多功能履帶式靜力壓樁機的研發(fā)

關(guān)麗杰， 武敏敏， 趙偉民， 郜云波

(1． 東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318；2． 東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

多功能履帶式靜力壓樁機的研發(fā)

關(guān)麗杰1， 武敏敏1， 趙偉民1， 郜云波2

(1． 東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318；2． 東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

為了解決目前市面上常用靜力壓樁機不方便轉(zhuǎn)場和轉(zhuǎn)位的問題，將履帶底盤與附著式靜力壓樁機相結(jié)合，提出了多功能履帶式靜力壓樁機的設(shè)計方案．介紹了該壓樁機的主要結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新點，并對夾持壓樁機構(gòu)和履帶底盤的設(shè)計原理與功能特點進(jìn)行了具體分析．同時以上海市土層條件為例計算了壓樁過程中的最大壓樁阻力，并以此為依據(jù)對夾持壓樁機構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果符合要求，應(yīng)力分布結(jié)果也為夾持壓樁機構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計提供了依據(jù)．

靜力壓樁機； 履帶式； 夾持壓樁機構(gòu)； 有限元分析

隨著現(xiàn)代建筑科學(xué)技術(shù)和施工機械的不斷發(fā)展，目前已形成4種常用的樁基礎(chǔ)施工方式：錘擊打入法和振動沉入法、靜力壓入法和鉆孔灌注法．除鉆孔灌注法是以灌注樁為工作對象外，其余3種都是以預(yù)制樁為工作對象．預(yù)制樁施工可以避免灌注過程中的斷樁、縮頸、露筋和夾泥等現(xiàn)象，樁身質(zhì)量容易保證，因此使用較為廣泛．預(yù)制樁施工時，錘擊打入法和振動沉入法會在一定程度上破壞地基，并伴生振動、沖擊、噪音等環(huán)境公害等問題，隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，在一些城市這兩種方法已經(jīng)被禁止使用[1]．而靜力壓樁法是采用靜載荷將預(yù)制樁安靜且平穩(wěn)地壓入土中的一種基礎(chǔ)施工方法，可有效地彌補其余兩種預(yù)制樁施工方法的不足，越來越受到現(xiàn)代社會的認(rèn)可．目前，國內(nèi)研發(fā)和使用較多的是步履式靜力壓樁機，研究方向也從粗放式向精細(xì)化發(fā)展．西方國家由于人口密度較小及地質(zhì)環(huán)境等原因，對靜力壓樁機的使用較少，雖然近年來也有一些靜壓樁施工案例，但并未像我國一樣形成靜壓樁施工工法，能夠代表國外靜力壓樁機發(fā)展水平的是日本研發(fā)的附著式靜力壓樁機．附著式靜力壓樁機需要配置起重機、動力車等配套設(shè)施，而步履式靜力壓樁機需要很多配重，機身沉重，也只能滿足一般工況的壓樁工作，不能進(jìn)行圍堰、水上等特殊工況的施工．所以這兩種靜力壓樁機轉(zhuǎn)場和轉(zhuǎn)位都不方便，施工效率受到嚴(yán)重影響．為了適應(yīng)新形勢發(fā)展，解決以上壓樁機存在的問題，本文研究將附著式壓樁機與步履式壓樁機進(jìn)行結(jié)合，并首次使用履帶底盤作為靜力壓樁機的行走機構(gòu)，設(shè)計了多功能履帶式靜力壓樁機．

1 多功能履帶式靜力壓樁機主要結(jié)構(gòu)

多功能履帶式靜力壓樁機主要由5部分組成：夾持壓樁機構(gòu)、起重機構(gòu)、駕駛室及其升降機構(gòu)、履帶底盤和動力系統(tǒng)，如圖1所示．

圖1 多功能履帶式靜力壓樁機Fig．1 New multifunctional crawler mounted silent piler

1．1夾持壓樁機構(gòu)

