（机械设计及理论专业论文）振动桩锤沉桩阻力及振动在地基中衰减机理的研究.pdf

摘要 目前，沉桩设备主要有三种：冲击锤、振动桩锤和静力压桩机。 液压振动桩锤作为建设工程施工机械，凭借其沉桩效率高、对桩损害 小、调速方便、体积小、霞璧轻等优点，在国外，尤其足现代化城市、 港口、码头的建设中发挥着越来越重要的作用，也正受到施工单位的 青睐和一霞视。液压振动桩锤是一种以油压力为驱动力产生偏心激振、 强迫桩振动，使砂土液化以实现轻松沉桩的新型环保型桩工机械。 国内液压振动桩锤设计理论很落后，还没有自己成熟的产品；国外液 压振动桩锤问世已有二十多年历史，产品相对成熟，但对沉桩理论尤 其对沉桩阻力及沉桩过程振动在地基中衰减机理的研究还远远不够。 论文首先在研究振动沉桩过程地质特性的基础上，从沉桩时土层 的极限动应力状态和剪切动强度理论出发，研究了沉桩过程中桩端和 桩侧土阻力，并建立了振动桩锤动力学模型，并对模型进行了分析与 研究。接着论文以a n s y s 软件为平台，建立了振动桩锤沉桩过程中桩 土有限元计算模型，通过大量的仿真计算得到了振动桩锤沉桩过程振 动衰减规律。最后通过模型实验验证了仿真结果与实验结果的一致 性。 论文旨在通过对振动桩锤沉桩过程沉桩阻力和振动衰减机理研 究，为液压振动桩锤的研究与开发方面提供一定的理论基础。 关键词液压振动桩锤，沉桩阻力，振动衰减，有限元仿真 -，rr p。 一fkr a b s t r a c t ” c u r r e n t l y , t h e r ea r et h r e em a i nc a t e g o r i e so fp i l e - d r i v i n ge q u i p m e n t ： i m p a c th a m m e r s ，v i b r a t o r yp i l ed r i v e r s ，a n dh y d r o s t a t i cp i l e d r i v e r s h y d r a u l i cv i b r a t o r yp i l ed r i v e ra sc o n s t r u c t i o n a le n g i n e e r i n ge q u i p m e n t h a st a k e ng r e a tm o r ei m p o r t a n c ei na b r o a dm o d e mc i t y , p o r t , w h a r f c o n s t r u c t i o nw i t | la d v a n t a g e so fh i g hd r i v i n ge f f i c i e n c y , l e s sd a m a g et o t h ep i l e ，c o n v e 。n i e n c ef o rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n , l e s sv o l u m e ，l i g h tw e i g h t , a n dt h e r e f o r eb e e nt h ec o n t r a c t o r s p r e f e r r e dm e t h o do f p i l ed r i v i n g t h e d o m e s t i ct h e o r yo f h y d r a u l i cv i b r a t o r yp i l ed r i v e rf a l l sb e h i n da n dt h e r e a r en om a t u r ep r o d u c t so fo u ro w n i no v e 拉；e a s - t h eh y d r a u l i cv i b r a t o r y h a m m e rh a v ec o m eo u tf o rm o r et h a n2 0y e a r s , t h e i rp r o d u c ta r em u c h m o r em a t u r e , b u tt h e i rr e a s e a r c h e sf o rt h et h et h e o r yo fp i l e d r y i n g e s p e c i a l l y f o rt h er e s i s t a n c eo fp i l e d r i v i n ga n dt h em e c h a n i s mo f v i b r a t i o nd a m p i n ga r en o te n o u g h a tr a m , i nt h ef o u n d a t i o no f r e s e a r c h i n g t h e g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f g r o u ds o i l ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h