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岩土研究院

静压桩的设备选型及适用条件

377 2021-03-19 13:04:37


一、概述

静力压桩施工法是以设备自重及配重作反力,通过液压(或机械)驱动用静压力将预制桩压入地基土中的一种施工工艺,简称压桩法。与传统的锤击法和振动法比较,具有无振动、无噪声、无污染、施工速度快、施工现场干净文明、施工质量易控制等优点,被称为"环保型"绿色沉桩技术,在 20世纪 90 年代得到大力发展,特别是近年来,大吨位静力压桩机的出现,使得其应用越来越广泛,取得了很好的经济效益和社会效益。


压桩法施工具有以下优点∶

(1)无振动、无噪声、无污染,适合在市区施工。

(2)施工工序简单、施工过程直观,可随时记录压桩阻力随桩入土深度及终止压力的变化情况,从而可判断地层变化情况和单桩承载力能否满足设计要求。

(3)桩被静压力匀速均衡地压入土体中时,避免了锤击法对桩身产生的张拉应力

(4)施工速度快且可 24h 连续施工,可大大缩短工期。(5)施工现场整洁文明,机械化程度高,工人劳动强度低。


压桩法施工和其他工法一样也有其局限性,如需要穿透相对较厚但不能作为持力层的中密~密实状态的粉、砂性土、砾石层等土层沉桩困难;在饱和软黏土层压桩法施工的挤土效应明显,对周围地下管线及建筑物有影响等。


压桩法施工在我国许多地方已广泛应用,从海南、广东、广西、福建、浙江、上海、江苏、山东、天津等沿海地区到安徽、湖北、湖南、河南、陕西、云南等内陆地区以及东北等冻土地区已普遍应用,从民用建筑到工业设施,从高层建筑到市政路桥,到处都有压桩法施工工程。


二、压桩机

1、压桩机的分类

(1)按压桩驱动力机理分为机械式和液压式。机械式压桩机是通过滑轮组驱动将桩压入土体中,其压入能力不大,最大2500kN,应用已经很少。液压式压桩机是通过液压驱动将桩压入土体中,是目前主流产品,其最大压入力已达 12 000kN。

(2)按给桩施加压力形式分为抱压式和顶压式。抱压式压桩机又叫箍压式压桩机,是通过抱夹装置将桩身抱住(箍紧),然后通过压桩油缸施加压力将桩压人土体中,其压入力较大,大吨位压桩机均为抱压式压桩机。顶压式压桩是通过桩帽从桩顶给桩施加压力将桩压入土体中,一般为小、中型压桩机,适宜小方桩和薄壁管桩。


(3)按压桩位置不同分为前压式和中压式。前压式压桩机的加压装置在其前端,可施压距离已有建筑物较近的桩,由于其偏心受力,压入力一般较小;中压式压桩机的加压装置在其中部,均衡堆载均衡施压,其压入力较高,工作面相对较大,大部分压桩机均为中压式。


(4)按行走机构不同分为滚筒式和步履式,目前主流产品为步履式。


(5)按吊机设置分为自吊式和它吊式。自吊式压桩机上设置有吊车,可自身完成吊桩、喂桩;它吊式压桩机吊车和主机分离,吊桩、喂桩需另配吊车,但该种压桩机配重好堆放。


(6)其他多功能桩机。如抱顶一体机,在抱压机基础上,增加一套顶压装置,既可抱压、也可顶压,又可以抱压、顶压同时使用,一机多用,方便快捷。中、边一体机,同一桩机既可中压又可将压桩机构移到前边压边、角桩,采用与主机一体化边角桩机构形式,边角桩压桩能力可达中桩的60%~70%,适应性强,最小边桩距离 1.2m,最小角桩距离 2.4m。


全液压步履式压桩机是目前压桩施工主流产品,其行走、旋转、压桩均为液压驱动,灵活机动,压入力大,适应性强,是一种新型桩基工程施工设备,在近年来得到大力发展和广泛应用,其代表产品为湖北武汉和上海生产的YZY系列及湖南长沙生产的ZYJ,ZYC系列全液压静力压桩机。


2、压桩机的构造

全液压步履式压桩机主要由夹桩、压桩机构,升降行走、旋转机构,起重机构,液压系统,电器系统,配重等主要部件组成。


1)夹桩机构

夹桩机构为抱压式压桩机的关键结构,依靠液压油缸驱动,通过一定的传力构件将预制桩夹住,其夹桩力要大于压桩力,不打滑,且不把桩夹坏,桩才能被顺利压入土体中。常用的夹桩机构有以下三种∶


(1)传统的对夹式,即两个对称方向上装有两组对顶的液压油缸,通过对顶夹持板将桩夹住,如图 4-1所示,其优点是结构简单,机理明晰,其夹桩力的大小取决于系统油压、油缸面积及夹持板与桩的接触面积。其缺点是四只油缸不同步时桩身会受到剪应力而损坏,以及夹持板与桩身不能完全"吻合"而使桩身局部剪切或受拉应力而掉块损坏。压桩时夹桩油缸活塞杆易受剪而经常损坏。


