（机械设计及理论专业论文）zyb液压静力沉桩机液压振动沉桩研究.pdf

摘要 在桩基础旌工中，液压静力沉桩机以其低噪音、污染小和工作效率 高的优良性能获得了广泛的应用，已经成为桩基础施工中一种重要的旌 工设备。随着不断的应用和开发，其性能也在不断地增加和完善。为了 解决在旌工过程中遇到砂层导致不能完成施工任务这一问题，在液压静 力沉桩机上首次进行了对液压振动压桩系统的设计和研究工作。 液压振动系统的主要特点是在桩机液压系统中的压桩油路产生流体 压力变化和波动，从而使沉桩力出现高频的周期变化，产生振动压桩的 效果。 本文首先通过对压桩过程的描述和桩与液压静力沉桩机的力学分 析，确立了液压振动压桩在桩的强度条件下和液压静力沉桩机工作要求 下的压桩频率与压桩力幅值之间的关系：定量分析振动压桩时系统的频 率特性，得出了z y b 2 0 0 b 型液压静力沉桩机振动压桩时压桩频率的取 值范围和系统能得到的最佳频率值。然后根据液压振动系统设计了振动 开关阀，并重点对液压振动系统中的溢流阀和振动开关阀进行了耦合分 析和仿真研究，得出压桩油路中流体压力变化的模拟曲线，并根据模拟 曲线分析得出流体压力的最高压力值、平均压力值和压桩频率问的相互 关系。最后通过现场实验，证实液压振动系统能完成振动压桩工作，实 验数据分析表明了压桩系统中流体的压力变化与理论分析相符。 该液压振动系统的设计研究，进一步提高了液压静力沉桩机的性能， 促进了液压静力沉桩机向多功能化方向发展。 关键词】液压静力沉桩机振动压桩振动开关阀液压振动系统 a b s t r a c t i nt h ep i l e - d r i v i n gp r o c e s s ，b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tq u a l i t i e so fl o wn o i s e ，l o w p o l l u t i o na n d “曲w o r k i n ge f f i c i e n c ye t c ，t h eh s p d ( h y d r a u l i cs t a t i cp i l e - d r i v e r ) h a s a l r e a d y b e e nu s e dw i d e l ya n dh a s a l r e a d yb e c o m ea ni m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h e c o n s t r u c t i o nw o r kw i t hc o n t i n u a la p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，i t sq u a l i t i e sh a v ea l s o b e e ni n c r e a s i n g l yp e r f e c ti no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h et a s ko ft h ep i l e - d r i v i n g p r o c e s sc o u l dn o tb ef i n i s h e db e c a u s eo fs a n d ys o i ll a y e ns oan e wh v s ( h y d r a u l i c v i b r a n c ys y s t e m ) i nt h eh s p dh a sb e e nd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h em a i nc h a r a c t e ro ft h eh v si st h a t ，b ym e a n so ff l u c t u a t i n go i lp r e s s u r e ，t h ep i l e d r i v i n gf o r c ec a nb ec h a n g e di nah i g h e rf f e q u c n c v ，a n dt h e r e f o r eb e t t e rv i b r a t i n ge f f e c t c a nb eg a i n e d i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h ed e s c r i p t i o no ft h ep i l e d r i v i n gp r o c e s sa n dt h e d y n a m i ca n a l y s i so f t h ep i l ea n d t h eh s p d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r e q u e n c ya n dt h e p i l e - d r i v i n gf o r c eh a sb e e ne s t a b l i s h e du