er e s i s t a n c ea tt h ep i l e t i pa n d t h ep i l es i d eg o m gf r o mt h eu t m o s td y n a m i cs t r e s ss t a t eo f t h es o i l a n dt h et h e o r yo fd y n a m i ci n t e n s i t y , b u i l d su pt h em e c h a n i c sm o d e lo f t h ev i b r a t o r yp i l i n gm a c h i n e - s o i ls y s t e m , a n a l y s e sa n ds t u d i e so nt h i s s y s t e ms e r i o u s l y t h e nb a s e do nt h es o f t w a r ea n s y s ，t h ep a p e rb u i l du p t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm o d e lo fp i l e - s o i ld u r i n gp i l e - d r i v i n g t h r o u g hm a k i n gag r e a td e a lo fs i m u l a t i o na n da n a l y z i n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h ep a p e rc o n c l u d e st h er u l eo ft h ev i b r a t i o nd a m p i n g a tl a s t , f i e l de x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u tt od e m o n s t r a t et h ea n s y sm o d e l s r e s u l t s ，t h er e s u l t ss h o wt h ec o n s i s t e n c yo ft h er e s u l to fs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t t h ee s s e n t i a lp o i mo ft h ep a p e ri ss t u d y i n gt h er e s i s t a n c ea n dt h e m e c h a n i s mo ft h ev i b r a t i o nd a m p i n gt ol a yas o l i df o u n d a t i o nf o rt h e s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f h y d r a u l i c v i b r a t o r yp i l em a c h i n e 2 3：【。l埔， k e yw o r d sh y d r a u l i cv i b r a t o r yp i l ed r i v e r , r e s i s t a n c eo fp i l e - d r i v i n g , v i b r a t i o nd a m p i n g , f i n i t ee l m e n ts i m u l a t i o n l 颈+ 学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 振动桩锤足随着振动机械的发展而发展起来的，两位日本科技工作者曾进 行了振动机械的模窄试验，他们在一载荷板上安装了激振器，载衙板在一定激 振频率激振力的作用下在土壤中下沉，发现了振动作用下土壤的。液化”现象， 即通过振动可在相当程度上减小土颗粒问的摩擦。1 9 3 4 粘俄国的巴尔喀教授首 先将这一原理应用到建筑工程中，他将一个激振器安装在管桩或扳桩上使其振 动，结果只用静拔桩力的l 1 0 l 5 就能将桩拔出，依据这一原理研制出了振 动桩锤。振动沉桩是通过偏心回转激振器产生纵向振动，利用桩一土振动降低 桩上摩擦力和桩端阻力来将桩轻松沉入地基中i l l 。振动桩锤凭借其沉桩效率高、 对桩损害小、调速方便、体积小，莺鸯轻、造价低等优点，自问世以来，一直 受到旌工单位的欢迎。电动振动桩锤闯世已经近四卜年，而液压振动桩锤的产 品应用不到三十年口l ，与电动振动桩锤相比，液压振动桩锤穿透力更强、效率更 高、适用地质范围更广。因此，在发达国家，电动振动桩锤已大部分被液压振 动桩锤所取代。国内液压振动桩锤设计理论很落后，还没有自己成熟的产品； 国外液压振动桩锤产品相对成熟，但对沉桩理论尤其对沉桩阻力及沉桩过程振 动在地基上中衰减机理的研究还远远不够。本课题正是在这种背景下提出来的。 