液壓振動(dòng)錘沉樁能力驗(yàn)算及其施工技術(shù)

吳思明

(新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著中國交通建設(shè)速度的加快與橋梁建造技術(shù)水平的不斷提升，橋梁基礎(chǔ)鉆孔平臺(tái)、施工棧橋等附屬設(shè)施建設(shè)中的環(huán)保要求、文明施工標(biāo)準(zhǔn)越來越高[1-3]。傳統(tǒng)的筑島圍堰搭設(shè)鉆孔施工平臺(tái)的施工方法已經(jīng)漸漸退出歷史舞臺(tái)。在“文明工地，環(huán)保優(yōu)先”的指導(dǎo)思想驅(qū)動(dòng)下，盡可能避免對(duì)場(chǎng)地周邊環(huán)境造成不利影響，選擇搭設(shè)鋼棧橋、鋼平臺(tái)作為橋梁下部施工的工程措施，已成為多數(shù)施工企業(yè)的普遍共識(shí)[4-6]。

在鋼棧橋、鋼平臺(tái)樁基施工中，一般采用液壓振動(dòng)錘沉樁的施工方法，該方法具有優(yōu)良的技術(shù)性能，設(shè)備組合簡(jiǎn)單，易操作，成本低，施工進(jìn)度快，同時(shí)又能滿足質(zhì)量、安全、環(huán)保等要求，優(yōu)勢(shì)明顯；但因液壓振動(dòng)錘的應(yīng)用選型及沉樁能力的驗(yàn)算在國內(nèi)外仍無成熟可靠的理論支撐，所以尚難以提出被業(yè)內(nèi)普遍接受的解決方案，在工程實(shí)踐中普遍依靠類似工程的經(jīng)驗(yàn)或試沉樁來解決設(shè)備的選型和沉樁能力的判斷問題，給施工帶來一定不利影響[7-10]。

本文以現(xiàn)有理論為基礎(chǔ)，結(jié)合施工實(shí)際需要，整合理順驗(yàn)算思路，簡(jiǎn)化驗(yàn)算步驟，實(shí)現(xiàn)當(dāng)液壓振動(dòng)錘在不同土層中、不同施工條件下，都能夠快速對(duì)液壓振動(dòng)錘的沉樁能力進(jìn)行簡(jiǎn)易驗(yàn)算、科學(xué)判斷，從而在滿足經(jīng)濟(jì)性、安全性的前提下，合理選擇液壓振動(dòng)錘的性能參數(shù)；并通過多項(xiàng)工程對(duì)驗(yàn)算成果和實(shí)際沉樁效果進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)和歸納液壓振動(dòng)錘的基本施工方法、關(guān)鍵施工技術(shù)及施工工藝流程，提出沉樁過程中常見問題的處理方法和預(yù)防措施。

1 工程概況

工程位于伊寧市西側(cè)、霍城縣東側(cè)，距離霍城縣約15 km，橋梁全長為1 807 m，其中主橋設(shè)置在河床的中部，跨徑布置為(37+103+320+103+37)m，長600 m，采用雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，引橋采用40 m預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)，主橋布置如圖1所示。

圖1 橋型布置

本工程施工棧橋長1 351 m，寬7.5 m，采用排架鋼管樁基礎(chǔ), 主梁為H588×300型鋼，棧橋設(shè)置每四跨一聯(lián)，排架橫向間距為2.75 m，縱向間距為9.0 m。樁基采用Φ800 mm×10 mm鋼管樁，樁長在18～25 m之間；鉆孔灌注樁施工平臺(tái)與設(shè)計(jì)基本與施工棧橋一致。棧橋布置如圖2所示。

圖2 棧橋布置

場(chǎng)地土由第四系沖洪積物構(gòu)成。在勘探深度100 m范圍內(nèi)由②粉土、③-1卵石和③卵石構(gòu)成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探并綜合動(dòng)力觸探標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果，擬建工程巖土層承載力指標(biāo)、變形指標(biāo)——地基承載力基本容許值[fa0]、單樁極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik、單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk、壓縮模量Es或變形模量E0的推薦值如表1所示。

