液压高频振动锤拔桩体系的振动特性分析.pdf

第 3 2卷第 1期 2 0 1 5年 3月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t V0I | 3 2 No ．1 Ma r ． 2 0 1 5 液压高频振动锤拔桩体 系的 振动特性分析 谢伟民 ， 郭启文 ， 陈龙珠 1 ． 宁波国际投资咨询有限公司， 浙江宁波3 1 5 0 4 0； 2 ． 上海交通大学土木工程系， 上海2 0 0 2 4 0 摘要 发达国家和我国使用逐渐增多的液压高频振动桩锤， 是一种低振动噪音、 机动性强的桩基施工新技术， 对拔桩具有独特的优势。本文运用结构动力学理论 ， 建立了基桩 一振动桩锤 一吊缆整体动力分析模型及其解 答， 由此分析了基桩、 桩锤及吊缆相关参数的影响规律 ， 初步总结了在振动拔桩施工中基桩获得有效激振而桩 锤吊挂设备受振尽可能小的技术条件。研究表明， 基桩振幅并非随着振动频率的升高而单调增大， 应配备振动 监测系统并由此优化调整桩锤的工作频率。本文成果对我国液压高频振动桩锤的设计和施工参数优化 ， 具有 较高的理论参考价值。 关键词 液压高频振动桩锤； 振拔桩； 振动分析 ； 参数优化 中图分类号 T U 4 7 3 ． 1 ； T U 6 7 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 - 0 9 8 5 2 0 1 5 0 1 - 0 0 0 7 -06 Dy na mi c s o f Pi l e Ex t r a c t i o n by Hy d r a ul i c Vi b r a t o r s wi t h Hi g h Fr e q ue nc i e s X I E We i ． mi n ， G U O Q i w e n ，C H E NL o n g - z h u 1 ． N i n g b o I n t e r n a t i o n a l I n v e s t m e n t C o n s u l t i n g C o L t d ， N i n g b 0 3 1 5 0 4 0 ，C h i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 O O 2 4 O ， C h i n a Abs t r a c tTh e h y d r a u l i c p i l i n g v i b r a t o r wi t h h i g h e q u e n c y i s mo bi l e a s we l l a s o f l o w v i b r a t i o n a n d n o i s e，wh i c h h a s b e e n u s e d i n s o me d e v e l o p e d c o u nt r i e s a n d i n Ch i n a ．Ba s e d o n t h e o rie s o f s t r u c t u r e d y n a mi c s， a h y b rid mo d e l o f p i l e v i b r a t o r s u s p e ns i o n s y s t e m wa s p r o p o s e d a n d t he a n a l y t i c f o r mu l a t i o n s we r e d e r i v e d t o c a l c u l a t e t he d i s p l a c e me n t o f p i l e t o p a nd t he f o r c e o f s u s pe ns i o n i n d uc e d b y t h e v i b r a t o r ． Th e p a r a me t ric a n a l y s i s s h o we