1 2 振动桩锤的特点、技术性能 1 2 1 振动桩锤激振器工作原理 振动沉桩是采用偏心块式电动或液压振动锤进行的沉桩施工方法，该类桩 锤通过电力或液压驱动，两组偏心块作同速相向旋转，其横向偏心力相1 i 抵消， 而睦向离心力则叠加，使桩产生怪向的上下振动，造成桩及桩周上体处于强迫 振动状态，从而使桩周土体强度显著降低、桩端处土挤开，桩侧摩阻力和桩端 阻力大大减小，于是桩在桩锤与桩体自重及桩锤激振力作用f ，克服惯性阻力 而逐渐沉入土中。其工作原理图如图卜l 所示 硕十学位论文 第一章绪论 if l i 黟 念峦凇凼b 凼b 水：允 _逻n ；伊翟 惑 i l t 图卜l 振动桩锤激振器工作原理图 1 2 2 振动桩锤的构造与分类 振动桩锤差要由原动机、激振器、央持器和减振器组成。 ( 1 ) 原动机振动桩锤原动机主要由电动机或液压马达组成。电动振动桩 锤一般是由电机通过皮带轮驱动振动轴，机械性能较低，除电机要求抗宸外， 其它各零部件部是常规的，造价低，既可沉桩，也可拔桩，具有很高的工效， 沉桩时的横向位移和变形均较小，不易损坏桩体，在软弱地基中沉桩迅速。液 压式振动桩锤的原动力采用液压马达驱动。液压马达驱动能无级调节振动频率， 还有启动力矩小、外形尺寸小、质垦轻等优点。目前我国的振动桩锤绝大部分 采用电力驱动方式，而且需要较大功率，液压式振动桩锤在我国使用较少，但 在国外应用非常广泛。液压式振动桩锤可分为马达驱动式和活塞式两种，以液 压马达驱动式为主。 ( 2 ) 减振器振动桩锤一般采用悬吊式减振器，它由几组组合弹簧与起吊 扁担构成。当振动桩锤作为拔桩机使用时，吊机的吊钩钩住扁担，振动锤启动 后，吊钩向e 提升，开始拔桩作业，组合弹簧的作用可使激振器传到吊钩上的 力大大减小。 ( 3 ) 激振器激振器一股采用机械式振动器，是由两根装有偏心块的轴组 成。这两根轴上装有相同的偏心块，两根轴相向转动。两根轴上的偏心块所产 生的离心力，在水平方向上的分力互相抵消，而其垂直方向上的分力则迭加起 来。 ( 4 ) 夹持器夹持器为振动桩锤与桩刚性联接的夹具。它可以无滑动地将 力传给桩。夹持器有液压式、气动式和直接式。目前最常用的是液压式。 2 围t - 2 日本v m f - 4 0 0 0 e 振动桩锤 1 一扁担粱2 一电动机卜残振装置4 啭动装王 5 振动箱体p 夹桩器 振动桩锤按工作原理可分为振动式和振动冲击式两类；按动力装置与振动 ( a ) 刚性振动锤； 1 一电动机 田1 - 3 振动锤的型式 ( b ) 秉性振动锤； 1 一电动机 6 ( c ) 振动冲击锤 1 一电动机 硕+ 学位论文 2 一传动机构 3 一激振器 和失桩器 2 啭动带 3 设振器 4 一夹桩器 5 底架 2 啭动机构 3 激振器 4 - 夹桩器 5 一弹簧 6 一砧头 7 一桩帽 第一章绪论 器连接方式可分为刚性振锤与柔性振锤炳种。电动机与振动器刚性连接的，称 为刚性振动锤：电动机弓振动器之间装有螺旋弹簧则称为柔性振动锤。图卜3 表示了三种类型的振动锤。 按原动机振动桩锤呵以分为电动式、气动式与液压动力式三种。按振动偏 表1 - 1 振动桩锤分类、原理扣使用范围 种类原理适用范围 当振动锤的频率和士体自振频率可用f 大直径钢筋混凝土 低频振动锤一致时，土体共振，振幅一般为7 管桩的沉入，但对i 临近建筑 2 5 r a m 。 物产生一定的振动影响。 在枯性t 中沉桩，常会显得 该类振动锤通过提高频率来增大能量不足，一般用于松散和 中频振动锤激振力和振动加速度，振幅较小，中密的砂、石层、松散的冲 一般为3 8 咖。击层。大都与预钻孔法和中 掘工法并用。 把桩土看作是单自由度的振动体 冲击能鬣较大，沉桩速度很 系，使振动锤的强迫振动频率接近 快，在硬士层中沉入大直径 高频振动锤桩效果好，对凰围上体的剧 这一体系的自振频率。桩产生纵向 振动，贯入土中 烈振动影响一般在o 3 m m 以内，可在城区使用。 振幅很小，为其他振动锤的 把桩看作是一个均质弹性体，使振 ，但振动频率极 动锤的强迫振动频率接近桩身纵 高，从而对周围土体的振动 超高频振动锤 向振动的自振频率，由于桩身共 影响范围极小，常用于对噪 振，将桩贯入土中。 声和振动限制较严的桩基 础施工中。 4 强制位移量即为振幅。当振幅小于土壤的弹性压缩量时，则在沉桩时，使i j 端 地基发生剪切破坏与塑性变形的力不足，而仅足提高了土体的内能，要使桩贯 入是不可能的；拔桩时，仅仅产生桩侧土体的弹性剪切变形是不可能克服桩与 土体间的摩擦阻力。所以振幅是选择振动桩锤的主要指标，必要的最小振幅4 由 振动桩锤的静偏心矩与振动体的匡量( 力) 决定： a ：上 ( 1 1 )a 2 q a + q e ( 卜1 ) 式中， f 为偏心力矩，绋为机重，q p 为桩重，在公路与铁路桥施工规范中规 定： 42 7 r a m ( 对轻土地基) 以1 1 c m ( 对其它地基) 日本规范中推荐厶( 栅) 取下面两式的平均值 a o = o 8 + l + 3 r a m ( 卜2 ) 二= 西n + 3 m m 0 - 3 ) 式中，为土壤贯入锤击数。