關(guān)麗杰， 武敏敏， 趙偉民， 郜云波

(1． 東北石油大學(xué) 機(jī)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(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

多功能履帶式靜力壓樁機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)不方便轉(zhuǎn)場(chǎng)和轉(zhuǎn)位的問(wèn)題，將履帶底盤(pán)與附著式靜力壓樁機(jī)相結(jié)合，提出了多功能履帶式靜力壓樁機(jī)的設(shè)計(jì)方案．介紹了該壓樁機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新點(diǎn)，并對(duì)夾持壓樁機(jī)構(gòu)和履帶底盤(pán)的設(shè)計(jì)原理與功能特點(diǎn)進(jìn)行了具體分析．同時(shí)以上海市土層條件為例計(jì)算了壓樁過(guò)程中的最大壓樁阻力，并以此為依據(jù)對(duì)夾持壓樁機(jī)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(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)．

靜力壓樁機(jī)； 履帶式； 夾持壓樁機(jī)構(gòu)； 有限元分析

隨著現(xiàn)代建筑科學(xué)技術(shù)和施工機(jī)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(dòng)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(duì)象外，其余3種都是以預(yù)制樁為工作對(duì)象．預(yù)制樁施工可以避免灌注過(guò)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(shí)，錘擊打入法和振動(dòng)沉入法會(huì)在一定程度上破壞地基，并伴生振動(dòng)、沖擊、噪音等環(huán)境公害等問(wèn)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(bǔ)其余兩種預(yù)制樁施工方法的不足，越來(lái)越受到現(xiàn)代社會(huì)的認(rèn)可．目前，國(guó)內(nèi)研發(fā)和使用較多的是步履式靜力壓樁機(jī)，研究方向也從粗放式向精細(xì)化發(fā)展．西方國(guó)家由于人口密度較小及地質(zhì)環(huán)境等原因，對(duì)靜力壓樁機(jī)的使用較少，雖然近年來(lái)也有一些靜壓樁施工案例，但并未像我國(guó)一樣形成靜壓樁施工工法，能夠代表國(guó)外靜力壓樁機(jī)發(fā)展水平的是日本研發(fā)的附著式靜力壓樁機(jī)．附著式靜力壓樁機(jī)需要配置起重機(jī)、動(dòng)力車(chē)等配套設(shè)施，而步履式靜力壓樁機(jī)需要很多配重，機(jī)身沉重，也只能滿(mǎn)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(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)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(shì)發(fā)展，解決以上壓樁機(jī)存在的問(wèn)題，本文研究將附著式壓樁機(jī)與步履式壓樁機(jī)進(jìn)行結(jié)合，并首次使用履帶底盤(pán)作為靜力壓樁機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了多功能履帶式靜力壓樁機(jī)．

1 多功能履帶式靜力壓樁機(jī)主要結(jié)構(gòu)

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

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

1．1夾持壓樁機(jī)構(gòu)

夾持壓樁機(jī)構(gòu)由放置在履帶底盤(pán)上的支座或是已經(jīng)打入地下的幾根樁支撐．壓樁機(jī)站在支撐上面，由起重機(jī)構(gòu)為壓樁機(jī)吊入新樁，壓樁機(jī)的夾樁頭夾緊新樁并壓樁．在完成一個(gè)壓樁行程后，松開(kāi)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(pán)前進(jìn)一個(gè)樁位，開(kāi)始進(jìn)行下一個(gè)樁的壓拔工作；若是在履帶底盤(pán)無(wú)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(shí)，夾樁頭夾緊，松開(kāi)腳爪，機(jī)身抬高離開(kāi)支座或樁身，壓樁機(jī)床身間的液壓缸把床身向前拉一個(gè)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(kāi)夾樁頭，把夾樁頭提升至上位，等待起重機(jī)構(gòu)的下一次吊樁．

參考附著式靜力壓樁機(jī)，再根據(jù)履帶底盤(pán)特點(diǎn)對(duì)該機(jī)構(gòu)做出適當(dāng)調(diào)整，使壓樁機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊．但由于履帶式靜力壓樁機(jī)可以脫離底盤(pán)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(jī)，其能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能．

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

(a) 鋼管樁對(duì)應(yīng)支座

(b) 鋼管樁對(duì)應(yīng)壓樁機(jī)構(gòu)

(c) U型鋼板樁對(duì)應(yīng)支座

(d) U型鋼板樁對(duì)應(yīng)壓樁機(jī)構(gòu)

