轉(zhuǎn)載 液壓靜力壓樁機(jī)的技術(shù)及發(fā)展

在土木工程施工過程中，首先要進(jìn)行的是基礎(chǔ)施工。樁基礎(chǔ)是建筑施工特別是高層建筑施工中最為常見的基礎(chǔ)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(yù)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(chǔ)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(jī)就是實(shí)施靜壓樁工法的關(guān)鍵施工設(shè)備。與錘擊式打樁機(jī)相比，這種設(shè)備施工時(shí)具有無震動、無噪聲、無油污飛濺等環(huán)境污染的特點(diǎn)，施工質(zhì)量好、使用費(fèi)用低，同時(shí)，靜力壓樁機(jī)也是具有中國特色的環(huán)保型樁工機(jī)械。
    液壓靜力壓樁機(jī)分為"抱壓式液壓靜力壓樁機(jī)"和"頂壓式液壓靜力壓樁機(jī)"(對樁頂部施壓進(jìn)行壓樁)兩種。抱壓式液壓靜力壓樁機(jī)壓樁過程是通過夾持機(jī)構(gòu)"抱"住樁身側(cè)面，由此產(chǎn)生摩擦傳力來實(shí)現(xiàn)的；而頂壓式液壓靜力壓樁機(jī)則是從預(yù)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(jī)結(jié)構(gòu)形式、性能特點(diǎn)、適用范圍也有顯著不同。其核心是液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及其配置，它直接影響整機(jī)的技術(shù)性能及節(jié)能效果。而壓樁機(jī)構(gòu)是樁機(jī)的主要工作裝置，是這種壓樁機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響樁機(jī)的壓樁能力和成樁質(zhì)量。其中，抱壓式樁機(jī)主要由壓樁系統(tǒng)和夾樁機(jī)構(gòu)組成，而頂壓式樁機(jī)主要由壓樁系統(tǒng)和樁帽組成。頂壓式樁機(jī)除壓樁機(jī)構(gòu)中沒有夾樁機(jī)構(gòu)外，一般不帶起重機(jī)，但增加了一套卷揚(yáng)吊樁系統(tǒng)。
    常規(guī)的頂壓式壓樁機(jī)由于其結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，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(yīng)用受到限制；而抱壓式壓樁機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、工作重心低、移動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)場方便、施工效率高，因此，抱壓式壓樁機(jī)已經(jīng)占絕對主導(dǎo)地位。本文所述液壓靜力壓樁機(jī)主要是指抱壓式液壓靜力壓樁機(jī)。
液壓靜力壓樁機(jī)的發(fā)展概況
    縱觀液壓靜力壓樁機(jī)的發(fā)展過程，大致可將其分為兩個(gè)階段：第一階段，從20世紀(jì)70年代后期到90年代中期，國內(nèi)先后研制了幾種壓樁機(jī)，并逐步形成系列產(chǎn)品進(jìn)入市場。其中具有代表性的兩個(gè)系列產(chǎn)品是武漢市建筑工程機(jī)械廠生產(chǎn)的YZY系列液壓靜力壓樁機(jī)和利用中南大學(xué)(原中南工業(yè)大學(xué))智能機(jī)械研究所的專利技術(shù)生產(chǎn)的ZYJ系列液壓靜力壓樁機(jī)。在這個(gè)階段主要解決了這種樁機(jī)的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)、動力配置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)壓樁力不大，實(shí)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(yīng)用于施工現(xiàn)場預(yù)制的截面尺寸為(300 mm X 300 mm)~(400mm X 400mm)的鋼筋混凝土方樁(實(shí)心件)的正常中位壓樁，單樁設(shè)計(jì)承載力標(biāo)準(zhǔn)值在1400kN以下。而預(yù)應(yīng)力管樁和高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁主要是通過錘擊設(shè)備如柴油錘等進(jìn)行打入施工。
    進(jìn)入20世紀(jì)90年代中期以后，液壓靜力壓樁機(jī)進(jìn)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(jī)將直徑500 mm的預(yù)應(yīng)力管樁壓入強(qiáng)風(fēng)化巖獲得成功，實(shí)現(xiàn)了靜壓樁施工技術(shù)的歷史性突破，從此拓寬了靜壓樁的應(yīng)用范圍，也使預(yù)應(yīng)力管樁在城市和居民住宅區(qū)內(nèi)的應(yīng)用找到了一條新路子。一方面，實(shí)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(shí)，市場對大噸位樁機(jī)的需求不斷增大，而且要求越來越強(qiáng)烈；另一方面，由于施工范圍的不斷擴(kuò)大，對樁機(jī)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(shí)際問題。這個(gè)階段的樁機(jī)品種顯著增加，系列化不斷完善，生產(chǎn)廠家也急劇增多，至今在全國約有30個(gè)制造廠。其中湖南山河智能機(jī)械股份有限公司的生產(chǎn)能力最大，2003年共生產(chǎn)125臺，占全國年總產(chǎn)量的30%~40%。目前的生產(chǎn)能力達(dá)到每月15臺，年生產(chǎn)能力在180臺左右，已形成壓樁力為800~10000kN的完整的產(chǎn)品系列，生產(chǎn)的最大噸位機(jī)型為ZYJl000。