实际振幅应取 a = 岱4 0 口= 1 2 5 1 5 ( 1 4 ) 2 激振频率口 激振器的激振频率与振动系统的固有频率密切相关，当激振器激振频率接 近振动系统固有频率时，振动沉桩达到最大效果而振动系统的固有频率不仅 硕t 学位论文第一章绪论 与振动桩锤的参数有关，而且弓土壤参数有关，不同底层土壤的自振频率有很 大差别。表卜2 是根据经验得到的不同地层激振器最佳频率范围。目前，国内 生产的振动桩锤多采用电动机驱动，其转速多选择在8 0 0 1 5 0 0 r m i n ，从振动 锤和地层条件两方面考虑，激振频率m 在8 0 1 6 0 s 。之间，实验表明提高激振 频率不仅可以减小土壤对桩的侧面摩擦阻力，而且比提高振幅更能有效地提高 桩的运动加速度，从而提高沉桩的速度。但足激振频率过高，会引起功率增加 过多，因此，在确定激振频率时还应综合考虑。 表1 - 2 激振额率参考表 地层类型 最佳频牢国s - 1 含饱和水的砂石t1 0 0 2 0 0 翅性粘土及含砂粘七 9 0 l o o 翟实粘上7 0 7 5 含砾石的粘t 6 0 7 0 含砂的砾石士5 0 6 0 3 偏心力矩 激振器偏心力矩的大小对振动桩锤的性能有至关重要的影响，偏心力矩愈 大，克服硬质土层的能力愈强，当已知振幅和参振蓬量q ( 机藿色和桩重q p ) 之 后，根据振幅计算公式可以求出偏心力矩 m e = q a ( 卜5 ) 由式( 卜4 ) ，振动桩锤的偏心力矩的选择也必须大于某一定的数值，即 m e 纰 ( 1 咱) 4 激振力p 激振力p 是反映振动桩锤综合能力的参数，桩在土中沉入时，激振器的激 振力p 必须大于土壤在振动状态下的动摩阻力。 p e = 胪 ( 卜7 ) 式中，f 为土壤的动摩阻力，可用下式进行计算： ， f = u o 啊 ( 1 8 ) 0 式中，砜为桩的外周长，为对应j 土壤的桩长( m ) ，f l 为j 段土壤的动摩阻力 6 硕士学付论文 第一章绪论 ( k n m 2 ) ，可以按表1 3 选值，为土体的振动影响系数，对低频振动的钢筋砼桩 及管桩，取= 0 6 一o 8 ，其余取= l 。 表1 3 土壤的动摩阻力f 柱桩f 值板桩f 值 土质类别 木桩、钢管钢筋混凝土 钢筋混凝土 管柱管内挖轻型板桩重型板桩 桩桩 土 饱和砂土、 软粘性土 67 5 1 21 4 同上，但育 砾石粘t 与砾石层 81 071 72 0 相间 塑硬性枯 土 1 51 8 1 0 2 02 5 1 3 振动桩锤理论研究现状及振动桩锤发展趋势 f 3 1 振动理论 目i i i f 国内外在选择振动桩锤参数时所依据的理论主要有两个，即共振理论 和振动冲击理论。 1 共振理论 在共振理论中又有强迫振动与地基t 共振，强迫振动与地基上、桩系统共 振和强迫振动与桩体共振等几支分支 ( 1 ) 将振动锤和桩视为独立的系统当桩的强迫振动频率和土壤颗粒的自振频 率一致时，土壤颗粒产生共振。此时，土壤颗粒有最大的振幅，足够振动 速度和加速度，能迅速破坏桩与土壤之间的秸结力，使桩身与土壤从压紧 状态过渡到瞬时分离状态。沉桩阻力，尤其足侧面阻力迅速减少，桩在自 重下下沉。由于土壤颗粒的自振频率较低，一般在1 5 2 0 1 1 z 左右( 9 0 0 1 2 0 0 转分) ，中频振动锤就是根据这个理论设计的。日本依据这一理论将振动 锤的杯准振动频率规定为1 1 0 0 转分 ( 2 ) 把桩看作均质刚体，土壤为其弹性支承，桩与土壤共同组成一个单自由度 的振动体系使振动锤的强迫振动频率接近这一体系的自振频率，桩产生 最大纵向振动，贯入土中。这是高频振动锤的设计原理。 7 硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 把桩看成一个均质弹性体，使振动锤强迫振动频率接近桩的纵向振动自振 频率。由于桩的共振最大限度的增加了弹性变形量，从而贯入上中。由于 桩的自振频率很商，桩的运动速度比土壤的反弹要快，使土壤分子不能实 现弹性变形，颗粒问的结合遭到破坏，使之产生。液化”。同时，由于桩的 弹性变形，横截面直径也会随纵向拉伸压缩面缩小和增大，从而破坏桩与 土壤的接触。这是超高频振动锤的设计理论依据。 以上各种理论的共同点在于都足利用振动破坏土壤粘结力，进而使土壤产 生“液化”现象，降低桩的侧面摩擦阻力。桩在土中沉入时除遇到侧面阻 力外，还遇到端部阻力，所以对密实的粘土以及土壤中的硬质上层，实现 沉桩首先必须克服端部阻力。 2 振动冲击理论 这种理论认为，土壤的性质是多样的，其中土壤颗粒的自振频率也各不相 同。因此，振动锤的强迫振动频率不易与土壤颗粒的自振频率接近，甚至相差 很远。桩f 沉不单是靠自重破坏桩前端土层，丽足由于桩在振动时有很大的振 动速度。虽然，这一振动速度足变化的，但若桩尖以最大速度向下恰好冲击在 土层t ，这时能产生很大的冲击力，破上下沉。正是在这种理论指导f ，设计 了振动冲击联合作用的振动锤。 由以上分析可以看出，共振理论强调振动频率对沉桩的影响，而振动冲击 理论则突出了冲击对沉桩的影响。从沉桩的过程来看，沉桩必须克服桩侧摩擦 力和桩端阻力。桩在土中振动时，桩侧七受到的动力为桩与土之间竖直方向的 往复摩擦力，桩侧上在这种摩擦力的作用下产生振动，桩与上之间的摩擦力大 小决定了桩侧土振幅的高低而对桩侧二t 作用f 的周期性压力而没有向上的拉 力，因此，桩在振动时对桩端的作用力为周册性的冲击力。