（机械设计及理论专业论文）液压振动桩锤沉桩能力及高频调矩液压控制系统研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：燃日期：旦年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：越导师签名燮日期：迎年且月立日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 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 土振动，使地基土液化以实现轻松沉桩的新型环保桩工机械。目前， 工程机械界对液压振动沉桩技术的研究主要集中在桩锤设备研制和 试用上，对振动沉桩机理的研究，尤其在振动桩锤沉桩能力和地基土 液化特性分析，一直缺乏系统完善的理论体系。针对以上问题，本文 主要做了以下工作： ( 1 ) 在工程调研以及查阅大量文献的基础上，对振动沉桩系统 地基土的动力特性和液化条件进行分析总结，从土层的极限动应力状 态和动剪切强度理论出发，根据极限平衡条件( m o h r c o u l o m b 强度 准则) ，建立振动锤沉桩能力力学计算模型，确定振动桩锤沉桩阻力， 提出了近共振频率计算的新方法。 ( 2 ) 运用有限差分程序f l a c 3 d 的流固耦合动力时程分析模块， 采用m o h r - c o u l o m b 模型和f i n n 液化本构关系，建立桩土相互作用分 析模型，预测振动锤的沉桩能力，并对不同沉桩参数对沉桩能力和地 基土液化特性进行了对比研究。 ( 3 ) 在前文振动频率和偏心矩对沉桩能力和液化特性影响的研 究基础上，根据振动沉桩系统的要求，设计了调频调矩液压控制系统， 针对额定激振力为1 6 0 0 k n 的中低频振动桩锤的液压系统的元件选型 计算，对电液比例调频调矩控制系统进行数学建模研究。 最后针对近共振频率计算的新方法进行了现场试验研究，验证了 理论的正确性。 本研究对预测振动桩锤的沉桩能力、确定液压振动桩锤沉桩阻 力、选择合理的沉桩参数提高沉桩效率，具有重大的实用价值，为液 压振动桩锤在桩基工程更好地推广应用提供有益的参考依据。 关键词：液压振动锤，沉桩阻力，沉桩能力，液化特性， 中南大学硕士学位论文 a bs t r a c t h y d r a u l i cv i b r a t o r y p i l e h a m m e r i san e w t y p e o f e n v i r o n m e n t a l f r i e n d l yp i l em a c h i n ew h i c hd e p e n d so no i lp r e s s u r et o g e n e r a t ee c c e n t r i cv i b r a t i o na n df o r c e st h es o i lt ov i b r a t es ot h a tt h es o i l c a nb el i q u e f i e dt or e a l i z e e a s yp i l es i n k i n g a tp r e s e n t , h y d r a u l i c v i b r a t o r yp i l ed r i v i n gt e c h n i q u ei sf o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n ta n d t e s t i n go ft h ep i l eh a m m e ro ne q u i p m e n ti nt h em e c h a n i c a le n g i n e e r i n g f i e l da l lo v e rc h i n a t h em e c h a n i s mo fv i b r a t o r yp i l e ，e s p e c i a l l yi nt h e a n a l y s i so fv i b r o d r i v e a b i l i t ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff o u n d a t i o ns o i l l i q u e f a c t i o nh a sb e e nl a c k i n gas y s t e m a t i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c h t os o l v e t h ep r o b l e ma b o v e ，t h i sp a p e rh a sd o n