n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ep i l es 仃e n g t ha n dt h e h s d pw o r k i n gr e q u i r e m e n t st h ef r e q u e n c yc h a r a c t e ro ft h ez y b 2 0 0 bh s p ds y s t e mh a s b e e na n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l yi nt h ev i b r a n c yp i l e d r i v i n gp r o c e s s ，t h e r e f o r et h ef r e q u e n c y r a n g ea n dt h eb e s ta v a i l a b l ef r e q u e n c yh a v eb e e no b t a i n e dt h e n ，a c c o r d i n gt oh v s ，t h e 、，i b r a n t 、，a l 、，ei sd e s i g n e do nt h eb a s i so fc o u p l i n ga n a l 3 ，s i sa n ds i m u l a t i o ns t u d yo ft h e v i b r a n tv a l v ea n dt h er e l e a s ev a l v e ，t h es i m u l a t i o nc u r v ea b o u tt h eb u t dp r e s s u r ev a i l + a t i o n i nt h ep i l e d r i v i n go i lp i p ei so b t a i n e d ，b yw h i c ht h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h eh i 曲e s t p r e s s u r ev a l u e ，a v e r a g ep r e s s u r ev a l u ea n dt h ep i l e - d r i v i n gf r e q u e n c ya r eo b t a i n e d a tl a s t ， a c c o r d i n gi ot h ee x p e r i m e n to nt h ew o r k s i t e ，i t sp r o v e dt h a tt h eh v sc a nw o r kv e r yw e l l t h ee x p e r i m e n td a t ap r o v et h a tt h ev a r i a t i o no f t h ef l u i dp r e s s u r ec o n f o r m st ot h et h e o r e t i c a n a l y s i s t h ea c h i e v e m e n t so ft h ed e s i g na n ds t u d ya b o u tt h eh v sh a v ef u r t h e ri m p r o v e dt h e q u a l i t i e so f t h eh s p da n dp r o m o t e di t sd e v e l o p m e n t si nm u l t i f u n c t i o n s k e y w o r d j t h eh y d r a u l i cs t a t i cp i l e - d r i v e rt h eh y d r a u l i cv i b r a n c ys y s t e m t h ev i b r a n tv a l v e v i b r a n c yp i l e d r i v i n g 中南大学硕士学位论文 第l 章综述 第1 章综述 1 1桩基础与桩工方法的现状及发展 1 1 1 桩基础的发展与作用 桩作为建筑物的基础被设置在地基土中，把上部结构的荷载和应力作 用于桩顶传递给地基下部较坚固密实、稳定、可靠的岩土之上，起到承载 的作用，以满足建筑物安全正常的使用和限制变形量在一定的范围之内。 由于桩的材料、长度与设置方法以及桩的工作方式都可以有很大的调节与 变化。因此桩很容易适应建筑物荷载的不同受力条件与要求，具有良好的 工程技术性能以满足建筑物对地基的各种不同需要。 桩基础既是古代高塔、拱桥的常用基础，也是现代建筑、厂房、桥梁、 水利工程等构筑物的种主要基础型式。随着现代建筑业的飞速发展，桩 基础随着人类文明史的发展而不断变化。建筑材料和施工技术的提高，改 变了木桩的单一型式。钢筋混凝土和钢材的利用桩基已从木桩逐渐发展 为钢筋混凝土桩或钢桩。随着现代建筑科学技术的发展和施工机械的不断 更新，目前己形成多种桩型。