d t h a t t he d i s p l a c e me n t o f p i l e t o p d o e s n o t mo n o t o n i c a l l y i n c r e a s e wi t h i n c r e a s i n g f r e q u e n c i e s a n d a v i b r a t i o n mo n i t o r i n g s y s t e m i s n e e de d t o r e a s o n a b l y a d j u s t t h e w o r k i n g f r e q u e n c y ．T h e r e s u l t s p r e s e n t e d h e r e i n c o u l d b e a u s e f u l r e f e r e n c e t o t he a p p l i c a t i o n o f h i g h - f r e q ue nc y hy d r a u l i c v i b r a t o r s t o p i l i ng i n p r a c t i c e ． Ke y wor ds h y d r a ul i c pi l i n g v i b r a t o r wi t h h i g h f r e q u e n c y； p i l e e x t r a c t i o n； v i b r a t i o n a n a l y s i s ； pa r a me t e r o p t i mi z a t i o n 振动打桩锤 ， 是利用一对或多对偏心块反 向 旋转产生的离心力 ， 在水平方 向上互相抵消、 垂直 方 向上相互迭加而形成简谐激振力来 工作 J ， 其 力幅可表示为 F 0 1 3 0 6 0 1 式 中 是一个综合系数 N S ， 与偏 心块质量 矩等因素相关 ； 2 是桩锤振动 圆频 率 r a d ／ S | 厂 是振动频率 H z 。可见， 对给定非可变偏心 质量矩的桩锤， 激振力幅与振动频率的平方成正比。 振动法打桩是 将桩或 沉管与桩锤 连接在 一 起 ， 桩锤振动力通过桩身传 给侧边和底端土体使 之振动软化或液化而降低阻力， 桩身继而得以贯 入到土层中的设计深度。按振动频率大小 ， 振动 桩锤可分为低频 6 0 nz 四种 ； 按 动力源 ， 则可分为 电动和液压两种。出于环境振 动控制 、 桩基工程场地适用性 和施工效率等方面 的综合考虑， 液压高频振动打桩技术在最近 1 0 余 收稿 日期 2 0 1 4 -0 9 - 0 8 修 回 日期 2 0 1 4 1 0 - 2 7 作者简介 谢 伟民 1 9 6 2 一 ， 男 ， 浙江宁波人 ， 高级工程师 ， 研究方 向为土木工程管理 E ma i l 7 2 3 9 0 5 4 7 8 q q ． c o n 通讯作者 陈龙珠 1 9 6 2 一 ， 男 ， 安徽安庆人 ， 博士 ， 教授 ， 研究方 向为地基基础及土木工程防灾减灾 E ma i l l z c h e n s j t u ． e d u ． c n 基金项 目国家 自然科学基金 5 1 3 7 9 1 2 2 ； 上海市科 委资助项 目 1 1 d z 1 2 0 2 0 0 0 8 土木工程与管理学报 2 0 1 5年 年来得到了国内外的关注。 与锤击法相 比， 由于在一定 的时 间内荷载作 用次数多得多， 液压高频振动桩锤不但能使土体 扰动软化速率和打桩工效得到提高 ， 而且还能降 低施工振动和噪声对周 围环境 的影 响。除此之 外 ， 液压振动桩锤还有一个特殊的用途 对拆建工 程中的既有桩基 ， 用它在桩顶持续激 振以软化桩 侧和桩端土体 ， 待土阻力下降到一定程度时 ， 再用 吊装设备拔 出地下的桩体 。在 S MW 工法基坑 围护水泥土坝体中， 当地下室完成施 工后大多要 拔出其中的型钢 ， 液压振 动桩锤对此也具有着较 大的应用潜力。 