一、 震動機介紹
震動植樁機是透過在齒輪箱中的一組液壓馬達驅動的偏心質量軸承轉動造成的垂直震動力來使鋼板樁植入,由於這一組偏心質量軸承在轉動的方向上是相對的,所以在水平方向的震動力可以因此抵銷,只留下垂直方向的震動力。
該組偏心質量軸承齒輪箱所產生的震動力會在植樁的過程中將震動傳遞到鋼板樁上面,齒輪箱和震動機主結構間有數個橡膠構成的減震阻尼,會將齒輪箱向上傳遞的震動波吸收掉,以避免震動力傳遞到連結震動機的挖土機或吊車上,並將震動波的能量往下反射到鋼板樁上面,減少不必要的能量耗損,通常這組減震阻尼可以吸收掉大約90%向上傳遞的震動力。
二、 震動機的重要參數
* 引擎馬力(HP, kW)
引擎馬力和偏心矩是決定震動機效能的兩大重要參數之一。如果馬力太低,震動機便無法克服鋼板樁與土壤的摩擦阻力
*偏心矩(in-lbs, kg-m)
偏心矩必須要可以創造出超過土壤彈性運動大小的震幅,越大的偏心矩有助於增加震幅,而越長的鋼板樁(越重)則會減少震幅。
計算式:偏心矩=總偏心質量(m)x偏心距離(r)
*震幅(in, mm)
鋼板樁每一次震動的垂直位移
計算式:震幅=2X偏心矩/震動質量
*頻率(vpm, cpm)
每分鐘的震動數,由偏心軸承轉動速率決定
*空機重量(lb, kg)
計算式:震動機的總重量=震動機重量+1/2液壓管重量
*無震動物重量
震動機上非震動件的重量,包含另外1/2液壓管重量和其他的外加非震動配件重量
*震動重量
偏心矩所產生的上下震動會和震動質量達成動量守恆,來帶動整體震動重量的運動。
計算式:空機重量-無震動物重量+夾頭重量+鋼板樁重量+黏附於鋼板樁的土壤重量
*夾頭夾住力
夾住鋼板樁的夾住力
*震動力
由轉動的偏心質量軸承產生的震動力,只要稍微增加偏心質量軸承轉速,就可以大幅增加震動力,但是對施作效率卻不見得有很大的幫助。(因為轉速越大,頻率越高,震動力雖然加大了,但是上下移動震幅卻因為震動週期縮短,導致沒有足夠的時間可以完成較大的上下位移)
計算式:震動力(kN)=偏心矩X1.12X頻率/106
三、 頻率對震動機的效能的影響
就經驗上來看,通常在設計震動機時,盡可能加大偏心矩是主要的設計關鍵,至於要採取多少的頻率,必須要取決於地質條件;通常,1600cpm是一個建議的參數,因為這樣根據國際上數十年來的經驗,這樣的施作效率可以達到最好。
設計震動機的原則很單純,就是先決定搭配的引擎馬力為何,然後在1600cpm的轉數下盡可能調高偏心矩。不過,這樣的頻率通常有產生較大的震動,所以在有臨房安全的考量下,可以將轉速調到2300cpm到3600cpm左右,這種高頻的震動機通常可以在震動與噪音上獲得部分的改善,這也是大多國產震動機所設計的頻率範圍,在日本這類的震動機通常又稱為高週波震動機,甚至以很多機種皆設計成可調式頻率,因應不同的地質條件進行調整。
四、 土質對震動機施作的影響
在砂質土壤中,鋼板樁的垂直震動會擾動並液化鋼板樁周圍的土壤使得土壤粒子失去他們黏附鋼板樁的附著力,並減少摩擦力。在這種地質條件下,鋼板樁需要有0.25吋(6mm)的震幅才可以提供足額的擾動讓鋼板樁植入,如果在震動機上外加額外的重量(加大空機重量),通常會有助於鋼板樁的植入(可以加大振福,但是所需馬力也會隨之變大),震動機在這種地質下,非常適宜用來進行鋼板樁、H鋼、鋼管樁(空心樁)等類型的植樁,但是對混擬土樁(實心樁)的植樁作業則會變得比較沒有效益。
