海上高頻振動打樁的動側摩阻力及可打性

李業勛，張奎，沈永興，趙輝

（中交三航局第二工程有限公司，上海 200122）

港珠澳大橋東人工島結合部非通航孔橋現澆箱梁施工采用滿堂少支架方案施工，考慮到鋼管樁因單樁承載力較高、沉樁工藝相對簡單、排土量較小及良好的抗彎能力，基礎采用直徑1 m，壁厚16 mm的鋼管樁，支撐樁的設計標高-52.98~-69.74m，屬于超長大直徑鋼管樁，采用APE-400液壓振動錘進行施工。高頻液壓振動錘是一種以油壓為驅動力的新型環保樁工機械，以其諸多的優點而受到青睞[1]。國內外有部分學者對高頻振動打樁進行了理論研究，Holeyman[2]認為高頻振動打樁過程中最復雜的是在高頻振動荷載作用下樁土相互作用機理，而國內學者陳福全[3]采用數值方法對高頻液壓振動錘沉樁進行軸對稱動力分析，但關于高頻振動打樁施工過程中樁周土體的動側摩阻力變化及可打樁深度等方面工程研究相對較少，結合工程實例進行定量分析更為缺乏。

本文結合港珠澳大橋東人工島結合部非通航孔橋支架樁工程實例，對高頻振動打樁過程中樁周土體動側摩阻力及平均可打樁深度進行了研究。基于振動錘工作原理，分析了激振力和振動錘偏心塊轉速的關系，并結合港珠澳大橋東人工島結合部非通航孔橋地質資料，量化分析了動側摩阻力折減系數η和標準貫入擊數N的公式，并計算了樁周土體的動側摩阻力和樁體平均可打樁深度。通過對高頻振動打樁施工過程進行分析，建立了動側摩阻力和樁體平均可打樁深度的計算式，可為類似工程高頻振動打樁的施工準備和精細化施工提供指導。

1 工程概況

1.1 地質概況

港珠澳大橋島隧工程東人工島結合部非通航孔橋地層自上而下可分為：全新世海相沉積層、晚更新世陸相沖積層、晚更新世海陸交互相沉積層、晚更新世陸相沖洪積層等第四紀覆蓋層和全風化、強風化、中風化混合花崗巖等基巖層，具體土層參數[4]見表1。

1.2 結構施工概況

港珠澳大橋東人工島結合部非通航孔橋主梁為預應力混凝土連續梁，現澆箱梁施工采用滿堂少支架方案施工，基礎采用直徑1.0m，壁厚16.0 mm的鋼管樁。箱梁跨距55.0 m，每跨設置3個排架，排架間距為12.0 m，1～6號墩間采用4排樁基，6～7號墩間采用3排樁基。液壓振動錘適合在非黏性土、礫石或砂地基上施工，特別是飽水的非黏性土、礫石或砂。因此，支架鋼管樁振沉采用APE-400液壓振動錘（見圖1）進行施工。

2 樁周土體動側摩阻力

2.1 高頻振動打樁工作原理

高頻振動打樁工作原理[5]主要是：通過安裝在振動箱內的偏心輪以相同的角速度反向轉動產生偏心力，該力的水平分量在同一時間內將相互抵消，而垂直分量則是相加，形成總偏心力（見圖2），帶動振動箱下部的振動體（樁體） 產生垂直振動，強迫樁體的周圍土壤產生液化、位移，樁體在振沉體系自重作用下下沉切入地層。

圖2 液壓振動錘工作原理圖Fig.2 W ork principle of hydraulic vibratory hammer

高頻振動打樁過程主要是激振力克服樁的側面動摩阻力后在自重作用下下沉至要求深度的過程。因此，高頻振動打樁首先要滿足以下公式[5]：

式中：F為激振力，kN；Tv為動側摩阻力，kN。

2.2 激振力計算

高頻振動打樁的激振力主要和偏心塊質量、偏心塊角速度及偏心距有關，其計算式[6]如下：

式中：F為激振力，kN；m為偏心塊質量，kg；r為偏心距，m；ω為偏心塊角速度，rad/s；Z為偏心塊轉速，r/s。

根據計算公式（2）和（3）可以看出：激振力和偏心塊轉速的二次方成正比關系。港珠澳大橋東人工島結合部非通航孔橋支架樁為直徑1.0 m、壁厚16.0mm的鋼管樁，采用APE-400液壓振動錘進行振沉施工。APE-400液壓振動錘的最大激振力為3 208 kN，最大轉速為1 760 r/min。在施工過程中，考慮到施工設備及施工環境等因素，施工轉速控制在1 600 r/min左右。根據計算式（2）和（3）進行計算可知：施工激振力約為2 650 kN。

2.3 動側摩阻力折減系數反分析

目前，國內尚無高頻振動打樁極限動側摩阻力的設計規范，主要是依據樁側靜摩阻力Ti推算動側摩阻力Tvi。采用樁側靜摩阻力Ti乘以動側摩阻力折減系數η來計算高頻振動打樁過程中土層的動側摩阻力Tvi，計算式如下：

