全液压振动打桩机总体设计及分析

全液压振动打桩机总体设计及分析

杜壮志

(江苏省有色金属华东地质勘查局，南京210007 )

摘要:总结了国内外学者在振动沉桩理论方面所取得的一些成果，分析了打桩机单自由度线性振动简化模型，设计了一 种小型全液压振动打桩机，探讨了振动打桩机的应用不足并提出了解决方法。关键词:振动打桩机;振动沉粧;单自由度模型;总体设计中图分类号:TU 753 文献标志码：B 文章编号：1002-2333(2016)12-0245-03

引言

桩基设备在髙层建筑、桥梁、港口、铁路工程建设中的 作用越来越明显。尤其是最近几年高层建筑深基础施工工 程量多、难度大、地质条件复杂，部分基础下面甚至有岩 层，沉桩垂直度和桩位的精确度要求越来越高，人工打桩 等落后的施工方法已经不能满足现今高层建筑稳定性与 安全性的要求，振动打桩机沉桩施工显示出巨大的优势， 但是振动打粧机有可能对相邻建筑或者结构物造成一^定 的损害，沉桩施工必须满足一定的施工质量要求，这对振 动打桩机提出了更高的要求，因此，很有必要开发一种高 效的振动打桩机来提高作业效率与作业质量。1

振动沉桩建模研究现状 1.1

国外研究现状

振动打桩机的研究始于苏联，1934年苏联研究了振 动参数的变化对土壤阻力的影响，并诞生了第一台“巴尔 堪”型振动打桩机，其后发展了多种型号，打桩深度和贯 入速度都得到了很大提升，在工程建设中发挥了巨大的 优势。美国、西欧及日本等国家在1959年前后相继开发了 振动打桩机。由于早期的打桩机故障率高，引起了研究机 构的髙度重视，对振动打桩机展开了相关理论研究，其中 影响最大的是巴尔坎教授提出了振动打桩机单自由度线 性模型，早期的研究都建立在单自由度模型基础上，振动 打桩机分析采用桩或土壤的离散能量公式表示。1956年 AYRE 、RS 对土壤振动切削试验及桩土相互作用过程进 行了研究，GRLWEAP 等人发展了波动方程分析法和非线 性振动分析法，CHUA 、KM 采用波动方程方法描述了振动 打桩机的工作过程。1992年Massarsch 对桩-土共振进行 过大量的研究，为了正确预估土的共振效应，同时考虑了 土的质量和硬度特性等因素，Smart 、Viking 等人研究了振 动锤振动频率及最优极限惯入速度的问题， GHAHARMANI 对振动打桩机的渗透和承载能力进行了 分析。国外比较有代表性的振动沉桩建模主要有:1960年 Smart 等人提出的波动方程模型（如图1)高效解决了桩 侧、桩端阻尼力的问题。1989年Raushce 等人研究的Case 建模法主要解决了沉桩过程瞬态地基阻力问题;1996年 Holeyman 等人提出的板粧模型(如图2 )求得桩上下运动 的速度，Viking 于2002年后提出Vipere 桩土壤模型（如图

3 )，首次用积分法解决了刚性桩的加速度，瞬时穿越速率 等问题[M 。

国内在振动沉粧理论方面的研究较晚，取得的实用 理论较少。中南大学的何清华等人采用拉格朗日定律和 土壤力学特性的一些基本理论，尝试性研究了液压振动 桩键工作系统力学模型，建立了系统动力学方程，并对方 程的解进行了分析和讨 论，可为桩锤主要参数的 选取和计算提供一定的理 论依据。兰州建筑通用机 械总厂的贾学武对振动打 桩机沉桩过程进行了分析 计算，找出了打桩机振幅、频率、桩的类型及桩下沉 的速度与地基土壤种类之 间的关系。华北水利学院

杨振中教授在巴尔坎单自由度线性模型的基础上建立了 振动冲击式打桩机力学模型，根据其运动特征做出了运 动过程的三阶段基本假设,分阶段进行了相应的动力学 分析，给出了最佳冲击条件。目前国内研究开发中、低频

液压振动锤的单位较少，北京建机所(DZJ 系列)和中铁机 械院有部分研究成果，高频锤(HFV 系列)研究处于试制阶 段。浙江振中目前正在开展液压振动锤调矩方面的研究。

网址: 电邮：hrbengineer@ 2016 年第 12 期■

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2打桩机单自由度模型

振动桩键、桩、土壤组成的振动

系统是一个复杂的系统，研究振动 沉桩过程，必须对振动系统加以简 化，建立便于分析计算的数学模型， 单自由度简化模型如图4所示，并做 如下假设^^ 1) 土壤为弹塑性体， 并且可以把弹性和塑性对桩 的影响分开考虑;2)桩是绝

