轉載 液壓靜力壓樁機的技術及發(fā)展

在土木工程施工過程中，首先要進行的是基礎施工。樁基礎是建筑施工特別是高層建筑施工中最為常見的基礎形式。樁的種類及其施工方法因上部建筑物或載荷情況不同而多種多樣。其中，將預制樁完全依靠靜載平穩(wěn)、安靜地壓入軟弱地基，是一種新型的樁基礎施工方法--靜壓樁工法。與錘擊式打樁相比，靜壓樁工法由于具有非常明顯的環(huán)保性，十幾年來從廣東珠江三角洲開始由南向北得到了迅速推廣。液壓靜力壓樁機就是實施靜壓樁工法的關鍵施工設備。與錘擊式打樁機相比，這種設備施工時具有無震動、無噪聲、無油污飛濺等環(huán)境污染的特點，施工質量好、使用費用低，同時，靜力壓樁機也是具有中國特色的環(huán)保型樁工機械。
    液壓靜力壓樁機分為"抱壓式液壓靜力壓樁機"和"頂壓式液壓靜力壓樁機"(對樁頂部施壓進行壓樁)兩種。抱壓式液壓靜力壓樁機壓樁過程是通過夾持機構"抱"住樁身側面，由此產生摩擦傳力來實現(xiàn)的；而頂壓式液壓靜力壓樁機則是從預制樁的頂端施壓，將其壓入地基的。由于施壓傳力方式不同，這兩種樁機結構形式、性能特點、適用范圍也有顯著不同。其核心是液壓系統(tǒng)的設計方法及其配置，它直接影響整機的技術性能及節(jié)能效果。而壓樁機構是樁機的主要工作裝置，是這種壓樁機的關鍵技術，直接影響樁機的壓樁能力和成樁質量。其中，抱壓式樁機主要由壓樁系統(tǒng)和夾樁機構組成，而頂壓式樁機主要由壓樁系統(tǒng)和樁帽組成。頂壓式樁機除壓樁機構中沒有夾樁機構外，一般不帶起重機，但增加了一套卷揚吊樁系統(tǒng)。
    常規(guī)的頂壓式壓樁機由于其結構及工作特點，使其工作重心較高、安全性較差，并且存在壓樁力較小、壓入樁的垂直度保障能力差等問題，因而其應用受到限制；而抱壓式壓樁機結構緊湊、操作簡便、工作重心低、移動平穩(wěn)、轉場方便、施工效率高，因此，抱壓式壓樁機已經占絕對主導地位。本文所述液壓靜力壓樁機主要是指抱壓式液壓靜力壓樁機。
液壓靜力壓樁機的發(fā)展概況
    縱觀液壓靜力壓樁機的發(fā)展過程，大致可將其分為兩個階段：第一階段，從20世紀70年代后期到90年代中期，國內先后研制了幾種壓樁機，并逐步形成系列產品進入市場。其中具有代表性的兩個系列產品是武漢市建筑工程機械廠生產的YZY系列液壓靜力壓樁機和利用中南大學(原中南工業(yè)大學)智能機械研究所的專利技術生產的ZYJ系列液壓靜力壓樁機。在這個階段主要解決了這種樁機的設計理論基礎、動力配置和系統(tǒng)設計問題，滿足了靜壓樁的基本功能。但就整體來說，其主要特征是樁機壓樁力不大，實際使用的最大壓樁力不足4000kN，絕大部分的壓樁力為1 600~2400kN；功能單一，主要應用于施工現(xiàn)場預制的截面尺寸為(300 mm X 300 mm)~(400mm X 400mm)的鋼筋混凝土方樁(實心件)的正常中位壓樁，單樁設計承載力標準值在1400kN以下。而預應力管樁和高強度預應力管樁主要是通過錘擊設備如柴油錘等進行打入施工。
    進入20世紀90年代中期以后，液壓靜力壓樁機進入第二發(fā)展階段。由于1994年底在珠海利用液壓靜力壓樁機將直徑500 mm的預應力管樁壓入強風化巖獲得成功，實現(xiàn)了靜壓樁施工技術的歷史性突破，從此拓寬了靜壓樁的應用范圍，也使預應力管樁在城市和居民住宅區(qū)內的應用找到了一條新路子。一方面，實現(xiàn)了靜壓樁的單樁承載力向大噸位方向的快速發(fā)展，與此同時，市場對大噸位樁機的需求不斷增大，而且要求越來越強烈；另一方面，由于施工范圍的不斷擴大，對樁機功能的要求也日益增多，出現(xiàn)了工程施工中許多必須解決的實際問題。這個階段的樁機品種顯著增加，系列化不斷完善，生產廠家也急劇增多，至今在全國約有30個制造廠。其中湖南山河智能機械股份有限公司的生產能力最大，2003年共生產125臺，占全國年總產量的30%~40%。目前的生產能力達到每月15臺，年生產能力在180臺左右，已形成壓樁力為800~10000kN的完整的產品系列，生產的最大噸位機型為ZYJl000。