因此看来，振动 沉桩的本质是通过振动减小桩侧摩擦阻力，而通过冲击克服桩端阻力，来达到 沉桩的目的。从沉桩的效果来看，振动桩锤在软土中施工效率很高，但在硬质 土层条件下沉桩就比较困难，甚至不能沉入说明振动桩锤在可振动液化的土 层中旌工时，克服桩端阻力成为沉桩的关键。 1 3 2 国内外振动沉桩理论研究现状 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，该机种因具有贯入力强、噪葺低、沉桩质量好、振动污染小、使用方 便、可水下作业等有点，而受到建筑界的霞视并得以迅速发展，发达国家已普 s 硕士学位论文第一章绪论 遍推广使用液压式振动桩锤 4 1 目前，国外液压振动桩锤的使用已经非常普遍， 生产此设备的多位大型专业公司，如德国的k r u p p 、p v e 、d e l m a g 、m c f 、 m e c k 公司，美国的m k t 、i c e 公司荷兰的h e r a 、w e d e r h o r s t 公司，意大利 的s o l l m e c 公1 6 1 ，日本的日平公司、日本车辆制造公司、气动工业公司等1 7 i 。 在振动沉桩理论技术和产品发展成熟的国家，不但产品比较成熟，而且已 经形成了一套比较成熟，完善的理论体系振动沉桩理论是多学科综合，需要 将桩基工程、机械设计理论、振动力学、波动力学、土力学和土动力学柔合到 一起的复杂系统降卜f 1 2 1 ，这样的理论才能更好应用于工程实践。美国、德国、瑞 典和日本在这方面的工作做的较好。美国在这方面做了大量理论和实践研究工 作，经过h o l e y m a n 、s m a r t 、v i k i n g 、r a u s c h e 和l i n l 【i 心”l 等几代号家的相继努 力，在以非线性振动和波动力学为基础的振动沉桩研究取得了显著的成果，在 大量实验研究的基础上，他们对频率、振幅、弹性桩、土振动系统、沉桩效率 等都进行了深入的理论研究，其理论紧密结合工程实践，致力解决桩锤的沉桩 能力、作业效率方面的问题。 。 随着社会对环境保护意识的增强，人们为减小振动沉拔桩机的振动对周围 环境的影响，进行了大量的研究。日本京都大学教授、工学博士昌昭次郎等， 在土木工程学会发行的供1 - 程技术人员使用的振动手册一书中这样认为，对 地基的振动，其频率越高，振幅就愈小且硬度减弱得也愈快。应用振动打桩机 可以把强制振动提l 茼到现在的几倍以上，如再用能够引发桩的自身产生纵向振 动那样高的共振点沉入，那就可以显著减少地基振动，减轻由于振动引起的对 周围建筑物的危害，真正实现环保作业【1 4 1 。只是这样的振动打桩机，由于造价 昂贵而难以应用f 实际。 我国在武汉长江大桥建设时期，试制了苏制觚型振动桩锤，开始利用电动 振动桩锤进行桩基础施工目前国内使用的多为上海工程机械厂、兰州通用机 械厂、浙江瑞安振中工程机械厂i 坫l 、四川建筑科学研究所1 1 6 1 研究和生产的电动 振动桩锤。国内，液压振动锤研究才刚刚起步液压振动桩锤研究设计开发的 单位町为风毛棱角，北京建机所( d z j 系列) 和中铁机械院( s v 系列) 研究开发中、 低频液压振动锤，中铁机械院的高频锤( h f v 系列) 正处于试制阶段。 由于长期以来振动锤主要依靠仿制迸口产品和引进技术，到目前为止，国 内对沉桩机理的研究，尤其在将振动沉桩设备和桩基旌工工艺之间有机结合的 研究，一直缺乏系统完善的理论体系。见者发表的论文，也主要针对各种假设 的，线性振动模型的理论研究。不少理论缺乏客观性，往往在关键的地方便设 硕七学位论文第一章绪论 定一个无法获取数据的未知系数，只能定性描述，无法真正解决生产实际问题。 例如在描述桩端阻力时，常常要引入“动阻力系数”，即振动对阻力、加速度的 降低系数【1 7 1 t i 在沉桩能力方面，对沉桩过程地基土的动阻力，文献多采用极 限动阻力，一般仅针对沙土和粘质沙土两种1 1 9 1 - 1 2 “，显然，上述文献中的经验公 式一方面不能描述地基t 分层、层序深度的复杂多变性，另一方面，经过区域 性的经验辨识得到的公式和数据具有很窄的地域局限性。而地基上千变万化， 是无法由某些同定的模式和数据所描述的。目前，国内沉桩振动对周围环境的 影响的论文多限于强夯振动1 2 2 h 2 , 1 1 ，关于振动沉桩振动在地基土中衰减规律的论 文可谓少之有少。 总之，国内在振动沉桩方面的研究，缺乏系统性，与国外相比理论意义不 深，主要来自现场的经验公式和数据，因而具有很大的局限性。 1 3 3 振动桩锤的发展趋势 与国内生产的振动桩锤相比，国外发达国家振动桩锤有以f 几个方面的特 点，也代表了当今振动桩锤发展的方向。 ( 1 ) 液压驱动高频振动锤的日益普及 由于电机驱动的振动锤存在着激振频率调整不便以及电机使用寿命短，体 积大等缺点，限制了电动振动锤的发展，同时随着人们环保意识的增强及城市 对噪音、振动的限制，使振动桩锤向高频化发展。目前国外振动桩锤广泛使用 的激振频率在4 0 h z 左右。 ( 2 ) 遥控调频、调幅技术的使用 由于地质条件复杂多交，为了提高施工效率，要求振动锤能够方便地调整 激振频率和振幅，以适应不同的地质条件，达到最佳施工效率。