振动沉拔桩机振动桩锤主要参数的选择及计算

第18卷(总第90期)　　　　　　　　　　筑路机械与施工机械化　　　　　　　　　　　　　　　　　200111

设计・计算

振动沉拔桩机振动桩锤主要参数的选择及计算

霍晓强1,周传立2,柯　瑾1

(11徐州工程兵指挥学院机械教研室,江苏徐州　221004;21徐州工程机械厂桩机研究室,江苏徐州　221003)

摘要:结合实践经验,给出了振动沉拔桩机振动桩锤主要参数以及相关数据的计算方法,为振动沉拔桩机振动桩锤的设计和应用提供了理论依据。关键词:振动桩锤;参数;选择计算

中图分类号:TU67　　　文献标识码:A　　　文章编号:10002033X(2001)0120003202

1　引言

表1　土壤的贯入标准值

土壤种类很疏松砂土疏松砂土中等密度砂土密实砂土N值

振动沉拔桩机是随着振动机械的发展而发展起来的,由于其具有优良的技术性能,尤其拔桩更显其独特的优越性,目前已成为建筑及基础工程重要的施工设备,其发展水平直接影响工程施工的质量和效率。

2　振动沉拔桩机振动桩锤的组成及工作原理

0～44～1010～3030～50土壤种类

软粘土中等硬度粘土硬粘土N值

2～44～88～1515～30730

振动沉拔桩机振动桩锤(图1)主要由激振器、减振弹簧、减振梁以及提升、加压、导向滑轮等组成。振动沉拔桩机工作时,振动桩锤通过导向滑轮沿立柱上的导轨上下移动难时,梁上以增加振动沉桩时的贯入力。

3　振动沉拔桩机振动桩锤主要参数的选择及计算

图1　振动桩锤结构示意图

表塑性粘土及含砂粘土

坚实粘土含烁石的粘土含砂的烁石土

最佳频率Ξ s-100～200

90～10070～7560～7050～60

1

振动桩锤的参数有关,而且与土壤的参数有关,不同地层土壤的自振频率有很大差别。表2是根据经验得到的不同地层激振器最佳频率范围。目前国内生产的振动桩锤多采用电动机驱动,其转速多选择在800～1500r min,从振动桩锤和地层条件两方面考虑,激振频率Ξ在80～160s-1之间。实验表明提高激振频率不仅可以减少土壤对桩的侧面摩擦阻力,而且比提高振幅更能有效地提高桩的运动加速度,从而提高沉桩的速度。但激振频率过高会引起功率增加过多,因此,在确定激振频率时还应综合考虑。

(3)偏心力矩的确定:激振器偏心力矩的大小对振动桩锤

振动沉拔桩机的工作性能主要取决于振动桩锤,而振动桩锤主要参数的合理选择是提高其工作性能的关键。振动桩锤主要参数包括:振幅A、激振频率Ξ、激振器偏心力矩M、激振力参振重量Q、振动功率N和沉桩速度V。F、

(1)激振器振幅

A的确定:

激振器振幅是影响桩在土中沉入的主要因素,图2的曲线表示了桩的沉入速度与激振器振幅之间的关系。当振幅很小时,沉入并不发生,只有当振幅超过某

一定值时(V≠0),才可能实现沉桩,这一振幅A0称为起始振幅。随着振幅增大,沉桩速度也在不断提高,直至趋于某一极限值Ae。因此,振幅的选择范围应为A0

A0的确定,日本是采用土壤的贯入标准值N(见表1)来估算,我国也大多沿用这种方法。即

A0≥

图2　桩的沉入速度与激振器

振幅A的关系

的性能有至关重要的影响,偏心力矩愈大,克服硬质土层的能力愈强。当已知振幅和参振重量Q(振动桩锤重量和桩的重量)之后,根据振幅计算公式可以求出偏心力矩

M

e

=QA

　　同振幅的确定一样,偏心力矩的选择也必须大于某一定的数值,即

M

e

≥QA

1215

+3　(mm)

