大直径钢护筒振动锤选型及应用

大直径钢护筒振动锤选型及应用

[摘要]：诸永高速温州段延伸工程第二合同段主桥桩基础采用φ2.8m的钻孔桩。钢护筒直径为3.1m，长度为36m。结合工程实例，重点介绍钢护筒的设计加工、振动锤的选型及钢护筒定位下沉技术。

[关健词]：大直径桩钢护筒振动锤定位

1、工程概况

诸永高速公路温州段第2合同路线起点位于瓯江大桥后江段与瓯江段交叉墩处（第38号墩），路线全长3584.205km。主桥桥跨布置为（84+200+84）m=368m，主墩处主梁梁高设置为9m，跨中梁高为3.5m，采用三孔一联的钢混组合连续刚构桥，为降低主梁梁高，在主跨跨中设置80m长钢箱梁。

90#、91#主墩分别采用12根φ2.8m的钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计，桩长分别为88m和94m。桥址位于楠溪江河口下游约1.5km的瓯江干流上，本河段为感潮河段（瓯江感潮河段总长78km），潮水属不规则半日型潮，最高潮位5.44m，最低潮位-2.43m，平均高潮位2.52m。

2、钢护筒设计

2.1钢护筒作用

钢护筒是钢板卷制而成的圆形桶状结构物，主要作用有以下几点：

保护孔口，防止孔口范围内土层坍塌；

确定桩（孔）位，作为钻孔的导向；

隔离地表水免其流入孔内，并保持钻孔内水位（泥浆）高出地下水或施工水位一定高度，形成静水压力（水头），以保持孔壁稳定；

深水护筒还可作为浇注混凝土成桩的水中模板；

永久性钢护筒还可以作为钻孔桩防腐蚀的屏障。在适当条件下，还可以作为桩结构的一部分参于受力。

2.2钢护筒设计

本项目桩基钢护筒设计为永久性钢护筒，参于受力。以91#主墩为例，钢护筒设计底标高-28.87m，护筒顶标高取7.13m，钢护筒总长度36m，外径3.1m,壁厚2cm,单根重量54.662吨。

为避免钢护筒沉放时，钢护筒顶部及底口应力集中而导致局部屈曲，在其顶、底口增设长1m,厚2cm的加强钢套。

3、钢护筒加工

3.1钢护筒制作

钢护筒在工厂分节制作，用钢板卷制拼焊而成，制作长度为28m+8m，焊缝等级达到一级标准，焊缝保证整齐顺滑，焊缝金属与母材的过渡平顺，焊缝不得有裂纹、未熔合等缺陷。

为保证钢护筒在运输起吊过程中不变形，在内侧临时用米字形型钢支撑架进行加强。

3.2钢护筒接长

钢护筒分节段采用浮吊运输至主墩位置处。接长时将第一节和第二节护筒平放在拼接平台上，放线调整两节护筒的位置，满足要求后先进行定位点焊，点焊完成后再进行正式焊接。拼接成型后进行外观质量、外形和焊缝检查，拼接焊缝要求达到I级焊缝标准。

3.3钢护筒的加工质量标准

1）在任何20°圆弧内，钢护筒的局部允许偏差为板厚的10%，最大偏差不得超过板厚的12%。

2）钢护筒直径允许偏差，任何位置的外直径和最小直径之差不大于0.3%公称直径，最大直径与最小直径之差小于20mm；钢护筒体端面的倾斜度最大允许偏差为△f=3mm。

3）钢护筒纵轴线弯曲矢高不大于护筒长的0.1%，并不得大于30mm。

4、振动锤的选择

4.1振动式沉桩适用的土质

最适合进行振动法沉桩的土为非粘性土、砾石或砂，特别是饱水的非粘性土、砾石或砂。对于混合土或粘性土，只有当它们具有很高的含水量时，才可使用振动锤沉桩。对于干硬性的粘土或经过人工排水的砂中进行振动法沉桩，其沉桩阻力可能很大。