按桩的材料分：木桩、混凝土桩、钢筋混凝 土灌注桩、钢筋混凝士预制桩、钢管桩等：按横截面分：方桩、圆桩、圆 管桩、t 字形桩等：按桩径分：小直径桩、中直径桩、大直径桩；按成桩 效果分：摩擦桩和端承桩。 人类社会的生活环境从原始森林发展到今天繁华闹市的高楼林立，车 水马龙，建筑基础仍非桩莫属，桩基础的重要性不言而喻，它的作用主要 体现在以下几点； 1 桩基础一般穿过软弱土层或中等压缩性土层，桩端支承在坚硬的( 基岩、 密实的卵砾石层) 或较硬的( 硬塑粘性土、中密砂层等) 持力层上，具 有较大的竖向承载力，来承担上部建筑的竖向荷载和偏心荷载。 2 桩基础具有很大的竖向刚度，在建筑物自重或相邻建筑荷载影响下，不 中南大学硕士学位论文第1 章综 述 致产生过大的不均匀沉降，确保建筑物倾斜不超过有关规范的允许范 围。 3 凭借桩基础巨大的侧向刚度及整体抗倾覆能力，可抵御由于风和地震引 起的水平荷载与力矩荷载的作用，确保建筑物整体抗倾覆的稳定性。 4 当桩身穿过可液化土层支承在稳定密实的土层上，在地震造成浅部土层 液化与震陷的情况下，桩基凭借深部稳固土层、仍具有一定的抗压与抗 拔承载力从而确保建筑物的稳定，不致于产生过大的沉陷与倾斜。 i i 2 国内外桩工方法的发展及研究现状 在人类文明的发展历程中，建筑业的发展水平一直是一个重要的标志， 尤其自二十世纪以来，随着世界经济技术的日益发展，建筑业日益向机械 化、专业化方向发展。随着建筑业的蓬勃发展，对桩基础也提出了更高的 要求，桩基础施工技术发展至今可以说是包罗万象，针对地基要求、环境 及施工技术等条件已经开发并应用了种类繁多的桩基础施工工法及相应的 设备。随着现代建筑科学技术的发展和施工机械的不断更新，目前施工方 法日趋多样化。按施工方法分：锤击打入法、振动沉入法、静力压入法、 水冲沉桩法、钻孔法等。 在我国沿海地区，上海、天津、山东、江苏、浙江、福建、广东等地， 在建筑工程实践中积累了大量的设计、施工经验。特别是最近几年在建筑 物的基础工程中，采用了不少新技术、新工艺、新桩型。在目前建筑工程 中，粱、柱、板、框架、剪力墙等上部结构设计比较成熟、造价比较稳定， 而基础工程、地下围护设施相对具有较大的可变性、起造价相差较大。 在选择桩型时，应根据桩的大小、使用功能、穿越土层、桩端持力层 性质与厚度、地下水情况、旋工设备、施工环境、施工经验、制桩场地、 材料供应现状等因素综合考虑。无论哪种桩型的施工都需要配备相应的机 械设备来完成。都有一整套的旌工技术要求、施工管理、施工技巧、检测 手段，所以对桩型的选择在一定程度上决定了桩工的选择。 2 中南大学硕士学位论文 第1 章综 述 由于木桩一般只适用于地下水位以下地层中工作，在水位变化幅度大 的地区使用易腐蚀、耐久性差，加上木材资源不足，因此在工程实践中很 少采用。钢桩的特点是：材料强度高、可根据受力载荷特征制成各种有利 于发挥桩承载力的工作断面、抗冲击性能好、节头易处理、运输方便、施 工质量稳定等。钢桩虽具有优良的工程技术效果，但因其造价高、费用大 ( 约相当钢筋混凝土预制桩费用的3 倍) ，一般在建筑工程基础中较少使 用，据悉曾在上海宝山钢铁厂、北仑电厂等工程和海洋石油钻井平台基础 中采用”。 目前在建筑工程基础中，预制桩工法和现场灌注桩工法是最有代表性 的两大法。选择工法时应根据地基状况，所需的桩基直径和深度，对环境 的影响及施工成本等因素进行综合考虑。 1 1 3 国内外预制桩工法的发展及现状 按施工设施的不同，预制桩工法又可分为夯锤打桩、振动沉桩和静力 沉桩三种方式。 1 夯锤打桩 最早采用的打击方式是坠锤，此后是蒸汽锤。在2 0 世纪5 0 年代，最 大的蒸汽锤为6 t ，可用来锤击a 5 5 0 m m 的预应力钢筋混凝士管桩 z j l 。2 0 世纪6 0 年代南京长江大桥建设时，使用了6 t 和8 t 的蒸汽锤【1 3 l 。以日本车 辆制造株式会社开发世界上第一台履带式三支点柴油锤打桩机为起点，桩 基础施工从此掀开了新的篇章，展现出无限的机械化前景。人们开始认识 到桩基础施工机械化这一重要的发展方向，柴油捶曾一度占领了桩基础施 工机械的全部市场。随着柴油锤的日臻成熟与推广使用，蒸汽锤已基本被 淘汰。我国西安地区最初的桩基主要采用的就是柴油打桩机入沉桩法如 中国人民银行大楼、西安火车站等。目前国内使用的大型进口柴油锤主要 有德国德马克、日本三菱和神钢的产品。上海工程机械厂自1 9 9 2 年与德国 中南大学硕士学位论文 第1 章综述 德马克公司合作生产d 1 0 型1 0 t 柴油锤，将国产柴油锤的级别与质量提到 了一个新的高度。与进口柴油锤相比，国产柴油锤的质量较差，主要反映 在活塞环材质及热处理工艺和气缸材质方面，因此国产柴油锤的返修率较 高，实际利用率较低。 近几十年来国外柴油锤有了长足的发展。但是由此而产生的振动、噪 声以及挤土效应对相邻建筑物、管道、地下设旄具有不利的影响也随之突 现出来。随着时代的需要，随着科学技术的不断发展，许多新工法应运而 生，人们由从技术性、经济性的考虑向更加重视环保的方向转移。 以打桩机使用非常广泛的日本为例，柴油锤已经被液压锤所淘汰。而 就国内而言，由于柴油锤在施工中噪声大，且油烟污染严重这些局限性， 国内许多地区已明令禁止柴油锤在市区内施工。 液压锤是为了梓决柴油锤在施工中噪声大、油烟污染严重等问题而开 发的一种新型打桩设备。