为了增大夹持板与预制桩的接触面积,可以同样两套这样的结构沿预制桩轴线分上下两层对称布置。


(2)利用杠杆原理,通过两只比较小的油缸推动楔形传力块,再推动夹持板将桩夹住,如图 4-2所示,其优点是结构简单,机理明晰,由于利用杠杆原理,夹桩驱动油缸相对较小,且不易损坏。其夹桩力的大小取决于系统油压及夹持板与桩的接触面积。其缺点是夹持板与桩身不能完全"吻合"而使桩身局部剪切或受拉应力而掉块损坏。


(3)多点均压式夹桩机构,其结构如图 4-3 所示,其结构原理如下∶若干个轴向安装的夹桩液压缸 2的活塞杆3与锥形圈(或锥形块)6 的内锥面与多瓣夹持板 5(其瓣数可根据实际需要任意确定)的外锥面接触,形成楔形结构,多瓣夹持板 5 间放置复位弹簧 4。

图 4-3a)表示由同样两套这样的结构沿预制桩轴线分上下两层对称布置,图 4-3b)表示这种夹桩机构的夹桩油缸和夹持板绕桩周的分布情况。其工作原理为∶活塞杆3伸出时,驱动与它连接在一起的锥形圈或锥形块6轴向推进,锥形块6的内锥面迫使多瓣结构的夹持板 5 同时作径向运动,使复位弹簧 4 压缩并向中心收缩,使多瓣夹持板从多个方向可靠地夹紧预制桩。活塞杆3缩回时,锥形块6的内锥面离开夹持板5的外锥面,多瓣结构的夹持板5在复位弹簧 4 的作用下复位,即松开预制桩。


其优点是利用"手握鸡蛋"的夹持效果,有效地运用了楔形块的增力原理,将夹桩油缸轴线布置,夹持板在桩周实施多层多瓣多点夹持,并具有一定的浮动功能,能自动适应桩身表面状况自动定心,从而达到桩身均压使其应力分布均匀。同时由于楔形块的自锁作用,杜绝了一般夹桩机构因夹持油缸及系统元件泄漏可能引起的夹桩机构打滑甚至"座机"现象的发生,提高了夹桩机构的安全可靠性。其缺点是结构复杂,维修麻烦。


2)压桩机构

压桩机构是将固定在导向龙门架(或立柱架)上的一组竖向安装的压桩油缸和夹桩机构连一起,通过压桩油缸的升程和回程来完成压桩的,抱压式压桩机一般对称设置两组油缸,一组主油缸一组副油缸,行程一般 2.0m 左右。压桩时夹桩机构将桩夹紧,压桩油缸向下伸出,把桩压入土体中。完成一个行程,夹持机构松开,压桩油缸向上回程,重复上述动作,就可连续将桩压入土体中。顶压式压桩机一般设置一组并排二只或三只压桩油缸,行程一般 1.5m 左右,其压完一个行程,压桩油缸回程时其顶端固定装置沿着导向龙门架(或立柱架)一挡一-挡向下滑动,从而将桩自顶端一直压入土中。


压桩力的大小取决于压桩机结构、自重及系统油压、压桩油缸面积的大小。 


3)升降行走、旋转机构

由主机平台、顶升油缸、长短船、行走油缸等组成,是压桩机的主要硬件部分。顶升油缸连接在主机平台和长短船上,其顶升可调平主机平台及行走时提升长短船,长短船是行走时的步履,其内铺设有行走轨道。当长船着地,短船提升,通过长船内行走油缸的升、回程完成桩机的纵向行走;当短船着地,长船提升,通过短船内行走油缸的升、回程完成桩机的横向行走,当两个短船内的行走油缸一个升程,一个回程运动,则可使压桩机旋转。


4)起重机构

起重机构是装配在压桩机上的起重装置,根据桩机吨位大小不同,设置不同大小的起重机,主要完成桩的起吊,均为液压驱动,一般有独立于桩机的液压和电器系统。部分压桩机没有设置起重机构,施工时需另外配置汽车吊或履带吊来完成吊桩、喂桩工作。


5)液压系统

是压桩机的核心机构,其行走、压桩全靠液压系统完成,一般由动力站、液压油泵、液压阀、油管、油缸等形成闭合回路系统。


由于液压静力压桩机的工作特殊性,目前,实际应用于静力压桩机液压系统设计的方法主要有两种,一种是恒流量设计法,其代表机型为早期的 YZY系列液压静力压桩机,油泵采用定量齿轮泵;另一种是最近几年采用的准恒功率设计法,其代表机型为ZYJ、ZYC系列液压静力压桩机,油泵采用变量柱塞泵。


所谓恒流量设计就是使液压动力源的输出流量保持恒定的一种设计方法。在实际的液压静力压桩机液压系统中,在保持系统输出流量不变的条件下,以设计要求的最大压桩速度所需的流量和最大压桩力时所产生的系统油压作为系统装机功率的设计依据。很显然,该压桩系统相对简单,但采用这种设计方法,要想形成大吨位压桩力,往往是通过增大压桩油缸的面积来实现的,即采用多个大压桩油缸同时供油压桩,这样就造成压桩速度放慢,使得压桩速度和较大的压桩力无法同时兼顾。


