振沖下設(shè)長護(hù)筒的錘型選擇計算及控制要點(diǎn)

閆寧濤

（中鐵十四局集團(tuán)第一工程發(fā)展有限公司，山東 日照 276826）

樁基作為橋梁的主要承載結(jié)構(gòu)是橋梁基礎(chǔ)的常見形式，采用水中筑島填筑時，填料與淤泥之間形成軟弱層，加之筑島不易碾壓密實(shí)，在樁基施工中容易塌孔，造成成孔困難，易發(fā)生斷樁，后期處理麻煩且成本較高，采用振沖法下設(shè)長護(hù)筒是有效解決此類問題的方法之一。

1 工程概況

準(zhǔn)鄂鐵路壕賴河特大橋位于低中山丘陵區(qū)，局部地形起伏較大，橋梁自上而下地質(zhì)情況為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉砂、細(xì)砂及第四系沖洪積粉土、粉質(zhì)黏土、第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、下伏白堊系下統(tǒng)泥巖、砂巖、礫巖。其中31～37號墩基礎(chǔ)采用群樁上接承臺結(jié)構(gòu)形式，樁徑1.25m，樁長23～31m不等，樁凈間距2.45m。

31～37號墩位于舊河道中一座水庫內(nèi)，施工進(jìn)場時地表有少量水，水深約0.1～0.3m，原設(shè)計基坑防護(hù)采用草袋圍堰施工，后因村民蓄水養(yǎng)魚、灌溉農(nóng)田，周圍被地表水覆蓋，水深約1～3m，村民拒絕排干水庫內(nèi)的水，與設(shè)計溝通后，經(jīng)業(yè)主同意修改設(shè)計方案，增加水中筑島，同時取消草袋圍堰防護(hù)，調(diào)整為鋼板樁圍堰防護(hù)，為保證樁基成孔及成樁質(zhì)量，在施工時加大鋼護(hù)筒埋置深度，采用8m鋼護(hù)筒。因樁基直徑為1.25m，鋼護(hù)筒直徑需至少大于樁徑100mm，故選用外徑為1.42m，壁厚15mm的成品螺旋管。以32號墩地質(zhì)情況為例進(jìn)行計算，其他墩按此方法進(jìn)行比照復(fù)核計算不再贅述。

2 技術(shù)要點(diǎn)

采用長護(hù)筒護(hù)壁成孔，怎樣選擇經(jīng)濟(jì)合理的振動錘確保護(hù)筒順利下沉至預(yù)定深度，如何控制護(hù)筒下沉?xí)r垂直度滿足要求是技術(shù)難點(diǎn)。灌注成樁后，護(hù)筒拔出過早易造成塌孔或樁身縮頸，拔出時間過晚則難以拔出護(hù)筒，易影響樁身混凝土成樁效果，造成樁身裂縫或斷樁，因此護(hù)筒拔出時間為控制要點(diǎn)。

3 振動錘選型

3.1 工作原理

振動錘接通電源后，通過偏心重輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高頻振幅和激振力，并通過振動錘端部的液壓鉗傳遞到護(hù)筒上，護(hù)筒作用至接觸地層，在激振力的作用下強(qiáng)迫周圍土體液化、位移，使護(hù)筒切入地層沉入預(yù)定位置。

3.2 選型原則

振動錘迫使護(hù)筒下沉需滿足以下條件：（1）振動錘激振力P0大于護(hù)筒與土的動摩擦阻力TV；（2）振動錘和鋼護(hù)筒重量之和Q0大于護(hù)筒動端阻力RV；（3）振動錘振幅A0大于達(dá)到深度所需的最小振幅A。

3.3 動側(cè)摩擦阻力TV的計算

根據(jù)日本建機(jī)調(diào)查株式會社經(jīng)驗(yàn)公式：

對于砂性土：

對于黏土、淤泥質(zhì)土：

式中：T為各土層的極限靜摩阻力之和，kN；D為鋼護(hù)筒外徑，m；Hi為土層厚度，m；Ni為第i層土的標(biāo)貫積數(shù)N值。

該工程中，32號墩各層標(biāo)貫擊數(shù)經(jīng)試驗(yàn)測定，靜摩阻力計算結(jié)果如表1所示。

表1 32號墩各層靜摩阻力計算表

當(dāng)護(hù)筒處于靜止?fàn)顟B(tài)時，護(hù)筒與土之間存在著較大的靜摩擦力，受到振動后靜摩擦力就急劇減少，動摩擦力TV=μT，故振動錘激振力P0≥TV，即P0≥μT，根據(jù)美國ICE公司通過大量測試后的結(jié)論：在高速振動時，樁的周圍土體產(chǎn)生液化效果，使樁側(cè)極限靜摩阻力減低率，μ=0.1～0.4，根據(jù)工程的土體性質(zhì)，可在期間選取一個值，按上述公式TV=μT計算TV。此次計算按最不利系數(shù)計算，取μ=0.4，則TV=(267.63+144.91+780.29+89.18)×0.4=512.76kN，故振動錘需選擇激振力P0≥512.76kN。