　　(4)激振力F的确定:激振力F是反映振动桩锤综合能力的参数,桩在土中沉入时,激振器的激振力F必须大于桩与土之间的摩擦阻力。静止于土壤中的桩,桩与土之间的摩擦力为静摩擦力,当给它施加振动的作用力后,会造成桩与土间摩擦力的急剧下降。如用f表示桩与土间的静摩擦力,fv表示有振动作用时

　　(2)激振频率Ξ的确定:激振器的激振频率与振动系统的固有频率密切相关,当激振器激振频率接近振动系统的固有频率时,振动沉桩达到最大效果。而振动系统的固有频率不仅与

—3—

.18(Sum.90)　　　　　　　　　RoadMachinery&ConstructionMechanization　　　　　　　　　　　　No.1　2001Vol

桩与土间的摩擦力,则F、f与fv之间的关系可表示为

F≥f

v

W=

=uf

RvdtA

∫

f

T

式中:u—振动作用下摩擦力的降低系数。

在特定的土层条件下u主要受振动加速度大小的支配,故随着振动加速度的加大,将会带来土的液化现象,引起振动粘着阻力。实验表明,振动加速度超过10倍的重力加速度以后,土的降低率变得十分微小,甚至接近零,因此它存在某个极限值f

vmin

式中:Rf为桩在土中下沉时需克服的阻力,它包括桩侧摩擦阻力和桩端阻力。

由运动方程

22

+Κx=sinΞt2+2rdtQ gdt

)=AΞcos(Ξt-Υxα

及

可得平均功率

。

F=ma=mΞAW

n

根据牛顿第二定律确定所需激振力F的大小为

2

=ΞA0Q0 g

2

N=

　　通过对土的物理实验,桩与土之间的摩擦阻力可由下式确定

f=

==

∑H

i=1

Rvdt

FsinΞtAΞcos(Ξt-TT

fT

T

)dtΥ

i

CiΠD

式中:Hi—第i层地层厚度;

D—桩的外径;C—土壤粘着力。

F0AΞsinΥ2

将上式的单位用kW表示,则在非共振工况时

2

A=,F0=

Q如未作土壤实验,则可根据土质类型和标准贯入值N求出。对粘性土、淤泥土

f=

n

n

∑H

i=1i

}kW

2

ΠD

{e}-1=10-{Me}{Ξ}-=

4v{Q}kN

2

22

2

27

A=

对砂质土　f=

∑H

i=1

i

5

ΠD

2ΧQ

　{N}kW

1

×10-

7

式中:Ni—第i。

若动摩擦力fvΓΒ表示,f和极限动摩擦力f系

=-Β(fv-fdΓ

vmin

vmin的关

　　实际应用中常根据以下经验公式来计算功率

{N}kW

{Me}{}-=

4{Q}kN

1

×10-

7

　　(7)沉桩速度V的确定:振动沉拔桩机沉桩时消耗的功率

)