图 1 高频液压振动锤 打桩试验现场照片 图 1是国内某公司生产的液压高频振动锤 打桩 的照片 ， 由上到下依次为吊缆、 减振横梁 、 隔 振器、 激振器 、 夹桩器 、 基桩。上部 吊缆与固定装 置 打桩机架或吊机等 连接 ， 其受力大小对施工 安全以及桩锤 系统的动力响应将会产生影响。减 振横梁与激振器之间的隔振器一般是橡胶块 ， 目 的是抑制下方激振器产生的强烈振动传到上方横 梁而有害于液压管线和吊挂设备 。激振器 中成对 设置旋转偏心块 ， 通过绕经减振横梁 的高压油管 实现液压驱动。夹桩器用以将桩锤固定连接于预 制桩或钢管桩 的顶端 ， 继而可将桩锤振动有效地 向桩身以及周围土中传递等。 显然 ， 在打桩过程 中， 从提高打桩效率来看 ， 桩锤激振器和桩顶振动越 强越好 ； 而从施工机械 设备安全来看 ， 减振横梁 的振动则是越弱越好 。 因此 ， 在考虑桩体和地基土影响的条件下 ， 按接近 于实际情况建模以对振动桩锤系统动力特性进行 较深入的分析 ， 具有重要的实际应用价值。 既有桩工机械设计分析以往采用单 自由度模 型 ， 将锤与桩当成一个刚性整体来分 析 I4 J ， 这与 实际情况差距较大。目前已有按两自由度体系求 解的文献 _ 5 J ， 但确定桩 一土对振动锤作用等效参 数的理论计算方法 尚未解决。在实际振动打桩过 程中， 桩 一土界面以及邻近的桩侧土、 桩端土， 一 般呈现非线性性状 ， 对此进行严格 的力学解析 尚 存在 困难 ， 需 要 借 助 于 有 限 元 等 数 值 计 算 方 法 ’ 。与沉桩施工 相 比， 在对拆 建工程 中既有 基桩进行拔除施工的初期 ， 将桩锤 一基桩整体当 成一个线性体 系来分析， 其结果将具有较高的实 际应用价值。在振拔过程中 ， 桩侧 和桩底土逐渐 软化， 桩 一 锤体系受到地基土的作用会逐渐减弱。 因此， 按线性理论建立的方法对振拔过程进行分 析时 ， 不同时段所选取 的桩侧和桩底土参数应作 相 应 的改变 。 本文的主要 目的是对此线性振动力学模 型 ， 推导出激振器和减振横梁的幅频计算公式 ， 并 由 此对桩锤结构、 基桩振动及其受地基土作用 的影 响进行参数分析 ， 以便 为液压高频振动桩锤机械 设计和施工工艺优化 ， 提供初步的理论依据。 1 液压高频振动桩锤 一基桩体系简 化 力学模型 与求解 1 ． 1 线性振动力学模型 根据上述液压高频振动桩机械结构和施工原 理 ， 图 2给出了一个桩锤 一基桩体系线性 简化线 性振动力学模型 ， 其 中 和 分别是桩锤激振 器和减振横梁的质量 ； 。 和 c 。 、 k 和 c i 、 k 和 C 、 k ， 和 C 依次分别是桩端 土支撑弹簧刚度 和阻尼 系 数、 夹桩器与桩顶的连接刚度和阻尼系数 、 桩锤隔 振器刚度和阻尼系数、 吊缆刚度和阻尼系数； 桩长 Z 为 地面 以下长 度Z 和地面 以上 长度Z 之 和 ， 地 面 图2 桩锤 一 基桩 一土整体简化力学模型 第 1 期 谢伟民等 液压高频振动锤拔桩体系的振动特性分析 。 9 基土对桩侧的作用 以分布弹簧刚度系数 k和分布 阻尼系数 C表示 。显然 ， 本文采用 的是包括集 总 参数和连续参数元件 的混合模 型， 其求解有一定 的难度。 1 ． 2 桩 一土振动的等效 刚度和阻尼系数计算 在结构动力学中 ， 将激振力 幅与某点位移振 幅之比定义为该点的位移阻抗， 其倒数称为位移 导纳 。对图2 所示这种混合型力学模型， 本文 拟采用机械阻抗法求解 ， 即首先按连续弹性杆 件 模型推导 出基桩顶面位移阻抗表达式 J ， 然后 以 此作为桩锤底部 的支承条件 ， 再按二 自由度集 总 参数模型求出激振器和减振横梁的振 幅随桩锤结 构、 桩 一 土特性和振动频率等参数而变化的关系。 记 A为桩体的截面面积， P为质量密度 ， E为 弹性模量 ， P为轴力 。在图 2中， 取桩底端为向上 坐标轴 y的原点 Y 0 ， 该处桩的复位移阻抗可 表达为 Z 0 k 0 i c o 0， i 一1 。 