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浙江工业大学硕士学位论文 挤扩支盘灌注桩挤扩成盘技术研究 摘要 挤扩支盘灌注桩是近年来在工程界有较强生命的新桩型，具有良 好的社会与经济效益，其成盘设备一液压挤扩支盘成形机在施工中具 备无振动、低噪音、环保性能突出的特点。然而，支盘桩技术在理论 研究和实际应用过程中还存在一些值得探讨的问题，该桩型成盘过程 以及成盘设备尚须进一步研究。 本文首先介绍了支盘桩及其成盘设备的现状与发展，说明了支盘 桩施工工艺以及成盘过程；其次，在分析了作业工况的基础上，针对 成形机的不足，进行了支盘成形机的结构设计；然后，运用三维实体 建模软件s o l i d w o r k s 将设计出的结构进行了建模，并说明了设计特 点；根据球形孔扩张理论并通过假定挤扩过程工臂载荷服从二次曲线 分布分析了成盘过程的支、盘腔内应力及工臂上载荷情况；建立主要 工作机构的理论力学模型，并运用有限元静态分析理论，采用有限元 分析软件c o s m o s 对分析了主要工作机构；最后，运用虚拟样机仿 真的理论，采用动力学仿真软件a d a m s 建立挤扩设备主机的机械和 液压系统，实现了主机挤扩成盘过程的机械与液压系统联合仿真。 关键词：挤扩支盘桩，成盘设备，成盘过程，有限元，仿真 浙江工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fd i s kf o r m i n gt e c h n o l o g y o ft h es q u e e z e ds u p p o i h l i n gd i s k c a s 7 r i n p l a c ep i l e a b s t r a c t t h es q u e e z e dd i s kc a s “n p l a c ep i l ei sn e w t y p eo fp i l e sf o u n d a t i o n w h i c hh a sb e e nm a r k e db o t he c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s a n dt h ed i s k f o r m i n gm a c h i n e - h y d r a u l i cs u p p o s i n gs q u e e z e dd i s kf o r m i n g m a c h i n e w o r k sw i t hn ov i b r a t i o na n dl o wn o i s ew h i c hc a na l s of o r mp i l ew i t h e x c e l l e n tq u a l i t yu n d e rt h eg o o de n v i r o n m e n t h o w e v e r , t h e r ea r es t i l l s o m ep r o b l e m sb o t hi nt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dp r a c t i c es u c ha st h e p r o c e s so fd i s kf o r m i n g m e a n w h i l et h ed i s kf o r m i n g m a c h i n es t i l ln e e d s t 0b ed e v e l o p e d f i r s to fa l lt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ee x i s t i n gc o n d i t i o na n dt h e d e v e l o p m e n to f t h ed i s kp i l ea n dt h ed i s kf o r m i n gm a c h i n e ，i np a r t i c u l a r , t h ep a p e ra l s oa c c o t m t sf o rt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o da n dp r o c e s so fp i l e s s e c o n d l y , b yt h em e t h o do fs y s t e md e s i g na n db ya n a l y z i n gt h ef l a wo f d i s kf o r m i n gm a c h i n e t h ep a p e rd o e st h es t r u c t u r a ld e s i g nb a s i n go nt h e a n a l y s i so fw o r kc o n d i t i o n a n dt h e n , t h ep a p e rb