董夫印

（上海城建市政工程（集团） 有限公司，上海 200030）

桩基础是目前城市桥梁中广泛使用的基础形式，它具有承载潜力大，沉降小的优点。传统钻孔灌注桩施工产生大量泥浆且需要现场混凝土浇筑，易产生环境污染，而PHC管桩会对周边土体产生挤压效应，易对周边管线、建筑造成破坏。钢管桩不仅穿透力更强，而且施工速度快、打桩灵活、承载力高，比预制混凝土桩更适应各种复杂的地形。相比于钢板桩和型钢桩，钢管桩在抗弯曲的刚度，单桩承载力和接长焊接等方面都有明显的优越性。

传统静压法施工工效较低，且施工设备较大，在中心城区使用受场地限制严重； 锤击法虽然速度快、工效高，但是由于采用重锤敲击，其噪声影响明显，50m范围内噪声可高达100dB，对周边环境影响较大。

振动法沉桩工艺通过振动锤在桩顶施加荷载，使桩以一定频率和振幅沉入土体，其应用于桩基施工已有80 多年。随着该工艺不断发展，近年来出现一种称之为高频免共振法的新型振动法沉桩工艺。高频免共振法被认为是一种高工效、低影响的沉桩工艺，已经开始在上海主城区得到应用。高频免共振法也是采用振动锤进行施工，其工作频率为25 ～60 Hz。一般低频不大于15 Hz，中频15 ～20 Hz，高频25 ～60 Hz，超高频高于60 Hz，而土体的自振频率一般为15～20 Hz。为实现免共振功能，高频免共振法在启动和停机阶段将振动锤的系统偏心矩调为零而无振动输出，同时在沉桩过程中使振动锤高频率工作而远离土体共振频率。

免共振沉桩施工工艺具有噪音小、振动弱、挤土效应小、对周边构筑物影响小、施工效率高等显著优点，是一种科学、高效、绿色的施工方法，因此免共振沉桩工艺必是今后桩基施工发展的趋势。相比于静力沉桩工艺或常规振动沉桩工艺，免共振沉桩工艺具有以下优点： 1） 工作效率高，沉桩速度快。通过激振力产生高速震动，使土壤液化，不会产生隆土、最终克服摩擦力实现桩身下沉； 2） 由于振幅较低，因此噪音小； 3） 污染小，与土层无共振，对周围建筑、居民无影响； 4） 适用范围广，可以适用于包括郊区和市区的各种工况； 5） 施工过程中无泥浆产生，场地干净整洁； 6） 沉桩过程仅依靠桩身重量、振动锤重量以及激振力，桩端遇到硬质岩层时桩身合力几乎不变，对桩身不产生破坏。

系统中各偏心轮高速回转，其中水平力相互抵消，从而输出周期竖向力，即激振力，可由式（1）计算。激振力幅值F随高频免共振锤的系统偏心矩M和工作频率f（即偏心轮的角速度ω） 变化而变化。在施工过程中，高频率增加振动锤输出的激振力幅值，同时使振动锤的工作频率尽量远离土体固有频率以避免产生共振。此外，便捷的无级调节偏心矩功能可以改变激振力幅值，也可使振动锤启停时相位差Δφ=π/2 ，从而使系统没有振动输出，避免与土体产生共振。因此，通过改变频率和偏心矩来调整输出的激振力幅值，避免土体共振现象危害。

F=Mωsin（ωt+π/2） 式（1）

其中，F为激振力，M为系统偏心力矩，ω为偏心轮角速度，t为系统工作时间，π/2 为系统初始相位角。施工时，其激振力用来破坏土的结构及克服端阻力，桩的下沉力是依靠桩身的重量与振动锤的重量及激振力。

