振沖下設長護筒的錘型選擇計算及控制要點

閆寧濤

（中鐵十四局集團第一工程發展有限公司，山東 日照 276826）

樁基作為橋梁的主要承載結構是橋梁基礎的常見形式，采用水中筑島填筑時，填料與淤泥之間形成軟弱層，加之筑島不易碾壓密實，在樁基施工中容易塌孔，造成成孔困難，易發生斷樁，后期處理麻煩且成本較高，采用振沖法下設長護筒是有效解決此類問題的方法之一。

1 工程概況

準鄂鐵路壕賴河特大橋位于低中山丘陵區，局部地形起伏較大，橋梁自上而下地質情況為第四系全新統風積粉砂、細砂及第四系沖洪積粉土、粉質黏土、第三系上新統粉質黏土、下伏白堊系下統泥巖、砂巖、礫巖。其中31～37號墩基礎采用群樁上接承臺結構形式，樁徑1.25m，樁長23～31m不等，樁凈間距2.45m。

31～37號墩位于舊河道中一座水庫內，施工進場時地表有少量水，水深約0.1～0.3m，原設計基坑防護采用草袋圍堰施工，后因村民蓄水養魚、灌溉農田，周圍被地表水覆蓋，水深約1～3m，村民拒絕排干水庫內的水，與設計溝通后，經業主同意修改設計方案，增加水中筑島，同時取消草袋圍堰防護，調整為鋼板樁圍堰防護，為保證樁基成孔及成樁質量，在施工時加大鋼護筒埋置深度，采用8m鋼護筒。因樁基直徑為1.25m，鋼護筒直徑需至少大于樁徑100mm，故選用外徑為1.42m，壁厚15mm的成品螺旋管。以32號墩地質情況為例進行計算，其他墩按此方法進行比照復核計算不再贅述。

2 技術要點

采用長護筒護壁成孔，怎樣選擇經濟合理的振動錘確保護筒順利下沉至預定深度，如何控制護筒下沉時垂直度滿足要求是技術難點。灌注成樁后，護筒拔出過早易造成塌孔或樁身縮頸，拔出時間過晚則難以拔出護筒，易影響樁身混凝土成樁效果，造成樁身裂縫或斷樁，因此護筒拔出時間為控制要點。

3 振動錘選型

3.1 工作原理

振動錘接通電源后，通過偏心重輪高速旋轉產生高頻振幅和激振力，并通過振動錘端部的液壓鉗傳遞到護筒上，護筒作用至接觸地層，在激振力的作用下強迫周圍土體液化、位移，使護筒切入地層沉入預定位置。

3.2 選型原則

振動錘迫使護筒下沉需滿足以下條件：（1）振動錘激振力P0大于護筒與土的動摩擦阻力TV；（2）振動錘和鋼護筒重量之和Q0大于護筒動端阻力RV；（3）振動錘振幅A0大于達到深度所需的最小振幅A。

3.3 動側摩擦阻力TV的計算

根據日本建機調查株式會社經驗公式：

對于砂性土：

對于黏土、淤泥質土：

式中：T為各土層的極限靜摩阻力之和，kN；D為鋼護筒外徑，m；Hi為土層厚度，m；Ni為第i層土的標貫積數N值。

該工程中，32號墩各層標貫擊數經試驗測定，靜摩阻力計算結果如表1所示。

表1 32號墩各層靜摩阻力計算表

當護筒處于靜止狀態時，護筒與土之間存在著較大的靜摩擦力，受到振動后靜摩擦力就急劇減少，動摩擦力TV=μT，故振動錘激振力P0≥TV，即P0≥μT，根據美國ICE公司通過大量測試后的結論：在高速振動時，樁的周圍土體產生液化效果，使樁側極限靜摩阻力減低率，μ=0.1～0.4，根據工程的土體性質，可在期間選取一個值，按上述公式TV=μT計算TV。此次計算按最不利系數計算，取μ=0.4，則TV=(267.63+144.91+780.29+89.18)×0.4=512.76kN，故振動錘需選擇激振力P0≥512.76kN。

