海上测风塔基础的桩身强度与稳定性

海上测风塔基础中桩基以钢管桩为主，一些情况下也采用灌注桩。钢管桩的强度与稳定性验算采用基础钢结构的相关验算方法，但在稳定性计算时桩身压屈计算长度的确定按受压桩、抗拔桩、水平受荷桩和其他要求等4部分进行分析。

1.受压桩

桩身强度与稳定性验算应考虑桩身材料强度、成桩工艺、吊运与沉桩、约束条件和环境类别等因素的影响。钢筋混凝土轴心受压桩正截面受压承载力应满足桩顶所受轴向荷载的要求。桩身混凝土的受压承载力是桩身受压承载力的主要部分，但其强度和截面变异程度受成桩工艺的影响。桩身的箍筋不仅起到水平抗剪作用，更重要的是对混凝土起侧向约束增强作用。桩身纵向主筋的承压作用在一定条件下可计入桩身受压承载力。

当桩顶以下5d（d为桩径）范围的桩身螺旋式箍筋间距不大于100mm，且符合对灌注桩配筋率、配筋长度以及主筋和箍筋布置要求时，荷载效应基本组合下桩顶轴向压力设计值N应满足[12]

式中 ψc——桩的成桩工艺系数；

fc——混凝土轴心抗压强度设计值；

f′y——纵向主筋抗压强度设计值；

A′s——纵向主筋截面面积；

Aps——桩身横截面积。

当桩身配筋情况达不到对桩基主筋和箍筋基本作用要求时，验算桩顶轴向压力设计值N是否满足要求，不考虑主筋的抗压作用，即

对于成桩工艺系数的取值，混凝土预制桩、预应力混凝土空心桩对应的ψc=0.85，主要考虑其在沉桩后桩身经常出现裂缝；干作业非挤土灌注桩对应的ψc=0.9；泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩、挤土灌注桩对应的ψc=0.7～0.8；软土地区挤土灌注桩对应的ψc=0.6；对于泥浆护壁非挤土灌注桩应视地层土质情况选取ψc值，对于易塌孔的流塑状软土、松散粉土、粉砂，宜取ψc=0.7。

计算轴心受压混凝土桩正截面受压承载力时，一般取稳定系数φ=1.0。对于高承台桩、桩身穿越可液化土或不排水抗剪强度小于10kPa的软弱土层的桩，应考虑压屈影响，式（7-85）和式（7-86）中计算所得桩身正截面受压承载力应乘以φ予以折减。其稳定系数φ可根据桩身压屈计算长度lc和桩的设计直径d（或矩形桩短边尺寸b）确定。

对桩进行稳定计算时桩的计算长度需根据桩顶的约束情况、桩身露出地面的自由长度l0、桩的入土长度h、桩侧和桩底的土质等条件确定，如表7-3所示。桩的稳定性系数φ按照表7-4确定。

表7-3中，α为桩的水平变形系数，按式（6-24）计算。当桩顶自由时，桩的入土深度需大于4.0/α。当桩侧有厚度为dl的液化土层时，桩露出地面长度l0和桩的入土长度h分别调整为l′0=l0+（1-αe）dl和h′=h-（1-αe）dl，其中αe为土层液化影响折减系数，取值如表6-10所示。当桩周存在地基承载力特征值fak＜25k Pa的软弱土时，按液化土处理。

表7-3　桩身计算长度lc13

表7-4　桩身稳定系数φ[12]

注：b为矩形桩短边长；d为桩直径。

2.抗拔桩

钢筋混凝土轴心抗拔桩的正截面受拉承载力应符合

式中 N——荷载效应基本组合下桩顶轴向拉力设计值；

fy、fpy——普通钢筋、预应力钢筋的抗拉强度设计值；

As、Apy——普通钢筋、预应力钢筋的截面面积。

抗拔桩还应进行桩身裂缝计算，将在本节第四部分与钢筋混凝土承台结构裂缝计算一并进行介绍。

3.水平受荷桩

对于受水平荷载作用的桩，应进行桩身正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力的验算。

沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面桩（图7-2），其正截面受弯承载力M计算为[14]