u i l ds o l i dm o d e l w i t h 3 ds o f t w a r es o l i d w o r k s ，a n ds h o wt h ef e a t u r ef o rt h ed e s i g n 乃ep a p e rh a sa p p l i e dt h ee x p a n dt h e o r yo ns p h e r eh o l et oa n a l y z e a n dc a l c u l a t et h ed i s kl o a di nt h ep r o c e s so fs q u e e z i n g ，s u p p o s i n gt h e l o a d so nt h es q e e z i n ga r mw h i c ha l eo b e d i e n c et os e c o n d a r yc u r e t h e n 浙江工业大学硕士学位论文 e s t a b l i s h e dm e c h a n i s mm e c h a n i c sm o d e i sa n du s e dt h es t a t i c f i n i t e e l e m e n t t h e o r yt oa n a l y z et h es q u e e z i n gm a c h i n eb yc o s m o s a tl a s t , t ob u i l dm u l t i d i s c i p l i n a r ym o d e l s ，t h ep a p e rb u i l d st h e m e c h a n i s ms y s t e ma n dt h eh y d r a u l i cs y s t e mo fd i s kf o r m i n gm a c h i n e s h o s tm a c h i n ei na d a m sa c c o r d i n gt ot h et h e o r i e so fm o d e la n d s i m u l a t i o n a n dt h e p a p e rr e a l i z e si n t e r f a c i n ge x p e r i m e n td a t ao f h y d r a u l i cs y s t e ma n dm e c h a n i s ms y s t e mi nt h e $ a l n ei n t e r f a c ea n d a c c o m p l i s h e st h es i m u l a t i n gd e s i g no fv i r t u a lp r o t o t y p i n ge n t i r es y s t e m o f h o s tm a c h i n e k e yw o r d s ：t h es q u e e z e dd i s kp i l e ，d i s kf o r m i n gm a c h i n e ，d i s k f o r m i n gp r o c e s s ，f i n i t ee l e m e n t ，s i m u l a t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性说明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注弓l 用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不舍为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 飞山露日期：叩年6 月牛目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在 年解密后适用本授权书。 2 、不保：建团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 郊i j 虽 蟛渤 日期： 日期： 订年 口7 年 6 月牛日 6 月垆日 i 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 1 1 。1 前言 第一章绪论 基础工程是建筑工程的先导，它对后续工程乃至整个工程项目的顺利完成起 着决定性的作用。当建筑物上部结构荷载较大，地基上部土层较差，而下卧层土 有可能作为桩基持力层的较好的土层时，最适宜采用桩基础。桩基础能有效地减 少建筑物的沉降，提高地基的承载力，抵抗复杂的荷载，以及适应各种地质条件， 成为土木建筑工程中一种主要的基础形式。实践证明，它是一种经济有效、安全 可靠的基础形式。随着经济的发展，国家和地方对基础建设投资力度的加大，高 层、超高层建筑迅速增多。高层建筑多采用桩基础，从而促进了桩基础在我国建 筑工程中的快速的发展，高层建筑中桩基础的造价大约占到总造价的四分之一， 因此，确定合理的桩基础形式开发新桩型，对于降低工程造价、提高经济效益具 有重要意义。