振动沉桩锤的选型及应用.docx

振动沉桩锤的选型及应用刘宝河, 边强, 袁孟全( 中交一航局第一工程有限公司, 天津 300456)摘 要: 将桩下沉至要求深度的振动力和振幅, 是选择振动锤型号的关键参数, 但由于我国目前尚无同类的设计、施工规范, 计算理论依据又不完备, 所以在选择振动锤型号时, 振动力和振幅的估算较难。在几个大型工程基础采用振动下 沉工艺中, 收集整理了国内外有关其计算的经验公式, 验证了选择振动锤的步骤和相应的计算方法, 结果证明选锤非常 成功。关键词: 振动锤; 动侧摩阻力; 动端阻力; 振幅; 选型中图分类号: u655.553文献标识码: b文章编号: 1003- 3688( 2008) 03- 0038- 04selection and application of vibr ator y piling hammer sliu bao- he, bian qiang, yuan meng- quan( no.1 eng. co., ltd. of cccc first harbour eng. co., ltd., tianjin 300456, china)abstr act: vibrating force and amplitude of vibration to drive piles to the required depth are the key parameters for selec-tion of vibratory piling hammers. however, there have been no similar design and construction criteria in china and the bases for design theories are not complete, hence, it is very difficult to calculate the vibrating force and amplitude of vibra- tion of a vibrating piling hammer when selection is made. some foreign and domestic empirical equations for these calcula- tions were collected and re- arranged during the piling operations for building foundations in some large engineering projects to verify the procedures for selection of vibratory piling hammers and the relevant calculating methods. the results proved that the piling hammers have been successfully selected.keywor ds: vibratory piling hammer; dynamic lateral friction resistance; dynamic tip resistance; amplitude of vibration; se-lection1 引言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, 因此在我国水运工程建 筑行业中应用日益广泛。随着港口建筑技术的不断提高, 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 继研制了亦能适于水下施工的液压振动锤。液压振动锤的偏 心力矩从 2.6 kgm 至 240 kgm, 动力站功率从 30 kw 至 1 373 kw, 激振力已达到 5 000 kn。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 水 结 构 物 , 如 深 水 码 头 、跨 海 特 大 桥 梁 、近 海 离 岸 的 油 井 平器”, 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, 所以在选择 振动锤型号时振动力和振幅两个关键因素的估算较难, 但对 使用者来说又是必不可少的。在查阅了大量有关振沉相关资 料后, 有幸与美国、法国、日本、卢森堡及国内北京建筑机械 研究院等专家学者座谈、咨询, 收集了多种估算振动锤振动 力和振幅等参数的经验估算方法, 并成功地应用于几个大型 工程中。本文遴选几个比较实际、方便的经验方法, 予以 介 绍, 谨供业内同行参考。台、人工岛等新时代的桩基施工。“工欲善其事,必先利其2振动沉桩的原理收稿日期: 2008- 03- 22修回日期: 2008- 04- 182.1 振动锤的组成及其作用振动锤的组成见图 1。通过安装在振动箱内的偏心轮以作者简介: 刘宝河( 1968 ) , 男, 天津宝坻人, 高级工程师, 中交一航局第一工程有限公司总工程师, 港口与航道工程专业。压箱振动箱动机组 夹持器桩体图 1 振动锤组成fhfhfcfv ffvfc c图 2 振动力1.00.90.80.7率 0.6低降 0.5力擦摩 0.40.30.2粘土0.1淤泥 砂质土0012345678910振动加速度 /( g ms- 2)图 3 振动加速与土的摩阻力降低度的关系曲线图2008 年第 3 期刘宝河, 等: 振动沉桩锤的选型及应用 39 相同的角速度转动, 而两个轮的转动方向相反, 如图 2。