W,包括机械空运消耗的功WWv。

W=W

vmin

mm

和克服桩的阻力所需要的功率

+W

式中:Γ=AΞ2 g,g表示重力加速度。

对上式积分得到

f

v

v

=f

vmin

+(f-f

f

)e-

ΒΓΒΓ

沉桩的条件为

W

v

于是u=

=f

-=[(f+R)-Q]V

　　在实际作业中,Wv并不总是与cosΥ相对应,因而使振动打桩机功率发生分散,如以cosΥ表示功率因数,则有

W

v

　　这里的系数Β主要由桩的材料性质所决定,Β值越高,f对

f

vmin

的比值越小,当振动加速度比Γ∝∞时,则f∝f

vmin

,以下为

cosΥ=[(f+R)-Q]Vf+R-Q

f

v

不同土质条件下的umin值

砂质土umin≈0105;游泥砂粘土umin≈0106;粘土umin≈

0113。这就表明,粘土的振动摩擦力比沙土小。

(5)参振重量Q:振动桩除了要有必要的振幅和加速度,还

V=

其中=cosΥ

　　就是说,当动摩擦力f

Q

等于激振力F时,或桩前端动阻力

必须有一定的参振重量以克服沉桩时的阻力,桩在土中的静阻力R与土层的标准贯入值N和桩的截面积S之间的关系为

R=4NS

=0,此时,桩便不再沉入,需增大激Rv等于参振重量Q时,cosΥ

振力和参振重量才能使桩继续贯入。

4　结语

　　因此在桩受到振动而使摩擦力显著降低时,桩就可以被沉入到与参振重量相等的桩端阻力的限度

,即

Q=4NS

振动沉桩实质是以振动克服桩侧摩擦阻力,以冲击克服桩端阻力。振动沉拔桩机振动桩锤参数的选择及计算应在合理选择振动参数以有效克服桩端侧摩擦阻力的基础上,尽量提高桩端对土的冲击力。

收稿日期:2000202221

　　(6)振动功率N的确定:参振体每振动一个周期所消耗的功

—4—

RoadMachinery&ConstructionMechanization

presenced,researched,

thedevelopingthoughtandideasareand

theprocedureandmodelare

EquipmentOrgnization;

.18No.1　　AbstractsVol

　　DevelopingTrendandDesignInnovationof

ChineseRollerZHAOXian2rong

BasedontheproblemsexistedinChineserollerenterprises,combiningthedevelopmentofoverseasenterprises,thedevelopingtrendofChineserollerisintroduced.Somesuggestionsarepresentedfromdesignideas,marlcettrends,schemsselection,technologyinnovation,etc.,whichgivesthe

.developingtrendforrollerenterprises

Keywords:Roller;DevelopingTrend;Technology

Innovation

determinedinitially.

Keywords:Construction;

IntelligentDecisionSupportSystem

RollerCompactedConcreteConfectingandConsistencyDynamicControl

YANGShi2min,LIWen2yao

Theinfluencingfactorsavementqualityof

Rolleracted)areanalyzed,them,thedynamicssedfromsuchaspectsasselection,gradation,mixing,sportation,paving.

Keywords:RollerCompactedConcrete;Consistency;DynamicControlDustCollector

Confect;

MainParametersSelectionandCalculationPileHammerofVibrationPileDriverHUOXiao2,li,Basedon,methodformainparametersofpilehammerofvibrationpileextractorarepresented,givesthetheoreticalbasisforthedesignandapplication.Keywords:VibrationPileHammer;Parameter;

SelectionandCalculation

ModificationofImportedAsphaltMixingPlant

XINGuo2liang

Theexistingproblemsofimportedasphaltmixingplantdustcollectorareanalyzed,themeasurementsofmodificationarepresented,the

technologyprocessanddustcollectordiagram,severalproblemsforattentionaregiven.Accordingtothepracticalapplication,themodifieddust

ExperimentalResearchonDynamicPerformanceforVibratoryRollerQINSi2cheng,CHENLong2zhuThroughtheanalysisofroller2soilsystemforvibratoryrolleranddrivers’comfort,accordingtothemainvibratory

responsesiteparametersaremeasured,byusingthemeasuringresults,thetheoreticalanalysisresultsareproved.

Keywords:VibratoryRoller;DynamicPerformance;

Research

themainworkingstatus,

collectorareprovedthatithasbettereffect.

Keywords:AsphaltMixingPlant;DustCollector;

Modification

ApplicationofCementConcretePaverin

CoustructionofZhang-longExpressway

YANGYu2rong

Basedonthepracticalconstructionproblemsexisted,GOMACO2800Slip2formpaverisintroduc2edanddiscussedfromsuchaspectsasmaincharacte2ristics,improvingmeasures,causesanalysisoftheseproblemsandtheoperactionspecifications,etc.Keywords:CementConcretePaver;Application;Characteristics;ImprovingMeasu

res

ResearchonIntelligentDecisionSupportSystemforConstructionEquipmentOrgnization

ZHAODe2sheng,DINGXi2feng,HAOHua2zengByanalyzingtheimportanceofconstructionequipmentselectionandorgnization,themainsolvingprocessmanully,

thedevelopmentofthe

intelligentdecisionsupportsysteminthisfieldare

第18卷(总第90期)　　　　　　　　　　筑路机械与施工机械化　　　　　　　　　　　　　　　　　200111

设计・计算

振动沉拔桩机振动桩锤主要参数的选择及计算

霍晓强1,周传立2,柯　瑾1

(11徐州工程兵指挥学院机械教研室,江苏徐州　221004;21徐州工程机械厂桩机研究室,江苏徐州　221003)

