勾靖國，劉艷明

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

刺樁擠壓成形機(jī)力學(xué)分析及其穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

勾靖國，劉艷明

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

文章介紹了刺樁的基本知識(shí)及其刺樁擠壓成形機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了其在不同方位的受力情況。得出了刺樁擠壓成形機(jī)要平衡的條件：相鄰活塞必須成60°角；液壓缸按相反方向上下組裝而成。為正確設(shè)計(jì)和使用刺樁擠壓成形機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

刺樁成型機(jī)；力學(xué)模型；平衡

刺狀灌注樁簡稱刺樁，是由樹根的抗壓及抗拔作用和特點(diǎn)構(gòu)思、研究而設(shè)計(jì)的一種新型樁結(jié)構(gòu)。該樁形的發(fā)明不僅在樁身結(jié)構(gòu)和造型上進(jìn)行了大膽的變革，同時(shí)也使樁的受力機(jī)理發(fā)生了一定的變化[1]。刺樁由樁身1和布滿樁身的許多樁刺2兩部分組成，見圖1。由于樁刺的周圍按一定規(guī)則分布有眾多樁刺，承受的樁端阻力除了底部樁端阻力外，還有各樁刺處的端面阻力、側(cè)面阻力的共同作用，從而可大幅度提高樁體的承載能力。

刺樁的樁身由鉆機(jī)施工，樁刺由專用設(shè)備-刺樁擠壓成形機(jī)施工。樁刺因受到刺樁擠壓成形機(jī)的擠壓，使其壓密的樁刺周圍土體恰似樁的承載能力?？梢姡虡稊D壓成形機(jī)是施工刺樁的關(guān)鍵，而刺樁擠壓成形機(jī)在施工中的受力及其平衡，是刺樁擠壓成形機(jī)正常作業(yè)的關(guān)鍵[2]。

1 樁擠壓成形機(jī)工作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成及其工作原理

1.1 樁擠壓成形機(jī)工作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

圖1a所示為刺樁成形機(jī)的外形圖，它由三個(gè)成形機(jī)組件（簡稱一組液壓缸）橫向交叉60°、上下兩兩用螺柱連接接成一體。圖1b為其原始狀態(tài)俯示圖，圖2c為其活塞桿全部升出時(shí)的投影。

刺狀灌注樁成型機(jī)每一組件由兩個(gè)形狀和結(jié)構(gòu)完全相同的特制的液壓缸，按相反方向上下組裝而成，每個(gè)液壓缸由頂帽、油缸、機(jī)體等組成；兩個(gè)液壓缸用雙頭螺柱連接而成為整體。

1.2 狀灌注樁成型機(jī)的工作原理

圖1 刺樁結(jié)構(gòu)及形狀特征圖

圖2 整體刺樁成型機(jī)構(gòu)造

當(dāng)刺狀灌注樁成型機(jī)到達(dá)一定深度的方位時(shí)，啟動(dòng)液壓和換向閥，液壓缸的活塞桿緩慢升出。樁刺2擠壓樁孔土壁就會(huì)在樁壁擠壓出樁孔，見圖2c?；钊麠U達(dá)到最大位移后要繼續(xù)擠壓約5~10 s，為了能把刺孔壁的土壓實(shí)保持樁孔土壁的穩(wěn)。刺孔土壁穩(wěn)定后使用換向閥換向使活塞桿收回。這樣在樁孔壁上就擠出互成60°的6個(gè)樁刺孔，且縱向相隔距離一定。

改變刺狀灌注樁成型機(jī)在樁孔縱向位置，要同時(shí)旋轉(zhuǎn)刺樁成形機(jī)±（按順時(shí)針逆時(shí)針間隔旋轉(zhuǎn)30°），為了使得讓樁刺在樁孔壁分布均勻。重復(fù)上述操作就可以把整個(gè)樁孔上擠出樁刺。就像樹根一樣形成放射狀樁刺空間，圖1b為刺樁樁體的俯示圖。

