海上高频振动打桩的动侧摩阻力及可打性

李业勋，张奎，沈永兴，赵辉

（中交三航局第二工程有限公司，上海 200122）

港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥现浇箱梁施工采用满堂少支架方案施工，考虑到钢管桩因单桩承载力较高、沉桩工艺相对简单、排土量较小及良好的抗弯能力，基础采用直径1 m，壁厚16 mm的钢管桩，支撑桩的设计标高-52.98~-69.74m，属于超长大直径钢管桩，采用APE-400液压振动锤进行施工。高频液压振动锤是一种以油压为驱动力的新型环保桩工机械，以其诸多的优点而受到青睐[1]。国内外有部分学者对高频振动打桩进行了理论研究，Holeyman[2]认为高频振动打桩过程中最复杂的是在高频振动荷载作用下桩土相互作用机理，而国内学者陈福全[3]采用数值方法对高频液压振动锤沉桩进行轴对称动力分析，但关于高频振动打桩施工过程中桩周土体的动侧摩阻力变化及可打桩深度等方面工程研究相对较少，结合工程实例进行定量分析更为缺乏。

本文结合港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥支架桩工程实例，对高频振动打桩过程中桩周土体动侧摩阻力及平均可打桩深度进行了研究。基于振动锤工作原理，分析了激振力和振动锤偏心块转速的关系，并结合港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥地质资料，量化分析了动侧摩阻力折减系数η和标准贯入击数N的公式，并计算了桩周土体的动侧摩阻力和桩体平均可打桩深度。通过对高频振动打桩施工过程进行分析，建立了动侧摩阻力和桩体平均可打桩深度的计算式，可为类似工程高频振动打桩的施工准备和精细化施工提供指导。

1 工程概况

1.1 地质概况

港珠澳大桥岛隧工程东人工岛结合部非通航孔桥地层自上而下可分为：全新世海相沉积层、晚更新世陆相冲积层、晚更新世海陆交互相沉积层、晚更新世陆相冲洪积层等第四纪覆盖层和全风化、强风化、中风化混合花岗岩等基岩层，具体土层参数[4]见表1。

1.2 结构施工概况

港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥主梁为预应力混凝土连续梁，现浇箱梁施工采用满堂少支架方案施工，基础采用直径1.0m，壁厚16.0 mm的钢管桩。箱梁跨距55.0 m，每跨设置3个排架，排架间距为12.0 m，1～6号墩间采用4排桩基，6～7号墩间采用3排桩基。液压振动锤适合在非黏性土、砾石或砂地基上施工，特别是饱水的非黏性土、砾石或砂。因此，支架钢管桩振沉采用APE-400液压振动锤（见图1）进行施工。

2 桩周土体动侧摩阻力

2.1 高频振动打桩工作原理

高频振动打桩工作原理[5]主要是：通过安装在振动箱内的偏心轮以相同的角速度反向转动产生偏心力，该力的水平分量在同一时间内将相互抵消，而垂直分量则是相加，形成总偏心力（见图2），带动振动箱下部的振动体（桩体） 产生垂直振动，强迫桩体的周围土壤产生液化、位移，桩体在振沉体系自重作用下下沉切入地层。

图2 液压振动锤工作原理图Fig.2 W ork principle of hydraulic vibratory hammer

高频振动打桩过程主要是激振力克服桩的侧面动摩阻力后在自重作用下下沉至要求深度的过程。因此，高频振动打桩首先要满足以下公式[5]：

式中：F为激振力，kN；Tv为动侧摩阻力，kN。

2.2 激振力计算

高频振动打桩的激振力主要和偏心块质量、偏心块角速度及偏心距有关，其计算式[6]如下：

式中：F为激振力，kN；m为偏心块质量，kg；r为偏心距，m；ω为偏心块角速度，rad/s；Z为偏心块转速，r/s。

根据计算公式（2）和（3）可以看出：激振力和偏心块转速的二次方成正比关系。港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥支架桩为直径1.0 m、壁厚16.0mm的钢管桩，采用APE-400液压振动锤进行振沉施工。APE-400液压振动锤的最大激振力为3 208 kN，最大转速为1 760 r/min。在施工过程中，考虑到施工设备及施工环境等因素，施工转速控制在1 600 r/min左右。根据计算式（2）和（3）进行计算可知：施工激振力约为2 650 kN。

2.3 动侧摩阻力折减系数反分析

目前，国内尚无高频振动打桩极限动侧摩阻力的设计规范，主要是依据桩侧静摩阻力Ti推算动侧摩阻力Tvi。采用桩侧静摩阻力Ti乘以动侧摩阻力折减系数η来计算高频振动打桩过程中土层的动侧摩阻力Tvi，计算式如下：

式中：Ti为桩侧静摩阻力，kN；Tv为动侧摩阻力，kN；η为动侧摩阻力折减系数；u为桩横断面周长，m；Hi为第i层土的厚度。

基于港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥支架桩施工实例，依据标准贯入度试验得到的N值及相关土层参数指标反分析得出1～2号墩间桩体的动侧摩阻力折减系数，反分析计算结果见表2。

