高頻免共振鋼管樁在城市高架橋樁基中的應(yīng)用

董夫印

（上海城建市政工程（集團(tuán)） 有限公司，上海 200030）

樁基礎(chǔ)是目前城市橋梁中廣泛使用的基礎(chǔ)形式，它具有承載潛力大，沉降小的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)鉆孔灌注樁施工產(chǎn)生大量泥漿且需要現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑，易產(chǎn)生環(huán)境污染，而PHC管樁會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，易對(duì)周邊管線、建筑造成破壞。鋼管樁不僅穿透力更強(qiáng)，而且施工速度快、打樁靈活、承載力高，比預(yù)制混凝土樁更適應(yīng)各種復(fù)雜的地形。相比于鋼板樁和型鋼樁，鋼管樁在抗彎曲的剛度，單樁承載力和接長(zhǎng)焊接等方面都有明顯的優(yōu)越性。

傳統(tǒng)靜壓法施工工效較低，且施工設(shè)備較大，在中心城區(qū)使用受場(chǎng)地限制嚴(yán)重； 錘擊法雖然速度快、工效高，但是由于采用重錘敲擊，其噪聲影響明顯，50m范圍內(nèi)噪聲可高達(dá)100dB，對(duì)周邊環(huán)境影響較大。

振動(dòng)法沉樁工藝通過(guò)振動(dòng)錘在樁頂施加荷載，使樁以一定頻率和振幅沉入土體，其應(yīng)用于樁基施工已有80 多年。隨著該工藝不斷發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)一種稱之為高頻免共振法的新型振動(dòng)法沉樁工藝。高頻免共振法被認(rèn)為是一種高工效、低影響的沉樁工藝，已經(jīng)開(kāi)始在上海主城區(qū)得到應(yīng)用。高頻免共振法也是采用振動(dòng)錘進(jìn)行施工，其工作頻率為25 ～60 Hz。一般低頻不大于15 Hz，中頻15 ～20 Hz，高頻25 ～60 Hz，超高頻高于60 Hz，而土體的自振頻率一般為15～20 Hz。為實(shí)現(xiàn)免共振功能，高頻免共振法在啟動(dòng)和停機(jī)階段將振動(dòng)錘的系統(tǒng)偏心矩調(diào)為零而無(wú)振動(dòng)輸出，同時(shí)在沉樁過(guò)程中使振動(dòng)錘高頻率工作而遠(yuǎn)離土體共振頻率。

免共振沉樁施工工藝具有噪音小、振動(dòng)弱、擠土效應(yīng)小、對(duì)周邊構(gòu)筑物影響小、施工效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，是一種科學(xué)、高效、綠色的施工方法，因此免共振沉樁工藝必是今后樁基施工發(fā)展的趨勢(shì)。相比于靜力沉樁工藝或常規(guī)振動(dòng)沉樁工藝，免共振沉樁工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1） 工作效率高，沉樁速度快。通過(guò)激振力產(chǎn)生高速震動(dòng)，使土壤液化，不會(huì)產(chǎn)生隆土、最終克服摩擦力實(shí)現(xiàn)樁身下沉； 2） 由于振幅較低，因此噪音?。?3） 污染小，與土層無(wú)共振，對(duì)周?chē)ㄖ?、居民無(wú)影響； 4） 適用范圍廣，可以適用于包括郊區(qū)和市區(qū)的各種工況； 5） 施工過(guò)程中無(wú)泥漿產(chǎn)生，場(chǎng)地干凈整潔； 6） 沉樁過(guò)程僅依靠樁身重量、振動(dòng)錘重量以及激振力，樁端遇到硬質(zhì)巖層時(shí)樁身合力幾乎不變，對(duì)樁身不產(chǎn)生破壞。