1 高频免共振钢管桩研究现状

Hill、Schmid &Hill（1966）、Hill&Schimid（1967） 先后通过模型试验建议在干砂中低频率施工摩擦桩的承载力经验计算公式，但由于部分参数是从大量分散数据中得到的，不能准确得到实际值。Szechy在细砂中测试一系列的开口桩来比较高频振动打桩和锤击打桩的承载力，表明高频振动打桩承载力主要由桩端阻力承担，而锤击打桩承载力主要为桩侧阻力。Ghahramani通过实验研究表明系统最大贯入速度发生在土体共振频率时，此时桩侧摩阻力很小。Stefanoff等研究表明土的剪切阻力、变形特性与桩的内径对高频振动打入的空心管桩承载力有决定性作用。Heerema进行了砂土中桩土接触面进行研究，结果表明砂土中动摩擦力与正应力呈线性关系，而与施加的位移速度无相关性。Rodger等通过总结文献数据，提出了针对不同的桩和土的类型选择振动锤参数的方法，同时通过室内试验，验证了打桩频率与贯入速率成线性关系，揭示了存在一个频率的门槛值。Jonker认为高频振动打桩的桩身质量越重，消耗能量越多。通过高频振动会降低土颗粒间接触压力，进而降低土间摩擦力和桩-土摩擦力； 降低工作频率使土体达更密实，增加桩侧摩阻力。黏性土的振动残余强度对桩的可打入性起决定性作用。锤击打桩和高频振动打桩的摩擦承载力基本一致，但高频振动打桩的桩端承载力偏低。美国陆军工程公司在密西西比河谷作了高频振动打桩与锤击打桩的承载力直接对比试验，结果表明高频振动沉入桩的总承载力比锤击打桩低，但是桩尖阻力将更小，这主要是因为锤击打桩使桩端土体更加密实。Wong、O' Neil等研究表明对贯入速度影响起决定作用的是土的初始相对密度，随着土的相对密度增加，贯入速度会降低，但承载力会有所增加。同时，偏心荷载越大，灌入速度越大，最大灌入速度对应的频率值为20Hz。Rao、Wang在美国休斯顿大学进行总的大比尺模型试验研究表明不同尺寸的钢管桩具有相同趋势的可打入性曲线。Bement等研究表明高频振动沉拔桩会导致土体的压缩沉降，其与加速度有关，加速度小于1g时相应较小，当加速大大于2g是土壤液化，变形响应剧增。

以上研究主要针对高频振动桩的承载能力或土壤响应开展。事实上，过去针对高频振动打桩下土的性状和桩土相互作用进行了广泛研究，以预测打桩能力、贯入深度及速率，以及评估环境影响，并形成了一系列可打入性分析预测模型，主要可分为力平衡模型、能量平衡模型、动量守恒模型以及运动规律积分模型。目前主流的可打入性分析预测模型，未来可提出简洁合理且工程适用性强的可打入性分析模型，根据常见工况，确定桩的可打入性及最佳的振动频率、振幅和激振力等技术参数。

2 工程案例

2.1 工程概况

以上海市某快速路新建工程为例，工程范围为逸仙路军工路立交至中环线军工路立交，项目以逸仙路军工路立交为起点由北向南与中环线军工路立交改建南北匝道相接，全长约7.3km（上海市某快速路工程范围见图1）。工程全线采用“高架快速路+地面主干路” 形式，高架主线为城市快速路标准，双向4 车道规模，设计时速80km/h； 地面道路为城市主干路标准，双向6 车道，设计时速50km/h。其主线均为高架桥梁，除承台现浇外，其余桥梁构件采用预制装配式结构。工程基础采用桩径700mm、900mm，长60m～75m的钢管桩基础，钢管桩材质为Q345C钢，采用卷制直缝自动焊焊接工艺成型，分上下两节，上节壁厚18mm，下节壁厚12mm，沉桩施工时接桩一次。本工程沉桩工艺为利用50RF振动锤免共振法分节打设钢管桩，钢管桩分段连接采用钢衬垫熔透焊焊接工艺，本工艺的核心是50RF振动锤。

