鋼管樁高頻免共振法沉樁異常處理

張傳慶

（上海市政建設(shè)有限公司，上海市 200126）

1 工程概況

1.1 鋼管樁設(shè)計(jì)概況

上海S3 公路1 標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本工程”）路線(xiàn)全長(zhǎng)約5.15 km，工程主體為新建全預(yù)制拼裝高架橋梁。橋梁基礎(chǔ)部分為Ф700 mm 的鋼管樁+ 鋼筋混凝土承臺(tái)，樁長(zhǎng)50～56 m，每套樁分上下兩節(jié)樁，下節(jié)樁壁厚12 mm，上節(jié)樁壁厚16 mm，下節(jié)樁樁尖2 m范圍內(nèi)布置“井”字型鋼隔板，樁基持力層為⑦2層草黃～灰色粉細(xì)砂，樁基進(jìn)入持力層深度普遍10 m以上。橋梁東側(cè)鄰近軌道交通16 號(hào)線(xiàn)，鋼管樁采用高頻液壓免共振法沉樁。

1.2 工程地質(zhì)概況

本工程鋼管樁持力層深度范圍內(nèi)分布的土層自上而下可劃分為七大層及若干亞層，地基土具體情況見(jiàn)表1。

表1 地基土構(gòu)成與特證一覽表

根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告，第⑦2層草黃～灰色粉細(xì)砂，場(chǎng)地內(nèi)分布廣泛，由云母、石英、長(zhǎng)石細(xì)等顆粒組成，局部夾薄層黏性土，土質(zhì)好，密實(shí)狀，中壓縮性。橋梁樁基礎(chǔ)采用預(yù)制樁時(shí)，需穿越③T、④T、⑤1T、⑤31T、⑤32、⑦11、⑦12、⑦2層等粉（砂）性土，沉樁阻力較大，沉樁困難，需選擇合適的沉樁設(shè)備。

1.3 沉樁設(shè)備簡(jiǎn)介

本工程鋼管樁沉樁設(shè)備主要包括大型履帶吊、液壓振動(dòng)錘和配套的動(dòng)力站，其中液壓振動(dòng)錘采用荷蘭艾西伊公司生產(chǎn)的高頻免共振液壓振動(dòng)錘ICE70RF，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 ICE 70RF 振動(dòng)錘技術(shù)參數(shù)表

2 鋼管樁沉樁異常概況及原因分析

2.1 鋼管樁沉樁異常概況

本工程鋼管樁采用高頻液壓免共振法沉樁時(shí)發(fā)生異常，鋼管樁無(wú)法按照設(shè)計(jì)要求沉樁到位，沉入深度不足，共涉及12 個(gè)承臺(tái)、144 套鋼管樁，詳見(jiàn)表3。

表3 鋼管樁沉入深度不足情況一覽表

2.2 沉樁異常原因分析

根據(jù)本工程鋼管樁設(shè)計(jì)、工程地質(zhì)條件、施工工藝和設(shè)備等情況，結(jié)合鋼管樁施工情況，分析本工程鋼管樁采用高頻液壓免共振法無(wú)法沉樁到位的原因，認(rèn)為有如下三個(gè)方面。

（1）工程地質(zhì)方面。鋼管樁沉樁需穿越⑦11、⑦12和⑦2層等粉（砂）性土，⑦12靜力觸探貫入阻力PS值范圍為6.392～15.075 MPa，平均值為10.044 MPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N 范圍值為18～41 擊，平均值為27.3擊；⑦2靜力觸探貫入阻力PS 值范圍為9.563 ～29.009 MPa，平均值為20.689 MPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N范圍值為28～83.3 擊，平均值為54.5 擊，如預(yù)制樁進(jìn)入該兩層深度較大時(shí)，沉樁難度大，建議選擇灌注樁。

