用于深厚淤泥地层的钢板桩振动锤与柴油锤联合施打装置的制作方法

本发明涉及驳船钢板桩施工，尤其涉及用于深厚淤泥地层的钢板桩振动锤与柴油锤联合施打装置。

背景技术：

1、深厚淤泥地层广泛分布于沿海地区、河流三角洲及内陆湖沼地带。钢板桩作为一种截面呈直腹板状或z型的锁口连接型钢桩，具有强度高、止水性能好、施工速度快等优势，是此类软土地区深基坑支护、围堰及码头建设等工程中常用的支护结构形式。目前，钢板桩的沉桩施工主要采用振动锤或柴油锤作为施打设备。振动锤通过高频振动使桩周土体发生触变液化，从而降低贯入阻力，具有施工速度快、对周围环境影响小的优点，尤其适用于软土、粉质粘土等土层。柴油锤则依靠冲击能克服桩端阻力，穿透能力强，适用于需穿越硬夹层或确保桩端达到设计承载力的工况。在实际工程中，为兼顾施工效率与沉桩质量，振动锤与柴油锤常被组合使用：先以振动锤将钢板桩沉入一定深度，再利用柴油锤进行复打，以确保桩体达到设计标高。然而，这种组合施打方式在深厚淤泥地层中仍面临诸多技术难题。首先，淤泥层在振动激励下易发生触变液化，使桩周阻力急剧降低，但液化程度随振动频率和持续时间的变化而显著波动，难以精确控制；当振动频率不当时，可能出现液化过度导致桩体失控下沉，或液化不足导致贯入阻力过大而无法继续施打的情况。其次，柴油锤的冲击能在穿过振动锤体传递至钢板桩的过程中，因锤体间的刚性接触不良而产生显著的能量耗散，导致实际传递至桩体的有效冲击能远低于柴油锤的名义输出能量。再者，深厚淤泥层承载力极低且极不均匀，钢板桩在沉桩过程中极易发生桩顶偏移、桩身倾斜甚至“翘脚”变形等姿态失稳问题；现有导向装置多为固定式结构，无法根据桩顶实际偏移量动态调整夹持力，难以在软硬交替的复杂地层中有效约束沉桩方向。

2、中国专利公开号：cn117947772b，公开了一种组合钢板桩沉桩方法及其振动锤，方法包括：首先，架设导向架于待沉桩位置处，将组合钢板桩与导向架配合并通过振动锤对组合钢板桩振动沉桩；其次，当组合钢板桩沉桩至高出导向架不少于0.5m时停止振冲并拆除导向架，后使用打桩锤对组合钢板桩进行锤击沉桩；其中，在沉桩过程中，如遇沉桩困难，使用冲水设备与组合钢板桩配合以对土体进行冲水并反水带出桩内砂砾，以减少沉桩阻力。该发明能够减少组合钢板桩在地质贯入度较大地质的沉桩困难度。

3、由上述内容可知，现有技术中缺乏一种能够根据实时检测数据对振动锤激振频率、柴油锤燃油供给频率及导向夹持力进行协同调控的联合施打装置，难以有效应对深厚淤泥地层中触变液化程度波动、锤击能量传递损耗及桩体姿态偏移等多重耦合问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种用于深厚淤泥地层的钢板桩振动锤与柴油锤联合施打装置，用以克服现有技术中钢板桩倾斜引起其所处的深厚淤泥层出现渗漏涌沙的风险进而引起深厚淤泥层在振动激励下发生触变液化的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供用于深厚淤泥地层的钢板桩振动锤与柴油锤联合施打装置，包括：

3、桩架，其竖直设置于施工平台上，所述桩架顶部设有导向滑轮组，所述桩架沿高度方向间隔设有若干组用于约束钢板桩沉桩方向的导向夹持器；

4、振动锤组件，其包括滑动设置于所述桩架上的振动锤体、设置于所述振动锤体底部用于夹持钢板桩顶部的液压夹持器，以及设置于所述振动锤体与所述液压夹持器之间的振动传递座，所述振动锤体设有用于调节激振频率的变频驱动单元；