国外液压振动 锤大多可以通过遥控对振动频率进行无级调节，有的还可以对振幅进行遥控调 节。 ( 3 ) 电子监控及记录装置的应用 该装置可显示沉拔桩时的油压、频率、振幅、实际沉桩深度等数据，以便 根据实际情况选择合理的振动参数。 ( 4 ) 智能化作业 利用c a n 总线反馈控制系统，即时显示沉拔桩时的油压、频率、振幅、实 际沉桩深度等数据，并根据土壤实际情况自动调整其性能参数，以达到更高效 的使用。 硕十学伊论文 1 4 课题来源、研究意义及研究内容 第一章绪论 1 4 1 课题来源 本课题来源于湖南省科技计划项目一混凝土预制桩施上强动玑桩机埋研 究。 1 4 2 研究意义 振动桩锤自问世以来，一直受到旄工部门的欢迎。国内液压振动桩锤设计 理论很落后，也没有自己成熟的产品；国外液压振动桩锤问世已有二十多年历 史，但对沉桩理论、尤其是对沉桩过程中沉桩阻力及对外境振动影响的研究迩 远远不够。众所周知，使用振动桩锤进行沉拔桩时，由于强烈的振动传递给周 围地基，会引起地基振动公害以及噪声污染。随着经济的发展和人民生活水平 的提高，肘环保的要求越来越严格，振动桩锤的振动污染艰制7 它的使用范孱， 特别是在城市中心和人口密集地区许多国家已被禁止使用，因此如何降低环境 振动公害是振动桩锤研究的重要方向，本文正是基于此进行的研究，有很大的 实际意义。 1 4 3 研究内容 。 本课题针对振动桩镡沉桩过程中的沉桩阻力和振动在地基土中衰减机理进 行了研究，主要内容包括以下几个方面： 一，从沉桩时土层极限动应力状态和剪切强度理论出发，研究桩端和桩侧土阻 力； 二、建立并分析振动桩锤动力学模型； 三、以a n s y s 软件为平台建立振动桩锤沉桩过程中桩一土有限元模型； 四、对a n s y s 软件建立的桩一土有限元模型进行仿真研究，研究振动桩锤沉桩 过程振动在地基上中衰减的规律。 五、对振动桩锤进行类似实验室相似实验研究，验证计算机仿真分析模型及结 果的正确性和可行性。 硕十学位论文第：章振动桩锤七力学及动力学研究 第二章振动桩锤土力学及动力学研究 2 1 振动沉桩系统土力学研究 在逐渐增大的动荷强度作用下，土的变形、强度或孔压总要经过轻微变化、 加速变化，再到急剧变化这三个阶段。依据各阶段的动应力特性及土体动变形 发展情况，将此三阶段分别称为振动压密阶段、振动剪切阶段和振动破坏阶段。 ( 1 ) 振动压密阶段：当振动荷载的作用较小( 力幅值小或持续时间短) 时，土体的 结构没有或只有轻微的破坏，孔隙水压的七升、变形的增大和强度的降低几 方面都相对较小，土的变形主要表现为由t 颗粒垂直位移引起的振动压密变 形。 ( 2 ) 振动剪切阶段：当动荷载的作用超过临界动力强度后，则会出现孔压与变形 的明显增大和强度的明显降低，剪切变形在土的总变形中所占的比例也增加 较快。 ( 3 ) 振动破坏阶段：在动符载的作用达到极限动力强度后，土中孔隙压力急骤上 升，变形迅速增大和七体强度突然减小，最终 ：体完全丧失其稳定性。 2 1 1 土的抗剪强度 土的强度足上的重要力学性质之一1 2 卯。土的强度问题，实质七就是抗剪强 度问题。土的抗剪强度，是指士体在外力作用下所能抵抗剪切破坏的极限剪应 力f ， 2 6 1 。当地基受到载荷作用后，土中各点产生法向应力和剪应力。若某点的 剪应力达到该点抗剪强度，土即沿着剪应力作用方向产生相对滑动( 剪损) ，从 而使桩体轻易地穿越该土层，进入更深地土层。 1 7 7 6 年，库仑在研究上的抗剪强度时，对砂土和粘性土曾做过一系列的剪 切实验，试验表明在法向应力不大的范围内，法向应力盯和抗剪强度r ，的关系 曲线是一条直线。对f 砂上，f ，仃的关系曲线是通过坐标原点的一条直线， 如图2 1 ( a ) 所示；对j 二粘性土，f ，仃的关系曲线足纵轴七有一截距c 的直线， 如图2 - i ( b ) 所示 1 2 式中f ，的抗剪强度，k p a ； 仃作用在剪切面上的法向应力，k p a ： 1 土的内摩擦角，( o ) ； c 土的粘聚力，k p a 。 由上面分析可以知道，上的抗剪强度f ，是随着剪切面上的法向应力盯的增 大而增大的。土的抗剪强度由土的内摩擦力( 盯t g 妒) 和粘聚力( c ) 两部分组成。 土的内摩擦力是指上体之间现对滑动时，剪切面上土颗粒和士颗粒之间的摩擦 力以及颗粒间相互嵌入所产生的咬合力。土颗粒越粗、越密实，其值越丈，摩 擦力也就越丈；反之，一值越小，其摩擦力也就越小。粘聚力是指颗粒之鲥的胶 结作用、结合水膜以及分子引力作用所产生的连结力。土的颗粒愈细小，塑性 愈丈，愈紧密，其粘聚力也就越大。由于粘性士具有一定的粘聚力，所以r ，盯 关系曲线在纵坐标上有一定的截距；而砂土无粘聚性，所以粘聚力c = o ，其f ， 盯关系曲线通过坐标原点。在剪切面上法向应力盯不变的情况下，一、c 值越大， 则f ，愈大；一、c 值越小，f ，愈小所以，在工程中将一和c 作为士的抗剪强度 指标。 影响t 壤抗剪强度的因素有： ( 1 ) 颗粒大小与颗粒级配：土粒之间的内摩擦力越大，则土的抗剪强度越高。土 颗粒丈、颗粒形状不规则和颗粒级配良好的上，由于内摩擦力较大，则土的 抗剪强度久较高。