摘要
随着工程建设向外海、深水区域不断发展，大直径嵌岩灌注斜桩因具有更好的承受水平载荷能力，在港口、码头等构筑物基础施工中得到了广泛的应用。受工程场地和桩孔设计参数等的影响，该类嵌岩桩多采用冲击成孔的施工方式，且其持力层的成孔速度相对其他灌注桩施工方法仍然非常低（0.1~0.3 m/h）。基于此，本文建立了大直径嵌岩斜桩冲击成孔过程中的冲锤下落受力模型，并通过单因素分析和双因素耦合分析的方式研究了冲锤质量、冲击行程、桩孔斜度，以及冲锤与钢护筒之间的摩擦系数等因素对冲击成孔速度的影响规律。分析认为，在桩孔斜度确定的情况下，冲锤质量和冲击行程是影响冲击成孔效率的主要因素，而摩擦系数的影响可以不作具体要求。
近年来，工程建设逐渐向外海、深水区域发展，跨海、跨江大桥也朝着大型化迈进，而桩基础因具有承载力强、穿透土层性能好、施工效率高等诸多优点，被普遍应用于跨海（河）桥梁工程、港口工程，以及海上作业平台等工程
国内外学者针对大直径嵌岩斜桩的设计理论、室内模型试验和承载特性等方面已经开展了大量的理论与实践研究，然而跟施工技术有关的研究仍以结合具体施工案例进行经验总结为主。目前，大直径嵌岩斜桩主要采用冲击成孔钻进施工，然而该方式的成孔效率相较于其他施工方法仍存在较大差
大直径嵌岩斜桩对施工设备、施工工艺的要求比较高，技术风险较大。在该类桩型的应用初期阶段，其常用的施工工艺为传统钻孔灌注成孔法，或带有导向装置的改型回转钻机钻进成
生产实践表明，为解决上述大直径嵌岩斜桩施工难题，采用冲击钻机配合圆筒形冲锤钻进成孔是一种较优的解决方案，且其成孔效率与桩径、斜率、入岩深度、基岩强度等因素密切相关，而冲锤的单次冲击破岩效率则主要由冲击工艺参数和冲锤的结构特征决定。为此，需要对冲锤在单次下行（冲击）运动中的受力状态进行理论分析，从而为冲击工艺和冲锤结构优化提供理论依据。
嵌岩斜桩冲击钻进成孔过程中，冲锤的受力示意图如
图1 冲锤下落受力示意
Fig.1 Forced state of hammer during its dropping process
如
| （1） |
式中：m——冲锤质量，kg；g——重力加速度，9.81 m/
由
| （2） |
设冲锤的冲击行程为h，则冲锤的下落时间td和冲锤落底时的冲击速度vd分别如式（
| （3） |
| （4） |
根据能量守恒原理，则冲锤对孔底岩石的单次冲击功W1如
| （5） |
设岩石的单位体积破碎功为W0，则：
| （6） |
式中：n1——单位时间内的冲击次数，次/min；Vr——单位时间内（每小时）的破岩体积，，
单位时间内的冲击次数与单次的冲程密切相关，可对现场冲击结果进行回归分析，建立两者之间的对应关系。根据现场实践的经验公
式中：n1——冲锤的冲击频率，次/min。
则嵌岩斜桩的冲击成孔效率vp可表示为：
| （7） |
由
根据在温州港状元岙港区化工码头的实践经验可知，在桩孔斜度1/6、桩径1400 mm时，采用特定结构的筒状冲击钻头在中风化花岗斑岩中进行施工时，其冲锤质量m为8 t，冲程h为1.0 m，成孔速度为0.1~0.3 m/
值得说明的是，本文所采用的基岩单位体积破岩比功计算模型除了与基岩物理力学性能有关之外，还与冲击钻头的结构密切相关。因此，即使在基岩类型相同时，由于冲击钻头结构和冲击工艺不同，其破岩比功会在一定范围内发生变化。
以上述计算结果为例，在桩径1400 mm、单位体积破岩比功为3.48×1
（a） 冲锤质量
（b） 冲击行程
（c） 摩擦系数
（d） 桩孔斜度
图2 各单因素对嵌岩斜桩冲击成孔效率的影响
Fig.2 Influences of single factors on the ROP of rock⁃socketed inclined pile by percussion drilling
由
对比可知，单因素条件下，冲锤质量、冲击行程、桩孔斜度，以及冲锤与钢护筒间的摩擦系数对大直径嵌岩斜桩的成孔速度影响依次降低，其中冲锤质量和冲击行程的影响非常显著，而摩擦系数的影响非常低。分析认为，冲锤质量和冲击行程直接影响冲锤的势能，但因冲程增大会相应降低冲锤的冲击频率，因此其对冲击成孔速度的影响显著性会逐渐降低。
为研究上述4个因素在双因素协同作用下对大直径嵌岩斜桩成孔速度的影响，依据
（a） 冲锤质量-冲击行程
（b） 桩孔斜角-冲击行程
（c） 桩孔斜角-冲锤质量
（d） 桩孔斜角-摩擦系数
图3 双因素耦合作用对嵌岩斜桩成孔速度的影响
Fig.3 Coupling influences of two⁃factors on the ROP of rock⁃socketed inclined pile by percussion drilling
由
（1）在大直径嵌岩斜桩冲击成孔施工过程中，各因素对冲击成孔速度的影响显著性由大到小分别为：冲锤质量、冲击行程（或冲击频率）、桩孔斜度，以及冲锤与钢护筒间的摩擦系数；
（2）双因素耦合作用效果表明，在冲锤质量和冲击行程恒定的条件下，桩孔斜角对冲击成孔速度的影响相对较小，且冲锤质量应大于5 t，冲击行程应大于0.8 m，具体工艺参数应根据施工现场条件来确定；
（3）冲击成孔速度理论模型中的基岩破岩比功，以及冲程与冲击频率之间的相互关系是通过生产实践数据进行统计和拟合而成，在实际应用过程中应进行相应修正；
（4）基岩的破岩比功除与本文理论模型中的冲击工艺和桩孔尺寸参数有关之外，还与冲锤的破岩结构单元密切相关，实际施工中应根据施工场地特征进行冲锤破岩结构单元优化设计，从而提高施工效率。
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