两个偏心轮将产生偏心力, 该力的水平分量在同一时间内将相互 抵消, 而垂直分量则是相加, 形成总偏心力, 处于振动箱下部 的振动体( 桩体) 被液压夹持器卡牢后向下击或上拔。压箱用 弹性件固定在振动箱上, 从而消除了振动的传递, 重量很大 的压箱( 重量可附加) 可增加向下的振动力。( 1) 日本建机调查株式会社经验公式1: 这种方法主要是根据土壤标准贯入度试验所得到的 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:n对于砂性土: t=u!hi ni( 3)5i = 1n对于粘土: t=u!hi ni( 4)2i = 1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 n 值; 其它符号同前公式。其次, 由 t/q0=/可以在图 3 中绘一条斜直线, 它 与 图3 中 曲 线 交 点 的 纵 坐 标 值 就 是 对 应 土 层 的 侧 摩 阻 力 减 低 率 i, 该土层的极 限 动 摩 阻 力 tvi=ti i, 那 么 沉 至 要 求 的 深 度 总 极限动侧摩阻力 tv 为: t ( 5)q0ntv=!=ti ii = 1式中: 为振动加速度, m/s2; q0 为振动体系重量 ( 6)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; 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;i 为第 i 层土层的静侧摩阻力减低率; 其它符号同前公式。2.2 沉桩的工作原理锤与桩刚性连接形成一个振动体系。振动锤运行时, 总 数为偶数的偏心轮高速旋转产生振动力, 这个力使桩体产生 正弦波的垂直振动, 强迫桩体的周围土壤产生液化、位移, 由 于土层移动, 在桩体自身重量和振动锤重量的作用下, 使桩 体切入地层。当振动停止, 土壤逐渐恢复原状。同样的作用原 理, 在施工中, 通过起重机吊钩的吊力, 也可将桩体拔出。3 振动式沉桩振动锤的选型3.1 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。3.2 选择振动锤型的步骤及其参数估算方法3.2.1 振动锤沉桩克服动侧摩阻力的估算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:( 2) 法 国 ptc 公 司 的 估 算 : 法 国 ptc 公 司 汇 集 了 世 界2p0 tvntv=u! tvihii = 1式中: p0 为振动锤激振力, kn; tv 为下沉至要求深度时,( 1)范围内 58 个工程的土壤数据,找出了土壤的标准贯入击数( 2)( 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 1 所示。参照表 1 结合工程的土 质、桩的类型、尺寸和入泥深度, 即可按公式( 2) 计算 tv。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/m2; 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 tv 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, 下面介绍的估算方法, 供使用者参考。( 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,3使桩侧极限静摩阻力减低率 =0.10.4,那么根据工程的土质, 可在 =0.10.4 间选取一个值, 即可按公式( 6) 计算 tv。( 4) 欧洲钢板桩技术协会的估算4: 在 振 沉 钢 板 桩 时 , 经 大量工程的实践总结, 认为确定振动锤大小时, 可采用 以 下 40 中国港湾建设2008 年第 3 期端动阻力: 对于粘性土:对于砂性土:rv = 8nfe- 0.065 2( 10)( 11) ( 12)( 13)表 1 土壤标准贯入击数 n 与动摩阻力关系表rv = 4nfei = k/gq0 rv- 0.065 2式中: rv 为桩端动阻力, kn; n 为桩沉入深度土层的最大标准贯入击数; f为桩的横截面面积, cm2; e为自然对数的底; i为振 动锤动量, kg; k为偏心力矩, kgm; 为振动锤负荷轴角速度, 即频率, 1/s; g为重力加速度, cm/s2; 其它符号同前公式。3.2.3 振动锤沉桩振动体系振幅 a0 的估算振动体系的振幅 a0 要能超过桩下沉时所需的振幅 a, 桩 才能下沉到要求的深度。初选振动锤型号后, 据此锤的性能 资料以及桩的类型、尺寸和土壤种类, 用以下经验公式可 计 算和检验振动体系的工作振幅 a0 和把桩振沉至要求深度所 必需的最小振幅 a。表 2 fiy 与 ti 的关系 偏心力矩 ka0 =( 14)振动重量 qna=+3( 15)12.5a0 a公式:( 16)f0 = 15( t+2g/100)( 7)式中: a0 为振动体系的振幅, 也叫工作振幅, mm; q为振动质式中: f0 为离心力 ( 激振力) , kn; t 为沉桩深度, m; g 为桩的质量, kg。( 5) 我国用桩静侧摩阻力系数 ti 推算动侧摩阻力系数 tvi量 (桩的质量+夹桩器质量+支承梁质量+振动锤振动部件质量) , kg; a 为振沉桩到要求深度所需最小振幅, mm; 其它符号同前公式。关于桩振沉到要求深度所需最小振幅 a, 可按经验公式 ( 15) 进行估算, 在实际工作中也可用以下经验值直接用( 16) 式进行检验。