高強預制管樁高能量錘擊沉樁施工技術研究

摘 要：【目的】探索高強預制管樁在高能量錘擊設備條件下施工的可行性和控制標準。【方法】通過理論計算和現場試驗，深入研究高能量設備錘擊沉樁施工技術。【結果】通過試驗分析，確定高能量錘擊沉樁應以樁長控制為主，貫入度控制為輔。【結論】研究結果解決了在特定地層條件下高能量錘擊沉樁施工控制標準，驗證了高能量條件下施工的可靠性，為類似地層條件下高強預制管樁高能量錘擊沉樁施工提供了參考。

關鍵詞：高強預制管樁；沉樁控制；對比分析；貫入度；樁長

中圖分類號：TU753.3" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）04-0068-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.014

Research on High Strength Prefabricated Pipe Pile Driven by

High-Energy Hammer Construction Technology

WANG Minquan

（China Railway 20th" Bureau Group Municipal Engineering Co.， Ltd.， Lanzhou 730030， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to explore the feasibility and control standards of constructing high-strength prefabricated pipe piles under high-energy hammering equipment conditions. [Methods] Through the use of theoretical calculations and on-site experimental methods， in-depth research is conducted on the construction of high-energy equipment hammer sinking piles. [Findings] Through experimental analysis， it is determined that the control of pile length should be the main method for sinking piles with high-energy hammers， with penetration control as the secondary method. [Conclusions] This study solved the construction control standard for high-energy hammer sinking piles under specific geological conditions and verified the reliability of construction under high-energy conditions， providing a reference for the construction of high-strength prefabricated pipe piles with high-energy hammer sinking piles under similar geological conditions.

Keywords： high strength prefabricated pipe piles; pile sinking control; comparative analysis; penetration degree; pile length

0 引言

高強度混凝土樁是采用先張預應力離心成型工藝，并經過10個大氣壓（1.01 MPa左右）、180 ℃ 左右的蒸汽養護，制成的一種空心圓筒型混凝土預制構件，直徑為300～800 mm，混凝土強度等級≥C80，簡稱PHC管樁［1］。高強預制管樁主要施工方法為錘擊沉樁和靜力壓樁兩種方式，其中錘擊沉樁又分為柴油錘和液壓錘錘擊沉樁兩種。目前，柴油錘錘擊沉樁使用時間較長，并已有較好的理論研究成果。針對不同樁型如何選用重錘型號相關規范有較明確的說明，但柴油錘錘擊沉樁具有污染大、噪聲大、錘擊能量小，沉樁效率低下等缺點，目前有逐漸被取代的趨勢。液壓錘振動沉樁作為一種新型環保沉樁方式有了較大的發展。吳思明［2］針對鋼管樁沉樁中如何選擇液壓振動錘型號做了簡易驗算；林海［3］通過提高落錘高度、增加錘擊能量對預制管樁抗沖擊性能進行了研究，但針對高能量錘擊沉樁如何明確終樁條件，以及高低能量錘擊沉樁之間理論換算均未做出說明。

本研究以洛陽市某人才公寓項目3-8#樓樁基為研究背景，采用高強預制管樁抗錘擊模型計算和高低能量錘擊沉樁試驗，結合數值驗算和對比試驗結果，確定了在特定地層下高能量錘擊沉樁終樁控制標準，驗證了高能量錘擊沉樁樁身的可靠性，為后續同類高強預制管樁施工技術控制提供了參考和依據。

1 工程概況

1.1 工程簡介

洛陽市某人才公寓項目，總建筑面積為15.7萬m2，包括8棟住宅樓，其中3-8#樓為高強預制管樁+筏板基礎，樁長為11～20 m，樁徑為400 mm，樁端持力層為卵石層或卵石夾圓礫層，設計單樁承載力特征值為850 kN，采用錘擊沉樁，設計以貫入度控制為主，樁長控制為輔，樁端全截面進入持力層不小于2d（d為樁徑），最后三陣（每陣10擊）貫入度＜30 mm/每陣。

