有限空间内钢管桩摩擦阻力计算

何 一 江

(浙江国丰集团有限公司，浙江 杭州 310000)

1 概述

在中小钢筋混凝土现浇桥梁修建中，钢管桩由于施工方便，承载能力强，常常作为现浇梁段支模架的桩基大量使用。施工方案中，为了获得足够安全余量，设计较为保守，设计桩长超过实际需要桩长较多，摩擦阻力远远超过实际需求，造成材料浪费，工期延长。由于打桩时桥梁尚未修建，打桩有足够的作业空间，可以较容易实现施工方案要求的桩长和摩擦力。桥梁修建完成后，根据河道管理部门要求，河道内钢管桩需要全部拔除。拔除作业时，钢管桩位于桥面结构下方，与桥面距离很小，同时桩身摩擦阻力大，大型拔桩机械没有足够作业空间，使得拔桩作业变得异常困难，常常成为中小桥梁后期施工难点问题。没有正确计算钢管桩摩擦阻力是产生以上问题的根本原因。

2 钢管桩摩擦阻力分布特征

钢管桩底面积较小，在黏土中底部桩头形成的端头承载力与桩身摩擦力相比可以忽略不计，因此钢管桩可以看做纯摩擦桩。主要依靠桩身与桩周土的摩擦力承担全部垂直载荷。钢管桩的摩擦阻力具有以下特征：

1)钢管桩的摩擦阻力大小与钢管桩和桩周土的相对位移正相关。摩擦阻力随着钢管桩与桩周土的相对位移增加而逐渐增大，当超过一定位移长度后不再增加，如图1所示。

2)摩擦阻力分布不是线性的。在一定载荷作用下，桩身摩擦阻力沿桩身呈曲线分布，在桩身和桩头部分摩擦阻力较小，中间部分逐渐增大，如图2所示。

3)摩擦阻力受桩群挤密效应影响。在小范围内大量施打钢管桩，桩周土被挤密，土压增大，摩擦阻力也随之增大。钢管桩密度越高挤密效应越强。

3 钢管桩摩阻力计算方法

在荷载作用下，截取一微段钢管桩。钢管桩摩擦阻力模型如图3所示。

根据摩擦力与压力平衡条件可得：

dp=u·qz·dz

(1)

其中，dp为钢管桩微段压力；dz为钢管桩微段长度；u为桩周长；qz为桩z点位置的摩擦阻力。

根据图2所示摩擦阻力分布曲线，摩擦阻力拟合方程为：

(2)

其中，qmax为桩最大摩阻力；z为钢管桩z处长度；s为桩身最大摩阻力位置；a为桩群挤压效应系数。

桩身最大摩阻力发生在桩与桩周土发生连续相对位移之前，在桩一定深度位置处土体竖向抗剪强度极限值。根据库仑定理：

qmax=k·r·s

(3)

其中，k为静止土压力系数；r为土重度。

由式(1)～式(3)得：

深度为h的钢管桩全段摩擦阻力值:

(4)

4 有限空间内钢管桩拔除实例

4.1 项目概况

在建快速路项目有一座跨河桥，跨径为(13+35+13)m，边跨采用13 m预制钢筋混凝土空心板，中跨采用35 m预应力钢筋混凝土现浇箱梁，下部结构采用扶壁式桥台接桩基础、桩柱式桥墩。现浇梁段施工采用钢管桩基础支撑，桩周土挤密效应较强。现浇梁段施工完成后，钢管桩与现浇梁段的垂直距离小于5 m。根据地勘报告，本工程地质情况如表1所示。

表1 工程地质情况

4.2 钢管桩摩阻力计算

施工方案中，中跨现浇段施工时采用80根φ800×10 mm钢管桩作为桩基，打桩深度17 m。

施工方案采用了以下计算方法。

P=(u∑αiLiτi+αAσR)。

其中，P为单桩轴向受压容许承载力,kN；M为安全系数，临时钢管桩取M=1.5；u为桩的周长，m，φ800钢管桩周长取2.513 3 m;Li为局部冲刷线以下各土层厚度，m，按表取值;τi为与Li对应的各土层的极限摩阻力,kPa，按表取值;αi，α分别为震动沉桩对各土层桩周摩阻力和桩底承压力的影响系数，对于锤击沉桩其值均取为1.0，在此均取1.0;A为桩的截面面积，m2，φ800钢管桩取0.024 8 m2；σR为桩尖处土的极限承载力,kPa。

根据施工方案中计算方法提供的数据，单桩摩擦阻力为352.5 kN。

根据式(4):