沿桩取微段 d y ， 由虎克定律 和微段动力平衡 方 程 得 p 嚣 ，E A Oa yU c 。 对 其分别进行傅里叶变换 ， 得 PE A 2 nV 粤 q 8 0 3 L j 式中 P和 分别是桩身截面轴力和位移 的复振 幅 ； 1 ／ E A； 卢 p a 一i c wk 。容易求 出式 3 的解 ， 再将其代 入式 2 得到 P的表达式。桩身 任意截面 Y处 的位移 阻抗为 z P。对其代入 桩端 Y；0 边界条件 ， 再取 YZ ， 可得在地面处 桩截面的位移阻抗 4 将 作为地面以上桩身的底端边界条件 ， 再取其 侧土参数 k 0和 c 0 ， 便可 由式 4 向上递推得 到桩顶面 的位移阻抗表达式 p ㈤ 式中 v p 是桩身 P波速度， 对混凝土桩一 般处于 3 6 0 0～ 4 2 0 0 m／ s ， 对钢桩约为 5 1 0 0 r n ／ s 。 根据阻抗 串联 规则 ， 可得桩锤激振 器 下 端面的位移阻抗为 丁 6 t 而 Z ， 十 l C 当假定夹桩器使桩顶与桩锤之间固结无滑动时， k o 。， C 0 ， 则由式 6 得 1 i c 1 c ， 7 由式 4 、 5 可知 ， 桩、 土对振动锤作用 的等效参 数 k 和c ， 随振动频率而变， 不是常数。 对在拆建工程 中有待 于振拔 的基桩 ， 可取 z Z ， Z 0， 则 由式 5 得 z 。 1 ． 3 桩锤激振器与减振横梁振幅算式 将图 2中 以下桩 一土 的作用表达成 由式 7 定义的等效 弹簧刚度 系数 k 和阻尼系数 c ； 钢吊缆和橡胶块体隔振器的阻尼效应一般不强 ， 为方便理论分析 ， 取 c ， 0 、 C 0 。由此 ， 得到桩 锤 的二 自由度体系等效模型如图 3所示 。 图3 桩锤二 自由度体系等效模型 设桩锤激振器和减振横梁 t 时刻的竖 向位移 分别为 和 ， 则其运动方程为 M1 1 C 1 1 k l 1 一 k 2 2 一 1 F 8 2 k 2 2 一 1 十 k 3 X 2 0 9 在初始静止条件下 ， 对式 8 和式 9 两边进 行傅里叶变换得 k 1 i c 1 X1 。 一 2 X 2 。 F o 1 0 一 2 1 e 2 X 2 0 1 1 式 中 。 和 。 分别激振器 和减振横梁 的复位移 振幅； F o为力 幅， 由式 1 确 定 ； k 。 。 k k 一 M1 Ca ； e 2k 2k 3一M2 w 。因此 ， 由式 1 0 、 式 1 1 和式 1 ， 可得 出桩锤激振器和减振横梁 的 复位移振幅 1 2 1 3 为化简公式 ， 取一组无 量纲变量 k 3 ／ k ， 一 2 惫 ，r to M 2 H 。 将其代入式 1 2 和式 1 3 后求复数的模 ， 经整理 得桩锤激振器 也 即桩顶 和减振 横梁 的位移振 幅分别为 1 4 ‘ M， J a 6 ∥ 何 和 1 O 土木工程与管理学报 2 0 1 5年 1 5 1 ／ 0 6 D 式中 a[ 1n H ]一 1n 日 r r ； 6 2 r [ n 一r ] 。 由式 1 4 、 式 1 5 可得桩锤激振器与减振横 梁的位移振幅之比为 2／ X 1 ／I n 1 一 r 2 I 1 6 可见 ， 使得桩锤减振横梁 比激振器具有更低振 幅 的条件为 1一r 1 或 n1一 r 2 1 ， 桩锤的工作频率便可以有所降低 。 。 桩锤 吊缆所受力 幅与桩锤激振额定力 幅 F 之 比为 Fe X 2／ F o - 2 o V U T ￡， 上， ’ 0 式中， F 。 。 ∞ ， 即式 1 中的激振频率取 ， 如 某厂试制 的桩锤 3 2 H z 、 F 1 5 0 0 k N。显然 ， 在施工中所用激振频率下的 F ， ／ F 越小于 1 ， 悬 挂桩锤的吊车或机架受 到的振动影响便越小 ， 这 将更利于保证施工设备 的安全。 反映桩 一土体系影响的等效参 数 k 和 c 一 般随振动频率而变 ， 无量纲数 日和 D将是 r的函 数 。