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摘 要：

以“能量守恒”為基礎(chǔ)分析動(dòng)力打樁過程中最后貫入度極限承載能力預(yù)估分析法的海利公式，被得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可，但公式中系數(shù)取值是復(fù)雜而困難的過程。事實(shí)上動(dòng)力打樁過程就是利用樁錘的錘芯與樁頂碰撞過程中產(chǎn)生的巨大瞬時(shí)力進(jìn)行沉樁。碰撞過程中力的變化十分劇烈，并伴有強(qiáng)烈的聲、光、熱等機(jī)械能損失。文章以基礎(chǔ)物理學(xué)的碰撞原理，應(yīng)用“動(dòng)量守恒”定律，將錘與樁作為一個(gè)體系，建立起錘擊位移與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)聯(lián)，推導(dǎo)出了錘擊力的估算公式。為動(dòng)力打樁選錘，樁基極限承載能力估算提供了一種新的方法。?

一、 概述

對(duì)于動(dòng)力打樁問題，工程界廣泛應(yīng)用的幾種樁基承載力分析方法有：公式法、波動(dòng)方程分析法、經(jīng)驗(yàn)綜合分析法[1]。并以此作為選用樁錘錘擊能量及極限承載力估算的方法。

動(dòng)力打樁公式中的海利（Hiley）公式作為打樁過程中最后貫入度極限承載能力預(yù)（Pu= 孜W rH濁 /（e+c/2）由 Hiley A 1930 年提出），是以錘擊過程中“能量守恒”定理及回彈值為基礎(chǔ)提出。其推導(dǎo)方法是根據(jù)錘芯為自由落錘這一特性，將錘擊過程分為撞擊前、撞擊后、彈性恢復(fù)、回彈共 4個(gè)階段，并對(duì)每個(gè)階段能量守恒及傳遞加以分析。海利公式不論在西方還是在國(guó)內(nèi)都被得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。但海利公式中的折減系數(shù) 孜、錘擊效率系數(shù) 濁、樁土體系彈性變形量 c 等參數(shù)的取值是一個(gè)復(fù)雜而又困難的問題。近年來，PDA 動(dòng)測(cè)技術(shù)在錘擊沉樁中的廣泛應(yīng)用以及成果中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為海利公式中的有關(guān)參數(shù)確定提供了有效的途徑。

然而在實(shí)際的沉樁過程中，錘芯撞擊替打及樁頂，錘墊、樁墊及樁身壓縮變形等過程中機(jī)械能以聲、光、熱等形式的釋放，在這一系列劇烈復(fù)雜的演變過程中，能量發(fā)生了損耗。因此，以能量守恒為基礎(chǔ)的動(dòng)力打樁分析方法，雖對(duì)工程問題的解決起到了一定的作用，但對(duì)打樁過程中顯現(xiàn)的 “重錘輕打”、“錘樁重量比”等特征，就公式中涉及的物理量是難以解釋的。

二、 動(dòng)力打樁過程簡(jiǎn)析

動(dòng)力打樁的過程，實(shí)際上就是利用樁錘的錘芯撞擊樁頂。錘芯依靠外部動(dòng)力設(shè)備或樁錘內(nèi)部燃油爆炸做功，提升到一定的高度，然后快速下落，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，以 V1 的速度快速撞擊樁頂，獲得巨大的瞬時(shí)力，迫使樁身克服巖土產(chǎn)生的側(cè)摩阻力后，樁端沖剪巖土，嵌入巖土中。以下僅以單作用液壓錘為例，對(duì)錘擊過程各階段進(jìn)行簡(jiǎn)析。

2.1 錘芯儲(chǔ)能階段

液壓油缸提升錘芯到預(yù)定高度 H，這一過程將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)換成錘芯的重力勢(shì)能。設(shè)重力勢(shì)能 Eg、錘芯質(zhì)量 m，樁體總質(zhì)量（含替打）M，則儲(chǔ)存于錘芯中的重力勢(shì)能為：Eg = mgH。動(dòng)力打樁示意圖見圖 1

圖 1 動(dòng)力打樁示意圖

2.2 錘芯撞擊樁頂前

錘芯上升到設(shè)定高度獲得重力勢(shì)能 Eg 后，在操縱閥的控制下，以近似自由落體的狀態(tài)快速下落，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能 Ed，錘芯速度 V1 此刻達(dá)到最大值。

2.3 錘芯撞擊樁頂后

錘芯撞擊樁頂后，錘芯與樁身（替打等）形成了一個(gè)體系，錘芯的速度也從之前的 V1，突變?yōu)閂2。在此碰撞過程中部分機(jī)械能以聲、光、熱的形式耗散。 

2.4 錘樁體系位移量

錘芯撞擊樁頂后，產(chǎn)生了巨大錘擊力，迫使樁身克服巖土的側(cè)摩阻及端阻力產(chǎn)生下行位移。一部分位移由錘墊、樁墊、樁身壓縮量等組成；另一部分為嵌入巖土中的貫入度 e。錘樁體系的動(dòng)量，一部分轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能存儲(chǔ)于彈性元件中；另一部分克服巖土對(duì)樁身的阻力后產(chǎn)生有效貫入功。

2.5 錘樁體系反彈

樁錘體系完成下行位移后，速度迅速降為零。然而被壓縮的錘墊、樁墊及樁身中存儲(chǔ)的“彈性勢(shì)能”隨著下行過程的終止，彈性勢(shì)能將反向釋放，帶動(dòng)錘樁體系再次克服巖土側(cè)摩阻力，上行回彈，其回彈值就是海利公式中提到的量值。到此一次動(dòng)力打樁完整循環(huán)過程結(jié)束。

2.6 錘樁體系速度變化

現(xiàn)以國(guó)產(chǎn) YZ-25 液壓錘[2]施打樁體質(zhì)量（含替打）為 50 t 的鋼管樁為例進(jìn)行分析。錘芯質(zhì)量 25 t、錘擊行程 H =1.5 m。假設(shè)：彈性壓縮值 c =30 mm。貫入度 e = 20 mm，錘擊頻率約為 30 擊/min。錘擊過程中錘芯的速度變化示意圖見圖 2

圖 2 錘樁體系速度變化示意圖