傳統(tǒng)液壓靜力壓樁機(jī)存在的問題
    液壓系統(tǒng)功率匹配不符合壓樁實(shí)際工況，底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜一方面，由于其液壓系統(tǒng)采用恒流量設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功率按滿足最大流量和額定壓力的要求進(jìn)行配置，與實(shí)際工況不相適應(yīng)，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(jìn)入高阻力階段時(shí)，由于阻力大，必然導(dǎo)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(dǎo)致整個(gè)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用3層式結(jié)構(gòu)，無回轉(zhuǎn)偏差補(bǔ)償功能，設(shè)備回轉(zhuǎn)時(shí)，底盤與地面間存在強(qiáng)制性的相對運(yùn)動，回轉(zhuǎn)后需人工復(fù)位；縱向移動時(shí)，頂升液壓缸相互獨(dú)立，活塞桿所受徑向載荷嚴(yán)重不均，底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較差，工人勞動強(qiáng)度大。
    產(chǎn)品功能單一，適應(yīng)能力差
    20世紀(jì)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(chǎn)品提出了一機(jī)多能的要求；同時(shí)，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(yīng)用和H型鋼樁的出現(xiàn)，要求大噸位抱壓樁機(jī)既要夾持可靠，又不破損樁，這對夾樁技術(shù)及相應(yīng)裝置是很大的挑戰(zhàn)。這些工程中的實(shí)際問題已成為抱壓式靜力壓樁機(jī)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的桎梏。傳統(tǒng)壓樁機(jī)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(dǎo)致同一工地需多機(jī)種作業(yè)，給工程管理帶來極大不便；同時(shí)，夾樁可靠性問題始終沒有從根本上得到解決，工程適應(yīng)能力差，嚴(yán)重制約了靜壓樁技術(shù)的推廣。
高性能液壓靜力壓樁機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及其特點(diǎn)   
    湖南山河智能機(jī)械股份有限公司以中南大學(xué)為技術(shù)依托，針對上述問題，開發(fā)生產(chǎn)了高性能液壓靜力壓樁機(jī)，并獲得了2003年國家科技進(jìn)步二等獎。該機(jī)主要包括4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中準(zhǔn)恒功率設(shè)計(jì)理論及其實(shí)施方案、"邊樁、角樁處理技術(shù)"和"多點(diǎn)均壓式管樁夾樁技術(shù)"3項(xiàng)核心技術(shù)獲得了國家專利，是目前靜力壓樁機(jī)在工程施工中既能實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，又可解決實(shí)際問題、提高施工質(zhì)量的最實(shí)用的技術(shù)。
準(zhǔn)恒功率技術(shù)
    根據(jù)實(shí)際壓樁過程低阻力階段時(shí)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(yīng)為高壓樁油壓)的特點(diǎn)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(gè)階段的功率消耗基本一致，從而達(dá)到壓樁過程的準(zhǔn)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(jìn)行壓樁，適應(yīng)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(shí)參與壓樁，以適應(yīng)低速度高壓樁力的要求。由此保證了壓樁機(jī)在整個(gè)壓樁過程中有很高的功率利用率。