摘要：钢管桩插打是桥梁锁扣钢管桩围堰施工中一项重要工序，以西江特大桥157#墩锁扣钢管桩施工为工程背景，针对插打钢管桩所用振动锤设备选型及施工方法等进行分析和探讨，结果表明，选择合适的振动锤型号进行钢管桩施工能有效的保证施工质量和施工进度，节约施工成本，可为类似工程提供参考。
关键词：钢管桩1；振动锤2；激振力3；选型4
引言内容。振动式沉桩与冲击式沉桩相比,它具有成本低、工效高、使用方便和污染小利于环保等优点,因此在我国交通工程建筑行业中应用日益广泛。随着铁路建设技术的不断提高,振动式桩基施工设备也在更新换代,不仅有电动振动锤,也相继研制了亦能适于各种条件施工的液压振动锤。因此,振动式沉桩不仅广泛应用在陆上各种建筑基础和市政等工程的打拔桩,而且开辟了深基础结构物施工。“工欲善其事,必先利其器,”选择合适的振动锤是工程顺利进行的关键。然而,没有任何两个基础工程是一模一样的,不同的土质、气候、环境和施工限制都是我们面对每个工程的挑战。鉴于我国目前尚无同类的设计规范,计算理论依据又不完备,工期要求往往又不可能花费大量的时间去进行试验和理论研究,本文以西江特大桥157#墩锁扣钢管桩施工为实例，详细介绍振动锤选型计算过程及依据，并与现场实际施工情况进行对比，优化了施工资源配置，节约了施工成本。
1 工程概况
西江600m斜拉桥是西江特大桥中跨度最大的斜拉桥，也是目前世界跨度最大的货运铁路钢箱混合双主梁等高塔斜拉桥，主塔157#墩为低桩承台，围堰采用钢管桩围堰施工，承台尺寸为44.7×36.8×6m，承台底标高-7.561m，锁扣钢管桩围堰平面尺寸47.73×39.96m，高25m，钢管桩采用φ820mm×10mm螺旋钢管桩，共158根。
2 地质情况及性能参数
由于157#墩承台位置靠河一侧与靠岸一侧地面标高高差约为1.3m，且由于靠河侧素填土深度与靠岸侧相差较大，因此，计算时两侧的土压力计算分别根据不同钻孔柱状图进行分析，其钻孔孔位如下图所示：
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图1 157#墩钻孔孔位布置图
计算时，靠河侧土压力计算以ZK6为参照，靠岸侧以ZK1为参照进行荷载分析。
工程所处位置覆盖层上部主要为素填土、淤泥质土、粉细砂。根据围堰计算结果，钢管桩基础需进入淤泥质土层。根据勘察资料，各土层的性能参数见表1、表2。
表1 以ZK6为参照各土层性能参数表
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表2 以ZK1为参照各土层性能参数表
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3 振动锤沉桩原理
振动锤通过夹具与钢管桩刚性连接形成一个振动体系，振动锤运行时，通过振动锤内置的总数为偶数的偏心轮高速旋转产生振动力，使桩体产生正弦波的垂直振动，强迫桩体周围的土壤产生液化、位移，降低土层的侧摩阻力和桩端阻力，钢管桩在自身重量和振动锤重量的作用下切入土层，逐渐下沉。当振动锤停止振动时，土体逐渐恢复原状，钢管桩周围土体侧摩阻力与端阻力恢复，为钢管桩提供承载力。采用相同的工作原理，通过起重机提供的吊力，可将钢管桩拔出。
4 振动锤选型
4.1 振动锤型号及参数
随着我国建筑基础行业的蓬勃发展，振动锤的技术性能也在不停的更新换代，振动锤的功率由最早的45kW增至600kW，激振力由380kN增至4370kN，最大重量达58t。振动锤型号级参数见表2。
表2 振动锤型号及参数表
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4.2 振动锤选型基本条件
选择振动锤时，需要满足三个基本条件：①振动锤的激振力P大于钢管桩与其周围土层的动侧摩阻力T；②振动体系的总重量G大于钢管桩的桩端阻力R；③振动体系的工作振幅A0大于钢管桩沉入到设计深度所需的最小振幅A。
4.3 振动锤选型计算
(1)根据激振力初步选择振动锤行后
钢管桩下沉至细圆砾土层，需要克服淤泥质粘土层与粉质粘土层所产生的动侧摩阻力，计算过程如下：
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式中：.png)
--振动锤激振力；
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--土层动侧摩阻力；
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--钢管桩周长；
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--土层动侧摩阻力标准值，见表1；
