履帶起重機(jī)接地比壓計算和地基承載力試驗

葉志明

中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)工程有限公司 山東濟(jì)南 250014

1 起重機(jī)械地基處理的重要性

起重機(jī)尤其是流動式起重機(jī)是靠履帶或支腿支撐在基礎(chǔ)上，所有重量包括起重機(jī)自重和吊裝設(shè)備或構(gòu)件重量通過履帶或支腿傳遞到基礎(chǔ)上。由于起重機(jī)要做變幅、回轉(zhuǎn)運動，基礎(chǔ)的不同部分受力不均勻，并在不斷地變化。如果基礎(chǔ)在吊裝過程中發(fā)生沉降，將發(fā)生重大吊裝事故。在起重機(jī)械事故原因分析及吊裝專項方案評審中，發(fā)現(xiàn)有些起重機(jī)未配置隨車顯示起重機(jī)實時接地比壓的軟件，起重機(jī)司機(jī)無法觀測到接地比壓數(shù)據(jù)。有的起重機(jī)雖然配置軟件，但也是在地基處理完成后，起重機(jī)站在基礎(chǔ)上達(dá)到工作狀態(tài)時才能顯示，無法指導(dǎo)吊車地基的處理。而且起重機(jī)技術(shù)說明書中大多沒有推薦最大接地比壓，只是提供了起重機(jī)基本工況下的平均接地比壓，對起重機(jī)站位地基處理沒有實質(zhì)性的指導(dǎo)意義。

地基的承載能力由吊裝區(qū)域的地質(zhì)狀況決定，而起重機(jī)能否安全工作很大程度上取決于地基基礎(chǔ)的承載能力能否滿足起重機(jī)接地比壓的要求。起重機(jī)對地的壓力與起重機(jī)的行駛、工作狀態(tài)直接相關(guān)。我國幅員遼闊，地質(zhì)狀況復(fù)雜，工程建設(shè)工地因建設(shè)性質(zhì)的不同，地質(zhì)狀況的變化較大。如在一些改、擴(kuò)建工地，地面往往澆筑了混凝土地面，會給人以假象；而在一些新建工地，由于挖土、填方、地下結(jié)構(gòu)等因素，地基承載能力被削弱，尤其是目前正在如火如荼進(jìn)行的風(fēng)電機(jī)組安裝工程，更是如此。因此，在進(jìn)行基礎(chǔ)處理時，必須首先根據(jù)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和不同工作狀態(tài)，分析其對地的最大壓力，再根據(jù)具體地質(zhì)狀況進(jìn)行承載能力的計算及地基處理方案設(shè)計。

履帶起重機(jī)是利用履帶承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。履帶承重結(jié)構(gòu)既是其行走結(jié)構(gòu)，又是吊裝時的支撐件，伸展尺寸不大。但履帶與地面接觸面積較大，上部荷載以分布力的形式通過履帶傳遞到基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)可根據(jù)情況采用整體或相互獨立式。

2 履帶起重機(jī)接地比壓的計算

履帶單位接地面積所承受的垂直載荷，稱為履帶接地比壓。履帶接地比壓計算模型如圖1（a）所示，以兩條履帶接地區(qū)段的幾何中心為原點，通過該點引出相互垂直的縱向與橫向中心線x 和y，形成一個直角坐標(biāo)系。

圖1 履帶接地比壓計算模型

2.1 當(dāng)C=0 時

當(dāng)C=0 時，則G1=G2。工作重力與垂直外載荷所構(gòu)成的合力按履帶接地面積平均承載，所得的接地比壓稱為平均接地比壓，計算公式見式（1）。平均接地比壓并不代表起重機(jī)的實際接地比壓。因為起重機(jī)的重心在水平地面上的投影，一般不會恰好與履帶接地區(qū)段的幾何中心相重合。因此計算平均接地比壓意義不大，實際應(yīng)用必須計算起重機(jī)的最大接地比壓和最小接地比壓。

2.2 當(dāng)C≠0，且e=0～L/ 6 時

當(dāng)C≠0，且e=0～L/ 6 時，履帶接地比壓圖為梯形。履帶Ⅰ接地區(qū)段最大、最小和任意部位x 的接地比壓計算式見式（2）—式（4）。

2.3 當(dāng)C≠0，且e=L/ 6 時

當(dāng)C≠0，且e=L/ 6 時，履帶接地比壓圖是以履帶接地區(qū)段長度L 為底邊的直角三角形。此時，履帶Ⅰ接地區(qū)段最大、最小和任意部位x 的接地比壓見式（8）—（10）。

