影响振动桩锤沉桩能力的土力因素分析

影响振动桩锤沉桩能力的土力因素分析

胡均平!唐勇!罗春雷

"中南大学机电工程学院!湖南长沙%&""*($

!中图分类号"T U#,!文献标识码"B!文章编号"&""&-’’%X#!""#$"%-""*"-"!

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振动桩锤是通过偏心回转激振器产生纵向振动,利用桩土振动降低桩)土摩擦力和桩端阻力将桩轻松沉入地基中。其突出特点是对环境干扰小、噪声低、沉桩过程对预制桩损害小、机器重量轻、造价低,因此自问世以来,一直受到施工单位的欢迎,在国内有很大的发展潜力。国内对振动沉桩机理的研究处于初始阶段,对沉桩能力这一难题的研究甚少,还没有形成一套系统的振动沉桩理论体系。本文旨在面向地基土分析影响振动桩锤沉桩能力的土力因素。

3土力因素对振动桩锤沉桩能力的影响土壤通常可以分为两类,粘性土壤和非粘性土壤,土的强度问题,实质上就是抗剪强度问题。当地基受到载荷作用后,土中各点产生法向应力和剪应力,若某点的剪应力达到该点抗剪强度,土即沿着剪应力作用方向产生相对滑动(剪损),从而使桩体轻易地穿越该土层,进入更深的土层。较之坚硬、湿润的粘性土,振动桩锤在非粘性土壤中有更好的沉桩效果,因为在坚硬、湿润的粘性土壤中,振动沉桩过程中土壤的动抗剪强度不能像在松散的非粘性土壤中那样顺利地减小。

振动沉桩过程中,沿轴向和垂直方向的土壤动抗剪强度受到几个重要因素的影响。早期的研究结果表明,与土质相关的因素对振动桩锤的沉桩能力有很大的影响,包括土壤颗粒振动状态、土壤原始密度、土壤的液化状态和土层坚硬程度。其它影响振动桩锤沉桩能力的土质参数还有:土壤颗粒大小、土壤微粒的成分和土壤的内部摩擦

角,但它们对振动桩锤沉桩能力的影响都没有上述%个土壤参数那么明显。

近年来,国内建筑基础工程行业迅猛发展,使得液压振动桩锤在国内具有非常广阔的市场,但由于振动沉桩运动异常复杂,涉及多学科,尤其是地基土的多变性、振动状态的复杂性和难以预知性使得这种沉桩方法至今仍充满不确定性。本文对影响振动桩锤沉桩能力的土力因素进行探讨,以期对振动桩锤的设计起到推动作用。

5土壤颗粒振动状态的影响

将剪切箱直接放置在振动台上,驱动振动台的装置是可调的,可以控制振动频率和垂直方向的振幅。因为垂直方向的峰值加速度D是运动振幅6与频率平方!!的乘积,可对不同的频率采用不同的振幅来获得相同的加速度值。实验结果表明[&]:土壤内摩擦系数C4)随振幅的增加而显著地减小。然而,土壤内摩擦系数C4)的减小量比所研究的频率变化范围小,如图&所示。

图!表示砂土的内摩擦系数随振动加速度增大而减小的情况,从图!中可以看出,增大振动加速度比&,可以使内摩擦系数从静态值到动态值呈指数规律减小。

C a n)=+C a n)<.n-(C a n)95)C a n)<.n),)$&(&)式中)

=

***土壤动摩擦角;

)<.n***最小土壤动摩擦角;

!收稿日期"!""’)&!)"#

!通讯地址"胡均平!湖南省长沙市中南大学本部机电工程

学院液压所

)95***土壤静摩擦角;

$***振动土壤颗粒尺寸系数;

&***振动加速度比,&+&

4

,&为试验时的

振动加速度,4为重力加速度。

(曲线&、!、(、%相应的振动频率分别为($.*H2、

!!$!H2、!*$!H2和(($!H2)

图3改变振幅对土壤内摩擦系数的影响

图5改变振动加速度比对土壤内摩擦系数的影响

振动沉桩过程中,振幅为’",<<时,与静载相比,土壤的内摩擦系数C a n)的变化特征:对于干砂,减小!"D"("D;对于粘性土,只减小&"D"&’D。

土壤颗粒尺寸对减小内摩擦系数影响如图(所示。

(曲线&振动频率为!(H2;曲线!振动频率

为%"H2;两曲线振幅均为"$(’<<)

图6土壤颗粒直径对振动效果的影响

内摩擦系数减小率可以用下式表示:

*+

C a n)95)C a n)=

C a n)95

(!)式中****土壤内摩擦系数减小率;

)95***土壤静摩擦角;

)=***土壤动摩擦角。

由上述分析可以看出,在相同能量的作用下,

粗糙的非粘性土壤将会减小振动桩锤的沉桩能力,也就是说,在较大颗粒开始与周围颗粒失去接触前,需要更高的激振力。

6土壤原始密度的影响

显然,振动桩锤沉桩过程会改变土壤原始密度,大量实验结果表明,土壤原始密度对振动桩锤沉桩能力有很大影响。土壤的原始密度越大,土粒间的咬合(联锁)作用越强,沉桩时首先必须克服土粒咬合作用,才能使土产生相对滑动。

在一定的振动加速度&

.