结合国内经验计算公式，当标准贯入度试验击数N＜5击时，折减系数取0.18；当标准贯入度试验击数N≥5击时，采用曲线拟合法建立了动侧摩阻力折减系数η和标准贯入度试验击数N的函数关系式，拟合曲线见图3，其计算关系式如下：η=0.142 1×ln N±0.02 （6）

表2 1～2号墩间动侧摩阻力折减系数Table 2 The dynam ic lateral friction resistance reduction coefficientbetween No.1 and No.2 piers

图3 动侧摩阻力折减系数拟合曲线Fig.3 Fitted curve of dynam ic lateral friction resistance reduction coefficient

当黏土时，动侧摩阻力折减系数η增加0.02；当砂土时，动侧摩阻力折减系数η减小0.02；当标准贯入度试验击数N≥100击时，按照N=100计算。动侧摩阻力折减系数拟合曲线及其表达式表明：动摩擦力折减系数是随着标准贯入度试验击数N值的增大而增大，但是增长幅度逐渐变缓。

3 桩体平均可打桩深度

3.1 计算方法

基于港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥1～5号墩间工程地质勘测资料，利用动侧摩阻力计算式，计算了1～5号墩之间钢管桩的平均可打桩深度。具体计算过程如下：

1）将工程地质资料所列标贯击数代入动侧摩阻力折减系数计算式（6）计算得出相应桩基施工区域土体的动侧摩阻力折减系数η；

2） 采用动侧摩阻力计算式（4）和（5）计算高频振动打桩过程中桩侧土层的动侧摩阻力Tv；

3） 根据式（1），当桩侧土层（厚度为h）的计算动侧摩阻力Tv等于施工激振力F时，深度h即为振动锤打桩的极限深度，即此型号振动锤施工的可打桩深度。

3.2 工程实例应用

当采用APE-400振动锤施工时，港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥支架桩平均可打桩深度计算结果与工程施工资料统计结果见表3。

表3 1～4号墩间平均可打桩深度计算结果Table 3 The average depth of piling from No.1 pier to No.4 pier

表3中1～5号墩间平均可打桩深度计算结果表明：1～2号、2～3号、3～4号和 4～5号墩间钢管桩的计算平均可打桩深度和实际沉桩平均深度比较接近，各墩间计算结果和实际结果的误差分别为：-0.40%、0.54%、1.69%和1.96%。

平均可打桩深度的工程实例计算结果表明：基于标贯击数计算得出高频振动打桩施工过程中桩周土体的动侧摩阻力折减系数η、动侧摩阻力和平均可打桩深度较为准确地反映了振动锤施工实际情况，可以对施工的振动锤选型和桩体可打桩深度进行初期预测计算，为高频振动打桩类似工程的施工准备和精细化施工提供指导。

4 结语

通过对港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥支架桩施工实例进行反分析，研究了高频振动打桩过程中桩周土体动侧摩阻力及桩体平均可打桩深度，得出以下主要结论：

1）计算了港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥支架桩振动锤的施工激振力。

2）通过对非通航孔桥支架桩施工统计数据进行反分析，建立了动侧摩阻力折减系数η和标准贯入击数N的函数关系式。

3）利用动侧摩阻力折减系数η计算了桩周土体动侧摩阻力和平均可打桩深度，工程实例计算结果误差仅为1.96%，较好地反映了实际工况。

[1] 张忠海.液压式振动桩锤发展现状及选型应用[J].建筑机械，2001（3）：39-41.ZHANGZhong-hai.Developmentstatus,type selection and application of hydraulic vibratory hammer[J].Construction Machinery,2001(3)：39-41.

[2] HOLEYMAN A E.Soil behavior under vibratory driving[C]//Proceedings of the international conference on vibratory pile driving and deep soilcompaction.Belgium,2002：3-19.

[3]陈福全，雷金山，汪金卫.高频液压振动锤沉桩的打入性状分析[J].铁道科学与工程学报，2009（2）：41-47.CHEN Fu-quan,LEI Jin-shan,WANG Jin-wei.Penetration behaviour due to vibratory pile driving using the high frequency hydraulic vibratory hammer[J].JournalofRailway Scienceand Engineering,2009（2）：41-47.

[4]中交第四航务工程勘察设计院有限公司.港珠澳大桥岛隧工程东人工岛地质勘察报告[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2011.CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.Geological investigation report on the east island in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge tunnel project[R].Guangzhou：CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,2011.

[5] 刘宝河，边强，袁孟全.振动沉桩锤的选型及应用[J].中国港湾建设，2008（6）：38-41.LIU Bao-he,BIAN Qiang,YUAN Meng-quan.Selection and application ofvibratory piling hammers[J].China Harbour Engineering,2008（6）：38-41.

[6] 左小襄.振动桩锤的设计计算简介[J].建设机械技术与管理，1998（2）：27-28.ZUO Xiao-xiang.Brief introduction of vibration pile hammer′s design calculation[J].Construction Machinery Technology&Management,1998（2）：27-28.