履帶Ⅱ接地區(qū)段最大、最小和任意部位x 的接地比壓見式（11）—（13）。

2.4 當(dāng)C≠0，且e＞L/ 6 時

當(dāng)C≠0，且e＞L/ 6 時，接地比壓圖為直角三角形，其底邊較履帶接地區(qū)段長度（L）短。履帶接地區(qū)段承受壓力部分的長度為L' ，計算公式見式（14）。

履帶Ⅰ接地區(qū)段最大、最小和任意部位x 的接地比壓計算見式（15）-（17）。

履帶Ⅱ接地區(qū)段最大、最小和任意部位的接地比壓計算見式（18）-（20）。

3 履帶起重機(jī)接地比壓的近似計算

3.1 履帶受力分析

履帶起重機(jī)簡圖如圖2 所示。

因此本文選用板式換熱器作為研究對象，首先對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算[10]，然后根據(jù)設(shè)計參數(shù)分析污水流速對堵塞換熱的影響規(guī)律.

圖2 履帶起重機(jī)簡圖

作用在支承形心上向前方的凈力矩計算見式（21）。

側(cè)向力矩為計算見式（22）。

總垂直載荷計算見式（23）。

總垂直載荷在履帶下面產(chǎn)生的壓應(yīng)力計算見式（24）。

一條履帶接地面積的對中性軸y 的抗彎截面模量（W1）可近似地按矩形計算，見式（25）。

Mx作用在履帶中心的前方壓應(yīng)力計算見式（26）。

P 和Mx的共同作用產(chǎn)生的對地面壓應(yīng)力如圖3 所示。

圖3 P 和Mx 共同作用產(chǎn)生的對地面壓應(yīng)力

兩條履帶接地面積對中性軸x 的組合截面的抗彎截面模量可近似的記為式（27）。

側(cè)向力矩（My）產(chǎn)生的壓應(yīng)力見式（28）。

P 和My的共同作用產(chǎn)生的對地面壓應(yīng)力如圖4 所示。

圖4 P 和My 共同作用產(chǎn)生的對地面壓應(yīng)力

將由集中力產(chǎn)生的履帶壓應(yīng)力（P1）和由偏心距產(chǎn)生的履帶壓應(yīng)力P2、P3進(jìn)行疊加，得到總壓應(yīng)力（P總）計算式見式（29）。

3.2 起重機(jī)Gc 的重心Y0 的計算

Y0的計算需要起重機(jī)各部位的重量和重心位置，但這些參數(shù)在起重機(jī)制造廠家提供的使用說明書中都查不到。當(dāng)不知道Gc的重心位置Y0時，可以根據(jù)《履帶起重機(jī)》（GB/ T 14560- 2016）5.10.2.3 條款中關(guān)于靜穩(wěn)定性的規(guī)定：“臂架處于起重機(jī)穩(wěn)定性最不利位置，臂架仰角處于產(chǎn)生最大傾覆力矩的工作幅度、起吊相應(yīng)工況（1.25Q+0.1Gb1）的試驗載荷，分別對不同的臂架組合形式進(jìn)行試驗，慢速起升載荷到一定的離地高度，停留10min”。試驗過程中起重機(jī)不傾覆則認(rèn)為是穩(wěn)定的。其中Q 為起重機(jī)制造廠規(guī)定的在不同幅度下起重機(jī)的額定總起重量的重力，從起重機(jī)性能表可以查到；Gb1為由主臂質(zhì)量或副臂質(zhì)量換算到主臂端部或副臂端部的質(zhì)量重力。因為起重機(jī)不傾覆的條件是穩(wěn)定力矩必須大于或等于傾覆力矩，即M穩(wěn)≥M傾，根據(jù)這條規(guī)定可近似的求得Y0。

M穩(wěn)為Gc在起重臂垂直于履帶方向時產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩，計算公式見式（30）—式（34）。

