液压高频振动桩锤开发及应用.doc

中国土木工程学会第十届土力学及岩土工程学术会议论文集
液压高频振动桩锤开发及应用

刘 剑1，陈龙珠2，曹国俊1 ，樊裕昕1
（1.上海德倍佳机械有限公司，上海 201804; 2.上海交通大学安全与防灾工程研究所，上海 200030）

摘 要：因噪声、振动会引发严重的环境问题，既有中、低频振动和锤击沉桩技术在城区或一些特殊区域的应用已受到了限制。为解决这一问题并可贯穿密实土层，国外已成功地开发应用了液压高频振动沉桩技术。文章扼要阐述了液压高频振动桩锤的工作机理、优点和适用范围，然后介绍了上海德倍佳机械有限公司研制生产的系列产品及其应用实例；文末还对推广应用这种新技术而需要深入研究的题提出了建议。
关 键 词：桩，施工，液压高频振动锤，工程实例。

1前言
由于通常能够很好地满足工程结构对承载力和变形的要求，桩基在各类建设工程中得到了广泛的应用。目前工程中应用最多的是钢筋混凝土桩（分预制桩、灌注桩两大类），少数工程因特殊原因而采用了钢桩（属预制桩）。桩的施工技术主要有[1]：锤击法（用于预制桩和沉管灌注桩）、振动法（用于预制桩和沉管灌注桩）、静压法（用于预制桩）、成孔灌注法等，在具体工程中选用何种施工方法与场地岩土层性状、单桩承载力大小、环境控制要求、造价以及当地现有施工技术力量等因素密切相关。由于钻孔灌注桩等施工周期较长，施工现场泥浆多，桩身、桩端混凝土浇筑质量不易控制，单方混凝土提供的承载力较低，预制桩（实心方桩、高强预应力管桩等）一般会被设计人员当成首选方案加以论证。
对混凝土预制桩、沉管灌注桩和钢桩等，可选用落锤、气动锤、柴油锤、电动振动锤、液压振动锤、液压静压机械等设备进行沉桩施工，其中柴油锤、电动振动锤、静压机械等近期在我国的使用最广泛。根据最高工作频率大小，振动桩锤分为4种类型：低频振动锤（≤15Hz）、中频振动锤（15Hz～25Hz）、高频振动锤（25Hz～60Hz）、超高频振动锤（≥60Hz）。目前，我国广泛使用的是电动低中频振动桩锤，液压高频振动锤因尚处于试制阶段[2~5]，在普通建筑工程中的应用还较为少见。
现代环境保护意识不断提高，对沉桩施工噪声、振动和挤土等效应的监控要求日益规范。
柴油锤、电动振动锤由于噪声大、振感强烈，它们在城市或一些特殊区域的使用受到了越来越严格的限制。另一方面，静压法沉桩虽然无振动、噪声问题，但由于设备笨重而对施工场地承载力要求高且搬运难度大、适用工程地质条件单一、存在挤土环境效应，其应用也具有一定的局限性。为解决桩基施工的这类环境影响问题，同时也为了使桩穿透较密实砂土层的能力有所提高，参照以往低中频振动沉桩的施工实践经验，国外近10年多来开发并逐渐推广应用了高频液压振动沉桩技术，并取得了较好的技术效果，在我国也已开始试用。
本文部分作者曾在人工砂土地基、原位饱和软粘土地基中进行了模拟试验研究[6]，对高频振动沉桩得出了如下几点初步认识：
（1）由于会使周围饱和砂土液化加速，继而减少桩侧和端部土阻力，高频振动可以提高沉桩效率，使以往用低频振动法难以沉桩的问题得到较好的改变：
（2）根据在相同密度饱和、非饱和砂土中沉桩试验结果的差别（图1），土的饱和度对高频振动沉桩效率影响较大：饱和度越高、振动导致其液化的可能性越大，振动沉桩效率将会提高；
（3）提高激振频率能使桩-土界面附近饱和软粘土的孔压迅速上升，继而加速土体软化、减少桩周和桩端土阻力，沉桩效率能够得到明显的提高。
网上资料检索结果表明，近10余年来，我国许多单位开展了对液压高频振动桩锤的研究开发工作，但至今只有武汉中铁工程机械研究设计院（）和上海德倍佳机械有限公司（