3.4 動端阻力RV的計算

根據計算出激振力P0≥512.76kN的要求，初選擬使用的振動錘型號為DZJ-90型振動錘，其最大激振力為570kN，滿足要求，其主要技術參數如表2所示。

動端阻力計算公式如下：

對于砂性土：

表2 擬選用DZJ-90型振動錘主要參數表

對于黏土、淤泥質土：

式中：F為鋼護筒截面積，cm2；N為深入深度土層的最大標準貫入擊數；e為自然常數；I為振動錘動量，kg；k為偏心力矩，N·m；ω為振動錘負荷角速度（頻率），1/s；g為重力加速度，cm/s2。

根據該工程地質情況，其中F=3.14×(712-69.52)=661.76cm2，選用公式（3）計算，RV=4×24×661.76×e-4.689=584.2kg＜Q0=6.155+3.14×1.42×8×117.8=10357kg，根據計算結果，可知Q0遠大于動端阻力RV，足夠克服鋼護筒動端阻力，DZJ-90型振動錘可以滿足要求。

3.5 最小振幅A的計算

最小振幅：

式中：N為深入深度土層的最大標準貫入擊數，mm。

計算得出A=N÷12.5+3=4.92mm＜A0=10.3mm，故DZJ-90型振動錘滿足使用要求。

綜上，DZJ-90型振動錘滿足32號墩該地質情況下護筒下沉的各項條件，可以選用DZJ-90型振動錘。

4 垂直度控制

現場施工時，采用全站儀放出樁基中心點，以樁基中心點為圓心，畫出護筒外輪廓線，沿圓周撒上白灰，采用履帶吊車吊起護筒，4人分站四角對準外輪廓線，置于已標記好的圓周白線上，同時呈垂直方向架設2臺經緯儀對施打過程中的護筒垂直度進行控制監測，下沉初期，先使用較小的激振力，每下沉2m停振后監測護筒的垂直度，振沖過程中振動錘對稱振動下沉，發現偏差及時糾正，保證成型后護筒垂直度偏差＜1%。

5 護筒拔除

為避免護筒拔出過早或過晚造成樁身出現質量缺陷，護筒拔出時間控制在混凝土澆筑完畢后0.5～1h，且不得超過混凝土出站后5h。采用履帶吊車配合振動錘夾住護筒頂部振動2～5min，先使周圍土松動，減少對護筒摩阻力，采用邊振動邊拔出的方式，每拔出3m，停止拔出，振動2～3min后再連續上拔，停振時對護筒垂直度進行復測，如此反復將護筒拔出。

因護筒拔出后護筒所占體積會被混凝土所占用，故根據沉入護筒長度可計算出護筒所占體積V=3.14×(0.712-0.6952)×6.5=0.43m3（扣除混凝土頂面至護筒頂標高的長度為1.5m），在灌注樁基混凝土時，需在原來超灌的基礎上增加0.43m3混凝土，即多超灌0.32m（考慮擴孔因素，按樁基直徑為1.3m計算）。

6 結束語

采用此方法完成31～37號墩共84根樁基的施工，經后期基坑開挖檢樁，樁身完整性、砼強度、樁徑均滿足設計和規范要求，檢測結果均為I類樁。在使用該施工方法時，需由試驗室進行土工試驗，測定基底各土體的標準貫入擊數，由試驗數據先計算出動側摩擦阻力，根據計算結果進行振動錘初步選型，采用市場已有錘型的相關計算參數，進行動端阻力的復核驗算，由此可以簡化計算，方便快速地確定經濟合理的振動錘型號。該方法除了適用于混凝土灌注樁護壁成孔，還可以用作基坑防護擋土樁使用，相比混凝土防護樁，其施工速度快，還可以回收周轉使用，根據項目所處的環境和材料的市場價格，在進行方案經濟效果對比后使用。