摘 要：【目的】探索高強(qiáng)預(yù)制管樁在高能量錘擊設(shè)備條件下施工的可行性和控制標(biāo)準(zhǔn)。【方法】通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，深入研究高能量設(shè)備錘擊沉樁施工技術(shù)?！窘Y(jié)果】通過(guò)試驗(yàn)分析，確定高能量錘擊沉樁應(yīng)以樁長(zhǎng)控制為主，貫入度控制為輔?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果解決了在特定地層條件下高能量錘擊沉樁施工控制標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了高能量條件下施工的可靠性，為類(lèi)似地層條件下高強(qiáng)預(yù)制管樁高能量錘擊沉樁施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)預(yù)制管樁；沉樁控制；對(duì)比分析；貫入度；樁長(zhǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU753.3" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2025）04-0068-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.014

Research on High Strength Prefabricated Pipe Pile Driven by

High-Energy Hammer Construction Technology

WANG Minquan

（China Railway 20th" Bureau Group Municipal Engineering Co.， Ltd.， Lanzhou 730030， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to explore the feasibility and control standards of constructing high-strength prefabricated pipe piles under high-energy hammering equipment conditions. [Methods] Through the use of theoretical calculations and on-site experimental methods， in-depth research is conducted on the construction of high-energy equipment hammer sinking piles. [Findings] Through experimental analysis， it is determined that the control of pile length should be the main method for sinking piles with high-energy hammers， with penetration control as the secondary method. [Conclusions] This study solved the construction control standard for high-energy hammer sinking piles under specific geological conditions and verified the reliability of construction under high-energy conditions， providing a reference for the construction of high-strength prefabricated pipe piles with high-energy hammer sinking piles under similar geological conditions.

Keywords： high strength prefabricated pipe piles; pile sinking control; comparative analysis; penetration degree; pile length

0 引言

高強(qiáng)度混凝土樁是采用先張預(yù)應(yīng)力離心成型工藝，并經(jīng)過(guò)10個(gè)大氣壓（1.01 MPa左右）、180 ℃ 左右的蒸汽養(yǎng)護(hù)，制成的一種空心圓筒型混凝土預(yù)制構(gòu)件，直徑為300～800 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥C80，簡(jiǎn)稱(chēng)PHC管樁［1］。高強(qiáng)預(yù)制管樁主要施工方法為錘擊沉樁和靜力壓樁兩種方式，其中錘擊沉樁又分為柴油錘和液壓錘錘擊沉樁兩種。目前，柴油錘錘擊沉樁使用時(shí)間較長(zhǎng)，并已有較好的理論研究成果。針對(duì)不同樁型如何選用重錘型號(hào)相關(guān)規(guī)范有較明確的說(shuō)明，但柴油錘錘擊沉樁具有污染大、噪聲大、錘擊能量小，沉樁效率低下等缺點(diǎn)，目前有逐漸被取代的趨勢(shì)。液壓錘振動(dòng)沉樁作為一種新型環(huán)保沉樁方式有了較大的發(fā)展。吳思明［2］針對(duì)鋼管樁沉樁中如何選擇液壓振動(dòng)錘型號(hào)做了簡(jiǎn)易驗(yàn)算；林海［3］通過(guò)提高落錘高度、增加錘擊能量對(duì)預(yù)制管樁抗沖擊性能進(jìn)行了研究，但針對(duì)高能量錘擊沉樁如何明確終樁條件，以及高低能量錘擊沉樁之間理論換算均未做出說(shuō)明。

本研究以洛陽(yáng)市某人才公寓項(xiàng)目3-8#樓樁基為研究背景，采用高強(qiáng)預(yù)制管樁抗錘擊模型計(jì)算和高低能量錘擊沉樁試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值驗(yàn)算和對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，確定了在特定地層下高能量錘擊沉樁終樁控制標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了高能量錘擊沉樁樁身的可靠性，為后續(xù)同類(lèi)高強(qiáng)預(yù)制管樁施工技術(shù)控制提供了參考和依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

洛陽(yáng)市某人才公寓項(xiàng)目，總建筑面積為15.7萬(wàn)m2，包括8棟住宅樓，其中3-8#樓為高強(qiáng)預(yù)制管樁+筏板基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為11～20 m，樁徑為400 mm，樁端持力層為卵石層或卵石夾圓礫層，設(shè)計(jì)單樁承載力特征值為850 kN，采用錘擊沉樁，設(shè)計(jì)以貫入度控制為主，樁長(zhǎng)控制為輔，樁端全截面進(jìn)入持力層不小于2d（d為樁徑），最后三陣（每陣10擊）貫入度＜30 mm/每陣。

