桥梁钢管桩基础导杆式柴油打桩锤施工控制及承载力研究

文/吴正华

1 工程概况

本项目属于引江济淮江淮沟通段，根据航道整治要求，需要对跨东淝河的S12 高速淮河大桥四号桥进行拆除重建，新建淮河四号桥采用原位改建。改建前，为了维持合淮阜高速公路的正常运营，首先需要修建临时保通道路桥梁。临时保通桥按照快速化施工技术理念设计，其上部结构为先简支后桥面连续的钢板组合梁结构，下部结构采用Φ1200×14mm 的钢管桩。

由于临时保通桥需承担两年的高速运营任务，其按照永久结构标准进行设计，单根钢管桩基础设计桩长约19m，设计承载力不低于2500KN，荷载试验承载力要求大于5000KN[1]。

2 DD180 导杆式柴油打桩锤选择

目前，国内钢管桩常用的施工设备主要有三种：液压振动锤、导杆式柴油打桩锤以及筒式液压冲击打桩锤。本项目部施工初期，采用的是永安YZ-400L 液压振动锤，由于施工过程中，出现较高的高桩频率，且为避免钢管桩桩头破损，液压振动前还需加强桩顶；另外，考虑到YZ-400L 液压振动锤施工时间较长（至少需要120min 以上），为加快施工进度，项目部随即又进场了一台导杆式柴油打桩锤。导杆式柴油打桩锤是通过冲入筒体的雾状燃料爆发，使锤芯形成“跳高”；锤芯以自由落体方式提供冲击能量打击桩体，属于冲击式桩锤。该设备通过锤芯冲击桩顶，产生向下挤压力，对桩影响小，便于成桩。

为避免出现频繁高桩情况，本项目选择了较大型号的DD180 导杆式柴油打桩锤。DD180导杆式柴油锤，气缸体质量重18t，气缸体最大冲程3m，最大能量540KJ。施工过程中要严格控制落锤高度低于2m，以此减少对桩身的影响。

3 柴油打桩锤试桩施工概述

为检验钢管桩设计方案的合理性、桩基长度设计的合理性以及施工设备选型是否匹配设计要求、确定终孔标准（贯入度及设计桩长双复核标准），钢管桩打入施工前首先需要设计试桩。

3.1 试桩桩长复核性验算

根据地质条件情况，项目选择在保通桥1#墩附近（1#墩设计桩长20m）设计试桩。桥位处地层从地表往下总体上依次为：层厚约6m 的粉质黏土层；层厚约3m 的细砂层；层厚约8m 的黏土层；层厚约3m 卵石层；再往下为强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩。为确保设计试桩一次成功，试桩前首先要进行设计试桩桩长复核，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019），计算桩长18.4m 即能达到255t 承载力，偏安全考虑，同时根据打桩锤最大提升高度，设计试桩按20m 长进行配桩，具体计算如下图1：

3.2 试桩施工过程

3.2.1 桩机就位

打桩机自身液压系统就位后，复查桩位，确认合格后，将桩机吊具捆绑于桩上端约1/4处。

3.2.2 吊桩

起吊钢管桩，桩尖垂直对准桩位中心，将桩锤下桩帽徐徐下放套住桩顶，松下吊钩，使锤、桩帽和桩三者处于同一铅垂线上。

此过程中，通过经纬仪实时观察垂直度，其垂直度偏差不得超过1%；然后利用锤的自重使管桩下沉，桩不再下沉后再次调整桩机导向杆、桩帽以及桩的轴线，保持插桩垂直[2]。

3.2.3 桩位、垂直度控制

沉桩前，检查桩锤、桩帽与桩身的中心线，在纵、横两个方向在同一轴线上。锤击沉桩开始时应用较低落距（小于2m），并在纵横两方向观察、控制桩位和桩的竖直度；待桩入土一定深度，确认位置正确和方向无误后，再按2m落距进行锤击。柴油锤应使锤芯冲程正常，在桩的沉入过程中，观察桩锤和桩身是否保持在同一轴线上。沉桩过程随时要注意桩的位移和倾斜，若有不正常，应及时通过桩机液压系统调整桩架位置和垂直度。另外，沉桩时应按照每根桩及时填写沉桩记录表。

设计试桩施工总时长27min，实际入土桩长20m，此时最后三阵平均贯入度9cm/10 击。

4 钢管桩荷载试验

4.1 单桩竖向抗压静载试验采用锚桩法，反力梁采用HN900x300mm 型钢，锚桩采用Φ 820mm 钢管，使用800t 油压千斤顶进行加载，通过位移测量百分表、静力载荷测试仪进行沉降数据收集分析，并对沉降数据进行判定。

4.2 荷载试验结果

当加载到6000kN 时，本级桩顶沉降量为1.98mm，上级桩顶沉降量为1.34mm，桩顶累计沉降量为14.92mm，直至达到最大加载量，停止加载（根据系统最大荷载，检测单位预测该桩实际荷载不低于7500KN）[3]。

5 结语

5.1 钢管桩入土19.5m 时，实际承载力大于规范要求的500（t设计承载力250t 的2 倍），说明按照既有地勘资料计算的沉桩单桩竖向抗压承载力特征值（19m 的入土深度）能达到设计承载力要求[4]。

5.2 根据19m 入土处的贯入度统计结果及试桩承载力情况，得出后续钢管桩采用打桩锤施工控制标准：18t 柴油锤落距在2m 以内，最后三阵每阵平均贯入度6～13cm/10 击能满足施工要求[5]。

5.3 综上所述，设计钢管桩承载力是按照地勘报告及相关规范进行设计计算的。设计试桩前，工作人员首先需要对设计桩长进行复核性验算，确保试桩桩长满足设计要求；为尽可能保证达到设计桩长，还需要选择较大的振桩设备，避免出现频繁高桩的情况。