图7-2　沿周边均匀配筋的圆形截面[14]

式中 α1——系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α1=1.0，当混凝土强度等级为C80时，α1=0.94，其间按线性内插法确定；

fc——混凝土轴心抗压强度设计值；

A——圆形截面面积；

r——圆形截面的半径；

α——对应于受压区混凝土截面面积的圆心（rad）与2π的比值；(www.xing528.com)

fy——钢筋抗拉强度设计值；

As——全部纵向钢筋的截面面积；

rs——纵向钢筋重心所在圆周的半径；

αt——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，α＞0.625时，取αt=0。

沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面桩，其斜截面受剪承载力V计算为[14]

式中 αcv——斜截面混凝土受剪承载力系数，一般可取0.7；

ft——混凝土轴心抗拉强度设计值；

b——截面宽度；

h0——截面有效高度；

r——圆形截面的半径；

fyv——箍筋的抗拉强度设计值；

Asv——配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积，即n Asv1，n为同一个截面内箍筋的肢数，Asv1为单肢箍筋的截面面积；

s——沿长度方向的箍筋间距。

作为受弯构件还应满足受剪截面要求，即

式中 βc——混凝土强度影响系数，当混凝土强度等级不超过C50时，取βc=1.0；当混凝土强度等级为C80时，取βc=0.8；其间按线性内插法确定；

fc——混凝土轴心抗压强度设计值。

4.其他要求

桩基在使用期和施工期应分别进行强度和稳定性验算。钢管桩壁厚包括有效厚度和预留腐蚀厚度，有效厚度为管壁在外力作用下所需要的厚度，预留腐蚀厚度（或腐蚀裕量）为桩基在使用年限内管壁腐蚀所需要的厚度，预留腐蚀厚度将在第8章中介绍。钢管桩计算时，使用期管壁计算厚度应取有效厚度，施工期可根据施工期限、防腐蚀效果，计算厚度取有效厚度加全部或部分预留腐蚀厚度。

钢管桩外径与厚度之比不宜大于100。钢管桩沉桩困难时，抗锤击要求的最小厚度可按经验确定，也可估算为

式中 t——钢管桩抗锤击要求的最小壁厚，mm；

d——钢管桩外径，mm。

对于打入式钢管桩，还应验算桩身局部压屈。海上测风塔桩基的桩径较大，当桩径大于900mm时，钢管桩壁厚t与外径d应满足：

式中 f′y——钢材抗压强度设计值；

E——钢材弹性模量。

在钢管桩内浇筑混凝土所形成的钢管混凝土桩，应按照钢管混凝土结构来计算，可参照相关标准或经验方法。

当采用灌注桩形式计算桩在轴心受压荷载或偏心受压荷载作用下的桩身承载力时，混凝土的轴心抗压强度设计值应根据施工工艺进行折减，钻孔灌注桩折减系数宜取0.8。桩身界面配筋率应根据计算确定，最小配筋率不应小于0.6%，混凝土保护层厚度不应小于70mm，桩身混凝土强度等级不应小于C30。

当采用预制型芯柱嵌岩桩和锚杆嵌岩桩时，桩内混凝土芯柱应有足够的长度。采用芯柱嵌岩时，预制桩内的芯柱长度应满足主筋要求的锚固长度，且不小于1.5倍嵌岩深度，还应满足芯柱传递轴向力所需的最小长度L，确定为

式中 L——芯柱传递轴向力所需的最小长度；

α——系数，取1.2；

N——桩在岩面处的轴向力设计值；

τ0——芯柱与桩内壁结合面的抗剪强度设计值，无经验时可取270～370k Pa；

d——桩内径。

采用锚杆嵌岩桩的抗拔桩，锚杆锚固于桩内下段芯柱时，芯柱长度不应小于传递轴向力所需最小长度L，且不宜小于8m，抗拔所需的最小长度L按式（7-97）计算。采用芯柱与锚杆组合嵌岩桩时，桩内下段芯柱长度不应小于1.5倍嵌岩深度和芯柱传递轴向力所需的最小长度L。