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報(bào)告顯示，該場(chǎng)地屬于伊何Ⅱ級(jí)階地后緣與Ⅲ級(jí)階地過(guò)渡地段，地層分布自上而下大致分9層，各土層特性指標(biāo)及分布詳見(jiàn)表1和圖1。

1.3 存在問(wèn)題

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）附錄H［4］，現(xiàn)場(chǎng)分別采用一臺(tái)D35系列柴油錘和一臺(tái)16 t高頻液壓振動(dòng)錘進(jìn)行試樁。其間采用D35柴油錘的試樁貫入度達(dá)到要求，但樁端未進(jìn)入持力層足夠深度及持續(xù)增加錘擊次數(shù)造成爆樁現(xiàn)象，如圖2所示；采用16 t液壓振動(dòng)錘的試樁，出現(xiàn)樁端進(jìn)入持力層滿足要求但貫入度大于規(guī)范要求的現(xiàn)象。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中7.4.6條關(guān)于樁的終止錘擊控制要求為：①當(dāng)樁端位于一般土層時(shí)，應(yīng)以控制樁端設(shè)計(jì)標(biāo)高為主，貫入度控制為輔；②樁端達(dá)到堅(jiān)硬、硬塑的黏性土中、中密度以上粉土，砂土、碎石類(lèi)土及風(fēng)化巖時(shí)，應(yīng)以貫入度控制為主，樁端標(biāo)高為輔。綜上所述，該工程面臨采用16 t液壓振動(dòng)錘代替D35柴油錘進(jìn)行施工是否滿足樁基承載力要求，以及采用后如何調(diào)整收錘標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。

2 沉樁計(jì)算

2.1 沉樁原理

筒式柴油錘工作原理類(lèi)似單缸二沖程柴油機(jī)，利用噴入氣缸燃燒室內(nèi)霧化柴油受高壓高溫后燃爆所產(chǎn)生的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)錘頭工作。其循環(huán)工作條件受制于捶打過(guò)程中土層和樁體相互作用產(chǎn)生的反力，選錘質(zhì)量較大則產(chǎn)生較大貫入度，無(wú)法滿足重錘反彈高度，則無(wú)法維系循環(huán)工作［5］。高頻液壓振動(dòng)錘錘擊沉樁機(jī)理涉及樁、高頻振動(dòng)錘及土等情況，其中最復(fù)雜的是樁土相互作用機(jī)理與常規(guī)動(dòng)力打樁響應(yīng)特性不同，具有更強(qiáng)的地基穿透性［6］。

2.2 數(shù)值計(jì)算

2.2.1 地層承載力計(jì)算。單樁豎向承載力特征值的計(jì)算見(jiàn)式（1）。

[Ra]=[1kQuk] （1）

式中：[ Quk]為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；k為安全系數(shù)，一般取2。

[Quk]采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算，見(jiàn)式（2）。

[Quk]=[Qsk]+[Qpk]=[uΣqsikli+qpkAp] （2）

式中：[qsik]為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；[li]樁周第i層土厚度；[qpk]為樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長(zhǎng)；[Ap]為樁端面積。

參照SZ1土層，3層黃土狀粉質(zhì)黏土的厚度為3.05 m，4層黃土狀粉質(zhì)黏土厚度為4.1 m，5層黃土狀粉質(zhì)黏土夾粉土的厚度為3 m，6層細(xì)砂層的厚度為0.9 m，設(shè)計(jì)樁底進(jìn)入7層卵石層進(jìn)入2d（d為樁底）為800 mm。通過(guò)查《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》［7］表5.3.5-1和5.3.5-2，各土層的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別取86、86、70、98、200 kPa，樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值取8 000 kPa。

按照各土層最低承載要求計(jì)算如下：[Quk]=3.14×0.4×（86×3.05+86×4.1+70×3+98×0.9+200×0.8）+8 000×（3.14×[0.22]-3.14×[0.1052]）=2 075.665 kN；單樁豎向承載力特征值[Ra]=[1kQuk]=0.5×2 075.665=1 037.83 kNgt;850 kN（設(shè)計(jì)承載力）。由此可知，各土層滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

2.2.2 沉樁能力分析。

①筒式柴油錘打樁能力計(jì)算［8］采用動(dòng)靜阻力的疊加模型，參照Case阻尼模型，總阻力的計(jì)算見(jiàn)式（3）。

[R0=RC+R?=RC+kRdν2]" "（3）

式中：[RC]為樁側(cè)、樁端靜阻力之和；[kRd]為動(dòng)力系數(shù)；[ν2]為樁的下沉速度。按照選用的D35柴油錘，總質(zhì)量為7.2 t，沖擊力為4 000 kN，黏性土入土深度為2～3 m，砂性土入土深度為1～2 m。