1.2 地質情況

根據勘察報告顯示，該場地屬于伊何Ⅱ級階地后緣與Ⅲ級階地過渡地段，地層分布自上而下大致分9層，各土層特性指標及分布詳見表1和圖1。

1.3 存在問題

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）附錄H［4］，現場分別采用一臺D35系列柴油錘和一臺16 t高頻液壓振動錘進行試樁。其間采用D35柴油錘的試樁貫入度達到要求，但樁端未進入持力層足夠深度及持續增加錘擊次數造成爆樁現象，如圖2所示；采用16 t液壓振動錘的試樁，出現樁端進入持力層滿足要求但貫入度大于規范要求的現象。《建筑樁基技術規范》中7.4.6條關于樁的終止錘擊控制要求為：①當樁端位于一般土層時，應以控制樁端設計標高為主，貫入度控制為輔；②樁端達到堅硬、硬塑的黏性土中、中密度以上粉土，砂土、碎石類土及風化巖時，應以貫入度控制為主，樁端標高為輔。綜上所述，該工程面臨采用16 t液壓振動錘代替D35柴油錘進行施工是否滿足樁基承載力要求，以及采用后如何調整收錘標準等問題。

2 沉樁計算

2.1 沉樁原理

筒式柴油錘工作原理類似單缸二沖程柴油機，利用噴入氣缸燃燒室內霧化柴油受高壓高溫后燃爆所產生的強大驅動力驅動錘頭工作。其循環工作條件受制于捶打過程中土層和樁體相互作用產生的反力，選錘質量較大則產生較大貫入度，無法滿足重錘反彈高度，則無法維系循環工作［5］。高頻液壓振動錘錘擊沉樁機理涉及樁、高頻振動錘及土等情況，其中最復雜的是樁土相互作用機理與常規動力打樁響應特性不同，具有更強的地基穿透性［6］。

2.2 數值計算

2.2.1 地層承載力計算。單樁豎向承載力特征值的計算見式（1）。

[Ra]=[1kQuk] （1）

式中：[ Quk]為單樁豎向極限承載力標準值；k為安全系數，一般取2。

[Quk]采用經驗參數計算，見式（2）。

[Quk]=[Qsk]+[Qpk]=[uΣqsikli+qpkAp] （2）

式中：[qsik]為樁側第i層土的極限側阻力標準值；[li]樁周第i層土厚度；[qpk]為樁端阻力標準值；u為樁身周長；[Ap]為樁端面積。

參照SZ1土層，3層黃土狀粉質黏土的厚度為3.05 m，4層黃土狀粉質黏土厚度為4.1 m，5層黃土狀粉質黏土夾粉土的厚度為3 m，6層細砂層的厚度為0.9 m，設計樁底進入7層卵石層進入2d（d為樁底）為800 mm。通過查《建筑基樁檢測技術規范》［7］表5.3.5-1和5.3.5-2，各土層的極限側阻力標準值分別取86、86、70、98、200 kPa，樁端阻力標準值取8 000 kPa。

按照各土層最低承載要求計算如下：[Quk]=3.14×0.4×（86×3.05+86×4.1+70×3+98×0.9+200×0.8）+8 000×（3.14×[0.22]-3.14×[0.1052]）=2 075.665 kN；單樁豎向承載力特征值[Ra]=[1kQuk]=0.5×2 075.665=1 037.83 kNgt;850 kN（設計承載力）。由此可知，各土層滿足設計承載力要求。

2.2.2 沉樁能力分析。

①筒式柴油錘打樁能力計算［8］采用動靜阻力的疊加模型，參照Case阻尼模型，總阻力的計算見式（3）。

[R0=RC+R?=RC+kRdν2]" "（3）

式中：[RC]為樁側、樁端靜阻力之和；[kRd]為動力系數；[ν2]為樁的下沉速度。按照選用的D35柴油錘，總質量為7.2 t，沖擊力為4 000 kN，黏性土入土深度為2～3 m，砂性土入土深度為1～2 m。

