大直径钢护筒入土深度计算

大直径钢护筒入土深度计算

摘要：诸永高速温州段延伸工程第二合同段主桥桩基础采用φ2.8m的钻孔桩。钢护筒直径为3.1m，长度为36m。结合工程实例，重点介绍钢护筒入土深度的计算理念。

关健词：大直径桩钢护筒;入土深度

Abstract: the high speed wenzhou period for the second extension project contract period of the bridge, the pile foundation φ 2.8 m drilling pil e. The steel tube diameter of 3.1 m, length of 36 m. Combined with the engineering practice, the paper focuses on the grandest of the depth of steel tube calculation concept.

Key words: large diameter cylinder pile steel armor; Depth of soil into

1、工程概况及地质特征

瓯江大桥主桥90#和91#墩采用2.8m大直径嵌岩桩，桩基长度分别为88m 和94m，共计24根，桩端持力层为中风化凝灰岩，采用KP3500气举反循环钻机施工。

根据地质勘察报告，主桥桥位处地质层分布情况参见表（一）。

2、确定钢护筒参数

根据地质勘察报告揭示，细砂层特性为：浅黄色，饱和、松散，主要成分为石英，含粘粒20%~30%，局部夹薄层淤泥。属液化土，物理性质较差，在桩基施工过程中稍有不甚极易发生塌孔。钢护筒设计时直接穿越细砂层，确保施工过程中的桩基成孔质量。

2.1护筒入黏土层深度确定

护筒入土深度不仅要保证护筒自身的稳定，还要保证渗透稳定和不出现管涌现象。

当护筒入土深度不足时，由于护筒内外泥浆柱水头差的存大，导致护筒内的地下水绕过护筒下端向海里渗透，这种渗透力大于土的水下重度时，土颗粒就会随水流向上喷涌而导致护筒失稳。验算抗渗稳定和管涌的基本原则是，使护筒底端土体的有效压力大于地下水向上的渗透力。如图2.1.1为海底渗透与管涌示意。

验算公式为：

[1]

式中：l-护筒插入海底深度，m；

h-护筒内外水头差即护筒顶端至最低潮水线距离，本工程采用7.5-(-2.43)=9.93m；

γ,-土的浮密度，KN/m3；

γw-地下水的重度，本工程计算采用10KN/m3；

K-抗管涌安全系数，应大于1.2，本工程计算按2.0取值。

当护筒插入海底深度满足上述条件时是安全的。

(1)土的浮密度计算

根据地质勘察报告提供数据，计算土的浮密度。

表（一）90#墩土层物理力学性能指标

γ,细砂=(2.01-1)*10/(1+0.65)=6.12KN/m3；

γ,黏土=(1.69-1)*10/(1+1.453)=2.8KN/m3。

(2)护筒入黏土深度计算

假设钢护筒进行黏土深度为l(m)，根据上述验算公式可得：

2*(5.4*6.12+l*2.8)≥2*9.93*10-(6.12+2.8)*9.93

计算得：l≥7.8m。

即钢护筒最小长度=7.8+5.4+7.5-(-9.4)=30.1m。

2.2护筒埋置深度的有限元计算与分析

(1)浅水长波理论

按以波面为零点的静水压强规律分布，即P=ρgh=γh(Kpa)，式中ρ为水的密度，γ为水的容重，h为涌潮时波面至河床底的深度。

(2)水力学理论

涌潮压力应由两部分组成：一是静水压力，其值同浅水长波理论；二是由于涌波所引起的动力压力部分，即由于速度的冲击作用所引起的速度水头。因此涌潮压力可按下式计算：(kPa)，式中γ为水的容重，h为涌潮时水深，即涌潮波面至河床底的深度，u为涌潮波的水平行进速度。

(3)采用midas进行建模分析

采用midas建模，考虑护筒与土的共同作用，假定土介质是线弹性的连续介质，等代土弹簧刚度由土介质的动力m值计算，对前述计算最小埋置深度进行建模。

1)桩的计算宽度

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007附录P公式计算：

d1=kkf(d+1)

d1-桩的计算宽度，m；

k-平行于水平力作用方向桩间相互影响系数；

kf-桩形状换算系数；

d-桩径，m。

经计算本工程钢护筒换算宽度为2.7m。

2)弹簧系数计算

对任意一层土：地基系数C=m*h 这里h为当前土到地表的距离。C上和C 下为当前土层上下表面地基系数。弹簧系数=b*(C上+C下)/2*hi，hi为当前土层厚度。计算后的弹簧系数如下表。

表（三）弹簧系数计算表

3)建模计算

采用建模进行计算与分析，计算模型与变形见下图。

分别对壁厚1cm和壁厚2cm钢护筒进行验算，钢护筒直径均为3.1m。

采用壁厚1cm钢护筒时，护筒顶面偏差超出5cm，不满足现行施工规范要求。

采用壁厚2cm钢护筒时，护筒顶面偏差为 3.3cm<5cm，钢护筒倾斜度为0.033/31=0.11%，满足规范要求。

本工程主桥最终采用36m长钢护筒，钢护筒直径3.1m,每边比桩基大15cm，壁厚采用2cm，完全满足计算要求。

3、方案实施情况与结论

2011年09月26日完成主桥第一个钢护筒的下沉工作，从钢护筒的加工、运输、下放、接长直至下沉结束，总体效果良好。

图2 钢护筒定位导向系统

图3 钢护筒下沉与接长

在施工过程中，由于钢护筒本身强度不足，或者钢护筒埋设过程中操作不当，容易出现局部开裂、折断错位、缩径、底端开裂和缩径。特别是在现场进行钢护筒接长施工时，必须要保证其焊接质量。对施工完成的钢护筒进行监测，在桩基施工阶段钢护筒工作性能良好，采用上述理论依据进行钢护筒埋入深度以及壁厚的选择具有参考意义。