取a=15，u=0.8π m，k=0.827，r=20 kN/m3，s=8 m，h=17 m。

可得单桩摩擦阻力P=4 372.56 kN。

原有施工方案中的计算值是本文中计算值的8%，不同计算方法之间存在较大的差距。

4.3 有限空间钢管桩拔除施工

4.3.1钢管桩摩擦阻力的重要影响因素

钢管桩摩擦阻力大小与桩周土形态有密切关系。在拔桩过程中，如果能够通过外力改变桩周土形态，就能大幅度减少钢管桩摩阻力，从而降低拔桩难度。根据对振动条件下土壤液化特性的研究，河道内粉土和淤泥质黏土都是饱和土，当有振动力作用到饱和土上时，会破坏原有土颗粒之间的连接，土颗粒之间的孔隙水在原有结构破坏后会析出，造成了土颗粒与水分离，土颗粒在重力作用下出现下沉，孔隙水在土颗粒挤压下向上排出，土颗粒与孔隙水相对运动过程中，在达到新稳定状态前，土颗粒处于动态悬浮状态，土壤出现了液化现象，土压力出现大幅下降，此时钢管桩摩擦阻力也必然大幅下降。土壤液化成为降低钢管桩摩擦阻力的重要影响因素。因此，在拔桩作业中促进桩周土液化是重要技术措施。

4.3.2钢管桩拔除的环境因素

如图4所示，钢管桩位于现浇梁段正下方，桩头露出水面0.3 m，与箱梁底部垂直距离4.2 m，横向桩间距0.2 m，纵向桩间距1.2 m，桩长17 m。为获得足够作业空间，拔桩作业中需要围绕作业区域设置一道围堰，排除围堰内积水后，向下挖掘1 m。围堰内比河道水位低0.5 m。为确保施工作业期间围堰稳定，避免出现围堰垮塌现象，拔桩作业前应当查询河道水文资料，结合当地气候特征，选择在雨水少，河流水位稳定期间进行施工作业。本例中，施工现场位于杭嘉湖平原河网密集地区，春季湿润多雨、夏季多台风，冬季湿冷，只有每年10月～12月期间，天气干燥，雨水少适合施工。因此项目部决定在10月下旬开始拔桩作业。

4.3.3钢管桩拔除施工方法

钢管桩摩擦阻力理论计算值与施工方案中提供的数值存在较大差距，为确保拔桩成功，项目部决定按理论计算值设计拔桩方案。设置一块面积12 m2的10 mm厚钢板作为基础，在基础上安装两根单根最大推力3 700 kN液压油缸提供向上拉力，同时采用550型打桩机提供振动力，促使桩周土壤液化，减少钢管桩摩擦阻力。在拔桩作业中通过液压油缸和打桩机配合作业，可以有效分段拔除钢管桩。具体装置如图5所示。

4.3.4钢管桩拔除作业情况总结

在实际施工中发现仅仅依靠液压油缸提供的7 400 kN拉力无法拔动钢管桩，说明钢管桩实际摩擦阻力远大于7 400 kN。在施工方案中使用的钢管桩计算方法没有综合考虑钢管桩摩阻力分布特征，采用了简单数学计算模型，且数据设置过于保守，造成计算结果与实际值差距较大。从而增加钢管桩数量和打桩深度，大大增加工程成本，延长工期，给后续拔桩工作造成不必要的困难。理论计算值4 372.56 kN，与工程实践中两根3 700 kN液压油缸配合550打桩机产生的拉拔力仍有差距。但与施工方案中提供的数据相比，误差已经小了很多。如果采用理论数据作为施工依据，并通过试桩确定一个较为准确的摩擦阻力数值，可以减少钢管桩的数量，降低打桩深度，节约成本，缩短工期，也为后续拔桩工作创造有利条件。

5 结语

1)钢管桩摩擦阻力沿桩长方向非线性分布，同时摩擦阻力与桩承受的载荷相关，还受到桩群挤密效应的影响。尤其是桩群挤密效应对摩擦力的影响较大，要获得精确的摩擦阻力数据还需要实测确定影响因素的参数。

2)在桩基施工方案制定过程中，可通过本文介绍的计算方法计算桩的摩擦阻力，并通过试桩验证，合理确定桩长，节约成本，缩短工期。

3)在有限空间下钢管桩拔除作业中，应综合考虑对钢管桩摩擦阻力的影响因素，利用计算公式计算桩的摩擦阻力，为拔桩施工方案设计提供依据，采用多种机械促进桩周土液化，实现顺利拔桩。