摘要:结合实践经验,给出了振动沉拔桩机振动桩锤主要参数以及相关数据的计算方法,为振动沉拔桩机振动桩锤的设计和应用提供了理论依据。关键词:振动桩锤;参数;选择计算

中图分类号:TU67　　　文献标识码:A　　　文章编号:10002033X(2001)0120003202

1　引言

表1　土壤的贯入标准值

土壤种类很疏松砂土疏松砂土中等密度砂土密实砂土N值

振动沉拔桩机是随着振动机械的发展而发展起来的,由于其具有优良的技术性能,尤其拔桩更显其独特的优越性,目前已成为建筑及基础工程重要的施工设备,其发展水平直接影响工程施工的质量和效率。

2　振动沉拔桩机振动桩锤的组成及工作原理

0～44～1010～3030～50土壤种类

软粘土中等硬度粘土硬粘土N值

2～44～88～1515～30730

振动沉拔桩机振动桩锤(图1)主要由激振器、减振弹簧、减振梁以及提升、加压、导向滑轮等组成。振动沉拔桩机工作时,振动桩锤通过导向滑轮沿立柱上的导轨上下移动难时,梁上以增加振动沉桩时的贯入力。

3　振动沉拔桩机振动桩锤主要参数的选择及计算

图1　振动桩锤结构示意图

表塑性粘土及含砂粘土

坚实粘土含烁石的粘土含砂的烁石土

最佳频率Ξ s-100～200

90～10070～7560～7050～60

1

振动桩锤的参数有关,而且与土壤的参数有关,不同地层土壤的自振频率有很大差别。表2是根据经验得到的不同地层激振器最佳频率范围。目前国内生产的振动桩锤多采用电动机驱动,其转速多选择在800～1500r min,从振动桩锤和地层条件两方面考虑,激振频率Ξ在80～160s-1之间。实验表明提高激振频率不仅可以减少土壤对桩的侧面摩擦阻力,而且比提高振幅更能有效地提高桩的运动加速度,从而提高沉桩的速度。但激振频率过高会引起功率增加过多,因此,在确定激振频率时还应综合考虑。

(3)偏心力矩的确定:激振器偏心力矩的大小对振动桩锤

振动沉拔桩机的工作性能主要取决于振动桩锤,而振动桩锤主要参数的合理选择是提高其工作性能的关键。振动桩锤主要参数包括:振幅A、激振频率Ξ、激振器偏心力矩M、激振力参振重量Q、振动功率N和沉桩速度V。F、

(1)激振器振幅

A的确定:

激振器振幅是影响桩在土中沉入的主要因素,图2的曲线表示了桩的沉入速度与激振器振幅之间的关系。当振幅很小时,沉入并不发生,只有当振幅超过某

一定值时(V≠0),才可能实现沉桩,这一振幅A0称为起始振幅。随着振幅增大,沉桩速度也在不断提高,直至趋于某一极限值Ae。因此,振幅的选择范围应为A0

A0的确定,日本是采用土壤的贯入标准值N(见表1)来估算,我国也大多沿用这种方法。即

A0≥

图2　桩的沉入速度与激振器

振幅A的关系

的性能有至关重要的影响,偏心力矩愈大,克服硬质土层的能力愈强。当已知振幅和参振重量Q(振动桩锤重量和桩的重量)之后,根据振幅计算公式可以求出偏心力矩

M

e

=QA

　　同振幅的确定一样,偏心力矩的选择也必须大于某一定的数值,即

M

e

≥QA

1215

+3　(mm)

