塔吊鋼管樁基礎(chǔ)在軟土地基的應(yīng)用

王長(zhǎng)江

摘 要： 與普通的鋼筋混凝土塔吊基礎(chǔ)相比，鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)具有適用性強(qiáng)、荷載明確、計(jì)算簡(jiǎn)單、安裝拆除方便、材料可周轉(zhuǎn)使用等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 軟弱地基；塔吊鋼平臺(tái)；鋼管樁基礎(chǔ)

1 工程概況

樂(lè)清灣港區(qū)鐵路永樂(lè)河特大橋工程，第18、19、20三跨設(shè)計(jì)采用32m+48m+32m單線(xiàn)連續(xù)梁跨。施工方案在17號(hào)墩和18號(hào)墩處安裝塔吊進(jìn)行物料運(yùn)輸。地表為不足1m厚的粉質(zhì)粘土，往下為13m厚的淤泥，灰綠-灰褐色，呈流塑狀態(tài)；再下層為細(xì)圓礫土，中密、飽和。淤泥極限承載力0.04MPa，低于按說(shuō)明書(shū)上的要求值0.17MP。

2 塔吊選型

塔吊鋼平臺(tái)和樁基所承受的豎向荷載主要是塔吊的自重和工作狀態(tài)下的彎矩，所以確定所用塔吊的型號(hào)是計(jì)算平臺(tái)樁基所承受荷載的先決條件。

2.1 塔吊型號(hào)選定

長(zhǎng)沙中聯(lián)重工生產(chǎn)的TCT5010-4型塔吊，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)尺寸為1300mm×1300mm，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高2.8m，采用35m長(zhǎng)起重臂，幅度2.5最大起重量為4t。在2倍率的情況下，幅度32.5m處可起吊重量為2.0t；4倍率的情況下，幅度32.5m處可起吊重量為2.12t，能夠滿(mǎn)足施工要求。具體參數(shù)見(jiàn)圖2.1

圖2.135m臂起重性能特性

2.2 安裝高度

塔吊采用螺栓固定式安裝，塔吊基礎(chǔ)頂面與橋墩承臺(tái)頂面處于同一標(biāo)高。根據(jù)圖紙標(biāo)高推算，承臺(tái)頂?shù)较淞喉敻叨?1.6m，吊鉤基本長(zhǎng)度2.5m，吊鉤下工作空間預(yù)留高度3.5m，塔吊正常工作的基本要求高度為：

h=21.6 m+3.5+2.5=27.6 m

采用9節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，1個(gè)固定節(jié)，每節(jié)高度為2.8m，塔頭高4.8m，安裝高度為：

H = 2.8×10+ 4.8 = 32.8m

3基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

塔吊固定節(jié)通過(guò)高強(qiáng)螺栓與鋼平臺(tái)連接，鋼平臺(tái)與鋼管樁焊接，塔吊鋼平臺(tái)與鋼管樁作一起承受荷載。塔吊自重及上部荷載通過(guò)鋼平臺(tái)傳遞給下部的鋼管樁，依靠鋼管樁來(lái)提供抗壓及抗拔。

3.1 鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸

塔吊基礎(chǔ)采用鋼平臺(tái)加鋼管樁基礎(chǔ)。根據(jù)TCT5010A塔吊說(shuō)明書(shū)給出的預(yù)埋螺栓定位圖，計(jì)算出樁基的間距確定為1.182m。

3.2 鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用4根φ60cm壁厚12mm開(kāi)口鋼管樁，材質(zhì)Q235鋼， 允許應(yīng)力〔σ〕=170MP。樁長(zhǎng)18m，樁中心間距1182mm，各鋼管樁頂設(shè)置800mm×800mm×20mm鋼墊板，鋼平臺(tái)采用400×400×13×21H型鋼進(jìn)行焊接成矩形框架，與樁頂鋼墊板焊接，樁頂以下600mm設(shè)置鋼系梁，將樁與樁之間連接一起。焊縫按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求確定。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.2

圖3.2 鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3單樁基承受的荷載

樁基承受的重量包括塔吊的自重、起重的重力矩、鋼平臺(tái)和鋼管樁自身的重量。

1）塔吊自重

依據(jù)塔吊說(shuō)明書(shū)上的各構(gòu)件重量，得出塔吊重量359.40KN。

2） 400型H型鋼重量

每米重量為 172kg/m，按使用12米計(jì)算，12 × 172 = 20.6 KN

3）鋼管樁的自重

樁長(zhǎng)18m，0.6×3.14×0.012×18×7.8×103kg/m3 =31.7 KN

4）鋼墊板重量 0.8×0.8×0.02×7.8 =1 KN

5）總重量359.4+ 20.6 + 31.7×4 +1×4 =510.8 KN

6）單樁承載力

塔吊基礎(chǔ)樁宜采用鋼管樁，樁頂豎向力設(shè)計(jì)值由下式確定：

其中 Nk--單樁樁頂豎向力設(shè)計(jì)值；

Fk--鋼管樁的總豎向力設(shè)計(jì)值；

Gk-- 鋼平臺(tái)和鋼管樁的自重；

n--樁的數(shù)量；

M-- 塔吊工作工況彎矩M = 1170kN.m；

a--塔身寬度 a=1.3m；

Nk=510.8÷4±1170÷（1.3×1.414） = 127.7±636.49

單樁頂最大豎向壓力Nk max=764.19kN

單樁頂最大豎向拔力Nk min =508.79kN

3.4樁基驗(yàn)算

樁基采用鋼管摩擦樁，主要利用土層對(duì)樁的側(cè)阻力承受荷載。樁長(zhǎng)采用18m，淤泥中樁長(zhǎng)13m，細(xì)圓礫土中樁長(zhǎng)5m。