作用下,土壤的孔隙比,

.会减小,也就意味着增大了土壤密度,使土壤颗粒接触更紧密,土壤内聚力增大。因此要想进一

步硬化土壤,往往需要比&

.

更大的振动加速度。Y8u P(&.#,)[!]实验发现振动沉桩过程中,一定的孔隙比对应于一定的振动加速度,随着土壤孔隙比的减小,振动沉桩的效果将会降低。

7土壤的液化状态的影响

振动沉桩过程中,土颗粒除受重力外,还受到动力的作用(其值等于振动加速度乘质量),在动力作用下,砂土有振密的趋势。这种快速的密实趋势使孔隙水压逐步上升而来不及消散,致使土中的有效应力减小。当有效应力完全消失时,土的抗剪强度为零,土粒在失重状态下随水漂流,从而使桩顺利地沉入。此时砂土的动抗剪强度为: +E=+,)C a n)=+(,)0)C a n)=+"(()

式中+

L P

***土的动抗剪强度,>I a;

,与,)***土中的法向应力和有效应

力,>I a;

0***孔隙水压,>I a;

)=***土的动内摩擦角,(;)。

?a n4(&..%)[(]结合有限元对振动桩锤模型的

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除安装了限位开关和极限开关外,还在吊笼上部安装了!个缓冲装置,当过卷冲顶时,缓冲装置变形,超载限制器动作,切断主电源,可避免断绳事故的发生。该机还安装了断绳保护装置和停层保护装置,当断绳时,安装在保护装置内的安全闸块会在重力和弹簧力作用下卡到导轨挡块上,将吊笼制停。为了防止非断绳超速坠落事故的发生,99型井道附着式施工升降机采用了渐进式钢丝绳超速保护装置(专利技术),能准确、可靠地直接将!根超速的提升钢丝绳制停。为了保证进出料时作业人员的安全,避免剪切事故发生,该施工升降机设置了可靠的门机系统和机械电气连锁装置。

(!)99型井道附着式施工升降机吊笼的吊点是在其重心位置上,因此受力均匀,不存在偏载的现象,运行平稳、噪声低。由于利用电梯井道壁承重,节省了导轨架的费用;而采用传统的卷扬机驱动,降低了传动系统的制造成本和维修成本。由于该施工升降机是在电梯井道内作业,不需要制作、安装卸料走台和护墙架,从而节约了大量的施工辅助材料和人工制作费用,也避免了在搭设和使用卸料走台这一环节中工人操作的危险性。电梯井道一般都布置在建筑物的合理位置,因此通过井道附着式施工升降机可以方便快捷地将物料运至建筑物各个角落,缩短了施工运输距

离,减轻了工人劳动强度,大大提高了输送效率,降低了建筑成本。

(*)井道附着式施工升降机在井道内输送建筑材料,不受天气和外界条件限制,可以全天候施工,便于合理安排施工计划,确保施工进度,提高施工效率。周围环境的噪声和灰尘污染可降到最小,改变了以往那种喧哗、杂乱的施工场面,使宁静而有序的文明施工成为可能。

(%)井道附着式施工升降机由于不需要外井架和施工卸料走台,从而使建筑物外墙不留施工洞,避免了以往堵洞后造成的南方墙体渗水、北方墙体挂霜的现象。特别是对复杂造型的外墙装饰和玻璃幕墙施工,可以一次放线,一次整体完成,确保外墙色泽感观一致。

4应用实例

辽宁国际建设工程集团公司东莞公司’,,&(

!""&年利用井道附着式施工升降机进行施工,十年来未发生一起安全事故。在全天候使用该设备的情况下,井道附着式施工升降机的维修保养费用不到其它升降设备的’?,误工时间也不到’?。采用该设备施工可给施工企业提高*?!#?的经济效益。

!责任编辑%孔庆璐

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"

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分析,对孔隙水压力进行了测试。试验结果表明,孔隙水压力是周期变化的,在桩侧附近的孔隙水压力有很大变化幅值,随着桩半径方向的距离增大,孔隙水压力幅值衰减很快。孔隙水压力的变化对振动桩锤的沉桩能力有很大的影响,孔隙水压力越大,振动桩锤的沉桩能力越强。

6土层坚硬程度的影响

土层坚硬程度对振动桩锤的沉桩能力同样有很大的影响。天然的超压密状态的土,因历史上曾受过较现今作用压力为大的有效压力的压密,因此具有较正常压密土更高的抗剪强度。反之,欠压密状态的土,因压密程度不足,抗剪强度比正常压密土要低。@A-B(’,,%)的分析报告指出由于土壤密集层的存在使得振动桩锤的沉桩能力受到削弱。当振动桩锤从中等密度的土层进入到密度很大的土层时,桩侧阻力增加了’+?,而桩端阻力的增加值超过了’""?。

!参考文献"

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!责任编辑%杨晓光"