表1 擬建工程巖土層承載力指標(biāo)及變形指標(biāo)的推薦值

2 沉樁能力分析

振動(dòng)錘振動(dòng)沉樁理論就是利用振動(dòng)沉管的原理,當(dāng)振動(dòng)錘接通電源時(shí)，其體內(nèi)偏心重輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生高頻振幅和激振力，高頻振幅通過液壓鉗傳遞到鋼管上，再通過鋼管作用到接觸的地層，地層在振幅的作用下液化，產(chǎn)生接觸面,減小樁周土體摩擦阻力，液壓振動(dòng)錘通過液壓鉗夾持著鋼管沿著接觸面沉入地層，直至將鋼管沉入至設(shè)計(jì)承載力的深度[11-13]。施工場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 施工場(chǎng)景

2.1 液壓振動(dòng)錘的選型原則

(1)設(shè)備激振力大于被振沉構(gòu)件與土的極限動(dòng)摩擦阻力。

(2)設(shè)備重力、樁重力及摩擦阻力之和小于所選起吊設(shè)備的起重力，即起重力大于振動(dòng)錘重力、夾樁器重力、鋼管樁重力、樁土摩阻力之和。

(3)應(yīng)根據(jù)使用要求所預(yù)計(jì)的液壓振動(dòng)錘選定功率選型，還要考慮到使用地區(qū)一般變壓器的容量和配套設(shè)備狀況。

2.2 激振力P0的計(jì)算

2.2.1 確定起始振幅A0

圖4 樁的沉入速度V與振幅A的關(guān)系

液壓振動(dòng)錘沉入鋼管樁時(shí)，使樁發(fā)生振動(dòng)必要的起振幅A0要大于樁接觸土的瞬間全部彈性壓力，該壓力必須是樁尖破壞地基塑性以上的某種力，振幅是影響樁在土中沉入的主要因素。經(jīng)過研究，用圖4所示的曲線表示樁的沉入速度與振幅之間的關(guān)系。

當(dāng)振幅很小時(shí),沉入并不發(fā)生,只有當(dāng)振幅超過某一定值時(shí)，才可能實(shí)現(xiàn)沉樁,這一振幅A0稱為起始振幅。隨著激振器振幅A的增大,沉樁速度也在不斷提高,直至趨于某一極限值A(chǔ)e。因此，振幅的選擇范圍應(yīng)為A0

(1)

式中：A0為起始振幅(mm)；N為土壤標(biāo)準(zhǔn)貫入度。

根據(jù)國內(nèi)外30年的經(jīng)驗(yàn)，將用于評(píng)估沉樁的最小振幅列入表2[4]。

表2 評(píng)估沉樁最小振幅

2.2.2 確定偏心力矩K

液壓振動(dòng)錘偏心力矩相當(dāng)于柴油打樁機(jī)的錘重量參數(shù)，因此偏心力矩越大，越能把更重的樁沉入至更深的土層中去。確定了起振幅A0，便可根據(jù)已知的液壓振動(dòng)錘的質(zhì)量QB和樁的質(zhì)量QC計(jì)算液壓振動(dòng)錘的偏心力矩K。

K≥A0(QB+QC)

(2)

2.2.3 激振力P0

激振力P0必須大于樁與土的極限動(dòng)摩擦阻力，因此，激振力在確定了K和ω之后就可按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：g為重力加速度(9.8 m·s-2)；ω為頻率。

根據(jù)使用地區(qū)土壤的大致種類和樁的類型尺寸選擇頻率，黏土土壤使用較低頻率，砂礫土壤用較高頻率。樁的尺寸大、質(zhì)量重，則使用較低頻率,反之取較高頻率?；炷令A(yù)制樁用較低頻率,鋼管樁用較高頻率, 一般ω取42～115.5 rad·s-1。

激振力P0是在未經(jīng)調(diào)查土壤極限靜摩擦力的條件下依靠單純的經(jīng)驗(yàn)方法求出，不同土層激振力P0的參考值如表3所示。

表3 必要的激振力P0 kg·cm-2

2.3 土層的極限動(dòng)摩擦阻力計(jì)算

2.3.1 確定N值

工程實(shí)踐中土層的極限動(dòng)摩擦阻力是根據(jù)土壤標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)所得到的土層N值(63.5錘擊值)來進(jìn)行計(jì)算的，未取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，取表4中土壤的標(biāo)準(zhǔn)貫入度參考值，也可以按下式計(jì)算N值。

