钢管桩高频免共振沉桩工艺在上海地区的应用及存在的问题分析

陈延峻

摘 要：高频免共振沉桩工艺因其环境影响小、沉桩速度快、沉桩能力强等优点而在上海地区得到应用，并显示出良好的效果，但在实际工程中也遇到了部分桩沉桩困难的问题。依托上海某高架工程，从沉桩速度、土体强度及施工因素等方面入手，分析高频免共振沉桩工艺存在的问题，并得到一些初步结论。

关键词：高频免共振沉桩工艺；钢管桩；沉桩速度；土体强度；沉桩顺序

中图分类号：TU473                                    文献标识码：A                             文章编号：2096-6903（2023）05-0010-03

0 引言

上海常用的桩基础类型主要有灌注桩和预制桩两种。灌注桩桩径可以做得很大，单桩承载力高，但成桩时间长且普遍存在泥浆排放问题[1-2]，而对环境造成显著的影响。预制桩沉桩时存在振动、噪声、挤土等问题[3-4]，且当桩身穿过密实-软弱交互土层时沉桩困难，易导致断桩[5]。

随着城市的快速发展，城市内周边环境较以往更为复杂，拟建场地通常地下管线错综复杂，且毗邻重要的建构筑物（地铁、高架、历史保护建筑等），这也对工程建设提出了新的挑战，传统的成桩工艺已难以满足建设工程及环境保护要求[6]。

近年来，上海重大工程建设开始采用高频免共振沉桩工艺来替代传统的锤击和静压工艺，并取得了显著成效[7-8]。高频免共振沉桩工艺采用免共振振动锤，其与普通振动锤的显著区别在于，免共振液压振动锤的设计可以在设备启动和关闭时降低振动，在启动时振动锤的偏心力矩被关闭，一旦振动锤达到了其操作频率时就会立刻重新开启偏心力矩。因此，任何由土体自身频率造成的共振都可避免。其振幅可在0～100%之间自由调整，这样可以保证最大振动值和峰值振速永远不会超标。

基于高频免共振沉桩工艺的沉桩原理，偏心块高速旋转产生激振力，通过夹具将激振力传递到桩身上，通过带动桩身做高速振动实现土体液化，最终克服土体摩擦力实现桩身下沉[9]。与传统的预制桩沉桩工艺相比，高频免共振沉桩工艺具有施工速度快、对环境影响小、沉桩能力更强等优势，且占用场地小、经济成本更低。

新工艺的推广和使用中不可避免地碰到一些问题亟待解决。如在上海某高架工程中，部分70 m长的钢管桩未能沉至设计标高，同一承台下的部分桩能顺利沉桩，而有些桩则存在困难。针对这些问题，本文将开展相关分析，以期为高频免共振沉桩工艺的推进提供参考。

1 工程概况

上海某高架工程，全长约3.89 km。高架主线等级为高速公路，建设规模为双向6车道。根据调查，道路沿线为办公区及配套生活区，两侧建筑物较为密集。同时，局部区段紧邻轨道交通。根据物探资料，工程沿线地下管线分布密集、复杂。为此，该项目拟采用钢管桩，通过高频免共振工艺沉桩。

本工程拟建场地内分布的土层自上而下可划分为8大层及若干亚层，土层情况分析如下。

①1层填土普遍分布，厚度较大。表层多为混凝土路面，上部主要为杂填土，夹杂较多碎石、碎砖及植物根茎，下部多为素填土。

②1层黄-灰黄粉质黏土沿线不连续分布，局部层底为淤泥质土，工程性质一般。

②3层灰黄-灰色砂质粉土沿线均有分布，松散、稍密，中压缩性，均匀性较差，工程性质较好。

③层灰色淤泥质粉质黏土沿线均有分布，流塑、高压缩性，含水量高、强度低，灵敏度高，工程性质较差，是本场地主要软弱层之一。

④层灰色淤泥质黏土沿线均有分布，流塑、高压缩性，含水量高、强度低、灵敏度高，工程性质较差，是本场地主要软弱层之一。

⑤11层灰色黏土沿线均有分布。软塑-流塑，高压缩性，强度低，工程性质较差。

⑤12层灰色黏质粉土与砂质粉土互层沿线均有分布，中压缩性，具有一定强度，工程性质较好。

⑤31层灰色粉质黏土夹粉砂沿线均有分布，厚度大，夹粉砂，不均匀，工程性质一般。

⑤32层灰色砂质粉土全线均有分布，夹粘土，强度较高，工程性质较好。

⑦2层灰色粉细砂全线均有分布，强度高，工程性质好。

⑨层灰色粉细砂土质较均匀，密实，强度高，工程性质好。

⑩层黄～灰色粉质粘土具有可塑性，中压缩性，工程性质较好。

场地土层的相关勘察数据如表1所示。根据地层分布及工程性质，结合本工程特点，拟建场地深部⑦2层与⑨层粉细砂直接接触，分布较为稳定，厚度大，工程性质良好，沿线桩基地质条件良好。本工程高架桥桩单桩承载力要求较高，沉降控制较为严格，设计时桩基持力层主要选择⑦2层粉细砂，跨越同高架、临近轨道交通线段，桩基持力层选择⑨层粉细砂。