　　(4)激振力F的确定:激振力F是反映振动桩锤综合能力的参数,桩在土中沉入时,激振器的激振力F必须大于桩与土之间的摩擦阻力。静止于土壤中的桩,桩与土之间的摩擦力为静摩擦力,当给它施加振动的作用力后,会造成桩与土间摩擦力的急剧下降。如用f表示桩与土间的静摩擦力,fv表示有振动作用时

　　(2)激振频率Ξ的确定:激振器的激振频率与振动系统的固有频率密切相关,当激振器激振频率接近振动系统的固有频率时,振动沉桩达到最大效果。而振动系统的固有频率不仅与

—3—

.18(Sum.90)　　　　　　　　　RoadMachinery&ConstructionMechanization　　　　　　　　　　　　No.1　2001Vol

桩与土间的摩擦力,则F、f与fv之间的关系可表示为

F≥f

v

W=

=uf

RvdtA

∫

f

T

式中:u—振动作用下摩擦力的降低系数。

在特定的土层条件下u主要受振动加速度大小的支配,故随着振动加速度的加大,将会带来土的液化现象,引起振动粘着阻力。实验表明,振动加速度超过10倍的重力加速度以后,土的降低率变得十分微小,甚至接近零,因此它存在某个极限值f

vmin

式中:Rf为桩在土中下沉时需克服的阻力,它包括桩侧摩擦阻力和桩端阻力。

由运动方程

22

+Κx=sinΞt2+2rdtQ gdt

)=AΞcos(Ξt-Υxα

及

可得平均功率

。

F=ma=mΞAW

n

根据牛顿第二定律确定所需激振力F的大小为

2

=ΞA0Q0 g

2

N=

　　通过对土的物理实验,桩与土之间的摩擦阻力可由下式确定

f=

==

∑H

i=1

Rvdt

FsinΞtAΞcos(Ξt-TT

fT

T

)dtΥ

i

CiΠD

式中:Hi—第i层地层厚度;

D—桩的外径;C—土壤粘着力。

F0AΞsinΥ2

将上式的单位用kW表示,则在非共振工况时

2

A=,F0=

Q如未作土壤实验,则可根据土质类型和标准贯入值N求出。对粘性土、淤泥土

f=

n

n

∑H

i=1i

}kW

2

ΠD

{e}-1=10-{Me}{Ξ}-=

4v{Q}kN

2

22

2

27

A=

对砂质土　f=

∑H

i=1

i

5

ΠD

2ΧQ

　{N}kW

1

×10-

7

式中:Ni—第i。

若动摩擦力fvΓΒ表示,f和极限动摩擦力f系

=-Β(fv-fdΓ

vmin

vmin的关

　　实际应用中常根据以下经验公式来计算功率

{N}kW

{Me}{}-=

4{Q}kN

1

×10-

7

　　(7)沉桩速度V的确定:振动沉拔桩机沉桩时消耗的功率

)

