鋼管樁高頻免共振沉樁工藝在上海地區(qū)的應(yīng)用及存在的問題分析

陳延峻

摘 要：高頻免共振沉樁工藝因其環(huán)境影響小、沉樁速度快、沉樁能力強等優(yōu)點而在上海地區(qū)得到應(yīng)用，并顯示出良好的效果，但在實際工程中也遇到了部分樁沉樁困難的問題。依托上海某高架工程，從沉樁速度、土體強度及施工因素等方面入手，分析高頻免共振沉樁工藝存在的問題，并得到一些初步結(jié)論。

關(guān)鍵詞：高頻免共振沉樁工藝；鋼管樁；沉樁速度；土體強度；沉樁順序

中圖分類號：TU473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）05-0010-03

0 引言

上海常用的樁基礎(chǔ)類型主要有灌注樁和預(yù)制樁兩種。灌注樁樁徑可以做得很大，單樁承載力高，但成樁時間長且普遍存在泥漿排放問題[1-2]，而對環(huán)境造成顯著的影響。預(yù)制樁沉樁時存在振動、噪聲、擠土等問題[3-4]，且當樁身穿過密實-軟弱交互土層時沉樁困難，易導(dǎo)致斷樁[5]。

隨著城市的快速發(fā)展，城市內(nèi)周邊環(huán)境較以往更為復(fù)雜，擬建場地通常地下管線錯綜復(fù)雜，且毗鄰重要的建構(gòu)筑物（地鐵、高架、歷史保護建筑等），這也對工程建設(shè)提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的成樁工藝已難以滿足建設(shè)工程及環(huán)境保護要求[6]。

近年來，上海重大工程建設(shè)開始采用高頻免共振沉樁工藝來替代傳統(tǒng)的錘擊和靜壓工藝，并取得了顯著成效[7-8]。高頻免共振沉樁工藝采用免共振振動錘，其與普通振動錘的顯著區(qū)別在于，免共振液壓振動錘的設(shè)計可以在設(shè)備啟動和關(guān)閉時降低振動，在啟動時振動錘的偏心力矩被關(guān)閉，一旦振動錘達到了其操作頻率時就會立刻重新開啟偏心力矩。因此，任何由土體自身頻率造成的共振都可避免。其振幅可在0～100%之間自由調(diào)整，這樣可以保證最大振動值和峰值振速永遠不會超標。

基于高頻免共振沉樁工藝的沉樁原理，偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力，通過夾具將激振力傳遞到樁身上，通過帶動樁身做高速振動實現(xiàn)土體液化，最終克服土體摩擦力實現(xiàn)樁身下沉[9]。與傳統(tǒng)的預(yù)制樁沉樁工藝相比，高頻免共振沉樁工藝具有施工速度快、對環(huán)境影響小、沉樁能力更強等優(yōu)勢，且占用場地小、經(jīng)濟成本更低。

新工藝的推廣和使用中不可避免地碰到一些問題亟待解決。如在上海某高架工程中，部分70 m長的鋼管樁未能沉至設(shè)計標高，同一承臺下的部分樁能順利沉樁，而有些樁則存在困難。針對這些問題，本文將開展相關(guān)分析，以期為高頻免共振沉樁工藝的推進提供參考。

1 工程概況

上海某高架工程，全長約3.89 km。高架主線等級為高速公路，建設(shè)規(guī)模為雙向6車道。根據(jù)調(diào)查，道路沿線為辦公區(qū)及配套生活區(qū)，兩側(cè)建筑物較為密集。同時，局部區(qū)段緊鄰軌道交通。根據(jù)物探資料，工程沿線地下管線分布密集、復(fù)雜。為此，該項目擬采用鋼管樁，通過高頻免共振工藝沉樁。