3.4.1 承載力驗(yàn)算

偏心豎向力作用下除滿(mǎn)足上式外，單樁應(yīng)滿(mǎn)足下式的要求：

Ra--單樁豎向承載力特征值

單樁豎向承載力特征值 Ra 應(yīng)按下式確定：

Ra--單樁豎向承載力特征值

K --安全系數(shù)，規(guī)范中取 K=2

根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式估算：

QUK = QSK+ QPK = U∑qsikli + λpqpkAp

式中：

U -- 樁的周長(zhǎng)

qsik-- 樁的極限側(cè)阻力，JGJ94-2008表5.3.5-1中，淤泥取值20，細(xì)圓礫土取值160

li -- 樁周土層厚度，淤泥13m，細(xì)圓礫土5m

λp -- 樁端土塞效應(yīng)系數(shù)λp = 1，

qpk-- 極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值 表 5.3.5-2細(xì)圓礫土qpk取值 10000

Ap -- 樁端面積，

QUK = 0.6×3.14（13×20+5×160） +1×10000×3.14×（0.32-0.2882） =2218.6KN

Ra = QUK/2 = 1109.3KN >Nk max = 764.19kN

經(jīng)計(jì)算承載力滿(mǎn)足要求。

3.4.3抗拔性能驗(yàn)算

按下列公式同時(shí)驗(yàn)算群樁基礎(chǔ)呈整體破壞和呈非整體破壞時(shí)基樁的抗拔承載力：

Nk≤Tgk/2+GgpNk≤Tuk/2 +Gp

Ggp ——群樁基礎(chǔ)所包圍體積的樁土總自重除以總樁數(shù)，密度取1.5；

GP ——基樁自重；

1）群樁呈非整體破壞時(shí)，基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

式中：

ui ——樁身周長(zhǎng)，對(duì)于等直徑樁u = πd

λi——抗拔系數(shù)，按規(guī)范表 5.4.6-2 取值0.7

Tuk= ∑λiqsikUili=0.7×0.6×3.14（13×20+5×160） = 1397.9KN

Tuk/2 +GP= 1397.9÷2+31.7 = 730.7KN

730.7 KN > 508.79KN

2）群樁呈整體破壞時(shí)，基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

式中 ul ——樁群外圍周長(zhǎng)ul = 4 × 1.982

Tgk=ul∑λiqsikli/4=1470.6 KN

Ggp= 4×1.982×18×15=2140.6 KN

Tgk/2 +Ggp/4 =1270.5KN>508.79 KN

經(jīng)驗(yàn)算抗拔性符合要求。

3.4.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

鋼樁保險(xiǎn)系數(shù)k=0.7

縱向彎曲系數(shù)φ=0.9

軸向壓應(yīng)力σ=P/A=764190÷0.02215584=34.49 MPa

摩擦樁的保險(xiǎn)系數(shù)2 2σ= 2 × 34.49 =68.98 MPa

允許應(yīng)力 kφ〔σ〕=0.7×0.9×170=107.1MP

68.98 MPa <107.1MPa

經(jīng)驗(yàn)算穩(wěn)定性符合要求。

4經(jīng)濟(jì)性分析

鋼管樁基鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)克服了軟弱地層承載力不足的限制，與普通的鋼筋混凝土塔吊基礎(chǔ)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.地質(zhì)適用性強(qiáng)

塔吊使用說(shuō)明書(shū)中都會(huì)提供鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，但地基承力不滿(mǎn)足要求時(shí)，無(wú)法直接套用說(shuō)明書(shū)提供的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，需要要對(duì)地基進(jìn)行特殊處理。鋼管樁鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)地質(zhì)適用性強(qiáng)，不需要對(duì)地基特殊處理就可以直接施工。

2.施工方便

鋼筋混凝土基礎(chǔ)施工一般包括開(kāi)挖基坑、基地承載力檢測(cè)、混凝土鋪底找平、鋼筋制作安裝、模板安裝、混凝土澆筑、拆模等，加上等待混凝土強(qiáng)度時(shí)間，整個(gè)過(guò)程一般都要15天以上。而鋼管樁鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)只需3天左右就可以完成。

3.材料可以多次周轉(zhuǎn)利用

鋼筋混凝土基礎(chǔ)造價(jià)相對(duì)較低，但如進(jìn)行特殊處理其造價(jià)也會(huì)大大增加，且使用過(guò)后只能廢棄。鋼管樁鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)造價(jià)比鋼筋混凝土基礎(chǔ)要高，但基礎(chǔ)平臺(tái)可以拆下，管樁可以完整拔出，材料可以周轉(zhuǎn)利用，報(bào)廢后仍有回收價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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