系統(tǒng)中各偏心輪高速回轉(zhuǎn)，其中水平力相互抵消，從而輸出周期豎向力，即激振力，可由式（1）計(jì)算。激振力幅值F隨高頻免共振錘的系統(tǒng)偏心矩M和工作頻率f（即偏心輪的角速度ω） 變化而變化。在施工過(guò)程中，高頻率增加振動(dòng)錘輸出的激振力幅值，同時(shí)使振動(dòng)錘的工作頻率盡量遠(yuǎn)離土體固有頻率以避免產(chǎn)生共振。此外，便捷的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)偏心矩功能可以改變激振力幅值，也可使振動(dòng)錘啟停時(shí)相位差Δφ=π/2 ，從而使系統(tǒng)沒(méi)有振動(dòng)輸出，避免與土體產(chǎn)生共振。因此，通過(guò)改變頻率和偏心矩來(lái)調(diào)整輸出的激振力幅值，避免土體共振現(xiàn)象危害。

F=Mωsin（ωt+π/2） 式（1）

其中，F(xiàn)為激振力，M為系統(tǒng)偏心力矩，ω為偏心輪角速度，t為系統(tǒng)工作時(shí)間，π/2 為系統(tǒng)初始相位角。施工時(shí)，其激振力用來(lái)破壞土的結(jié)構(gòu)及克服端阻力，樁的下沉力是依靠樁身的重量與振動(dòng)錘的重量及激振力。

1 高頻免共振鋼管樁研究現(xiàn)狀

Hill、Schmid &Hill（1966）、Hill&Schimid（1967） 先后通過(guò)模型試驗(yàn)建議在干砂中低頻率施工摩擦樁的承載力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，但由于部分參數(shù)是從大量分散數(shù)據(jù)中得到的，不能準(zhǔn)確得到實(shí)際值。Szechy在細(xì)砂中測(cè)試一系列的開(kāi)口樁來(lái)比較高頻振動(dòng)打樁和錘擊打樁的承載力，表明高頻振動(dòng)打樁承載力主要由樁端阻力承擔(dān)，而錘擊打樁承載力主要為樁側(cè)阻力。Ghahramani通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明系統(tǒng)最大貫入速度發(fā)生在土體共振頻率時(shí)，此時(shí)樁側(cè)摩阻力很小。Stefanoff等研究表明土的剪切阻力、變形特性與樁的內(nèi)徑對(duì)高頻振動(dòng)打入的空心管樁承載力有決定性作用。Heerema進(jìn)行了砂土中樁土接觸面進(jìn)行研究，結(jié)果表明砂土中動(dòng)摩擦力與正應(yīng)力呈線性關(guān)系，而與施加的位移速度無(wú)相關(guān)性。Rodger等通過(guò)總結(jié)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，提出了針對(duì)不同的樁和土的類型選擇振動(dòng)錘參數(shù)的方法，同時(shí)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了打樁頻率與貫入速率成線性關(guān)系，揭示了存在一個(gè)頻率的門(mén)檻值。Jonker認(rèn)為高頻振動(dòng)打樁的樁身質(zhì)量越重，消耗能量越多。通過(guò)高頻振動(dòng)會(huì)降低土顆粒間接觸壓力，進(jìn)而降低土間摩擦力和樁-土摩擦力； 降低工作頻率使土體達(dá)更密實(shí)，增加樁側(cè)摩阻力。黏性土的振動(dòng)殘余強(qiáng)度對(duì)樁的可打入性起決定性作用。錘擊打樁和高頻振動(dòng)打樁的摩擦承載力基本一致，但高頻振動(dòng)打樁的樁端承載力偏低。美國(guó)陸軍工程公司在密西西比河谷作了高頻振動(dòng)打樁與錘擊打樁的承載力直接對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明高頻振動(dòng)沉入樁的總承載力比錘擊打樁低，但是樁尖阻力將更小，這主要是因?yàn)殄N擊打樁使樁端土體更加密實(shí)。Wong、O' Neil等研究表明對(duì)貫入速度影響起決定作用的是土的初始相對(duì)密度，隨著土的相對(duì)密度增加，貫入速度會(huì)降低，但承載力會(huì)有所增加。同時(shí)，偏心荷載越大，灌入速度越大，最大灌入速度對(duì)應(yīng)的頻率值為20Hz。Rao、Wang在美國(guó)休斯頓大學(xué)進(jìn)行總的大比尺模型試驗(yàn)研究表明不同尺寸的鋼管樁具有相同趨勢(shì)的可打入性曲線。Bement等研究表明高頻振動(dòng)沉拔樁會(huì)導(dǎo)致土體的壓縮沉降，其與加速度有關(guān)，加速度小于1g時(shí)相應(yīng)較小，當(dāng)加速大大于2g是土壤液化，變形響應(yīng)劇增。