4.2选择振动锤型的步骤及其参数估算方法

首先应根据桩的类型、尺寸和地质勘探资料计算振动锤的激振力是否可以克

服桩的侧面动摩阻力，而下沉至要求的深度，满足此关系要求的计算公式如下：

（1-1）

式中：P0为振动锤激振力，kN；Tv为下沉至要求深度时，各土层的极限动侧摩阻力之和，kN；U为桩横断面周长，m；i为表示厚度为Hi的土层顺序；n 为下沉至要求深度时土壤总层数；Tvi为第i土层的极限动摩阻力，kPa／m ；Hi为第i层土层厚度,m。

下沉至要求深度时各土层极限动侧摩阻力之和的计算比较困难，目前我国尚无同类的设计规范，国内外均用经验公式进行估算，下面介绍几种估算方法，结合我项目实际施工经验以供参考。

(1)日本建机调查株式会社经验公式：这种方法主要是根据土壤标准贯人度试验所得到的N值来进行计算的，首先根据各土层N值计算出各土层的极限静侧摩擦阻力的总和为：

对于砂性土：（1-2）

对于粘土：（1-3）

式中：T为各土层的极限静侧摩阻力之和，kN；Ni为第i层土层的标准贯入击数Ⅳ值；其它符号同前公式。

其次，由T／Qo=η／μ可以在图3中绘一条斜直线，它与图4.1中曲线交点的纵坐标值就是对应土层的侧摩阻力减低率，该土层的极限动摩阻力那么沉至要求的深度总极限动侧摩阻力Tv为：

（1-4）

式中：η为振动加速度，m／s：；Q。为振动体系重量(桩的重量+夹桩器重量+支承梁重量+振动锤重量)，可预先假定，kN；μ为静侧摩阻力减低率；Ti为第i层土层的极限静侧摩阻力，kN；μi为第i层土层的静侧摩阻力减低率；其它符号同前公式。

(2)法国PTC公司的估算：法国PTC公司汇集了世界范围内58个工程的土壤数据，找出了土壤的标准贯入击数(SPT)N值与振动构件每平方米(以桩外表面积计算)的动侧摩阻力的关系，该关系如表4.2所示。参照表4.2结合工程的土质、桩的类型、尺寸和入泥深度，即可按公式(1-1)计算Tv。

标准贯入击数（SPT）N/击动摩阻力/(t.m-2)

注：动摩阻力值以外壁单位面积统计的内外壁动侧摩阻力的综合值。

(3)美国ICE公司的估算：美国ICE公司通过大量工程测试后的结论：在高速振动时，桩的周围土壤产生液化效果，使桩侧极限静摩阻力减低率=0．1～0．4，那么根据工程的土质，可在=0．1~0．4间选取一个值，即可按公式(1-4）计算。

(4)我国用桩静侧摩阻力系数Ti推算动侧摩阻力系数：通过对振动式沉桩资料的分析，认为随着振动频率的提高，动侧摩阻力系数将随之呈曲线降低。于是，在地质报告没有提供桩动侧摩阻力的情况下，用桩侧静摩阻力系数推算动侧摩阻力。压桩阻力估算方法为：

（1-5）

土质情况fiy

灵敏度为5左右的淤泥质粘土或淤泥质亚粘土0.170.20Ti

中实和较坚实的粘土和亚粘土0.30 0.40Ti

轻亚粘土和粉砂0.50Ti左右

注：Ti和R由地质勘探报告给出。

式中：P为压桩阻力，kNi 为压桩时各土层对桩侧面单位面积上的摩阻力，kPa，其值可参照表4.3估算；Ry为压桩时桩尖处单位面积上的阻力，Ry=(0．9～1．0)R，kPa；R为单桩极限桩端阻力，kPa；F为桩的横截面面积，m：；其它符号同前公式。

压桩介于“静”与“振动”之间，从表4.3明显看出压桩系数大于振动摩阻力降低率，应列入土壤弹性系数，才能更符合振动式沉桩工况，此关系用下式表示：

（1-6）

式中：ζ为压桩系数，参照表2选取；x0为土壤弹性影响系数，受加速度的影响变化，对低频(8～20 Hz)振动锤取用0．6～0．8；中高频(20～60 Hz)振动锤可取0．6～0．18之间(法国PTC测试值)。其它符号同前公式。

那么，由桩静侧摩阻力系数计算出动侧摩阻力系数后，即可按公式(2)计算出总动侧摩阻力。

4.3振动锤选型实例