振动沉管灌注桩成桩深度分析

振动沉管灌注桩成桩深度分析
庞英杰，江宇京
（浙江建协工程咨询监理有限公司，杭州，310009）
摘 要：在一般多层房屋的桩基础中，振动沉管灌注桩占有很大的比例，尤其在沿海软土地基区域。

正确估计下沉深度是提高振动沉管灌注桩经济效益和社会效益的必要手段。

作者根据多年实践经验，推导出振动沉管成桩深度的经验公式，为桩基设计、施工的同时提出一个实用有效的方法。

关键词：振动沉管灌注桩，下沉深度，下沉阻力
在一般多层房屋的桩基础中，振动沉管灌注桩占有很大的比例，尤其在沿海软土地基区域。

正确估计下沉深度是提高振动沉管灌注桩经济效益和社会效益的必要手段。

本文根据多年实践经验，推导出振动沉管成桩深度的经验公式，为桩基设计、施工的同时提出一个实用有效的方法。

一、 振动沉管基理
振动沉管是将振动打桩机和沉管（φ325、φ377、φ425）连接起来形成一个振动体系，
启动电动机时，锤内两组对称偏心块在驱动齿轮带动下，以相同的速度相反的方向作旋转运动，转动产生的水平离心力相互抵消，垂直分力大小相等方向相同，从而产生上下周期性的激振力，使沉管上下振动。

当沉管的振动频率与地基土的自振频率一致时，土体发生共振。

对于粘性土，土中定向排列的结合水分子被打乱，弱结合水丧失分子引力的约束而成为自由水，颗粒间粘聚力急剧下降，土体产生触变现象；对于饱和无粘性土，在振动荷载作用下将产生液化现象，这将大大降低沉管侧磨阻力和沉管的端阻力，从而使沉管在自重和附加荷载的作用下沉入地层；对于淤泥和淤泥质粘土，往往在桩锤和沉管的自重作用下，无需振动，切割内摩擦角偏低的土体，土体发生剪切和挤压破坏，沉管下沉。

二、 影响振动沉管成桩深度的主要因素
1. 地基土的物理力学性质。

沉管下沉过程中受到地基的阻力，地基土物理力学性质（主
要是抗剪强度）的差异决定了振动沉管下沉阻力的大小。

沉管时，在土层中将产生很高的孔隙压力，对于饱和粘性土，孔隙水压力短时间内很难消散，土体难于被挤压密实，其强度大幅度下降，沉管较容易，同时土体发生隆起现象。

在砂土和粉土中，孔隙水压力很快消散，土体被挤密，沉管难度增大，因此砂土和粉土层的厚度与密度是影响沉管成桩深度的重要因素。

当非粘性土层较薄（小于桩径的3倍时）沉管在振动下可穿透该土层；当非粘性土层较厚时，桩尖沉入该土层深度为5倍的桩径较为困难。

由于振动能量传递到桩尖时已有很大消耗，所以桩尖穿越深度密实土层难度更大。

2.桩机设备。

通常各打桩的施工单位都不大可能具备大而全的施工用桩机设备，如振动锤DZ—90型（电动机功率达90KW）的就很少。

现场打桩施工时经常出现机械设备不配套的现象，人为地造成资源的浪费或不满足设计需要，如桩机底盘偏小，型钢主梁抗弯刚度小，压重堆不足等。

应而施工单位应全面地了解当地地质条件、设计意图确定需要的设备。

3.现场条件。

现场的电源供电能力、电源至桩机施工点的距离、电缆规格，同时施工的各种机械的总
用电量等都制约着桩机设备能力的充分发挥。

因而进场施工前应全面了解现场条件，正确地选择和确定施工技术参数。

4.施工技术水平。

沉管灌注桩承载力的大小在很大程度上取决于打桩施工单位的技术水平和质量意识。

当地质条件复杂时，例如桩尖持力层起伏坡度大，或地层构造差异很大时，打桩施工单位的技术水平对沉管灌注桩的质量影响很大。

故在施工前应制定出合理的施工工艺，确定适宜的施工参数，特别是振幅、功率、压重的确定，应根据土质情况、施工图、桩机振动频率和桩径正确地确定之，同时落实经济技术责任制也是必不可少的手段。

三、下沉阻力分析
桩机振动锤的激振力使桩管产生强迫振动，桩管在自重及外加荷载的作用下沉入土中。

在下沉过程中，桩尖一定范围内的土体被剪切挤压破坏，桩尖穿过后，由于桩管外壁与土体之间相对位移，产生侧磨阻力。

当桩管顶部的激振力，加压或配重克服了侧磨阻力和端阻力后，桩管下沉。

在下沉过程中，桩管侧磨阻力可分为三段：上段，靠近地面部分由于上覆土重量较小，桩管的垂直振动和水平振动使土体被挤开，桩管与土体之间形成空隙，并破坏了土体结构，降低了土体的抗剪强度，因而此段的摩阻力较小，深度也较小，约占桩管入土的三分之一。

中段，由于上覆土重和桩管振动的共同作用，在桩管中部形成一个软化区，该区土体抗剪强度降低，其摩阻力主要是由上覆土体的垂直压力引起的水平力对桩管的挤压而引起，其大小与土体的扰动程度有关。

中段的长度约占桩管总长度的三分之二。

下段，桩尖长度范围内，这部分摩阻力由于上覆土体量较大等使这部分侧摩阻力增大，其大小与桩尖形状、类型（预制桩尖、铸铁桩尖或活瓣桩尖等）有关。

桩管下沉过程中，桩端处土体对桩尖产生端阻力，其大小与土体强度和桩尖截面大小有关。

因此，桩管下沉阻力可按下列经验公式估算：
P=U q si L i+q p A p (1)
式中q si——桩管动摩阻力（kPa）
q s1 =0.2q sik ,q s2=0.7q sik ,q s3=1.2 q sik
q sik——预制桩桩侧极限静摩阻力标准值（kPa）
L i——第i段桩管长（m），L1=h/3,L2=2h/3-h尖，L3=h尖
h——桩管入土深度（m）
h尖——桩尖长度（m）
U——桩管外侧周长（m）
A p——桩尖处最大截面积（m2）
q p——桩尖处土动阻力（kPa）（q p=0.6q pk（kpa）
q pk——桩端处土极限端阻力标准值（kpa）
n——桩分段数，n=3
四、沉管下沉深度的判别
设桩机振动锤的电动机激振动力为N，桩机自重为G1，振动锤及桩管重为G2，则可根据地基条件、设计桩长、桩管外径、桩尖形状和尺寸估算桩管下沉难度系数如下：
η=P/［（N+1/3G1+G2）η，］………⑵
式中激振力N可查桩机设备说明书，例如对DZ-60型振动锤，N=486KN。

式中η——桩管下沉难度系数，当η＜0.95时，沉管容易，当η=0.95~1.05时，沉管较困难，当η＞1.05时，沉管很困难；
η，——电机工作效率系数，与电源电压、电源距离、电缆芯线材质等因素有关，一般可取0.6-1.0。

五、结论
从上述分析可知，预估振动沉管的成桩深度即下沉深度是可能的。

由于实践尚有限，该公式的准确性还有待于进一步完善，以使沉管灌注桩的设计和施工更加合理，从而进一步提高振动沉管灌注桩的经济效益和社会效益。