新型液压打桩锤研究

1.1引言木桩和竹桩是最早使用的桩，早在新石器时代人类便通过打入木桩和竹桩在湖泊和沼泽地搭台作为水上住所，在浙江省河姆渡就发现了这种原始社会遗址。而我国西南许多少数民族地区至今仍沿用了这种习惯，随着人类活动向空间和海洋的延伸，各种高层建筑层出不穷，摩天大楼拔地而起，这些都是建立在牢固的基石监乙上，因此，川f树桩基础的需求也越来越迫切，传统的木桩和竹桩逐渐被舒中新的桩材料取代。12119世纪20年找，己有人开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头，二次世界大战后，无缝钢管也被作为桩材料用于基础工程，上海宝山钢铁厂曾使用直径创无m、长约冈咖的钢管桩作为桩基础；自20世纪初钢筋混凝土预制构件问世以来，又出现了种类繁多的钢筋混凝土预伟弓桩。1只9年，关国雷蒙德混凝土桩公司利用离心机生产出中空预应力钢筋混凝土管桩，我国己于50年代开始生产和使用这种预应力钢筋混凝土桩。就地灌注混凝土桩是以混凋比或钢筋混凝土为材料的另一种类型的桩。20世纪20一弓0到弋已出现沉管混奋比桩，30拜我上海修建的一些高层建筑，就曾采用F招以ld桩和劝b句桩等沉管灌注桩；50年代，随着大型钻孔机械的发展，我国的铁路和公路桥梁大量采用了钻孔灌注混凝土桩和挖孔灌注桩。侧打桩锤是将桩打入工作介质的设备。打桩锤分为落锤、汽锤、柴油锤和液压锤，液压打桩锤同其它类型的桩锤比较具郁反多优点，是打桩锤发展的趋势。国外对液压打桩锤研究较多，产品较成熟。国内对液压打桩锤的研究较少，只提财国夕叽种典型打桩锤的液压系绑注行理论分析，没有将理论与实验相结合起来进行系统研究。本课题研究对象是小型液压打桩锤，主要针对打公路用混凝土桩和高速公路护栏用钢管桩而设计。这些类型的桩具有桩径小、桩短、所需冲击能量低等特点。本文以设计适合国产元件新型液压打桩锤液压系统为研究目的，对液压系绷断示动力学分析。在实验装置上研究系统动态冲击过程，下打力与油液压力的关系。我国高速公路建设基础薄弱，起步较晚，十多年间，我国高速公路建设发展迅速，高速公路的投资建设更显加速趋势，高速公路将在国民经济中扮演极为重要的角色。高速公路的建设将会促进商品流通和经济的快速发展。防护栏作为高速公路上的基本安全设施，．对促进彩洲〕高等级公路上的交通安全起着重要的作用。公路用混凝土桩和高速公路护栏施．工都需打桩设备，随着高速公路建设飞速发展，为研究、开发小型打桩锤产品提供了广阔的市场。1·2.1桩的简介桩的种类五花八门，如果考虑用于复合地基的各种柔性桩〔如粉喷桩、碎石桩、和近年来发展起来的异型桩（如树根桩、支盘桩、后压浆桩等）。据统计，体来讲，如不考虑尺寸影响，根据不同目的，我们可以按不同的分类法对卫．1为按施工类型的不同对桩进苛于分类。CPG桩等）竟有三百多种，但总刚性桩进行分类。图2.3液压打桩锤打桩锤是建筑基础施工中广泛使用的一种施工机械。传统使用的柴油锤由于嗓声大、效率低等原因，在基础施工中受到限制。近年来，液压打桩锤发展迅速。一、沼涯打桩锤同其它桩锤比较具有以下优点：(1）可根据土质情况及桩材质的强度，合理选择冲击力，以保证冲击能量的充分发挥而不损害桩身，施工时可省去桩垫；(2）在打枷或程中，同时可获得下打冲击力和贯入度彻际，因而可有效地确定桩是否已进入预定的土层上，并能直观地知道桩的允许承载力；(3）液压锤特别均左打斜桩作业及水下桩基施工，液压桩锤不存在软．上起动困难的问题，而且沁司应各种气候下的施工作业；(4）冲击能量可提高许多；(5）例敏玉桩锤的公害较小，基本上无废气污染，冲击时的噪音要比其它桩铡氏20dB左右，因而能适应城市桩基础的施工作业。目前使用的液压打桩锤形式多样，基本结构大致栩以，主要包括：锤本体、动力源、润五回路系统及操作控制系统等部分。图1,2为液压锤的基本结构，图中：(l）液压打桩锤本体锤本体包括驱动装置和拓击力传递装置。锤驱动装置主要由桩锤、液压缸、液压控制阀等组成；打击力传递装置主要由桩与桩锤之间的缓冲垫、桩帽等组成，在低噪声要求的环境中还有隔音装置。(2）动力源及液压回路系统液压打桩锤的液压回路主要由液压泵（定量泵或变量泵）、溢流阀、卸荷阀、换向阀（逻辑阀）、蓄能器、执行元件、桩锤以及管路等组成。(3）操作控制系统目前一般采用传统的继电器控制，由于继电器控布惰着许多不可避免的缺陷，如机械触点多，动作准确度和灵敏度不高，设备庞大，控制方式变化时更改困难等，新近出现了采用PLC控制方式，它柑哆克服继电器控制的缺点。根据桩锤的下落方式可将液压打桩锤分为单作用下落式和双作用下落式两种类型。