刺狀灌注樁成型機(jī)每在孔深的方向上改變一次位置同時(shí)樁刺要旋轉(zhuǎn)（±30°），可見操作方便，且大大地縮短了操作時(shí)間，提高了工作效率。

2 刺樁擠壓成形機(jī)力學(xué)分析及其穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

2.1 建立力學(xué)模型

由于刺樁成形機(jī)的機(jī)體是一個(gè)用螺栓連接為一體的組合體，可視為剛體。在擠壓的過程中，每組活塞桿受孔壁的作用力，其大小相等方向相反與鉆孔軸向垂直的一對力構(gòu)成一個(gè)力偶。3個(gè)成型機(jī)組間作用3個(gè)力偶形成空間力偶系[3]。每組液壓缸的油缸壓力、縱向距離L相等，所以3個(gè)力偶矩是相等的，方向互成120°。刺樁擠壓成形機(jī)的力學(xué)模型，見圖3。

圖3 刺樁擠壓成形機(jī)的力學(xué)模型

2.2 刺樁成型機(jī)的穩(wěn)定性分析

由上分析，刺樁成型機(jī)的3個(gè)力偶構(gòu)成空間力偶。把力偶矩矢平移到刺樁成型機(jī)某O點(diǎn)，水平面投影，見圖4。根據(jù)空間力偶平衡的條件[4]：

由于M1＝M2＝M3＝FL

2.3 任意改換一個(gè)成形機(jī)組件的方位后，刺樁成型

機(jī)的力平衡情況

圖4 3個(gè)力偶矩矢在水平面的投影

當(dāng)任意改換1個(gè)或2個(gè)成形機(jī)組件的方位后，由圖4可知，只要刺樁成型機(jī)相鄰活塞桿的不滿足兩兩互成60°，3個(gè)力偶矩不能互成120°合力偶矩就不為零。所以在調(diào)整成型機(jī)的橫向位置時(shí)必須保證相鄰活塞兩兩互成60°。

3 結(jié)論

根據(jù)以上討論，可得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)三組成形機(jī)組件的方位為如圖2所示，只有相鄰活塞互成60°時(shí)，刺樁成型機(jī)整體受力的合力才能為零，處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

2）調(diào)整刺樁成形機(jī)縱向位置，并且每調(diào)整一次縱向位置時(shí)，只要保證相鄰活塞互成60°時(shí)，且液壓缸按相反方向上下組裝而成，刺樁成型機(jī)就能保證平衡。

3）刺樁成型機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度不是任意的，必須滿足結(jié)論（1）和（2）兩個(gè)條件。

4）刺樁成型機(jī)在使用前進(jìn)行組裝時(shí)，一定要按照設(shè)計(jì)中規(guī)定的方位組裝，否則成型機(jī)將無法正常施工。

[1]武維承，武熙.刺狀灌注樁施工技術(shù)及其擠壓成形機(jī)[J].建筑機(jī)械，2007（5）：94－98.

[2]趙昕彤，尹新生.淺談一種新型樁--刺身預(yù)應(yīng)力混凝土管樁[J].吉林建筑工程學(xué)報(bào)，2013，30（1）：15－16.

[3]袁士杰，呂哲勤.多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1992.

[4]程燕平.理論力學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

〔責(zé)任編輯 石白云〕

M echanical Analysis a nd Stability Design o f Extrusion Form ing M achine o f Thorn Pile

G OU Jing－guo，L IU Yan－ming
（School of Coal Engineering，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037003）

In the paper basic knowledge of thorn pile and the working principle characteristics are introduced in different directions.Mechanical equilibrium conditions of thorn pile are that a djacent to the piston must be each other angle of 60°and Hydraulic cylinders are assembled i n the longitudinal.The paper laid the foundation for the design and use of thorn pile extrusion formingmachine.

t horn pile extrusion f orming m achine；m echanicalmodel；b alance

O312

A

1674－0874（2013）06－0049－03

2013－08－08

勾靖國（1979－），男，山西忻州人，碩士，講師，研究方向：工程力學(xué)。

book=51,ebook=56