为更好地推广应用这种新方法，本文将扼要地阐述液压高频振动沉桩施工技术的原理、设备研制状况，并介绍几个工程应用实例。

图1 非饱和、饱和砂土中振动沉桩模型试验结果比较
2液压高频振动锤的工作原理及研制概况
2.1液压振动桩锤的工作原理
液压振动桩锤的工作原理，是通过液压动力源使液压马达作机械旋转运动，从而实现振动箱内每组成对的偏心轮以相同的角速度反向转动；这两个偏心轮旋转产生的离心力，在转轴中心连线方向上的分量在同一时间内将相互抵消，而在转轴中心连线垂直方向的分量则相互叠加并最终形成沉桩激振力。
一些土动力学试验结果表明[7]，饱和砂土的振动液化时间随着激振频率的增大而显著减小。因此，施工设备具有可调节激振频率的能力十分重要。在调整激振频率方面，20世纪90年代初的产品主要是依靠改变发动机油门大小或采用变频电动机。目前的产品不仅如此，还可以通过调节液压泵的排量来控制振动频率，使施工人员更容易找到一个具有较高沉桩效率的激振频率。
对土来说，激振力和振幅越大，其非线性越强，饱和土中的孔压上升越快，此将加速土的软化或液化，从而提高沉桩施工效率。这对长度和直径较大、具有高承载力的桩来说，桩锤具有这方面的能力很是重要。桩锤激振力幅可表示为
（1）
其中是一个经验系数，是偏心质量与半径之积（M称偏心力矩，g是重力加速度）；是桩锤振动园频率（rad/s），而n是液压马达转速（r/min）。可见，除选用较大的偏心力矩外，提高偏心轮的转速，可以大幅提高桩锤的激振力幅。
桩锤振幅与偏心力矩成正比，与锤系统总重（包括齿轮箱、综合夹持装置、桩体、桩周振动土体等部分的参振质量）成反比。因此，对直径和长度较大的桩，施工中应该采用偏心力矩足够大的振动锤，否则因振幅偏小而降低沉桩施工效率。
2.2 国内外已有产品简介
目前，国外高频振动桩锤的生产已趋于成熟，厂家多为大型专业公司。如德国的MGF、KRUPP、PVE、Dieseko公司，美国的APE、MKT、ICE公司[8]等，产品种类较为较全，如美国的ICE公司有中频系列4种、高频系列8种、高频无级调幅系列7种；德国Dieseko公司有不同激振力的振动锤12种，最高工作频率为38.3Hz。在国内，中铁工程机械研究设计院研制的HFA、SFA、PHF系列，最高频率为37.5Hz。
表1是上海德倍佳机械有限公司生产的主要桩锤的技术指标，最大激振力幅和频率均处于国产设备的先进行列。
表1 DBJ系列液压高频振动桩锤的主要参数
型号
DBJ-200T
DBJ-150T
DBJ-100T
DBJ-80T
功率(kW)
446
333
298
150
(kg.m)
56
47.8
35.26
25
Fc (kN)
2000
1500
1000
800
n (r/min)
0~2300
0~2400
0~2400
0~2400
频率范围(Hz)
0~38
0~38
0~40
0~40
最大振幅(mm)
20
18.8
17.6
20
为提高在较厚密实土层中沉桩的可能性和工效，上海德倍佳机械有限公司开发应用了高频振动桩锤加速增流系统。桩在随着振动不断沉入土中的同时，所受的土阻力也在不断地加大，其下沉速度将变得缓慢。此时，开启高频振动锤增流系统，在无需增加外在动力的情况下，使齿轮振动箱的液压马达迅速提高转速，以增大振动的频率。由此不但提高了激振力幅，而且还加速了土体软化或液化，继而可以提高沉桩的深度和效率。在成都市西南面开发区的初步工程实践表明，采用此项新措施，可使1m外径的钢管护筒进入强风化岩1~2m。
上海德倍佳机械有限公司生产的DBJ-A80液压高频振动桩锤，由设置专门的拉索将原向上半周期的部分激振力转化为向下并作用到桩上，通过提高沉桩的平均（静）压力来改善施工效率。由于拉索承载力的限制和顾及施工安全性，这一措施目前仅配置在激振力幅不高的施工设备上。