et h ef o l l o w i n gw o r k ： ( 1 ) b a s e do nt h ee n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o na n dc o n s u l t i n ge x t e n s i v e l i t e r a t u r e ，aa n a l y s i sa n ds u m m a r ya b o u td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l a n dl i q u e f a c t i o nm e c h a n i s mh a sb e e nm a d ei nt h ea r t i c l e i ti sb a s e do n t h et h e o r yo fu l t i m a t es t r e s ss t a t ea n ds h e a r i n gs t r e n g t ho f s o i l a c c o r d i n g t ol i m i te q u i l i b r i u mc o n d i t i o n ( m o h r - c o u l o m bc r i t e r i ao fs h e a rs t r e n g t h ) ， i td e r i v e sa n a l y t i c a le q u a t i o no f v i b r o d r i v e a b i l i t ym e c h a n i c s i nt h i sw a y , i tc a nc a l c u l a t et h ep i l e s i n k i n gr e s i s t a n c e w h a t sm o r e ，i tp r o p o s e da n e wm e t h o dt oc a l c u l a t et h en e a r - r e s o n a n c ef r e q u e n c y ( 2 ) 1 1 1 ep i l e - s o i li n t e r a c t i o no fl i q u e f a c t i o np r o b l e mi sa n a l y z e db y f i n i t ee l e m e n td i f f e r e n c es o f t w a r ef l a c 3 d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n m o d e lf o rg r o u n ds o i ll i q u e f a c t i o ni se s t a b l i s h e db y u s i n gm o h r - c o u l o m b m o d e la n df i n nc o n s t i t u t i v em o d e lf o rs m i l el i q u e f a c t i o n ：i ta n a l y z e s t h ee f f e c t so fd i f f e r e n t p a r a m e t e r s o n l i q u e f a c t i o np r o p e r t i e s a n d v i b r o - d r i v e a b i l i t y ( 3 ) b a s e do nt h ep r e v i o u sp a p e ro nt h er e s e a r c ho ft h ev i b r a t i o n f r e q u e n c ya n de c c e n t r i c i t yi n f l u e n c i n gl i q u e f a c t i o np r o p e r t i e sa n d v i b r o - d r i v e a b i l i t yo fv i b r a t o r yp i l ed r i v i n g ，t h el o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e mi sr e s e a r c h e d i td e s i g n sh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo ff r e q u e n c y a n de c c e n t r i c m o m e n t e x c i t i n gf o r c e o