本工程擬建場地內(nèi)分布的土層自上而下可劃分為8大層及若干亞層，土層情況分析如下。

①1層填土普遍分布，厚度較大。表層多為混凝土路面，上部主要為雜填土，夾雜較多碎石、碎磚及植物根莖，下部多為素填土。

②1層黃-灰黃粉質(zhì)黏土沿線不連續(xù)分布，局部層底為淤泥質(zhì)土，工程性質(zhì)一般。

②3層灰黃-灰色砂質(zhì)粉土沿線均有分布，松散、稍密，中壓縮性，均勻性較差，工程性質(zhì)較好。

③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土沿線均有分布，流塑、高壓縮性，含水量高、強度低，靈敏度高，工程性質(zhì)較差，是本場地主要軟弱層之一。

④層灰色淤泥質(zhì)黏土沿線均有分布，流塑、高壓縮性，含水量高、強度低、靈敏度高，工程性質(zhì)較差，是本場地主要軟弱層之一。

⑤11層灰色黏土沿線均有分布。軟塑-流塑，高壓縮性，強度低，工程性質(zhì)較差。

⑤12層灰色黏質(zhì)粉土與砂質(zhì)粉土互層沿線均有分布，中壓縮性，具有一定強度，工程性質(zhì)較好。

⑤31層灰色粉質(zhì)黏土夾粉砂沿線均有分布，厚度大，夾粉砂，不均勻，工程性質(zhì)一般。

⑤32層灰色砂質(zhì)粉土全線均有分布，夾粘土，強度較高，工程性質(zhì)較好。

⑦2層灰色粉細砂全線均有分布，強度高，工程性質(zhì)好。

⑨層灰色粉細砂土質(zhì)較均勻，密實，強度高，工程性質(zhì)好。

⑩層黃～灰色粉質(zhì)粘土具有可塑性，中壓縮性，工程性質(zhì)較好。

場地土層的相關(guān)勘察數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)地層分布及工程性質(zhì)，結(jié)合本工程特點，擬建場地深部⑦2層與⑨層粉細砂直接接觸，分布較為穩(wěn)定，厚度大，工程性質(zhì)良好，沿線樁基地質(zhì)條件良好。本工程高架橋樁單樁承載力要求較高，沉降控制較為嚴格，設(shè)計時樁基持力層主要選擇⑦2層粉細砂，跨越同高架、臨近軌道交通線段，樁基持力層選擇⑨層粉細砂。

2 沉樁問題與分析

根據(jù)沉樁資料顯示，采用高頻免共振錘沉樁時，鋼管樁在①1、②1、②3、③、④、⑤11、⑤12、⑤31、⑤32、⑥層中基本能順利下沉，并且能進入⑦2、⑧11、⑧12、⑧21和⑨層一定深度。雖然高頻免共振錘相對傳統(tǒng)的靜壓、錘擊法施工能進入密實砂土層更深，但在施工過程中發(fā)現(xiàn)部分樁基無法沉至設(shè)計標高。

2.1 沉樁速度分析

PZX115中間承臺的Z1、Z3兩根樁施工時，第一節(jié)樁和第二節(jié)樁沉樁順利，沉樁速度為3～5 min/節(jié)樁。Z1樁沉至樁底標高-62.81 m時沉樁速度明顯放緩，此時尚有6.4 m未打入；Z3樁沉至樁底標高-64.73 m時沉樁速度明顯放緩，此時尚有4.47 m未打入。Z2、Z4和Z6三根樁均順利沉樁，速度為3～5 min/節(jié)樁。Z5樁施工時，沉至樁底標高-59.21 m時速度明顯放緩，此時尚有11 m未打入。