挤扩支盘混凝土灌注桩就是顺应上述形势出现的新桩型。 1 1 i 挤扩支盘灌注桩简介 挤扩支盘灌注桩( 简称支盘桩) 是在等截面钻孔灌注桩基础上发展起来的一 种桩型。如图1 1 所示，它根据仿生学原理，借助树根原理，在主桩桩身不同部 位，利用特制专用挤扩或切削设备进行分支做盘，而后灌注成型的一种新型钻孔 灌注桩。挤扩支盘灌注桩是由主桩、底盘、顶盘及分支( 或者还有若干中盘) 所 组成，根据地质情况在硬土中设置若干个分支及承力盘【l l 1 l 。挤扩支盘灌注桩由 于其多级支盘的存在，改变了传统等截面桩的荷载传递和变形性状，桩侧土层的 荷载分担率和应力扩散度提高，桩端荷载减小，从而大大提高了桩的承载力，减 少了桩基沉降 3 1 1 4 1 。 1 1 3 挤扩支盘灌注桩的特点 对支盘桩的结构、受力机理的分析和大量工程实际应用证明，挤扩支盘灌注 浙江工业大学硕士学位论文 图i - - 1 支盘桩的外形和结构特点【i j 桩具有较为明显的特点，主要表现为： 1 单桩承载力高。其单方混凝土承载力为相应普通灌注桩的2 倍以上。 2 对不同土质的适应性强。在内陆冲积和洪积平原及沿海、河口部位的海 陆交替层及三角洲平原下的硬塑粘性土、密实粉土、粉细砂层或中粗砂层等均适 合作支盘桩的持力层，而且不受地下水位高低的限制。 3 可以利用沿桩身不同部位的硬土层来设置承力盘，将摩擦桩改为变截面的 多点摩擦端承桩，从而改变了桩的受力机理。 4 成桩工艺适用范围广。可用于泥浆护壁成孔工艺、干作业成孔工艺、水泥 注浆护壁成孔工艺和重锤挤扩成孔工艺等。 5 对环境保护有利。与打入式预制桩相比，旌工噪声低、无振动；与普通泥 浆护壁直孔桩完成的等值承载力相比，泥浆排放量可显著减少。 6 由于单桩承载力较大，在负荷相同的情况下，可比普通直孔桩缩短桩长， 减少桩径或减少桩数。 挤扩支盘灌注桩从上世纪九十年代开始在建筑工程中使用，在提高桩基承载 力、减少沉降、增加桩基安全性、降低工程造价和缩短工期等方面取得了显著效 果。 1 1 4 挤扩支盘灌注桩的施工工艺过程 目前支盘桩工程应用的实际情况来看，工程施工主要采用的是干作业成孔和 浙江工业大学硕士学位论文 泥浆护壁成孔两种工艺。其中，泥浆护壁成孔工艺占据了绝大多数，因而，泥浆 护壁成孔的支盘桩施工技术是比较成熟的技术。泥浆护壁成孔支盘桩施工工艺过 程如图l 一2 所示，其顺序主要如下： 童 a ) c ) 田e )9 静 图1 2 支盘桩施工工艺示意酬1 l 1 泥浆护壁成孔 先使钻桩机就位于定桩位置，调整好垂直度，埋设护筒，开始钻孔，如图1 - - 2 a 所示。 2 磨孔及清孔 钻孔成形后要进行认真清孔，如图1 2 b 所示。 3 挤扩支盘 移开钻机，下放支盘成形机，接照设计规定的位置，挤扩出若干支盘或十字、 一字分支，如图1 2 c 所示。 4 沉放钢筋笼 经检验合格后，开始沉放钢筋笼。钢筋笼宜一次整体吊入，如过长亦可分段 吊入，两段焊接好后再徐徐沉放入孔，如图1 2 d 所示。 5 吊放导管、浇筑混凝土 钢筋笼放好后，吊放导管，浇筑混凝上，如图l 一2 d 所示。浇注混凝上时要 求导管离孔底不得大于0 5 m ，即啊0 5 m 。初灌量除应考虑盘的体积外，至少应 浙江工业大学硕士学位论文 将导管埋入1 6 0 m 以上，即1 6 m 严禁把导管底端拔出混凝土面，如图1 2 f 所示。然后边浇边拔导管，浇注后桩顶( 不计浮浆) 至少应高出设计桩标高0 5 珥 即超灌量玛0 5 m ，如图1 2 e 所示。浇注后，拔出导管和护筒，待凝固后支盘 桩如图1 2 9 所示。 施工工艺简单，仅在普通灌注桩施工的基础上多了挤扩支盘以及二次清孔的 过程。由此可见，只要在原有普通灌注桩施工设备上添加扩盘设备即可满足挤扩 支盘灌注桩的施工要求。 1 1 5 挤扩支盘灌注桩支盘成形设备 1 支盘成形设备产生与发展 在支盘桩工程设计与应用中，支盘的成形一直是支盘桩技术的核心问题之一。 支盘桩要在工程中表现出其优越的承载特性和明显的经济效益，归根到底要通过 合理、可靠的支盘成形的专用建筑机械叫做支盘成形设备，或称支盘成形机。 支盘成形设备诞生于2 0 世纪9 0 年代初，是支盘技术发明及其在工程中应用 的产物。从1 9 8 9 年支盘桩技术获得专利授权后到1 9 9 2 年8 月之间，支盘桩技术 处于技术理论向应用转化的阶段。在此期间，为了实现支盘桩技术工程应用的目 的，在技术推广的同时，北京俊华地基基础工程技术集团公司便致力于支盘成形 设备的技术开发工作，诞生了一种简易的支盘成形设备一分支器，并在北京良乡 的一项工程中进行了工业性试验。 分支器试用之后，经总结经验和开发研究，先后正式研制并生产出第一代和 第二代支盘成形设备，经历了由简单的夯击式机械设备，到高强度、大功率的液 压机械设备的发展过程，从而使支盘桩技术得到了快速发展和进一步应用。 到1 9 9 4 年前后，我国钻孔灌注桩技术逐渐成熟起来，在建筑桩基工程中应用 的比例越来越大，并很快占据了绝对优势。在顺应钻孔灌注桩全面推广和普及的 发展趋势下，工程技术人员很快研制出第二代支盘成形设备一液压挤扩支盘成形 设备。 