图1 上海市某快速路工程范围

场地85.45m深度范围内揭露的地基土，按其地质时代、成因类型、土性不同及物理力学性质上的差异可划分为5 层和分属不同层次的亚层，主要层次为： 1） 灰褐色杂填土、2） 粉土、3） 黏土、4） 粉质粘土、5） 粉砂。

场地浅部土层中的地下水属潜水类型，其补给来源主要为大气降水和地表径流，雨季期间地下水位普遍升高。实测的各钻孔实测的各钻孔稳定地下水位埋深在1.60 ～1.70m之间，相应标高在2.91 ～3.17m之间。结合本地区勘察经验，场地内潜水高水位埋深可按0.50m，低水位埋深可按1.50m考虑，设计时可根据安全原则选用。由于拟用场地地下水位较高，地基土基本呈饱和状态。地下水（潜水） 和地基土属Ⅲ环境类型，对混凝土有微腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。

2.2 工艺流程

本项目施工工艺流程见图2，首先进行场地整平、硬化，为履带吊、振动锤及动力站、机械设备、材料进场创造条件。在确保地下无干扰管线等设施后，进行样沟开挖，并测量放样及确定桩位。使用提桩器提起钢管桩对准位置后，进行震动沉桩，并观察垂直度及时进行姿势调整，沉桩至1/3 处时进行二次定位，沉桩至1/2 处时进行终定位，然后沉桩至置顶标高。此时进行上下节钢管桩对接及焊接，采用药芯焊丝焊接，待焊接质量检测合格后进行上节钢管桩沉桩，至指定标高后对桩顶标高以及桩位偏差进行检测。履带吊、振动锤进行转场，继续进行下一个承台桩基施工。

本工程设计要求振动沉桩时应保持振动锤中心和钢管桩在同一轴线上； 钢管桩沉入时，严格控制桩身垂直度，桩身垂直度误差不大于1%，确保钢管桩合理承载； 打桩过程中，如无意外事故，不得中途停锤，必须连续施打完毕，确保打到设计指定标高后方可停锤。

2.3 问题及经验

1） 首件钢管桩吊装时采用平头夹具，且加强环距桩顶过远，导致桩头受力不均，桩顶变形过大。后续吊装时采用弧形夹具，且控制加强环距桩顶约1.5cm～2cm，有效避免了吊装时桩头过大变形。

2） 首件钢管桩施工时由于锤头距离钢管桩较远，致使首件施工对桩不精确，且效率较低。后续施工采用提桩器，显著提高锤头对桩的精确度，减少对桩耗时，提高了施工效率。

3） 首件钢管桩施工时先开挖承台，并做好围檩及钢板桩支护。使后续钢管桩施工时桩头及夹具受到围檩及钢板桩限制，影响施工效率。同时，基坑开挖之后场地狭小，导致履带吊转场困难，打桩队伍与结构队伍施工相互干扰。调整施工工序后，采用先打桩，后开挖施工工艺后，履带吊转场不用占用社会道路，钢管桩施工不会受到围檩及钢板桩的限制，避免打桩队伍与结构施工队伍互相干扰。

3 结语

本文较为详细地对高频液压振动沉桩工艺应用及研究概况与进展进行论述，基于其的优点，未来必将在我国的桥梁工程、建筑工程等得到广泛应用。同时以上海市某快速路新建工程为例，提出一种应用于城市高架桥桩基础中的高频免共振钢管桩沉桩工艺，并总结了施工过程中产生的问题及解决方案。改进后施工工艺各施工队伍之间协同配合，互不干扰，提桩器的使用提升了对桩精度及效率，高频免共振动沉桩工艺沉桩速度快，显著提升了钢管桩的施工质量和效率。同时施工过程中无噪声、泥浆产生、土层无共振现象发生，对周围居民以及结构物影响小，是一种绿色施工工艺。随着绿色施工理念的进一步实施，在城市公路、桥梁建设中，该工艺有望得到进一步的推广和发展。