（2）設(shè)計(jì)方面。樁基持力層土質(zhì)好、密實(shí)，設(shè)計(jì)的鋼管樁進(jìn)入持力層過(guò)深，未沉樁到位的鋼管樁，設(shè)計(jì)進(jìn)入持力層深度為13.8～16.7 m，沉樁阻力大；另外，在樁尖2 m 范圍增設(shè)了“井”字型鋼隔板，施工中發(fā)現(xiàn)存在土塞效應(yīng)，樁頂不涌土，土塞已完成閉塞，在密實(shí)的砂土中，樁底阻力轉(zhuǎn)化為鋼管樁內(nèi)壁的法向擠壓力，從而大大提高了砂土與鋼管樁內(nèi)壁的摩擦阻力，土塞效應(yīng)亦明顯增大了沉樁的樁端阻力，進(jìn)一步增加了鋼管樁沉樁難度[1]。

（3）施工方面。鋼管樁采用ICE 70RF 高頻液壓免共振法沉樁，沉樁原理為振動(dòng)錘與樁連接形成一個(gè)振動(dòng)體系，振動(dòng)錘運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生偏心力，該力的水平分量在同一時(shí)間將相互抵消，該力的垂直分量則相互疊加，形成偏心激振力，這個(gè)激振力使樁體產(chǎn)生正弦波的垂直振動(dòng)，強(qiáng)迫樁體周邊的土壤產(chǎn)生液化和位移，在樁的自重和振動(dòng)錘自重及產(chǎn)生的激振力的共同作用下，使樁貫入下沉[2]。

采用振動(dòng)錘沉樁，需滿(mǎn)足三個(gè)基本條件：a. 振動(dòng)錘產(chǎn)生的激振力大于被振沉構(gòu)件與土的動(dòng)側(cè)摩擦阻力；b. 振動(dòng)系統(tǒng)的總重量大于振沉構(gòu)件遭受的動(dòng)端阻力；c. 振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的工作振幅大于振沉構(gòu)件達(dá)到要求深度所需最小振幅[2]。同時(shí)滿(mǎn)足上述三個(gè)條件時(shí)，才能使樁下沉。

未沉樁到位的鋼管樁進(jìn)入持力層后樁端阻力不小于263 kN，振動(dòng)系統(tǒng)的總重量最大為247 kN，小于沉樁時(shí)的樁端阻力，且隨著鋼管樁貫入深度的不斷增加，沉樁阻力不斷增大，樁基進(jìn)入密實(shí)的砂土層后，振動(dòng)錘對(duì)樁周邊深層土壤的液化效果明顯減弱，再加上樁尖2 m 范圍“井”字隔板的存在，使得土塞效應(yīng)明顯，明顯增加了參與振動(dòng)的質(zhì)量，進(jìn)一步減弱了對(duì)樁周邊土壤的液化效果和振幅，振動(dòng)錘使樁產(chǎn)生的振幅不能滿(mǎn)足樁下沉的最小振幅。樁身在振動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的最大振幅必須大于土壤處于彈線(xiàn)階段中的最大位移，否則樁身無(wú)法擺脫土壤，就不會(huì)有動(dòng)摩阻力的產(chǎn)生，不能使樁下沉[3]。

3 沉樁異常處理方法

根據(jù)本工程鋼管樁沉樁異常概況以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)沉樁異常采取了兩種處理方法。

處理方法一：對(duì)早期施工的承臺(tái)（編號(hào)1～4）的鋼管樁，經(jīng)各方討論直接按設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高截樁，根據(jù)實(shí)測(cè)的豎向抗壓承載力并結(jié)合工程地質(zhì)及保留的樁長(zhǎng)，經(jīng)理論計(jì)算確定補(bǔ)樁數(shù)量，每個(gè)承臺(tái)補(bǔ)兩根鋼管樁，補(bǔ)樁長(zhǎng)度50 m，補(bǔ)樁采用高頻液壓免共振法施工；同時(shí)，對(duì)承臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)大。