液压挤扩支盘成形设备是以液压传动为动力，通过液压缸的伸缩，带动主机 的四连杆工臂机构工作，从而实现分支和承力盘的挤扩成形，其设计构思的合理 性和新颖性，使其具有巨大的发展潜力。 浙江工业大学硕士学位论文 液压挤扩支盘成形设备的压力大、体积小、振动低、无噪音和便于自动化控 制等特点克服了夯击式挤扩支盘成形设备的所有缺点，表现出了明显的优势。由 于液压支盘成形，能够使支盘桩充分发挥其可能的端承力的作用，从而使支盘桩 技术达到了新的水平，其经济效益大幅度增加。直到目前为止，液压支盘成形设 备还处于进一步地开发、研制和创新的过程中 2 液压支盘成形设备的组成 如图1 3 中所示的支盘成形设备是现有的较为通用的支盘成形设备，该支盘 成形设备主要有五个部分组成，即支盘成形机挤扩机构、主机旋转机构、液压装 置中心、起重设备、固定装置。各个部分作用如下； 图l 一3 液压支盘成形设备组成 ( 1 ) 支盘成形机挤扩机构( 简称主机) 主机是实现支、盘成形的主要部件， 主要包括液压缸、机架和工臂。 ( 2 ) 主机旋转机构主机旋转机构主要包括接长管和旋转动力装置。接长管 浙扛工业大学硕士学位论文 是一个连接部件，上端与其中设备的吊钩连接，下端与主机连接。主机的出入孔、 在孔内的上下移动、旋转以及定位都要通过接长管来完成。旋转动力装置通过接 长管使主机绕其中心线旋转并到要求位置，从而在下一个位置上进行施工。 ( 3 ) 液压装置中心液压装置中心是提供设备工作动力并完成对设备工作状 态实施控制的部件。 ( 4 ) 起重设备起重设备( 包括图中主、副卷筒钢绳、提升油缸) 主要用于 支盘成形设备主机的出入孔起重，对主机在钻孔中的位置实施控制和调整，还兼 有施工场地设备装拆作用。目前的施工中起重设备多选用汽车式起重机或履带式 起重机 ( 5 ) 孔口定位装置孔口定位装置也称固定装置，用于将出入孔及旋转换位 后的主机定位，从而确定主机工作位置和挤扩方向，实施准确施工。 1 2 研究现状和发展趋势 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪5 0 年代后期印度开始在膨胀土中采用多节扩孔桩，6 0 年代和7 0 年代印 度、英国以及前苏联在黑棉土、黄土、亚粘土、粘土和砂土中采用多节扩孔桩。 i 雪9 1 经验表明，多节扩孔桩与直孔桩相比，承载力大大提高，沉降小，技术经济 效果显著。但由于施工机械和认识水平的限制，这一技术并没有得到进一步推广。 7 0 8 0 年代以来，随着大功率钻孔机在美国的研制成功，世界范围内高层、超高 层建筑和重型构筑物的兴建绝大多数选择了大直径机械钻孔灌注桩脚。8 0 年代后， 日本首先发明使用的一种高强度钢纤维混凝土全螺旋预制桩型，它具有刚度大， 强度高的特点，采用大扭矩桩机旋转切削土体钻进，但是其造价过高，在我国推 广使用有一定难度。 1 2 2 国内研究现状 1 9 7 8 年，北京市建筑工程研究所等在团结湖小区进行干作业成孔的小直径( 桩 身直径3 0 0 r a m 、扩大头直径4 8 0 r a m ) 两节和三节扩孔短桩( 桩长不足5 m ) 施工 工艺及静载试验研究。结果表明，两节和三节扩孔桩的单位桩体积提供的极限荷 浙江工业大学硕士学位论文 载分别为直径桩的1 2 8 1 7 6 倍【4 l 。 1 9 7 9 年，建设部建筑机械研究所和北京市机械施工公司在国内首先研制开发 出挤扩、钻扩和清虚土的三联机，简称z k y - 一1 0 0 型扩孔器。同年北京市桩基研 究小组首先在劲松小区对用该机的挤扩装置制作成的四节挤扩分支桩和相应的直 孔桩进行了竖向受压静载试验，结果表明，前者的极限荷载为后者的1 3 8 。 2 0 世纪8 0 年代末期，挤扩支盘桩及其支盘挤扩成型的液压设备由北京俊华地 基工程技术集团发明。1 9 9 0 年在国内取得国家发明专利后，又分别在美国、欧洲、 日本、加拿大和泰国取得获申请了专利。1 9 9 2 年开始，挤扩支盘桩在建筑工程中 使用。 挤扩支盘桩的出现，对于解决灌注桩的许多技术缺陷，提高和改进灌注桩的 承载形状有着重大的影响和改进，是一项重要的新技术成果。 挤扩支盘桩技术，在施工技术和理论研究方面都做了大量工作睁垧。 在施工技术方面： 2 0 世纪9 0 年代，北京俊华地基基础工程技术集团研制开发出该公司的第一代 锤击式挤扩装置和第- - 代v z j 型液压挤扩支盘成型机及挤扩多分支承力盘桩，后者 在北京、天津、河南、安徽、湖北等地的工程中得到应用，取得较显著的技术经 济效益。 在实际应用过程中，y z j 型挤扩支盘成型机还存在挤扩时土体扰动大，沉渣多； 活塞杆受偏力易弯曲；机具易偏移，与桩孔轴心不对中；挤扩臂回收时容易夹土， 往往造成挤扩臂不能回收，强迫收拢致使挤扩臂、连接轴或法兰座受力过大而断 裂：人工操作挤扩转角存在较大误差；连接管因与机身刚性连接而易折断等问题， 甚至严重影响施工进度。 在理论研究方面： 1 9 9 2 年，北方交通大学唐业清教授主持完成了挤扩多分支盘混凝土灌注桩 受力机理及承载力性状的实验研究的课题，并做了1 8 组不同盘距、不同盘数支 盘桩的数据测定，总结出不同盘距或盘数对承载力的影响和承载力的计算公式， 对挤扩支盘桩技术作为承载桩及支护桩的应用提供了重要的理论依据。 