[交流]液压静力压桩机的技术及发展 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2013-12-06

在土木工程施工过程中，首先要进行的是基础施工。桩基础是建筑施工特别是高层建筑施工中最为常见的基础形式。桩的种类及其施工方法因上部建筑物或载荷情况不同而多种多样。其中，将预制桩完全依靠静载平稳、安静地压入软弱地基，是一种新型的桩基础施工方法--静压桩工法。与锤击式打桩相比，静压桩工法由于具有非常明显的环保性，十几年来从广东珠江三角洲开始由南向北得到了迅速推广。液压静力压桩机就是实施静压桩工法的关键施工设备。与锤击式打桩机相比，这种设备施工时具有无震动、无噪声、无油污飞溅等环境污染的特点，施工质量好、使用费用低，同时，静力压桩机也是具有中国特色的环保型桩工机械。
    液压静力压桩机分为"抱压式液压静力压桩机"和"顶压式液压静力压桩机"(对桩顶部施压进行压桩)两种。抱压式液压静力压桩机压桩过程是通过夹持机构"抱"住桩身侧面，由此产生摩擦传力来实现的；而顶压式液压静力压桩机则是从预制桩的顶端施压，将其压入地基的。由于施压传力方式不同，这两种桩机结构形式、性能特点、适用范围也有显著不同。其核心是液压系统的设计方法及其配置，它直接影响整机的技术性能及节能效果。而压桩机构是桩机的主要工作装置，是这种压桩机的关键技术，直接影响桩机的压桩能力和成桩质量。其中，抱压式桩机主要由压桩系统和夹桩机构组成，而顶压式桩机主要由压桩系统和桩帽组成。顶压式桩机除压桩机构中没有夹桩机构外，一般不带起重机，但增加了一套卷扬吊桩系统。
    常规的顶压式压桩机由于其结构及工作特点，使其工作重心较高、安全性较差，并且存在压桩力较小、压入桩的垂直度保障能力差等问题，因而其应用受到限制；而抱压式压桩机结构紧凑、操作简便、工作重心低、移动平稳、转场方便、施工效率高，因此，抱压式压桩机已经占绝对主导地位。本文所述液压静力压桩机主要是指抱压式液压静力压桩机。
液压静力压桩机的发展概况
    纵观液压静力压桩机的发展过程，大致可将其分为两个阶段：第一阶段，从20世纪70年代后期到90年代中期，国内先后研制了几种压桩机，并逐步形成系列产品进入市场。其中具有代表性的两个系列产品是武汉市建筑工程机械厂生产的YZY系列液压静力压桩机和利用中南大学(原中南工业大学)智能机械研究所的专利技术生产的ZYJ系列液压静力压桩机。在这个阶段主要解决了这种桩机的设计理论基础、动力配置和系统设计问题，满足了静压桩的基本功能。但就整体来说，其主要特征是桩机压桩力不大，实际使用的最大压桩力不足4000kN，绝大部分的压桩力为1 600~2400kN；功能单一，主要应用于施工现场预制的截面尺寸为(300 mm X 300 mm)~(400mm X 400mm)的钢筋混凝土方桩(实心件)的正常中位压桩，单桩设计承载力标准值在1400kN以下。而预应力管桩和高强度预应力管桩主要是通过锤击设备如柴油锤等进行打入施工。
    进入20世纪90年代中期以后，液压静力压桩机进入第二发展阶段。由于1994年底在珠海利用液压静力压桩机将直径500 mm的预应力管桩压入强风化岩获得成功，实现了静压桩施工技术的历史性突破，从此拓宽了静压桩的应用范围，也使预应力管桩在城市和居民住宅区内的应用找到了一条新路子。一方面，实现了静压桩的单桩承载力向大吨位方向的快速发展，与此同时，市场对大吨位桩机的需求不断增大，而且要求越来越强烈；另一方面，由于施工范围的不断扩大，对桩机功能的要求也日益增多，出现了工程施工中许多必须解决的实际问题。这个阶段的桩机品种显著增加，系列化不断完善，生产厂家也急剧增多，至今在全国约有30个制造厂。其中湖南山河智能机械股份有限公司的生产能力最大，2003年共生产125台，占全国年总产量的30%~40%。目前的生产能力达到每月15台，年生产能力在180台左右，已形成压桩力为800~10000kN的完整的产品系列，生产的最大吨位机型为ZYJl000。
传统液压静力压桩机存在的问题
    液压系统功率匹配不符合压桩实际工况，底盘结构复杂一方面，由于其液压系统采用恒流量设计，系统功率按满足最大流量和额定压力的要求进行配置，与实际工况不相适应，在压桩的大部分低阻力阶段，处于"大马拉小车"的工作状况；而进入高阻力阶段时，由于阻力大，必然导致压桩速度下降，多余的高压油的压力能只能以热能的形式从溢流阀上泄走，导致整个压桩过程能耗高、工作效率较低。另一方面，其底盘的横移回转机构采用3层式结构，无回转偏差补偿功能，设备回转时，底盘与地面间存在强制性的相对运动，回转后需人工复位；纵向移动时，顶升液压缸相互独立，活塞杆所受径向载荷严重不均，底盘结构复杂，可靠性较差，工人劳动强度大。
    产品功能单一，适应能力差
