吳思明

(新疆北新路橋集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著中國交通建設速度的加快與橋梁建造技術水平的不斷提升，橋梁基礎鉆孔平臺、施工棧橋等附屬設施建設中的環(huán)保要求、文明施工標準越來越高[1-3]。傳統(tǒng)的筑島圍堰搭設鉆孔施工平臺的施工方法已經(jīng)漸漸退出歷史舞臺。在“文明工地，環(huán)保優(yōu)先”的指導思想驅(qū)動下，盡可能避免對場地周邊環(huán)境造成不利影響，選擇搭設鋼棧橋、鋼平臺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[4-6]。

在鋼棧橋、鋼平臺樁基施工中，一般采用液壓振動錘沉樁的施工方法，該方法具有優(yōu)良的技術性能，設備組合簡單，易操作，成本低，施工進度快，同時又能滿足質(zhì)量、安全、環(huán)保等要求，優(yōu)勢明顯；但因液壓振動錘的應用選型及沉樁能力的驗算在國內(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，在工程實踐中普遍依靠類似工程的經(jīng)驗或試沉樁來解決設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，結(jié)合施工實際需要，整合理順驗算思路，簡化驗算步驟，實現(xiàn)當液壓振動錘在不同土層中、不同施工條件下，都能夠快速對液壓振動錘的沉樁能力進行簡易驗算、科學判斷，從而在滿足經(jīng)濟性、安全性的前提下，合理選擇液壓振動錘的性能參數(shù)；并通過多項工程對驗算成果和實際沉樁效果進行驗證，總結(jié)和歸納液壓振動錘的基本施工方法、關鍵施工技術及施工工藝流程，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，采用雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，引橋采用40 m預制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, 主梁為H588×300型鋼，棧橋設置每四跨一聯(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與設計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)場勘探并綜合動力觸探標準貫入試驗結(jié)果，擬建工程巖土層承載力指標、變形指標——地基承載力基本容許值[fa0]、單樁極限摩阻力標準值qsik、單樁極限端阻力標準值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及變形指標的推薦值

2 沉樁能力分析

振動錘振動沉樁理論就是利用振動沉管的原理,當振動錘接通電源時，其體內(nèi)偏心重輪高速運轉(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計承載力的深度[11-13]。施工場景如圖3所示。

圖3 施工場景

2.1 液壓振動錘的選型原則

(1)設備激振力大于被振沉構(gòu)件與土的極限動摩擦阻力。

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

(3)應根據(jù)使用要求所預計的液壓振動錘選定功率選型，還要考慮到使用地區(qū)一般變壓器的容量和配套設備狀況。

2.2 激振力P0的計算

2.2.1 確定起始振幅A0

圖4 樁的沉入速度V與振幅A的關系

液壓振動錘沉入鋼管樁時，使樁發(fā)生振動必要的起振幅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系。

當振幅很小時,沉入并不發(fā)生,只有當振幅超過某一定值時，才可能實現(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Ae。因此，振幅的選擇范圍應為A0

(1)

式中：A0為起始振幅(mm)；N為土壤標準貫入度。

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

表2 評估沉樁最小振幅

2.2.2 確定偏心力矩K

液壓振動錘偏心力矩相當于柴油打樁機的錘重量參數(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)已知的液壓振動錘的質(zhì)量QB和樁的質(zhì)量QC計算液壓振動錘的偏心力矩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摩擦阻力，因此，激振力在確定了K和ω之后就可按式(3)計算。

(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 土層的極限動摩擦阻力計算

2.3.1 確定N值

工程實踐中土層的極限動摩擦阻力是根據(jù)土壤標準貫入度試驗所得到的土層N值(63.5錘擊值)來進行計算的，未取得試驗數(shù)據(jù)時，取表4中土壤的標準貫入度參考值，也可以按下式計算N值。

(4)

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

表4 土壤的標準貫入度參考值

2.3.2 土層的極限動摩擦阻力TV

根據(jù)貫入度試驗土層N值(63.5錘擊值)計算土層的極限動摩擦阻力TV。

(5)

式中：TV為土層的極限動摩擦阻力(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,它與圖中曲線交點的縱坐標值就是對應上層的摩擦力減低率μ，如圖5所示，其中η為振動加速度[5]；H為土層的厚度(m)；D為樁的外徑(m)。

圖5 振動加速度和土的摩擦力減低率關系

2.4 沉樁能力的判別條件

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

3 施工技術

3.1 沉樁施工工藝流程

對不同材料的樁基，沉樁施工工藝流程有所不同，在施工中按鋼管樁設計樁長分段制作、運輸，分段沉入，每節(jié)長度應根據(jù)地層堅硬程度確定，宜為6～10 m，地層堅硬時取小值，反之取大值。無水施工場地條件優(yōu)越或設計樁長較短的大直徑鋼管樁為臨時實施的措施項目，對樁位控制精度不高，可以不設置定位導向架，利用履帶吊鉤配合人工進行初步定位。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)測量定位：測放出棧橋的墩臺中心線，在邊樁中心外適合位置做點，正式打樁時通過用鋼尺測量距離再次確定樁位。

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

(3)下沉原則：下沉初期，激振力P0應較小，觀察樁身、導向架、液壓振動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。振動沉樁過程中，起先宜采用激振力低振；在樁由軟土層進入硬土層時，應改用高激振力；快至設計樁頂標高時，應使用高激振力檔位下沉，以確保樁的承載力在設計要求的停錘貫入度下達到設計承載力。

3.3 鋼管樁的施工關鍵技術

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

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

(3)鋼管樁在選定樁長的時候，應充分考慮接樁部位及導向架固定等因素。

(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，且液壓振動錘不能壓蓋鋼管樁頭，因此沉入鋼管樁的液壓振動錘必須設有能夠隨時從樁頭排出砂土的開口裝置。

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

(6)液壓振動錘系統(tǒng)的安全和保護裝置在以下情況出現(xiàn)時會自動停機：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，按下操作平臺或有線遙控器的緊急停機鍵，讓動力和振動錘同時停止；同時，停機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，應停止沉樁，分析原因，找出對策，再進行沉樁作業(yè)。

4 結(jié) 語

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

(1)通過驗算，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型液壓振動錘，其電動機功率為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計深度。

(2)工程實踐證明，在沉入不進或沉入速度緩慢時，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)在用液壓振動錘沉樁的過程中，設備的最合理參數(shù)必須時刻變化，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系隨時調(diào)節(jié)才能實現(xiàn)，采用最合理的參數(shù)運行設備，不僅會使電能消耗減少，還能減輕振動的影響。

(4)鋼管樁與土之間的抵抗力相對應的抵抗系數(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)的增大也會伴隨著摩擦力的增大。

(5)最適合進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。對于混合土或黏性土，只有當它們具有很高的含水量時才可使用液壓振動錘沉樁。在干硬性的黏土或經(jīng)過人工排水的砂中進行沉樁，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行精確控制,但已能滿足水上鋼棧橋及鉆孔平臺的施工精度要求。