塔吊钢管桩基础在软土地基的应用

王长江

摘 要： 与普通的钢筋混凝土塔吊基础相比，钢平台结构基础具有适用性强、荷载明确、计算简单、安装拆除方便、材料可周转使用等特点。

关键词： 软弱地基；塔吊钢平台；钢管桩基础

1 工程概况

乐清湾港区铁路永乐河特大桥工程，第18、19、20三跨设计采用32m+48m+32m单线连续梁跨。施工方案在17号墩和18号墩处安装塔吊进行物料运输。地表为不足1m厚的粉质粘土，往下为13m厚的淤泥，灰绿-灰褐色，呈流塑状态；再下层为细圆砾土，中密、饱和。淤泥极限承载力0.04MPa，低于按说明书上的要求值0.17MP。

2 塔吊选型

塔吊钢平台和桩基所承受的竖向荷载主要是塔吊的自重和工作状态下的弯矩，所以确定所用塔吊的型号是计算平台桩基所承受荷载的先决条件。

2.1 塔吊型号选定

长沙中联重工生产的TCT5010-4型塔吊，标准节尺寸为1300mm×1300mm，标准节高2.8m，采用35m长起重臂，幅度2.5最大起重量为4t。在2倍率的情况下，幅度32.5m处可起吊重量为2.0t；4倍率的情况下，幅度32.5m处可起吊重量为2.12t，能够满足施工要求。具体参数见图2.1

图2.135m臂起重性能特性

2.2 安装高度

塔吊采用螺栓固定式安装，塔吊基础顶面与桥墩承台顶面处于同一标高。根据图纸标高推算，承台顶到箱梁顶高度21.6m，吊钩基本长度2.5m，吊钩下工作空间预留高度3.5m，塔吊正常工作的基本要求高度为：

h=21.6 m+3.5+2.5=27.6 m

采用9节标准节，1个固定节，每节高度为2.8m，塔头高4.8m，安装高度为：

H = 2.8×10+ 4.8 = 32.8m

3基础设计

塔吊固定节通过高强螺栓与钢平台连接，钢平台与钢管桩焊接，塔吊钢平台与钢管桩作一起承受荷载。塔吊自重及上部荷载通过钢平台传递给下部的钢管桩，依靠钢管桩来提供抗压及抗拔。

3.1 钢平台结构尺寸

塔吊基础采用钢平台加钢管桩基础。根据TCT5010A塔吊说明书给出的预埋螺栓定位图，计算出桩基的间距确定为1.182m。

3.2 钢平台结构设计

采用4根φ60cm壁厚12mm开口钢管桩，材质Q235钢， 允许应力〔σ〕=170MP。桩长18m，桩中心间距1182mm，各钢管桩顶设置800mm×800mm×20mm钢垫板，钢平台采用400×400×13×21H型钢进行焊接成矩形框架，与桩顶钢垫板焊接，桩顶以下600mm设置钢系梁，将桩与桩之间连接一起。焊缝按照《钢结构设计规范》要求确定。具体结构见图3.2

图3.2 钢平台结构示意图

3.3单桩基承受的荷载

桩基承受的重量包括塔吊的自重、起重的重力矩、钢平台和钢管桩自身的重量。

1）塔吊自重

依据塔吊说明书上的各构件重量，得出塔吊重量359.40KN。

2） 400型H型钢重量

每米重量为 172kg/m，按使用12米计算，12 × 172 = 20.6 KN

3）钢管桩的自重

桩长18m，0.6×3.14×0.012×18×7.8×103kg/m3 =31.7 KN

4）钢垫板重量 0.8×0.8×0.02×7.8 =1 KN

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

6）单桩承载力

塔吊基础桩宜采用钢管桩，桩顶竖向力设计值由下式确定：

其中 Nk--单桩桩顶竖向力设计值；

Fk--钢管桩的总竖向力设计值；

Gk-- 钢平台和钢管桩的自重；

n--桩的数量；

M-- 塔吊工作工况弯矩M = 1170kN.m；

a--塔身宽度 a=1.3m；

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

单桩顶最大竖向压力Nk max=764.19kN

单桩顶最大竖向拔力Nk min =508.79kN

3.4桩基验算

桩基采用钢管摩擦桩，主要利用土层对桩的侧阻力承受荷载。桩长采用18m，淤泥中桩长13m，细圆砾土中桩长5m。

3.4.1 承载力验算

偏心竖向力作用下除满足上式外，单桩应满足下式的要求：

Ra--单桩竖向承载力特征值

单桩竖向承载力特征值 Ra 应按下式确定：

Ra--单桩竖向承载力特征值

K --安全系数，规范中取 K=2

根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值按下式估算：

QUK = QSK+ QPK = U∑qsikli + λpqpkAp

式中：

U -- 桩的周长

qsik-- 桩的极限侧阻力，JGJ94-2008表5.3.5-1中，淤泥取值20，細圆砾土取值160

li -- 桩周土层厚度，淤泥13m，细圆砾土5m

λp -- 桩端土塞效应系数λp = 1，

qpk-- 极限端阻力标准值 表 5.3.5-2细圆砾土qpk取值 10000

Ap -- 桩端面积，

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

经计算承载力满足要求。

3.4.3抗拔性能验算

按下列公式同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力：

Nk≤Tgk/2+GgpNk≤Tuk/2 +Gp

Ggp ——群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数，密度取1.5；

GP ——基桩自重；

1）群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值按下式计算：

式中：

ui ——桩身周长，对于等直径桩u = πd

λi——抗拔系数，按规范表 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）群桩呈整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值按下式计算：

式中 ul ——桩群外围周长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

经验算抗拔性符合要求。

3.4.3 稳定性验算

钢桩保险系数k=0.7

纵向弯曲系数φ=0.9

轴向压应力σ=P/A=764190÷0.02215584=34.49 MPa

摩擦桩的保险系数2 2σ= 2 × 34.49 =68.98 MPa

允许应力 kφ〔σ〕=0.7×0.9×170=107.1MP

68.98 MPa <107.1MPa

经验算稳定性符合要求。

4经济性分析

钢管桩基钢平台结构基础克服了软弱地层承载力不足的限制，与普通的钢筋混凝土塔吊基础相比具有以下优点。

1.地质适用性强

塔吊使用说明书中都会提供钢筋混凝土基础设计，但地基承力不满足要求时，无法直接套用说明书提供的基础设计，需要要对地基进行特殊处理。钢管桩钢平台结构基础地质适用性强，不需要对地基特殊处理就可以直接施工。

2.施工方便

钢筋混凝土基础施工一般包括开挖基坑、基地承载力检测、混凝土铺底找平、钢筋制作安装、模板安装、混凝土浇筑、拆模等，加上等待混凝土强度时间，整个过程一般都要15天以上。而钢管桩钢平台结构基础只需3天左右就可以完成。

3.材料可以多次周转利用

钢筋混凝土基础造价相对较低，但如进行特殊处理其造价也会大大增加，且使用过后只能废弃。钢管桩钢平台结构造价比钢筋混凝土基础要高，但基础平台可以拆下，管桩可以完整拔出，材料可以周转利用，报废后仍有回收价值。

参考文献

[1]长沙中联重工.QTZ63（TCT5010-4）平頭塔式起重机使用说明书.TCT5010-4_B 版.

[2]中国建筑工业出版社.《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）.

[3]蒲水山.怀新高速公路某大桥水中桩基施工平台搭设施工技术.交通科技.36（17）：38-39.