桩土结合的塔机低桩基础应用技术研究

杨传辉，吴焕荣，蔡 俊，叶庆鹏

（1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 芜湖 241000；2.济南万天机械设备有限公司，山东 济南 250000）

随着社会的不断进步，城市建设的不断深入发展，各种类型的高层、超高层、桥梁等不断涌现，大型起重设备的使用量也逐年递增。同时也带来了大量的设备安装问题，如塔机基础位置地质结构复杂、塔机安装距离远、安装空间狭窄、施工范围有限等等。

本文就塔机基础位置地质结构复杂问题，结合工程实例对塔机基础的设计进行了详细的阐述，并采用桩—土—承台结合的计算方式解决塔机基础不均匀沉降问题。

1 工程背景

济南凤凰路黄河大桥总长3 713.2m。包含跨越黄河段大桥，路线长3 348m，其余均为路基段。本文论述的塔式起重机（以下简称塔机）安装于PF25#墩。PF25#墩承台顶标高+25m，深度5m，承台下布置35 根∅2 000mm 钻孔灌注桩，桩身长度60m。在PF25#墩西侧需要安装1台2 200tm 塔机。

2 工程难点

PF25#桥塔施工阶段，塔机主要负责钢塔阶段的吊装，在25m 幅度需要吊装90t 荷载。但安装塔机之前，钢箱梁桥面已经布置到位，只在桥墩处留有一处开口，故塔机安装位置只有一处，如图1 所示。

图1 塔机安装平面位置

塔机基础中心位于PF25#墩下游侧19m处，塔机基础底标高为+25m，该位置处于PF25#墩承台的边缘。

在此处设置基础，基础会有1/3 坐落在PF25#墩承台上，2/3 坐落土壤上(该处土层地基承载力特征值为150kPa)。采用换填垫层的方法虽然可以满足基础稳定性要求，但由于塔机基础底面持力层承载力相差太大，会出现不均匀沉降的现象。

因此有效控制塔机基础不均匀沉降量成为本基础设计的主要难点。

3 基础设计方案

传统的解决方案一般采用深桩基承台方法，传统桩基的设计方法一般考虑上部荷载全部由桩来承担，不考虑承台下地基土的承载作用，把其作为安全储备。

但是由于现场施工环境恶劣，施工空间有限，深桩基施工十分困难，只能制作有限深度的桩基。

单独采用低桩基设计时发现，在桩深有限的情况下，只考虑桩基承载的计算方法不能有效降低该塔机基础沉降量。

GB 50007-2012《建筑地基基础设计规范》中指出桩基设计时，可以结合地区经验考虑桩-土-承台的共同工作。因此在该工程实例中采用低桩基与土壤结合计算的方式设计塔机基础。在土壤侧布置4 根钢管桩，直径800mm，壁厚10mm，间距3m，桩中心距离承台边缘8.6m，桩深23m，桩顶设置12m×12m×2.2m 矩形承台，承台底部换填1m 块石。塔机基础剖面图如图2 所示。塔机基础平面图如图3 所示。

图2 塔机基础剖面图

图3 塔机基础平面图

根据文献[4]～[8]相关研究，结合由前人提出的竖向荷载桩土分担比，在前人研究的基础上确定该工程实例桩土荷载分担比。该工程实例塔机基础考虑桩基承受约70%的总荷载，基础承台底面土层承受30%的总荷载。

4 基础设计计算

4.1 塔机基础荷载

塔机基础荷载如表1 所示。

表1 塔机基础荷载

4.2 桩基计算

4.2.1 桩竖向力计算

1）非工作状态桩竖向力计算

2）工作状态桩竖向力计算

4.2.2 桩竖向承载力验算

取工作状态下的桩竖向力进行计算，轴心竖向力作用下，Qk=1110.9kN；偏心竖向力作用下，Qkmax=1861.5kN，桩基竖向承载力必须满足式(7）、式(8)

