一般是根据设计要求的极限承载力，代入所选定的动力打桩公式，求出相应的贯入度，并以此贯入度，作为施工时检验每根桩承载力的标准。
动力打桩公式很多，本次计算以应用较广的海利打桩公式来计算打桩过程中桩的承载力。查《建筑施工计算手册》第二版，得海利打桩公式：
Pu为桩的极限承载力；Wr为锤重；Wp为桩重（包括桩帽、锤垫、送桩器）；h为锤的落距；e为打桩时的贯入度；c为锤击时，桩土体系总的弹性变形；ξ为考虑非自由落锤时的折减系数；n为锤与桩锤击时的恢复系数。
①Φ1000×12钢管桩终锤贯入度。
ξ的取值在公式中取自由落锤应为1，经现场试桩总结计算时取ξ=0.9，按轴心受压构件计算压应力
其中ψ值参照《建筑施工计算手册》第二版第1254页取值。锤击时土体变形参照《建筑施工计算手册》第二版第278页，钢管桩材料应力取0.044倍桩长计算得c1为1.36，桩帽弹性变形c2取值为0.4，土体弹性变形c3取值为0.5，最后确定取值c=2.26，非弹性碰撞，n取0.64（钢桩取0.8，采用替打时取80%，这里根据俞正声的《钢管桩的设计与施工》的取值范围），落锤高度h取0.3m，锤重力Wr=343kN，钢管桩φ1.0m桩桩长31m，桩重93kN，桩帽桩垫重取400kN，因此Wp=93+400=493kN，终锤时阻力为F=2147kN，忽略其它阻力影响，取承载力Pu=F=2147kN，代入公式求得终锤贯入度
得贯入度e=1.67cm，即终锤贯入度为1.67cm。
②Φ1220×14钢管桩终锤贯入度。
计算时取ξ=0.9，取c=1.89，非弹性碰撞，n取0.64，落锤高度h取0.4m，锤重力Wr=343kN，钢管桩φ1.2m桩桩长30m，桩帽桩垫重取400kN，因此Wp=124+400=524kN，终锤时阻力为F=2866kN，代入公式求得终锤贯入度
得贯入度e=1.81cm，即终锤贯入度为1.81cm。
③Φ2820×20护筒终锤贯入度。
计算时取ξ=0.9，取c=1.737，非弹性碰撞，n取0.64，落锤高度h取0.65m，锤重力Wr=343kN，护筒φ2.8m桩桩长31m，桩帽桩垫重取400kN，因此Wp=437+400=837kN，终锤时阻力为F=6542kN，代入公式求得终锤贯入度
得贯入度e=0.92cm，即终锤贯入度为0.92cm。
3.3 落锤高度的选择
3.3.1 钢管桩Φ1000×12
打入设计层深度时所需的最小激震力F=2147kN，控制终锤贯入度为1cm，代入海利公式，
得落锤高度h=23cm。因此为了控制终锤贯入度为1cm，终锤时落锤高度应控制在20～25cm之间（当落锤高度h<12cm时，贯入度为0）。
3.3.2 钢管桩Φ1200×14
打入设计层深度时所需的最小激震力F=2866kN，控制终锤贯入度为1cm， 同理，得落锤高度 h=26cm。
因此为了控制终锤贯入度为1cm，终锤时落锤高度应控制在25～35cm之间（当落锤高度h<14cm时，贯入度为0）。
3.3.3 护筒Φ2820×20
打入设计层深度时所需的最小激震力F=6542kN，控制终锤贯入度为1cm， 同理，得落锤高度 h=68cm，因此为了控制终锤贯入度为1cm，终锤时落锤高度应控制在60～80cm之间（当落锤高度h<32cm时，贯入度为0）。
4 钢管桩施工情况
根据设计及施工计算要求，在钢管桩及钢护筒的打设过程中，计算和实际施工基本稳合，打桩顺利，于2014年4月9日开工以来，至2014年8月14日一共127天打设钢管桩155根，钢护筒211根。施工天数还包括大雨、大风不能施工的时间24天，实际管桩打设时间仅为103天。打桩过程应根据不同地质层的贯入度控制锤的力度，防止将钢管打卷。钢管桩打至接近设计标高时要注意控制锤的力度防止超打，当钢管桩顶面高出设计标高5cm内时可视为标高达到要求，可停锤。图1所示为钢护筒打设过程中，图2所示为施工完成的第26#墩海中独立钢平台。
5 结论
本文所述计算方法，在福平铁路公铁两用大桥北东口水道特大桥的的实际运用中，较好地指导了现场施工，快速完成钢管桩的打设起到关键的作用。该计算方法值得推荐，望在今后的施工中得到借鉴。
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参考文献：
[1]平潭海峡公铁两用大桥施工图纸.
[2]平潭海峡公铁两用大桥平台施工方案.
[3]江正荣.建筑施工计算手册[M].二版.北京：中国建筑工业出版社，2007.
[4]JTS 167-4-2012，港口工程桩基规范[S].
[5]俞振全.钢管桩的设计与施工[M].北京：地震出版社，1993.