在枯性上中，当粘粒含量较多时，表现出土的粘聚力较大 ( 2 ) 土的密度：土体的密度越大，说明土力闻结合得比较紧密当土体受剪，土 硕+ 学位论丈第二章振动桩锤士：力学及动力学研究 力之间相互位移时，需要克服较大得土力闯得摩擦力和咬合力，则土得抗剪 强度就较高。粘性土得密度丈，则表现出得粘聚力也较大。 ( 3 ) 土中含水率：土中得含水率对抗剪强度得影响非常显著。水在土粒间起到润 滑作用，可减小士力间得摩擦力。因此，当含水量较高时，土得抗剪强度就 降低。 ( 4 ) 上的结构：牯性土在自然界长期形成的过程中被一些天然胶结物胶结，其天 然结构具有较强的连结力。当上的天然结构被扰动或破坏后，连结作用削弱， 其抗剪强度会明显降低。 ( 5 ) 有效应力：当土体受到外荷载后，随着孔隙水的捧出，孔隙水压力逐渐消散， 土中的有效应力逐渐增大，土体受到压缩，土的密度逐步增大，土的抗剪强 度也将提高。土的抗剪强度随着七中有效应力的增大面增大。 在外力作用f ，当七中一点在某一方向平面上引起的剪应力f 等于该点所具 有的抗剪强度f ，时，即f = f ，则该点就达到了极限平衡状态；若r f ，该点就沿该平面剪破，处于破坏状态。 2 1 。2 地基土的破坏模式 地基土的破坏通常足由于抗剪强度不足弓l 起的剪切破坏。由于外部载荷的 施加，在地基t 内部荷载影响的范围内，土中应力增加，若某点沿某方向剪应 力达到的抗剪强度，该点即处于极限平衡状态，若应力再增加，该点就发生 破坏。随着外部荷载的不断增大，土体内部存在多个破坏点，若这些点连成整 体，就形成了破坏面。地基土剪切破坏的模式分为整体剪切破坏、局部剪切破 坏和冲剪破坏三种。如图2 - 2 所示。 由由去 “) 鏊体剪切破坏 触 图2 _ 2 地基土的破坏形式 ( b ) 局部剪切破坏 1 4 ( c ) ( c ) 冲剪破坏 图2 - 3 压力一沉降关系曲线 ( 二) 整体剪切破坏的特征 ( 1 ) p - s 曲线有明显的直线段、曲线段与陡降段； ( 2 ) 破坏从基础边缘牙始，滑动面贯通到地表： ( 3 ) 基础两侧或一侧的上体有明显的隆起； ( 4 ) 破坏时，基础急剧下沉或向一边倾倒。 二、局部剪切破坏 局部剪切破坏是介于整体剪切破坏与冲剪破坏之间的一种破坏模式。其破 坏过程与整体剪切破坏有类似之处，但p - s 曲线无明显的三阶段，当荷载p 不 是很大时，p _ s 曲线就不是直线，如图2 3 曲线2 所示，因此，局部剪切破坏的 特征足： ( 1 ) p - s 曲线从一开始就呈非线性关系； ( 2 ) 地基破坏也是从基础边缘开始，但滑动面未延伸到地表，而是终止在地基 土内部某一位置； 硕十学伊论文 第一章振动桩锤十力学及动力学研究 ( 3 ) 基础两侧的土体育微微隆起，不如整体剪切破坏时明显； ( 4 ) 基础一般不会发生倒塌或倾斜破坏。 三、冲剪破坏 冲剪破坏一般发生于基础刚度很大，同时，地基上十分软弱的情况。在荷 载的作用下，基础发生破坏时的形态往往是沿基础边缘的唾直剪切破坏，好像 基础“切入”土中。p _ s 曲线类似于局部剪切破坏，如图2 - 3 曲线3 。其特征为： ( 1 ) 基础发生垂直剪切破坏，地基内部不形成连续的滑动面： ( 2 ) 基础两侧的土体不但没有隆起现象，还往往随基础的。切入。微微下沉； ( 3 ) 基础破坏时只伴随过大的沉降，没有倾斜的发生。 z1 3 振动桩锤沉桩阻力分析 由于振动沉桩的士力学机制复杂，振动桩锤的设计一般采用经验公式，根 据桩重，确定振动桩锤机重，在选定振动频率与振幅后，计算出激振器的偏心 力矩与激振力。这种经验性的设计方式，由f 忽略了振动沉桩土层的实际应力 状态，计算难于达到精确。本文从土层鲍极限应力状态和剪切强度理论出发， 建立了沉桩桩尖顶端土层达到极限破坏剪切应力的力学模型，并导出沉桩桩体 周边摩擦阻力的解析表达式，分析振动沉桩的土力学特性，为设计振动锤提供 力学依据。 1 桩端七动阻力应力状态力学模型唧1 2 9 1 假设桩基上层是一个半无限上体，通过桩心取单位长度宽的条形剖面，如 图2 - 4 所示。将桩基上层的极限平衡区分为三个区域一i 、i l ，i 。当桩贯 入土层时，桩尖顶端侧面a c 具有很大的摩擦力。因此，假设a c 面不发生剪切 位移，面是在正压力 ，。作用下发生弹性压密，并随桩体一起达到被动破坏， 故称i 区为弹性压密区，区为过渡区。它的一组滑动面是通过a 、b 点的辐射 线，另一组是对数螺旋曲线d f 、e g ，其方程为，= r o e 州。区是朗金被动状态 区。当桩贯入土层，在桩端锥面正压力。作用下土层推向i 区，使m 区的上体 达到极限平衡状态。此时怪向应力正为最小主应力蠡，而水平应力以为最大主 应力点，即被动上压力昂。设上体内摩擦角为一，则滑动面a f 、b g 与水平面成 ( 三一善胤 硕+ 学伊论文 第二章振动桩锤t ：力学及动力学研究 圈2 4 桩基土体极限平衡区分析 在滑动土体中取隔离体a d f j ，如图2 5 所示。设桩端锥角为2 口。锥体侧 边长为l ，则由图2 4 、图2 5 - t 知下列几何关系。 ，o = 动= 一 u u 5 r = r o e 稚= j p 州 c u 5 j 户：上。