夾持壓樁機構(gòu)由放置在履帶底盤上的支座或是已經(jīng)打入地下的幾根樁支撐．壓樁機站在支撐上面，由起重機構(gòu)為壓樁機吊入新樁，壓樁機的夾樁頭夾緊新樁并壓樁．在完成一個壓樁行程后，松開夾樁頭，將其提升至上位，然后再次夾緊樁，進(jìn)行下一行程的壓樁工作[2]．若是在平地上工作，可以在把預(yù)制樁壓到預(yù)定深度后，使履帶底盤前進(jìn)一個樁位，開始進(jìn)行下一個樁的壓拔工作；若是在履帶底盤無法行駛的環(huán)境工作，如水上、傾斜的路堤或狹窄受限制的地方等，可以在壓入半根樁時，夾樁頭夾緊，松開腳爪，機身抬高離開支座或樁身，壓樁機床身間的液壓缸把床身向前拉一個樁位距離，再降低床身，夾緊腳爪，把剩余的半根樁壓入土壤，之后松開夾樁頭，把夾樁頭提升至上位，等待起重機構(gòu)的下一次吊樁．

參考附著式靜力壓樁機，再根據(jù)履帶底盤特點對該機構(gòu)做出適當(dāng)調(diào)整，使壓樁機結(jié)構(gòu)更加緊湊．但由于履帶式靜力壓樁機可以脫離底盤工作，所以能夠適應(yīng)水上等特殊工況，相比步履式靜力壓樁機，其能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能．

多功能履帶式靜力壓樁機不但可以壓拔預(yù)制樁，對H型鋼樁和其他異型鋼樁也適用．對于不同形狀的樁，只需要更換履帶底盤上的支座和壓樁機構(gòu)即可．不同樁型對應(yīng)支座及壓樁機構(gòu)示例如圖2所示．多功能履帶式靜力壓樁機還可以根據(jù)土層條件的不同，配合螺旋鉆等機構(gòu)進(jìn)行中掘法以及鉆孔法施工[3]．

(a) 鋼管樁對應(yīng)支座

(b) 鋼管樁對應(yīng)壓樁機構(gòu)

(c) U型鋼板樁對應(yīng)支座

(d) U型鋼板樁對應(yīng)壓樁機構(gòu)

1．2駕駛室及其升降機構(gòu)

駕駛室升降是通過一個平行四連桿機構(gòu)來實現(xiàn)的，該機構(gòu)利用平行四邊形在變形過程中兩組對邊始終分別保持平行的原理，使得無論駕駛室如何升降，始終保持水平狀態(tài)[4]．相對于市面上現(xiàn)有步履式靜力壓樁機的固定駕駛室，這一改進(jìn)可使工作人員清楚地觀察壓樁情況，正確地進(jìn)行操作．駕駛室及其升降機構(gòu)也坐落在與壓樁機構(gòu)連接的平臺上，以保證其跟隨壓樁機構(gòu)工作．

1．3履帶底盤

履帶底盤是該壓樁機的行走裝置，與步履式底盤相比，其結(jié)構(gòu)輕便，運行靈活，爬坡能力強，能夠較快速地在復(fù)雜工地情況下安全行駛．履帶式壓樁機轉(zhuǎn)場時也不需像步履式壓樁機一樣將配重等結(jié)構(gòu)全部拆下分別運輸，所以很大程度上提高了壓樁機的轉(zhuǎn)場便捷性．

履帶底盤除可作為行走裝置外，還具有支承作用，在其上添加平臺后，可將起重機構(gòu)、駕駛室和動力系統(tǒng)連接在平臺上，保證其行動統(tǒng)一性．履帶式壓樁機與附著式壓樁機相比較，前者結(jié)構(gòu)更加緊湊，轉(zhuǎn)位更加靈活．

為了適應(yīng)更多工況，參考履帶底盤的擴履方式和步履式底盤的橫向平移方式，對履帶底盤進(jìn)行改造，使履帶底盤除了可以前進(jìn)和后退外，還可以通過6個支腿的相互配合實現(xiàn)橫向移動功能，以解決圍堰樁施工的難題．改造后的履帶底盤橫向平移過程原理如圖3所示．

圖3 履帶底盤橫向平移過程原理圖Fig．3 Schematic diagram of transverse translation process of crawler chassis

由圖3可知：當(dāng)履帶底盤開始橫向向右平移時，左邊兩個支腿和中間兩個支腿伸出，履帶離地，支架右梁伸長，履帶右移；接著支腿全部收回，支架左梁伸長；然后右邊兩個支腿和中間兩個支腿伸出，履帶左移，支架前后左梁收縮；最后，將支腿全部收回，實現(xiàn)了履帶底盤的向右平移．