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--钢管桩穿过的土层厚度。
计算得：ZK6侧T=1148.36KN，ZK1侧T=1230.75KN，查振动锤型号级参数表（表2），可初步确定振动锤型号为DZJ-200振动锤。
(2)根据振动体系总重量修改振动锤型号
钢管桩下沉过程中，需要相继克服淤泥质粘土与粉质粘土层所产生的桩端阻力，计算过程如下：
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式中：.png)
--振动体系的总重量；
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--土层的桩端阻力；
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--桩端土塞效应系数，对于闭口钢管桩.png)
；对于敞口钢管桩按下式取值：
当.png)
时，.png)
；当.png)
时，.png)
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--桩端进入持力层深度；
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--桩身外径；
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--土层的桩端阻力标准值，见表1；
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--桩端面积。
计算得素填土土的桩端阻力为R素=105.57KN，粉细砂土的桩端阻力为R粉=97.54KN，淤泥质土的桩端阻力为R淤=36.74KN，振动体系总重量G=173KN，则G>R素>R粉>R淤，选择DZJ-200振动锤可以克服桩端阻力。
(3)根据振幅复核振动锤型号
只有当振动体系工作振幅A0大于钢管桩沉入到设计深度所需的最小振幅A时，钢管桩才能摆脱其周围的土壤，使土壤不会随钢管状壁发生移动，从而在钢管桩不停振动下产生液化和位移。
由于国内尚无相关规范对钢管桩在不同土层的最小振幅A做出规定，国内经验公式为：
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式中.png)
--土层最小振幅；
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--土层标准贯入度基数；
根据勘察资料提供的地质资料，素填土的标准贯入度击数为5击，粉细砂土为5击，淤泥质土为3击。计算得出土层最小振幅A素=3.24mm，A粉=3.24mm，A淤=3.20mm，采用DZJ-200振动锤可以满足施工要求。
美国ICE公司和法国PTC公司对钢管桩在不同土层中的最小振幅做出了规定，可作为参考依据。
美国ICE公司认为钢管桩在不同土层的最小振幅A是不同的，在沙质的土壤里，振动造成的液化程度较高，所以最小振幅要求较小，振动锤最小振幅只需3mm；而在粘土里，由于土壤能随桩壁运动，振动锤振幅要求达到6mm才能摆脱土壤。
法国PTC公司根据土壤的标准贯入度N规定钢管桩在不同土层的最小振幅A，如表3所示。
表3 PCT公司对不同土层最小振幅的规定
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5 施工应用情况
根据计算结果，西江特大桥钢栈桥钢管桩围堰采用85t履带吊配合DZJ-200型振动锤进行施工，顺利完成了158根钢管桩的插打，插打平均深度为23m，与计算结果基本吻合，说明振动锤选型非常成功。
6 结语
钢管桩插打施工是桥梁基础施工中的一项重要工艺，本文以西江特大桥钢栈桥施工为工程背景，介绍钢管桩施工中有关振动锤的选型过程，总结如下：
①振动锤选型时要以激振力为主要参数，并满足总重量大于土层桩端阻力和工作振幅大于土层的最小振幅的条件。
②在计算规范依据不足的情况下，为保证工程顺利进行，建议工程施工前开展相应的土工试验，得出相关土层参数后，进行振动锤选型计算。
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[6] 梁成华.浅谈振动锤插打钢管桩的施工及应用[J].西部探矿工程,2002,77(4):3-4.
论文作者:张喜华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/18
标签：土层论文; 钢管论文; 振幅论文; 阻力论文; 西江论文; 最小论文; 围堰论文; 《基层建设》2019年第28期论文;