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摘要:本文从作用机理和工程实践两个方面对液压打桩锤在预制桩高应变法中的应用展开研究，对液压打桩锤施加冲击荷载的作用机理进行讨论，并通过工程实例将液压打桩锤的高应变法实测信号与自由落锤、筒式柴油锤信号特征进行对比，为液压打桩锤在试打桩和打桩监控试验方面的应用积累经验。
关键字：液压打桩锤；预制桩；高应变法
1 引 言
随着我国城市现代化发展，政府的环保意识不断提升，环保法规逐渐完善，预制桩的主要打桩设备——柴油打桩锤由于其噪声、振动、油烟污染大及能量传递效率低等问题而逐渐被限制使用，由此造成了近年来液压打桩锤的广泛应用。液压打桩锤与柴油打桩锤相比除具有噪音低、无污染、效率高、耗能少的特点之外，还具有可控性强、成桩质量高、适用性广泛的优势。
本文从理论分析和工程实践两个方面对液压打桩锤在预制桩高应变法中的应用进行研究，通过与高应变法测试中常用的自由落锤、筒式柴油锤进行比较，对液压打桩锤在高应变法中的应用效果进行研究。
2 打桩机械在高应变法中的应用
根据广东省标准《建筑地基基础检测规范》（DBJ 15-60-2008）的规定，打桩机械或类似的装置均可作为高应变法的锤击设备，通常用于试打桩和打桩监控，且打桩机械在高应变法的适用范围也有相关要求。
2.1 试打桩和打桩监控
试打桩和打桩监测均是在预制桩打桩过程中通过高应变法对整个锤—桩—土系统进行分析，但两者的试验目的有所不同。试打桩是通过对桩端进入不同土层时的承载力进行分析，从而为设计人员确定工程桩的桩型、桩长和桩端持力层提供参考依据。打桩监控是对打桩过程中桩锤造成桩身的拉应力、压应力以及锤击的能量进行监测，从而避免打桩设备和施工方案不当引起桩身破坏以及桩锤不匹配造成打桩效率低下的问题[1]。
2.2 打桩设备的适用性
试打桩和打桩监测的试验过程与常规预制桩高应变法类似，只是施加冲击荷载的装置由自由落锤改为打桩锤。通常预制桩的打桩设备有柴油锤、振动锤和液压锤，其中筒式柴油锤的应用最为广泛，根据广东省标准《建筑地基基础检测规范》（DBJ 15-60-2008）的规定，导杆式柴油锤冲击荷载上升时间过于缓慢，容易造成速度响应信号失真，因此不适用于高应变法测试[1]。液压锤对桩的作用机理与筒式柴油锤类似，主要依靠锤体自重及外力（爆炸、液压）产生施加在桩顶的冲击力。但目前针对液压打桩锤在预制桩高应变法中应用效果研究甚少，本文对其应用可行性及实践效果进行讨论。
3 液压打桩锤高应变法应用分析
3.1 工作机理
液压打桩锤按照其结构和工作原理可分为单作用式和双作用式两大类。单作用式液压锤是通过液压油将锤芯举升到一定高度后快速释放，锤芯以自由落体方式冲击桩顶。双作用式液压锤是通过液压油将冲击锤举升到一定高度后，由液压系统的控制，液压油改变方向，推动冲击锤以更高的动能冲击桩顶，这时的冲击能除了冲击锤的重力能外，还有压力油的强大推力所提供的能量，使冲击锤下落的加速度超过自由落体加速度[2]。由此可见，单作用式液压锤与高应变试验所用自由落锤作用机理基本相同，双作用式液压锤则与柴油锤的工作方式更为接近。
3.2 适用性分析
单作用式液压锤与高应变试验通常所用自由落锤作用机理相同，因此能够适用于高应变法测试。
双作用式液压锤对桩顶的冲击荷载除锤芯重力势能转化的冲击能量外还受到打桩设备油压系统对锤芯施加的向下的压力，桩顶受到的冲击力相当于两个作用力的合力。以上作用方式与筒式柴油锤锤芯下落及燃烧室雾化柴油爆炸产生的合力类似，因此从作用机理分析不论是单作用式或是双作用式液压锤均适用于高应变法试验[3]。
4 液压打桩锤高应变法工程实践
4.1 工程实例