式中：Ti為樁側靜摩阻力，kN；Tv為動側摩阻力，kN；η為動側摩阻力折減系數；u為樁橫斷面周長，m；Hi為第i層土的厚度。

基于港珠澳大橋東人工島結合部非通航孔橋支架樁施工實例，依據標準貫入度試驗得到的N值及相關土層參數指標反分析得出1～2號墩間樁體的動側摩阻力折減系數，反分析計算結果見表2。

結合國內經驗計算公式，當標準貫入度試驗擊數N＜5擊時，折減系數取0.18；當標準貫入度試驗擊數N≥5擊時，采用曲線擬合法建立了動側摩阻力折減系數η和標準貫入度試驗擊數N的函數關系式，擬合曲線見圖3，其計算關系式如下：η=0.142 1×ln N±0.02 （6）

表2 1～2號墩間動側摩阻力折減系數Table 2 The dynam ic lateral friction resistance reduction coefficientbetween No.1 and No.2 piers

圖3 動側摩阻力折減系數擬合曲線Fig.3 Fitted curve of dynam ic lateral friction resistance reduction coefficient

當黏土時，動側摩阻力折減系數η增加0.02；當砂土時，動側摩阻力折減系數η減小0.02；當標準貫入度試驗擊數N≥100擊時，按照N=100計算。動側摩阻力折減系數擬合曲線及其表達式表明：動摩擦力折減系數是隨著標準貫入度試驗擊數N值的增大而增大，但是增長幅度逐漸變緩。

3 樁體平均可打樁深度

3.1 計算方法

基于港珠澳大橋東人工島結合部非通航孔橋1～5號墩間工程地質勘測資料，利用動側摩阻力計算式，計算了1～5號墩之間鋼管樁的平均可打樁深度。具體計算過程如下：

1）將工程地質資料所列標貫擊數代入動側摩阻力折減系數計算式（6）計算得出相應樁基施工區域土體的動側摩阻力折減系數η；

2） 采用動側摩阻力計算式（4）和（5）計算高頻振動打樁過程中樁側土層的動側摩阻力Tv；

3） 根據式（1），當樁側土層（厚度為h）的計算動側摩阻力Tv等于施工激振力F時，深度h即為振動錘打樁的極限深度，即此型號振動錘施工的可打樁深度。

3.2 工程實例應用

當采用APE-400振動錘施工時，港珠澳大橋東人工島結合部非通航孔橋支架樁平均可打樁深度計算結果與工程施工資料統計結果見表3。

表3 1～4號墩間平均可打樁深度計算結果Table 3 The average depth of piling from No.1 pier to No.4 pier

表3中1～5號墩間平均可打樁深度計算結果表明：1～2號、2～3號、3～4號和 4～5號墩間鋼管樁的計算平均可打樁深度和實際沉樁平均深度比較接近，各墩間計算結果和實際結果的誤差分別為：-0.40%、0.54%、1.69%和1.96%。

平均可打樁深度的工程實例計算結果表明：基于標貫擊數計算得出高頻振動打樁施工過程中樁周土體的動側摩阻力折減系數η、動側摩阻力和平均可打樁深度較為準確地反映了振動錘施工實際情況，可以對施工的振動錘選型和樁體可打樁深度進行初期預測計算，為高頻振動打樁類似工程的施工準備和精細化施工提供指導。

4 結語

通過對港珠澳大橋東人工島結合部非通航孔橋支架樁施工實例進行反分析，研究了高頻振動打樁過程中樁周土體動側摩阻力及樁體平均可打樁深度，得出以下主要結論：

1）計算了港珠澳大橋東人工島結合部非通航孔橋支架樁振動錘的施工激振力。

2）通過對非通航孔橋支架樁施工統計數據進行反分析，建立了動側摩阻力折減系數η和標準貫入擊數N的函數關系式。

3）利用動側摩阻力折減系數η計算了樁周土體動側摩阻力和平均可打樁深度，工程實例計算結果誤差僅為1.96%，較好地反映了實際工況。

[1] 張忠海.液壓式振動樁錘發展現狀及選型應用[J].建筑機械，2001（3）：39-41.ZHANGZhong-hai.Developmentstatus,type selection and application of hydraulic vibratory hammer[J].Construction Machinery,2001(3)：39-41.

[2] HOLEYMAN A E.Soil behavior under vibratory driving[C]//Proceedings of the international conference on vibratory pile driving and deep soilcompaction.Belgium,2002：3-19.

[3]陳福全，雷金山，汪金衛.高頻液壓振動錘沉樁的打入性狀分析[J].鐵道科學與工程學報，2009（2）：41-47.CHEN Fu-quan,LEI Jin-shan,WANG Jin-wei.Penetration behaviour due to vibratory pile driving using the high frequency hydraulic vibratory hammer[J].JournalofRailway Scienceand Engineering,2009（2）：41-47.

[4]中交第四航務工程勘察設計院有限公司.港珠澳大橋島隧工程東人工島地質勘察報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2011.CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.Geological investigation report on the east island in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge tunnel project[R].Guangzhou：CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,2011.

[5] 劉寶河，邊強，袁孟全.振動沉樁錘的選型及應用[J].中國港灣建設，2008（6）：38-41.LIU Bao-he,BIAN Qiang,YUAN Meng-quan.Selection and application ofvibratory piling hammers[J].China Harbour Engineering,2008（6）：38-41.

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