以上研究主要針對(duì)高頻振動(dòng)樁的承載能力或土壤響應(yīng)開(kāi)展。事實(shí)上，過(guò)去針對(duì)高頻振動(dòng)打樁下土的性狀和樁土相互作用進(jìn)行了廣泛研究，以預(yù)測(cè)打樁能力、貫入深度及速率，以及評(píng)估環(huán)境影響，并形成了一系列可打入性分析預(yù)測(cè)模型，主要可分為力平衡模型、能量平衡模型、動(dòng)量守恒模型以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律積分模型。目前主流的可打入性分析預(yù)測(cè)模型，未來(lái)可提出簡(jiǎn)潔合理且工程適用性強(qiáng)的可打入性分析模型，根據(jù)常見(jiàn)工況，確定樁的可打入性及最佳的振動(dòng)頻率、振幅和激振力等技術(shù)參數(shù)。

2 工程案例

2.1 工程概況

以上海市某快速路新建工程為例，工程范圍為逸仙路軍工路立交至中環(huán)線軍工路立交，項(xiàng)目以逸仙路軍工路立交為起點(diǎn)由北向南與中環(huán)線軍工路立交改建南北匝道相接，全長(zhǎng)約7.3km（上海市某快速路工程范圍見(jiàn)圖1）。工程全線采用“高架快速路+地面主干路” 形式，高架主線為城市快速路標(biāo)準(zhǔn)，雙向4 車(chē)道規(guī)模，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h； 地面道路為城市主干路標(biāo)準(zhǔn)，雙向6 車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速50km/h。其主線均為高架橋梁，除承臺(tái)現(xiàn)澆外，其余橋梁構(gòu)件采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)。工程基礎(chǔ)采用樁徑700mm、900mm，長(zhǎng)60m～75m的鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管樁材質(zhì)為Q345C鋼，采用卷制直縫自動(dòng)焊焊接工藝成型，分上下兩節(jié)，上節(jié)壁厚18mm，下節(jié)壁厚12mm，沉樁施工時(shí)接樁一次。本工程沉樁工藝為利用50RF振動(dòng)錘免共振法分節(jié)打設(shè)鋼管樁，鋼管樁分段連接采用鋼襯墊熔透焊焊接工藝，本工藝的核心是50RF振動(dòng)錘。

圖1 上海市某快速路工程范圍

場(chǎng)地85.45m深度范圍內(nèi)揭露的地基土，按其地質(zhì)時(shí)代、成因類型、土性不同及物理力學(xué)性質(zhì)上的差異可劃分為5 層和分屬不同層次的亞層，主要層次為： 1） 灰褐色雜填土、2） 粉土、3） 黏土、4） 粉質(zhì)粘土、5） 粉砂。

場(chǎng)地淺部土層中的地下水屬潛水類型，其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和地表徑流，雨季期間地下水位普遍升高。實(shí)測(cè)的各鉆孔實(shí)測(cè)的各鉆孔穩(wěn)定地下水位埋深在1.60 ～1.70m之間，相應(yīng)標(biāo)高在2.91 ～3.17m之間。結(jié)合本地區(qū)勘察經(jīng)驗(yàn)，場(chǎng)地內(nèi)潛水高水位埋深可按0.50m，低水位埋深可按1.50m考慮，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)安全原則選用。由于擬用場(chǎng)地地下水位較高，地基土基本呈飽和狀態(tài)。地下水（潛水） 和地基土屬Ⅲ環(huán)境類型，對(duì)混凝土有微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