单作用下落式即桩锤在自重的作用下以接近自由落体方式下落，如英国BSP公司的HF[357一9型锤、日立公司生产的H冈C型锤、美国HPsl公司的M记el650一3505型锤等；双作用下落式即桩锤在自重和外力共同作用一「以大于自由落体加速度下落，因此，在相同行程、相同锤重时产生的打击力比单作用下落方式大得多，如日本车辆公司的NH型锤、荷兰川C公司的SC型锤、芬兰Jun比川公司的玉场区A系列沼以E锤、新加坡生产的IV以NW00D系列润五打桩锤，本论文所研究的小型液压打桩锤也属于这种方式。二、油五打桩锤的系列划分和适用范围：润五打桩锤的分类可以按桩锤的吨位来分：小型、中型和大型液压打桩锤。桩锤重量在3吨以下的为小型液压打桩锤；桩锤重量在3吨到10吨之间的为中型液压打桩锤；桩锤重量超过10吨的为大型液压打桩锤，最大桩锤重量可达40吨。小型液压打桩锤适用于打截面尺寸较小的钢桩、混凝土桩，一般截面尺寸小于2伽腼mXZ伽腼m（或直径小于入沁mm)；中型、大型液压打桩锤适用于港口、码头、机场、高层建筑、桥梁等工程的桩基施工。1.3选题的背景和意义由于落锤、汽锤、柴油锤具有打桩效率低，容易把桩打坏，噪声大，对环毋亏染严重等缺点，随着人们环保意识的增强，这些类型的桩锤受到很大限制。液压打桩锤是一种新型打桩设备，克服了上述桩锤的缺点，世界各国都在努力发展液压打桩锤，液压打桩锤已成为打桩设备发展的趋势。我国于8(）年代初期开始着手这一新型打桩锤的开发，但进展不是很理想。近年来，国内的一些建筑施工单位开始从国外进口液压打桩锤，而国内制造厂也开始引进液压打桩锤技术进行试验、生产以及技术开发。国内从事液压打桩锤研究的人员少，起步较晚，进展缓慢，只是对国外几种液压回路进行了理论研究，建立数学模型，将液玉打桩锤的设计、计算、参数选择程琦讹、可视化，并用计算枷注行仿真。目前我国对液压锤产品的开发还很不完普，所以对液压打桩锤新型液压系统的研究具有重要意义。翻门不仅可以从理论上研究这种液压打桩锤的动力学特性，而且从实验上给予证明和论证。从实验中了解这种液压打桩锤的动力学特性，揭示下打力与系统各参数之问的关系，更深层次的揭露液压打桩锤的本质。并且对开拓桩锤研究人员的思路也起到一定的作用。另外，自1988年开始建设高速公路以来，我国高速公路建设向世界前列高速发展。2001年末，全国高速公路通车总里程达到1.9万公里，跃居世界第二。今后一个时期我国高速公路建设仍将保持高速发展，到2008年奥运会在北京举办时，“五纵七横”快速国道．主干线网糊铺就在中国大地上。预计到2020年，全国公路总里程达到260万至300万公里，高速公路总里程达到7万公里以上，基本形成国家高速公路网。我国在公路建设方面的投资逐年增加，根据交通部（'’费改税”对我国公路建设和养护资金筹措的影响及其对策研究》提供的数据，我国未来高速公路的建设成本为每公里3500万元，到2005年，我国的高速公路将这到2.5万公里左右．从2002年到2的5年，资金需求量达到2100亿元。“十五”期间全国公路建设投资需求约为1的00亿元。小型液压打桩锤产品的开发具有广阔的市场前景．液压打桩锤新型液压系统的研究对我国开发自己的液压桩锤产品也起到一定的推动作用。7.1结论本文是在参阅大量文献资料和实防稠研的基础上，认真分析各种打桩锤的特点，跟踪国际液压打桩锤的技术要点，借鉴其它行业液压系统的成功经验，自行设计出适合小型液压打桩锤的新型液压系统，从理论上和实验上对其进行研究而完成的。在论文完成之际，作者得出以下结论：(1）设计出适合小型液压打桩锤的新型液．压系统，此桩锤与国外先进打桩锤相比，采用完全不同的液压系统，所用液压元件种类少、数量少，液压系统结构简单；(2）对所研究润玉打桩锤的打桩过程进行运动学和动力学分析，提出桩锤在各个打击过程的数学模型，并对各阶段进行仿真及分析，研究桩锤下打过程中，桩钧封立移、速度、加速度变化规律，仿真研究表明此打桩锤是双作用加速下打式液压打桩锤，打击力大，冲击能量大；(3）在液压打桩锤实验装置上利用传感器和动态测试技术得到油泵出口压力、液压缸上、下腔压力和桩锤下打力的同步实测数据，再利用信号处理技术分析上述参数在上升、下打和保压过程的精确值及对应关系，获取了液压系统动力学参数与打桩锤力学特性关系的设计知识；(4）以液压缸上腔压力为辅助变量，桩锤下打力为主导变量，利用函数型神经网络理论建立了两者之间的软测量模型，找到了液压缸上腔压力和桩锤下打力之间的函数关系，关系式为：F=0.18十。，642P十0,136尸一0.023尸，从而为获取不易直接测量参数浙绪毛一种新方法；(5）在桩基工程领域桩极限承载力的测量、计算非常复杂而且误差较大，已知完整桩轴向极限承载力公与桩长L、桩径d、桩的阪尼自振基须厂、桩的应力波波速C以及桩的单位动刚度KJ，利用灰色系统理论较方便、准确地预测出桩极限承载力，同时还可得出五个参数对完整桩轴向极限承载力么关联性强弱关系，凡，d）石＞'L，应用灰色系统理论预测完整桩具有所需原始样本数据少、预测准确等优点。