自二十世纪6 0 年代在欧洲首次开发成功以来，液 压锤在发达国家得到迅速普及，随着液压技术的发展与逐步成熟，2 0 世纪 7 0 年代，各国先后开发了液压锤以适应建筑行业的新的需要，目前已成为 建筑施工中一种不可或缺的大型桩工机械，国际上的主要产品有日本日车 的n h 系列和荷兰h b h 系列。 与柴油锤相比，液压锤具有噪声低，无油烟飞散和污染等优点，而且 由于夯锤落下的高度能自由调整，可适用于不同地基硬度、桩种及桩径， 实现一台液压锤能迸行多种施工。我国于2 0 世纪9 0 年代初由上海工程机 械厂以合作生产的方式从日本车辆( 株) 引进7 t 和1 0 t 液压锤生产技术并 投入小批量生产。但由于液压锤与柴油锤相比也存在一些缺点，如打击效 率低，约为柴油锤的二分之一，价格偏高等原因，液压锤在我国的桩基础 施工中还没有得到普及，目前正处于推广阶段。 2 振动沉桩 振动沉桩的原理是利用振动桩锤产生的周期性激振力，使桩周边的土 壤液化，减小了土壤对桩的摩擦阻力达到使桩下沉的目的，主要适用于 各类钢板桩和钢管桩的沉拔作业，也可用于混凝土桩的沉桩作业f 4 6 1 。在武 4 中南大学硕士学位论文第l 章综述 汉大桥建设时期，我国试制了苏制b i i 。型振动桩锤，成为当时激振力最大 的振动桩锤。2 0 世纪6 0 年代，为南京长江大桥0 3 6 m 预应力混凝土管桩 下沉，又研制了大型振动桩锤中2 5 0 型，激振力可达2 5 0 0 k n 。此后许多 年，国内振动桩锤的研制工作基本停步不前，近十多年来，由于石油工程 及桥梁工程的需要，大型振动桩锤的研制有了新的发展。 国外振动桩锤主要向液压振动桩锤的方向发展。自7 0 年代中期美国 m k t 公司首次在世界上研制成功第一台液压式振动桩锤以来，便受到建筑 界的重视并得以迅速发展，发达国家已普遍推广使用液压式振动桩锤。目 前国际上的生产厂家多为大型专业公司，如德国的m g f 、k r u p p 、p v e 、 m f n c k 公司，美国的m k t 、i c e 公司【”，日本的日平公司等。k r u p p 公司生产的高频无级调幅桩锤激振力可达4 0 0 4 0 0 0 k n 。 随着对桩土系统的研究，对振动沉桩的机理分析有了一定的发展。目 前，有以下三种振动沉桩理论 4 1 ： l 、桩的强迫振动频率与土的颗粒的自振频率一致时，土壤颗粒产生共 振。此时，土壤颗粒有最大的振幅，足够的振动速度和加速度，能迅速破 坏桩和土之间的粘结力，是桩身和土壤中压紧状态过渡到瞬时分离状态， 沉桩阻力尤其是侧面阻力迅速减小。桩在自重作用下下沉。土颗粒的自振 频率较低，一般在15 - 2 0 h z 左右，中频振动锤就是根据这一理论设计的。 2 、把桩看一个均质的刚体，土为其弹性支撑，桩与土组成一个单自由 度的振动体系，使振动锤的强迫振动振动频率接近这一体系的自振频率， 桩产生纵向振动，贯入土中，这是高频振动锤的设计依据。 3 、把桩看作一个均质的弹性体，使振动锤的强迫振动频率接近桩身纵 向振动的自振频率。由于桩身共振，最大限度地增大了桩身的弹性变形量， 从而将桩贯入到土层当中，这是超高频振动锤的设计理论。根据这一理论 设计的振动锤，振动频率高达1 0 0 h z ，但少有应用。 根据振动锤能达到的最高频率所在范围，将振动锤的类型划分如下： 低频振动锤：l5 h z ：中频振动锤：15 - 2 5 h z ；高频振动锤：2 5 6 0 h z ； 超高频振动锤：6 0 h z 。现在建筑施工中多使用的是中、低频的振动锤。 中南大学硕士学位论文第1 章综述 3 静力沉桩 用柴油锤和低中频的振动桩锤沉桩会产生相当大的噪声，在城市居民 密集区施工时对环境影响极大，目前世界各国都在环保法中规定了噪声污 染的限度，限制在城市中心地带使用柴油锤与振动桩锤。为此。近年来液 压静力沉桩机悄然兴起。我国在2 0 世纪7 0 年代开始研制静压沉桩机，到 8 0 年代初期，才出现较先进的静压沉桩方法，但压桩机的压力较小，为 9 0 0 k n 和1 2 0 0 k n ，只能解决一些荷重不大的短桩施工，故应用范围不广， 到了9 0 年代初期，由于液压件制造水平的提高，压桩机的吨位逐步提高到 2 0 0 0 k n ，可满足1 5 层以下的高层建筑沉桩深度所需压力。发展至今，由 于压桩机最大吨位己能达到8 0 0 0 k n ，故单桩允许承载力可达4 0 0 0 k n ，可 满足3 5 4 0 层以内的高层建筑所要求的桩基深度和压力。 液压静力沉桩与其他工法相比具有以下特点： ( 1 ) 振动、低噪声、无污染。在市区或有特殊要求地区的桩基础施工，是 较理想的施工机械。 ( 2 ) 压桩机采用液压夹桩机构。夹桩可靠，能保证桩身施工的垂直度，结 ( 3 ) 构先进合理、不易损坏桩身，能确保桩的施工质量。由于采用夹持压 桩，故每节桩段的施工长度可不受限制。 桩机上的仪表可直接反应出当时压桩过程的穿透阻力，故对每根桩压 入后的承载能力比较直观可靠。 桩机重心低，施工安全可靠。 桩机拆装运输方便。一般近距离转移，可在一天内完成由甲工地拆卸 运输至乙工地组装好旌工。 ( 6 ) 施工工作效率高，可缩短基础施工工期。 ( 7 ) 由于采用夹持、静力压桩，无打入桩的冲击对桩产生的应力，因而对 预制桩的含钢量及混凝土强度等级没有采用锤击打桩那样要求高，故 可节约工程造价。 ( 8 ) 压桩机系列有不同吨位，具有对桩基础施工较大范围的适应能力。 液压静力沉桩机自研制成功以来，已在湖北、武汉、西安、广东、浙 6 f 中南大学硕士学位论文 第1 章综述 江及福建沿海地区得到广泛应用。一致认为桩机性能良好、结构紧凑、布 最合理方便拆装运输和保养修理，达到国内较高水平。能满足建筑桩基 础施工要求，尤其是在大中城市和特殊要求地区的桩基础施工中，具有广 阔的应用前景。 1 1 4 国内外现场灌注桩工法的发展及现状 追述其发展历史，灌注桩在18 9 3 年美国首先使用，应用自古相传的掘 并技术，采用人工挖孔后在桩孔内浇注混凝土成桩后来被成为“芝加哥 式挖孔桩”，不久即不胫而走，不仅为美国其他城市而且为港澳地区、日、 英、泰国乃至世界各地所用。随着大功率钻孔机具的发展，到2 0 世纪4 0 年代，钻孔灌注桩首次在美国问世，在第二次世界大战后得到推广，尤其 是7 0 一8 0 年代，钻孔灌注桩在世界范围的使用逐年上升，居高不下，我国 是6 0 年代初先在南京、上海、天津等地桥梁和港口建筑基础应用，7 0 年 代中期陆续在广州、深圳、北京、上海、厦门等地应用，8 0 年代普及于全 国，尤其是沿海深厚软土地区成为传统桩型。 灌注桩发展至今，成桩方式根据各国的地基状况和技术水平的差别又 存在很大的区别，目前在这一领域技术较领先的是日本”】，1 9 6 4 年，日本 从德国引进了钻孔桩的技术，并做了几千根桩的试验，才确认了这一施工 方法的可靠性，从而使反循环施工方法与反循环钻机得到迅速发展。目前 日本最先进的是全套管工法灌注桩，无污染，但成本较高，所以在日本国 内仍是施工成本相对低廉的非套管灌注桩占主导地位。这种工法可以通过 更换工作钻头方便地变换桩径( 桩径可在o 8 3 m 之间) 或实施扩底施工， 并能达到较深的位罨( 最大可达5 0 m ) ，设备简单，施工成本低，但桩孔垂 直精度较差，遇松软或流质地基时易发生塌孔，从而较难确保桩孔的质量。 丽且，由于在施工时为了防止孔壁崩塌。要注入安定液( 膨润土液) 进行 护壁。导致p h 值较高的施工废弃物的产生，从而污染环境，对其处理又 需要花费较高的额外资金，所以有逐渐被其它工法取代的趋势。 中南大学硕士学位论文第l 章综 述 我国大直径灌注桩在6 0 年代初在港工、路桥开始使用以来，在8 0 年 代末到9 0 年代初在城市的高层建筑中得到迅猛发展。钻孔灌注法在地层复 杂，砂夹层大于1 5 m 且下部有软弱下卧层的情况下，单桩允许承载力在 3 0 0 0 k n 1 0 0 0 0 k n 方面发挥了独特的优势。近十多年来，随着我国现代化 建设的迅猛发展，高层建筑、工业厂房拔地而起导致上部结构具有传给 地基的荷载大、趋于集中的特点，该法在国内得到了更迅速的发展，特别 是上海地区的基础施工中得到了广泛应用。山东省某公司研制一种叫做螺 旋钻套管钻机工艺设备，最大成桩直径可达1 2 0 0 m m ，深度2 8 m 。 目前，国内工程界在中小荷载的桩基工程中大量采用沉管灌注桩。这 种施工方法是依靠外力将带有钢筋混凝土预制桩尖的钢管沉入土中挤土 成孔，再将现浇混凝土灌入钢管内，最后强制将钢管拔起成型。这种沉管 过程中的挤土效应，对非饱和较松的砂性土、粉土、粉质粘土将达到沉管 挤密而性质有所改善，使桩的承载力得以提高。该工法在众多的桩型中不 断发展并得到广泛地应用，得益于它的设备工艺简单、造价低、施工周期 短等优点。它的弱点是桩的承载力一般比较低，常用的锤击沉管法产生较 大的振动与噪声，当设计、施工不当时，在饱和土中沉管的挤土效应易造 成桩身缩颈与断桩。 1 1 5 其它工法 1 铜管压入法 这是一种新兴的工法，目前在国内还不多见，其工作原理是在钢管前 端安装翼板( 翼板外径为1 5 2 倍钢管直径) ，在r t 钻机的驱动下，边回 转边下压，由此获得等同钢管直径现场灌注桩1 3 2 倍的承载力。桩位最 深可达7 0 m 或1 3 0 d ( d 为桩径) ，在n 5 0 的硬质地层条件下也能旌工。 与其它工法相比，这种工法具有极大的优越性： ( 1 ) 环保性能好：无振动，无噪声，无排土； ( 2 ) 大承载力：由螺旋叶片产生扩底效应： 8 中南大学硕士学位论文第1 章综述 ( 3 ) 高品质，高可信度：通过测定最终贯入时的扭矩值可以判断桩基底 部承载力； ( 4 ) 高耐震性能：除垂直负载能力外，同时具有较大的抗弯能力； ( 5 ) 高工效：无须排土，混凝土灌注及养护等工序。 2 地基改良法 这种方法能有效利用原有土地，其原理是将水泥浆和施工原地的土砂 通过不同方式加以搅拌混合，形成强度高于原地基5 1 0 倍的加固基础。 随着土地将越来越成为不可再生的重要资源，对软地基或回填土地区的有 效利用将成为世界各国的发展方向。但这种工法施工要求高，设备昂贵， 施工成本高，所以目前普及程度受到一定的限制。 1 2液压静力沉桩机的研究及发展概况 几年来压桩机在实践应用中解决了一些其它桩基础旌工机械无法解决 的问题：解决了在一些市区、学校、医院、文物保护地区以及周围有危房 等对振动、噪声、污染有严格要求地区的桩基础旌工，取得了较好的效果； 静力压桩在施工中利用了在压桩施工时的直观性，解决了由于地质状况复 杂的不可预见性，而为建筑设计提供了桩基施工承载能力的可靠性。 