f16 0 0 k nf o r t h en o m i n a l l o w f r e q u e n c y v i b r a t i o ni nt h eh y d r a u l i c p i l eh a m m e rs y s t e m ，t y p e s e l e c t i o nc a l c u l a t i o ni sd i s c u s s e di nt h ep a p e r a n di ts i m u l a t e st h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lf l o wv a l v e i i 中南大学硕士学位论文 a tl a s t ，b yt e s t i n gr e s e a r c ho nt h es p o t ，i tv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so f t h en e wm e t h o dt oc a l c u l a t et h en e a r - r e s o n a n c ef r e q u e n c y 1 1 1 i s 咖d yc a np r e d i c tt h ev i b r o - d r i v e a b i l i t yo fh y d r a u l i cv i b r a t o r y p i l eh a m m e ra n dc a l c u l a t et h ep i l e s i n k i n gr e s i s t a n c e 帆a t sm o r e ， a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，w ec a ns e l e c tr e a s o n a b l e p i l ep a r a m e t e r st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp i l es i n k i n g i ti so fg r e a t p r a c t i c a lv a l u ea n dp r o v i d e su s e f u l r e f e r e n c eo ft h ea p p l i c a t i o no f h y d r a u l i cv i b r a t o r yp i l eh a m m e ri np i l ef o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：h y d r a u l i cv i b r a t o r y p i l eh a m m e r , p i l e s i n k i n g r e s i s t a n c e ，v i b r o d r i v e a b i l i t y ，l i q u e f a c t i o np r o p e r t i e s i i i 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及来源l 1 2 振动桩锤研究现状2 1 2 1 振动沉桩机理研究现状2 1 2 2 液压驱动控制的振动桩锤设计技术理论现状5 1 3 研究意义及研究内容一7 1 3 1 研究意义和目的7 1 3 2 本文研究的主要内容与研究思路7 第二章振动桩锤基于液化特性的沉桩能力力学建模分析一l o 2 1 振动沉桩过程土的液化条件及其影响因素研究1 0 2 1 1 振动沉桩地基土液化条件研究1o 2 1 2 振动沉桩地基土液化的影响因素1 2 2 2 振动沉桩过程土的动力参数液化特性理论1 4 2 3 振动桩锤沉桩能力力学建模分析1 7 2 3 1 沉桩阻力建模一1 7 2 3 2 振动沉桩过程桩对地基土的作用力建模2 3 2 3 4 基于沉桩能力临界条件的近共振频率建模及分析2 5 2 4 本章小结2 7 第三章振动桩锤基于液化特性的沉桩能力数值分析2 9 3 1 有限差分法动力分析基本理论2 9 3 1 1 有限差分法动力分析的基本原理3 0 3 1 2 接触面的基本理论3 3 3 1 3 一般求解流程3 4 3 2 振动沉桩过程建模分析3 5 3 2 1 参振土材料模型3 5 3 2 2 孔隙水压力积累模型3 7 3 2 3 沉桩过程流固耦合模型3 9 3 2 4 模型参数一4 1 i v 中南大学硕士学位论文目录 3 2 5 振动载荷4 2 3 2 6 模型动态分析4 3 3 3 沉桩参数对沉桩能力和液化特性影响的仿真结果分析4 4 3 3 1 改变振动频率的仿真结果分析4 4 3 3 2 改变静载荷的仿真结果分析4 6 3 3 3 改变弹性模量e 的仿真结果分析4 7 3 3 4 改变偏心矩的仿真结果分析4 8 3 4 本章小结4 9 第四章调频调矩电液比例控制方案分析。