②液壓錘打樁能力計(jì)算。當(dāng)[P0≥Tv]時(shí)可以進(jìn)行沉樁作業(yè)，其中，[P0]為液壓錘激振力，[Tv]為土層的極限動(dòng)摩擦阻力。16 t高頻液壓振動(dòng)擊打能量為210 kN·m。

根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）附錄B和《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（10G409）的要求，高強(qiáng)預(yù)制管樁樁身豎向承載力設(shè)計(jì)值為2 550 kN，極限彎矩檢驗(yàn)值為106 kN·m。

根據(jù)葉林［9］的研究成果，振動(dòng)錘擊沉樁在振動(dòng)力的作用下破壞了土壤結(jié)構(gòu)，使土壤液化，此過(guò)程克服了樁側(cè)及樁端的摩阻作用，摩阻作用與樁側(cè)土的強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越大摩阻作用越強(qiáng)；摩阻力與沉樁深度成正比，隨著深度的增加，摩阻作用越大；摩阻作用也與樁身直徑有關(guān)，樁徑越大，沉樁難度越高；振動(dòng)沉樁會(huì)減少樁體與土壤的摩擦系數(shù)，頻率越高，沉樁速度越快。樁端阻力主要與土壤的剪切強(qiáng)度有關(guān)，沉樁能量越高，克服強(qiáng)度能力越高，沉樁可能性就越高。

③驗(yàn)算分析。由計(jì)算可知，試樁土壤滿足承載力要求，而在土層動(dòng)摩擦阻力一定的情況下，錘擊設(shè)備能量越大，穿透此部分的能力就越強(qiáng)，在保證高強(qiáng)預(yù)制管樁自身安全性的前提下，增加錘擊設(shè)備能量可以達(dá)到提升錘擊效果的目的。錘擊過(guò)程其實(shí)是能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程，把錘擊能量的勢(shì)能轉(zhuǎn)換成樁下沉的能量和樁基的熱能及損失能，采用更高能量的錘進(jìn)行錘擊沉樁可以輕松實(shí)現(xiàn)沉樁效果。

3 對(duì)比試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)采用D35筒式柴油錘錘擊沉樁和16 t高頻液壓振動(dòng)錘分別對(duì)5#、7#樓類(lèi)似地層區(qū)域進(jìn)行試樁作業(yè)，具體試樁施工數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

結(jié)合地勘報(bào)告，采用柴油錘沉樁方式沉樁4根試樁，其中有2根因局部無(wú)法穿過(guò)含砂層，雖然貫入度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但沉樁入巖深度嚴(yán)重不足，其中一根樁因長(zhǎng)時(shí)間錘擊，樁頭出現(xiàn)爆樁現(xiàn)象。采用16 t液壓振動(dòng)錘沉樁方式，4根試樁均可達(dá)到設(shè)計(jì)入巖深度，但貫入度不滿足設(shè)計(jì)要求，且存在繼續(xù)錘擊PHC樁入巖深度不斷增加的現(xiàn)象，錘擊過(guò)程中無(wú)異常情況發(fā)生。針對(duì)錘擊出現(xiàn)的困難情況，在樁頭位置焊接樁尖，以提升錘擊效率［10］。按照成樁時(shí)間看，采用柴油錘沉樁每根樁沉樁時(shí)間為16 t液壓振動(dòng)錘成樁時(shí)間的4倍以上。至于采用柴油錘和高能量16 t液壓振動(dòng)錘錘擊沉樁方式進(jìn)行沉樁后，其樁身可靠性仍需通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。

4 試驗(yàn)檢測(cè)

根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》［7］要求，現(xiàn)場(chǎng)采用單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)樁基承載力，以及采用低應(yīng)變檢測(cè)法來(lái)檢查樁身缺陷和位置以判斷樁身完整性。

4.1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，通過(guò)采用壓重平臺(tái)反力裝置，所提供反力不小于2 300 kN，試驗(yàn)加載和測(cè)量?jī)x器設(shè)備情況見(jiàn)表3，靜載試基礎(chǔ)和裝置如圖3所示。

該試驗(yàn)進(jìn)行分級(jí)加載時(shí)，采用逐級(jí)等量加載。分級(jí)荷載為最大加載量或預(yù)估極限承載力的1/10。該試驗(yàn)最大加載量為1 700 kN，分10級(jí)，第一級(jí)取分級(jí)荷載的2倍。根據(jù)試驗(yàn)繪制靜載變形曲線，如圖4和圖5所示。

4.2 樁身完整性試驗(yàn)