1．4起重機構(gòu)及動力系統(tǒng)

起重機構(gòu)的作用是吊起樁，并對壓樁機構(gòu)進(jìn)行喂樁．起重機構(gòu)通過一個回轉(zhuǎn)支承連接在一個平臺上，這個平臺與壓樁機構(gòu)連接．回轉(zhuǎn)支承使得起重機構(gòu)能在水平平面內(nèi)進(jìn)行回轉(zhuǎn)和自由作業(yè)，其坐落在與壓樁機構(gòu)連接的平臺上，使起重機構(gòu)能夠跟隨壓樁機構(gòu)脫離履帶底盤，并在水上、傾斜的路堤或狹窄受限制的地方進(jìn)行工作．作為一部分配重的動力系統(tǒng)和起重機構(gòu)分別放置在平臺前后兩端，保證了整機的穩(wěn)定性．

2 多功能履帶式靜力壓樁機主要性能參數(shù)確定

靜力壓入法通常應(yīng)用于高壓縮性黏土層或砂性較輕的軟黏土地基，在土質(zhì)松軟的南方地區(qū)較多使用該方法．因此，以上海地區(qū)為例對壓樁力進(jìn)行初步估算，上海地區(qū)各土層壓樁阻力值如表1所示.

表1 上海地區(qū)各土層壓樁阻力值一覽表Table 1 The resistance value of piling of solis in Shanghai

壓樁過程中，樁要克服包括慣性力在內(nèi)的土阻力及其他阻力，而土阻力又包括樁側(cè)摩擦阻力和樁尖阻力．壓樁阻力可通過式(1)進(jìn)行估算．

F=C∑hifi+qtS

(1)

式中：F為壓樁阻力(kN)；C為樁截面周長(m)；hi為i層土層高度(m)；fi為i層單位面積樁側(cè)摩擦阻力(kPa)；qt為t層單位面積樁端阻力(kPa)；S為樁尖截面積(m2)．

假設(shè)將截面尺寸為350 mm×350 mm的方樁壓入到第7層，由式(1)可知，當(dāng)樁被壓至最下端時，所受到的壓樁阻力最大，將表1中數(shù)據(jù)代入后得出最大壓樁阻力為907．79 kN．為了使該壓樁機適應(yīng)更多土質(zhì)條件，取壓樁力為1 500 kN．

克服壓樁阻力的動力源是壓樁力，但它不是直接作用于樁，而是通過夾樁頭與樁之間的摩擦力來實現(xiàn)的，摩擦力由夾樁力產(chǎn)生，兩者之間關(guān)系如式(2)所示．

Ff=μFj

(2)

式中：Ff為夾樁頭與樁之間的摩擦力；Fj為夾樁力；μ為摩擦因數(shù)，一般取0．35．

由于摩擦力等于壓樁力1 500 kN，代入式(2)可得夾樁力為4 285．71 kN，取整為4 300 kN．

通過查閱相關(guān)工程實例，設(shè)定壓樁速度、壓樁行程、橫向平移行程等參數(shù)．多功能履帶式靜力壓樁機主要性能參數(shù)如表2所示．

表2 多功能履帶式靜力壓樁機主要性能參數(shù)

3 夾持壓樁機構(gòu)的有限元分析

本文選取方樁為施工對象，設(shè)計夾持壓樁機構(gòu)如圖4所示，其主要結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)臺、底座、壓樁滑塊和夾樁鉗4部分．底座通過腳爪固定在履帶底盤或者已經(jīng)壓入的方樁上，為壓樁工作提供反力；旋轉(zhuǎn)臺可以在底座上轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)拐角處施工；兩個壓樁油缸通過壓樁滑塊來提供壓拔樁力；夾樁鉗夾緊方樁，在保證夾緊力不會對樁造成破壞的條件下將樁向下壓．下面對夾持壓樁機構(gòu)進(jìn)行有限元分析．