5、柴油锤组件，其包括滑动设置于所述桩架上且位于所述振动锤体上方的柴油锤体、设置于所述柴油锤体底部用于将冲击能传递至所述振动锤体或钢板桩的替打装置，以及设置于所述柴油锤体上的燃油供给调节单元；

6、检测组件，其包括设置于所述桩架顶部用于监测钢板桩桩顶三维空间位置的激光定位仪、设置于所述导向夹持器上用于检测钢板桩贯入阻力的应变式力传感器、设置于所述振动锤体与所述柴油锤体之间用于检测锤击能量传递效率的冲击加速度传感器，以及设置于所述施工平台上用于检测淤泥层振动响应的地表振动监测仪；

7、控制组件，其分别与所述振动锤组件、所述柴油锤组件及所述检测组件连接，用以根据钢板桩的桩顶偏移量调节导向夹持器的夹持力，用以根据贯入阻力振响比调节振动锤体的激振频率，以及用以根据锤击能量传递效率调节柴油锤体的燃油供给频率。

8、进一步地，所述控制组件还包括：

9、偏移判定模块，其用以根据所述钢板桩的桩顶偏移量大于桩顶临界偏移量，判定钢板桩所处的深厚淤泥层中的渗漏涌沙风险不符合要求；

10、夹持调节模块，其用以根据钢板桩所处的深厚淤泥层中渗漏涌沙的风险不符合要求，增大所述导向夹持器的夹持力；

11、其中，所述夹持力的增大幅度正相关于所述桩顶偏移量与所述桩顶临界偏移量的差值。

12、进一步地，所述桩顶偏移量为激光定位仪实时采集钢板桩桩顶在水平面内两个相互垂直方向上的位移分量的平方和的平方根。

13、进一步地，其特征在于，所述变频驱动单元还包括：

14、阻力判定模块，其用以根据贯入阻力振响比小于贯入阻力临界振响比，判定深厚淤泥层在振动激励下发生的触变液化程度不符合要求；

15、频率调节模块，其用以根据判定深厚淤泥层在振动激励下发生的触变液化程度不符合要求，降低所述振动锤体的激振频率。

16、进一步地，所述贯入阻力振响比为钢板桩贯入阻力与淤泥层振动响应的比值，通过所述应变式力传感器检测的实时贯入阻力值与所述地表振动监测仪检测的地表振动峰值加速度的比值确定。

17、进一步地，所述振动锤体激振频率的降低幅度正相关于贯入阻力振响比与贯入阻力临界振响比的差值。

18、进一步地所述燃油供给调节单元还包括：

19、能量判定模块，其用以根据锤击能量传递效率小于锤击能量临界传递效率，判定所述柴油锤体的冲击能在穿过所述振动锤体传递至钢板桩的过程中因振动锤体与替打装置之间的刚性接触不良而产生的能量耗散不符合要求；

20、供油调节模块，其用以根据所述柴油锤体的冲击能在传递过程中的能量耗散不符合要求，增大所述柴油锤体的燃油供给频率；

21、其中，所述燃油供给频率的增大幅度正相关于所述锤击能量临界传递效率与所述锤击能量传递效率的差值。

22、进一步地所述锤击能量传递效率为冲击加速度传感器检测的柴油锤体单次锤击后传递至振动锤体的冲击加速度峰值与柴油锤体空载冲击加速度峰值的比值。

23、进一步地在所述柴油锤体燃油供给频率增大的过程中，持续监测所述振动锤体的振动加速度，若所述振动加速度超过临界振动加速度，则判定柴油锤体冲击能过大导致振动锤体发生共振损伤风险不符合要求，并暂停柴油锤体锤击作业。