珠海某工程，勘察报告显示软土地基深厚，详见下图。该项目主体结构为地下箱涵，基础上部荷载较小因此采用预应力管桩作为基础，但由于在38米和48米分别有两层粉质黏土层，故通过试打桩为设计确定桩长和持力层提供参考。
表1 场地工程地质条件
图3 自由落锤实测高应变信号
图2实测信号与柴油锤高应变法实测信号具有高度相似性，入射波具有显著的双峰特征，脉冲持续时间长，桩土相互作用激发充分，桩底反射明显。试验所用HHP14型液压锤为双作用式液压锤，液压系统不仅可以向上提升锤芯增加势能，在锤芯下落时还可施加向下压力增加额外的动能，当液压系统施加的向下推力的峰值同锤芯自由下落对桩顶产生的冲击力峰值在时间上存在不同步的情况时，即形成了双峰的特征。虽然与柴油锤雾化柴油爆炸产生的第二个入射波峰在产生机理上有所不同，但双峰产生的实测信号响应特征基本一致。在采用液压打桩锤进行高应变法试验时出现双峰情况，应分析双峰产生的原因，当桩身混凝土质量存在缺陷时也会出现与入射速度波同向的反射波，但由于缺陷造成桩身阻抗减小，会造成实测力信号在相应位置产生与入射波反向的波谷，出现此类信号特征时应对其予以重视，采用拟合分析法进一步分析。
两实测信号主要结果参数如表2所示。
表2 高应变法主要分析结果参数
从分析结果参数中可以得到，采用液压锤和自由落锤的最大打击力FMX与CASE法计算承载力RSP较为接近，且在距离测点21.0米左右均反映出接桩位置存在轻微缺陷，承载力和完整性结果的一致性较好。但从实测波形中可以发现，液压锤实测信号质量明显高于自由落锤实测信号，主要原因有以下3点：
1、液压锤锤芯质量约为自由落锤质量的3倍，满足高应变发“重锤低击”的要求；
2、液压锤实测值最大动位移DMX和最终沉降量DFN显著大于自由落锤，说明前者能量更大，桩周岩土对桩的支承能力得到充分的激发，满足高应变法“打动”受检桩的要求；
3、自由落锤产生的应力波在桩中下部衰减显著，无明显的桩底反射信号。液压锤由于锤芯质量大、入射脉宽长（双峰），应力波衰减慢，桩中下部土阻力分布情况及桩底反射在信号中反映明显，对桩身中下部完整性和承载力反应更为准确。
由以上分析可知虽然两实测信号的承载力计算结果相近，但液压锤实测高应变信号特征更符合高质量信号的要求，其结果分析的科学性、准确性更高。与筒式柴油锤一样可作为锤击设备应用于试打桩和打桩监控试验。
5 结论
本文对液压打桩锤作为预制桩高应变法试验锤击设备的可行性进行了讨论，从原理和实践两方面进行了分析，得到以下结论。
1、不论是单作用式液压打桩锤和双作用式液压打桩锤，均满足高应变法试验对锤击设备的要求，液压打桩锤可广泛的应用于预制桩的试打桩和打桩监控；
2、采用双作用式液压打桩锤进行高应变法试验时，当入射波出现双峰的情况时，应注意分析紧跟在入射速度波后的同向速度波的产生原因，是与柴油锤类似的二次冲击产生的入射波还是桩身缺陷产生的反射波，避免误判；
3、液压打桩锤由于锤重大、入射波脉宽长，且可根据需要任意调整落距，更有利于试打桩和打桩监控过程中精确控制能量，有针对性的提供设计参考依据，因此在预制桩试打桩和打桩监控试验中建议优先选用液压打桩锤。
参考文献(References)：
[1]DBJ 15-60-2008, 建筑地基基础检测规范[S], 中国建筑工业出版社, 2008
[2]张大千, 谢朝忠, 吕从双, 周扬. MENCK液压打桩锤工作原理[J], 科技创新与应用, 2014, (25): 135
[3]打桩锤气液联合驱动系统关键部件结构设计及动态过程研究[D]. 史天亮, 中南大学, 2008
论文作者:周桂安
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/7
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