( 1) 美国 ice 公司认为: 各类型的 土 质 对 最 小 振 幅 要 求 有所不同。在沙质的土壤里, 振动造成的液化程度较高, 所以 要求比较小, 用 ice 振动锤只要 3.0 mm。在粘土里, 由于土壤 能跟随桩壁运动, 振幅要求达到 6 mm 才能摆脱土壤。在非常 理想的情况下, 如在水下的沙质土壤, 2.0 mm 就足够。( 2) 法国 ptc 公司根据 30 年的经验, 用于评估沉桩的最 小振幅列入表 3。5: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 ti 推算 动侧摩阻力 tvi。压桩阻力估算方法为:p = u!hi fiy +ryf( 8)式中: p 为压桩阻力, kn; fiy 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 2 估算; ry 为压桩时桩尖 处单位面积上的阻力, ry=( 0.91.0) r,kpa; r 为单桩极限桩端 阻力, kpa; f 为桩的横截面面积, m2; 其它符号同前公式。压桩介于“静”与“振动”之间, 从表 2 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:表 3 评估沉桩最小振幅 ammtvi = 0 ti( 9)式中: 为压桩系数, 参照表 2 选取; 0 为土壤弹性影响系数,受加速度的影响变化, 对低频( 820 hz) 振动锤取用 0.60.8; 中高频( 2060 hz) 振动锤可取 0.60.18 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 ti 计算出动侧摩阻力系数 tvi后, 即可按公式( 2) 计算出总动侧摩阻力 tv。3.2.2振动锤沉桩克服桩端动阻力的估算在计算出下沉至要求深度的动侧摩阻力后, 即可根据公式( 1) , 可初选或检验拟用振动锤型号, 据此锤的性能资料和 桩的类型、尺寸和土壤种类, 利用以下经验公式估算和检验 该锤是否能克服桩端动阻力, 下沉至要求的深度, 换言之, 即 振动体系的重量应大于桩端动阻力。欧美国家计算振幅时为 2 k , 即正弦波的波顶至波底,q用于( 16) 式时, 将以上美国 ice 公司和法国 ptc 公司的经验标准贯入度( spt) n/击在非粘聚性土 壤中干振时, 最小振幅 a在粘聚性土壤 中干振时, 最小 振幅 a在有水的情况或借助于 其它方法时的非粘聚性 土壤中的最小振幅 a052315102.253.251.50101533.502.015303.503.752.50304044.252.7540504.54.753.755055.754注: 借助于其它方法可以将筒内的土挖出或辅以冲水。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0.170.20 ti中实和较坚实的粘土和亚粘土0.300.40 ti轻亚粘土和粉砂0.50ti 左右注: ti 和 r 由地质勘探报告给出。标准贯入击数( spt) n/击动摩阻力/( tm- 2)非粘性土粘性土05饱和02很软0.61510很松散25软1.21020松散510中硬1.32030中密1020硬1.53040密2030很硬1.640 以上 很密30 以上 极硬1.7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。2008 年第 3 期刘宝河, 等: 振动沉桩锤的选型及应用 41 值除以 2 后再进行判断。3.2.4 选择振动锤型当 根 据 3.2.1 节 几 种 经 验 方 法 估 算 的 总 动 侧 摩 擦 阻 力 tv, 经综合分析确定 tv 后所初选的振动锤若满足以下三个基 本条件:( 1) 振动锤的激振力 p0 大于被振沉构件与土的动侧 摩擦阻力 tv;( 2) 振动锤系统的总重量 q0 大于振沉构件的动 端阻力 rv;( 3) 振动锤系统的工作振幅 a0 大于振沉构件到要 求深度所需最小振幅 a, 即可选定振动锤型。若校核时发现 p0rv 和 a0a 的情况。总之反复计算直到三个基本条件均满足时为止。4 振动锤选型实列4.1 选锤计算参数的确定广东番禺南沙蒲洲海堤护岸长 579.06 m, 采用 40 个直 径 13.5 m、壁厚 1214 mm 高 8.534 m 插入式钢圆筒作为挡 土结构。结构断面主要由钢圆筒、钢筋砼盖板、胸墙及墙后回 填土组成。钢圆筒的下沉工艺采用振动下沉的方法进行。钢 圆筒主要技术参数见表 4。根据钻孔地质勘察资料选择具有 代表性的 4 号和 32 号钢圆筒处的地质资料, 作为振沉钢圆 筒着重考虑的地质参数, 见图 4 和图 5。钢圆筒振动下沉动阻 力较大, 需采用多台振动锤, 通过同步器组成振动系统。拟用 美国 ape 公司为长江口航道整治试振沉钢筋混凝土圆筒,并 获得工艺成功的世界上第一套 4 台 ape400 型液压振动锤, 通过机械同步轴组成振动系统, 来完成 40 个钢圆筒的沉放, 现校核该 锤组可否用于本工程, 4 台 ape400 型 液 压 振 动 锤 系统主要技术参数见表 5。4.2 振沉钢圆筒动侧摩阻力的估算将图 4、图 5、表 4 和表 5 的有关数据, 按 3.2.1 节介绍的5 种经验估算方法, 计算 4 号和 32 号钢圆筒振动下沉的动侧 摩阻力结果汇总于表 6, 计算过程略。