1 9 9 4 年，在中国水利水电科学研究院主持下，对挤扩支盘带来的土质挤密效 果进行了7 2 组试验，得出了不同土层下挤密效果和成型规律。 1 9 9 5 年，天津大学的顾晓鲁教授，在天津沿海软土地区做了挤扩支盘工程桩 浙江工业大学硕士学位论文 的应力传递规律的试验研究，并对该桩型的应用效果进行了分析研究，进一步丰 富了在沿海软土地区的设计计算方法。 2 0 0 5 年，北京工业大学的卢小文写了挤扩支盘桩成型过程对周围土体的影 响分析，文中运用了圆孔扩张理论分析了挤扩过程中土壤内应力的变化，并运 用有限元和工程计算软件分析了支盘成形过程土体应力、位移的变化情况。 此外，建筑施工手册和地基基础施工手册中列入了支盘桩的相关内 容，国家电力公司电力规划设计总院也编制了火力发电厂支盘灌注桩暂行技术 规定，于2 0 0 0 年5 月1 日在系统内正式使用。浙江省挤扩支盘混凝土灌注桩技术 规程的编制工作也正在酝酿之中。 1 2 3 施工设备存在问题 由于挤扩支盘灌注桩工程施工所用的扩盘设备专业性较强，涉足该领域的研 究开发机构或单位较少。目前，挤扩支盘灌注桩支盘施工所用的扩盘设备在工程 施工中存在着以下缺陷： 1 整机结构分散，主机重量大。液压支盘成形机组成部分为相互独立的部件， 整机结构比较分散，在施工过程中需占用较大的场地。 2 机械化作业程度低，安全保障措施相对落后。设备在挤扩施工过程中，主 机的旋转、移位、接长管的伸缩抽拉以及液压站操作的控制等环节基本上属于人 工作业，机械化作业程度较低，不利于保证施工质量。 3 施工配套设备费用高，施工成本相对较大。整个工程施工过程中，设备的 多项操作主要依靠配套的汽车起重机来完成，除了有较大的安全隐患外，还造成 前期投入成本较大。 4 施工质量保证手段不够准确。除了桩基施工技术保障手段外，通过设备来 保证施工质量是支盘桩施工过程中的重要手段之一，但受人为因素的影响较大， 所以其误差相应也较大。另外，设备自身的状态监测、检查和控制水平偏低，缺 乏必要的技术支持。 1 2 4 发展趋势 支盘桩技术及其设备的工程应用效果非常明显，深得业内人士和专家的赞同 浙江工业大学硕士学位论文 和认可，但是毕竟还处于经验积累和不断研究的阶段，支盘桩技术、工程施工及 其设备要达到成熟和完善，仍然需要大量的技术研究和实践探索。 功能的完整性、结构的合理性、操作的机械化以及控制的自动化，是支盘成 形设备开发研制的方向和必然趋势。追求设备较大的适用范围、较高的工作效率、 最低的事故和故障率、简易的维修过程和可靠而安全的施工操作，是支盘成形设 备开发研制的目标。 1 3 课题来源和研究内容 本课题研究以2 0 0 6 年度省科技厅项目“新型支盘灌注桩旋扩装备的研制”为 依托。 总结近年来关于支盘桩及其支盘成形设备的研究成果发现，发现研究主要集 中在承载力的计算公式确定，荷载传递机理的分析、桩的沉降的计算公式方面， 而对于支盘成形过程的理论分析，涉及很少；现有支盘成形设备虽能大致上满足 施工要求，但还是存在不少缺陷，许多设计方面还不尽合理，值得进一步研究和 完普。本课题针对科技厅项目要求，根据支盘桩成形原理，在现有的基础上对液压 支盘成形机的成盘设备进行设计与完善，并对其相关成形过程进行理论分析与仿 真分析研究，通过本文的虚拟样机建立与理论研究仿真达到尽量减少物理样机或 零物理样机，降低产品成本，缩短产品研制周期的目的。 本课题研究的主要内容包括： 1 对液压支盘成形机成盘设备的机构进行了设计与完善，并运用三维造型软 件$ o u d w o r k s 进行了实体建模； 2 运用岩土力学中的球形孔扩张问题理论来分析研究主机工臂挤扩支盘成形 时孔内载荷的变化问题，并采用有限元分析的方法对工作机构主要零部件进行力 学分析： 3 运用机械系统运动学动力学仿真分析软件a d a m s ，对液压支盘成形机 主机的机械与液压系统进行建模与联合仿真。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章液压支盘成形机成盘设备机械部分的结构设计 2 1 引言 液压支盘成形机成盘设备作为一种机具，既是支盘成形的专用设备，同时又 是检验支盘桩适用性、土层承载特性的专用工具。成盘设备工作性能的好坏，直 接影响着支盘桩技术的成熟以及工程应用的成败。因此，开展成盘设备的研究、 开发和设计是支盘桩技术工程应用的一个至为重要的环节，是支盘桩技术得以成 熟、完善以及全面推广的决定性因烈m 嘲。 液压支盘成形机成盘设备机械部分的结构设计主要是支盘挤扩机构结构设 计。 2 2 支盘挤扩机构及其工作原理简介 液压支盘设备的支盘挤扩机构即主机，是液压支盘成形机中的核心部件，主 要由液压缸和主机头两大部分。主机头由上下工臂、压头和销轴等零部件组成挤 扩工作机构，机身通过高强度螺栓与液压缸体端部的法兰连接，如图2 一l 所示： i 下工臂 2 上工臂 3 压头 4 镀压缸 5 上轴 下轴 7 冲轴 8 话塞杆 9 连接螺栓 l o 机身 1 1 导向块 图2 1 液压支盘成形机主机结构图 不同的液压支盘成形机，主机的结构相差甚大，液压支盘成形机设计和研发 上作的内容也主要集中在这部分的结构和性能的改进上。 