圖4 方樁夾持壓樁機構(gòu)示意圖Fig．4 Clamping and pressing mechanism of square pile

夾持壓樁機構(gòu)是壓樁執(zhí)行機構(gòu)，其設(shè)計好壞直接關(guān)系到該靜力壓樁機能否成功完成壓拔樁工作，所以著重對其進(jìn)行分析．綜合考慮現(xiàn)場需要及生產(chǎn)成本，夾持壓樁機構(gòu)中除銷軸類零件材料為45鋼外，其余零件材料均選低等結(jié)構(gòu)鋼Q345b[5]．

采用三維建模軟件對夾持壓樁機構(gòu)進(jìn)行有限元分析．把腳爪與履帶式底盤的接觸面和夾樁頭與樁的接觸面設(shè)定為固定面，在液壓缸連接處加1 500 kN壓樁力．夾持壓樁機構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型如圖5所示．

圖5 夾持壓樁機構(gòu)有限元網(wǎng)格模型Fig．5 The finite element mesh model of clamping and pressing mechanism

在壓樁狀態(tài)下，夾持壓樁機構(gòu)有限元仿真結(jié)果如圖6和7所示．

圖6 夾持壓樁機構(gòu)應(yīng)力云圖Fig．6 The stress nephogram of clamping and pressing mechanism

圖7 夾持壓樁機構(gòu)位移云圖Fig．7 The displacement nephogram of clamping and pressing mechanism

由圖6和7可知，夾持壓樁機構(gòu)夾緊樁在向下壓的過程中最大應(yīng)力為190．936 MPa，小于材料許用應(yīng)力345 MPa，最大位移為1．271 mm，也處于允許范圍內(nèi)，所以該夾持壓樁機構(gòu)的設(shè)計滿足實際要求．

4 結(jié) 論

(1) 本文設(shè)計的多功能履帶式靜力壓樁機，不僅綜合了步履式靜力壓樁機和附著式靜力壓樁機的優(yōu)點，而且解決了壓樁機轉(zhuǎn)場和轉(zhuǎn)位不便的問題，有效提高了工作效率，擁有更加廣闊的發(fā)展前景．

(2) 多功能履帶式靜力壓樁機可利用配置的起重機和附著式樁架，滿足定位樁的施工，也可滿足中掘樁等多種樁基施工作業(yè)的需求．

[1] YAMASHITA H， HIRATA H， KINOSHITA M． Challenges in the past and for the future of design and installation technologies on steel pipe piles in Japan[J]． Doboku Gakkai Ronbunshuu F， 2010，66(3)：34-36．

[2] 周衛(wèi)兵．基于樁反作用力的環(huán)保型可行走多功能靜力壓樁機[D]．廣州：廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，2011．

[3] 劉振東，趙文欣，趙偉民．樁架的起架油缸鉸座的分析計算[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(12)：2942-2946．

[4] GUO F， ZHAO W M， LI G X． Analysis of telescopic beam structure using couple of DOF technique and its application[J]． Journal of Harbin Institute of Technology (English Edition)， 2009，16(2)：469-473．

[5] SFILIGOJ E． Pile drivers[J]． Croplife， 2010，173(6)：86-89．

(責(zé)任編輯：徐惠華)

DesignandResearchofMultifunctionalCrawlerMountedSilentPiler

GUANLijie1，WUMinmin1，ZHAOWeimin1，GAOYunbo2

(1． College of Mechanical Science and Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China；2． College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China)

In order to solve the problem that the common silent piler is inconvenient to fields or position， the design plan of multifunctional crawler mounted silent piler is put forward by combination of crawler chassis and adhesion type pile driver． The main structures and their innovation are introduced and the design principle and function characteristics are analyzed concretely． Meanwhile， the maximum pressure resistance is calculated by taking the the soil conditions in Shanghai as an example． Finally， the finite element analysis of the clamping and pressing mechanism is made． The analysis results meet the requirements and the result of stress distribution can be the basis of the improvement of the clamping and pressing mechanism．

silent piler； crawler； clamping and pressing mechanism； finite element analysis

TU 753．3

A

1671-0444 (2017)04-0547-05

2017-04-05

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項目(12541101)

關(guān)麗杰( 1964—) ，女，黑龍江寧安人，教授，碩士，研究方向為計算機輔助設(shè)計及工程圖學(xué).E-mail：gljws@163.com