②液壓錘打樁能力計算。當[P0≥Tv]時可以進行沉樁作業，其中，[P0]為液壓錘激振力，[Tv]為土層的極限動摩擦阻力。16 t高頻液壓振動擊打能量為210 kN·m。

根據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106—2014）附錄B和《預應力混凝土管樁》（10G409）的要求，高強預制管樁樁身豎向承載力設計值為2 550 kN，極限彎矩檢驗值為106 kN·m。

根據葉林［9］的研究成果，振動錘擊沉樁在振動力的作用下破壞了土壤結構，使土壤液化，此過程克服了樁側及樁端的摩阻作用，摩阻作用與樁側土的強度有關，強度越大摩阻作用越強；摩阻力與沉樁深度成正比，隨著深度的增加，摩阻作用越大；摩阻作用也與樁身直徑有關，樁徑越大，沉樁難度越高；振動沉樁會減少樁體與土壤的摩擦系數，頻率越高，沉樁速度越快。樁端阻力主要與土壤的剪切強度有關，沉樁能量越高，克服強度能力越高，沉樁可能性就越高。

③驗算分析。由計算可知，試樁土壤滿足承載力要求，而在土層動摩擦阻力一定的情況下，錘擊設備能量越大，穿透此部分的能力就越強，在保證高強預制管樁自身安全性的前提下，增加錘擊設備能量可以達到提升錘擊效果的目的。錘擊過程其實是能量轉換的過程，把錘擊能量的勢能轉換成樁下沉的能量和樁基的熱能及損失能，采用更高能量的錘進行錘擊沉樁可以輕松實現沉樁效果。

3 對比試驗

現場采用D35筒式柴油錘錘擊沉樁和16 t高頻液壓振動錘分別對5#、7#樓類似地層區域進行試樁作業，具體試樁施工數據見表2。

結合地勘報告，采用柴油錘沉樁方式沉樁4根試樁，其中有2根因局部無法穿過含砂層，雖然貫入度達到設計要求，但沉樁入巖深度嚴重不足，其中一根樁因長時間錘擊，樁頭出現爆樁現象。采用16 t液壓振動錘沉樁方式，4根試樁均可達到設計入巖深度，但貫入度不滿足設計要求，且存在繼續錘擊PHC樁入巖深度不斷增加的現象，錘擊過程中無異常情況發生。針對錘擊出現的困難情況，在樁頭位置焊接樁尖，以提升錘擊效率［10］。按照成樁時間看，采用柴油錘沉樁每根樁沉樁時間為16 t液壓振動錘成樁時間的4倍以上。至于采用柴油錘和高能量16 t液壓振動錘錘擊沉樁方式進行沉樁后，其樁身可靠性仍需通過試驗來確定。

4 試驗檢測

根據《建筑基樁檢測技術規范》［7］要求，現場采用單樁豎向抗壓靜載試驗來檢測樁基承載力，以及采用低應變檢測法來檢查樁身缺陷和位置以判斷樁身完整性。

4.1 單樁豎向抗壓靜載試驗

現場靜載試驗采用慢速維持荷載法，通過采用壓重平臺反力裝置，所提供反力不小于2 300 kN，試驗加載和測量儀器設備情況見表3，靜載試基礎和裝置如圖3所示。

該試驗進行分級加載時，采用逐級等量加載。分級荷載為最大加載量或預估極限承載力的1/10。該試驗最大加載量為1 700 kN，分10級，第一級取分級荷載的2倍。根據試驗繪制靜載變形曲線，如圖4和圖5所示。