傳統(tǒng)液壓靜力壓樁機存在的問題
    液壓系統(tǒng)功率匹配不符合壓樁實際工況，底盤結構復雜一方面，由于其液壓系統(tǒng)采用恒流量設計，系統(tǒng)功率按滿足最大流量和額定壓力的要求進行配置，與實際工況不相適應，在壓樁的大部分低阻力階段，處于"大馬拉小車"的工作狀況；而進入高阻力階段時，由于阻力大，必然導致壓樁速度下降，多余的高壓油的壓力能只能以熱能的形式從溢流閥上泄走，導致整個壓樁過程能耗高、工作效率較低。另一方面，其底盤的橫移回轉機構采用3層式結構，無回轉偏差補償功能，設備回轉時，底盤與地面間存在強制性的相對運動，回轉后需人工復位；縱向移動時，頂升液壓缸相互獨立，活塞桿所受徑向載荷嚴重不均，底盤結構復雜，可靠性較差，工人勞動強度大。
    產品功能單一，適應能力差
    20世紀90年代末期以來，舊城改造以及基坑開挖后所出現(xiàn)的大量的離障礙物很近的"邊樁"和靠角的"角樁"，對產品提出了一機多能的要求；同時，靜壓樁的樁型不斷多樣化，單樁承載力大幅度提高，特別是高承載力管樁、薄壁管樁的廣泛應用和H型鋼樁的出現(xiàn)，要求大噸位抱壓樁機既要夾持可靠，又不破損樁，這對夾樁技術及相應裝置是很大的挑戰(zhàn)。這些工程中的實際問題已成為抱壓式靜力壓樁機進一步推廣應用的桎梏。傳統(tǒng)壓樁機普遍只具有壓"中樁"能力，或者雖能壓"邊樁"，但其"邊樁"距離較大且不兼有壓"角樁"功能，導致同一工地需多機種作業(yè)，給工程管理帶來極大不便；同時，夾樁可靠性問題始終沒有從根本上得到解決，工程適應能力差，嚴重制約了靜壓樁技術的推廣。
高性能液壓靜力壓樁機關鍵技術及其特點   
    湖南山河智能機械股份有限公司以中南大學為技術依托，針對上述問題，開發(fā)生產了高性能液壓靜力壓樁機，并獲得了2003年國家科技進步二等獎。該機主要包括4項關鍵技術，其中準恒功率設計理論及其實施方案、"邊樁、角樁處理技術"和"多點均壓式管樁夾樁技術"3項核心技術獲得了國家專利，是目前靜力壓樁機在工程施工中既能實現(xiàn)高效節(jié)能，又可解決實際問題、提高施工質量的最實用的技術。
準恒功率技術
    根據(jù)實際壓樁過程低阻力階段時間較長且要求有較高的壓樁速度、高阻力階段速度較低且要求有較高的壓樁力(對應為高壓樁油壓)的特點和要求，利用變量泵或恒功率泵低壓大流量、高壓小流量的變量特性，使壓樁過程兩個階段的功率消耗基本一致，從而達到壓樁過程的準恒功率匹配。壓樁系統(tǒng)利用兩對壓樁液壓缸先后參與壓樁，即低阻力階段由一對壓樁液壓缸進行壓樁，適應低阻力高速度的要求；到了高阻力階段另一對壓樁液壓缸同時參與壓樁，以適應低速度高壓樁力的要求。由此保證了壓樁機在整個壓樁過程中有很高的功率利用率。若不計其他損失，功率利用率接近1，系統(tǒng)分階段接近于恒功率運轉，解決了傳統(tǒng)液壓靜力壓樁機功率利用率低、液壓系統(tǒng)可靠性及使用壽命差的問題。
    新型步履式行走底盤
