（车辆工程专业论文）液压振动沉桩机沉桩机理及其振幅和频率调节系统研究.pdf

中南大学颈士学位论文 摘要 摘要 随着高层建筑对桩基础要求和社会对建筑施工环保要求的不断 提高，桩基础施工设备的进一步发展已变得越来越追切。振动沉桩机 凭借其独特的性能和优势，已逐渐成为了各国研究和发展的重点。 首先，论文结合土力学原理，以振动沉桩机一土为对象，通过理 论分析与试验，论证了振动沉桩是通过振动使土壤产生“液化”，大 幅度减小沉桩时的阻力而实现桩的沉入，并且这一过程的关键因素是 振动体系的振动频率、振幅以及土壤的地质特性。据此，通过分析和 研究，本文提出了一种在振动条件下沉桩的“收锤”准则，为振动沉 桩施工收锤提供了理论依据。 其次，论文建立了振动沉桩机一土系统的动力学模型，并对该系 统进行了分析与研究，发现振幅和频率的调节是振动沉桩机的主要性 能和关键技术。只有在恰当的激振频率和振幅值作用下，振动沉桩系 统才可能取得应有的效果，表现出其相对于其它工法的独特优势。当 工作频率与土壤固有频率接近或相等时，振动沉桩效果最佳。通过计 算机程序的仿真以及现场试验，证实了这一结论。因此，在设计振动 沉拔桩机时，可以以此为基础，准确地确定出振动沉拔桩机的动态参 数。 最后，论文借助于液压技术的优良特性，提出了一种全新的振幅 调节方法，并设计出了相应的实现机构。在此基础上，研究出了新型 的z z y l 6 0 型振动沉拔桩机。该振动沉拔桩机摒弃了其它类似产品调 幅困难、机构庞大的缺点，利用自身的液压控制系统可以方便地进行 施工过程中频率和振幅的调节。 本文旨在通过对振动沉桩过程的描述以及相应的频率和振幅液 压调节系统研究，为我国在液压振动沉拔桩机的研究与开发方面提供 一定的研究基础。 关键词 土壤液化，振动沉桩机，液压控制，振幅调节 a b s t r a c t 晰t 1 1t l l e c o n t i l l u o u s l yr a i s i n gd e m a i l do ft l l ep i l e f o u l l d a t i o no f h i g h b u i l d i n g a n do fe r i m m e n t p r o t e c t i o n i n p i l e f o u n d a t i o n c o n s t r i 】c t i o n ，t l l e 如m l e rd e v e l o p m e n to fp i l e - c o n s m l c t i l l ge q u i p m e n th a s b e c o m em o r ca i l dm o r e u 蜡p n t b a s e do n i t ss p e c i a le x c e l l e n tp e r f b m l a n c e a n da d v 锄t a g e ，v i b r a t o 巧p i l i n gm a c h i n eh a ss t e a d i l yb e c o m et 1 1 ef o c a l p o i m t ob es t u d i e da n d d e v e l o p e d i nt h ew o r l d f i r s t l y ，s t u d i n g o nt 1 1 e v i b m t o up i l i i l gm a c h i n e - s o 订s y s t e mb y m e a n so ft l l et h e o qa i l a l y s i sa n dt e s t ，p m v e dt 1 1 a tt 1 1 ev i b r a t i o nd u r i n g v i b r a t o r yp i l i n gw i l lc a u s ev i b r a t o 巧“l i q u e f a c t i o n ”o f t h es o i l ，s ot h a tt h e r e s i s t a l l c eo fv i b r a t o 巧p i l i n gi s g r e a t l yd i m m i s h e d t h ek e yf a c t o rt h a t i i l n u e n c em e v i b r a t o r ys y s t e m i nt 1 1 i s p m c e s s i st h ev i b r a t i o n 仔e q u e n c y ；锄p i i t u d ea n d m e g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t l l es o i i i nv i e w o f t h i s ，m em e s i