对刚体;3)粧的振动是单纯 的纵向垂直振动;4) 土壤对 桩振动时的阻力仅为黏性阻 力;5) 土壤对桩的反力可看

成是桩位移和速度的线性函数;6)振动时桩端和土 壤不存在脱开现象;7)忽略桩振动时所附带的土壤 及其惯性的影响，或只用实验系数对振动体质量进 行修正。

由此建立微分方程如下：

(1)

图4

单自由度线

性振动简化模型

的布置对车架造成集中载荷;5)有利于提髙作业效率，驾 驶室视场好、可操控性好;6)有利于提高传动效率，如液 压油管的布置;7)维修方便，如发动机、分动箱、泵、燃油 箱、液压油箱等拆卸和装配方便。

基于以上原则，本论文设计了一种通用小型全液压 振动打粧机，其总体设计布局图如图5所示，主要技术参 数如表1所示。

m 柴+C d 2 ^^+^x=^〇s ^n (0t 〇

式中:m 为振动桩锤和桩的质量;C 为土壤阻尼系数乂为 土壤线弹性系数;为激振力幅值冲为偏心轴角速度。式(1)中第一项是振动桩键和粧的惯性力;第二项C 表1

全液压振动J T 桩机主要技术参数

项目参数

项目参数

发动机功率40kW

牵引力500 kN 最大回转速度10 r/min 液压系统流量80 mL/min 打桩速度3000 mm/min 液压锤重量260 kg 行走速度3~ 15 km/h 液压锤冲击频率750-820 次/min 理论爬坡能力44%液压健工作流量48~50 L/min 工作/运输状态宽度3400/1850 mm 液压锤工作压力13 MPa 工作/运输状态高度3500 /1800 mm 粧架前倾角度5°运输状态长度3200 mm 粧架后倾角度76°整机重量

5000 kg 粧架左右倾斜角度10°液压系统压力

25 MPa 支腿油缸行程

500 mm

是阻尼力，第三项^是弹性力，FQ sir ^是激振力。解方程得土壤对桩的作用力为

wcos(c«^—)+A:A sin(w£—(|))。

⑵

实践表明，在土壤松软的条件下，桩的振动是和巴尔 坎教授的简化模型相接近的，其振动基本上呈线性振动 的状态。3

振动打桩机总体设计

全液压振动打桩机总体结构设计主要遵循以下原 贝!1:1)保证必要的稳定性、可靠性;2)尺寸紧凑和操作便 捷，避免各运动机构干涉;3)工作性能优越，打粧效率高， 具备一些辅助应用功能;4)应避免动力装置或工作装置

1

图5全液压振动打桩机总体设计图

1.支腿油缸

2.履带式底盘

3.伸缩杆

4.伸缩导轨

5.桩架 偏摆板

6.粧架

7.桩锤

8.提升加力马达

9.液压油箱10.

液压马达

11.分动箱12.机罩13.发动机14.驾驶室15.

操作台16.座椅17.蓄电池、工具箱18.燃油箱

4振动打桩机的不足及解决方法

打桩机的益处是毋庸置疑的，但在实际工程中也有

不足，主要体现在以下几个方面:1)振动打桩机能耗高， 1963年苏联振动施工法权威BAPKAH 教授在其著名论文 上论述振动打桩机是“无益浪费能量”，在实际工程应用 中亦是如此。此问题有很多解决方法，如增加一静力加压 装置，当土壤承载能力较差时，可以单用静力加压沉桩， 不必启动振动锤，当阻力超过了静加压力（大于100 kN ) 时开始振压，这样可以减少能源消耗，延长振动锤的使用

寿命。2)振动打桩机易产生公害，振动理论表明，当机械 振动的频率与周围建筑物频率一致时，会产生共振，部分 研究报告表明其强大的振动冲击会对周围建筑物产生破 坏作用，解决的方法是采用调频装置，避开共振区，或者 挖深基坑以阻断振动对建筑物的破坏，或者采用超高频 振动打桩机。3)寿命短，维修困难，在实际施工过程中振 动打桩机电动机容易烧坏，轴承和液压接头等关键零部 件容易损坏，应用疲劳寿命分析理论结合试验分析的方 法，对关键零部件进行大量可靠性研究，提高关键零部件 的使用寿命。4)振动打桩机大多数研究仅针对非黏性土 质，而事实上黏性土质对振动沉桩的效果不好。此问题限 制了振动打桩机在黏性土壤中的应用，这是一个世界性 难题，部分学者也提出了一些解决方法，如仿生技术、气 体润滑等。5结语

1)

本文总结了国内外学者在振动沉桩理论方面所取

得的一些成果，我们必须大力推广一些新方法(如用波动 方程求取地基阻力以及分析桩内应力)来解决一些难题， 例如如何正确计算和确定振动桩的动态承载力；振动打 桩机的数值模拟研究等。

2) 介绍了巴尔坎教授提出的单自由度线性振动模

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