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
中图分类号： tg142文献标识码：a文章编号：
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
表4.4 钢护筒参数
诸永高速温州段延伸工程第2合同段主桥共计24根直径3.1m
钢护筒、壁厚2cm，高36m。

钢护筒的下沉采用振动下沉的方式进
行。

钢护筒的主要技术参数及地质情况见表4.4和表4.5。

表4.5 91#墩地质柱状图
表4.6 动侧摩阻力（kn）
根据计算结果，本标段选择采用dzj-300型振动打桩锤，振动锤参数如下：
表4.6 dzj-300振动打桩锤参数
5、结论
本项目振动锤的选型虽小于但接近于理论计算值，实际护筒下沉效果均良好。

以上述计算方式作为振动锤的选型的依据比较接近实际情况，具有较高的理论价值和实用价值。

作者简介：
1、董耀文，男，1984年10月出生，大学本科，助理工程师。

2、王国齐，男，1982年4月出生，大学本科，工程师。

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。