2.2 工藝流程

本項(xiàng)目施工工藝流程見(jiàn)圖2，首先進(jìn)行場(chǎng)地整平、硬化，為履帶吊、振動(dòng)錘及動(dòng)力站、機(jī)械設(shè)備、材料進(jìn)場(chǎng)創(chuàng)造條件。在確保地下無(wú)干擾管線等設(shè)施后，進(jìn)行樣溝開(kāi)挖，并測(cè)量放樣及確定樁位。使用提樁器提起鋼管樁對(duì)準(zhǔn)位置后，進(jìn)行震動(dòng)沉樁，并觀察垂直度及時(shí)進(jìn)行姿勢(shì)調(diào)整，沉樁至1/3 處時(shí)進(jìn)行二次定位，沉樁至1/2 處時(shí)進(jìn)行終定位，然后沉樁至置頂標(biāo)高。此時(shí)進(jìn)行上下節(jié)鋼管樁對(duì)接及焊接，采用藥芯焊絲焊接，待焊接質(zhì)量檢測(cè)合格后進(jìn)行上節(jié)鋼管樁沉樁，至指定標(biāo)高后對(duì)樁頂標(biāo)高以及樁位偏差進(jìn)行檢測(cè)。履帶吊、振動(dòng)錘進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)承臺(tái)樁基施工。

本工程設(shè)計(jì)要求振動(dòng)沉樁時(shí)應(yīng)保持振動(dòng)錘中心和鋼管樁在同一軸線上； 鋼管樁沉入時(shí)，嚴(yán)格控制樁身垂直度，樁身垂直度誤差不大于1%，確保鋼管樁合理承載； 打樁過(guò)程中，如無(wú)意外事故，不得中途停錘，必須連續(xù)施打完畢，確保打到設(shè)計(jì)指定標(biāo)高后方可停錘。

2.3 問(wèn)題及經(jīng)驗(yàn)

1） 首件鋼管樁吊裝時(shí)采用平頭夾具，且加強(qiáng)環(huán)距樁頂過(guò)遠(yuǎn)，導(dǎo)致樁頭受力不均，樁頂變形過(guò)大。后續(xù)吊裝時(shí)采用弧形夾具，且控制加強(qiáng)環(huán)距樁頂約1.5cm～2cm，有效避免了吊裝時(shí)樁頭過(guò)大變形。

2） 首件鋼管樁施工時(shí)由于錘頭距離鋼管樁較遠(yuǎn)，致使首件施工對(duì)樁不精確，且效率較低。后續(xù)施工采用提樁器，顯著提高錘頭對(duì)樁的精確度，減少對(duì)樁耗時(shí)，提高了施工效率。

3） 首件鋼管樁施工時(shí)先開(kāi)挖承臺(tái)，并做好圍檁及鋼板樁支護(hù)。使后續(xù)鋼管樁施工時(shí)樁頭及夾具受到圍檁及鋼板樁限制，影響施工效率。同時(shí)，基坑開(kāi)挖之后場(chǎng)地狹小，導(dǎo)致履帶吊轉(zhuǎn)場(chǎng)困難，打樁隊(duì)伍與結(jié)構(gòu)隊(duì)伍施工相互干擾。調(diào)整施工工序后，采用先打樁，后開(kāi)挖施工工藝后，履帶吊轉(zhuǎn)場(chǎng)不用占用社會(huì)道路，鋼管樁施工不會(huì)受到圍檁及鋼板樁的限制，避免打樁隊(duì)伍與結(jié)構(gòu)施工隊(duì)伍互相干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

本文較為詳細(xì)地對(duì)高頻液壓振動(dòng)沉樁工藝應(yīng)用及研究概況與進(jìn)展進(jìn)行論述，基于其的優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)必將在我國(guó)的橋梁工程、建筑工程等得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)以上海市某快速路新建工程為例，提出一種應(yīng)用于城市高架橋樁基礎(chǔ)中的高頻免共振鋼管樁沉樁工藝，并總結(jié)了施工過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題及解決方案。改進(jìn)后施工工藝各施工隊(duì)伍之間協(xié)同配合，互不干擾，提樁器的使用提升了對(duì)樁精度及效率，高頻免共振動(dòng)沉樁工藝沉樁速度快，顯著提升了鋼管樁的施工質(zhì)量和效率。同時(shí)施工過(guò)程中無(wú)噪聲、泥漿產(chǎn)生、土層無(wú)共振現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)周?chē)用褚约敖Y(jié)構(gòu)物影響小，是一種綠色施工工藝。隨著綠色施工理念的進(jìn)一步實(shí)施，在城市公路、橋梁建設(shè)中，該工藝有望得到進(jìn)一步的推廣和發(fā)展。