液壓打樁錘最大錘擊負(fù)荷的預(yù)估與控制

林 登，李海瑞，陸 紅

（1. 浙江永安工程機械有限公司，浙江 溫州 325204；2. 中交第四航務(wù)勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

不論是機械設(shè)備還是受力結(jié)構(gòu)件，一般都有一個明確的允許承載力及額定的工作負(fù)荷參數(shù)。設(shè)備在運行中當(dāng)出現(xiàn)接近或可能超出額定負(fù)荷工況時，即可采取有效的操作及控制方法和措施避免因超載引起設(shè)備本身損傷或危及操作人員。然而對于液壓打樁錘而言，額定負(fù)荷的確定涉及錘、樁、巖土三者之間相互作用的結(jié)果，工作負(fù)荷的判別比普通機械設(shè)備復(fù)雜。對于施工中如何控制液壓錘錘擊過載，一直以來在廠家、施工、設(shè)計及規(guī)范指標(biāo)之間存在著不少的差異，評判標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，造成了許多不必要的爭議及不便。在液壓錘沉樁施工現(xiàn)場，常出現(xiàn)直至目測到液壓錘出現(xiàn)損傷、錘殼被撕裂、柴油錘的錘芯跳出導(dǎo)向筒，甚至錘擊到錘殼散架才停錘。因此，液壓打樁錘在錘擊沉樁過程中如何預(yù)估判別是否已達(dá)到該錘的最大錘擊負(fù)荷，并控制其在額定的許用負(fù)荷內(nèi)使用非常重要。

1 液壓打樁錘工作特點

液壓打樁錘屬于一種“瞬時釋放能量”的機械裝置，而非普通的可以“持續(xù)提供能量”的動力裝置及機械設(shè)備。由于歷史的原因，液壓打樁錘的主要性能指標(biāo)常采用錘芯質(zhì)量或錘擊能量兩種方式來表示。例如：YC-16即錘芯質(zhì)量為16t的液壓錘；CG300即錘擊能量為300kJ的液壓錘；IHC S1200、Menck MHU2400S分別為錘擊能量為1200kJ與2400kJ的雙作用液壓錘。

上述液壓打樁錘的性能指標(biāo)顯示或代表了某一型號（錘芯質(zhì)量乘最大錘擊行程，即為理論最大錘擊能量）的液壓打樁錘在一次錘擊循環(huán)過程中可釋放的最大錘擊能量。然而液壓錘沉樁過程中需要獲得的是“錘擊力”，是設(shè)定的能量N在某一時間段Δt釋放中產(chǎn)生的平均錘擊力F（Δt為ms級）。而某一型號的液壓錘在設(shè)定的錘擊能量前提下實際錘擊樁頂并行成“錘樁體系”后下行路徑越短，瞬時釋放該能量的時間Δt就越小，產(chǎn)生的錘擊力越大。而錘擊力越大，也就意味著液壓錘負(fù)荷越大。

2 貫入度與液壓錘負(fù)荷的關(guān)聯(lián)

液壓打樁錘在錘擊沉樁中，樁端的貫入度越小，則液壓錘的負(fù)荷就越大，這一定性的分析得到了理論上以及樁基行業(yè)的一致認(rèn)同?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》中，錘擊沉樁錘重選用表：“樁徑規(guī)格在500～1000mm左右時，常用控制貫入度為3～10mm/擊”［1］；《港口工程施工手冊》中，高樁碼頭基礎(chǔ)樁選錘參考表：“控制貫入度為3～15mm/擊”［2］；《建筑施工機械與設(shè)備 液壓打樁錘》中，條款5.1.11：“最終貫入度小于25mm時，液壓打樁錘應(yīng)停止施打，避免超負(fù)荷工作”［3］。三者之間按貫入度下限控制標(biāo)準(zhǔn)最大相差約8倍；按上限標(biāo)準(zhǔn)比較，設(shè)備廠家與港口工程控制標(biāo)準(zhǔn)相差近1.7倍；與建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相差約2.5倍。正是由于這些標(biāo)準(zhǔn)之間存在的表面量差，在工程施工中，設(shè)備廠家、施工、設(shè)計、監(jiān)理產(chǎn)生了認(rèn)識上的差異。往往前者希望盡早收錘，避免因貫入度太小損壞樁錘設(shè)備，后者則認(rèn)為樁端未完全達(dá)到設(shè)計標(biāo)高前，貫入度還未達(dá)到控制下限，仍可繼續(xù)進(jìn)行錘擊。在許多工程實例中，常有因液壓打樁錘在小貫入度下持續(xù)作業(yè)，打壞液壓錘的液壓閥件、油缸，甚至出現(xiàn)錘殼爆裂的情況；但也有出現(xiàn)錘擊貫入度持續(xù)在1～2mm，連續(xù)較長時間進(jìn)行錘擊，而液壓錘卻完好無損的現(xiàn)象。因此，僅僅從貫入度值判別液壓錘的負(fù)荷，不但理解上出現(xiàn)差異，也難以解釋上述在施工現(xiàn)場出現(xiàn)的各種錘擊現(xiàn)象。