sa d v a i l c e dan e w “矾n g t oa ne n d c r i t e r i o ni nv i b r a t o r y p i l i n gp r o c e s s ，w h i c hp r o v i d e at i l e o r e t i c a lb a s i sf o r e n d i i l gp i l ed r i v i n g s e c o n d l y ，b u l d i n gu pt l l e m e c h a n i c sm o d e lo fm ev i b r a t o 叫p i l i n g m a c h i i l e s o i l s y s t e ma i l da 1 1 a l y s i n ga n ds t u d i n gt h i ss y s t e m ，t h et h e s i s f i n dm a tt l l e a d j u s 乜1 1 e n t o ft h e 丘e q u e n c ya i l d a m p l i m d ei s t h em a i n p e r f o h n a n c ea n dk e yt e c 1 1 1 0 l o g yo ft 1 1 ev i b r a t o vp i l i i 培m a c h i n e o n l y w h e nt l l e v i b r a t o 巧p i l i i l g m a c h i n e - s o i l s y s t e m m ni n a p p r o p r i a t e v i b r a t i o n 丘e q u e n c y a l l da m p l i m d e ，也er e s u l ta 1 1 di t ss p e c i a la d v a i l t a g ec a n j u s tr e v e a la uw i t l l o u to m i s s i o n m e 柚w h i l e ，w h e nt h ev i b r a t i o n 矗e q u e n c y o ft h es y s t e mi sa sm es 锄ea s 廿1 ev i b r a t i o n 舶q u e n c yo ft l l e s o i l ，也e r e s u l tw i ub em eb e s t t h eo u t c o m eo ft h ec o m d u t e rs i m u l a t i o na n dt h e t e s t i n gg r o u n dc a na m mi t t h u s ，w ec a nu s et l l i sc o n c l u s i o ni nd e v i s i n g t l l ev i b r a t o r y p i l i n gm a c h i n e ，m ed y n 锄i cp a r a m e t e r w i l lb ev e 巧e x a c t l y l a s t l y ，谢t h t 1 1 ea i do ft h ee x c e l l e n t p e r f o m a n c e o fh y 出a u l i c t e c l l i l o l o g y ，t 量l e l e s i sa d v a l l c e da nu p t o d a t em e t h o db yw h i c ha 由u s tt h e 啪p l i t u d ea n d d e v i s e dan e w v i b r a t o up i l i n gm a c h i n e - z z y l 6 0 t h en e w 呻ev i b r a t o 拶p i l 洫gm a c h i n eg e tr i do ft h ed i s a d v 锄t a g e si nm es i m i l a r p r o d u c t s s oa s a i i l p l i t u d e m o d u l a t i o n d i 舔c u l t l y ，协eh u g em e c h a 血s m ， e t c t h em a c h i n ec a l l c o n v e n i e n t l ya 由u s tt h ev i b r a t i o n 丹e q u e n c ya n d 中南大学硕士学位论文 锄p l i t u d e i n r 帅_ i l i n gp r o c e s s b ym e 柚so f t t l e d e s