振冲下设长护筒的锤型选择计算及控制要点

闫宁涛

（中铁十四局集团第一工程发展有限公司，山东 日照 276826）

桩基作为桥梁的主要承载结构是桥梁基础的常见形式，采用水中筑岛填筑时，填料与淤泥之间形成软弱层，加之筑岛不易碾压密实，在桩基施工中容易塌孔，造成成孔困难，易发生断桩，后期处理麻烦且成本较高，采用振冲法下设长护筒是有效解决此类问题的方法之一。

1 工程概况

准鄂铁路壕赖河特大桥位于低中山丘陵区，局部地形起伏较大，桥梁自上而下地质情况为第四系全新统风积粉砂、细砂及第四系冲洪积粉土、粉质黏土、第三系上新统粉质黏土、下伏白垩系下统泥岩、砂岩、砾岩。其中31～37号墩基础采用群桩上接承台结构形式，桩径1.25m，桩长23～31m不等，桩净间距2.45m。

31～37号墩位于旧河道中一座水库内，施工进场时地表有少量水，水深约0.1～0.3m，原设计基坑防护采用草袋围堰施工，后因村民蓄水养鱼、灌溉农田，周围被地表水覆盖，水深约1～3m，村民拒绝排干水库内的水，与设计沟通后，经业主同意修改设计方案，增加水中筑岛，同时取消草袋围堰防护，调整为钢板桩围堰防护，为保证桩基成孔及成桩质量，在施工时加大钢护筒埋置深度，采用8m钢护筒。因桩基直径为1.25m，钢护筒直径需至少大于桩径100mm，故选用外径为1.42m，壁厚15mm的成品螺旋管。以32号墩地质情况为例进行计算，其他墩按此方法进行比照复核计算不再赘述。

2 技术要点

采用长护筒护壁成孔，怎样选择经济合理的振动锤确保护筒顺利下沉至预定深度，如何控制护筒下沉时垂直度满足要求是技术难点。灌注成桩后，护筒拔出过早易造成塌孔或桩身缩颈，拔出时间过晚则难以拔出护筒，易影响桩身混凝土成桩效果，造成桩身裂缝或断桩，因此护筒拔出时间为控制要点。

3 振动锤选型

3.1 工作原理

振动锤接通电源后，通过偏心重轮高速旋转产生高频振幅和激振力，并通过振动锤端部的液压钳传递到护筒上，护筒作用至接触地层，在激振力的作用下强迫周围土体液化、位移，使护筒切入地层沉入预定位置。

3.2 选型原则

振动锤迫使护筒下沉需满足以下条件：（1）振动锤激振力P0大于护筒与土的动摩擦阻力TV；（2）振动锤和钢护筒重量之和Q0大于护筒动端阻力RV；（3）振动锤振幅A0大于达到深度所需的最小振幅A。

3.3 动侧摩擦阻力TV的计算

根据日本建机调查株式会社经验公式：

对于砂性土：

对于黏土、淤泥质土：

式中：T为各土层的极限静摩阻力之和，kN；D为钢护筒外径，m；Hi为土层厚度，m；Ni为第i层土的标贯积数N值。

该工程中，32号墩各层标贯击数经试验测定，静摩阻力计算结果如表1所示。

表1 32号墩各层静摩阻力计算表

当护筒处于静止状态时，护筒与土之间存在着较大的静摩擦力，受到振动后静摩擦力就急剧减少，动摩擦力TV=μT，故振动锤激振力P0≥TV，即P0≥μT，根据美国ICE公司通过大量测试后的结论：在高速振动时，桩的周围土体产生液化效果，使桩侧极限静摩阻力减低率，μ=0.1～0.4，根据工程的土体性质，可在期间选取一个值，按上述公式TV=μT计算TV。此次计算按最不利系数计算，取μ=0.4，则TV=(267.63+144.91+780.29+89.18)×0.4=512.76kN，故振动锤需选择激振力P0≥512.76kN。

3.4 动端阻力RV的计算

根据计算出激振力P0≥512.76kN的要求，初选拟使用的振动锤型号为DZJ-90型振动锤，其最大激振力为570kN，满足要求，其主要技术参数如表2所示。

动端阻力计算公式如下：

对于砂性土：

表2 拟选用DZJ-90型振动锤主要参数表

对于黏土、淤泥质土：

式中：F为钢护筒截面积，cm2；N为深入深度土层的最大标准贯入击数；e为自然常数；I为振动锤动量，kg；k为偏心力矩，N·m；ω为振动锤负荷角速度（频率），1/s；g为重力加速度，cm/s2。

根据该工程地质情况，其中F=3.14×(712-69.52)=661.76cm2，选用公式（3）计算，RV=4×24×661.76×e-4.689=584.2kg＜Q0=6.155+3.14×1.42×8×117.8=10357kg，根据计算结果，可知Q0远大于动端阻力RV，足够克服钢护筒动端阻力，DZJ-90型振动锤可以满足要求。

3.5 最小振幅A的计算

最小振幅：

式中：N为深入深度土层的最大标准贯入击数，mm。

计算得出A=N÷12.5+3=4.92mm＜A0=10.3mm，故DZJ-90型振动锤满足使用要求。

综上，DZJ-90型振动锤满足32号墩该地质情况下护筒下沉的各项条件，可以选用DZJ-90型振动锤。

4 垂直度控制

现场施工时，采用全站仪放出桩基中心点，以桩基中心点为圆心，画出护筒外轮廓线，沿圆周撒上白灰，采用履带吊车吊起护筒，4人分站四角对准外轮廓线，置于已标记好的圆周白线上，同时呈垂直方向架设2台经纬仪对施打过程中的护筒垂直度进行控制监测，下沉初期，先使用较小的激振力，每下沉2m停振后监测护筒的垂直度，振冲过程中振动锤对称振动下沉，发现偏差及时纠正，保证成型后护筒垂直度偏差＜1%。

5 护筒拔除

为避免护筒拔出过早或过晚造成桩身出现质量缺陷，护筒拔出时间控制在混凝土浇筑完毕后0.5～1h，且不得超过混凝土出站后5h。采用履带吊车配合振动锤夹住护筒顶部振动2～5min，先使周围土松动，减少对护筒摩阻力，采用边振动边拔出的方式，每拔出3m，停止拔出，振动2～3min后再连续上拔，停振时对护筒垂直度进行复测，如此反复将护筒拔出。

因护筒拔出后护筒所占体积会被混凝土所占用，故根据沉入护筒长度可计算出护筒所占体积V=3.14×(0.712-0.6952)×6.5=0.43m3（扣除混凝土顶面至护筒顶标高的长度为1.5m），在灌注桩基混凝土时，需在原来超灌的基础上增加0.43m3混凝土，即多超灌0.32m（考虑扩孔因素，按桩基直径为1.3m计算）。

6 结束语

采用此方法完成31～37号墩共84根桩基的施工，经后期基坑开挖检桩，桩身完整性、砼强度、桩径均满足设计和规范要求，检测结果均为I类桩。在使用该施工方法时，需由试验室进行土工试验，测定基底各土体的标准贯入击数，由试验数据先计算出动侧摩擦阻力，根据计算结果进行振动锤初步选型，采用市场已有锤型的相关计算参数，进行动端阻力的复核验算，由此可以简化计算，方便快速地确定经济合理的振动锤型号。该方法除了适用于混凝土灌注桩护壁成孔，还可以用作基坑防护挡土桩使用，相比混凝土防护桩，其施工速度快，还可以回收周转使用，根据项目所处的环境和材料的市场价格，在进行方案经济效果对比后使用。