单桩竖向承载力特征值按式(9)计算

式中Ra──单桩竖向承载力特征值；

qsik── 第i层岩石的桩侧阻力特征值；按表1 取值；

qpa──桩端端阻力特征值，按表1 取值；

u──桩身的周长，u=2.51m；

Ap──桩端面积，取Ap=0.5m2；

li── 第i层土层的厚度，取值如下表（特征值取标准值的1/2）。

施工单位提供的PF25#墩CZK19#孔的地质参数，厚度及侧阻力标准值表如表2 所示。

表2 土层参数指标

桩的入土深度为23m，所以桩端是在第6 层土层。

根据式(9) 计算最大竖向承载力Ra=1577.69kN

取23m 深度桩承载力计算值为桩的竖向承载力特征值Ra=1577.69kN，

根据式（7)计算：Ra=1577.69>Qk=1110.9kN；

根据式(8)计算：1.2Ra=1893.2>Qkmax=1861.5kN。

因此，低桩基单桩竖向承载力满足安全使用要求。

4.3 低桩基础沉降量分析

施工单位提供的《单桩竖向抗压静载荷试验检测报告》中29m 桩深单桩极限承载力为2 490kN。

考虑单桩竖向抗压静载荷试验时最大加载为2 490kN，且之后终止加载，试验报告提供的Q-S曲线（图4）显示也未出现明显陡降，总沉降量结果为16.92mm<40mm，可以判定单桩极限承载力仍有较大综合安全系数。

图4 单桩竖向抗压测试报告Q-S曲线图

同时结合施工单位提供的25#墩CZK19#孔的地质参数，根据式(9)计算29m 桩深单桩竖向承载力Ra=1897.72kN，由此看出29m 桩深单桩竖向极限特征承载力试验值大于计算值，因此判定23m 桩深，单桩竖向承载力特征值也应大于计算值1 577.69kN，23m 桩深单桩竖向承载力一定满足安全使用要求，同时仍有较大综合安全系数。

根据GB 50007-2002《建筑地基基础设计规范》，

式中s——桩基最终计算沉降量（mm）；

m——桩端平面以下压缩层范围内土层总数；

Esj，i——桩端平面以下第j层土第i个分层在自重应力至自重应力加附加应力作用段的压缩模量（MPa）；

nj——桩端平面下第j层土的计算分层数；

Δhj，i——桩端平面下第j层土的第i个分层厚度（m）；

σj，i——桩端平面下第j层土第i个分层的竖向附加应力（kPa）；

φ——桩基沉降计算经验系数。

结合施工单位提供的PF25#墩CZK19#孔的地质参数，根据式(10) 计算，23m 桩基在1 861.5kN 竖向力作用下，单桩沉降量S=13.5mm，满足塔机安全使用要求。

5 实施结果对比分析

为保证塔机使用的安全性并验证桩基沉降分析结果，在基础施工完成后，在基础顶面4 个角分别做了沉降观测基准点（图5）。

图5 沉降观测基准点

塔机正常工作后，按照每周1 次进行了沉降观测，观测结果如表3 所示。

表3 沉降量数据统计表 (mm)

经观测，塔机在安装之后第四周后，基础不再出现沉降现象，最终沉降量为5mm，满足塔机安全使用要求。

6 结语

该工程项目塔机安全顺利地完成了项目作业，并且已经安全拆除。在整个塔机的施工周期内基础未出现明显沉降现象。

该工程实例的成功应用表明塔机基础的桩土荷载分担比：桩基承受约70%的总荷载，基础承台底面土层承受30%的总荷载，相对合理，但更为精确的荷载分担比还需要进行进一步的理论与实际验证。

同时本文通过结合该工程实例，采用桩-土-承台结合的方式设计的塔机低桩基础，解决了非均质土层环境下塔机基础不均匀沉降的问题，为之后类似工程项目提供了借鉴经验。