    20世纪90年代末期以来，旧城改造以及基坑开挖后所出现的大量的离障碍物很近的"边桩"和靠角的"角桩"，对产品提出了一机多能的要求；同时，静压桩的桩型不断多样化，单桩承载力大幅度提高，特别是高承载力管桩、薄壁管桩的广泛应用和H型钢桩的出现，要求大吨位抱压桩机既要夹持可靠，又不破损桩，这对夹桩技术及相应装置是很大的挑战。这些工程中的实际问题已成为抱压式静力压桩机进一步推广应用的桎梏。传统压桩机普遍只具有压"中桩"能力，或者虽能压"边桩"，但其"边桩"距离较大且不兼有压"角桩"功能，导致同一工地需多机种作业，给工程管理带来极大不便；同时，夹桩可靠性问题始终没有从根本上得到解决，工程适应能力差，严重制约了静压桩技术的推广。
高性能液压静力压桩机关键技术及其特点
    湖南山河智能机械股份有限公司以中南大学为技术依托，针对上述问题，开发生产了高性能液压静力压桩机，并获得了2003年国家科技进步二等奖。该机主要包括4项关键技术，其中准恒功率设计理论及其实施方案、"边桩、角桩处理技术"和"多点均压式管桩夹桩技术"3项核心技术获得了国家专利，是目前静力压桩机在工程施工中既能实现高效节能，又可解决实际问题、提高施工质量的最实用的技术。
准恒功率技术
    根据实际压桩过程低阻力阶段时间较长且要求有较高的压桩速度、高阻力阶段速度较低且要求有较高的压桩力(对应为高压桩油压)的特点和要求，利用变量泵或恒功率泵低压大流量、高压小流量的变量特性，使压桩过程两个阶段的功率消耗基本一致，从而达到压桩过程的准恒功率匹配。压桩系统利用两对压桩液压缸先后参与压桩，即低阻力阶段由一对压桩液压缸进行压桩，适应低阻力高速度的要求；到了高阻力阶段另一对压桩液压缸同时参与压桩，以适应低速度高压桩力的要求。由此保证了压桩机在整个压桩过程中有很高的功率利用率。若不计其他损失，功率利用率接近1，系统分阶段接近于恒功率运转，解决了传统液压静力压桩机功率利用率低、液压系统可靠性及使用寿命差的问题。
    新型步履式行走底盘
    新型步履式行走底盘采用两层式结构，简单可靠；短船自动复位机构，具有回转自动复位功能，解决了传统桩机在回转过程中短船需人工进行复位的问题，有效地降低了工人的劳动强度；在回转平台上巧妙地设计了回转补偿装置，有效地提高了设备的工作可靠性；纵移机构具有均载联动功能，通过联动液压缸将前后两顶升液压缸活塞杆径向浮动连接，使桩机在纵向移动时，前后顶升缸活塞杆联合动作并实现负载均衡，其优越性在大吨位桩机上尤显突出。
    边桩、角桩处理技术
    沿压桩机纵向移动方向(即压桩机细长方向)一端布置处理"边桩"、"角桩"的机构，有效实现了同一套装置同时近距离处理边桩和角桩的目的。对于小型压桩机，将正常压桩、夹桩的一套机构全部移到此处安装；对于大中型压桩机，则另外提供一套较简单的压桩夹桩机构，在需要处理"边桩"、"角桩"时安装。在桩机配重保持正常的情况下，就能做到处理"边桩"和"角桩"时充分利用桩机的自重。
多点均压式夹桩技术
    如附图所示，在圆周方向均布的若干个夹桩液压缸分上下两层轴向布置，分别通过与之相连的锥形块驱动对应的钳口同时向中心收缩对桩进行夹持。由于锥面的增力作用，多瓣钳口从多个方向可靠地夹紧预制桩。钳口的分布数量可以根据实际需要任意确定，以适应管桩的不规则性。
    这种夹桩机构利用"手握鸡蛋"的夹持效果，有效地运用了锲形块的增力原理，将夹桩液压缸轴向布置，钳口在桩周实施多层多瓣多点夹持，并具有一定的浮动功能，能自动适应桩身的表面状况自动定心，从而达到桩身均压，使其应力分布均匀的目的。在夹桩油压相同(24MPa)时所产生的夹桩力更大，而桩身应力峰值仅为采用传统夹桩机构所产生的桩身应力峰值的30%。
    由于锲形块的自锁作用，避免了普通型夹桩机构因夹持液压缸及系统元件的泄漏可能引起的夹桩打滑甚至座机现象的发生，提高了夹桩机构的安全可靠性。尽管其结构较复杂，但具有定心效果好、桩周夹持均匀、安全可靠的特点，有效地解决了夹桩时桩身破损以及大吨位压桩打滑的难题，即使用于壁厚仅为55mm的薄壁管桩或压桩力超过7000kN时，也不会发生桩破损的情况。
静压静力压桩机的发展趋势
    随着静压桩施工技术的发展以及人们环保意识的进一步加强，液压静力压桩机的应用将获得更广泛的推广。同时，液压静力压桩机技术及产品将由粗放型向功能精细化、操作智能化方向发展。其发展趋势可归纳如下：
    (1)进一步多功能化，产品适应能力进一步加强。在较厚硬隔层地质条件下施工时，设计并配置专用的螺旋钻，提高压桩机的穿透能力和对地质的适应能力；对大吨位桩机开发相应的夯实装置，实现以静压替代强夯压桩管径可从目前的最大600mm增大到800mm以上。
    (2)智能化操作与施工的压桩机开发。开发机身液压自动调平系统，压桩过程计算机自动记录及承载力在线测试，夹持力自动均衡控制，实现产品的智能化操作。
    (3)异型桩夹持装置的刀发。特别是与钢板桩、工字钢桩、锥形桩等相适应的夹桩机构的开发。
    (4)压桩力大、质量轻机型产品的开发。特别是对于钢板桩连续墙施工产品的开发将是今后静力压桩机发月的新领域。
    (5)适应于北方寒冷地区气温低、冻土层较厚的桩机产品的开发。
    (6)产品向高档次、高可靠性方向发展。

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