5 l 4 1 调频调矩电液比例控制方案设计5 1 4 2 系统主要元件选型计算5 3 4 3 电液比例调速系统建模5 6 4 4 调频调矩控制系统仿真研究61 4 5 本章小结一6 3 第五章试验研究一6 4 5 1 试验目的一6 4 5 2 试验方案及试验条件6 4 5 2 1 试验方案6 4 5 2 2 试验系统6 4 5 3 试验数据分析一6 5 5 3 1 近共振频率理论数据6 5 5 3 2 试验数据。6 6 5 3 3 试验分析6 6 5 4 试验结论6 8 第六章全文总结与展望一6 9 6 1 全文总结6 9 6 2 展望6 9 参考文献7 l 附录一7 6 附录二7 8 致谢7 9 攻读硕士期间主要研究成果8 0 v 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及来源 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，带动了桥梁、港口、高速铁路和城市住宅项目的 建设。桩基础因其承载能力高、较好的抗震性能、易于实现机械化施工、耗用材 料较少、工期短等优点，广泛应用于目前基础工程建设中。 桩基础主要有以下几种施工方法卜1 ： ( 1 ) 钻孔灌注桩。典型的桩工设备为旋挖钻机，因其设备昂贵，施工费用 较高，其施工范围受到一定限制； ( 2 ) 静压法沉桩。当桩所受静载荷大于桩的沉桩阻力时，桩受到自重和静 力作用，逐步沉入地基土中。静压法沉桩普遍采用将桩架自重和配重，以卷扬或 者液压油泵的方式施加到桩顶或桩身上，典型的设备为静力液压桩机。静力液压 桩机存在需要较多的配重、设备笨重、不易转移施工场地等问题，仅适用于较均 质的软土地基，在砂土及其它坚硬土层中，由于压桩阻力太大而不易采用，限制 其广泛应用； ( 3 ) 打入法沉桩。将预制桩用击打或振动法沉入地基至设计标高。锤击法 沉桩由于其施工效率低、噪音和振动大，存在污染公害等缺点，这种类型设备的 应用范围受到很大限制。振动法沉桩施工组织简单，施工时占用场地很小，施工 效率高。加之建筑用地紧张，一些工厂、房屋或其他设施不得不建造在海边、沙 滩等较软弱的地基上，采用振动法施工比用其它方式更方便，更易实现一。因 此，振动桩锤在桩工机械中具有广阔的发展前景。 采用振动法进行沉桩施工，通常在桩身配置以电、气、水等装置，或者利用 液压驱动振动桩锤中的偏心块逆向旋转，其横向偏心力为零，而垂直方向离心力 相互叠加。桩在激振力的作用下产生垂直的上下振动，强迫桩及桩周土体振动， 从而使桩端阻力和桩周摩擦阻力减小，桩与地基土体间的粘结力和弹性力遭到破 坏，在桩自重和振动载荷的作用下，桩逐渐下沉。电动振动桩锤存在设备结构复 杂，维修困难，耗能高、激振力和激振频率难以调节等缺点，并且当激振频率接 近地基土固有频率时，造成振动公害，严重影响周围居民的生活，其使用受到一 定的限制”。 为了从根本上克服以上桩工设备的缺点，充分利用振动沉桩的优势，目前国 内外一般使用液压振动桩锤。在振动原理上，液压振动桩锤和电动桩锤一样，其 区别在于动力，液压振动桩锤采用液压泵输出压力油，驱动液压马达及其输出轴， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 带动偏心块旋转产生振动载荷。液压振动桩锤可以实现激振频率无级调节，能够 适应不同的施工条件。 研究资料表明p ，工程机械界一直将液压振动桩锤研究的重点停留在设备的 参数和结构上面，设计出了各种类型的振动沉桩机型，而对沉桩机理却鲜有研究。 特别是振动桩锤沉桩能力预测研究更是远远不够。本课题正是在这种背景下提出 来的。 本论文来源于长沙市科技计划重点项目“无同步齿轮的液压振动桩锥沉桩装 备关键技术产业化”( k 1 1 0 6 1 9 7 1 1 ) 1 2 振动桩锤研究现状 1 2 1 振动沉桩机理研究现状 一、关于振动沉桩的几种理论 目前，工程机械界主要根据以下两个理论进行振动桩锤参数的选择：共振理 论和振动冲击理论。 根据对振动系统的不同假设，共振理论又可分为以下三个分支v 1 ： ( 1 ) 将振动桩锤设备和桩作为独立的系统考虑。当桩所受到的激振频率与 地基固有频率相同时，土壤颗粒发生共振。在这种情况下，土壤颗粒具有较大的 速度和加速度，桩与地基土间的粘结力遭到破坏，使桩土间由压密状态迅速变成 分离状态。桩侧阻力减小，桩在自重和激振力的作用下逐渐沉入土中。地基土颗 粒的固有频率一般在1 0 2 0h z 左右。因此，根据这一理论可设计成中频振动桩 锤。 ( 2 ) 把桩视为均质刚体，土壤作为弹性支承考虑，桩土构成了一个单自由 度的振动系统。