DBJ系列产品还采取了有关先进技术控制了振动箱温度和轴承润滑，以提高振动轴承乃至桩锤的使用寿命，最终达到降低设备故障和成本的目的。
2.3 液压高频振动桩锤的特点
根据动力机器基础振动研究结果，振动在地基传播过程中的衰减一般随频率的增高而加快。大量试验表明，人对振动最为敏感的频率一般低于10Hz；而大于10Hz后，随着振动频率的增高，人对振动的敏感程度将逐渐且显著地降低[9，10]。因此，提高振动桩锤的工作频率，将有益于减小施工引起的地基振动问题。
高频液压振动桩锤除具有低噪声、低振感、自重轻等优点外，还有以下特点：
（1）采用液压系统可实现无级变频，以便适应于不同的地质条件，不同的桩型，可以选择最佳的振动频率和振幅，保证动力系统始终满载输出，以获得最佳工效；
（2）振动锤的振幅可以在工作中进行调节，实现无共振施工。进行混凝土预制桩施工时，桩身在沉桩力作用过程中不易损坏，并且对周围土体的影响范围小；
（3）高频振动锤的质心、形心和力的作用线通过同一点，使得高频液压振动锤在进行沉桩作用时无需桩架导向，直接悬吊在起重机吊臂的挂钩上便可以进行沉、拔桩作业，并能获得较高的垂直精度。这对一些非常地段的施工创造条件，可利用起重机、推土机的臂架悬挂振动锤伸到有坡度的地方施工；
（4）在配备导向架的条件下，可进行斜桩施工；
（5）采用封闭式结构，可适用于水下作业；采用单独动力站，可向大功率方向发展；可方便更换多种液压夹桩器；可实现机电一体化控制和智能化作业，达到更高效的使用效果。
3工程应用实例
3.1 实例1
工程位于福建泉州。场地由地表向下的土层为：素填土0~7.6m，淤泥质粘土0~3m，含淤泥中砂0~2.5m，残积粘性土0~2m，中砂0~6 m，硬石层0~5m。工程桩为Φ300管桩，桩长一般为20m以内，单桩竖向抗压极限承载力750kN。
原设计对该工程桩采用静压法施工（1500kN），但对靠近既有构筑物仅数米处的桩难以施工。为此，改用液压高频振动法进行施工。所用施工设备是上海德倍佳机械有限公司生产的DBJ-A80高频液压管桩锤，由300型液压挖掘机提供动力。桩锤的偏心力矩250kN.m，最大激振力幅900kN，工作频率范围25~40Hz，最大空载、负载振幅分别为16mm和8mm，静拉力150kN。
实际施工情况是，对一节10m长的预应力管桩，装在DBJ-A80桩架上并由300型挖机上行走移位，就位相当地快捷（熟练工操作约需3min）。振动锤启动进行沉桩后，沉桩速度处于3.5~4.5m/min，一节桩沉入土中约需2~3min；进行第二节桩的夹移、对中并进行焊接需时10min左右。整根桩沉入设计深度共需不到20min的时间。工后经第三方按30%抽样检测，无一受损桩，全部合格并一次性通过验收。
3.2 实例2
工程位于四川省成都市西南面的开发区。场地由地表向下的土层为：素填土0~4m，粉砂0~6m，细砂4~10m，卵石0~3m，强风化泥岩0~3m（承载力特征值2500kPa）。原设计工程桩为Φ1000人工挖孔扩底灌注桩，在基坑开挖后开始施工，桩长10~18m不等。由于桩侧土透水性强，人工挖孔过程中应采用现浇混凝土护壁，施工速度较慢。为提高施工速度和人工挖孔的安全性，经施工、建设和设计单位协商，改为钢护筒并由上海德倍佳机械有限公司生产的增流型DBJ-150T高频液压振动锤进行沉管施工，其配套设备包括：DBJ-150T液压动力站，50吨履带式吊车，液压履带式桩架等。施工所用高频液压振动锤的主要技术参数：激振力幅1500~2000kN，振幅范围6~20mm，工作频率范围25~40 Hz，最大起拔力700kN。