静力沉桩的优越性得到了普遍的认同，但在施工时存在一些必须克服 的问题一一机士效应对周边环境的影响。施工作业时机身不平，桩身倾斜 夹桩破损和桩身折断大吨位桩机过于庞大，高速度和大吨位无法兼顾，智 能测试系统的空白等。 对于如何保证静力压桩的压桩质量和减少对周边环境的影响以及桩机 结构的改进这一系列问题，桩机设计人员们经历了一个探索的过程，直到 2 0 世纪9 0 年代才陆续有论文公诸于世。研究人员们主要从以下几个方面进 行了分析，并提出了有效的方法加以解决。 9 中南大学硕士学位论文 第j 毒综 述 1 机身调平 a ) 江南造船厂的周本祥f 7 】针对压桩中的桩柱歪斜问题，提出了增大桩机接 地面积，减少接地比的方案，在小船支腿油缸上也安装了支撑油缸，压桩 时小船也能着地，使表层土壤对压桩机的承载力降到最低限度，降低桩身 倾斜度，大大改善了压桩条件。 b ) 中南大学液压所的李光博士和李岸就机身调平问题于2 0 0 1 年设计了一 套专门的p l c 自动调平系统引，取得了较好的效果。 2 液压系统 a ) 为了解决油路不同步而引起的歪桩和断桩这一问题，2 0 0 0 年南京的陈晓 阳 9 1 提出了用4 个f l 型分流阀改进油路的方案，提高了油路的同步性。 b ) 1 9 9 6 年，中国水利水电八局武汉机械厂的陈九林u o l 提出了双泵双级双缸 定量系统的液压系统设计方案，解决了大吨位桩机受功率限制压桩速度低 的难题，取得了满意的效果。 c 、中南大学的朱建新1 等于1 9 9 9 年从压桩力、压桩速度和能量利用等方面 对液压系统提出了准恒功率的设计方法，解决了高压桩速度和大压桩力无 法兼顾的难题，显示了高效节能的优势。 d ) 蔡政、谢旭时1 12 1 等对压桩机的动力系统和应用进行了分析，于2 0 0 0 年 建立了液压动力系统的微分方程和导出传递函数，分析了液压动力系统的 动态响应，对保证动力系统具备足够的承载能力，安全可靠，平稳地工作 提供了指导意义。 e ) 南京建筑工程学院的蔡绍据【1 3 l 根据液压冲击回路的工作原理，在原机液 压系统中加进了液压冲击机构，将静力压桩机改为动静结合的沉桩机，在 不加大桩机本身重量的前提下提高了桩机的沉桩能力和施工效率。 f1 中南大学液压所研制的z y b 系列桩机1 4 1 在1 9 9 9 年对压桩油路进行了 改进，主副压桩油缸可以根据压桩阻力的实际工况先后参与压桩，提高了 压桩速度，实现了高效节能。 1 0 中南大学硕士学位论文 第l 章综述 3 行走机构 a ) 中南大学的黄开启、吴万荣等 5 l 对压桩机的行走机构进行了设计与研 究，根据步履行走和预铺轨道原理，设计出了一种预铺轨道提携船式新型 步履行走机构，它保证了在施工过程中桩机能灵活移动和避免沉陷，从而 保证了压桩效率和质量。 b ) 济南交通高等专科学校的王树明【1 6 】等于1 9 9 7 年就桩机行走噪声问题提 出了日本履带行走装曼以降低司机室内内的噪音，极大改善了桩机操作者 耳部的噪音。 4 土力学原理 a ) 郑鹏展【 l 于2 0 0 0 年9 月对液压桩施工的回弹效应进行了研究，提出了 用复压方法来解决这一问题。 b ) 徐惠民等 15 1 对静压预制桩对周边建筑物的影响进行了分析，并提出了 合理安排压桩施工顺序控制压桩速度，减少压桩的挤土量，设置隔离带 等一系列措施来解决这一问题。 5 夹桩机构 a ) 武汉市建筑工程机械厂的彭志明和陆栋i 1 9 l 对液压静力沉桩机的夹桩机 构提出了新的方案根据楔行增力的机械原理设计出了滑块式液压夹桩器， b ) 广西建筑机械总厂的吴向群( 2 0 j 于1 9 9 7 年提出了在z y j 3 2 0 和z y j 2 4 0 桩机上采用双层四缸浮动钳口的结构，采用对角夹桩方式增力效果明显。 c ) 江南造船厂的周本祥2 1j 于1 9 9 7 年设计了一种“斜置油缸滑块式液压夹 桩器”，将夹桩油缸斜置安装，既保留了倍率杠杆夹桩器增力的优点，又克 服了它容易损坏的困难。 d 1 江苏省吴江良工桩机有限责任公司生产的环保y z y 型全液压顶压式静 力压桩机【2 ”，安装有导入装置，彻底解决了顶压桩机不易对桩问题- 提高 了压桩效率。 中南大学硕士学位论文 第l 章综述 6 智能型测量系统的研究 a ) 武汉市建筑机械厂的y z y 系列全液压桩机2 3 l 装有电脑检测仪，可以边 施工边检测。适时完成压入阻力曲线，如实记录桩尖进入持力层的深度， b ) 南京建筑工程学院的郑风琴 2 4 1 于1 9 9 7 年设计了在静压桩机上同步测量 桩机的压桩力和所压的深度以及自动调平的机电一体化测量系统，使静压 桩机具有调平自控化、同步显示压桩力和压桩深度等功能，提高了桩机的 工作效率和自动化管理水平。 7 边桩机构 中南大学液压所研制的z y b 系列桩机【14 1 配备有边桩机构，可以方便 地处理离建筑物很近的边桩，桩机的适应性得到了显著提高。 液压静力沉桩机的发展趋势同所有工程机械的发展方向一样，实现其 机构的最优化、操作的自动化和智能化、功能的多样化是所有研究者的最 终理想。可以预想，随着人们对液压静力沉桩机的使用，人们会对其提出 更高的设计要求。因此，液压静力压桩机的功能也必定日益的丰富和完善。 