如图2 - - 2 所示为液压支盘成形机工作原理示意图。图中a 位表示缩回位置， 进行挤扩施工时，换向阀4 ( 也称为控制阀) 接通上位，液压站的液压泵7 输来高 浙扛工业大学硕士学位论文 压液压油进入液压缸3 的活塞腔，推动活塞杆向下移动，通过压头和上轴压迫平 面四杆机构2 的上工臂，连动中轴和下工臂一起挤扩，至图中b 位置桩孔孔壁； 随着活塞行程的增大，工臂挤扩孔壁的直径逐渐扩大，直至活塞移动达到设计给 定的最大行程位置，到图中c 位置为止，工臂伸出到极限位置，即完成一个分支的 挤扩过程。同时，活塞缸的低压油通过回油管路返回液压站油箱8 。这个过程就 叫做挤扩过程。 工作机构挤扩前状高工作机构开始接触孔壁时状卷工作机构挤扩结柬后状苍 i 主机机体昼四杆工作机构；纠量力液压缸净手动换向阀；，节流阔乒溢流阔； 琦葭压泵净油箱 图2 2 液压支盘成形机工作原理示意图州 当液压站反向供液时，活塞杆回缩，拖动上、下工臂向机身内收缩，直到上、 下工臂恢复至原始位置。这个过程叫做回缩过程。每完成一次挤扩和回缩过程， 叫做一个分支的挤扩循环。如果按照设定的次数在同一支盘设计位置，同一截面 处完成不同方向的多个分支的连续挤扩，则可以挤扩出一个承力盘空腔。完成一 个承力盘空腔挤扩过程，这个过程称为一个承力盘的挤扩循环。挤扩时的次数按 照设计时的规定执行，挤扩过程中不能跳跃挤扩。 2 3 支盘成形设备的主机结构设计 任何机械的设计都要以实现某种具体功能、满足某种需要为目的，同时还要 符合实际生产过程的工作状况，支盘成形设备也不例外。因此，了解支盘成形设 备的功能要求，详细、具体、准确地分析研究支、盘成形过程中的工况特点和相 关技术要求，总结以往设计中成功与失败的经验和教训，是获取可靠的原始技术 数据，确立科学合理的设计方案所必不可缺的技术环节。 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 1 液压支盘成形机作业过程 从满足支盘桩旌工的角度分析，液压支盘成形机的工作过程主要是主机入孔 作业、实施挤扩作业和设备换孔作业三大步骤。支盘成形设备设计时，以实现挤 扩作业为目的是整个设计的核心。 2 3 2 主机挤扩阻力工况特点简析 分析挤扩过程的工况，最主要是了解挤扩工作机构受到的阻力作用状况及其 变化规律。实施挤扩是依靠主机挤扩工作机构中的工臂机构来完成的，如图2 3 所示，表示了液压支盘成形机工作过程中挤扩阻力及其变化的情况。 p a ) 挠扩栩始浆况) 弱：扩 冬了褫况 1 吊车银丝绳= 2 装长管3 撩压簿4 主机头 图2 3 主机受力情况分析 当工臂从机身内伸出并开始接触孔壁时，只有工臂中铀铰接端处挤压孔壁， 接触面积较小，土体对工臂的阻力只也较小，如图2 3 a 所示；随着挤扩孔壁深 度的增加，工臂与土体接触面积逐渐增大，孔壁一定范围内的土被渐渐挤密，土 体对工臂的阻力也随之逐渐增大，当挤扩到位后，工臂与土体之间是一定长度上 的面接触，土体对工臂产生的阻力为p ，如图2 3 b 所示。 在这个过程中假定纵轴p 为挤扩工作机构受到的阻力( 也可以反映为液压 系统的工作压力) ；横轴s 为支盘挤扩成形的瞬时直径大小，即对应工臂伸出量 浙江工业大学硕士学位论文 的大小( 也可反映为活塞行程的大小) ；只和疋分别表示挤扩过程中的工臂可能承 受的最大工作阻力和额定盘径当工臂开始接触孔壁时，工臂受到的阻力为晶， 随着活塞杆的继续伸出，工臂挤扩逐渐深入，工臂受到的阻力p 逐渐增加，工臂 的挤扩阻力变化可能会出现三种情况，如图2 4 所示： ， 五 0 l 。& s a ， m ， 焉1 & s岛s焉s o 图2 4 工臂机构挤扩阻力分析 ( 1 ) 如图2 4 a ，若持力层土较软弱，土体压缩性大，当活塞行程达到最大 值时，即工臂伸出到极限位置时，工作阻力达到最大值只，工臂工作机构完成_ 个挤扩动作，从图中可以看到：此时丑 只，且日；只一日数值较大，工臂机构 挤扩阻力曲线比较平滑，呈现一种软特性，这是设备在较软弱土层中挤扩的一种 现象。 ( 2 ) 如图2 4 b ，若持力层较硬，土体压缩性小，当活塞行程达到最大值 时，即工臂伸出到极限位置时，工作阻力达到最大值只，工臂工作机构完成一个 挤扩过程。从图中可以看到：此时马 1 0 0 0 珊 ( 5 ) 工臂宽度： 3 6 0 m m ( 6 ) 可扩孔深度： 6 0 m ( 7 ) 最大成盘推力：4 0 0 t o n ( 8 ) 最大起吊重量： 2 5 t o n ( 9 ) 每一挤扩循环时间： 9 0 - 1 2 0 s 1 6 参数修正及 最终确定 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 0 ) 旋扩工作周期：1 2 0 - 1 8 0 s 周 2 5 3 挤扩机构的主要几何参数的确定 根据液压支盘成形机设计方案所确定的工作机构绘制出机构简图，按照支盘 成形的基本要求和原始技术参数，就可以通过计算确定机构几何参数。几何参数 计算主要保证机构的整体尺寸满足空间结构要求，符合样机主要技术指标和支盘 成形的尺寸要求。 如图2 7 所示，图中设定了工臂在挤扩初始位置和终了位置的各几何尺寸。 