樁身完整性試驗(yàn)可以采用低應(yīng)變反射波法、高應(yīng)變測(cè)試法和孔內(nèi)攝像法。低應(yīng)變反射波法可以檢測(cè)距樁頂較近部位的缺陷或輕微缺陷，操作簡(jiǎn)便、速度快，但無(wú)法檢測(cè)平行于樁軸線的縱向裂縫；高應(yīng)變測(cè)試法適用于建筑樁徑較大的樁體，一般使用重錘錘擊法，應(yīng)力波傳達(dá)深度大，可反映樁身深部裂縫，但需采用打樁錘進(jìn)行錘擊，影響施工進(jìn)度，無(wú)法大面積使用；孔內(nèi)攝像法適用于檢測(cè)環(huán)境能見(jiàn)度高、內(nèi)部填充物明確、可以直觀精確確定缺陷位置、能夠較全面地觀測(cè)低應(yīng)變難以判斷的缺陷問(wèn)題，但檢測(cè)環(huán)境要求較高，支架難以固定，檢測(cè)速度慢［11］。

該試驗(yàn)選擇采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行檢測(cè)。在樁頂實(shí)施錘擊后，使樁頂質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，該位移在樁身中傳播而形成應(yīng)力波，具體使用的儀器見(jiàn)表4。應(yīng)力波在下行途中，如果遇到缺陷（斷裂、裂縫），則產(chǎn)生上行的拉伸波，拉伸波到達(dá)樁頂面時(shí)，將導(dǎo)致樁頂面質(zhì)點(diǎn)向下的速度增加；應(yīng)力波運(yùn)行至樁端時(shí)，由于阻抗劇變，而產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的上行壓縮波，即樁端反射。所有這些信息都被安裝于樁頂?shù)募铀俣葌鞲衅鹘邮?，根?jù)初始激振與樁端反射之間的時(shí)間差Δt及樁長(zhǎng)L來(lái)推求應(yīng)力波在樁身介質(zhì)中的傳播波速c=2/Δt（在樁長(zhǎng)未知的情況下，可由同場(chǎng)地的平均波速來(lái)推求樁長(zhǎng)L=cΔt/2）。先根據(jù)速度曲線的特征，來(lái)判斷樁身的阻抗變化，再根據(jù)反射波到達(dá)樁頂?shù)臅r(shí)間及波速來(lái)推求阻抗變化的位置，具體低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。針對(duì)樁身完整性，特別是單根樁不足需要接樁時(shí)，輔以孔內(nèi)攝像可以更好地判斷樁身完整性情況［12］。

4.3 數(shù)據(jù)分析

①對(duì)于靜載試驗(yàn)曲線，上部實(shí)線為加載曲線，下部虛線為卸載曲線。曲線發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)代表土體對(duì)樁側(cè)摩擦力已經(jīng)達(dá)到極限。在圖4中無(wú)明顯陡降點(diǎn)，圖5中施加1 600 kN的荷載時(shí)發(fā)生了陡降。②低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果顯示除樁頂有波動(dòng)外，其他曲線緩和無(wú)明顯波動(dòng)。波形特征為多次反射，間隔時(shí)間相等，第一反射波峰較高，且產(chǎn)生多次反射，間隔大致相等一般為斷樁［13］。由此可知，采用高能量設(shè)備16 t液壓振動(dòng)錘錘擊沉樁單樁承載力均可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且在此情況下樁基曲線無(wú)明顯陡降，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際承載力不小于設(shè)計(jì)承載力要求。結(jié)合單樁豎向承載力特征值為單樁極限承載力k系倍數(shù)，通常k取0.5，根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)合低應(yīng)變?cè)囼?yàn)，得出5#、7#樓試樁達(dá)到入巖要求，承載力均滿足要求，但未達(dá)到入巖要求的承載力僅為700 kN，不滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究以洛陽(yáng)市某人才公寓項(xiàng)目樁基工程為背景，基于高低能量錘擊沉樁時(shí)間和貫入度分析，通過(guò)單樁靜載荷試驗(yàn)和樁身低應(yīng)變?cè)囼?yàn)，驗(yàn)證兩種不同情況下沉樁的可靠性，得出以下結(jié)論：①采用柴油錘錘擊沉樁在遇到局部堅(jiān)硬夾層時(shí)，無(wú)法進(jìn)行貫穿，雖然貫入度滿足要求，但樁身承載力不足，且持續(xù)沉樁增加了樁身完整性缺陷風(fēng)險(xiǎn)；②采用D35筒式柴油錘錘擊沉樁以貫入度控制為主，樁長(zhǎng)控制為輔，收錘標(biāo)準(zhǔn)最后三振貫入度為20～30 mm/10擊，而采用16 t高頻液壓振動(dòng)錘錘擊沉樁，因樁端進(jìn)入持力層后若繼續(xù)沉樁仍可進(jìn)行，需調(diào)整為以樁長(zhǎng)控制為主，貫入度控制為輔，最后三振貫入度為60～80 mm/10擊；③為提高成樁效率，在經(jīng)濟(jì)條件允許的前提下，適當(dāng)提高錘擊能量，可以達(dá)到加快現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度、節(jié)約施工工期的目的。

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