1 3 1 课题的来源 1 3课题的来源、任务和意义 中南大学液压所成功研究开发出z y b 系列液压静力沉桩机后，以在华 南沿海地区得到了广泛的应用，深受用户好评，一致认为桩机性能良好、 结构紧凑、布置合理，方便拆装运输和保养修理，达到国内领先水平。由 于广泛的应用，在旋工现场发现了许多可以对液压静力沉桩机进行改进的 思想和建议。本课题也来源于实践。 建筑施工中，现在大部分采用的是先探测后施工的方法。即在施工前， 由勘探人员根据建筑的施工要求确定基础桩要被压入的深度，选取某土 1 2 中南大学硕士学位论文 第1 章综述 层作为建筑物的持力层，然后再进行施工。这一过程对端承桩尤为重要。 由于现在多为高层建筑。所以持力层一般选在较深的硬土层。 在实际的施工中，由于地层状况的变化，特别出现砂层的情况，抵抗 压桩力将在这一层面会出现较大的交化和波动，同时桩在沉入过程中， 砂土被拖带下沉，导致压桩力进一步增大而超过沉桩力；此时，液压静力 沉桩机将可能会出现两种状态； 一液压静力沉桩机因土抵抗压桩力的阻力增大系统超过额定压力 导致桩机被抬起，压桩过程停止。此时，就造成了桩基好像以被压入到设 计的深度的假象。毫无疑问这种假象将是十分有害的。因为砂石层很容易 受外部条件的影响而变化，选其作为持力层很危险，工程中一般不提倡将 砂石层作为持力层。 二液压静力压桩机出现较大的振动以增大压桩力同时使砂土在受振 动后发生液化，桩在这种情况下被压入到设计深度。但这种情况压桩力很 不稳定，完全是一种自激状态，频率不稳定，且对桩和静力压桩机的破坏 很大。 第一种情况在建筑施工中是不允许的，解决的办法是提高静压力。在 前面已经提过，静压力主要依靠的是液压静力沉桩机本身的重量。所以， 提高静压力，就只能用更大吨位的液压静力沉桩机，显然在施工现场中无 法采用。而第二种情况能达到施工目的，如果单就振动来说，在现场中还 是易于实现的。只要对液压静力沉桩机进行些技术上的改造就能达到目 的。以下对一些可采用的方法进行描述。 添加打桩锤。如前面所介绍，目前打桩锤是施工设备中最常用的，技 术方面也是最成熟的。但由于施工中的噪音很大而不能满足环保的要求， 也逐渐被淘汰，这也是与液压静力沉桩机的低噪音要求相违背；从工作方 式来看，打桩锤是打击贯入式，连续打击力主要作用在桩的顶部，把桩击 入地基中，其工作方式要求在结构上要有很高的桩架和功率较大的动力设 备来与之配套，这点也不适用于液压静力沉桩机；再就是液压静力沉桩机 由于本身的价格不菲，限制了其销售范围。现又添加一些附加设备，增加 中南大学硕士学位论文第l 章综 述 了额外费用，对购买方来说，在成本费用上是不值的。 添加振动器，该方法是在桩项装上振动器，使预制桩下沉至地基。振 动器内装嚣着成对的偏心块，当偏心块同步反向旋转时，产生竖向振动力， 使桩沉入土中。相对来说，振动器比打桩锤较适用于液压静力沉桩机，因 为振动器的打桩力可直接作用于压桩台，在结构设计上较为合理，但也由 于噪音和因附加设备而导致的高价格，使得其不适用于液压静力沉桩机。 以上两种产生振动的方法还有着因振动而导致拔桩动作，因为拔桩易 使桩发生断裂( 其断裂机理在后面将有说明) ，在预制桩基础施工过程中该 动作被限制，所以虽然都能达到振动的目的，但不宜采用。考虑液压静力 沉桩机是一种全液压的设备，其行走、压桩等动作都是液压控制。因而， 考虑能否在液压系统本身产生振动，这样可解决价格和环保的问题。根据 相关的文献和经验证实，液压系统由于流体压力变化产生的周期振动是可 行的。因此，我们就从桩机本身的特点进行考虑。这就提出了本文的研究 课题一一液压振动压桩的研究。 1 3 2 课题的任务 考虑到液压静力沉桩机的结构和施工现场条件，本课题的研究就必须 完成以下的任务： 一液压振动压桩频率与压桩力幅的确定 一般来说，桩为脆性材料，对振动较为敏感；同样，振动对桩机的影 响也很大。不适当的振动将有可能使桩断裂或使桩机出现破坏。所以，振 动压桩过程中，保证桩和液压静力沉桩机不被破坏的条件下研究振动压桩 力幅值与频率之间的关系，这是本课题研究首要解决的问题。 二液压振动系统的研究 在液压系统中，使流体压力变化按一定频率输出是本课题研究的最终 目的。设计产生振动的油路和相关的液压阀，使其能达到振动沉桩的目的。 对该系统进行仿真研究，分析系统中流体的压力变化；并通过实验来验证 1 4 中南大学硕士学位论文 第l 章综述 其振动效果。 1 3 3 课题的意义 对流体中产生振动的研究起步较早，但以前仅局限于对其机理进行的 研究，最有代表性的就是液压冲击。这是首次将其运用于工程应用的研究。 由于至今为止，对流体的定性分析，特别是非定常流，还不是很成熟。本 论文对流体在系统中的振动分析，具有一定的理论意义。 在静力压桩机上对其进行液压振动压桩研究，可扩大液压静力沉桩机 的适用范围，特别是小吨位的桩机，将可完成原来只有大吨位桩机才能完 成的施工工程。提高液压静力沉桩机的性能，具有很好的经济价值和应用 前景。 中南大学硕士论文 第2 章振动压桩频率与压桩力幅值的研究 第2 章振动压桩频率与压桩力幅值的研究 2 1 静力压桩机的沉桩过程分析 2 i 1 静力沉桩机沉桩过程及力学行为描述i ” 静压桩法沉桩施工时，桩的沉入过程造成了桩周土颗粒的复杂运动， 使桩周土体发生变化。