PZX115中間承臺沉樁速度與深度的關(guān)系如圖1所示。第一節(jié)樁樁身穿過土層主要為①1、②3、③、④、⑤11層，除了②3層粉土（Ps=2.795 MPa）具有一定的強度外，其余③、④、⑤11層為上海典型的軟弱土層，Ps在0.701～0.898 MPa之間，該節(jié)樁下沉時普遍速度較快，在7.67～12.5 m/min。第二節(jié)樁下沉時，樁端穿過⑤12層（Ps =3.532 MPa）進入⑤31層（Ps =2.025 MPa）后，土體強度較上部土層稍好，沉樁速度稍微減低，但變化不大，為7.67～8.33 m/min。當?shù)谌?jié)樁進入中密～密實的粉砂土層⑤32層（Ps=6.992 MPa）、⑦2層（Ps =14.910 MPa）和⑨層（Ps=18.42 MPa）后，隨著土體強度突然增大，沉樁速度降低至2.21～4.22 m/min。進入⑦2層一定深度后，沉樁更加困難，速度降低至0.02～0.85 m/min。以上數(shù)據(jù)說明高頻免共振錘沉樁的速度和能力與土體的強度有關(guān)。土體強度低，土層易擾動液化，沉樁速度較快，沉樁容易；土體強度大，土層密實，沉樁速度較慢，沉樁困難。

2.2 土體強度分析

PZX105南、PZX107南、PZX108南、PZX109南承臺大部分的樁基，沉樁至一定的標高后均無法下沉，沉樁速度小于2 cm/min，經(jīng)過長時間沉樁后，下沉量較小。ICE廠家提供的ICE 70RF免共振振動錘的停樁標準速度為小于5 cm/min，由此說明免共振振動錘已接近沉樁極限。而后施工方采用強夯、間歇性沉樁等措施，在振動錘所有使用指標均達到極限的情況下，仍無法使鋼管樁沉至設(shè)計標高。在振動錘無法沉樁的情況下，施工方使用D80柴油沖擊錘替代免共振錘進行沉樁，鋼管樁仍無法沉至設(shè)計標高。此時D80沖擊錘貫入度平均值為1.15～1.87 cm/10擊，遠小于D80廠家建議設(shè)備使用上限值（4～5 cm/10擊），說明已經(jīng)達到鋼管樁的沉樁極限。

軟塑粘性土及稍密粉土強度較低，對高頻免共振沉樁影響不大，而影響較大的主要為中下部的中密-密實的粉砂土層（⑤32、⑦2和⑨層）。為了分析中下部中密-密實的粉砂土層對沉樁的影響，本項目對各承臺樁基進入粉砂土層的強度指標，包括順利進入粉砂性土層、沉樁較困難段以及無法沉樁的下部土層等強度指標進行了統(tǒng)計。通過統(tǒng)計本工程沉樁較順利的PZX95南、PZX96南、PZX97南、PZX115中間承臺的Z2、Z4和Z6進入粉砂性土層深度在53.10～73.50 m，⑤32層強度指標Ps為7.06～8.85 MPa，標貫擊數(shù)為30擊；⑦2層的強度指標Ps為15.94～16.45 MPa，標貫擊數(shù)為48.3～53.6擊；⑨層的強度指標Ps為16.90 MPa。

沉樁存在問題的PZX105南、PZX107南、PZX108南、PZX109南和PZX115中間承臺，樁端能順利進入土層深度在52.90～69.00 m。⑤32層強度指標Ps為7.16～9.69 MPa，標貫擊數(shù)為38擊；⑦2層的強度指標Ps為11.18～15.70 MPa，標貫擊數(shù)為40.6～43.0擊。在沉樁困難段深度為64.60～72.00 m，⑦2層的強度指標Ps為14.93～16.08 MPa，標貫擊數(shù)為53.5擊；⑨層的強度指標Ps為18.85 MPa。無法下沉段深度在65.50～73.50 m，⑦2層的強度指標Ps為13.941～17.63 MPa，標貫擊數(shù)為49.0擊；⑨層的強度指標Ps為16.90～19.73 MPa，標貫擊數(shù)為62.5擊。

根據(jù)收集資料，S3高架的樁長為52.0～63.0 m，沉樁設(shè)備能將鋼管樁能順利沉至設(shè)計標高。在秀浦路承臺，樁端進入粉砂土層深度在47.00～63.85 m，主要為⑦2層，標貫擊數(shù)為44.9擊。在周鄧公路承臺，樁端進入粉砂土層深度在27.50～54.40 m，主要為⑦12層和⑦2層，⑦12層Ps為7.61 MPa，⑦2層Ps為20.68 MPa。