(4)

式中：Q為液壓振動(dòng)錘單位質(zhì)量(kg·cm-1)；F為樁的斷面面積(cm2)；e為自然對(duì)數(shù)的底；I為沉樁機(jī)動(dòng)量，I=Kω。

表4 土壤的標(biāo)準(zhǔn)貫入度參考值

2.3.2 土層的極限動(dòng)摩擦阻力TV

根據(jù)貫入度試驗(yàn)土層N值(63.5錘擊值)計(jì)算土層的極限動(dòng)摩擦阻力TV。

(5)

式中：TV為土層的極限動(dòng)摩擦阻力(kg·cm-1)；T為靜摩擦力，按鋼管樁單樁承載力的2倍取值；μ為土層的摩擦力減低率，由T/Q=η/μ可以在附圖中繪制一條斜線,它與圖中曲線交點(diǎn)的縱坐標(biāo)值就是對(duì)應(yīng)上層的摩擦力減低率μ，如圖5所示，其中η為振動(dòng)加速度[5]；H為土層的厚度(m)；D為樁的外徑(m)。

圖5 振動(dòng)加速度和土的摩擦力減低率關(guān)系

2.4 沉樁能力的判別條件

該土層的極限動(dòng)摩擦阻力TV=Tμ，再根據(jù)P0≥TV條件進(jìn)行校核。其中,P0為液壓振動(dòng)錘沉樁的激振力，TV為下沉到估計(jì)沉入深度為止該土層需要的極限動(dòng)摩擦阻力。如校核時(shí)發(fā)現(xiàn)P0

3 施工技術(shù)

3.1 沉樁施工工藝流程

對(duì)不同材料的樁基，沉樁施工工藝流程有所不同，在施工中按鋼管樁設(shè)計(jì)樁長分段制作、運(yùn)輸，分段沉入，每節(jié)長度應(yīng)根據(jù)地層堅(jiān)硬程度確定，宜為6～10 m，地層堅(jiān)硬時(shí)取小值，反之取大值。無水施工場(chǎng)地條件優(yōu)越或設(shè)計(jì)樁長較短的大直徑鋼管樁為臨時(shí)實(shí)施的措施項(xiàng)目，對(duì)樁位控制精度不高，可以不設(shè)置定位導(dǎo)向架，利用履帶吊鉤配合人工進(jìn)行初步定位。沉樁施工流程如圖6所示。

圖6 沉樁施工流程

3.2 鋼管樁的施工方法

(1)測(cè)量定位：測(cè)放出棧橋的墩臺(tái)中心線，在邊樁中心外適合位置做點(diǎn)，正式打樁時(shí)通過用鋼尺測(cè)量距離再次確定樁位。

(2)起重機(jī)就位：施工第一跨時(shí)，起重機(jī)位于一側(cè)岸邊經(jīng)地基處理的平臺(tái)上；施工第二跨時(shí)，起重機(jī)位于第一跨棧橋上，使鋼管樁準(zhǔn)確定位。先期依靠鋼管樁重力入土，待樁身有一定穩(wěn)定性后，再利用液壓振動(dòng)錘將鋼管樁錘擊下沉。

(3)下沉原則：下沉初期，激振力P0應(yīng)較小，觀察樁身、導(dǎo)向架、液壓振動(dòng)錘等中心軸線一致后，方可轉(zhuǎn)入正常施打，以避免偏心振動(dòng)。振動(dòng)沉樁過程中，起先宜采用激振力低振；在樁由軟土層進(jìn)入硬土層時(shí)，應(yīng)改用高激振力；快至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高時(shí)，應(yīng)使用高激振力檔位下沉，以確保樁的承載力在設(shè)計(jì)要求的停錘貫入度下達(dá)到設(shè)計(jì)承載力。

3.3 鋼管樁的施工關(guān)鍵技術(shù)