其中a ，b ，c 分别表示机构的上轴，中轴，下轴，a b c 表示工臂挤扩时的原始位置， a b c 表示工臂挤扩后的终了位置。挤扩前工臂机构的主要几何参数对应地用 图2 7 机构几何参数图 浙江工业大学硕士学位论文 下角标“1 ”标注；挤扩后工臂机构的主要几何参数对应地用下角标“2 ”标注。 挤扩终了后支盘成形空腔截面形状是由上、下工臂与钻孔孔壁之间围成的截 面形状，主要是由以下几个参数确定的： ( 1 ) 上工臂的长度：结构设计, p _ l ：- r 臂两端铰接的中心距离； ( 2 ) 下工臂的长度：结构设计中下工臂两端铰接的中心距离； ( 3 ) 上工臂的水平倾角幺：即支盘的盘顶倾角； ( 4 ) 下工臂的水平倾角尾：即支盘的盘底倾角： ( 5 ) 上工臂与下工臂中心线之间的夹角嘞：即支盘的成形角； ( 6 ) 支盘直径风； ( 7 ) 主机最大外径职： ( 8 ) 中轴中心距2 k 。 这些参数可以在桩型设计或支盘桩的规范中给定。但限于目前对支盘桩的研 究还不够充分，还没有形成标准的桩型设计规范。因此，实际设计时要根据设计 计划书中样机的主要技术经济指标，并参考目前对支盘桩盘形结构的研究资料进 行确定，然后在设计计算中进行科学合理的调整。 本文最后确定设备的主要设计技术特征如表2 - - 1 所示。 表2 1 成形设备主要技术特征 组件 项目设计尺寸 主机 外形尺寸( r a m x r a m ) 中7 3 0 3 5 6 4 工臂宽度，m m 3 6 0 支出最大直径，m m 2 1 0 0 液压缸活塞直径m m 4 6 0 活塞杆直径，m m2 5 0 最大工作压力, m p a 3 2 最大推力t 4 0 0 行程，m m 5 0 3 4 8 液压站 最大工作压力 m p a 3 2 流量( l m i n ) 1 1 2 工作介质 l - 玎咐6 清洁度n a s l 6 3 8 9 级 油箱( m m x m m x m m ) 1 1 0 0 x1 0 0 x 5 5 00 6 m 3 浙江工业大学硕士学位论文 电机功率m w4 5 外型尺寸( m m x m m x m m ) 1 7 0 0 1 1 0 0 x1 4 0 0 接长管最大管径m m 6 1 5 最小管径，m m2 9 0 伸出最大长度，m 6 0 缩回最小长度，m1 2 2 6 液压支盘成型机的机械部分实体建模 在液压支盘成形机成盘设备的机械结构确定完成之后。基于液压支盘成形机 的功能，以及设计要求的几何参数，使液压支盘成形机的外观结构要求具体化。 分析目前的主流三维造型软件的特点，以及下一步有限元分析与样机仿真的考虑， 最后选用s o l i d w o r k s 三维建模软件，在该软件的环境下，对支盘成型机的主要零 部件进行产品的三维建模。在实体建模时严格按照实际的尺寸来进行，只有这样 才能达到仿真时对可信度的要求 2 0 - 2 1 1 。 根据前面的分析液压支盘成形机成盘设备的机械结构的零、部件设计分为挤 扩主机部分、接长管和其他辅助部件三方面进行，实体建模同样如此。 2 6 1 主机的主要机械零、部件建模 1 上、下工臂的结构设计 上、下工臂是主机主要工作和受力构件，三维模型如图2 8 所示，其设计特 点如下： 图2 8 成形机工臂结构三维模型示意图 ( 8 ) 上工臂零件图( b ) 下工臂零件图 ( 1 ) 工作过程中工臂处于比较复杂的受力状态之中，设计时，必须考虑在满 足强度要求的情况下，也保证其刚度的可靠性。为此，将工臂结构设计为万型截 浙江工业大学硕士学位论文 面形状。尽管这样的设计结构复杂，但却减小了零件重量，有利于施工中的设备 起吊和移动运输。 ( 2 ) 工臂呈内弯状，增加工臂的有效长度，还可减小为了实现铰接工臂相互 嵌合而对工臂强度的削弱，增大工臂的起始角从而增加向外的推力，同时防止机 构工作时因夹土而卡死。 ( 3 ) 在工臂的结构设计中，工臂的销轴孔内设计有轴套。轴套采用优质合金 钢材料并可以进行必要的热处理以提高其耐磨性，用以保护工臂。当轴套或销轴 磨损严重时，只需更换销轴或铀套即可。 ( 4 ) 由于工臂的结构形状比较复杂，工臂零件选用低合金结构钢材料制造，除 了保证强度、刚度外，还可因此增大销轴尺寸。 ( 5 ) 工臂内侧中间槽的设计，还有利于工臂收回过程中，将进入机身内的夹石 挤碎，避免发生由于夹石或夹土造成的工臂不能收回的现象。 ( 6 ) 工臂与工臂之间的两端铰接处设计成可以较为容易拆卸的非死装配，可 以较为方便地装拆更换工臂。铰接处的主要易损受力零件根据需要也可以方便拆 换。 2 压头结构设计 压头是一个承受载荷较大的连接零件，在挤扩支盘的过程中，主要承受压力 的作用，活塞杆缩回时承受拉力的作用。三维模型如图2 - 9 所示，其设计特点如 下： 图2 9 压头三维模型结构示意图 ( 1 ) 在支盘机设计中，其上端通过螺纹与活塞杆相连接。 ( 2 ) 压头的下端设计有耳环，通过销轴( 上轴) 与两个对称布置的上工臂连 浙江工业大学硕士学位论文 接；耳环的厚度与工臂耳环的厚度相关，受主机外形尺寸的限制。 ( 3 ) 压头上设计有周向中间槽，用来安装导向块。 3 主机装配图 当将主机的零部件都建模完成之后，下一步就是将零部件装配成主机。