c r i p t i o no f t i l ep r o c e s so fv i b 豫t o 巧p i l m ga n d s t u d yo nm es y s t e m 、v h i c hw o f k e db yh y d r a u l i cp r e s s u r et oa 由u s tt l l e 仔e q u e n c y 嬲da r n p l i t u d e ，t l l ee s s e r l 畦a 1p o i n t o fm i st l l e s i si sl a y i n gas o l i d f 0 1 m d a t i o n sf o rn l es c i e m i f i cr e s e a r c h 锄dd e v e l o p m e n to fh y d r a u l i c v i b r a t o 可p i l i l l g m a c h i n e 【k e y w o r d jl i q u e f a c t i o n o fm e s o i l ，v i b r a t o 叮p i l i n gm a c h m e ， h y d r a u l i cc o n t r o l ，m ea 由u s t i l l e n to f t l l ea n l p l i t u d e 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 液压技术在工业上的真正推广使用出现在二战以后，凭借其大功率、快反应、 准动作、低噪音、经久耐用等技术性能，迅速成为现代传动与控制的关键技术之一。 近2 0 年来，随着和计算机技术( 微电子技术) 的密切结合与发展，液压技术更广泛 地应用于各领域。目前，国外9 5 的工程机械、9 0 的数控加工中心、9 5 以上的自 动线都在应用这一技术【l j 。将液压技术应用于桩基础施工便是桩工机械领域目前研究 的热点。 1 1 桩与桩基础 建筑物的全部载荷是加于其下部结构基础结构，并通过基础结构将载荷传 递给地基( 土层或岩层) 来承受的。地基和基础结构是建筑物的根基，直接关系着 建筑物的安危。实践证明，建筑物事故的发生，多数是由于地基或基础结构质量问 题引起的嘲。因此，基础工程尤其是深基础结构工程的造价往往要占整个建筑物总造 价的百分之几甚至几十，在建筑工程工业中具有举足轻重的作用。 1 1 1 桩的类型 作为基础结构的桩，是将承台载荷( 竖直的和水平的) 全部或部分传递给地基土 ( 或岩层) 的具有一定刚度和抗弯能力的杆件3 1 。桩可以用各种材料制成：木、钢、 混凝土或它们的组合：可以在现场或工厂预制，亦可以在土中直接浇灌。桩顶可以 做成专门的钢帽，也可伸出钢筋与基础连接；桩身可以是柱形，也可以是锥形，其 断面形状有圆形、环形、方形、矩形、多边形、三角形或h 形等。桩在基础工程中， 可以主要承受轴向垂直载荷，或主要承受横向水平载荷，也可以两种载荷都有：在 高耸塔形建筑物和水中的高桩承台基础中，桩还要承受风和浪引起的反复拉和压的 载荷【4 l 。 桩按照其制作材料、截面形状、受力情况及其作用可以分成不同类型。按施工工 艺，桩又分为预制桩和灌注桩两种。 一、预制桩 预制桩系指借助于专用机械设备将预先制好的具有一定形状、刚度与构造的桩杆 打入、压入或振入土中去的桩型f 5 j 。依据其制桩材料的不同，主要又分为钢筋混凝土 桩和钢桩等多种，具体分类情况见表1 1 ： 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 表卜1 预制桩分类 序 桩型简介 优点缺点适用范围 号 最古老的桩型， 主要用落叶松、 红松、云南松、 制作简单 易腐蚀现代工程 l木桩杉木等制成，原 成本低 耐久性中较少应 木要求挺直、无左用 腐蚀、虫害、漏 节等庇点 沉桩有 明显的 可方便地根据所需长挤土影 采用钢筋和混凝 度、断面形状与尺寸进晌，贯穿 钢筋混土材料在工厂或 行制作；厚砂层 应用于穿 2 材料易得，强度高；或硬土 透的中间 凝土桩施工现场预制，层较软弱 简称r c 桩 质量可控制与检测；层困难， 耐腐蚀性强截面裁 或夹有不 强度高、刚度大。割困难， 厚的砂层， 桩截面 且持力层 有限 埋置深度 预应制作工 及变化不 预力管艺复杂， 大的地区； 应桩将钢筋混凝土桩 需专门 地下水位 力p c的部分或全部主 减小桩身混凝土的锤 设备生 高的地区： 钢桩筋作为预应力张 击拉应力和弯拉应力， 产： 对噪声、挤 3筋 高强拉钢筋，采用先 提高桩的抗冲( 锤) 击 尚缺大 土影响无 混度预张法或后张法对 能力与抗弯能力； 直径管 严格限制 凝应力桩身混凝土施加 强度高； 桩： 的地区。 土 管桩预压应力。 抗裂性好。 需高强 桩p c 度预应 桩力钢筋。 