当振动桩锤的激振频率接近这个振动系统的固有频率时，桩的纵 向振动达到最大，从而顺利贯入地基土中。高频振动桩锤就是根据这一理论设计 而成的。 ( 3 ) 桩视为均质弹性体，振动桩锤的激振频率接近桩的纵向固有频率。桩 在共振频率下振动，纵向弹性变形量达到最大。由于桩体的固有频率很高，桩的 运动速度快于土壤的反弹，而土壤颗粒在极短的时间内未能产生弹性变形，破坏 了颗粒间的粘聚力，使地基土产生“液化”。而且由于桩存在弹性变形，横截面 直径会随着振动而发生变化，从而降低桩土间的阻力。在这种理论指导下，设计 了超高频振动桩锤。 以上三种共振理论都是利用振动使土壤的粘结力遭到破坏，地基土产生“液 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 化”现象，从而使桩侧摩擦阻力降低。除了存在桩侧摩擦阻力外，桩在下沉过程 中，还将遇到端部阻力。因此，在施工遇到密实的粘土以及土壤中的硬质土层时， 桩下沉必须首先克服桩端阻力。 对于硬质土层而言，除了借助桩与振动桩锤的自重，桩的下沉还需借助桩上 下振动时桩端对土层的冲击力，使地基土遭到塑性破坏，这就是振动冲击理论。 由以上可以获知，共振理论突出了激振频率对沉桩的作用，而振动冲击理论 则强调了桩端冲击对沉桩的影响。在沉桩的过程中，桩主要受到桩侧摩擦阻力和 桩端阻力的作用。而通过振动可以降低桩侧摩擦阻力，桩端上下振动冲击可以克 服桩端阻力，从而实现桩的下沉，这就是振动沉桩的本质。从沉桩的效果来看， 相对冲击桩锤，振动桩锤在软土中的沉桩效率很高，而在硬土层的施工效率要差 很多。 二、地基土液化机理研究现状 一直以来，学术界对动荷载作用下地基土力学特性的研究颇有兴趣。在激振 载荷作用下，土壤承受往复剪切，并产生超静孔隙水压力。而孔隙水压力的积累， 降低了饱和砂( 粉) 土的承载能力，最终使土体颗粒可能发生剪切破坏一。 ( 一) 国外液化机理研究状况 上个世纪四十年代，美国的c a s a g r a n d e 提出用临界孔隙比法判别饱和砂土 的液化；1 9 4 8 年，t a y l o r 对该判别方法提出了异议，使研究人员开始探索其他研 究判别方法。在地基土的液化研究方面，s e e d ，f i n n 9 1 0 1 ，i s h m l 0 1 1 1 等作了重要 的工作。从6 0 年代初开始，他们做了大量的实验研究，s e e d “、f i n n 卜卅等还总 结了欧美国家从6 0 年代初至8 0 年代初对振动荷载作用下饱和砂土液化的研究成 果。在总结大量试验的基础上，s e e d u ”叫等在1 9 7 5 年提出了经验法，该方法简 明实用，在工程中得到广泛的应用，在液化研究中具有里程碑的意义。 地基土液化研究主要的方法有总应力分析方法和有效应力分析方法。国外地 基土液化研究的发展状况可根据这两类研究方法作如下简要的概述。 ( 1 ) 总应力分析方法 总应力法是一种近似的非线性分析方法，该方法在土的室内试验的基础上， 绘制等效阻尼比和割线剪切模量随应变幅值非线性变化曲线，采用多次迭代的计 算方法获取一个与某种应变水平相对应的等效线性体系。以s e e d 法为代表的土 体动力分析总应力法，认为当地震时砂土的平均动剪应力强度小于一定的动剪应 力强度时，砂土便出现液化现象，但该方法是一维总应立法。m i c h e a l 和p e t e r 对 s a nf e m a n d o 大坝，采用总应力法模拟了1 9 7 1 年s a nf e r n a n d o 地震作用下斜坡 液化后期的位移。随后s e e d 等人假设循环荷载作用下与其静荷载的有效内摩擦 角相同，并且土单元的水平面为液化屈服面，针对平面应变问题，提出了二维总 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 应力法。1 9 8 1 年，m e j i a 和s e e d 将总应力法应用到三维空间，采用频域的方法 进行分析计算，有效的解决了土的动力非线性问题。目前研究人员广泛使用的是 总应力合成法，此方法将经验法和总应力法相结合，已在北美工程实际中得到推 出 不o ( 2 ) 有效应力分析方法 有效应力分析法采用等价粘弹性体本构模型，在分析时刻节点增加了残余变 形或残余孔隙水压力的分析。1 9 6 6 年，s e e d 和l e e 叫采用振动三轴仪，试验模 拟了地震波水平循环剪切作用下砂土地震液化，并对其结果进行了定量分析，研 究中采用孔压值作为判断砂土是否发生液化的标准，并提出“初始液化 的概念， 在工程实际中得到广泛应用。1 9 7 6 年，f i n n 等人根据孔隙水压力的积累与动力 反应分析的联系，提出有效应力分析法。上世纪7 0 年代，s e e d 、m a r t i n 和 l y s m e r 卜u 在总结大量振动三轴试验成果的基础上，针对土体为等向固结的条件， 研究出了一种孔隙水压力增长与振动循环次数相关的孔压模式。