    新型步履式行走底盤采用兩層式結構，簡單可靠；短船自動復位機構，具有回轉自動復位功能，解決了傳統(tǒng)樁機在回轉過程中短船需人工進行復位的問題，有效地降低了工人的勞動強度；在回轉平臺上巧妙地設計了回轉補償裝置，有效地提高了設備的工作可靠性；縱移機構具有均載聯(lián)動功能，通過聯(lián)動液壓缸將前后兩頂升液壓缸活塞桿徑向浮動連接，使樁機在縱向移動時，前后頂升缸活塞桿聯(lián)合動作并實現(xiàn)負載均衡，其優(yōu)越性在大噸位樁機上尤顯突出。
    邊樁、角樁處理技術
    沿壓樁機縱向移動方向(即壓樁機細長方向)一端布置處理"邊樁"、"角樁"的機構，有效實現(xiàn)了同一套裝置同時近距離處理邊樁和角樁的目的。對于小型壓樁機，將正常壓樁、夾樁的一套機構全部移到此處安裝；對于大中型壓樁機，則另外提供一套較簡單的壓樁夾樁機構，在需要處理"邊樁"、"角樁"時安裝。在樁機配重保持正常的情況下，就能做到處理"邊樁"和"角樁"時充分利用樁機的自重。
多點均壓式夾樁技術
    如附圖所示，在圓周方向均布的若干個夾樁液壓缸分上下兩層軸向布置，分別通過與之相連的錐形塊驅動對應的鉗口同時向中心收縮對樁進行夾持。由于錐面的增力作用，多瓣鉗口從多個方向可靠地夾緊預制樁。鉗口的分布數(shù)量可以根據(jù)實際需要任意確定，以適應管樁的不規(guī)則性。
    這種夾樁機構利用"手握雞蛋"的夾持效果，有效地運用了鍥形塊的增力原理，將夾樁液壓缸軸向布置，鉗口在樁周實施多層多瓣多點夾持，并具有一定的浮動功能，能自動適應樁身的表面狀況自動定心，從而達到樁身均壓，使其應力分布均勻的目的。在夾樁油壓相同(24MPa)時所產生的夾樁力更大，而樁身應力峰值僅為采用傳統(tǒng)夾樁機構所產生的樁身應力峰值的30%。
    由于鍥形塊的自鎖作用，避免了普通型夾樁機構因夾持液壓缸及系統(tǒng)元件的泄漏可能引起的夾樁打滑甚至座機現(xiàn)象的發(fā)生，提高了夾樁機構的安全可靠性。盡管其結構較復雜，但具有定心效果好、樁周夾持均勻、安全可靠的特點，有效地解決了夾樁時樁身破損以及大噸位壓樁打滑的難題，即使用于壁厚僅為55mm的薄壁管樁或壓樁力超過7000kN時，也不會發(fā)生樁破損的情況。
靜壓靜力壓樁機的發(fā)展趨勢
    隨著靜壓樁施工技術的發(fā)展以及人們環(huán)保意識的進一步加強，液壓靜力壓樁機的應用將獲得更廣泛的推廣。同時，液壓靜力壓樁機技術及產品將由粗放型向功能精細化、操作智能化方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢可歸納如下：
    (1)進一步多功能化，產品適應能力進一步加強。在較厚硬隔層地質條件下施工時，設計并配置專用的螺旋鉆，提高壓樁機的穿透能力和對地質的適應能力；對大噸位樁機開發(fā)相應的夯實裝置，實現(xiàn)以靜壓替代強夯壓樁管徑可從目前的最大600mm增大到800mm以上。
    (2)智能化操作與施工的壓樁機開發(fā)。開發(fā)機身液壓自動調平系統(tǒng)，壓樁過程計算機自動記錄及承載力在線測試，夾持力自動均衡控制，實現(xiàn)產品的智能化操作。
    (3)異型樁夾持裝置的刀發(fā)。特別是與鋼板樁、工字鋼樁、錐形樁等相適應的夾樁機構的開發(fā)。
    (4)壓樁力大、質量輕機型產品的開發(fā)。特別是對于鋼板樁連續(xù)墻施工產品的開發(fā)將是今后靜力壓樁機發(fā)月的新領域。
    (5)適應于北方寒冷地區(qū)氣溫低、凍土層較厚的樁機產品的開發(fā)。
    (6)產品向高檔次、高可靠性方向發(fā)展。