處理方法二：對(duì)較晚施工的承臺(tái)（編號(hào)5～12）的鋼管樁，由于多數(shù)鋼管樁未沉入長(zhǎng)度大，若直接按方法一處理，需截?cái)嗟匿摴軜堕L(zhǎng)度大、補(bǔ)樁數(shù)量多、顯著增大承臺(tái)，很不經(jīng)濟(jì)，考慮采用復(fù)打處理。經(jīng)多方討論決定，采用施工效率高、環(huán)保性好的液壓沖擊式打樁錘進(jìn)行復(fù)打，對(duì)復(fù)打到位的鋼管樁隨機(jī)抽取試驗(yàn)樁進(jìn)行靜荷載試驗(yàn)并輔以高應(yīng)變檢測(cè)。復(fù)打后的實(shí)測(cè)樁基承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求時(shí)，可直接進(jìn)行后續(xù)承臺(tái)施工。

4 沉樁異常復(fù)打處理技術(shù)及效果

4.1 打樁設(shè)備

打樁設(shè)備主要包括大型履帶吊、液壓打樁錘和動(dòng)力站。采用廣東力源液壓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的HHP20 液壓打樁錘及配套P600 動(dòng)力站，如圖1 所示，打樁錘技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

圖1 HHP 20 液壓打樁錘及P 600 動(dòng)力站

表4 HHP 20 液壓打樁錘技術(shù)參數(shù)表

HHP20 液壓打樁錘打樁高效節(jié)能、噪音低、無(wú)污染，徹底減輕了施工過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境的影響；沖擊能量大、穿透力強(qiáng)，沖擊行程和頻率可調(diào)節(jié)；成樁質(zhì)量高，可根據(jù)土質(zhì)情況和樁管材質(zhì)的強(qiáng)度合理選擇沖擊力，可施工預(yù)應(yīng)力管樁、方樁和鋼護(hù)樁等樁型。

4.2 液壓打樁錘吊打工藝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用步履式樁架施工，已不具備場(chǎng)地條件，故采用吊打法施工。利用一臺(tái)250 t履帶吊吊起打樁錘，施工時(shí)去掉步履式樁架，增加專(zhuān)用打樁帽以保護(hù)樁頂和打樁錘。

復(fù)打施工流程：打樁設(shè)備進(jìn)場(chǎng)組裝及檢驗(yàn)調(diào)試→安裝樁帽→設(shè)備就位、起吊打樁錘→下落打樁錘，使之與樁帽密切接觸、鋼絲繩處于松弛狀態(tài)→啟動(dòng)打樁錘→沉樁→打至設(shè)計(jì)標(biāo)高停錘→下一根樁施工。

復(fù)打時(shí)重錘輕擊，錘芯起跳高度按從低到高依次調(diào)節(jié)試驗(yàn)，以能沉樁為準(zhǔn)，起跳高度盡量小。重錘比輕錘的沖擊效率高，錘重、落距低可以延長(zhǎng)錘擊接觸時(shí)間，從而降低錘的沖擊應(yīng)力，避免損壞樁頭。在樁的沉入過(guò)程中，觀察樁錘、樁帽和樁身是否保持在同一軸線(xiàn)上。錘擊沉樁連續(xù)進(jìn)行，不應(yīng)中途停頓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

4.3 復(fù)打?qū)嵤┬Ч?/h3>

本工程使用液壓打樁錘對(duì)未沉樁到位的鋼管樁進(jìn)行復(fù)打，96 根鋼管樁全部打入設(shè)計(jì)標(biāo)高。施工完成后選取其中的兩根進(jìn)行靜荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。并按照設(shè)計(jì)要求，隨機(jī)選取5%的復(fù)打鋼管樁進(jìn)行樁基高應(yīng)變檢測(cè)，結(jié)果全部滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，鋼管樁復(fù)打效果好。

5 結(jié) 語(yǔ)

工程實(shí)踐表明，本工程采用補(bǔ)樁和液壓錘擊法復(fù)打處理未沉樁到位的鋼管樁是合適可行的，相比較而言，復(fù)打處理更為經(jīng)濟(jì)合適。鋼管樁沉樁應(yīng)充分考慮工程地質(zhì)條件和鋼管樁設(shè)計(jì)情況，選擇合適的施工工藝和施工設(shè)備，以便能夠順利沉樁，保證工程質(zhì)量。