多功能履帶式靜力壓樁機(jī)的研發(fā)關(guān)麗杰;武敏敏;趙偉民;都云波【摘要】Inordertosolvetheproblemthatthecommonsilentpilerisinconvenienttofieldsorposition,thedesignplanofmultifunctionalcrawlermountedsilentpilerisputforwardbycombinationofcrawlerchassisandadhesiontypepiledriver.Themainstructuresandtheirinnovationareintroducedandthedesignprincipleandfunctioncharacteristicsareanalyzedconcretely.Meanwhile,themaximumpressureresistanceiscalculatedbytakingthethesoilconditionsinShanghaiasanexample.Finally,thefiniteelementanalysisoftheclampingandpressingmechanismismade.Theanalysisresultsmeettherequirementsandtheresultofstressdistributioncanbethebasisoftheimprovementoftheclampingandpressingmechanism.%為了解決目前市面上常用靜力壓樁機(jī)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(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),并對夾持壓樁機(jī)構(gòu)和履帶底盤的設(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)算了壓樁過程中的最大壓樁阻力，并以此為依據(jù)對夾持壓樁機(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).【期刊名稱】《東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》【年（卷），期】2017（043）004【總頁數(shù)】5頁(P547-551)【關(guān)鍵詞】靜力壓樁機(jī);履帶式;夾持壓樁機(jī)構(gòu);有限元分析【作者】關(guān)麗杰;武敏敏;趙偉民;都云波【作者單位】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;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;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;東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040【正文語種】中文【中圖分類】TU753.3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(shí)，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(bǔ)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(jī)，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(jī)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(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)、動力車等配套設(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(jī)存在的問題，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).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)、履帶底盤和動力系統(tǒng)，如圖1所示.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(gè)樁位，開始進(jìn)行下一個(gè)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(shí)，夾樁頭夾緊，松開腳爪，機(jī)身抬高離開支座或樁身，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)履帶底盤特點(diǎn)對該機(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(jī)構(gòu)即可.不同樁型對應(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].1?2駕駛室及其升降機(jī)構(gòu)駕駛室升降是通過一個(gè)平行四連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，該機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)也坐落在與壓樁機(jī)構(gòu)連接的平臺上，以保證其跟隨壓樁機(jī)構(gòu)工作.1?3履帶底盤履帶底盤是該壓樁機(jī)的行走裝置，與步履式底盤相比，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(jī)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(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，參考履帶底盤的擴(kuò)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(gè)支腿的相互配合實(shí)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.由圖3可知：當(dāng)履帶底盤開始橫向向右平移時(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，履帶右移；接著支腿全部收回，支架左梁伸長；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)了履帶底盤的向右平移.1.4起重機(jī)構(gòu)及動力系統(tǒng)起重機(jī)構(gòu)的作用是吊起樁，并對壓樁機(jī)構(gòu)進(jìn)行喂樁?起重機(jī)構(gòu)通過一個(gè)回轉(zhuǎn)支承連接在一個(gè)平臺上，這個(gè)平臺與壓樁機(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)連接的平臺上，使起重機(jī)構(gòu)能夠跟隨壓樁機(jī)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(jī)構(gòu)分別放置在平臺前后兩端，保證了整機(jī)的穩(wěn)定性.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.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.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350mmx350mm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907.79kN.為了使該壓樁機(jī)適應(yīng)更多土質(zhì)條件，取壓樁力為1500kN.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(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.式中：Ff為夾樁頭與樁之間的摩擦力；Fj為夾樁力；p為摩擦因數(shù)，一般取0.35.由于摩擦力等于壓樁力1500kN，代入式(2)可得夾樁力為4285.71kN,取整為4300kN.通過查閱相關(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.本文選取方樁為施工對象，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、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(shí)現(xiàn)拐角處施工;兩個(gè)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(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析.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(jī)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(jī)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1500kN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.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.由圖6和7可知，夾持壓樁機(jī)構(gòu)夾緊樁在向下壓的過程中最大應(yīng)力為190.936MPa，小于材料許用應(yīng)力345MPa，最大位移為1.271mm，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)滿足實(shí)際要求.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.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.【相關(guān)文獻(xiàn)】YAMASHITAH,HIRATAH,KINOSHITAM.ChallengesinthepastandforthefutureofdesignandinstallationtechnologiesonsteelpipepilesinJapan[J].DobokuGakkaiRonbunshuuF,2010,66(3):34-36.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.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