前言
在城市工程建设中，桩基作为一种重要的建（构）筑物基础形式，发挥着至关重要的作用。高架公路、道路桥梁、工业厂房以及高层、超高层建筑等工程，基本上都离不开桩基的应用。桩基的作用是将来自上部结构的荷载，通过刚度较大的桩身穿过软弱地层或水域，传递到深部较坚硬、压缩性较小的土层或岩层中，达到减少上部建（构）筑物沉降的目的，确保建（构）筑物满足正常使用功能及抗震等要求。
/ 桩基础 /
桩基类型
桩基中的常用基桩类型按成桩工艺可分为灌注桩和预制桩两大类。对于灌注桩工艺，通过机械在地基中形成桩孔，并在桩孔中浇筑钢筋混凝土而成桩。对于预制桩工艺，先在工厂预制成各种形式的桩，然后用沉桩设备将桩打入、振入或压入地基中。这两种桩型在建筑行业中广泛应用，各有利弊。
灌注桩是典型的非挤土桩，无噪声和振动，适应性广，是超长桩和大直径桩经常采用的桩型。但灌注桩也存在不可回避的问题：①需要现场浇筑，施工过程中产生大量的废弃泥浆，易引起严重的环境污染；②施工速度慢、效率低、成本高。传统灌注桩较难满足建筑工业化和绿色低碳的要求。
预制桩主要包括预制混凝土桩和钢桩，采用工业化生产，施工机械化程度高，符合建筑工业化的需求。预制桩的施工工艺成熟，常用锤击、振动以及静压法施工。然而，传统锤击法和振动法存在噪音大、振感强等缺点（图3），在城市复杂敏感环境的限制日益严格。尽管静压法无噪音和振动等环境影响问题，但其存在适用场地工程地质条件较单一、严重挤土和施工工效相对较低等缺点，这些不足也导致其应用存在一定的局限性。所以，传统预制桩较难符合绿色环保的要求，也很难应对施工环境复杂敏感化的挑战。
/ 传统灌注桩的泥浆排放 /
/ 传统预制桩桩的噪声与振动 /
随着建筑工业化技术的发展，绿色低碳的新趋势和新要求，以及城市更新背景下日趋复杂敏感的城市建设环境，城市工程建设也需要桩基技术不断创新。预制桩采用工业化生产，施工机械化程度高，施工周期短，成桩质量可靠，在预制混凝土桩和钢桩这两方面得到不断创新和发展。就钢桩而言，2014年上海地区引进了一种以振动法为基础的免共振微扰动高频振沉式钢桩技术，多用于钢管桩施工，还可用于H型桩、钢板桩的施工，以及作为措施桩用于围堰和基坑支护等临时工程，并可回收重复利用。
/ 免共振微扰动沉桩技术施工图片 /
免共振微扰动高频振沉式钢桩技术
——简介与应用局限
技术简介
免共振微扰动高频振沉式钢桩技术的核心部件为高频免共振锤。该技术的振动贯入原理为：①单个偏心轮高速回转产生离心力；②组合多个偏心轮，抵消水平方向力，输出竖向周期荷载；③将竖向周期荷载施加在桩顶，使桩以一定频率和振幅沉入土体中。
/ 单个偏心轮、偏心轮系统、竖向周期荷载 /
/ 示意图 /
/ 振动贯入原理 /
该技术的免共振原理在于，在启动和停机阶段，将施工设备偏心矩调为零（相位差∆𝜑=180°）而无激振力和振动输出；在沉桩时，设备保持高工作频率（如33.3Hz），远离共振带。
/ 偏心轮系统不同相位差∆𝜑示意图 /
/ 免共振原理 /
应用局限
此前，尽管免共振微扰动高频振沉式钢桩技术在上海地区得到了较多应用与认可，但是这些大多停留在感性认识和工程经验层面，缺乏较系统全面的研究，极大地限制了该技术在上海地区工程建设领域的进一步应用和发展。主要体现为：
首先，对该技术贯入过程桩土响应的认识不清晰，导致环境影响控制策略缺乏理论支撑。贯入过程中的土体响应可包括土体振动、土体孔压以及土体变形，此前相关的现场试验测点不够系统全面，大多离桩身较远，且土体振动仅为地面振动，基于这些结果所得到的规律较难用于邻近地下管线、地铁和建（构）筑物等复杂敏感环境。贯入过程中的土体响应也可包括土塞效应，土塞效应会影响贯入阻力和承载特性，然而此前的认识大多来自于现场观察，即沉桩结束后土塞顶面离管口很近、甚至冒出管口。贯入过程中的桩身响应可包括桩身应力和桩土界面孔压，对这两者的认识均缺乏相应的数据支撑，大多根据经验推测桩土界面孔压很大，根据现场观察认为桩身动应力基本不会造成桩身损坏。
其次，对该技术承载特性的研究不充足。此前在实际工程应用中较少考虑免共振沉桩技术对桩基承载力和变形性状的影响，也没有相关的规范或标准，基本仍按照常规打入预制桩进行设计。由免共振沉桩技术的特点可知，以高频免共振锤ICE-70RF为例，在贯入过程中桩土相互作用频率高达33.3 赫兹，且振幅小，与常规静力和动力沉桩对土体的扰动不同，这些都会引起桩基承载力和变形性状的差异。在当前的相关研究中，还仅是基于高应变和静载荷试验对承载力进行检测，这些还不够系统全面。
免共振微扰动高频振沉式钢桩技术研究
近五年来，华建集团地下空间院地基中心持续开展免共振微扰动高频振沉式钢桩技术的研究，先后完成多项科研项目，包括国家自然科学基金项目“城市环境中免共振微扰动沉桩的环境影响机制及承载特性研究”，上海市科委课题“免共振微扰动沉桩技术研究与示范”等。综合采用室内模型试验、动力流固耦合数值模拟、现场试验以及理论分析等多种方法，系统全面地研究了上海地区免共振微扰动沉桩技术的贯入过程桩土响应与承载特性。