3.3 求P 最大值

將式（21）和（22）代入式（29），得式（35）。

4 履帶起重機(jī)履帶下鋪設(shè)路基板后接地比壓的換算

在現(xiàn)場吊裝施工中，可利用已知的起重機(jī)最大接地比壓，進(jìn)行鋪設(shè)路基板后的接地比壓換算，進(jìn)而提出對吊車地基的地耐力要求。起重機(jī)最大接地比壓可通過起重機(jī)技術(shù)說明書中推薦的最大接地比壓、起重機(jī)隨車計算軟件計算得出的最大接地比壓，或通過本節(jié)本項（一）“履帶起重機(jī)接地比壓的計算”或（二）“履帶起重機(jī)接地比壓的近似計算”計算得出的最大接地比壓取得。

如ZCC9800/ 800t 履帶起重機(jī)履帶寬度1.5m，操作手冊推薦的超起工況下最大接地比壓為70t/ m2，現(xiàn)場配備14 塊專用路基板，單塊路基板重量5.0t，尺寸為5.0m×2.5m×0.2m，每條履帶下方橫向鋪設(shè)7 塊路基板，路基板鋪設(shè)平整、無間隙。因此，鋪設(shè)路基板后，ZCC9800/ 800t 履帶起重機(jī)最大接地比壓換算為：70t/ m2×1.5m÷5m +5t/（2.5m×5m）=21.4t/ m2。

5 吊車地基現(xiàn)場處理及承載力試驗

5.1 不同地域常用起重機(jī)地基處理方式

（1）山地、丘陵地域：此種類區(qū)域吊車地基一般會利用原山地、丘陵地貌進(jìn)行切坡修筑，或一部分利用原山地、一部分回填，形成平整的吊車地基。此類區(qū)域地基一般的處理方式是強(qiáng)夯法、分層碾壓法。

（2）平原地區(qū)耕地地域：此種類區(qū)域一般采用開挖換填、原土夯實、水泥攪拌地基處理方式。

（3）海邊、湖邊、江河邊等泥灘地域：此種類區(qū)域的一般采用樁基、開挖換填、水泥攪拌地基處理方式。

5.2 起重機(jī)地基的合格性試驗

吊車地基檢查經(jīng)常用到處理后地基靜載荷試驗、復(fù)合地基靜載荷試驗、重型動力觸探等方法。以下重點闡述處理后地基靜載荷試驗方法：

（1）適用于確定采用換填墊層、預(yù)壓地基、壓實地基、夯實地基和注漿加固等方式處理的地基試驗承壓板影響范圍內(nèi)土層的承載力和變形參數(shù)。

（2）平板靜載荷試驗采用的壓板面積應(yīng)按需檢驗土層的厚度確定，且不應(yīng)小于1.0m2；對夯實地基，不宜小于2.0m2。

（3）試驗基坑寬度不應(yīng)小于承壓板寬度或直徑的3倍。應(yīng)保持試驗土層的原狀結(jié)構(gòu)和天然濕度。宜在擬試壓表面用粗砂或中砂層找平，其厚度不超過20mm。基準(zhǔn)梁及加荷平臺支點（或錨樁）宜設(shè)在試坑以外，且與承壓板邊的凈距不應(yīng)小于2m。

（4）加荷分級不應(yīng)少于8 級，最大加載量不應(yīng)小于設(shè)計要求的2 倍。

（5）每級加載后，按間隔10、10、10、15、15min，以后為每隔0.5h 測讀一次沉降量。當(dāng)在連續(xù)2h 內(nèi)，每小時的沉降量小于0.1mm 時，則認(rèn)為已趨穩(wěn)定，可加下一級荷載。

（6）當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止加載：當(dāng)滿足下列3 種情況之一時，其對應(yīng)的前一級荷載定為極限荷載：承壓板周圍的土明顯地側(cè)向擠出，周邊巖土出現(xiàn)明顯隆起或徑向裂縫持續(xù)發(fā)展；本級荷載的沉降量大于前級荷載沉降量的5 倍，壓力- 沉降曲線出現(xiàn)陡降段；在某一級荷載下，24h 內(nèi)沉降速率不能達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；承壓板的累計沉降量已大于其寬度或直徑的6%。

6 結(jié)論

通過以上計算及分析，明確了履帶起重機(jī)在計算其地基承載力時的基本條件算法。同時，也搞清楚了不同地域常用吊車地基處理方式和吊車地基的合格性試驗的具體做法。這對基層實施履帶起重機(jī)地基處理意義重大，必將進(jìn)一步加強(qiáng)履帶起重機(jī)的安全管理和使用。