若不計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)，解決了傳統(tǒng)液壓靜力壓樁機(jī)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(jié)構(gòu)，簡單可靠；短船自動復(fù)位機(jī)構(gòu)，具有回轉(zhuǎn)自動復(fù)位功能，解決了傳統(tǒng)樁機(jī)在回轉(zhuǎn)過程中短船需人工進(jìn)行復(fù)位的問題，有效地降低了工人的勞動強(qiáng)度；在回轉(zhuǎn)平臺上巧妙地設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)補(bǔ)償裝置，有效地提高了設(shè)備的工作可靠性；縱移機(jī)構(gòu)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(jī)在縱向移動時(shí)，前后頂升缸活塞桿聯(lián)合動作并實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，其優(yōu)越性在大噸位樁機(jī)上尤顯突出。
    邊樁、角樁處理技術(shù)
    沿壓樁機(jī)縱向移動方向(即壓樁機(jī)細(xì)長方向)一端布置處理"邊樁"、"角樁"的機(jī)構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)了同一套裝置同時(shí)近距離處理邊樁和角樁的目的。對于小型壓樁機(jī)，將正常壓樁、夾樁的一套機(jī)構(gòu)全部移到此處安裝；對于大中型壓樁機(jī)，則另外提供一套較簡單的壓樁夾樁機(jī)構(gòu)，在需要處理"邊樁"、"角樁"時(shí)安裝。在樁機(jī)配重保持正常的情況下，就能做到處理"邊樁"和"角樁"時(shí)充分利用樁機(jī)的自重。
多點(diǎn)均壓式夾樁技術(shù)
    如附圖所示，在圓周方向均布的若干個(gè)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(qū)動對應(yīng)的鉗口同時(shí)向中心收縮對樁進(jìn)行夾持。由于錐面的增力作用，多瓣鉗口從多個(gè)方向可靠地夾緊預(yù)制樁。鉗口的分布數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際需要任意確定，以適應(yīng)管樁的不規(guī)則性。
    這種夾樁機(jī)構(gòu)利用"手握雞蛋"的夾持效果，有效地運(yùn)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(shí)施多層多瓣多點(diǎn)夾持，并具有一定的浮動功能，能自動適應(yīng)樁身的表面狀況自動定心，從而達(dá)到樁身均壓，使其應(yīng)力分布均勻的目的。在夾樁油壓相同(24MPa)時(shí)所產(chǎn)生的夾樁力更大，而樁身應(yīng)力峰值僅為采用傳統(tǒng)夾樁機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的樁身應(yīng)力峰值的30%。
    由于鍥形塊的自鎖作用，避免了普通型夾樁機(jī)構(gòu)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(jī)現(xiàn)象的發(fā)生，提高了夾樁機(jī)構(gòu)的安全可靠性。盡管其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但具有定心效果好、樁周夾持均勻、安全可靠的特點(diǎn)，有效地解決了夾樁時(shí)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(shí)，也不會發(fā)生樁破損的情況。
靜壓靜力壓樁機(jī)的發(fā)展趨勢
    隨著靜壓樁施工技術(shù)的發(fā)展以及人們環(huán)保意識的進(jìn)一步加強(qiáng)，液壓靜力壓樁機(jī)的應(yīng)用將獲得更廣泛的推廣。同時(shí)，液壓靜力壓樁機(jī)技術(shù)及產(chǎn)品將由粗放型向功能精細(xì)化、操作智能化方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢可歸納如下：
    (1)進(jìn)一步多功能化，產(chǎn)品適應(yīng)能力進(jìn)一步加強(qiáng)。在較厚硬隔層地質(zhì)條件下施工時(shí)，設(shè)計(jì)并配置專用的螺旋鉆，提高壓樁機(jī)的穿透能力和對地質(zhì)的適應(yīng)能力；對大噸位樁機(jī)開發(fā)相應(yīng)的夯實(shí)裝置，實(shí)現(xiàn)以靜壓替代強(qiáng)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(jī)開發(fā)。開發(fā)機(jī)身液壓自動調(diào)平系統(tǒng)，壓樁過程計(jì)算機(jī)自動記錄及承載力在線測試，夾持力自動均衡控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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(yīng)的夾樁機(jī)構(gòu)的開發(fā)。
    (4)壓樁力大、質(zhì)量輕機(jī)型產(chǎn)品的開發(fā)。特別是對于鋼板樁連續(xù)墻施工產(chǎn)品的開發(fā)將是今后靜力壓樁機(jī)發(fā)月的新領(lǐng)域。
    (5)適應(yīng)于北方寒冷地區(qū)氣溫低、凍土層較厚的樁機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)。
    (6)產(chǎn)品向高檔次、高可靠性方向發(fā)展。