当桩尖“刺入”土体中时，原状土的初应力状态受 到破坏，造成桩尖下土体的压缩变形，土体对桩尖相应产生阻力。随着桩 的沉桩压力的增大，当桩尖处土体所受应力超过其抗剪强度时，土体发生 急剧变形而达到极限破坏，土体产生塑性流动( 粘性土) 或挤密侧移和下 拖( 砂性土) ，桩尖下土体被向下或侧向挤开，在地表处，粘性土体向上隆 起，形成重塑区，砂性土则被拖带下沉。在地表深处，由于上覆土层的压 力，土体主要向桩周水平向挤开，使贴近桩周处土体结构完全破坏。此时， 桩身必然会受到土体的强大法向应力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵 抗，当桩身施加的静压力和桩自重之和大于沉桩时的抵抗阻力时，桩将继 续下沉。否则停止下沉。 桩侧土在沉桩过程的变化可划分为塑性区和弹性区，按土的扰动程度 的不同又可分为如图2 一l 所示的三个区：重塑 区；部分扰动区：非扰动区。重塑区由于受沉 桩过程竖向剪切、径向挤压作用而完全重塑。 由于桩土界面的挤压应力最大，超孔隙水压力 也最大，因而在不断产生相对位移、粘聚力最 小的桩土界面上将形成一“水膜”。该水膜不仅 起到降低沉桩贯入阻力的作用，而且在桩表面 形成排水通道使重塑区土体快速固结，并随静 置和固结时间延长，逐步形成一紧贴于桩表面 一、 、 ，：、 j 、7j ， 一 图2 1 桩周挤土分区 的硬壳。对于摩擦桩来说，该硬壳使其承载表面积相应增大。从本文的描 1 6 中南大学硕士论文 第2 章振动压桩频率与压桩力幅值的研究 述中，由于。水膜”的存在，沉桩时的压力相比于桩的极限承载力要小得 多。 2 1 2 静力沉桩机在沉桩过程中产生振动的研究 现场中，静力沉桩机在压桩过程中有时产生振动。此现象发生前瞬时， 压力急剧的增大，而且伴随着波动。经研究发现。并不是液压系统的原因， 而是由于土层的地况变化结果。从以前大量对土层的触探实验资料表明， 在粘土中的触探曲线比较平缓，而砂土具有很大的起伏。表2 l 为不同的 土层的探头阻力p ：曲线特征。 采取使静力沉桩机( z y b 2 0 0 b ) 产生振动的土层试样，证明是砂样。 将砂样进行抗剪强度测试，发现土样的抗剪强 度很大，甚至比桩机理论施加的剪力大，这就 是压力急剧增大的原因。从理论上来说，沉桩 过程在该土层应该停止。但是事实并非如此， 振动一直维持到桩穿过砂土层到下一土层才 逐步稳定。继续对不同深度的砂土进行采样并 进行抗剪实验，得到砂土层抗剪强度曲线图 ( 如图2 2 所示) 。根据对土力学的研究，该 现象是由振动引起压桩力变化和土的液化共 同作用产生。 2 1 3 土的液化机理研究 ：+ 暖 + 一土样的捅：剪强度 一一静力压韧! 机的额定 沉桩过程中，在较深的砂石层，其强度的破坏与其他土层的强度破坏 在形式上有点不同。砂土中强度的丧失是由于孔隙水压力的增大，导致抗 剪强度降低，这种现象被称为液化。此时的砂土具有粘滞流体的特性，如 果压桩静压力继续作用，其特征和机理在粘性土层中压桩的特征和机一样。 中南大学硕士论文第2 章振动压桩频串与压桩力幅值的研究 表2 - 1 不同土层的p s 曲线特征2 5 土层p 。曲线特征p 。线型 淤泥与淤质粘 p 。值较低，曲线平缓，无突变现象。 性泥 p ；值较高，曲线平缓，有缓慢的波 粘土及粉质粘 形起伏，当土层中有结核存在时， 有个别突变现象。 曲线起伏较大( 象驼背状) ，其波 专 粉士谷呈圆形( 地下水位以下较大) ， 变化率不很大。 曲线起伏较大，类似粉土的变化， 专 砂 变化频率大，波峰及波谷呈尖形。 兰 曲线变化无规律，往往出现突变现 杂填土 象。 基岩曲线起伏大，波峰、波谷呈圆形， x - k 一，所以桩在振动过程中一直处于受压状态中，没有必要对 其进行受拉校核。 联立( 2 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 求解得： 矗等华厣丽 由不等式( 2 ，15 ) 就可以确定盯与f o 的关系和范围。 根据作用力与反作用力的原理，土承受的最大压桩力f 也出现在桩最 大变形时刻，此时压桩力f 为： ，= k 五一+ y m g 中南大学硕士论文第2 章振动压桩频率与压桩力幅值的研究 罐丽丽( d a 2 + 触( 2 1 6 ) 三、参数的确定： 确定k t ： 可将桩视为杆件。对于杆件的剐度，可根据文献1 3 l 】中的公式确定； 七1 = 争 ( 2 1 7 ) 式中e ：为混凝土的杨氏模量，可根据文献【3 0 】确定； l ：为有效桩长，其值是压入端到被夹部位的长度，可根据现场地 质状况确定，一般砂石层到地表间的距离。 确定k 2 ： 由于桩基接触的是密砂层，相对来说，该层厚度不大，所以把该土层 看作线弹性来处理。施工状态为垂直振动，则动载荷产生的块体底面应力 为均布压力p 。可根据文献 3 0 定义土的各系数： 弹性均匀压缩系数c 。： e 2 商特 式中e ：为土介质的弹性模量； v ：土的泊松比。 得弹簧常数： k 2 = e 彳 ( 2 1 8 ) 阻尼c 的确定； 在压桩着以动态过程中，由于水膜存在，摩擦力非常小；但在砂土层 中。存在着巨大的摩擦阻力，且随着接触深度的增大而增大，因此，本文 仅考虑此段的摩擦阻力。桩土之间的