液壓打樁錘最大錘擊負荷的預估與控制

林 登，李海瑞，陸 紅

（1. 浙江永安工程機械有限公司，浙江 溫州 325204；2. 中交第四航務勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

不論是機械設備還是受力結構件，一般都有一個明確的允許承載力及額定的工作負荷參數。設備在運行中當出現接近或可能超出額定負荷工況時，即可采取有效的操作及控制方法和措施避免因超載引起設備本身損傷或危及操作人員。然而對于液壓打樁錘而言，額定負荷的確定涉及錘、樁、巖土三者之間相互作用的結果，工作負荷的判別比普通機械設備復雜。對于施工中如何控制液壓錘錘擊過載，一直以來在廠家、施工、設計及規范指標之間存在著不少的差異，評判標準不統一，造成了許多不必要的爭議及不便。在液壓錘沉樁施工現場，常出現直至目測到液壓錘出現損傷、錘殼被撕裂、柴油錘的錘芯跳出導向筒，甚至錘擊到錘殼散架才停錘。因此，液壓打樁錘在錘擊沉樁過程中如何預估判別是否已達到該錘的最大錘擊負荷，并控制其在額定的許用負荷內使用非常重要。

1 液壓打樁錘工作特點

液壓打樁錘屬于一種“瞬時釋放能量”的機械裝置，而非普通的可以“持續提供能量”的動力裝置及機械設備。由于歷史的原因，液壓打樁錘的主要性能指標常采用錘芯質量或錘擊能量兩種方式來表示。例如：YC-16即錘芯質量為16t的液壓錘；CG300即錘擊能量為300kJ的液壓錘；IHC S1200、Menck MHU2400S分別為錘擊能量為1200kJ與2400kJ的雙作用液壓錘。

上述液壓打樁錘的性能指標顯示或代表了某一型號（錘芯質量乘最大錘擊行程，即為理論最大錘擊能量）的液壓打樁錘在一次錘擊循環過程中可釋放的最大錘擊能量。然而液壓錘沉樁過程中需要獲得的是“錘擊力”，是設定的能量N在某一時間段Δt釋放中產生的平均錘擊力F（Δt為ms級）。而某一型號的液壓錘在設定的錘擊能量前提下實際錘擊樁頂并行成“錘樁體系”后下行路徑越短，瞬時釋放該能量的時間Δt就越小，產生的錘擊力越大。而錘擊力越大，也就意味著液壓錘負荷越大。

2 貫入度與液壓錘負荷的關聯

液壓打樁錘在錘擊沉樁中，樁端的貫入度越小，則液壓錘的負荷就越大，這一定性的分析得到了理論上以及樁基行業的一致認同?！督ㄖ痘夹g規范》中，錘擊沉樁錘重選用表：“樁徑規格在500～1000mm左右時，常用控制貫入度為3～10mm/擊”［1］；《港口工程施工手冊》中，高樁碼頭基礎樁選錘參考表：“控制貫入度為3～15mm/擊”［2］；《建筑施工機械與設備 液壓打樁錘》中，條款5.1.11：“最終貫入度小于25mm時，液壓打樁錘應停止施打，避免超負荷工作”［3］。三者之間按貫入度下限控制標準最大相差約8倍；按上限標準比較，設備廠家與港口工程控制標準相差近1.7倍；與建筑規范標準相差約2.5倍。正是由于這些標準之間存在的表面量差，在工程施工中，設備廠家、施工、設計、監理產生了認識上的差異。往往前者希望盡早收錘，避免因貫入度太小損壞樁錘設備，后者則認為樁端未完全達到設計標高前，貫入度還未達到控制下限，仍可繼續進行錘擊。在許多工程實例中，常有因液壓打樁錘在小貫入度下持續作業，打壞液壓錘的液壓閥件、油缸，甚至出現錘殼爆裂的情況；但也有出現錘擊貫入度持續在1～2mm，連續較長時間進行錘擊，而液壓錘卻完好無損的現象。因此，僅僅從貫入度值判別液壓錘的負荷，不但理解上出現差異，也難以解釋上述在施工現場出現的各種錘擊現象。

在動力打樁的樁基承載力或錘擊力（作用力與反作用力關系）研究中，不論是以能量守恒為基礎推導的樁基極限承載力估算海利公式Pu=ζWrHη/（e+0.5c）、港口工程施工手冊推薦公式Pj=F/（2s+k）中［2］，還是以動量守恒為基礎推導的錘擊力估算公式中［4］，貫入度值e（或s）都與承載力或錘擊力成反比關系，即貫入度越小錘擊力越大，錘擊力越大則樁錘的負荷也就越大。當錘擊力大到某一數值時，液壓打樁錘出現超載。這一定性分析也是上述3個標準都以貫入度作為停錘及控制液壓錘超負荷的基礎，僅是在控制量值上出現了一些差異。注意到上述2個公式中的分母項、承載力或錘擊力的大小不但與貫入度e（或s）值有關，還與回彈值c（或k）、錘墊、樁墊、樁身彈性壓縮值［5］都有關聯，且都為反比關系，即這幾個數值都同時對承載力或錘擊力起作用。幾個數值的綜合數值越小，錘擊負荷越大，反之也成立。

