多功能履帶式靜力壓樁機的研發

關麗杰， 武敏敏， 趙偉民， 郜云波

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

多功能履帶式靜力壓樁機的研發

關麗杰1， 武敏敏1， 趙偉民1， 郜云波2

(1． 東北石油大學 機械科學與工程學院， 黑龍江 大慶 163318；2． 東北林業大學 機電工程學院， 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場和轉位的問題，將履帶底盤與附著式靜力壓樁機相結合，提出了多功能履帶式靜力壓樁機的設計方案．介紹了該壓樁機的主要結構和創新點，并對夾持壓樁機構和履帶底盤的設計原理與功能特點進行了具體分析．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，并以此為依據對夾持壓樁機構進行了有限元分析，分析結果符合要求，應力分布結果也為夾持壓樁機構的改進設計提供了依據．

靜力壓樁機； 履帶式； 夾持壓樁機構； 有限元分析

隨著現代建筑科學技術和施工機械的不斷發展，目前已形成4種常用的樁基礎施工方式：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種都是以預制樁為工作對象．預制樁施工可以避免灌注過程中的斷樁、縮頸、露筋和夾泥等現象，樁身質量容易保證，因此使用較為廣泛．預制樁施工時，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、噪音等環境公害等問題，隨著環境保護要求的提高，在一些城市這兩種方法已經被禁止使用[1]．而靜力壓樁法是采用靜載荷將預制樁安靜且平穩地壓入土中的一種基礎施工方法，可有效地彌補其余兩種預制樁施工方法的不足，越來越受到現代社會的認可．目前，國內研發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化發展．西方國家由于人口密度較小及地質環境等原因，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展水平的是日本研發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，不能進行圍堰、水上等特殊工況的施工．所以這兩種靜力壓樁機轉場和轉位都不方便，施工效率受到嚴重影響．為了適應新形勢發展，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行結合，并首次使用履帶底盤作為靜力壓樁機的行走機構，設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構

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、起重機構、駕駛室及其升降機構、履帶底盤和動力系統，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

夾持壓樁機構由放置在履帶底盤上的支座或是已經打入地下的幾根樁支撐．壓樁機站在支撐上面，由起重機構為壓樁機吊入新樁，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，進行下一行程的壓樁工作[2]．若是在平地上工作，可以在把預制樁壓到預定深度后，使履帶底盤前進一個樁位，開始進行下一個樁的壓拔工作；若是在履帶底盤無法行駛的環境工作，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，等待起重機構的下一次吊樁．

參考附著式靜力壓樁機，再根據履帶底盤特點對該機構做出適當調整，使壓樁機結構更加緊湊．但由于履帶式靜力壓樁機可以脫離底盤工作，所以能夠適應水上等特殊工況，相比步履式靜力壓樁機，其能夠實現更多的功能．

多功能履帶式靜力壓樁機不但可以壓拔預制樁，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即可．不同樁型對應支座及壓樁機構示例如圖2所示．多功能履帶式靜力壓樁機還可以根據土層條件的不同，配合螺旋鉆等機構進行中掘法以及鉆孔法施工[3]．

(a) 鋼管樁對應支座

(b) 鋼管樁對應壓樁機構

(c) U型鋼板樁對應支座

(d) U型鋼板樁對應壓樁機構

1．2駕駛室及其升降機構

駕駛室升降是通過一個平行四連桿機構來實現的，該機構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[4]．相對于市面上現有步履式靜力壓樁機的固定駕駛室，這一改進可使工作人員清楚地觀察壓樁情況，正確地進行操作．駕駛室及其升降機構也坐落在與壓樁機構連接的平臺上，以保證其跟隨壓樁機構工作．

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，其結構輕便，運行靈活，爬坡能力強，能夠較快速地在復雜工地情況下安全行駛．履帶式壓樁機轉場時也不需像步履式壓樁機一樣將配重等結構全部拆下分別運輸，所以很大程度上提高了壓樁機的轉場便捷性．

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、駕駛室和動力系統連接在平臺上，保證其行動統一性．履帶式壓樁機與附著式壓樁機相比較，前者結構更加緊湊，轉位更加靈活．

為了適應更多工況，參考履帶底盤的擴履方式和步履式底盤的橫向平移方式，對履帶底盤進行改造，使履帶底盤除了可以前進和后退外，還可以通過6個支腿的相互配合實現橫向移動功能，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，實現了履帶底盤的向右平移．

1．4起重機構及動力系統

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

2 多功能履帶式靜力壓樁機主要性能參數確定

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

表1 上海地區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的土阻力及其他阻力，而土阻力又包括樁側摩擦阻力和樁尖阻力．壓樁阻力可通過式(1)進行估算．

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，當樁被壓至最下端時，所受到的壓樁阻力最大，將表1中數據代入后得出最大壓樁阻力為907．79 kN．為了使該壓樁機適應更多土質條件，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的，摩擦力由夾樁力產生，兩者之間關系如式(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，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．

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

表2 多功能履帶式靜力壓樁機主要性能參數

3 夾持壓樁機構的有限元分析

本文選取方樁為施工對象，設計夾持壓樁機構如圖4所示，其主要結構包括旋轉臺、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壓入的方樁上，為壓樁工作提供反力；旋轉臺可以在底座上轉動，以實現拐角處施工；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進行有限元分析．

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

夾持壓樁機構是壓樁執行機構，其設計好壞直接關系到該靜力壓樁機能否成功完成壓拔樁工作，所以著重對其進行分析．綜合考慮現場需要及生產成本，夾持壓樁機構中除銷軸類零件材料為45鋼外，其余零件材料均選低等結構鋼Q345b[5]．

采用三維建模軟件對夾持壓樁機構進行有限元分析．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．夾持壓樁機構的有限元網格模型如圖5所示．

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

在壓樁狀態下，夾持壓樁機構有限元仿真結果如圖6和7所示．

圖6 夾持壓樁機構應力云圖Fig．6 The stress nephogram of clamping and pressing mechanism

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

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

4 結 論

(1) 本文設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點，而且解決了壓樁機轉場和轉位不便的問題，有效提高了工作效率，擁有更加廣闊的發展前景．

(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] 周衛兵．基于樁反作用力的環保型可行走多功能靜力壓樁機[D]．廣州：廣東工業大學機電工程學院，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]．科學技術與工程，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技術研究資助項目(12541101)

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