4.2 樁身完整性試驗

樁身完整性試驗可以采用低應變反射波法、高應變測試法和孔內攝像法。低應變反射波法可以檢測距樁頂較近部位的缺陷或輕微缺陷，操作簡便、速度快，但無法檢測平行于樁軸線的縱向裂縫；高應變測試法適用于建筑樁徑較大的樁體，一般使用重錘錘擊法，應力波傳達深度大，可反映樁身深部裂縫，但需采用打樁錘進行錘擊，影響施工進度，無法大面積使用；孔內攝像法適用于檢測環境能見度高、內部填充物明確、可以直觀精確確定缺陷位置、能夠較全面地觀測低應變難以判斷的缺陷問題，但檢測環境要求較高，支架難以固定，檢測速度慢［11］。

該試驗選擇采用低應變反射波法進行檢測。在樁頂實施錘擊后，使樁頂質點發生位移，該位移在樁身中傳播而形成應力波，具體使用的儀器見表4。應力波在下行途中，如果遇到缺陷（斷裂、裂縫），則產生上行的拉伸波，拉伸波到達樁頂面時，將導致樁頂面質點向下的速度增加；應力波運行至樁端時，由于阻抗劇變，而產生更為強烈的上行壓縮波，即樁端反射。所有這些信息都被安裝于樁頂的加速度傳感器接收，根據初始激振與樁端反射之間的時間差Δt及樁長L來推求應力波在樁身介質中的傳播波速c=2/Δt（在樁長未知的情況下，可由同場地的平均波速來推求樁長L=cΔt/2）。先根據速度曲線的特征，來判斷樁身的阻抗變化，再根據反射波到達樁頂的時間及波速來推求阻抗變化的位置，具體低應變檢測結果如圖6所示。針對樁身完整性，特別是單根樁不足需要接樁時，輔以孔內攝像可以更好地判斷樁身完整性情況［12］。

4.3 數據分析

①對于靜載試驗曲線，上部實線為加載曲線，下部虛線為卸載曲線。曲線發生明顯陡降的起始點代表土體對樁側摩擦力已經達到極限。在圖4中無明顯陡降點，圖5中施加1 600 kN的荷載時發生了陡降。②低應變檢測結果顯示除樁頂有波動外，其他曲線緩和無明顯波動。波形特征為多次反射，間隔時間相等，第一反射波峰較高，且產生多次反射，間隔大致相等一般為斷樁［13］。由此可知，采用高能量設備16 t液壓振動錘錘擊沉樁單樁承載力均可以達到設計要求，且在此情況下樁基曲線無明顯陡降，現場實際承載力不小于設計承載力要求。結合單樁豎向承載力特征值為單樁極限承載力k系倍數，通常k取0.5，根據靜載試驗結合低應變試驗，得出5#、7#樓試樁達到入巖要求，承載力均滿足要求，但未達到入巖要求的承載力僅為700 kN，不滿足設計要求。

5 結語

本研究以洛陽市某人才公寓項目樁基工程為背景，基于高低能量錘擊沉樁時間和貫入度分析，通過單樁靜載荷試驗和樁身低應變試驗，驗證兩種不同情況下沉樁的可靠性，得出以下結論：①采用柴油錘錘擊沉樁在遇到局部堅硬夾層時，無法進行貫穿，雖然貫入度滿足要求，但樁身承載力不足，且持續沉樁增加了樁身完整性缺陷風險；②采用D35筒式柴油錘錘擊沉樁以貫入度控制為主，樁長控制為輔，收錘標準最后三振貫入度為20～30 mm/10擊，而采用16 t高頻液壓振動錘錘擊沉樁，因樁端進入持力層后若繼續沉樁仍可進行，需調整為以樁長控制為主，貫入度控制為輔，最后三振貫入度為60～80 mm/10擊；③為提高成樁效率，在經濟條件允許的前提下，適當提高錘擊能量，可以達到加快現場施工進度、節約施工工期的目的。

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