3.4 動端阻力RV的計算

根據(jù)計算出激振力P0≥512.76kN的要求，初選擬使用的振動錘型號為DZJ-90型振動錘，其最大激振力為570kN，滿足要求，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

動端阻力計算公式如下：

對于砂性土：

表2 擬選用DZJ-90型振動錘主要參數(shù)表

對于黏土、淤泥質(zhì)土：

式中：F為鋼護(hù)筒截面積，cm2；N為深入深度土層的最大標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)；e為自然常數(shù)；I為振動錘動量，kg；k為偏心力矩，N·m；ω為振動錘負(fù)荷角速度（頻率），1/s；g為重力加速度，cm/s2。

根據(jù)該工程地質(zhì)情況，其中F=3.14×(712-69.52)=661.76cm2，選用公式（3）計算，RV=4×24×661.76×e-4.689=584.2kg＜Q0=6.155+3.14×1.42×8×117.8=10357kg，根據(jù)計算結(jié)果，可知Q0遠(yuǎn)大于動端阻力RV，足夠克服鋼護(hù)筒動端阻力，DZJ-90型振動錘可以滿足要求。

3.5 最小振幅A的計算

最小振幅：

式中：N為深入深度土層的最大標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，mm。

計算得出A=N÷12.5+3=4.92mm＜A0=10.3mm，故DZJ-90型振動錘滿足使用要求。

綜上，DZJ-90型振動錘滿足32號墩該地質(zhì)情況下護(hù)筒下沉的各項(xiàng)條件，可以選用DZJ-90型振動錘。

4 垂直度控制

現(xiàn)場施工時，采用全站儀放出樁基中心點(diǎn)，以樁基中心點(diǎn)為圓心，畫出護(hù)筒外輪廓線，沿圓周撒上白灰，采用履帶吊車吊起護(hù)筒，4人分站四角對準(zhǔn)外輪廓線，置于已標(biāo)記好的圓周白線上，同時呈垂直方向架設(shè)2臺經(jīng)緯儀對施打過程中的護(hù)筒垂直度進(jìn)行控制監(jiān)測，下沉初期，先使用較小的激振力，每下沉2m停振后監(jiān)測護(hù)筒的垂直度，振沖過程中振動錘對稱振動下沉，發(fā)現(xiàn)偏差及時糾正，保證成型后護(hù)筒垂直度偏差＜1%。

5 護(hù)筒拔除

為避免護(hù)筒拔出過早或過晚造成樁身出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，護(hù)筒拔出時間控制在混凝土澆筑完畢后0.5～1h，且不得超過混凝土出站后5h。采用履帶吊車配合振動錘夾住護(hù)筒頂部振動2～5min，先使周圍土松動，減少對護(hù)筒摩阻力，采用邊振動邊拔出的方式，每拔出3m，停止拔出，振動2～3min后再連續(xù)上拔，停振時對護(hù)筒垂直度進(jìn)行復(fù)測，如此反復(fù)將護(hù)筒拔出。

因護(hù)筒拔出后護(hù)筒所占體積會被混凝土所占用，故根據(jù)沉入護(hù)筒長度可計算出護(hù)筒所占體積V=3.14×(0.712-0.6952)×6.5=0.43m3（扣除混凝土頂面至護(hù)筒頂標(biāo)高的長度為1.5m），在灌注樁基混凝土?xí)r，需在原來超灌的基礎(chǔ)上增加0.43m3混凝土，即多超灌0.32m（考慮擴(kuò)孔因素，按樁基直徑為1.3m計算）。

6 結(jié)束語

采用此方法完成31～37號墩共84根樁基的施工，經(jīng)后期基坑開挖檢樁，樁身完整性、砼強(qiáng)度、樁徑均滿足設(shè)計和規(guī)范要求，檢測結(jié)果均為I類樁。在使用該施工方法時，需由試驗(yàn)室進(jìn)行土工試驗(yàn)，測定基底各土體的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)先計算出動側(cè)摩擦阻力，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行振動錘初步選型，采用市場已有錘型的相關(guān)計算參數(shù)，進(jìn)行動端阻力的復(fù)核驗(yàn)算，由此可以簡化計算，方便快速地確定經(jīng)濟(jì)合理的振動錘型號。該方法除了適用于混凝土灌注樁護(hù)壁成孔，還可以用作基坑防護(hù)擋土樁使用，相比混凝土防護(hù)樁，其施工速度快，還可以回收周轉(zhuǎn)使用，根據(jù)項(xiàng)目所處的環(huán)境和材料的市場價格，在進(jìn)行方案經(jīng)濟(jì)效果對比后使用。