i 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 价格昂 由钢板卷焊而可根据入土深度、穿越 贵； 钢管成，底部构造有土层的类别和承载力 耐腐蚀 桩开口、闭口和半要求等不同条件选用 性差： 锤击沉 闭口三种。不同规格和底部构造。 应用于持 桩时噪 力层起伏 声很大。 较大的地 钢 侧向刚 4度较弱， i 苎： 桩地下无腐 打桩时 蚀性气体 工序少、造价低：桩身易 或液体的 h 型 一次轧制成型 挤土效应弱，穿越性能向刚度 地区。 桩和碎岩能力强；较弱的 一侧倾 斜，甚至 产生施 工弯曲。 二、灌注桩 灌注桩系指在工程现场通过机械钻孔、钢筋挤士或人力挖掘等手段在地基土中形 成的桩孑l 内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。灌注桩的优点是省去了预制桩的 制作、运输、吊装和打入等工序。桩不承受这些过程中的弯折和锤击应力，从而节 省了钢材和造价。同时，它更能适应基岩起伏变化剧烈的地质条件。其缺点是成桩 过程完全在地下“隐秘”完成，旖工过程中的许多环节把握不当则会影响成桩质量， 依照成孔方法可将灌注桩又分为沉管灌注桩、钻孔灌注桩、液压套管护壁灌注桩和 挖孔灌注桩等几大类。 1 1 2 桩基础及其作用 桩基础是一种历史悠久的古建筑基础形式，也是一种应用广泛、发展迅速、生命 力很强的现代建筑基础形式旧。随着现代建筑业的飞速发展，在土木建筑中，桩基础 结构工程成为最常用的基础形式【7 1 。如图l l 【8 】所示，桩基础是由深入土层的桩与连 接桩顶的承台共同组成、共同承受动静载荷，将上部结构的载荷穿过软弱地层或水 传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层，以满足建筑物安全正常使用并限制 中南大学硬士学位论文 第一章绪论 变形量在一定范围内的一种深基础【9 】。 12 2 o0 9o 7o 6o 5 2 3 2 振动沉桩阻力分析 振动沉拔桩机的激振力使桩产生强迫振动，桩在自重及外加载荷的作用下沉 入土中。在入土过程中，桩尖范围内的土体被挤压破坏。桩尖穿过后，由于桩周 与土体之间相对位移，产生侧摩阻力。当激振器的激振力、加压或配重克服了侧 摩阻力和桩端阻力后，就出现沉桩【7 2 】。 根据对沉桩过程的观察和分析，沉桩过程大至可分为以下几个阶段【7 3 】： ( 1 ) 自沉阶段：即靠近地面部分，由于上覆土层重量较小，桩受桩身自重及 ( 2 ) ( 3 ) 振动锤的重量压力下沉，但入土深度并不大。 振动下沉阶段：该阶段由于上覆土层即桩的垂直振动作用，土体的抗剪 强度降低，出现振动“液化”现象，桩体与土体之简形成空隙，大大减 少了桩周摩擦阻力，桩在破坏了桩端阻力情况下沉入土中。 终锤阶段：桩尖进入砾砂层或强风化岩层等持力层，此时，桩端阻力显 著增加，并且由于上覆土体重最较大，土对桩周侧摩阻力也增大，按照 设计标的，很快将达到收锤要求。 桩在振动下沉过程中，所受阻力可按以下经验公式估算： ip = 三q 。以+ 外一， j 净o iq 。i2 口g m l 、q p = 幻蹦 式中q ：i 一桩周动摩阻力 q 。i r 预制桩桩极限静摩阻力标准值 a 、b 一振动影响系数，见表2 2 h i 第i 段桩入土深度 l - 一桩周长 q p _ 桩尖处土动阻力 q p k 一桩端处土极限端阻力标准值 a p 一桩截面积 表2 2振动影响系数 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 入土阶段 ab 自沉阶段 o 2 振动下沉阶段 o 7o 6 终锤阶段 1 2 2 3 3 振动沉桩收锤准则 有试验表明，在软土地区，压桩后的单桩极限承载力可比最终的压桩力高出2 到3 倍。这主要是因为压桩结束后，随着时间的推移，桩周土体中孔隙水压力逐渐 中南大学硕士学位论文第二章振动沉桩系统力学分析 消散，土体发生固结，土的抗剪强度也可随桩侧摩阻力逐渐恢复和提高【7 4 7 5 1 。 因此，当桩尖进入持力层一定深度后，就有一个“收锤”的控制问题【7 6 1 。 一般认为，桩的贯入度与其极限承载力有着直接的关系i ”l 。对贯入度的设计一 般依据蒋布( j 锄b u ) 打桩公式【7 8 】、希莱( h i l e y ) 打桩公式、日本建筑基准法公式、 工程新闻修正公式【7 9 】和广东打沉管灌注桩公式等。上述公式在计算过程中，采用单 桩承载力标准值为计算准则。而实际施工过程中，所测算的承载力却是沉桩阻力。 在此，不妨以最后2 分钟桩的下沉速度来确定“收锤”准则，其测算目标为沉桩阻 力。 振动沉桩在一个循环周期内的冲击能量为： e = 毫p v d t = f ( r s i i l 耐) j ( f ) 出 = r 一国i 。s i n 埘c o s ( 研一庐) 西 ? 4 = 只彳国圭i 。