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海港桩基工程中液压打桩锤的应用

419 2020-07-20 11:16:27


1、基柱工程大型化的需要

       海港工程日益趋向深水和大型化发展,工程基桩的断面逐步增大。0.7m×0.7m钢筋砼方桩,直径1.2~1.4m砼管柱和直径1.2~2.5m的钢管柱已被采用,预计今后基柱单柱垂向极限承载力15000~20000kN,甚至20000kN以上,另外为满足弹性长桩的设计要求,需要穿越标贯值较大的土层,使之达到较大的入土深度。打设这样大断面大直径高承载力的长桩,仍沿用目前拥有的大型柴油锤D100-13恐怕难以胜任。从国内历年柱锤打桩资料分析已经表明,D100-13柴油锤打设的基柱能够达到的极限承载力为6000~12000kN,最大桩长为60m左右,这与需求相比有较大差距,因此应根据海港工程的需要,选备更加大型化桩锤,如上海洋山深水港工程、东海大桥工程、杭州湾大桥工程等都属特大型桩基工程,对于提供更加大型化柱锤将有重大的现实意义。


2、打桩锤大型化的发展

       大型化的柱锤有蒸汽锤、柴油锤、液压锤三种。

       蒸汽锤因设备复杂等原因,上世纪50年代以后逐渐被柴油锤所取代。70年代蒸汽锤又在保存其原有长处的基础上,在技术和结构上作了多项改进,大幅度地提高了锤击能量。锤头重量260~2600kN,最大冲程1.5m左右,额定锤击动能208~2500kN・m,锤体总重383~3861kN,处于大型打桩锤的领先地位,这种锤当时主要应用于海上石油平台的桩基。80年代后,人们结合液压技术的研究和应用,创造了新型液压打柱锤,这种锤重量轻,效率高,操作平稳无噪音,废气少,能在水下打桩,且其锤击能量也能与大型蒸汽锤相近,现已完全取代蒸汽锤。柴油锤要想进一步大型化,首先遇到的是难以解决的过热问题,柴油锤的工作过程是通过锤芯下落压缩柴油燃烧爆炸推动锤芯产生的往复运动,类似于单缸柴油机。要使其大型化必然是提高热力参数,增大活塞的热负荷増加热应力和机械应力等,这就是所谓过热问题。由于过热,燃油在锤击之前雾化燃烧,锤头在打桩时,受到燃烧压力产生阻化作用,使打桩力下降,其下降幅度,随打柱时间增加和砧面温升而更加明显。有时甚至需要等待锤体冷却后再继续作业,目前仍无完善可靠的冷却工艺解决这个问题。此外,柴油锤在打桩过程中的噪音和废气油烟使环境污染,操作人员工作条件恶劣,随着大型化带来的影响将会更甚。因此柴油锤无法进入大型桩锤行列。目前国内外最大柴油锤除德国D100-13外,就是日本神户钢铁所的产品K-150,锤全长7.0m,总重365kN,活塞重150kN,冲程2.4m,锤击动能360kN・m;荷兰HERA15000型柴油锤,活塞重150kN,每击能量410kN·m,锤重330kN:以及我国无锡信仁工程机械有限公司引进德国DEIL.MAG公司技术制造的柴油锤D125-3,锤击能量417kN·m,总重250kN

       液压锤有日本、德国、芬兰、荷兰、英国等国家的厂商生产,在这些厂商的系列产品中,较大型的有英国B.S.P公司HH60液压锤,动能720kN·m:德国MHU-1700T锤动能1700kN·m,总重量2600kN:芬兰水腾公司HHK365锤,动能540kN・m,重量550kN。荷兰亦曾经生产过HIBM3000、HBM5000锤,动能为600kN·m和1000kN・m。据了解外国厂商可以按照建设工程的需要设计制造任何大型的液压锤。目前世界上已有较多地区使用液压锤,我国香港特区将废除柴油锤,推广使用液压锤;国内的二航局、三航局、油头港务局、渤海石油股份公司、胜利油田建设有限责任公司等单位也已购置和使用液压锤,这些单位的锤型见表1。

3、打桩锤有效能比较

3.1、选备柱锤因素选备桩锤应充分考虑:桩型、桩重、埋入深度、打桩区域的地质分布和粧尖各土层的标准贯入击数N值等因素,在掌握各种桩锤性能的基础上经分析比较后确定。总之,选备锤的动能必须充分超过桩打入阻力。桩打入阻力包括柱尖阻力、侧面摩阻力和弹性工作量产生的能量损失等。但更为重要的是锤击传递的有效能量是使桩贯入的决定因素,因此,桩锤的有效能大小是选备锤必须首先考虑的问题。


3.2、液压打桩锤的工作特性液压锤分为单作用、双作用两种,单作用液压锤由液压动力向上举起,靠重力下落,打击在锤垫上;双作用液压锤靠液压动力使锤头上下运动,锤体为全封闭,锤芯下落时液压加速自由落体,具有更大能量打击锤垫。液压锤驱动能由柴油机供给,它设有特殊钢锤垫,能有效传递动能,并具有坚久耐用的特性,锤垫常用的材质为长寿命并易于更换的次性铸造的MC901,有相当的弹性、极高的效率传递撞击能,是各家公司的专利。

       液压锤与柴油锤不同,柴油锤锤芯能否连续作业,决定于柴油的燃烧爆发过程,这个过程的实现基于地基通过桩对锤芯的反作用力大小,打击能量的大小在一定程度上说由桩对锤芯的反作用力来决定,不是由操作者的有效及机有低噪音装置,符合环保要求。