y o n d 于1 9 7 0 年 提出了孔压的能量模式，该模式把孔隙水压力的发展与振动过程能量的消散联系 起来。n e m a t - n a s s e r 和s h o k o o h 于1 9 7 9 年从能量角度进行研究，提出了振动载 荷作用下均匀松砂的振密与孔隙水压力积累的机理及其相关理论，应用该方法， 可以解决复杂荷载作用下的动力问题。e r t e n 和m a h e r 应用含细粒的o t t a w a 砂常 规三轴动力试验结果，对n e m a t - n a s s e r 和s h o k o o h 提出的孔压增长理论模型进 行了验证，并研究了土体中细粒的百分比对孔隙水压力发展的影响。1 9 8 5 年， m a n i l l 等研究人员提出了孔压的应变模式，该模式与动力分析中的应变幅直接 联系起来，已成为当前孔压研究的一个重要方向。但该方法只适用于在静载荷作 用下处于压缩状态、动载荷作用下处于剪切或纯剪状态的地基土。1 9 9 1 年，f i n n 根据内时理论，把土当作非线性弹塑性材料考虑，提出了在循环荷载作用下饱和 砂土孔压增长的计算模型，该计算模型将孔隙水压力与某一单调增长的内时参数 联系起来。 ( 二) 国内振动液化机理研究现状 我国学者黄文熙，汪闻韶等对振动液化做了开创性的研究工作。汪闻韶根据 室内试验数据，考虑了孔隙水压力扩散、消散等问题，提出了一种孔隙水压力的 积累模式。黄文熙的研究则认为砂坡和砂基中的应力条件不适合用圆筒振动液化 来试验。针对以上问题，1 9 5 9 年，他提出用动三轴仪来进行实验，并在国内外 得到广泛应用。 在砂土振动孔隙水压力的产生和消散的问题上，谢定义、魏汝龙、沈珠江等 做了大量的理论研究和工程应用的计算。谢定义一叫认为循环载荷作用下的孔隙 水压力由应力孔压、结构孔压和传递孔压这三种基本形式组成，且任意时刻的孔 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 压为三者之和，据此提出了孔压的瞬态模式。该研究成果解释了孔隙水压力瞬态 变化的规律性和整个过程平均单向增长性的原因。魏汝龙掣1 利用振动单剪仪， 研究了有关饱和粉砂中孔隙压力和残余剪应变等变化规律的经验关系。沈珠江” 将孔隙水压力与土坝和地基的变形和固结紧密联系起来，提出了一种适用于土坝 和地基动力分析的非线性二维有效应力分析方法。张克绪p 叫对饱和砂土的液化 应力条件进行了研究，提出了判别平面应变状态下土单元的液化势的表达式。 1 9 8 7 年何广讷等f 1 提出了在振动载荷作用下砂土的体积变化和孔隙水压力积累 的新型本构关系。徐志英等h 开发了可计算孔隙水压力的增长、扩散、消散、 液化的发生和发展过程的非线性三维有效应力分析方法。崔杰掣1 用根据剪切波 速的砂土液化判别法，提出了一种液化和液化危害等级的判别法。汪闻韶1 认 为，饱和土产生液化的机理主要有砂沸、流滑和循环活动性三种。 振动沉桩的本质是通过振动降低桩侧摩擦阻力，桩端上下振动冲击克服桩端 阻力，从而实现桩的下沉。与地震载荷相比，振动桩锤激振载荷作用时间更长， 激振力加速度更大。上述文献的研究重点集中在地震载荷作用下，地基土液化的 产生条件、预报方法及防护措施，防止和减轻液化灾害的产生，而对振动桩锤循 环载荷作用下，沉桩参数对振动桩锤沉桩能力预测和振动循环载荷作用下地基土 的液化特性间的关系却研究甚少。 1 2 2 液压驱动控制的振动桩锤设计技术理论现状 目前，国外液压振动沉桩机生产厂家大多为专业的桩工设备公司，技术力量 雄厚，典型的公司如：美国的m k t 、i c e 公司，意大利的s o i l m e c 公司，德 国的m g f 、k r u p p 、p v e 、m e n c k 、a b i 及t u n k e r s 公司，荷兰的h e r a 公司，法国的p t c 公司等。这些公司生产的产品种类较为齐全，如美国i c e 公 司的液压振动桩锤主要有3 2 8 b 、4 2 8 b 、6 2 5 b 、5 r f b 、6 2 5 、1 2 2 3 、1 4 2 3 c 、4 2 3 八种高频固定偏心系列，7 r f - 6 2 r f 七种高频可调偏心矩系列及四种中频系列 产品，功率在1 5 4 - 、一, 6 5 6 k w 之间，激振力在2 1 3 - 1 8 0 0 k n 。以上产品大多采用抗 振性能强、启动力矩大的轴向柱塞马达作为驱动装置，其控制系统一般采用远距 离有线控制，避免施工人员受施工现场噪音的影响。从国外振动桩锤的生产情况 看，液压振动沉桩机已经得到广泛的应用”。 j v l 。 