因此 ， 日、 D、 r 变化对桩锤激振器、 减震横梁位 移振幅的具体影响方式， 难以直观地从式 1 4 、 式 1 5 来总结 ， 而需要从参数分析 的图形 曲线来 加以考察。 2 液压高频振动桩锤振动参数分析 本节将对液压高频振动桩锤 一桩 一土体系统 振动特性进行参数分析 。桩 一土参数取为 桩身 弹模 E 41 0 MP a ， 质量密度 P 2 4 0 0 k g ／ m ， A 0 ． 1 9 6 m ； 土对桩的作用参数 11 0 N ／ m， 。 o11 0 N s ／m ， k 11 0 N／m ， c 1 1 0 N s ／ m 。参考上海某公 司 1 5 0 T液压振动桩锤 ， 取 M 5 0 0 0 k g ， 3 7 N m。 s 。考虑到 目前国内 外应用的液压振 动桩锤 的上 限工 作频率大多 为 4 0 H z 左右 ， 本文暂只计算 1 0 6 O H z范围内的桩 锤激振器和减振横梁的振幅曲线 。 2 ． 1 桩长的影响 在上述条件下， 再取 z f 3 0 m和 1 5 1T I ， 3 ， 3 0 0 r a d ／ s和／ z1 ． 3 ， 由本文公式计算的桩锤 激 ， 7 H a 激振器 图 4 桩 长的影 响 第 1期 谢伟民等液压高频振动锤拔桩体系的振动特性分析 1 1 由图4可见 1 对 1 0 6 0 Hz 范围内的各个 频率 ， 由于． 厂 ． 8 2 ． 7 H z ， 桩锤激振器振幅总是 比减振横梁的大 ； 2 在常见上限工作频率 4 0 Hz 以内， 桩锤激振器和减振横梁的幅频曲线都存在一 个峰点， 其振幅并非随着频率的升高而单调地增大， 应选峰点频率进行振动拔桩施工； 3 随着桩长的增 大， 振幅及其幅频曲线的峰点频率均会降低。 本文在建模 和分析 中， 假设桩锤能够夹紧桩 顶彼此形成固接 ， 桩 锤与桩顶 幅频 曲线相 同。一 般来说 ， 桩身振 幅大更容易使得 桩周 和桩端土体 软化 ， 继而对后续拔桩有利。因此 ， 施工时可在桩 锤幅频 曲线峰点频率及其附近来优化选择桩锤 的 工作频率 ， 而并非是振动频率越高越好。 2 ． 2 桩锤 吊缆刚度的影响 取 Z 3 0 m， ， 3 0 0 r a d ／ s ， ／ ．t 1 ． 3 。图5给 出了 1 7 , 1和 0的计 算结果 ， 由此并结合 图 4可 见 ， 随着 k 和 n的减小 ， 桩锤激振器与减振横梁 的振幅差异逐渐缩小 ； 而当 r t 0时， 桩锤上 的减 振横梁变得具有比激振器更大的振幅， 高频时尤 其显著 ， 这显然不利于保护减振横梁上 的液压管 线。另外 ， 在 n 0条件下 ， 大约超过 3 5 H z 之后 ， 激振器振幅才不随频率 的升高而 降低 ， 这显然会 降低桩侧和桩底土受振软化 的效率而对后续的拔 桩不利。 图 5 吊挂刚度的影响 记振动桩锤的最高工作频率为．厂 m 目前多为 4 O H z 左右 。取 f m ， 由式 1 8 可得在 条件下 ， 减振横梁振 幅不高于激 振器振 幅的条件 是 脏≥ d 2 Z rf m ／ t O 2 。当厂 m4 0 H z 、 23 0 0 r a d ／ s 时 ， 0 ． 7 。图 5曲线与此相符。 2 ． 3 减振横梁与激振器连接刚度的影响 取 z 3 0 m， 1 ． 3 。维持 和 不变 ， 将 0 9 减小一半为 1 5 0 r a d ／ s ， 意味着 k 减小到原来 的 1 ／ 4； 若 吊缆刚度不变 ， 则 r ／, 由原来的 3增大到 1 2 ， 计算所得桩锤激振器和减振横梁 幅频关系 曲 线如图 6 。 与图4相比， 由图6可见 曲线的第 1 个峰频 有所降低； 在常用工作频率范围内， 减振横梁的振 幅降低较为明显 ， 而激振器的振幅有一定的增加。 这对保护桩锤设备和振拔桩工效有利。 2 ． 4 减震横梁质量的影响 取 z 3 0 m 和 n3 。只减少 使 得 由 1 ． 3 降低到 0 ． 7 ， 则 由 3 0 0 r a d ／ s 增大到 4 0 8 r a d ／ s ， ir t 0 ． 