前对压桩速度及压桩能力的要求是静力压桩机的一个发展趋势。常规液压静力压桩机由于采用了恒流量设计方法,故而不能满足这一要求,致使设备能量利用率低,压桩能力受到限制。采用恒功率设计方法能解决这一问题。ZYJ、ZYC系列液压静力压桩机就是采用准恒功率设计方法设计的新一代静力压桩机。


准恒功率设计方法是采用主压桩缸先工作的方案,一方面可提高低阻力阶段的工作油压,减少与高阻力阶段油压的差别;另一方面额定流量相同时,由于油压面积减少,占压桩过程绝大部分的低阻力阶段的压桩速度可显著提高。而当阻力增大时,让副压桩油缸参与压桩,增大压桩缸的油压面积,从而大幅度增加了压桩力。另外,采用恒功率变量泵配合主、副压桩油缸,同样可达到准恒功率压桩的目的,而且在高阻力阶段的恒功率特性更好。


准恒功率设计方法具有以下优点∶

A、由于采用两对压桩油缸,可以缩小液压缸的规格或降低额定油压。

B、与传统设计方法相比具有明显优点,传统设计不论在低阻力阶段还是在高阻力阶段,其功率利用率都很低,而且在高阻力阶段多余的功率都以油液发热的形式消耗掉,而准恒功率设计开发的桩机在整个压桩过程中的功率利用率都很高,接近于 1。

C、即使在桩机功率小很多的条件下,它比传统设计的压桩速度快(压桩力相同时)、压桩力大(压桩速度相同时)。


因此,准恒功率设计在较小功率配置条件下,大幅度地提高了压桩速度和压桩力,其能量利用率高,适用于大吨位桩机的设计开发,目前采用该法设计的桩机最大压桩速度可达5m/min,最大压桩力可达1200kN。


6)电器系统

是压桩机的动力系统,由配电箱和电动机组成,与外接电源连接后,驱动液压泵工作,完成压桩机各种动作。


7)配重

和压桩机主机一起提供压桩反力,一般由铸铁或钢筋混凝土做成不同形状、规格的配重块,堆放在主机平台上,根据桩机及压桩力的大小灵活配置。


3、部分全液压静力压桩机的构造示意图

图 4-4~图 4-7 为部分全液压静力压桩机的构造示意图。 


4、部分全液压静力压桩机主要性能参数表

表 4-1~表 4-3 为部分全液压静力压桩机主要性能参数表。

三、压桩机的选型及适用条件

压桩机的选型及适用条件应综合考虑以下三个方面的因素∶①场地岩土工程条件;


②桩的规格、型号、尺寸及布桩形式,桩身材料及强度,设计单桩极限承载力要求等;③压桩机本身的性能。


(1)场地岩土工程条件是决定能否采用静力压桩施工的主要因素之一,主要取决于桩身要穿越土层的特性,桩端土层的特性等。一般对于上覆土层较软弱、桩端持力层为硬塑~坚硬的黏性土,中密~密实的粉性土、砂性土、碎石土,全风化岩层,强风化岩层的场地较适宜,宜根据土层岩性、厚度及埋藏深度,结合其静力触探p。值及标准贯入Ns.s值的大小来判断。本章第四节给出了沉桩阻力估算公式,可估算出沉桩阻力,从而选用相应能力的压桩机。


就目前压桩设备的性能及桩身材料强度,以下场地不宜采用或慎用静力压桩施工法施工∶①现场地表土层松软且未经处理因而容易发生陷机的场地。②饱和软黏土地区,周围地下管线、建筑物距离较近的场地。③土层中含有较难清除的孤石或其他障碍物的场地。


④桩端持力层为中密~密实砂土层且其上覆土层几乎全是稍密~中密砂土的场地。⑤土层中含有不适宜作桩端持力层且又难贯穿的硬夹层,一般当该厚层度大于5m,p,值大于12MPa 或 Ns.s大于35 击的粉性土、砂性土或碎石类土的场地。


⑥岩溶地区基岩上面无适合做桩端持力层的场地。

⑦覆盖层土体松软而静压桩难贯入的岩面埋藏较浅且岩面倾斜较大的场地。(2)桩的规格、型号、尺寸及布桩形式,桩身材料及强度,设计单桩极限承载力要求等也是决定能否采用静力压桩施工的主要因素之一。对于相同的场地岩土工程条件,桩的断面尺寸越大,其沉桩阻力也越大,相应的设备能力也要求越大。


用于静力压桩的桩型一般有预制钢筋混凝土方桩(RC 桩),预应力混凝土空心方桩(HKFZ桩),预应力混凝土管桩(PC桩),预应力高强混凝土管桩(PHC桩),预应力混凝土薄壁管桩(PTC桩),钢管桩及H型钢桩等,其桩身构造及强度等物理力学指标见国家及地方标准图集。压桩施工时应选用与沉桩阻力相匹配的桩身强度,以确保压桩时桩身材料不被压坏。