24、进一步地所述导向夹持器由上下两组沿桩架高度方向间隔设置的液压夹持臂组成，上下两组所述液压夹持臂的夹持力独立调节，且上组液压夹持臂的夹持力大于下组液压夹持臂的夹持力。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过实时监测钢板桩桩顶空间位置、贯入阻力及锤击能量传递效率，并由控制组件根据检测数据调节导向夹持器的夹持力、振动锤体的激振频率及柴油锤体的燃油供给频率，实现了振动锤与柴油锤在深厚淤泥地层中的协同施工作业。当桩顶偏移量超限时，增大夹持力以约束沉桩方向，有效抑制了钢板桩因倾斜引发的周边土体扰动和渗漏涌沙通道形成；当贯入阻力振响比偏低时，降低激振频率以避免高频振动诱发淤泥层过度触变液化；当锤击能量传递效率不足时，增大燃油供给频率以补偿因接触不良导致的能量耗散，从而在沉桩全过程中维持钢板桩的垂直度和地层稳定性，克服了单一工法在软弱地层中易偏位、易液化的技术缺陷。

26、进一步地，本发明通过偏移判定模块将激光定位仪实时采集的桩顶空间位置与桩顶临界偏移量进行对比，当偏移量超出临界值时判定渗漏涌沙风险不符合要求，随即通过夹持调节模块增大导向夹持器的夹持力，且增大幅度正相关于超差量，实现了对桩身倾斜趋势的主动抑制。相较于传统依赖人工观测和经验纠偏的方式，本发明能够根据偏移程度实时调整约束力，既避免了夹持力不足导致偏位持续累积，又防止了夹持力过大造成桩身损伤或夹持器卡滞，提高了深厚淤泥层中钢板桩沉桩的垂直度控制精度和防渗漏可靠性。

27、进一步地，本发明通过阻力判定模块将贯入阻力振响比与贯入阻力临界振响比进行对比，当该比值低于临界值时判定淤泥层触变液化程度不符合要求，随即由频率调节模块降低振动锤体的激振频率，且降低幅度正相关于两者差值。基于贯入阻力与地表振动响应的实时比值，准确识别了淤泥层在振动激励下的软化状态，通过主动降低激振频率减少了振动能量对土层结构的过度扰动，使淤泥层在沉桩过程中保持必要的残余强度和抗剪能力，有效避免了因高频振动引发的触变液化导致钢板桩承载力骤降和周边地基失稳问题。

28、进一步地，本发明通过能量判定模块将锤击能量传递效率与临界值进行对比，当传递效率低于临界值时判定柴油锤体冲击能在振动锤体与替打装置之间因刚性接触不良产生过量耗散，随即由供油调节模块增大柴油锤体的燃油供给频率，且增大幅度正相关于效率差值。该调控机制有效补偿了接触界面的能量损失，确保了柴油锤的冲击能充分传递至钢板桩顶部，避免了因能量衰减导致的沉桩效率下降和桩身贯入困难；同时，通过实时监测振动锤体的振动加速度并在超限时暂停锤击作业，防止了因冲击能过大引发振动锤体共振损伤，实现了柴油锤冲击强度与振动锤结构安全性的协同优化。

29、进一步地，本发明中导向夹持器由上下两组沿桩架高度方向间隔设置的液压夹持臂组成，且上下两组夹持力独立调节，上组夹持力大于下组夹持力，这种差异化夹持策略能够在桩身上部提供更强的纠偏力矩，而下部保持适度约束以避免过度夹持造成的桩身摩擦力增大和贯入阻力上升，从而在保证导向精度的同时最大程度降低夹持阻力对沉桩效率的不利影响。此外，地表振动监测仪实时反馈淤泥层振动响应，使控制组件能够动态评估振动能量对地层的影响，为激振频率和燃油供给频率的联合调节提供全面的数据支撑，进一步提升了本发明在不同地质条件和施工工况下的适应性和鲁棒性。