新型沖擊沉樁機-樁-土全系統動力學特性分析

楊書儀，黎 桓，陳 蒼，施 林

（1.湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭　411201；2.湖南新天河工程設備有限公司，湖南湘潭　411200）

新型沖擊沉樁機-樁-土全系統動力學特性分析

楊書儀1，黎 桓1，陳 蒼1，施 林2

（1.湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭411201；2.湖南新天河工程設備有限公司，湖南湘潭411200）

對沖擊碰撞現象進行充分的理解和科學分析是對沖擊沉樁機進行結構設計的前提.沖擊沉樁機動力學特性分析是一個涉及幾何大變形、材料非線性和接觸非線性的復雜動力學問題，采用應力波法難以對沖擊系統結構的動態(tài)響應和樁土的相互作用進行描述.基于ANSYS/LS-DYNA分析軟件，針對新型沖擊沉樁機，考慮土體大變形，利用ALE流固耦合算法，建立沖擊沉樁機-樁-土相互作用的全系統有限元模型.搭建沖擊沉樁機實驗測試平臺，獲得關鍵測點的應力波時程曲線，驗證了有限元模型的正確性.依據沖擊體、傳力箱和拉桿的應力分布圖，分析了各關鍵部件受力情況并提出結構設計建議.改變土體體積模量，獲得了不同土體下的預制樁樁底端面承載力.研究結果為新型沖擊沉樁機的結構設計和適用環(huán)境的選擇提供了理論依據.

沖擊沉樁機；全系統建模；ANSYS/LS-DYNA；ALE；土體變形

樁基礎是高層建筑、橋梁、港口和海洋工程中廣泛采用的基礎形式.在基礎施工時，樁的種類及其施工方法依據上部建筑物或荷載情況不同而不同，呈現多種多樣.因而，樁基礎施工時，也需要使用不同種類的工程機械，最常見的基礎施工機械是樁工機械.按照所構筑的基礎類型劃分，樁工機械主要有沖擊沉樁機、靜力壓樁機、振動沉樁機及射水沉樁機［1-2］等.沖擊沉樁機因施工組織簡單、占用場地小、施工效率高而在實際工程中得到廣泛運用.然而，國內沖擊沉樁機生產企業(yè)由于產品質量市場競爭力不強而面臨來自國外的嚴重挑戰(zhàn).

近年來，國內外學者對樁工機械的動力學特性以及樁機在沉樁過程中的作用機理進行了大量研究.′Ut V.Lê［3］利用Galerkin方法建立了沖錘與樁之間的非線性數學模型.Mahesh等［4］基于支持向量機和廣義回歸神經網絡，進行了靜力壓樁能力的分析.王濤［5］以古典碰撞理論為基礎，建立了液壓樁錘沖擊機構運動微分方程，并進行了沖擊機構瞬態(tài)動力學特性分析.另外，在樁-土響應分析方面，也有學者作了相關的研究.劉勇健等［6］運用一維應力波傳播理論，分析了錘-樁-土系統相互作用機理.劉潤等［7］考慮樁身自重和樁周土阻力，對沉樁分析的一維應力波動方程進行推導、改進.Fan等［8］使用載荷傳遞法分析樁與土間的相互作用.李小彭等［9］應用D-P準則，建立樁-土系統有限元模型，分析了激振力幅值、頻率以及土的剛度和阻尼對沉樁速度和沉樁量的影響.

上述研究主要集中在單一的樁機或樁-土動態(tài)響應上，對樁機-樁-土全系統進行動力學特性分析不多.本文擬基于有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，考慮土體的大變形，建立新型沖擊沉樁機-樁-土全系統有限元模型，結合實驗測試結果，分析各零部件在沉樁過程中動態(tài)響應和不同土體下的樁底端面承載力，為液壓沉樁機的結構創(chuàng)新和優(yōu)化設計提供理論依據.

1　新型沖擊沉樁機工作原理

通常的沖擊沉樁機是利用液壓、蒸汽、柴油等能源動力驅動活塞和沖擊錘，使其獲得一定的速度而打擊預制樁.沉樁機的自身高度將制約著沖擊速度的提高.本文所討論的新型沖擊沉樁機不同于通常的沖擊沉樁機.沖擊體不是直接打擊預制樁，而是打擊在傳力箱上，然后通過傳力箱兩端的拉桿將拉力傳遞到壓板上，壓板作用于預制樁，使其沉入巖土中.為了避免沖擊體和傳力箱因為沖擊而損壞，在其間放置緩沖彈簧.這種結構因為拉桿與預制樁并列布置而受到高度制約較小，有著輸出大沖擊能量的優(yōu)勢.拉桿是新型沖擊沉樁機不同于其他沖擊沉樁機的特殊部件，它承受并傳遞沖擊產生的拉力脈沖.圖1所示為新型沖擊沉樁機工作原理圖.

圖1　新型沖擊沉樁機工作原理Fig.1 The working principle of impact pile driver

2　新型沖擊沉樁機-樁-土全系統有限元建模

2.1有限元模型

圖2為沖擊沉樁機-樁-土全系統網格模型.本模型進行了如下簡化處理：1）傳力箱為焊接結構，其各壓板、筋板的連接采用固連，不考慮焊接質量的影響. 2）拉桿與傳力箱、拉桿與樁帽的連接采用固連，不考慮連接方式的影響.3）各零件中的倒圓、倒角未作考慮.