简化 后的主机装配体主要包括2 个上工臂，2 个下工臂，1 个压头，1 个机身，4 个销 轴，4 个轴套，1 个液压缸，4 块导向滑块。主机三维装配模型如图2 1 0 所示。 其主要结构特点如下： 图2 一l o 主机三维装配模型示意图 ( a ) 主机模型( b ) 主机模型剖视图( c ) 主机模型等角轴测图 ( 1 ) 主机头中液压缸的活塞杆端与机身之间采用高强度螺栓进行连接。 ( 2 ) 活塞杆端与压头之间采用大直径螺纹连接方式进行连接。 ( 3 ) 在压头上设计安装了均匀布置的四个导向滑块，其目的是通过导向滑块 外径表面与机身内表面之间的间隙配合来控制活塞杆伸出较长时，不至于产生过 大的弯曲变形；在机身内壁上设有导轨，导轨的长度按活塞杆的行程确定。 ( 4 ) 挤扩工臂机构各零部件均为耳环式销轴连接方式，上工臂与压头之间通 过上轴连接；上工臂与下工臂之间通过中轴连接；下工臂与机身的底座之间通过 下轴连接。 浙江工业大学硕士学位论文 2 6 2 接长管的主要机械零、部件建模 接长管选用5 节组合式抽拉接长管，三维模型如图2 1 1 所示。其结构特征 如下： 2 - - i i 接长管三维装配模型示意图 ( 1 ) 接长管采用高强度无缝钢管，重量轻、焊接性好。 ( 2 ) 接长管除最外部第1 节外全部采用6 键加强型结构，都是6 根主外键均 匀地焊接在钢管外壁上，从前端一直到末端，弧形键则平均间隔地分布在空隙处， 形成了网形加强筋，最大限度地提高了接长管的抗扭及抗弯能力。 ( 3 ) 除了最内部第5 节外都具有内传动键和外传动键，主机动力头上的驱动 转矩通过接长管的最外传动键及各节间的内外传动键相互啮合，逐级传递到最内 节上，最终传递到工作机构上。第1 、2 、3 、4 节，由传动键部分和伸出的加压台 面部分组成；第5 节，只在接长管上均匀地焊接6 条平滑的外键，没有加压台面。 ( 4 ) 在接长管第5 节顶端设有吊耳；并在每一节接长管底端都设有止退环， 防止工作时接长管脱落。 2 6 3 其他部件三维建模 1 主机旋转动力装置部分三维零、部件建模 浙江工业大学硕士学位论文 主机旋转动力装置部分三维模型如图2 1 2 所示，主要由1 个液压马达，2 个齿轮，1 个齿圈以及1 个齿轮箱所组成。该装置是通过与接长管作用，以提供 主机进行挤扩承力盘成形时定量旋转并连续进行分支的挤扩作业的动力装置，并 且也是提供主机进行孔中连续旋转扫孔修孔作业的动力装置。 2 1 2 主机旋转动力装置三维装配模型示意图 2 立柱部分三维零、部件建模 立柱是为工作机构提供运动导向、位置调整、动力传递的依托部件，且作业时 动力装置所承受的扭矩、加压时油缸的反作用力、提升机构时鹅头滑轮所承受的 压力等均是由立柱来平衡的。该部分的三维模型如图2 1 3 所示。 图2 一1 3 立柱部分三维模型示意图 3 工作台部分三维零、部件建模 工作台是施工作业人员的操作施工设备工作地方，工作台上布置主要有操作 室、立柱调整油缸铰、主机油管转盘、油压装置箱。其三维模型如图2 1 4 所示。 浙扛工业大学硕士学位论文 2 6 4 整机装配及渲染 图2 1 4 工作台部分三维模型示意图 液压支盘成形机的各零、部件三维模型建模完成之后，就是进行整机的装配 建模，为了体现整机的整体效果，并使设计出的三维模型更加真实，对其进行色 彩渲染。考虑到此类大型机械在户外作业的工况，其外观色彩要能在远距离辨认， 最终选取工程车辆常用的黄色作为车身色彩主基调的渲染效果。图2 1 5 为渲染 后的液压支盘成形机效果图。 浙江工业大学顿士学位论文 2 7 本章小结 图2 一1 5 液压支盘成形机整机黄色渲染效果图 在分析了挤扩机构工作过程、基本要求以及工况的基础上，研究选定了设计 方案，结合项目样机主要经济技术指标的要求，确定了主要结构的几何参数的计 算公式及参数。并且，建立了挤扩设各整机的虚拟样机模型，该样机包括挤扩、 换位以及旋转扫孔等功能于一身，作业方便，可提高施工效率 浙江工业大学硕士学位论文 第三章球形孔扩张理论估算支盘桩扩孔挤压效应 3 1 引言 圆孔扩张理论广泛地应用于隧道、井筒、沉桩等问题的应力分析，以及旁压 仪等土工原位测试仪的机理分析。 圆孔扩张理论假设材料为理想弹塑性，根据弹塑性理论给出无限土体内，具 有初始半径的圆形孔( 圆筒形孔或球形孔) ，被均匀分布的内压力p 所扩张的一般 解。b u t t e r f i e l d 和b a n e r j e e 2 9 首先提出将平面应变条件下的柱形孔扩张用来解 决桩体贯入问题。分析时假定：1 土是均匀的、各向同性的理想弹塑性材料；2 土体饱和、不可压缩；3 土体屈服满足m o h r - - c o u l o m b 屈服准则；4 圆形孔扩张 前，土体具有各向相等的有效应力。 圆孔扩张理论提出之后，经过v e s i c t 3 0 l 、c a r t e r p l l 等人发展，成为解决沉桩 时对周围土体影响应用最为广泛的一种方法。 近年来，圆孔扩张理论还发展到可以考虑材料应交硬化、应交软化等1 3 2 1 1 3 3 1 ， 这反映在土体本构模型的采用由简单的m o h r - - c o u l o m b 模型发展为可以考虑应变