淺析鋼便橋樁基礎的設計和施工設備選型

王業強WANG Ye-qiang

（中交第三航務工程局有限公司寧波分公司，寧波315200）

1 工程概況

本標段為中國交建馬來西亞東海岸鐵路項目2 標段，里程樁號為CH21+000 至CH87+643，長度66.643km。區段內橋梁共計27 座，總長10025.86 延米；其中大橋24座，特大橋3 座。應當地政府要求及根據實際情況需設置便橋18 處。棧橋平行于主線，棧橋采用9m 一跨的標準棧橋設計，橋面寬6m。

2 鋼便橋結構設計

鋼便橋設計標準：設計荷載為公路-Ⅰ級；施工控制活載是55t 履帶吊、90t 旋挖鉆機、運土車、混凝土運輸車通行。設計行車速度為10km/h。設計使用壽命為4 年。

2.1 鋼便橋橋面高程確定

根據雨季河流水位漲落情況，便橋橋下凈空基于雨季常水位取1.5m，則橋面標高=雨季常水位水面標高+150cm凈空+86cm 上部結構高度。

2.2 鋼便橋基礎設計

采用Φ630×10mm 鋼管樁，每個排架處橫向設置2根。鋼管樁基礎按摩擦樁進行設計計算，鋼管樁施工時采用激振力和貫入度雙控，以激振力為主。

2.3 鋼便橋上部結構設計

便橋上部結構均采用型鋼，從上到下依次是12mm花紋鋼板、HN200×100 分配梁、雙拼HN450×200 縱向承重梁、雙拼HN200×100 橫向連系梁、雙拼HN450×200 橫向承重梁、樁頂牛腿、HN200×100 平聯、Φ630×10mm 鋼管樁。

各型鋼之間通過焊接連接，縱向雙拼HN450×200 承重梁與橫向雙拼HN450×200 承重梁之間采用焊接+槽鋼錨固連接（如圖1 所示）。

3 鋼管樁沉樁設備的選擇

3.1 樁基承載力和樁長計算

根據各座鋼便橋所處的區域地質勘察情況，鋼便橋樁基選擇直徑為Φ630×10mm 鋼管樁。90t 旋挖鉆機處于樁頂正上方時，此時鋼管樁受力最大，單樁承載能力為570kN，考慮安全系數為2.0，單樁極限承載能力為1140kN。

圖1 鋼棧橋典型剖面圖

以23# 橋鋼便橋樁長計算為例，參考離鋼便橋最近的勘探孔DZ-A-BR-184，對各種土層進行分層，分別求出每層土層的摩阻力，進行求和，再加上樁端力，就是單樁極限承載能力。

單樁極限承載力計算公式為：Qu=∑fs×As+Qb×Ab，其中fs=2.5*SPT 且不大于100；As 為樁外壁與相應土層的接觸面積；Qb=250N 且不大于10000；Ab 為樁底接觸面積（如表1 所示）。

鋼便橋樁基選擇直徑為Φ630×10mm 鋼管樁，單樁長長 度 為18.3 +（21.1 -18.3）* （1140 -971）/（1234 -971）=20.1m，鋼管樁入土深度暫估為18m。

3.2 振動錘選擇

3.2.1 振幅A0的確定

鋼管樁沉放時，使樁發生震動的必要振幅為A0，要大于樁接觸土的瞬間彈性壓力，必要振幅對地基土的硬度比為：A0≥N/125+0.3=0.45cm。

其中N 為相應土層的標貫擊數，本次計算根據粗礫砂層標貫擊數，取N=19。

3.2.2 偏心力矩K 及振動錘必要重力QB的確定

在確定了必要的振幅A0后就可以得到偏心力矩K：

K≥A0（QB+QC）

表1 單樁承載力計算表

式中：QB為振動錘重力，QB=1664·K1/2；

QC為鋼管樁重力，長度為20.1m 的Φ630×10mm 鋼管樁重力為29748N，即QC=29748N。

由此解得偏心力矩K=252N·m，QB=26415N。

3.2.3 起震力P0的確定

起震力P0必須大于土和鋼管樁之間的動摩擦力Tv，即：P0≥Tv=μT

式中：Tv 為動摩擦力；

μ 為動摩擦力系數，與震動加速度η 有關，其中，η=P0/（QB+QC）=Tμ/（QB+QC）；

T 為靜摩擦力，按鋼管樁的單樁承載力的2 倍取值，依據鋼便橋計算書可知，單樁極限承載力為570kN，所以T=1140kN。

將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 為樁土極限動摩擦系數。根據經驗值，在砂質土中μmin=0.15，在淤泥質黏土中μmin=0.06，在黏土中μmin=0.13。本工程鋼便橋沉樁區域以砂質土為主，本次計算取μmin =0.05；

β 為降低系數，鋼管樁為0.52。因此公式轉化為：

μ=0.05+0.85e-0.52η

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

由此得到：

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

3.2.4 振動錘的選定

綜上所述，振動錘的選定必須滿足以下情況：

②偏心力矩≥K=252N·m；

③振動錘必要質量QB（包括夾樁器質量）≥2642kg；

④起震力P≥P0=258.8kN。

所選擇的Model 416 液壓振動錘相關參數見表2所示。

通過表2 我們可以看出Model 416 液壓振動錘激振力為355kN，振動錘加備件重量為5.215t，可以滿足我們拔樁的需要的，所以拔樁時決定采用Model 416 液壓振動錘。

4 起重設備選擇

起重設備的起吊重量必須是大于振動錘重力（包括夾樁器重量）+鋼管樁重力+樁土摩擦力。

表2 Model 416 液壓振動錘參數表

選用Model 416 液壓振動錘，最大振動力為790kN，振動錘 質 量 為5.215t， 所以（QB+QC）=52.15 +29.748 =81.9kN。

為解決手動設定初始值的問題，本文研究并設計了一種基于支持向量機（SVM）的改進型卡爾曼濾波算法。通過采用支持向量機二分類算法[13-14]，智能判斷并選取合法的輸入數據xi作為初始值。工作流程如圖4所示。

η=P0/Q0=P0/（QB+QC）=790/81.9=9.646

μ=0.05+0.85e-0.52η=0.156

樁身動態摩阻力Tmin=Tμ=1140×0.156=177.84kN。

所以拔樁時所需起重力為樁錘總重加鋼管動摩擦力之和：81.9+177.846=259.74kN。

綜上所述，吊車的最大吊重為26t，根據現場施工作業半徑和吊重進行吊車選型。

5 結束語

本文結合馬來西亞東海岸鐵路項目2 標段的鋼便橋實例，對鋼便橋結構的進行設計、對樁基礎的承載力和樁長進行計算、對用于沉樁的振動錘和吊車進行計算和選型，保證了鋼便橋順利施工。本文對類似鋼便橋的結構設計計算和施工設備選型具有一定的參考價值。