(1)液壓振動(dòng)錘與鋼管樁頂?shù)倪B結(jié)必須牢固，液壓振動(dòng)錘和樁中心軸應(yīng)盡量保持在同一直線上。

(2)每一根樁的下沉應(yīng)連續(xù)，不可中途停頓過久，以免土的摩阻力恢復(fù)，繼續(xù)下沉困難。

(3)鋼管樁在選定樁長的時(shí)候，應(yīng)充分考慮接樁部位及導(dǎo)向架固定等因素。

(4)為了防止在沉樁前端遇到障礙或沉入硬地層，可以從鋼管內(nèi)部排出砂土，且液壓振動(dòng)錘不能壓蓋鋼管樁頭，因此沉入鋼管樁的液壓振動(dòng)錘必須設(shè)有能夠隨時(shí)從樁頭排出砂土的開口裝置。

(5)鋼管樁在起吊過程中應(yīng)避免由于碰撞、摩擦等原因造成的涂料破損、管節(jié)變形和損傷，同時(shí)在起吊、沉樁過程中應(yīng)避免鋼索、導(dǎo)向架口等接觸、摩擦、碰刮鋼管樁，并在接觸面、接觸點(diǎn)采取包裹柔性材料的措施。

(6)液壓振動(dòng)錘系統(tǒng)的安全和保護(hù)裝置在以下情況出現(xiàn)時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)：夾樁器壓力減少；液壓油在油箱里低于最低水平面；液壓油溫度過高；液壓油過濾器堵塞。

(7)在緊急情況出現(xiàn)時(shí)，按下操作平臺(tái)或有線遙控器的緊急停機(jī)鍵，讓動(dòng)力和振動(dòng)錘同時(shí)停止；同時(shí)，停機(jī)后夾樁器的檢查閥門可保持咬住樁體的壓力。

(8)施工中如遇到特殊情況使鋼管樁下沉困難，應(yīng)停止沉樁，分析原因，找出對(duì)策，再進(jìn)行沉樁作業(yè)。

4 結(jié) 語

本文闡明了液壓振動(dòng)錘選型所需各項(xiàng)參數(shù)的確定方法及關(guān)鍵施工技術(shù)，并通過工程實(shí)踐驗(yàn)證驗(yàn)算結(jié)果的可靠性和可操作性，以此總結(jié)了液壓振動(dòng)錘施工技術(shù)，得出以下結(jié)論。

(1)通過驗(yàn)算，求得μ=0.131 1，η=4.732 5；由此得到激振力P0=510.3 kN，振幅A0≥342 mm，偏心力矩K≥366.7 N·m。在施工中選用DZ90型液壓振動(dòng)錘，其電動(dòng)機(jī)功率為90 kW，偏心力矩為500 N·m，激振力為677 kN，樁錘質(zhì)量為5 864 kg，成功地將鋼管樁沉入至設(shè)計(jì)深度。

(2)工程實(shí)踐證明，在沉入不進(jìn)或沉入速度緩慢時(shí)，采取措施排出鋼管內(nèi)的砂土后，沉入速度又見提高，說明了激振力是影響樁在土中沉入的主要因素。

(3)在用液壓振動(dòng)錘沉樁的過程中，設(shè)備的最合理參數(shù)必須時(shí)刻變化，這就表明：最合理的振幅和激振力，要根據(jù)樁和地層條件的相互關(guān)系隨時(shí)調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)，采用最合理的參數(shù)運(yùn)行設(shè)備，不僅會(huì)使電能消耗減少，還能減輕振動(dòng)的影響。

(4)鋼管樁與土之間的抵抗力相對(duì)應(yīng)的抵抗系數(shù)隨樁的沉入深度的增加而增大，這證明：即使地基前端抵抗力固定不變，抵抗系數(shù)的增大也會(huì)伴隨著摩擦力的增大。

(5)最適合進(jìn)行沉樁的土為非黏性土、礫石或砂，特別是飽水的非黏性土、礫石或砂。對(duì)于混合土或黏性土，只有當(dāng)它們具有很高的含水量時(shí)才可使用液壓振動(dòng)錘沉樁。在干硬性的黏土或經(jīng)過人工排水的砂中進(jìn)行沉樁，其沉樁阻力可能很大。

(6)經(jīng)過該工程施工發(fā)現(xiàn)：沉樁工藝工序簡(jiǎn)單、施工速度快、質(zhì)量好、成本低、安全可靠。沉樁在工程全部竣工后可再行拔出，回收利用;水中沉樁雖說無法進(jìn)行精確控制,但已能滿足水上鋼棧橋及鉆孔平臺(tái)的施工精度要求。