鋼管樁高頻免共振法沉樁異常處理

張傳慶

（上海市政建設有限公司，上海市 200126）

1 工程概況

1.1 鋼管樁設計概況

上海S3 公路1 標（以下簡稱“本工程”）路線全長約5.15 km，工程主體為新建全預制拼裝高架橋梁。橋梁基礎部分為Ф700 mm 的鋼管樁+ 鋼筋混凝土承臺，樁長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范圍內布置“井”字型鋼隔板，樁基持力層為⑦2層草黃～灰色粉細砂，樁基進入持力層深度普遍10 m以上。橋梁東側鄰近軌道交通16 號線，鋼管樁采用高頻液壓免共振法沉樁。

1.2 工程地質概況

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

表1 地基土構成與特證一覽表

根據本工程地質勘察報告，第⑦2層草黃～灰色粉細砂，場地內分布廣泛，由云母、石英、長石細等顆粒組成，局部夾薄層黏性土，土質好，密實狀，中壓縮性。橋梁樁基礎采用預制樁時，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備。

1.3 沉樁設備簡介

本工程鋼管樁沉樁設備主要包括大型履帶吊、液壓振動錘和配套的動力站，其中液壓振動錘采用荷蘭艾西伊公司生產的高頻免共振液壓振動錘ICE70RF，具體參數見表2。

表2 ICE 70RF 振動錘技術參數表

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發(fā)生異常，鋼管樁無法按照設計要求沉樁到位，沉入深度不足，共涉及12 個承臺、144 套鋼管樁，詳見表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

根據本工程鋼管樁設計、工程地質條件、施工工藝和設備等情況，結合鋼管樁施工情況，分析本工程鋼管樁采用高頻液壓免共振法無法沉樁到位的原因，認為有如下三個方面。

（1）工程地質方面。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，標準貫入擊數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，標準貫入擊數N范圍值為28～83.3 擊，平均值為54.5 擊，如預制樁進入該兩層深度較大時，沉樁難度大，建議選擇灌注樁。

（2）設計方面。樁基持力層土質好、密實，設計的鋼管樁進入持力層過深，未沉樁到位的鋼管樁，設計進入持力層深度為13.8～16.7 m，沉樁阻力大；另外，在樁尖2 m 范圍增設了“井”字型鋼隔板，施工中發(fā)現(xiàn)存在土塞效應，樁頂不涌土，土塞已完成閉塞，在密實的砂土中，樁底阻力轉化為鋼管樁內壁的法向擠壓力，從而大大提高了砂土與鋼管樁內壁的摩擦阻力，土塞效應亦明顯增大了沉樁的樁端阻力，進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，沉樁原理為振動錘與樁連接形成一個振動體系，振動錘運行時產生偏心力，該力的水平分量在同一時間將相互抵消，該力的垂直分量則相互疊加，形成偏心激振力，這個激振力使樁體產生正弦波的垂直振動，強迫樁體周邊的土壤產生液化和位移，在樁的自重和振動錘自重及產生的激振力的共同作用下，使樁貫入下沉[2]。

采用振動錘沉樁，需滿足三個基本條件：a. 振動錘產生的激振力大于被振沉構件與土的動側摩擦阻力；b. 振動系統(tǒng)的總重量大于振沉構件遭受的動端阻力；c. 振動系統(tǒng)產生的工作振幅大于振沉構件達到要求深度所需最小振幅[2]。同時滿足上述三個條件時，才能使樁下沉。

未沉樁到位的鋼管樁進入持力層后樁端阻力不小于263 kN，振動系統(tǒng)的總重量最大為247 kN，小于沉樁時的樁端阻力，且隨著鋼管樁貫入深度的不斷增加，沉樁阻力不斷增大，樁基進入密實的砂土層后，振動錘對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，使得土塞效應明顯，明顯增加了參與振動的質量，進一步減弱了對樁周邊土壤的液化效果和振幅，振動錘使樁產生的振幅不能滿足樁下沉的最小振幅。樁身在振動荷載作用下產生的最大振幅必須大于土壤處于彈線階段中的最大位移，否則樁身無法擺脫土壤，就不會有動摩阻力的產生，不能使樁下沉[3]。