在黏性土壤中,震動效應必須要能夠切除土壤與鋼板樁間的黏附力,才可以行程上下震動,在這種地質條件下,鋼板樁需要有0.25吋(6mm)的震幅才可以提供足額的剪力切斷黏附在鋼板樁上的黏土。如果振福不夠大,黏土就會黏在鋼板樁上面,下端樁頭下的土壤也必須要可以被鋼板樁推開,在這種地質下,空心樁的植樁會比實心樁的植樁更容易進行,在震動機上外加額外的重量(加大空機重量)也會有助於鋼板樁的植入。
五、 植樁過程的「駐波」行為
震動機對鋼板樁的震動還會產生一個有趣的物理行為--「駐波」。駐波產生於兩端固定拉緊的弦受到撥動時,因波在兩「固定端」不斷反射而干涉產生駐波。駐波的行為讓鋼板樁產生左右快速來回震盪的現象,駐波的產生形式會受到鋼板樁長度、所受到的壓縮應力和震動機頻率的大小所影響,這種行為可以也會助於排除土壤在鋼板樁上的黏附力,減少鋼板樁植樁的摩擦阻力。這種現象在鋼板樁植樁的地面上有積水時便可以很容易觀察出來,因為地面上的水會出現類似將震動中的音叉置入水中所引起水噴濺現象,甚至是黏附在鋼板樁上的濕黏土會延著鋼板樁往上爬的現象。
六、 震動機作業對樁承載力的影響
鋼板樁在植樁的過程中,由於對周圍土壤的擾動,會在當下造成土壤的壓密作用,增加被植入樁的承載力(bearing capacity),並增加植入的困難,雖然目前在國際間已有多項研究再探討震動植樁的過程中對樁承載力的影響與變化,但是也還沒有適當的方法可以正確、適切的根據樁承載力的變化來修正植樁的效能。
七、 震動機植樁作業
震動機打樁的作業方式大致尚可分為兩種,一種是利用吊車作業做為載台,另外一種則是利用挖土機進行改裝後作為載台,可能會有人誤以為挖土機類型的打樁機是利用挖土機本身的力量將鋼板樁植入,而震動行為只是輔助,其實這種觀念大錯特錯。不論是吊車震動機或是挖土機震動機,都還是要利用震動機本身的震動行為對土壤產生的效應來讓鋼板樁植入。
在震動樁樁作業中,如果因為地質關係,使得鋼板樁的上下震動無法將鋼板樁順利植入,就算操作員再施加在大的壓入力,效果都是有限,甚至因為來自土壤向上的阻力,再加上來自挖土機向下的壓力,反而會抑制鋼板樁的上下震動(減少振幅),讓震動所具有的效果無法發揮,而對鋼板樁的植入產生了負面的反效果。
有些操作員會求快速植入,會刻意在震動植樁的過程中,施加向下壓的力量,這種作法只能適用於非常軟的地質條件,所以震動中的鋼板樁可以輕易的突破土壤而不會產生抑制鋼板樁震動效果的行為,否則,過度施加向下的壓力都是徒勞無功的。
如果要解決這種問題通常可以朝三種方向著手:第一,更換較大馬力的震動機(當然,也需搭配較大型的挖土機);第二,採用輔助工法(鑽掘或水刀);第三,放開震動機的夾頭,讓震動機夾住鋼板樁的震動植樁行為改成震動機快速敲擊鋼板樁,在短時間獲得較大的衝量將鋼板樁敲入(由震動波改換為衝擊波),不過,這樣的作業方式對於鋼板樁的破壞會比較劇烈,也會產生很大的噪音,再加上敲擊的方向只有向下而沒有像震動一樣出現上下的往復式運動,所以「土壤錐」的應力無法獲得釋放,所以使用這種工法通常也只能進行短時間的敲擊後,就要夾住鋼板樁讓震動來釋放「土壤錐」的應力。
也正式因為這樣,所以對於一個專業且負責的鋼板樁工程施工者來說,事前對於地質條件的研判是非常重要的,施工者必須要瞭解,震動植樁作業確實有其施作上的極限,疏忽於對地質條件的掌握,可能會讓施工者低估施工成本,甚至出現背棄履約責任的行為,這對於施工者與業主來說,都會產生一定的負面影響。
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