液壓打樁錘與柴油打樁錘的性能比較分析

蘇偉國 陳景忠

(1 佛山市煜耀業(yè)工程技術(shù)有限公司；2 廣東順融檢測科技股份有限公司）

0 引言

為適應(yīng)減排降噪的環(huán)境保護(hù)要求，液壓打樁錘近些年來獲得大量推廣使用，已成為錘擊式預(yù)制樁沉樁施工的主流打樁機(jī)具。相比于液壓打樁錘，柴油打樁錘在我國有著更長的使用歷史，工程建設(shè)相關(guān)各方，包括設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、質(zhì)量監(jiān)督等對柴油打樁錘性能的認(rèn)知，積累的經(jīng)驗(yàn)，都更為充分和豐富。兩種錘均屬于沖擊式打樁錘，均通過對樁的錘打沖擊實(shí)現(xiàn)沉樁。因此，兩種錘有著相近的比較和分析條件。通過分析它們錘體構(gòu)造、工作原理的異同及由此導(dǎo)致的性能差異，進(jìn)而在柴油打樁錘的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)出液壓打樁錘的經(jīng)驗(yàn)做法和控制要求，無疑對完善改進(jìn)液壓打樁錘的使用，更好地發(fā)揮其優(yōu)勢性能，具有現(xiàn)實(shí)的工程價(jià)值和施工指導(dǎo)意義。

1 錘的構(gòu)造與原理比較

1.1 錘的構(gòu)造比較

柴油打樁錘[1]由上活塞、氣缸腔、下活塞組成，附設(shè)燃油泵、油管、擋塊、導(dǎo)向、緩沖墊等各種動(dòng)力與行程控制元件，錘體上部安裝有機(jī)械操縱提錘、起落、起動(dòng)等裝置。錘的上活塞（錘芯）行程較大，且受所用柴油質(zhì)量及氣壓的影響，構(gòu)造較復(fù)雜，因此可控性較差。

液壓打樁錘[2]由液壓缸總成、錘芯總成和附設(shè)滑輪、導(dǎo)向、傳感器座等各種元器件組成。通過液壓裝置驅(qū)動(dòng)錘芯上下運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)行程，構(gòu)造較簡單，可控性較好。

兩種錘錘體下端均可根據(jù)施工要求連接含樁帽總成，不同的是，柴油打樁錘是通過上活塞撞擊下活塞作用于樁帽，而液壓打樁錘是錘芯直接作用于樁帽。

柴油錘錘芯為細(xì)長形圓柱體，錘重相對較輕，高徑比大，為減小高徑比，降低錘芯運(yùn)動(dòng)的橫向擺動(dòng)與波動(dòng)效應(yīng)，將錘芯分為上、下活塞兩部分。液壓錘錘芯則近似四面體，錘重相對較重，高徑比小，上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，錘芯近似剛體，橫向擺動(dòng)小。

1.2 錘的運(yùn)動(dòng)原理比較

柴油打樁錘的上活塞落下撞擊燃油泵壓油杠桿，使燃油泵將一定量的柴油通過噴油嘴噴至下活塞沖擊面上。當(dāng)上活塞繼續(xù)下落經(jīng)過吸排氣口時(shí)，就開始?jí)嚎s氣缸內(nèi)的空氣。逐漸增大的空氣壓力將下活塞和樁帽緊密地壓在樁頭上。上活塞頭部撞擊下活塞，使下活塞沖擊面上的柴油霧化飛濺至燃燒室內(nèi)，同時(shí)將樁打下。在燃燒室內(nèi)的油霧和高壓空氣混合后被點(diǎn)燃爆炸，爆炸力繼續(xù)將樁往下打，同時(shí)將上活塞向上彈起。上活塞升離吸排氣口，高溫高壓廢氣向外排出，氣缸內(nèi)恢復(fù)常壓。上活塞繼續(xù)向上升起，使氣缸內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，新鮮空氣通過吸排氣口被吸入，并徹底將廢氣掃出，燃油泵的壓油杠桿被恢復(fù)原位，燃油泵重新吸入柴油[3]。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對錘的往復(fù)驅(qū)動(dòng)。

液壓打樁錘是通過液壓裝置提升錘芯至預(yù)定高度后快速釋放下落，實(shí)現(xiàn)對樁的擊打。按有無初始推力分為單作用式和雙作用式。單作用式是指錘芯以自由落體方式下落；雙作用式的錘芯起始階段能從液壓系統(tǒng)（氣缸頂部的氮?dú)鈿饽遥┇@得一定的推力，錘芯以一定的初速度下落。