W,包括机械空运消耗的功WWv。

W=W

vmin

mm

和克服桩的阻力所需要的功率

+W

式中:Γ=AΞ2 g,g表示重力加速度。

对上式积分得到

f

v

v

=f

vmin

+(f-f

f

)e-

ΒΓΒΓ

沉桩的条件为

W

v

于是u=

=f

-=[(f+R)-Q]V

　　在实际作业中,Wv并不总是与cosΥ相对应,因而使振动打桩机功率发生分散,如以cosΥ表示功率因数,则有

W

v

　　这里的系数Β主要由桩的材料性质所决定,Β值越高,f对

f

vmin

的比值越小,当振动加速度比Γ∝∞时,则f∝f

vmin

,以下为

cosΥ=[(f+R)-Q]Vf+R-Q

f

v

不同土质条件下的umin值

砂质土umin≈0105;游泥砂粘土umin≈0106;粘土umin≈

0113。这就表明,粘土的振动摩擦力比沙土小。

(5)参振重量Q:振动桩除了要有必要的振幅和加速度,还

V=

其中=cosΥ

　　就是说,当动摩擦力f

Q

等于激振力F时,或桩前端动阻力

必须有一定的参振重量以克服沉桩时的阻力,桩在土中的静阻力R与土层的标准贯入值N和桩的截面积S之间的关系为

R=4NS

=0,此时,桩便不再沉入,需增大激Rv等于参振重量Q时,cosΥ

振力和参振重量才能使桩继续贯入。

4　结语

　　因此在桩受到振动而使摩擦力显著降低时,桩就可以被沉入到与参振重量相等的桩端阻力的限度

,即

Q=4NS

振动沉桩实质是以振动克服桩侧摩擦阻力,以冲击克服桩端阻力。振动沉拔桩机振动桩锤参数的选择及计算应在合理选择振动参数以有效克服桩端侧摩擦阻力的基础上,尽量提高桩端对土的冲击力。

收稿日期:2000202221

　　(6)振动功率N的确定:参振体每振动一个周期所消耗的功

—4—

RoadMachinery&ConstructionMechanization

presenced,researched,

thedevelopingthoughtandideasareand

theprocedureandmodelare

EquipmentOrgnization;

.18No.1　　AbstractsVol

　　DevelopingTrendandDesignInnovationof

ChineseRollerZHAOXian2rong

BasedontheproblemsexistedinChineserollerenterprises,combiningthedevelopmentofoverseasenterprises,thedevelopingtrendofChineserollerisintroduced.Somesuggestionsarepresentedfromdesignideas,marlcettrends,schemsselection,technologyinnovation,etc.,whichgivesthe

.developingtrendforrollerenterprises

Keywords:Roller;DevelopingTrend;Technology

Innovation

determinedinitially.

Keywords:Construction;

IntelligentDecisionSupportSystem

RollerCompactedConcreteConfectingandConsistencyDynamicControl

YANGShi2min,LIWen2yao

Theinfluencingfactorsavementqualityof

Rolleracted)areanalyzed,them,thedynamicssedfromsuchaspectsasselection,gradation,mixing,sportation,paving.

Keywords:RollerCompactedConcrete;Consistency;DynamicControlDustCollector

Confect;

MainParametersSelectionandCalculationPileHammerofVibrationPileDriverHUOXiao2,li,Basedon,methodformainparametersofpilehammerofvibrationpileextractorarepresented,givesthetheoreticalbasisforthedesignandapplication.Keywords:VibrationPileHammer;Parameter;

SelectionandCalculation

ModificationofImportedAsphaltMixingPlant

XINGuo2liang

Theexistingproblemsofimportedasphaltmixingplantdustcollectorareanalyzed,themeasurementsofmodificationarepresented,the

technologyprocessanddustcollectordiagram,severalproblemsforattentionaregiven.Accordingtothepracticalapplication,themodifieddust

ExperimentalResearchonDynamicPerformanceforVibratoryRollerQINSi2cheng,CHENLong2zhuThroughtheanalysisofroller2soilsystemforvibratoryrolleranddrivers’comfort,accordingtothemainvibratory

responsesiteparametersaremeasured,byusingthemeasuringresults,thetheoreticalanalysisresultsareproved.

Keywords:VibratoryRoller;DynamicPerformance;

Research

themainworkingstatus,

collectorareprovedthatithasbettereffect.

Keywords:AsphaltMixingPlant;DustCollector;

Modification

ApplicationofCementConcretePaverin

CoustructionofZhang-longExpressway

YANGYu2rong

Basedonthepracticalconstructionproblemsexisted,GOMACO2800Slip2formpaverisintroduc2edanddiscussedfromsuchaspectsasmaincharacte2ristics,improvingmeasures,causesanalysisoftheseproblemsandtheoperactionspecifications,etc.Keywords:CementConcretePaver;Application;Characteristics;ImprovingMeasu

res

ResearchonIntelligentDecisionSupportSystemforConstructionEquipmentOrgnization

ZHAODe2sheng,DINGXi2feng,HAOHua2zengByanalyzingtheimportanceofconstructionequipmentselectionandorgnization,themainsolvingprocessmanully,

thedevelopmentofthe

intelligentdecisionsupportsysteminthisfieldare