1．2駕駛室及其升降機(jī)構(gòu)

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

1．3履帶底盤(pán)

履帶底盤(pán)是該壓樁機(jī)的行走裝置，與步履式底盤(pán)相比，其結(jié)構(gòu)輕便，運(yùn)行靈活，爬坡能力強(qiáng)，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(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)也不需像步履式壓樁機(jī)一樣將配重等結(jié)構(gòu)全部拆下分別運(yùn)輸，所以很大程度上提高了壓樁機(jī)的轉(zhuǎn)場(chǎng)便捷性．

履帶底盤(pán)除可作為行走裝置外，還具有支承作用，在其上添加平臺(tái)后，可將起重機(jī)構(gòu)、駕駛室和動(dòng)力系統(tǒng)連接在平臺(tái)上，保證其行動(dòng)統(tǒng)一性．履帶式壓樁機(jī)與附著式壓樁機(jī)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(pán)的擴(kuò)履方式和步履式底盤(pán)的橫向平移方式，對(duì)履帶底盤(pán)進(jìn)行改造，使履帶底盤(pán)除了可以前進(jìn)和后退外，還可以通過(guò)6個(gè)支腿的相互配合實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)功能，以解決圍堰樁施工的難題．改造后的履帶底盤(pán)橫向平移過(guò)程原理如圖3所示．

圖3 履帶底盤(pán)橫向平移過(guò)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(pán)開(kāi)始橫向向右平移時(shí)，左邊兩個(gè)支腿和中間兩個(gè)支腿伸出，履帶離地，支架右梁伸長(zhǎng)，履帶右移；接著支腿全部收回，支架左梁伸長(zhǎng)；然后右邊兩個(gè)支腿和中間兩個(gè)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(shí)現(xiàn)了履帶底盤(pán)的向右平移．

1．4起重機(jī)構(gòu)及動(dòng)力系統(tǒng)

起重機(jī)構(gòu)的作用是吊起樁，并對(duì)壓樁機(jī)構(gòu)進(jìn)行喂樁．起重機(jī)構(gòu)通過(guò)一個(gè)回轉(zhuǎn)支承連接在一個(gè)平臺(tái)上，這個(gè)平臺(tái)與壓樁機(jī)構(gòu)連接．回轉(zhuǎn)支承使得起重機(jī)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(jī)構(gòu)連接的平臺(tái)上，使起重機(jī)構(gòu)能夠跟隨壓樁機(jī)構(gòu)脫離履帶底盤(pán)，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(dòng)力系統(tǒng)和起重機(jī)構(gòu)分別放置在平臺(tái)前后兩端，保證了整機(jī)的穩(wěn)定性．

2 多功能履帶式靜力壓樁機(jī)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(duì)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(guò)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(guò)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(zhǎng)(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(shí)，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(jī)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(dòng)力源是壓樁力，但它不是直接作用于樁，而是通過(guò)夾樁頭與樁之間的摩擦力來(lái)實(shí)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(guò)查閱相關(guān)工程實(shí)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(jī)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(jī)主要性能參數(shù)

3 夾持壓樁機(jī)構(gòu)的有限元分析

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

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

夾持壓樁機(jī)構(gòu)是壓樁執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)好壞直接關(guān)系到該靜力壓樁機(jī)能否成功完成壓拔樁工作，所以著重對(duì)其進(jìn)行分析．綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)需要及生產(chǎn)成本，夾持壓樁機(jī)構(gòu)中除銷(xiāo)軸類(lèi)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(duì)夾持壓樁機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析．把腳爪與履帶式底盤(pán)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(jī)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型如圖5所示．

圖5 夾持壓樁機(jī)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(jī)構(gòu)有限元仿真結(jié)果如圖6和7所示．

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

圖7 夾持壓樁機(jī)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(jī)構(gòu)夾緊樁在向下壓的過(guò)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足實(shí)際要求．

4 結(jié) 論

(1) 本文設(shè)計(jì)的多功能履帶式靜力壓樁機(jī)，不僅綜合了步履式靜力壓樁機(jī)和附著式靜力壓樁機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且解決了壓樁機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)和轉(zhuǎn)位不便的問(wèn)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(jī)可利用配置的起重機(jī)和附著式樁架，滿(mǎn)足定位樁的施工，也可滿(mǎn)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(jī)[D]．廣州：廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)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(jì)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(xiàng)目(12541101)

關(guān)麗杰( 1964—) ，女，黑龍江寧安人，教授，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及工程圖學(xué).E-mail：gljws@163.com