2 沉桩问题与分析

根据沉桩资料显示，采用高频免共振锤沉桩时，钢管桩在①1、②1、②3、③、④、⑤11、⑤12、⑤31、⑤32、⑥层中基本能顺利下沉，并且能进入⑦2、⑧11、⑧12、⑧21和⑨層一定深度。虽然高频免共振锤相对传统的静压、锤击法施工能进入密实砂土层更深，但在施工过程中发现部分桩基无法沉至设计标高。

2.1 沉桩速度分析

PZX115中间承台的Z1、Z3两根桩施工时，第一节桩和第二节桩沉桩顺利，沉桩速度为3～5 min/节桩。Z1桩沉至桩底标高-62.81 m时沉桩速度明显放缓，此时尚有6.4 m未打入；Z3桩沉至桩底标高-64.73 m时沉桩速度明显放缓，此时尚有4.47 m未打入。Z2、Z4和Z6三根桩均顺利沉桩，速度为3～5 min/节桩。Z5桩施工时，沉至桩底标高-59.21 m时速度明显放缓，此时尚有11 m未打入。

PZX115中间承台沉桩速度与深度的关系如图1所示。第一节桩桩身穿过土层主要为①1、②3、③、④、⑤11层，除了②3层粉土（Ps=2.795 MPa）具有一定的强度外，其余③、④、⑤11层为上海典型的软弱土层，Ps在0.701～0.898 MPa之间，该节桩下沉时普遍速度较快，在7.67～12.5 m/min。第二节桩下沉时，桩端穿过⑤12层（Ps =3.532 MPa）进入⑤31层（Ps =2.025 MPa）后，土体强度较上部土层稍好，沉桩速度稍微减低，但变化不大，为7.67～8.33 m/min。当第三节桩进入中密～密实的粉砂土层⑤32层（Ps=6.992 MPa）、⑦2层（Ps =14.910 MPa）和⑨层（Ps=18.42 MPa）后，随着土体强度突然增大，沉桩速度降低至2.21～4.22 m/min。进入⑦2层一定深度后，沉桩更加困难，速度降低至0.02～0.85 m/min。以上数据说明高频免共振锤沉桩的速度和能力与土体的强度有关。土体强度低，土层易扰动液化，沉桩速度较快，沉桩容易；土体强度大，土层密实，沉桩速度较慢，沉桩困难。

2.2 土体强度分析

PZX105南、PZX107南、PZX108南、PZX109南承台大部分的桩基，沉桩至一定的标高后均无法下沉，沉桩速度小于2 cm/min，经过长时间沉桩后，下沉量较小。ICE厂家提供的ICE 70RF免共振振动锤的停桩标准速度为小于5 cm/min，由此说明免共振振动锤已接近沉桩极限。而后施工方采用强夯、间歇性沉桩等措施，在振动锤所有使用指标均达到极限的情况下，仍无法使钢管桩沉至设计标高。在振动锤无法沉桩的情况下，施工方使用D80柴油冲击锤替代免共振锤进行沉桩，钢管桩仍无法沉至设计标高。此时D80冲击锤贯入度平均值为1.15～1.87 cm/10击，远小于D80厂家建议设备使用上限值（4～5 cm/10击），说明已经达到钢管桩的沉桩极限。

软塑粘性土及稍密粉土强度较低，对高频免共振沉桩影响不大，而影响较大的主要为中下部的中密-密实的粉砂土层（⑤32、⑦2和⑨层）。为了分析中下部中密-密实的粉砂土层对沉桩的影响，本项目对各承台桩基进入粉砂土层的强度指标，包括顺利进入粉砂性土层、沉桩较困难段以及无法沉桩的下部土层等强度指标进行了统计。通过统计本工程沉桩较顺利的PZX95南、PZX96南、PZX97南、PZX115中间承台的Z2、Z4和Z6进入粉砂性土层深度在53.10～73.50 m，⑤32层强度指标Ps为7.06～8.85 MPa，标贯击数为30击；⑦2层的强度指标Ps为15.94～16.45 MPa，标贯击数为48.3～53.6击；⑨层的强度指标Ps为16.90 MPa。