兩種打樁錘的工作形式相同，都是通過推舉錘至一定的高度后釋放下落，將位置勢能（雙作用式液壓錘有初始動(dòng)能）轉(zhuǎn)化為沖擊能的能量轉(zhuǎn)換過程。不同的是錘的推舉方式，一種是通過燃爆產(chǎn)生的沖力，一種是通過液壓裝置提升。過程方式的不同帶來錘體尤其是錘芯構(gòu)造上的差異。

2 錘的性能比較

2.1 錘的作用過程比較

柴油打樁錘對樁的擊打作用包括兩部分，上活塞對下活塞的撞擊和霧化柴油燃爆產(chǎn)生的沖擊。上活塞的撞擊過程又包括，活塞下落對缸內(nèi)空氣的壓縮過程和對下活塞的撞擊過程，壓縮導(dǎo)致的壓力通過樁帽傳遞作用于樁頂[4]。樁頂接收的力的時(shí)程曲線表現(xiàn)為先有一段平緩的起升延，之后曲線才陡峭上升，并有明顯的雙峰。

液壓打樁錘每錘的擊打則是單次作用，力的時(shí)程曲線表現(xiàn)為陡峭的上升延和單峰(錘體和樁帽連接有間隙的情況下，也可能形成雙峰)。

圖1 柴油錘（錘重6.2噸）打樁監(jiān)控信號(hào)

圖2 液壓錘（錘重14噸）打樁監(jiān)控信號(hào)

2.2 土的適應(yīng)性比較

柴油打樁錘在軟土地層上打樁時(shí),錘體隨樁的自沉而下落，由于樁對錘的抗力過小，導(dǎo)致壓縮比達(dá)不到引燃起爆的要求，這時(shí)需要用吊鉤多次吊起錘芯脫鉤沖擊，才有可能啟動(dòng)，顯著影響打樁效率，且易造成樁的偏位傾斜，打樁時(shí)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力破壞樁身，降低樁的打入精度和樁身質(zhì)量。

柴油打樁錘在硬土中打樁時(shí)則沖擊能量高，打入能力強(qiáng)，工效顯著。但在堅(jiān)硬地基土中，由于錘芯彈跳非常高，產(chǎn)生極大的沖擊力，容易造成樁身破損，甚至錘芯里的阻擋環(huán)損壞，錘芯可能跳出錘體而導(dǎo)致安全事故。

因此柴油打樁錘受場地地基土的軟硬程度影響較大，土的適應(yīng)性和可控性相對較差。

液壓打樁錘通過液壓裝置驅(qū)動(dòng)錘芯運(yùn)動(dòng)，即使在松軟的土層也可以啟動(dòng)和連續(xù)工作，不受外部因素的影響，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，工效高。可以根據(jù)土質(zhì)的軟硬情況，結(jié)合樁身材料強(qiáng)度，選擇合適的沖擊力，實(shí)現(xiàn)錘芯行程和沖擊能量的準(zhǔn)確控制，保證沖擊能量的充分發(fā)揮而又不至于損害樁身[4]。

液壓打樁錘具有單次或設(shè)定次數(shù)的擊打功能，實(shí)現(xiàn)打入深度和錘擊次數(shù)的準(zhǔn)確控制。

2.3 能量傳遞效率比較

能量傳遞效率是衡量打樁錘性能的重要指標(biāo)。根據(jù)一維波動(dòng)理論分析，錘與樁土的阻抗比決定力的持續(xù)時(shí)間，阻抗比越大，持續(xù)時(shí)間越長[5]。能量傳遞效率越高。

柴油打樁錘錘芯重量較輕，高徑比大，錘芯與樁身直徑相近。液壓打樁錘錘芯較重，高徑比小，錘芯截面明顯大于樁身截面。所以，相比較而言，液壓打樁錘錘擊系統(tǒng)與樁土的阻抗比明顯高于柴油打樁錘與樁土的阻抗比。因此，在相同打擊力和樁土條件下，液壓打樁錘能量傳遞效率明顯高于柴油打樁錘。

影響傳遞效率高低的另一主要因素是錘體的構(gòu)造，液壓打樁錘錘擊直接作用于樁帽，能量傳遞路徑短，有利于降低過程損耗。而柴油打樁錘是先作用于下活塞再作用于樁帽，傳遞路徑長，過程損耗自然就大。