3 8／ 7 , 。桩锤激 振器和减振横 梁振 幅随频率的关系如图7所示， 可见比图4中减振 横梁的振幅有所降低 ， 激振器的振幅有所增大 ， 但 图 6 减振横 梁与激振器连接刚度 的影响 程度分别均不如图 6的明显。 2 ． 5地基 土 的影 响 取 f 3 0 m， ir t 3 ， 1 ． 3， 2 3 0 0 r a d ／ s ， 再 将前述土对桩的作用参数 简称算例基准值 ， k 。 11 0 N ／m ， 。 01 X1 0 N s ／m ， k1 X1 0 N／ m ， C 11 0 Ns ／ m 分别升高 5倍和降低到 1 ／ 5 以考察硬土和软土的影 响， 可分别模拟振拔桩初 期地基土尚未扰动和振拔施工时间较长而使地 基土 明显软化 时 的桩锤 体 系振 动 。 三组 参数相 1 2 土木工程与管理学报 2 0 1 5年 flHz 图 7 减震 横梁质量 的影 响 应的计算 曲线如图 8所示 ， 其 中虚线对应于土参 数的基准值 。 图8 表 明 ， 在 目前常用 上 限激 振频 率 4 O H z以内 ， 对软土 ， 桩锤激振器和减振横梁振 幅随着频率的升高会增大 ， 之后则随着频率的升 高会降低 ； 对硬土 ， 则与之相反 ， 而且随着土作用 参数的增大 ， 计算 曲线的第一个峰有消失的趋势 ， 意味着硬土会强化桩体与桩锤激振器间的联结 ， 使得桩锤体系由原来的 2个 自由度 向单个 自由度 蜕化。 对硬土地基 中的既有桩基 ， 这里的基准值 和 软土工况 ， 可近似看成为振动拔桩过程 中桩 一土 界面被逐渐扰动的两个状态 。从利用曲线第 1 个 峰点以加速桩侧和桩底土软化乃至后续拔桩施工 效率角度来看 ， 振动桩锤的工作频率宜逐渐调低 ， 具体调整节奏可通过安装在桩顶附近侧边 的振动 传感器 的实测振幅变化来确定。 图 8 地基 土性 质的影 响 2 ． 6 桩锤 吊设备所受力幅特性 根据式 2 0 分别计算 了与 图 4 、 图 6相应 的 桩锤 吊挂设备 的受力 幅频 曲线如 图 9 a ， 图 9 b 则与图 8相对应 。由图可见 ， 在 常见上 限工 作频率 4 0 H z以内， 只有在图 6对应的条件下， 吊 挂设备所受力幅总是低于桩锤激振力幅 的； 在其 他几种条件下 ， 在曲线第 1峰点附近的一段频段 内， 吊挂设备所受力 幅会高于桩锤激振力幅。因 此 ， 从 吊挂设备保护角度来看 ， 对减振横梁与激振 器之间的连接刚度 ， 应尽量选用较低数值。 f I Hz a 桩长和减振横 梁- 激振器 连接刚度影 响 图 9 吊挂设备受力特性 Hz b 地基土性质影 响 下转第 8 1页 第 1期 何春等 国内建筑施工技术专利统计分析 8 1 应抓住契机制定企业 知识产权管理制度 ， 利用知 识产权制度保护企业创新成果 ， 并且完善专利开 发流程 ， 实施知识产权战略， 从而提高企业 自主创 新能力、 培育企业新 的经济增长点 ， 提升企业整体 实力 。 本文不足之处在于仅对建筑业专利活动的数 量进行了统计分析 ， 没有引入与专利质量相关 的 指标进行分析 。专利最有价值 的信息就是对专利 质量的度量 ， 通过对专利质量的分析可 以更精准 地判断行业技术的发展方 向， 为企业在进行技术 管理时提供决策依据 。 [ 2 ] 参考文献 Y u W D．L o S S ．P a t e m a n a l y s i s b a s e d f u z z y i n f e r e n c e s y s t e m f o r t e c h n o l o g i c a l s t r a t e g y p l a n n i n g [ J ] ．A u t o m a t i o n i n C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 9， 1 8 6 7 7 0 - 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