在国内研究设计开发液压振动桩锤的主要厂家有：北京建机所( d 刁系列) 和 中铁机械院( f s 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，武汉中铁机械设计院和上海得倍佳机械公司正在模仿生 产a p e 的产品、上海朗信机械集团有限公司引进i c e 的技术生产p v e 系列产 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 品，。这些厂家生产的液压振动桩锤还仅仅局限在1 5 0 型以下，液压站费用较高， 调频调矩控制功能差。目前我国尚无生产大型液压振动锤的厂家，许多大型施工 工程仍需进口大型液压振动锤来满足施工要求【3 。 液压驱动控制的振动沉桩理论是多学科综合理论，它主要包括：基础工程、 机械设计、机械振动、波动力学、土力学和土动力学、液压控制、自动控制和智 能控制等学科理论。只有将这些理论有机地结合在一起，研究出的理论才能更符 合工程实践”1 。 国外在液压振动沉桩理论方面的研究较为广泛：r a u s c h e 川1 在考虑了参振土 体的质量和刚度特性的基础上，对桩土共振进行了详细研究；h o l e y m a n 等p 川 通过实验研究，对频率、振幅等沉桩参数对液压驱动振动系统、沉桩效率的影响 进行深入的理论建模研究；f e n g m 对高频液压振动沉桩过程和施工后激振荷载 与土体变形特性进行了参数研究；l e o n a r d s 等一1 尝试借助有限元分析法对高频液 压振动沉桩过程进行数值分析；m a s o u m i 等削针对高频液压振动打桩引起的自 由场振动，建立了预测数值模型；n o g a m i 等一1 对高频液压振动打桩对周围环境 的影响进行了研究；o n e i l 等r 1 研究了液压振动沉桩引起的超静孔隙水压力的 积累过程，表明有效应力的降低有利于实现桩的下沉；h o l e y m a n 1 研究结果表 明高频液压振动打桩的分析主要考虑桩、振动桩锤及地基土这三个方面的影响， 特别是受高频振动载荷作用下的桩土相互作用机理更为复杂，其与常规振动沉桩 响应特性不同。 在国内，很多学者也对液压振动沉桩技术开展了研究：姜伟等一1 对高频液 压激振器建立了数学模型，并对系统进行了仿真分析；胡均平、刘伟1 通过对 液压振动沉桩过程的分析，对相应的频率和振幅液压调节系统进行了研究；罗春 雷”1 提出了一种面向地基土的液压振动桩锤研究设计新方法，并对液压振动桩 锤结构和机电液控制方案进行了研究；陈岱杰1 通过高频液压振动沉桩锤试验， 研究了激振频率对沉桩效率的影响；魏楠p 采用数值计算方法对饱和砂土地基 高频振动进行参数分析；郑添寿等h 叫采用动力模块对高频液压振动桩锤沉桩的 位移、应力场、超孔隙水压力的分布做了动力分析；陈福全等p 纠采用有限差分 法对高频振动沉桩在砂土地基施工中超孔隙水压力的增长特性进行了研究；罗春 雷h 叫根据机电液耦合动力学理论，对液压振动桩锤偏心回转系统进行自同步特 性的研究；罗春雷、刘指先”对四轴液压振动桩锤的同步特性及控制策略进行 了研究。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 研究意义及研究内容 1 3 1 研究意义和目的 综上所述，长期以来，由于我国振动桩锤设备主要依靠仿制国外产品，或者 引进先进技术进行生产，这导致了国内对沉桩机理的研究，尤其在将振动沉桩设 备结合桩基础施工工艺的研究，一直缺乏系统完善的理论体系。 通过查阅大量文献发现，在振动桩锤沉桩能力预测、确定沉桩阻力方面和沉 桩过程中地基土的液化特性存在以下问题： 在振动桩锤沉桩能力预测方面，常常要采用“动阻力系数”，即振动载荷作 用下沉桩阻力的降低系数p 1l 3 0 l ，采用线性振动模型进行描述，缺乏客观性，无法 真正解决工程实际中的问题。 在确定沉桩阻力方面，文献大多只考虑极限动阻力，引用各种假设，且只对 沙土和粘质沙土进行了研究，限制其应用范围p 1 。 在沉桩过程中地基土的液化特性研究方面，只是定性的分析地基土在循环振 动载荷作用下，孔隙水压力上升，有效应力减小，地基土产生液化，从而降低沉 桩阻力，实现桩的下沉，而有关沉桩参数对地基土液化的效果与沉桩能力等方面 的研究却甚少1 4 。 显然，上述文献中的经验公式存在以下缺陷：一方面不能描述不同场地条件， 不同分层，不同层序深度的复杂多变性；另一方面，区域性的经验公式和数据存 在地域局限性，而各旅工场地的地质条件千变万化，显然是不能用区域性的模型 和数据来描述。 目前我国工程机械界对液压振动技术的研究主要集中在桩锤设备的研制和 试用上【5 刀。因此，针对以上问题，开展液压振动桩锤沉桩能力预测分析研究， 预测振动桩锤的沉桩能力、确定液压振动桩锤沉桩阻力、振动沉桩参数对沉桩能 力和地基土液化特性的相关性关系，都将为液压振动桩锤在桩基工程更好地推广 应用提供有益的参考依据，这些也是本文将要研究的核心问题。 