       桩锤锤击能量的计算,因锤类型不同而异。单作用锤常用额定锤击能表示,其大小等于锤头的重量W和锤头最大落距的乘积,即ER=WH;双作用锤一般用所谓“净打柱能量”表示,其大小与锤头的质量和撞击体瞬时测得的速度有关,可由公式EA=1/2mw2求出,打砼桩时要求落锤撞击瞬时速度v≤4.5m/s,避免桩被打损坏;打钢桩则可以加大至=6.0m/s。若采用双作用锤打砼桩时,为使锤速z≤4.5m/s,要严格限制落锤高度,一般其动能要降低到65%以内。单作用的液压锤宜打砼桩,双作用的液压锤宜打钢桩。低落距,低锤速,重锤轻打,对于桩的贯入性及保证柱顶完好方面,均有极大优越性,我国海港工程采用混凝土基柱仍较多,故采用单作用锤更为合适。

       打桩锤工作效率根据功能原理计算:1/2mw2=nW因m=W/g,所以v=√ ̄V2gH,W为锤芯重量;H为锤芯落距;g为重力加速度;7为锤工作效率系数,效率系数?与锤的保养、润滑、使用条件、工作原理有关,通常7<1.0但液压锤锤芯下落过程相当于自由降落速度,这是因为提供锤降落过程中克服摩擦损失的液压能不产生任何阻力,但是不论液压锤还是柴油锤,其锤击过程中由于锤整柱整及其他因素影响,能够传到桩身的有效能量需乘以一个折减系数即有效能传递系数。三航局对英国B.S.P公司HH30单作用液压锤施打砼大管桩测试结果,与同样能量的柴油锤相比,液压锤有效能传递系数可提高1,6~2.2倍,柴油锤传到桩身实际能量是锤的额定能量的20%30%,液压锤可达到45%~48%。油头港L.PG3号泊位采用芬兰水腾公司HHK-12A双作用液压打柱锤打钢管柱,通过大量动测资料分析,液压锤HHK-12A型有效能量传递率达85%,有效能量是KB-80柴油锤的1,8倍以上。经静载荷试验,KB-80锤试打的基桩,承载力达不到设计要求,而HHK-12A液压锤试打的基桩承载力均达到设计要求1.0m×16mm钢管柱能打入标贯80~120的花岗岩强风化层。所以一般地说能量传递率:柴油锤为25%~45%,液压锤为60%~85%,(前者对于砼柱,后者对钢桩而言)液压打桩锤除有较优的技术性能外,还提供动态能量测试仪,它由速度传感器、计算机、显示屏和打印机组成传感器测量液压锤芯打击时的末速度,计算器根据给定锤芯重量计算出打击能量,对于打柱过程中的信息,如总打击次数、总入土深度、总打击能量,都被屏幕显示、仪器记录并打印,管理工作很方便。


3.3、有效能比较液压锤与柴油锤有效动能比较情况见表2~表4。1994年1月23日,香港举行液压锤演示会,目的是检验各种液压锤的效率,有4家液压锤制造厂家参加演示。在相同的土壤地质条件下各厂家初打复打的四根测试桩为砼管桩二根500mm×100mm,H型钢桩二根305mm305mm×180mm,各桩极限承载力均为4600kN、4800kN各厂家液压锤与柴油锤对比如表5。

参加演示会各厂家桩锤的缓冲垫由各厂家自行选用其材质为长寿命并易更换的铸造品,弹性好有高效撞击功能。就柴油锤与各厂家的液压锤比较,测试结果表明,所有液压锤的动能传递效率远远高于柴油锤,总平均值前者是后者的两倍以上。

4、结语与建议

       国内虽然柴油锤使用较多较普遍,技术也较成熟,但明显存在污染大、噪音高、调控难度大,过大的冲程使砼桩产生过大应力而发生损坏,以及能量传递率低,维护、修理频繁等缺点。特别是在重视环保的今天,它污染大、噪音高的缺点显得尤其突出,其锤型大型化也难以实施。近年来,液压锤作为桩基施工发展方向,技术已经成熟。被国外认为先进的新一代环保型液压打桩锤,已逐步进入我国。它具有污染小、噪音低、调控方便准确,根据打入桩地质条件进行连续调节,低冲程能够减少砼桩应力,能量传递率高,维护修理、操作方便、数据安全、故障率低等优点,大能量的锤型也容易实施,并且很适用于不同打桩方式,即可以用浮式起重船吊挂桩锤进行施打,又可以用打桩船进行能打,比柴油锤要方便许多。在确保打桩质量,尤其是砼桩,在质量方面更具有无可比拟的优势,液压打桩锤也能适应陆地打柱施工,很有推广使用前途

       但是液压打桩锤的开发应用较晚,尤其在国内处于起步阶段,它亦有重量大锤身高的缺点,还没有较多的实践记录,引进液压打桩锤要结合现有的起重船、打柱船的性能综合比较,并应在深入调查了解桩基工程需求情况下,进行全面权衡和决策以便获得最佳的技术经济效益。在目前的起步阶段,宜选用的锤型为动能400kN·m,锤体总重400kN左右的单、双作用的液压打桩锤。

注释:本文选译自与国外液压锤生产厂芬兰水腾 JUNTTAN液压柱工程机械专业公司、英国B.S.P公司、德国 MENCK公司、荷兰IHC有限公司等专业人员座该会的部分英文资料。


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