在動力打樁的樁基承載力或錘擊力（作用力與反作用力關(guān)系）研究中，不論是以能量守恒為基礎(chǔ)推導(dǎo)的樁基極限承載力估算海利公式Pu=ζWrHη/（e+0.5c）、港口工程施工手冊推薦公式Pj=F/（2s+k）中［2］，還是以動量守恒為基礎(chǔ)推導(dǎo)的錘擊力估算公式中［4］，貫入度值e（或s）都與承載力或錘擊力成反比關(guān)系，即貫入度越小錘擊力越大，錘擊力越大則樁錘的負(fù)荷也就越大。當(dāng)錘擊力大到某一數(shù)值時，液壓打樁錘出現(xiàn)超載。這一定性分析也是上述3個標(biāo)準(zhǔn)都以貫入度作為停錘及控制液壓錘超負(fù)荷的基礎(chǔ)，僅是在控制量值上出現(xiàn)了一些差異。注意到上述2個公式中的分母項、承載力或錘擊力的大小不但與貫入度e（或s）值有關(guān)，還與回彈值c（或k）、錘墊、樁墊、樁身彈性壓縮值［5］都有關(guān)聯(lián)，且都為反比關(guān)系，即這幾個數(shù)值都同時對承載力或錘擊力起作用。幾個數(shù)值的綜合數(shù)值越小，錘擊負(fù)荷越大，反之也成立。

3 錘擊綜合位移數(shù)值

對動力打樁的錘擊系統(tǒng)進(jìn)行分析，當(dāng)液壓錘的錘芯以速度Vt錘擊樁頂時，首先撞擊的是替打上腔放置的錘墊（緩沖墊），然后錘墊將錘擊力傳遞給替打本體、樁墊（緩沖墊）、樁頂，之后樁身接收從樁頂獲得的能量（或稱動量），樁身克服樁側(cè)周圍巖土產(chǎn)生的側(cè)摩阻力、沖剪樁端巖土，使得樁身產(chǎn)生一個下行位移，即所謂的錘擊貫入度。動力打樁示意圖見圖1。

圖1 動力打樁示意圖

從圖1可以看出，在錘芯碰撞錘墊后，錘芯綜合下行的行程包含錘墊彈性位移量、樁墊彈性位移量、樁身在巨大錘擊力作用下彈性壓縮產(chǎn)生的位移量［5］、樁端位移量、貫入度e或s。貫入度值其實僅是錘芯在一次錘擊過程中產(chǎn)生的總位移量（綜合位移量）中的一部分。而液壓錘的錘擊力大小與該綜合位移量成反比關(guān)系。上述海利公式中分母項的貫入度e、港工公式中的s、回彈值c或k都清晰的表明了之間的關(guān)聯(lián)；而以動量守恒為基礎(chǔ)的錘擊力公式更加明晰的描述為貫入度e、錘墊壓縮值c1、樁墊壓縮值c2以及樁身彈性壓縮位移值c3與錘擊力的關(guān)系。即液壓打樁錘的錘擊力大小不僅與貫入度有關(guān)，而且還與錘擊位移相關(guān)的多個參數(shù)都有關(guān)聯(lián)。當(dāng)該綜合位移值小于某一數(shù)值時，即超過了液壓錘能夠承受的最大錘擊力，則可預(yù)估液壓打樁錘出現(xiàn)超負(fù)荷。