【s i i l ( 2 耐一妒) + s i n 妒】国 = r 彳出三s i i l 庐 。 ( 2 3 3 ) 引入日本的建筑基准法公式 只： 量 5 p + o 。l ( 2 3 4 ) 式中e 一一次冲击能量，k n m e 一最终贯入度，耐击 p i 一桩的允许承载力，k n 将式( 2 - 3 4 ) 进行以下修正 ( 1 ) 将p l 视为沉桩阻力，依据施工现场地质勘探结果，对式( 2 3 0 ) 与式 ( 2 2 9 ) 进行综合，得出承载力n d 与沉桩阻力p 之间的关系。 设其关系系数为e ，则有 n d = lp 即有 p l = p _ n d e ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 ) 将最终贯入度e 折换成最终贯入速度v e 。因为v e 的计算依据是最后2 3 0 中南大学硕士学位论文第二章振动沉桩系统力学分析 分钟内桩的贯入量，则有 s = 2 e n( 2 3 7 ) 式中s 一最后2 分钟内桩的贯入量，m i r 振动频率，r m i n 因此，最终贯入速度为 = 詈= 竿一胛 沼s s ， 则有 圪 归言( 2 - 3 9 ) 力 二j 7 ， ( 3 ) 将一次冲击能量e 转换成最后2 分钟内的冲击能量e 2 ， 显然，有 e 2 _ 2 e n( 2 4 0 ) 则有 e = 鲁 ( 2 4 1 ) 2 玎 k z 。斗l 将式( 2 - 3 6 ) 、式( 2 3 9 ) 和式( 2 4 1 ) 代入式( 2 3 4 ) ，可以得到 整理后，有 = 詈( 等圳 ( 2 将式( 2 3 3 ) 代入后可以得到 = 詈( 掣删 ( 2 - 4 。) ( 式中v e 的单位为l i l m i i l ，实际测量时以m m ，瑚i n ) 显然，公式考虑了振动条件下的各种影响因素，可充分表示出桩在终锤阶段 的状况： 一 ( 1 ) v e 的值与振动频率( 转速n ) 呈正比关系，说明在振动条件下，频率愈 大，桩的贯入速度愈大。也就是说，在不同的振动频率下，达到同样的 啦 嘉可 丝掌 中南大学硕士学位论文 第二章振动沉桩系统力学分析 承载力，有不同的终锤准则； ( 2 ) 充分考虑了在振动情况下桩承载力的时效作用，e 取值体现了振动对承 载力的影响( 承载力与沉桩阻力的差别) ，使振动影响在确定承载力时得 到修复； ( 3 ) 收锤准则v e 还与激振力的大小有关，在不同的激振力作用下，v e 的取 值不同： “) 公式体现了振幅a 对收锤条件的影响，对应于不同的振幅值，桩的贯入 速度就有所不同； ( 5 ) 由于 小厮3 丽南( 2 一2 ) 2 + 4 2 国2 尸：墨 m 因此，随着桩体入土深度的不同，桩体重量也不同，从而影响了桩的振 幅值a 并从收锤准则v e 值上表现出来。这说明，公式充分体现了桩体入土 深度对承载力值的影响。 综上所述，在实际施工过程中，只要通过测定最后2 分钟内桩的贯入速度 v e ，即可测算出相应的单桩承载力值。也就是说，在设计施工要求时，只要设 定单桩承载力值，即可由此得出相应的“收锤”准贝v e 。 中南大学硕士学位论文 第三章振动沉桩动态参数及其仿真研究 第三章振动沉桩动态参数及其仿真研究 3 1 振动沉桩的影响因素 通过前面的分析，我们可以这么认为：振动沉桩实质上是以振动克服桩侧摩 擦阻力，以周期性作用力克服桩端阻力。因此，振动沉桩的影响因素主要有以下 三个： l 、激振器振幅 激振器振幅是影响沉桩的主要因素，图3 1 中的曲线表示了桩的沉入速 度v 与激振器振幅a 之间的关系“1 。当振幅很小时，沉入并不能发生，只有 当振幅超过一定值时( v o ) ，才可能实现沉桩，这一振幅a o 称为起始振幅。 随着振幅的增大，沉入速度v 与振幅a 近似呈直线关系( 曲线a b 段) 。并且， 当振幅超过上限值a e 后，沉入速度增加就缓慢了，并逐渐趋于某一极限值。 因此，振幅a 的选择范围应该是a a a a e 。 图3 1桩的沉入速度v 与激振器振幅a 的关系 起始振幅a o 并不是一个定值，它随着桩的截面尺寸、振动频率和地层的 不同而变化。目前，我国主要沿用日本的方法，即采用土壤的贯入度标准值 n ( 见表3 1 ) 来估算。 以2 击+ 3 ( 删) 3 3 ( 3 1 ) 中南大学硕士学位论文第三章振动沉桩动态参数及其仿真研究 表3 1 土壤的贯八标准值 土壤类型n 值土壤类型n 值 很疏松砂土m 4软粘土 2 4 疏松砂土4 1 0中等硬度粘土 4 8 中等密度砂土 l o 3 0硬粘土8 1 5 密实砂土 3 0 5 0很硬粘士1 5 0 0 很密实砂土7 5 0非常硬的粘土7 3 0 2 、激振频率 当桩在土壤中振动时，在一定的激振力作用下破坏土壤桩侧摩擦阻力， 并且随着频率的增加，土壤对桩侧面的摩擦阻力逐渐减小，以利于桩在土壤 中的沉入。 图3 - 2 为桩、士的振幅a 与激振器的频