由于柴油打樁錘錘重較輕，增大打擊力和打擊能量更多是通過增大落距來實(shí)現(xiàn)，在撞擊那一刻，同等打擊力下，柴油打樁錘的錘芯速度要大于液壓打樁錘。速度增大，激發(fā)出更大的動(dòng)阻力，克服動(dòng)阻力消耗的能量相應(yīng)增加，克服靜阻力的能量自然就減少了，而沉樁貫入是錘擊系統(tǒng)克服靜阻力的結(jié)果。因此，在同等打擊力下，液壓打樁錘貫入效率要高于柴油打樁錘[5]。

此外，由于液壓打樁錘較重，同樣的打擊力，液壓打樁錘的落距要小于柴油打樁錘，即可實(shí)現(xiàn)重錘低擊，這有利于樁身的保護(hù)。

2.4 性能比較小結(jié)

相比柴油打樁錘，液壓打樁錘具有，適應(yīng)場地地質(zhì)條件范圍更廣；錘芯落距可調(diào)，錘的可控性更高；相同落距下打擊力更大，能量輸出更高；相同打擊力下，動(dòng)阻力更小，沉樁貫入效率更高；能量傳遞路徑更短，傳遞效率更高；能量獲取相同情況下，樁身壓應(yīng)力更小，有利于樁身保護(hù)；這些性能特點(diǎn)，對提高預(yù)應(yīng)力管樁的沉樁效率、沉樁質(zhì)量，以及實(shí)現(xiàn)沉樁施工的精準(zhǔn)化控制，提供了較好的設(shè)備條件。其較好的安全環(huán)保性能也更符合社會(huì)發(fā)展要求。

3 柴油打樁錘的經(jīng)驗(yàn)做法

柴油打樁錘更適應(yīng)于較硬粘土和砂性土地層，在深厚軟弱地層和堅(jiān)硬地層中應(yīng)慎用柴油打樁錘，兩種情形下都容易造成質(zhì)量與安全事故。選擇錘重時(shí)，應(yīng)保證錘重大于樁重[6]。柴油打樁錘容易造成樁身壓應(yīng)力損壞，一般通過設(shè)置樁墊可減緩壓應(yīng)力的影響。選擇樁墊材料與厚度應(yīng)結(jié)合錘芯落距、樁身抗壓強(qiáng)度綜合考慮，盡可能取得沖擊與應(yīng)力的平衡，即樁墊對能量的吸收釋放過程不至于明顯影響樁的貫入效率。同時(shí)應(yīng)控制好錘擊總數(shù)，避免樁身疲勞破壞。最后幾米每米錘擊數(shù)應(yīng)在樁端進(jìn)入持力層的判斷基礎(chǔ)上驗(yàn)證觀察，錘擊數(shù)應(yīng)有較為明顯的階躍式遞增并趨于穩(wěn)定。應(yīng)根據(jù)錘芯落距適當(dāng)調(diào)整收錘貫入度，不可不同場地地層，不同錘重，不同落距，都機(jī)械地按統(tǒng)一貫入度控制。

4 液壓打樁錘的使用建議

液壓打樁錘適應(yīng)于各類土層和樁型。選擇錘重時(shí)，同樣應(yīng)遵守錘重應(yīng)大于樁重的原則，有條件時(shí)，盡可能選擇更重的錘。從發(fā)揮液壓打樁錘的性能優(yōu)勢考慮，沉樁時(shí)宜重錘低擊。錘的落距宜結(jié)合樁身實(shí)際抗壓強(qiáng)度，在不損壞樁身的前提下確定落距，充分發(fā)揮錘的效能。錘擊頻率應(yīng)考慮樁長因素，樁短時(shí)頻率宜低，反之，頻率宜高[5]。液壓打樁錘本身設(shè)置有錘墊，因此對樁墊的設(shè)置要求并沒有更多的要求，一般的紙板疊加幾層即可。判斷樁端是否進(jìn)入持力層以及進(jìn)入深度，可通過最后幾米每米錘擊數(shù)是否有階躍式遞增并趨于穩(wěn)定，具體錘擊數(shù)視錘重、持力層軟硬程度綜合確定。由于有穩(wěn)定一致的落距，在場地地質(zhì)條件相近的情況下，基本可以按統(tǒng)一貫入度控制收錘。

5 結(jié)語

相比于柴油打樁錘，液壓打樁錘具有更為優(yōu)異的性能。在液壓打樁錘錘擊沉樁施工中，如何發(fā)揮好其性能，提高沉樁效能和質(zhì)量控制水平，尚需要在實(shí)踐中更多地總結(jié)分析與提煉。液壓打樁錘的可控制化水平和過程動(dòng)力參數(shù)的采集功能，也為錘擊沉樁的半自動(dòng)、自動(dòng)化，以及數(shù)字化施工提供了很好的設(shè)備條件，值得不斷地挖掘開發(fā)。