t ； 删 万= 万c o s 矿= 磊三e ： 脚c o s 弓一争c o s 口 z 可= 万s i n 妒= 去e 名喇献三一争c o s 口 耳z q = t h p 图2 - 5 隔离体受力分析图 1 7 硕七学付论文 第一：章振动桩锤t 力学及动力学研究 设桩入土深度至a b 截面为h ，则作用于a j 面的土压力q 为： g=(2-3) 式中，土的容苣 由于f j 截面处于朗会被动状态区，根据极限平衡理论，作用p f j 面的法向 土压力p ，是最大主压力，则土体f j 截面达到极限剪切破坏时必须满足： 4 = 埘( 三+ 争亿一f g ( ；+ 争 同样町以表示成 p ，；织2 呼一争+ 咏( ；一争“ ) 式中振动状态下土的内摩擦角： 白振动状态下土的粘聚力，当砂土时c d = o 作用在d f 面上的作用力有：土的粘聚力勺( 均匀分白在d f 面上) ，法向力 及摩擦力增( 在d f 面上各点不同) 。只与p t g 的合力为e ，只与只之问的 夹角为妒，根据对数螺旋曲线的特征可知，的作用线必将通过中心点a 。 设作用在a d 面上的法向上压力为斥，并忽略隔离体的重力作用，则根据隔 离体 c f j 的平衡条件，以a 点为矩心，按膨。= o 的条件可求解t 体剪切破坏 时a d 面f ：极限载荷只值。已知只对 点的力矩为零，其余各作用力对a 点的 力矩分别为： 2 主只，2 二c o s 2 吖辱= 互1p 妒磊b 口谢s i n 2 ( ；一争 = 三以；血2 弓一c t 9 2 ( ；一争上c o s 2 + 白，2e 耐s i i l 2 呼一争啦( - ”了- - 。i ) 蕊i 峨= j q le 一 唧2 ( ；一争熹 i g ) 丝= n c o s x r 西 o 旦堕苎箜型生 芝= ；兰壅垄墼嬖主查翌墨垫查兰! 壅 ：餮驯啬 ：蕾x r2 一产击枷 = 瑚= f 2 三冬乒一枷 d 扣州壶p 岍_ 1 由a 点力矩的平衡条件可知： m ：m 一m 一m 4 一m 。= o 将上述各项力矩代入上式，经整理得到： 阳p ”卜2 r 扣2 呼一争耐t 詈铷 + 中扣劬 扣秘+ 砷扣一， 2 q x n l + c t x nc(2-6) h = e 唔。哪卜2 c 三一争噌2 c 手一争+ m s 2 ( ；一争1 m = 殛”如2 t ；一；协烈 一争+ 嗽4 e i 删一一1 将啊、也定义为承载力系数，它们都足土内摩擦角的萌数。令桩体半径为 r ，则桩端锥侧边长上= 圭由此可求得作用于彻面上的台力f 为： s m 晓 f = 国x 以+ x c ) j c o s l = ( q x 以+ 勺x 犯) 志 ( 2 忉 取压富区士体 c d 为脱离律考虑其静平衡条件。作用庄土体 c d 作用力如 圜2 书簖呆 颈十学位论丈第- 章振动桩锤力学及动力学研究 w 图2 - 6 压密区受力分析图 从图2 6 可以看出： ( 1 ) 土体a c d 的重力w 。 ( 2 ) 作用在土体滑动面a d 上的反力g 。g 是a d 面上的摩擦力耳与法向反力f 的 合力。它与 d 面的法线问的夹角等于土的内摩擦角。由于压密区土体 c d 相对f 精动面a d 右边的上体是上下移动，故摩擦力l 的方向向上， ( 3 ) 桩尖顶端锥面对t 体a c d 的作用力q 。它足 c 向上的摩擦力n 与桩体f 沉 的冲击力巴作用在a c 面上的法向力以的合力，与法向力以的夹角等于桩 端锥面与士层日j 的摩擦角j 。由f 土体阻止桩体向f 移动，故a c 面上产生 的摩擦力l 方向向上。 考虑压密体区土体a c d 的静力平衡条件，可以绘出- 、c 和q 的力三角形， 如图2 6 所示由正弦定理可得： ：堡 =望 s i n ( 9 0 ”+ 口一占)s i 9 0 0 一一) q ：丁g x s i n ( o o 。- ) ；g j ! ! 生 。s i n ( 9 0 0 + 6 f 一占) 。“c o s ( a 一回 又g ：上 c o s 除 l 2 w + f 一2 硕士学付论文 第一二章振动桩锤t - 力学及动力学研究 故有q = 南x _ 竺e o s ( a 生- , ，) = 高 c o s c o s i 口一d ， 则以= 忐= j c o s ( a 1 - - j ) 去 式中f 为水平压应力尸f 作用于a d 面上的合力将( 2 7 ) 式代入( 2 8 ) ，= ( q x n q + c 。x m ) x 丽磊r 盂x 而1 x 丽1 ( 2 - 8 ) 可得： ( 2 曲) 由上可知，以为沉桩桩端对上的冲击力巴作用于桩端锥体侧面单位长度宽 的法向力，如图2 7 所示 够 图2 7 桩端锥体受力分析图 从图2 - 7 可以看出作用于桩端锥体单位长度宽的竖向力p 为； 日：墨 因此，作用于桩端锥体周面单位面积的竖向应力为： 昂= 孚= 圭 誓 则沉桩桩端对上的冲击力巴为： ， p q = p nx s n 式中昂为桩端锥体周面面积。 = 劂= 斌2 击 硕十学付论文第：章振动桩锤t = 力学及动力学研究 匕= 目x 艘2 击= 以积击( 2 - 1 0 ) 将式( 2 - 9 ) 代入上式，由此可以得到为克服桩端阻力，使桩尖顶端t 层达到 极限剪切破坏，使桩贯