3 沉樁異常處理方法

根據本工程鋼管樁沉樁異常概況以及結合現(xiàn)場實際情況，對沉樁異常采取了兩種處理方法。

處理方法一：對早期施工的承臺（編號1～4）的鋼管樁，經各方討論直接按設計樁頂標高截樁，根據實測的豎向抗壓承載力并結合工程地質及保留的樁長，經理論計算確定補樁數量，每個承臺補兩根鋼管樁，補樁長度50 m，補樁采用高頻液壓免共振法施工；同時，對承臺進行適當擴大。

處理方法二：對較晚施工的承臺（編號5～12）的鋼管樁，由于多數鋼管樁未沉入長度大，若直接按方法一處理，需截斷的鋼管樁長度大、補樁數量多、顯著增大承臺，很不經濟，考慮采用復打處理。經多方討論決定，采用施工效率高、環(huán)保性好的液壓沖擊式打樁錘進行復打，對復打到位的鋼管樁隨機抽取試驗樁進行靜荷載試驗并輔以高應變檢測。復打后的實測樁基承載力滿足設計需求時，可直接進行后續(xù)承臺施工。

4 沉樁異常復打處理技術及效果

4.1 打樁設備

打樁設備主要包括大型履帶吊、液壓打樁錘和動力站。采用廣東力源液壓機械有限公司生產的HHP20 液壓打樁錘及配套P600 動力站，如圖1 所示，打樁錘技術參數見表4。

圖1 HHP 20 液壓打樁錘及P 600 動力站

表4 HHP 20 液壓打樁錘技術參數表

HHP20 液壓打樁錘打樁高效節(jié)能、噪音低、無污染，徹底減輕了施工過程中對周邊環(huán)境的影響；沖擊能量大、穿透力強，沖擊行程和頻率可調節(jié)；成樁質量高，可根據土質情況和樁管材質的強度合理選擇沖擊力，可施工預應力管樁、方樁和鋼護樁等樁型。

4.2 液壓打樁錘吊打工藝

根據現(xiàn)場實際情況，采用步履式樁架施工，已不具備場地條件，故采用吊打法施工。利用一臺250 t履帶吊吊起打樁錘，施工時去掉步履式樁架，增加專用打樁帽以保護樁頂和打樁錘。

復打施工流程：打樁設備進場組裝及檢驗調試→安裝樁帽→設備就位、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)→啟動打樁錘→沉樁→打至設計標高停錘→下一根樁施工。

復打時重錘輕擊，錘芯起跳高度按從低到高依次調節(jié)試驗，以能沉樁為準，起跳高度盡量小。重錘比輕錘的沖擊效率高，錘重、落距低可以延長錘擊接觸時間，從而降低錘的沖擊應力，避免損壞樁頭。在樁的沉入過程中，觀察樁錘、樁帽和樁身是否保持在同一軸線上。錘擊沉樁連續(xù)進行，不應中途停頓時間過長。

4.3 復打實施效果

本工程使用液壓打樁錘對未沉樁到位的鋼管樁進行復打，96 根鋼管樁全部打入設計標高。施工完成后選取其中的兩根進行靜荷載試驗，試驗結果滿足設計需求。并按照設計要求，隨機選取5%的復打鋼管樁進行樁基高應變檢測，結果全部滿足設計需求，鋼管樁復打效果好。

5 結 語

工程實踐表明，本工程采用補樁和液壓錘擊法復打處理未沉樁到位的鋼管樁是合適可行的，相比較而言，復打處理更為經濟合適。鋼管樁沉樁應充分考慮工程地質條件和鋼管樁設計情況，選擇合適的施工工藝和施工設備，以便能夠順利沉樁，保證工程質量。