通過對下部粉砂土層強度的統(tǒng)計分析，本工程沉樁困難段和無法下沉段的⑦2層和⑨層強度比順利下沉的⑦2層和⑨層強度稍高，但是變化不明顯。而S3高架中下部土層的強度明顯高于本工程，高頻免共振沉樁可以克服更密實粉砂土層，但是沉樁深度較淺，說明高頻免共振錘的沉樁能力和樁的入土深度有關(guān)。隨著樁基入土深度的增大，振動傳播的能力逐漸減弱，達到一定的極限后，振動過弱而無法使周圍土體液化，從而導(dǎo)致沉樁困難。

綜合上述分析，造成高頻免共振錘沉樁遇到困難的因素主要有鋼管樁入土深度以及土體強度。

2.3 施工因素分析

在PZX115中間承臺打樁工作時（該承臺樁數(shù)為6根，每根樁的總樁長為70 m，送樁段為4.5 m），順利將5根樁沉入設(shè)計標高，剩余1根樁無法沉至設(shè)計標高。先實施的Z1、Z3和Z3樁（1月17日），沉至一定深度時沉樁速度變慢，經(jīng)過一段時間后，Z1和Z3經(jīng)過緩慢的沉樁（1月17日～1月23日，沉樁速度為0.02～0.03 m/min），最終沉至設(shè)計標高。Z2、Z4、Z6于1月21～1月23日進行沉樁，均順利沉樁至設(shè)計標高。待其他5根樁基沉至設(shè)計標高后，于1月23日繼續(xù)進行Z5樁的沉樁，沉至-58.1 m時沉樁變得困難，最終沉至-63.71 m，剩余11.0 m未打入。

從沉樁順序分析，沉樁遇到的困難未顯示出明顯的規(guī)律，Z2、Z4和Z6更容易沉樁。分析認為可能是由于Z1和Z3沉樁時長時間振動導(dǎo)致土體擾動的影響，使影響范圍內(nèi)的土層更容易液化。而Z5樁沉樁遇阻可能是因為深部土層受到前期沉樁的擠密作用，隨著超靜孔壓的消散，土體強度增大。

另外，樁的垂直度可能也是造成沉樁困難的一個重要因素。如果垂直度無法保證，樁在深部位置無法保持垂直狀態(tài)，樁身會受到土層向上的支承力，阻力加大則會造成沉樁困難。

3結(jié)束語

工程實例證明，高頻免共振錘普遍能使鋼管樁沉至62.0～69.0 m，部分能沉至73.5 m，普遍可進入⑦2層約10.0 m，部分可進入⑦2層約20.0 m，這大大突破了在上海傳統(tǒng)鋼管樁沉樁工藝（錘擊、靜壓）進入⑦2層的深度，具有較強的沉樁能力。隨著入土深度逐漸增加，振動能量逐漸衰減，土體強度逐漸增加，而達到沉樁極限，說明振動的能量從振動錘傳到樁端時逐漸衰減，而遇到強度較高的土層時，由于能量的衰減造成樁端土層無法有效液化，導(dǎo)致沉樁困難。同一承臺施工時，沉樁順序和樁的垂直度也可能影響沉樁，利用高頻免共振工藝沉樁時應(yīng)注意沉樁順序和樁的垂直度。

因此，可得出如下3條結(jié)論：①高頻免共振沉樁工藝較傳統(tǒng)錘擊及靜壓工藝表現(xiàn)出了更強的沉樁能力。②振動能量沿樁身傳遞時逐漸衰減，使樁端強度較高的土層無法有效液化，導(dǎo)致沉樁困難。③利用高頻免共振工藝沉樁時應(yīng)注意沉樁順序和樁的垂直度。

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