沉桩存在问题的PZX105南、PZX107南、PZX108南、PZX109南和PZX115中间承台，桩端能顺利进入土层深度在52.90～69.00 m。⑤32层强度指标Ps为7.16～9.69 MPa，标贯击数为38击；⑦2层的强度指标Ps为11.18～15.70 MPa，标贯击数为40.6～43.0击。在沉桩困难段深度为64.60～72.00 m，⑦2层的强度指标Ps为14.93～16.08 MPa，标贯击数为53.5击；⑨层的强度指标Ps为18.85 MPa。无法下沉段深度在65.50～73.50 m，⑦2层的强度指标Ps为13.941～17.63 MPa，标贯击数为49.0击；⑨层的强度指标Ps为16.90～19.73 MPa，标贯击数为62.5击。

根据收集资料，S3高架的桩长为52.0～63.0 m，沉桩设备能将钢管桩能顺利沉至设计标高。在秀浦路承台，桩端进入粉砂土层深度在47.00～63.85 m，主要为⑦2层，标贯击数为44.9击。在周邓公路承台，桩端进入粉砂土层深度在27.50～54.40 m，主要为⑦12层和⑦2层，⑦12层Ps为7.61 MPa，⑦2层Ps为20.68 MPa。

通过对下部粉砂土层强度的统计分析，本工程沉桩困难段和无法下沉段的⑦2层和⑨层强度比顺利下沉的⑦2层和⑨层强度稍高，但是变化不明显。而S3高架中下部土层的强度明显高于本工程，高频免共振沉桩可以克服更密實粉砂土层，但是沉桩深度较浅，说明高频免共振锤的沉桩能力和桩的入土深度有关。随着桩基入土深度的增大，振动传播的能力逐渐减弱，达到一定的极限后，振动过弱而无法使周围土体液化，从而导致沉桩困难。

综合上述分析，造成高频免共振锤沉桩遇到困难的因素主要有钢管桩入土深度以及土体强度。

2.3 施工因素分析

在PZX115中间承台打桩工作时（该承台桩数为6根，每根桩的总桩长为70 m，送桩段为4.5 m），顺利将5根桩沉入设计标高，剩余1根桩无法沉至设计标高。先实施的Z1、Z3和Z3桩（1月17日），沉至一定深度时沉桩速度变慢，经过一段时间后，Z1和Z3经过缓慢的沉桩（1月17日～1月23日，沉桩速度为0.02～0.03 m/min），最终沉至设计标高。Z2、Z4、Z6于1月21～1月23日进行沉桩，均顺利沉桩至设计标高。待其他5根桩基沉至设计标高后，于1月23日继续进行Z5桩的沉桩，沉至-58.1 m时沉桩变得困难，最终沉至-63.71 m，剩余11.0 m未打入。

从沉桩顺序分析，沉桩遇到的困难未显示出明显的规律，Z2、Z4和Z6更容易沉桩。分析认为可能是由于Z1和Z3沉桩时长时间振动导致土体扰动的影响，使影响范围内的土层更容易液化。而Z5桩沉桩遇阻可能是因为深部土层受到前期沉桩的挤密作用，随着超静孔压的消散，土体强度增大。

另外，桩的垂直度可能也是造成沉桩困难的一个重要因素。如果垂直度无法保证，桩在深部位置无法保持垂直状态，桩身会受到土层向上的支承力，阻力加大则会造成沉桩困难。

3结束语

工程实例证明，高频免共振锤普遍能使钢管桩沉至62.0～69.0 m，部分能沉至73.5 m，普遍可进入⑦2层约10.0 m，部分可进入⑦2层约20.0 m，这大大突破了在上海传统钢管桩沉桩工艺（锤击、静压）进入⑦2层的深度，具有较强的沉桩能力。随着入土深度逐渐增加，振动能量逐渐衰减，土体强度逐渐增加，而达到沉桩极限，说明振动的能量从振动锤传到桩端时逐渐衰减，而遇到强度较高的土层时，由于能量的衰减造成桩端土层无法有效液化，导致沉桩困难。同一承台施工时，沉桩顺序和桩的垂直度也可能影响沉桩，利用高频免共振工艺沉桩时应注意沉桩顺序和桩的垂直度。

因此，可得出如下3条结论：①高频免共振沉桩工艺较传统锤击及静压工艺表现出了更强的沉桩能力。②振动能量沿桩身传递时逐渐衰减，使桩端强度较高的土层无法有效液化，导致沉桩困难。③利用高频免共振工艺沉桩时应注意沉桩顺序和桩的垂直度。

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