1 3 2 本文研究的主要内容与研究思路 本文旨在研究液压振动桩锤沉桩能力和沉桩过程中地基土的液化特性，其主 要研究内容有： ( 1 ) 研究振动沉桩系统土的动力特性和液化机理。主要研究在振动载荷作 用下地基土的动力特性和对地基土动力学参数进行建模，研究振动沉桩地基土的 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 理论出发，根据极限平衡条件( m o h r - c o u l o m b 强度准则) ，建立振动桩锤沉桩能 力预测力学计算模型，为确定沉桩阻力，近共振频率的计算提供理论依据。 论文第三章拟运用有限差分程序f l a c 3 d 的流固耦合动力时程分析模块， 采用m o h r - c o u l o m b 模型和f i n n 液化本构关系，建立桩土相互作用分析模型，预 测沉桩能力，借助f i s h 函数引入超孔压比来表征地基土的液化特性，并对不同 沉桩参数对沉桩能力和液化特性进行对比研究。 论文第四章拟在前文振动频率和偏心矩对沉桩效果和液化特性影响的研究 基础上，针对振动沉桩过程液压系统的负载特性，研究振动桩锤调频调矩液压系 统控制。 论文第五章拟进行振动桩锤沉桩能力预测试验研究，验证本文第二章近共振 频率计算新方法的正确性。 本文的研究路线如图1 1 所示。 9 中南大学硕士学位论文第二章振动桩锤基于液化特性的沉桩能力力学建模分析 第二章振动桩锤基于液化特性的沉桩能力力学建模分析 本章主要研究振动沉桩地基土的液化机理和地基土液化的影响因素，研究在 振动载荷作用下地基土的动力特性和对地基土动力学参数进行建模；通过研究沉 桩过程地基土的阻力，建立振动桩锤沉桩能力力学建模，提出了基于沉桩能力临 界条件的近共振频率计算新方法。 2 1 振动沉桩过程土的液化条件及其影响因素研究 2 1 1 振动沉桩地基土液化条件研究 振动沉桩过程中，地基土骨架在激振力的作用下受到一定的惯性力和干扰力 影响，由于土壤颗粒的质量各不相同、排序不同、初始应力及动强度传递不同， 在不同的土壤颗粒的接触点会产生新的应力。当应力强度超过骨架的强度就会破 坏土壤颗粒原来的连接强度和结构状态，土壤颗粒脱离接触，从而产生体积变形， 骨架结构遭到破坏，应力发生再分配。此时，原先由土壤颗粒通过接触点传递的 压力由孔隙水来承受，引起孔隙水压力增大。松软的土颗粒在自身重量和过量的 水压力的共同作用下，孔隙水压力随应力循环次数的增加逐渐积累，一方面孔隙 水在超静水压力作用下向上排出，另一方面土壤颗粒在重力作用下试图下降，当 二者相当时，土壤颗粒处于悬浮状态。土骨架正常应力为零，此时饱和砂土，就 像液体一样，不能承受任何剪切，于是就发生了土壤液化。 通过进一步的定量分析，目前通常 认为：振动沉桩过程中地基土液化的基 本原因是激振载荷对土体施加了循环 剪应力，继而引起了超静水压力。在施 工现场有一个单元土体如图2 1 所示， 在没有振动载荷作用的情况下，作用在 单元土体上的应力有：水平有效应力 k 一( c o 为土体压力系数) 、竖直有 效应力矾。地震时产生的循环剪应力f 会作用在单元土体上，如图2 - 2 所示。 耵地下水位 1 0 瓦。 图2 1 振动载荷作用前土体单元应力状态 中南大学硕士学位论文第二章振动桩锤基于液化特性的沉桩能力力学建模分析 一 f - - i p j r 图2 - 2 振动沉桩时土体单元上的循环剪应力 受到振动沉桩循环载荷作用后，地基土在结构上更加紧密，应力转移到孔隙 水上。土体中孔隙水压力积累的大小由体积减小与土体颗粒结构回弹的相互作用 确定。这个基本现象的原理如图2 3 所示。液化的整个作用过程可以定量化的加 以描述。振动沉桩循环载荷作用下所产生的孔隙水压力增量，可以根据地基土在 循环应力条件下的应力应变特性、体积变化特性和在应力降低下的回弹特性算 出。 白 童到氏们。黜髓的 l 图2 - 3 循环加荷产生孔隙压力的机理示意图图2 - 4 砂水复合体系模型 从上述分析不难看出，在振动桩锤振动载荷作用下地基土液化必须同时满足 两个基本条件：一是地基土所受振动载荷足以摧毁其结构，即较大的振动荷载作 用与较小的土壤结构强度，以及相应的循环周期和振动频率；二是破坏了土壤结 构，土壤颗粒发生移动的趋势是压密而不是扩张。换言之，振动桩锤激振力的强 i 一 中南大学硕士学位论文第二章振动桩锤基于液化特性的沉桩能力力学建模分析 度小，作用时间短，不会使土壤结构破坏、孔隙压力上升、变形增加，土壤强度 降低的现象也不会出现。只有当动应力强度超过破坏加速度或动态周期振动时间 超过导致破坏的振动次数，引起孔隙水压力达到最大限度，才会发生土壤液化。 地基土液化是指由固态变成流动形态的转变，是增加孔隙压力和减少有效应 力的结果r 叫。地基土是固体和水的混合物，它是一种松散结构，主要由土壤颗粒 间的摩擦和粘性来维持稳定并承受外力。颗粒间的摩擦主要取决于法向压力。水 的体积很难压缩，能承受较高的法向压力而非剪切应力。