地下超深护筒支护方法

1、地下超深护筒支护方法 提要 本文结合事例，分析打入地下的钢护筒的稳定性，提出增强稳定性的公式和措施。键关词 超深护筒 稳定性 支护方法1 问题的提出：钢护筒作为桥梁桩基础施工中外围松散土体和水压的支护方法被广泛应用。有些特大桥梁中还将钢护筒打入地下很深而在中间钻孔。在内外压力差不大的情况下，钢护筒的稳定是没有问题的。但是一旦护筒受到外侧压力比内侧压力大很多的情况，就必须考虑护筒的稳定性问题，防止护筒因局部失稳而破坏。2 理论分析：本文中保证钢护筒不失稳的思路是：1加强钢护筒的某些断面，首先保证这些断面不失稳。2推算这些断面的间距，使这些断面间的光圆护筒不失稳。2.1 加强断面稳定性判断：我们首

2、先推导有内支撑的钢护筒在环向均荷载作用下的稳定方程。取钢护筒上一个波段作分析计算,如图（一）。可以证明最小临界荷载发生在反对称变形情况下（限于篇幅，此处从略），如图二。 设u、分别为圆环横截面的环向位移、径向位移、转角和弯矩，则下式成立： 令 ，则（式三）的一般解为： 并由（式一）、（式二）得：另外，转角反对称失稳时，、M均应为的奇函数，u、均应为的偶函数。故有如下方程组： (式四)当=时，u = 0，= 0，=0，M =M0 =0故（式四）变为：即要使上式中A0、A2、A4、0不全为零，则其系数行列式应为零： = 0 化简后得： 0 0, 0 即 (式五)这就是所要求的稳定方程。通过该式求得

3、大于1的最小正值n后代入 即可得到最小临界荷载： ) 进而可得临界应力 (t为护筒壁厚， 为计算的护筒长度)，再由欧拉公式可得“相当”压杆的长细比：按计算所得长细比值即可从钢结构设计规范中查得折减系数，进而求得壳体稳定的应力。与实际应力比较即可判断护筒加强断面的稳定性。2.2 加强断面间光壁护筒稳定性判断：稳定方程为： (式七)式中 、 各符号的物理意义：qc:临界荷载作用下每单位宽度的圆环切线方向的横向力（内 力）； n: 在钢护筒壳丧失稳定性时沿它圆周的波数； E: 护筒弹性模量； t: 护筒壁厚； R: 护筒半径； l: 加强断面间的距离； : 泊松比。该稳定方程在铁路工程设计技术手册桥

4、梁地基和基础（1978年2月第1版）中有详述，本文不再详细讨论。 3 实例分析： 某斜拉桥江中主塔墩3#桩，地质情况： 上面有4.5m厚淤泥覆盖层，其下为21.54m厚的淤泥质亚粘土。钢护筒韧脚标高-18.0m，护筒直径3.0m，壁厚14mm。钻孔桩直径2.0m。钻孔到位后水封至-24.6m标高时由于混凝土输送泵管堵塞而混凝土没有封至设计桩顶。此时水封混凝土顶在护筒韧脚下6.6m处。我们当时的处理办法是：（1）将钢护筒继续震打下沉至韧脚标高-25.4m处。（2）检算钢护筒稳定性，对钢护筒进行加固处理。（3）抽干护筒里面的水，下人按接桩要求进行桩头处理。（4）在护筒内没有水的环境下进行干封混凝土

5、至设计桩顶标高处。下面作者按本文中提出的检算办法对该护筒进行稳定性检算。3.1 基本资料钢护筒侧淤泥质亚粘土：容重0=2.71t/m3 孔隙比 e=0.937计算得其浮容重u为： 另外，为简化计算，淤泥层按淤泥质亚粘土考虑。3.2 钢护筒外侧作用力计算： -2.5m标高处：q=4.5t/m2 -2.5-25.4m标高处： 3.3 判断是否需要加设内支撑：假设没有设置内支撑，钢护筒在周围均布荷载作用下，其临界荷载为： （见李廉锟主编结构力学第二版 下册 p114） 其中：E=2.1×106 kg/cm2 （取1cm长护筒计算）R=150cm 而在-2.5m 标高处：q=4.5t /m

6、2 = 0.45 kg /cm2 > qc 可见，如果护筒内抽干水的话，-2.5m标高以下部分外侧荷载与内侧荷载之差均超过了护筒的临界荷载，故护筒将会失稳。为保证其稳定性，必须对护筒进行加固。3.4 护筒的加固处理：3.4.1 安全系数的考虑：实际的钢护筒与理论的钢护筒存在下列差别：（1）实际钢护筒的板材存在允许公差（初挠度），这对钢护筒的稳定不利。 （2）由于施工工艺的原因，钢护筒不是绝对的圆形。（3）由于地基的不均质，钢护筒在打入地下时可能就已变形（该项在护筒内由上而下逐层加固时可以发现）。同时考虑到护筒内将要下人进行施工作业，故钢护筒的安全系数应取大些。结合工地护筒实际情况，按安全

7、系数 k=2.5 检算。另外，因钢护筒纵向不受自重以外的荷载作用，考虑护筒侧摩阻力后可以认为钢护筒纵向不会失稳。以下仅考虑钢护筒的横向稳定问题。3.4.2 图（五）中第一、二加强断面采用以下加固方式：由于没有钢筋笼的阻碍，可在护筒内加设一个井字架将护筒等分成八等份。 稳定方程为（式五）其中，R=150cm （取0.5m长护筒计算）井字架为10型槽钢焊成，查表得10型槽钢惯性矩I1=198.3cm4用图乘法求： 如右图=206153465 kg-cm代入（式五）得： 即 由上式得大于1的最小 n 值为 11.45由（式六）得临界荷载： 查表得：=0.622-8.0m标高处，q=1.667

8、5;5.5+4.5=13.7 t / m2 =.37 kg /cm2 （可）3.4.3 图（五）中第三九加强断面采用下列方法加固：钢筋笼每隔2 米有一个内环筋（18mm 筋），内环筋还有短钢筋加劲。加固时在该断面采用20筋和75×75× 8 角钢将护筒和钢筋笼焊连成一体。 如图（七）3.4.3.1 判断该截面是否会作椭圆状失稳：稳定方程：考虑到钢筋笼的偏差，AA 截面最小惯性矩为： I=623cm4 （取0.5米长护筒计算） 查表得： = 0.706则容许应力 最下层加强截面设置在-23m标高处，该处护筒外侧压应力为 q=1.667×20.5+4.5 =38.7

9、(t / m2) = 3.87 kg /cm2护筒内压应力为 （可）故加强断面不会作椭圆状失稳。3.4.3.2 求护筒作8个波长反对称失稳时的临界荷载：可将支撑简化为图（八）所示，虚线表示其失稳时的形态。稳定方程为（式五）其中 （按0.5m长护筒计算）, 为内支撑角钢的计算长度，为其惯性矩。代入（式五）得： 即 由上式得大于1的最小 n 值为 10.75由(式六)得临界荷载: 查表得: =0.57则容许应力 加强断面不会作8个波长反对称失稳。由a、b可以判定，加强断面不会失稳。3.4.4 二加强断面间光壁护筒的稳定判断: 稳定方程为(式七) 其中 取整数 n=7代入(式七)得: qc=2045 kg/cm查表得：=0.5则容许应力 -24.6m标高处光壁护筒实际应力： 其它光壁护筒实际