浅析钢便桥桩基础的设计和施工设备选型

王业强WANG Ye-qiang

（中交第三航务工程局有限公司宁波分公司，宁波315200）

1 工程概况

本标段为中国交建马来西亚东海岸铁路项目2 标段，里程桩号为CH21+000 至CH87+643，长度66.643km。区段内桥梁共计27 座，总长10025.86 延米；其中大桥24座，特大桥3 座。应当地政府要求及根据实际情况需设置便桥18 处。栈桥平行于主线，栈桥采用9m 一跨的标准栈桥设计，桥面宽6m。

2 钢便桥结构设计

钢便桥设计标准：设计荷载为公路-Ⅰ级；施工控制活载是55t 履带吊、90t 旋挖钻机、运土车、混凝土运输车通行。设计行车速度为10km/h。设计使用寿命为4 年。

2.1 钢便桥桥面高程确定

根据雨季河流水位涨落情况，便桥桥下净空基于雨季常水位取1.5m，则桥面标高=雨季常水位水面标高+150cm净空+86cm 上部结构高度。

2.2 钢便桥基础设计

采用Φ630×10mm 钢管桩，每个排架处横向设置2根。钢管桩基础按摩擦桩进行设计计算，钢管桩施工时采用激振力和贯入度双控，以激振力为主。

2.3 钢便桥上部结构设计

便桥上部结构均采用型钢，从上到下依次是12mm花纹钢板、HN200×100 分配梁、双拼HN450×200 纵向承重梁、双拼HN200×100 横向连系梁、双拼HN450×200 横向承重梁、桩顶牛腿、HN200×100 平联、Φ630×10mm 钢管桩。

各型钢之间通过焊接连接，纵向双拼HN450×200 承重梁与横向双拼HN450×200 承重梁之间采用焊接+槽钢锚固连接（如图1 所示）。

3 钢管桩沉桩设备的选择

3.1 桩基承载力和桩长计算

根据各座钢便桥所处的区域地质勘察情况，钢便桥桩基选择直径为Φ630×10mm 钢管桩。90t 旋挖钻机处于桩顶正上方时，此时钢管桩受力最大，单桩承载能力为570kN，考虑安全系数为2.0，单桩极限承载能力为1140kN。

图1 钢栈桥典型剖面图

以23# 桥钢便桥桩长计算为例，参考离钢便桥最近的勘探孔DZ-A-BR-184，对各种土层进行分层，分别求出每层土层的摩阻力，进行求和，再加上桩端力，就是单桩极限承载能力。

单桩极限承载力计算公式为：Qu=∑fs×As+Qb×Ab，其中fs=2.5*SPT 且不大于100；As 为桩外壁与相应土层的接触面积；Qb=250N 且不大于10000；Ab 为桩底接触面积（如表1 所示）。

钢便桥桩基选择直径为Φ630×10mm 钢管桩，单桩长长 度 为18.3 +（21.1 -18.3）* （1140 -971）/（1234 -971）=20.1m，钢管桩入土深度暂估为18m。

3.2 振动锤选择

3.2.1 振幅A0的确定

钢管桩沉放时，使桩发生震动的必要振幅为A0，要大于桩接触土的瞬间弹性压力，必要振幅对地基土的硬度比为：A0≥N/125+0.3=0.45cm。

其中N 为相应土层的标贯击数，本次计算根据粗砾砂层标贯击数，取N=19。

3.2.2 偏心力矩K 及振动锤必要重力QB的确定

在确定了必要的振幅A0后就可以得到偏心力矩K：

K≥A0（QB+QC）

表1 单桩承载力计算表

式中：QB为振动锤重力，QB=1664·K1/2；

QC为钢管桩重力，长度为20.1m 的Φ630×10mm 钢管桩重力为29748N，即QC=29748N。

由此解得偏心力矩K=252N·m，QB=26415N。

3.2.3 起震力P0的确定

起震力P0必须大于土和钢管桩之间的动摩擦力Tv，即：P0≥Tv=μT

式中：Tv 为动摩擦力；

μ 为动摩擦力系数，与震动加速度η 有关，其中，η=P0/（QB+QC）=Tμ/（QB+QC）；

T 为静摩擦力，按钢管桩的单桩承载力的2 倍取值，依据钢便桥计算书可知，单桩极限承载力为570kN，所以T=1140kN。

将T、QB和QC代入公式η=Tμ/（QB+QC）得：

η=20.3μ

又，μ=μmin+（1-μmin）e-βη

式中，μmin 为桩土极限动摩擦系数。根据经验值，在砂质土中μmin=0.15，在淤泥质黏土中μmin=0.06，在黏土中μmin=0.13。本工程钢便桥沉桩区域以砂质土为主，本次计算取μmin =0.05；

β 为降低系数，钢管桩为0.52。因此公式转化为：

μ=0.05+0.85e-0.52η

由式η=20.3μ 和式μ=0.05+0.85e-0.52η，计算得：η=4.6081，μ=0.227。

由此得到：

P0=η（QB+QC）=4.6081×（26415+29748）=258.8kN

3.2.4 振动锤的选定

综上所述，振动锤的选定必须满足以下情况：

②偏心力矩≥K=252N·m；

③振动锤必要质量QB（包括夹桩器质量）≥2642kg；

④起震力P≥P0=258.8kN。

所选择的Model 416 液压振动锤相关参数见表2所示。

通过表2 我们可以看出Model 416 液压振动锤激振力为355kN，振动锤加备件重量为5.215t，可以满足我们拔桩的需要的，所以拔桩时决定采用Model 416 液压振动锤。

4 起重设备选择

起重设备的起吊重量必须是大于振动锤重力（包括夹桩器重量）+钢管桩重力+桩土摩擦力。

表2 Model 416 液压振动锤参数表

选用Model 416 液压振动锤，最大振动力为790kN，振动锤 质 量 为5.215t， 所以（QB+QC）=52.15 +29.748 =81.9kN。

为解决手动设定初始值的问题，本文研究并设计了一种基于支持向量机（SVM）的改进型卡尔曼滤波算法。通过采用支持向量机二分类算法[13-14]，智能判断并选取合法的输入数据xi作为初始值。工作流程如图4所示。

η=P0/Q0=P0/（QB+QC）=790/81.9=9.646

μ=0.05+0.85e-0.52η=0.156

桩身动态摩阻力Tmin=Tμ=1140×0.156=177.84kN。

所以拔桩时所需起重力为桩锤总重加钢管动摩擦力之和：81.9+177.846=259.74kN。

综上所述，吊车的最大吊重为26t，根据现场施工作业半径和吊重进行吊车选型。

5 结束语

本文结合马来西亚东海岸铁路项目2 标段的钢便桥实例，对钢便桥结构的进行设计、对桩基础的承载力和桩长进行计算、对用于沉桩的振动锤和吊车进行计算和选型，保证了钢便桥顺利施工。本文对类似钢便桥的结构设计计算和施工设备选型具有一定的参考价值。