3 錘擊綜合位移數值

對動力打樁的錘擊系統進行分析，當液壓錘的錘芯以速度Vt錘擊樁頂時，首先撞擊的是替打上腔放置的錘墊（緩沖墊），然后錘墊將錘擊力傳遞給替打本體、樁墊（緩沖墊）、樁頂，之后樁身接收從樁頂獲得的能量（或稱動量），樁身克服樁側周圍巖土產生的側摩阻力、沖剪樁端巖土，使得樁身產生一個下行位移，即所謂的錘擊貫入度。動力打樁示意圖見圖1。

圖1 動力打樁示意圖

從圖1可以看出，在錘芯碰撞錘墊后，錘芯綜合下行的行程包含錘墊彈性位移量、樁墊彈性位移量、樁身在巨大錘擊力作用下彈性壓縮產生的位移量［5］、樁端位移量、貫入度e或s。貫入度值其實僅是錘芯在一次錘擊過程中產生的總位移量（綜合位移量）中的一部分。而液壓錘的錘擊力大小與該綜合位移量成反比關系。上述海利公式中分母項的貫入度e、港工公式中的s、回彈值c或k都清晰的表明了之間的關聯；而以動量守恒為基礎的錘擊力公式更加明晰的描述為貫入度e、錘墊壓縮值c1、樁墊壓縮值c2以及樁身彈性壓縮位移值c3與錘擊力的關系。即液壓打樁錘的錘擊力大小不僅與貫入度有關，而且還與錘擊位移相關的多個參數都有關聯。當該綜合位移值小于某一數值時，即超過了液壓錘能夠承受的最大錘擊力，則可預估液壓打樁錘出現超負荷。

4 最大錘擊負荷的預估及控制

應用基礎物理學及理論力學中關于碰撞原理對液壓打樁錘的錘擊機理進行簡析［6］，可定性描述為GH≈FΔ/η。其中G為錘芯質量，H為行程，F為錘擊力，Δ為錘擊位移，η為轉換效率系數。即錘擊位移越小，錘擊力就越大，這與上述預估公式中綜合位移值對承載力及錘擊力的影響方向性趨勢一致。

液壓打樁錘制造廠從液壓錘性能角度出發，通過在歷年工程實踐中獲取的大量液壓錘使用數據及經驗總結的基礎上，預估液壓打樁錘的綜合位移不應小于25mm（并非僅指貫入度）是有一定道理的，也是比較合適的。例如：國產16t系列液壓打樁錘錘芯質量16t，錘擊行程1.5m，能量轉換與錘擊綜合效率約65%～85%（錘擊行程越大，錘樁體系剛度越小，樁與錘重量比越大，則效率越低），綜合位移取25mm，則預估錘擊力大致為6200～8200kN，即該型號液壓錘綜合錘擊位移達25mm時為額定最大負荷。但是在實際工程施工中，短時的錘擊綜合位移小于25mm可以有效提高錘擊力，但應注意控制使用的度。

由于樁基工程界發展歷史的原因，液壓打樁錘技術參數中暫保留了“最終貫入度小于25mm”的標注方法。事實上，25mm是指錘樁系統在沉樁過程中錘、樁、巖土偶合作用下的“綜合位移值”，在使用中應注意。

《建筑樁基技術規范》及《港口工程施工手冊》中以貫入度為終錘控制指標，是基于樁基的側摩阻力及端阻力提供的打入樁極限承載力要求。由于一般的建筑樁基尺度及入土深度相對偏小，端阻力占比較大，所以終錘貫入度取值偏小。而港口工程樁基直徑一般較大，沉樁深度也深，側摩阻力占比較大，所以終錘貫入度取值相對偏大。但建筑與港口樁基并不存在嚴格的界限，主要還是以地質條件為主，只要樁基的側摩阻力占總承載力比例較大，終錘貫入度值控制可參考《港口工程施工手冊》取值。

錘擊綜合位移的概念較好的解釋及統一了樁錘廠家控制最小錘擊綜合位移與樁基標準中控制貫入度之間的差異。并且對錘擊特例——錘擊貫入度很小，但樁錘仍可持續錘擊而不損傷的現象給出了合適解釋。這類現象往往出現在施打薄壁長樁時，因樁身彈性較好，錘擊壓縮值或回彈值較大（>25mm）樁錘的錘擊能量偏小時出現。然而，當錘樁系統的剛度較大（施打厚壁短樁、樁墊及錘墊老化嚴重），即使錘擊貫入度偏上限，但因綜合位移量仍較小也可能造成液壓錘超負荷運行。

5 結束語

采用綜合位移量預估液壓打樁錘的額定負荷，將動力打樁系統中各彈性元件以及樁身貫入度值有機聯系起來。系統中各彈性位移量及樁身貫入度都同時影響了錘擊負荷的變化，比之前僅采用單一的樁身貫入度值來判別液壓打樁錘的負荷更加接近實際。綜合位移法也合理解釋了上述樁基承載力標準與液壓打樁錘控制錘擊負荷指標存在的差異，為設計選擇合適的錘型及錘擊參數，為施工現場預判液壓錘的錘擊效果是否超負荷運行提供了一種簡單、實用及可操作的方法。