4 最大錘擊負(fù)荷的預(yù)估及控制

應(yīng)用基礎(chǔ)物理學(xué)及理論力學(xué)中關(guān)于碰撞原理對液壓打樁錘的錘擊機理進(jìn)行簡析［6］，可定性描述為GH≈FΔ/η。其中G為錘芯質(zhì)量，H為行程，F(xiàn)為錘擊力，Δ為錘擊位移，η為轉(zhuǎn)換效率系數(shù)。即錘擊位移越小，錘擊力就越大，這與上述預(yù)估公式中綜合位移值對承載力及錘擊力的影響方向性趨勢一致。

液壓打樁錘制造廠從液壓錘性能角度出發(fā)，通過在歷年工程實踐中獲取的大量液壓錘使用數(shù)據(jù)及經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，預(yù)估液壓打樁錘的綜合位移不應(yīng)小于25mm（并非僅指貫入度）是有一定道理的，也是比較合適的。例如：國產(chǎn)16t系列液壓打樁錘錘芯質(zhì)量16t，錘擊行程1.5m，能量轉(zhuǎn)換與錘擊綜合效率約65%～85%（錘擊行程越大，錘樁體系剛度越小，樁與錘重量比越大，則效率越低），綜合位移取25mm，則預(yù)估錘擊力大致為6200～8200kN，即該型號液壓錘綜合錘擊位移達(dá)25mm時為額定最大負(fù)荷。但是在實際工程施工中，短時的錘擊綜合位移小于25mm可以有效提高錘擊力，但應(yīng)注意控制使用的度。

由于樁基工程界發(fā)展歷史的原因，液壓打樁錘技術(shù)參數(shù)中暫保留了“最終貫入度小于25mm”的標(biāo)注方法。事實上，25mm是指錘樁系統(tǒng)在沉樁過程中錘、樁、巖土偶合作用下的“綜合位移值”，在使用中應(yīng)注意。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》及《港口工程施工手冊》中以貫入度為終錘控制指標(biāo)，是基于樁基的側(cè)摩阻力及端阻力提供的打入樁極限承載力要求。由于一般的建筑樁基尺度及入土深度相對偏小，端阻力占比較大，所以終錘貫入度取值偏小。而港口工程樁基直徑一般較大，沉樁深度也深，側(cè)摩阻力占比較大，所以終錘貫入度取值相對偏大。但建筑與港口樁基并不存在嚴(yán)格的界限，主要還是以地質(zhì)條件為主，只要樁基的側(cè)摩阻力占總承載力比例較大，終錘貫入度值控制可參考《港口工程施工手冊》取值。

錘擊綜合位移的概念較好的解釋及統(tǒng)一了樁錘廠家控制最小錘擊綜合位移與樁基標(biāo)準(zhǔn)中控制貫入度之間的差異。并且對錘擊特例——錘擊貫入度很小，但樁錘仍可持續(xù)錘擊而不損傷的現(xiàn)象給出了合適解釋。這類現(xiàn)象往往出現(xiàn)在施打薄壁長樁時，因樁身彈性較好，錘擊壓縮值或回彈值較大（>25mm）樁錘的錘擊能量偏小時出現(xiàn)。然而，當(dāng)錘樁系統(tǒng)的剛度較大（施打厚壁短樁、樁墊及錘墊老化嚴(yán)重），即使錘擊貫入度偏上限，但因綜合位移量仍較小也可能造成液壓錘超負(fù)荷運行。

5 結(jié)束語

采用綜合位移量預(yù)估液壓打樁錘的額定負(fù)荷，將動力打樁系統(tǒng)中各彈性元件以及樁身貫入度值有機聯(lián)系起來。系統(tǒng)中各彈性位移量及樁身貫入度都同時影響了錘擊負(fù)荷的變化，比之前僅采用單一的樁身貫入度值來判別液壓打樁錘的負(fù)荷更加接近實際。綜合位移法也合理解釋了上述樁基承載力標(biāo)準(zhǔn)與液壓打樁錘控制錘擊負(fù)荷指標(biāo)存在的差異，為設(shè)計選擇合適的錘型及錘擊參數(shù)，為施工現(xiàn)場預(yù)判液壓錘的錘擊效果是否超負(fù)荷運行提供了一種簡單、實用及可操作的方法。