/ 免共振微扰动沉桩技术研究路线图 /
现场沉桩试验研究
在具有上海典型土层特征的场地，进行了直径700 毫米、壁厚12 毫米、沉桩深度52 米、工作频率33.3 赫兹钢管桩现场沉桩试验，较系统全面地研究了沉桩过程的桩土响应。发现紧邻沉桩区域，浅部土层的振动影响比地表更大；振动和孔压响应在浅层影响范围大、衰减慢，在深层影响范围小、衰减快；紧邻沉桩区域，深层水平变形更大，地表隆起变形很小；在较短的接桩期间，紧邻沉桩区域的超孔压消散显著。
/ 土体振动等值线云图 /
/ 孔压测点 /
/ 现场沉桩 /
沉桩全过程的动力流固耦合数值模拟研究
在数值软件FLAC3D中，通过拉链法模拟沉桩过程，且提出密度放大法显著提高计算效率，建立了可模拟连续沉桩0~21米的动力流固耦合数值模型。借助数值模拟优势，弥补现场试验中测点布置密度和深度有限的不足，进一步研究了沉桩过程的土体振动和土体孔压响应，也进行了相应的施工参数（静力和激振力幅值）影响研究。发现紧邻桩身存在高强度的振动和孔压响应；浅部（第②层）振动和孔压影响范围大、衰减慢；中部（第③、④和⑤层）振动和孔压影响范围小、衰减快。
/ 数值模型 /
/ 土体振动等值线 /
/ 超孔压比等值线 /
室内沉桩模型试验研究
通过振动电机施加高频动荷载，以及在双壁开口管桩的桩身布置一系列传感器，构建了开口管桩高频振动沉桩试验系统，分别在饱和砂土、饱和粉质黏土和干砂中进行了沉桩试验，同步测试了土塞效应、桩土界面孔压以及桩身应力。发现振动桩的闭塞程度比静压桩低得多；桩身动应力均也显著小于其屈服强度。
/ 土塞高度变化 /
/ 桩身动应力 /
/ 室内模型试验 /
承载特性试验研究与分析
在上述现场试验和室内模型试验的贯入过程完成后，基于桩身轴力测试，还进行了相应的承载特性研究和分析。发现沉桩时土塞闭塞程度很低，土塞效应难发挥，估算端阻力时不宜考虑土塞效应；竖向承载力大小偏低于常规预制桩规范估算值，增长趋势较慢；超孔压消散快而对承载力影响小，高频振动扰动后再固结土的侧阻和端阻较难恢复；采用所提出的考虑高频振动影响的承载力估算方法，估算值与测试值的比值0.94~1.16；桩端内外侧后注浆可大幅提高高频免共振钢管桩的承载力。
/ 静载荷试验 /
/ 紧邻桩身的超孔压消散 /
/ 桩身轴力 /
上述研发所取得的一系列科研成果，揭示了高频振动沉桩过程中土体响应特性、桩土相互作用模式以及贯入阻力弱化机理，发现了桩侧摩阻力和桩基承载力增长规律，建立了考虑高频振动影响的承载力估算方法，提出了桩端内外侧后注浆方法以显著提高免共振钢管桩的承载力。基于上述研发成果，目前发表学术论文9篇（SCI 4篇，EI 3篇），美国发明专利1项，软件著作权1项。
工程实践与应用
目前，在上海地区，免共振微扰动高频振沉式钢桩技术主要运用于一些工期要求高、环境复杂敏感的建筑市政基础工程项目，多用于市政工程的高架桥梁桩基。在建筑基础工程方面，包括上海国家会展中心改造项目、上海中山东二路22号应急抢险修缮项目等。在市政工程方面，包括济阳路快速化改建工程、军工路快速路新建工程、杨高中路（罗山路立交~中环立交）改建工程等快速路工程。
/ 免共振微扰动沉桩技术在上海地区的应用 /
在上海国家会展中心改造项目中，为举办2019年第二届进博会建筑需要扩容，将北侧1号和2号馆改造成双层展厅。该项目施工工期非常短，2019年5月初开工，需同年9月底竣工。另外，需要在层高34 m的馆内施工桩基，部分桩基在地铁50 m保护线范围内，周边有燃气管道。此外，在施工期间其他展厅仍需运营，对于施工噪音、泥浆排放和挤土效应的控制要求很高。在项目实施过程中，采用了免共振微扰动高频振沉式钢桩技术，在42天内完成了330根钢管桩的施工，不仅施工效率高，而且对环境影响小，挤土效应弱、噪声污染小、振动影响低。钢管桩直径700毫米，桩长大多60米，持力层为⑦2-2粉砂层，单桩承载力设计值为3500千牛。
/ 免共振微扰动沉桩技术在上海国家会展中心的应用 /
结语
免共振微扰动高频振沉式钢桩技术符合绿色低碳、建筑工业化的发展需求，特别适用于城市更新背景下中心城区复杂环境条件下的建设项目，具有推广使用价值。该技术的应用研究成果有助于指导免共振微扰动高频振沉式钢桩技术施工时的环境影响控制，也有助于合理地估算该技术的承载力，还有助于实施有效的承载力改善方法，具有重要的理论意义和实用价值。同时推动了该技术在上海地区的应用，为城市复杂敏感环境的基础工程提供了借鉴。
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