施工时用吊车将振动锤吊起，夹住钢筒后吊至指定桩位。启动高频液压振动锤进行沉管施工。振动锤一般工作频率处于30Hz，激振力约为1500kN（液压系统工作压力20MPa），载荷振幅10mm，基本上能使钢护筒进入强风化岩层顶面；然后再以增流方式将振动锤的工作频率提高到35~40Hz、激振力达到2000kN，加载振幅处于6~8mm，在20s以内即可进入强风化泥岩1~3m。在该工地，采用液压高频振动锤均能使各桩护筒沉入设计标高（进入强风化岩2.5m），沉管速度处于3~8m/min。在人工扩底、安装钢筋笼并浇筑混凝土后，再较快地振拔出钢护筒以重复使用。
在本工程施工成功后，又在临近类似的场地采用液压高频振动锤对Φ1500和Φ1800的人工挖孔扩底灌注桩进行了钢护筒沉、拔施工，均获得了成功。
4小结与建议
（1）本文从土动力学原理和工程实践两方面，较为扼要地阐述了液压高频振动沉桩的可行性和优
点，可供推广应用这一新技术参考。
（2）虽然液压高频振动桩锤穿透力强，具备一些静压桩机无法相比的优势，但将它用于非饱和卵石层中进行高强预应力管桩的沉桩施工，还会由于土层的振动挤密效应而造成后续桩的施工产生困难。为利用饱和土的液化特性，在沉桩过程中在桩侧缝隙灌水，或许是解决这一问题的一种可能途径，值得尝试。
（3）对静压和锤击法施工，人们习惯于用最终压力或贯入度来作为沉桩的终止施工条件。但对液压高频振动锤，因国内外均无足够的技术资料加以总结，目前尚难以提出令人普遍接受的施工终止条件，这在一定程度上也影响了高频液压振动锤技术市场的开拓。
（4）虽然液压高频振动沉桩技术的环保、高效属性已被欧美发达国家的工程实践所证明，而且我国也基本具备了生产这类新技术设备的能力，但要
对各类工程地基很好地推广应用这一新技术，还需要对土的高频振动特性及其影响因素、沉桩机理、地基振动及其衰减规律、桩的荷载-位移（沉降）特性等重要方面，进行较为系统而深入的室内外实验研究和分析总结。
除上述在桩基工程中的应用背景外，研究饱和土的高频振动特性（主要包括振动液化或软化、孔隙水压力消散及其后土的密度和强度变化等），开发

液压高频振动加固地基技术，以取代目前采用中、低频电动振动器的振冲法，也将具有重要的工程应用前景。
参考文献
[1]《桩基工程手册》编写委员会.《桩基工程手册》[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1995.
[2] 王进怀. 高频液压振动沉拔桩锤[C].高层建筑桩基工程技术(刘金砺主编)，中国建筑工程出版社，1998.
[3] 蔡绍琚.液压控制式变频变矩高频振动桩锤[J].建筑机械，1998，(12).
[4] 兰毓蕃.我国桩工机械的现状与展望[J].建筑机械化，2002，(1).
[5] 张忠海.液压式振动桩锤发展及选型应用[J].建筑机械，2001，(3).
[6] 陈岱杰. 高频振动沉桩特性的试验研究[D]. 上海交通大学硕士学位论文(导师：陈龙珠)，2006.
[7] 张建民，王稳祥.振动频率对饱和砂土动力特性的影响[J].岩土工程学报，1990，12(1).
[8] ICE. How a vibratory pile driver/extractor works.
[9] ISO 2631-1. Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure to whole-body vibration[S].
[10] GB/T 13442-1992. 人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则[S].