从表 6 可知, 显然欧洲钢板桩技术协会的经验估算公式1.0图 4 4 号筒处地质柱状图1.0图 5 32 号筒处地质柱状图不适合钢圆筒, 它是以钢板桩的振沉为前提条 件 的 , 另 外 几种方法除日本方法值偏小 外, 其他几种方法比较 接 近 , 本 着 “选用备用功率足够的振动式打桩锤”, 确保工程顺利进行, 综 合 分 析 后 本 工 程 选 锤 的 动 侧 摩 阻 力 取 tv=10 000 11 000 kn, 那么拟选的 4 台 ape400 型液压振动锤激振力 p0 = 43 203 = 12 812 kn tv=10 00011 000 kn, 满足工程需要。表 4钢圆筒主要技术参数表 5 初选 4 台 ape400 型振动锤及配套设备主要技术参数表 6 钢圆筒振沉动侧摩阻力汇总( 下转第 78 页)筒位动侧摩阻力/kn备注日本法国ptc 公司美国ice 公司欧洲钢技协我国土壤弹性系数法计算电算45 781.077 993.3910 071.6631 001.2510 028.31美国估算取=0.3325 304.235 88010 319.8510 275.2154 595.358 000.76锤型偏心力矩/(kgm)每台最高振频 vpm激振力/kn锤重/kg锤振动质量/kg夹具重/kg支撑梁重/kg同步轴重/kg吊具重/kgape40041501 40043 203417 000415 75043 000103 0002 00027 000筒号截面面积/m2内外壁延表面积/(m2m- 1)筒长/m筒重/(t个- 1)备注41.3488.11617102.535含加强构件3213180.437- 1.052.05- 7.75流泥- 淤泥3.70100.03- 31.35淤泥26.60121.11- 32.00粗砾砂0.655011.0232 号 钢圆筒标高( m)土壤特征土层 厚度( m)桩周土极限 静阻力标准 值( kpa)标准贯入 度 n 值( 击)0.050.95- 10.25粉细砂10.302510.5- 14.35淤泥4.1121.11- 16土壤特征1.655011.024 号 钢圆筒标高( m)土壤特征土层厚度( m)桩周土极限 静阻力标准 值( kpa)标准贯入 度 n 值( 击) 78 中国港湾建设2008 年第 3 期222harold kerzner. a systems approach to planning, scheduling, andcontrollinng( 7th edition) m. jhon wiley & sons inc., 2002. zhang lianying. genetic algorithms based on matlab of con- struction project resource leveling j. journal of industrial engi- neering and engineering management, 2004, 18( 1) : 52- 55.zhang chaoxiao. study on the relation between team cooperation and incentive structure and the game modej. journal of industrial engineering and engineering management, 2004, 18( 4) : 12- 16. mei changlin. the practicality method of stas m. science press,2001.bennet lientz. project management for the 21st centurym. aca- demic press, 1998.cleland d l, king w r. project management handbookm. newyork: van nostrand reihood company, 1993.li wu, xi youming. management control and hexie control j. journal of industrial engineering and engineering management,2002, 16( 2) : 11- 14.joan knutson.the key to conflict resolution. north americanproceedingc. pmi. globe congress, 2004.w3 =0.015 1w4 =0.043 733w1 =0.014 4w2 =0.014 2333w3 =0.015 6w4 =0.013 044w1 =0.013 6w2 =0.018 3444w3 =0.029 5w4 =0.002 3设允许偏差值 =0.1, 由指标 wi 可知, 方案满足一致性要求。( 4) 4 个指标的权数 都为 0.25, 各方案 si 值为:5s1=0.035 5s3=0.016 3由此可得, 应选择方案二。8 结论s2=0.053 8s4=0.023 467建设工程项目冲突事件互适性概 念 的 提 出 和 在 这 一 概念基础上建立的互适性项目管理机制, 不仅为解决建设工程 项目冲突事件提供了一种新的思想, 而且为项目管理者解决 工程实际问题提供了一种新方法。在这一机制作用下基于项 目整体利益的冲突事件求解过程也为今后建设工程 项 目 智 能化管理提供了条件, 具有较高的理论价值和实用价值。参考文献:1 wei linwei. the new development of project manage ment j. journal of industrial engineering and engineering manage