圖2　沖擊沉樁機-樁-土全系統網格模型Fig.2 The whole system finite element model of impact pile driver-pile-soil

2.2 流固耦合有限元算法

沉樁過程中，隨著樁的下沉，土體發(fā)生流動.樁與土的接觸是流體與結構相互作用的問題，在處理樁-土接觸問題上，主要有3種方法，即Lagrange方法、Euler方法和ALE方法.其中ALE（任意拉格朗日-歐拉法）方法既不著眼于流體質點，也不著眼于空間點，而是在一個可任意運動的參考點（即網格點）上觀察流體的運動.ALE方法能夠有效追蹤物質結構邊界的運動，其內部網格單元獨立于實體存在，網格可以根據定義的參數在求解過程中適當調整，從而預防出現嚴重畸變；在進行幾何建模和網格劃分時，結構與流體的幾何模型以及網格可以重疊在一起［10］，如圖3所示.本算例中樁與土的界面采用流固耦合接觸，并采用罰函數算法模擬樁土間的接觸.其中，土體為主物質，采用Euler結構單元；樁為從物質，采用拉格朗日結構單元.

圖3　ALE耦合方法Fig.3 The ALE coupling method

2.3模型參數

本模型計算時主要使用了3種材料模型：緩沖彈簧采用線彈性彈簧模型；土體采用非線性彈塑性材料模型；沖擊體、傳力箱、拉桿、樁帽、樁墊、預制樁采用彈塑性材料模型［11］.本模型采用kg-mm-ms單位制，part組數為8，單元數為80 268個，節(jié)點數為154 662個，材料屬性如表1所示.

表1　材料屬性Table 1 Properties of materials

考慮到沉樁過程中，土體發(fā)生大變形，并且發(fā)生流動，本模型中土體采用ALE的12號算法.采用材料關鍵字＊MAT_SOIL_AND_FOAM（MAT005）來定義土體材料，土體單元類型為solid164，土體密度為2.0×10-6kg/mm3，剪切模量為1.6×10-3GPa，體積模量為1.3×102GPa.

2.4邊界條件和接觸定義

在實際沉樁過程中，土體為半無限體，在有限元建模過程中，為了減少應力波的反射，消除邊界效應，依據前人經驗，取土體長寬為樁徑的10倍［12-13］.將土體建成一個長方體，給土體底面以及四周施加全約束，在沉樁過程中為了保證樁身不發(fā)生傾斜或翻轉對樁身施加X和Z方向的平動約束和轉動約束.

本模型的土體上方定義了一個空物質層，其目的是：在沉樁過程中，隨著基樁下沉，允許土體物質隆起流入空物質層.為了實現力的傳遞，土體與空物質層必須共節(jié)點.為了防止樁土耦合過程中土體發(fā)生滲漏，在樁土發(fā)生耦合處的部分網格要足夠密集.圖4所示為樁土網格模型.

圖4　樁土網格Fig.4 The grid of pile and soil

本模型中沖擊體與傳力箱之間、樁帽與樁墊之間、樁墊與樁之間均有相對較大面積的接觸，依據接觸類型定義，采用自動面面接觸.由于沖擊體在下落過程中對整個系統的動力學特性影響小，為了減少計算時間，將沖擊體的行程減小到1mm，并對沖擊體施加6.12m/s的初速度.

3　液壓動力沉樁機沖擊實驗

實驗系統由液壓動力沉樁機、電阻應變片、信號線、Synergy多通道高速波形記錄儀等組成.本實驗中液壓動力沉樁機的沖擊頻率為20～30Hz，對Synergy多通道高速波形記錄儀作出如下設置：數據采集頻率為2MHz，電橋為1/4橋路，信號幅值范圍為-2 000～+2 000微應變，信號觸發(fā)值為150微應變，采用連續(xù)記錄模式.

根據實驗測試，獲得測試點最大應力為275 MPa.依據有限元模型求解，提取與實驗測試點對應位置單元最大應力為269MPa.對比可知，最大應力值實驗與仿真的結果基本一致，表明通過該有限元建模方法建立的仿真模型正確、可信.

4　數值仿真分析

4.1數值仿真結果

根據有限元模型計算，得到預制樁樁底端面最大應力單元的Y向承載應力曲線，如圖5.

圖5　樁底承載應力曲線Fig.5 Bearing stress curve of the pile bottom

本算例中預制樁外徑為600mm、壁厚為150mm.由圖5可知，預制樁樁底端面最大應力為2.91× 10-3GPa，預制樁樁底最大承載力Fmax=σmaxA=6.15×105N.

4.2沖擊體動態(tài)仿真分析

圖6為沖擊體在計算時間t=3.9，26.4，41.3，53.9ms時的應力分布圖.

由圖6可知，沖擊體的拉桿孔與液壓動力輸送管孔周圍是產生應力集中的地方.這表明在結構設計中可以通過改變孔徑來降低孔周圍的應力值.

圖6　沖擊體應力分布圖Fig.6 Stress distribution graph of the impact hammer

4.3傳力箱動態(tài)仿真分析

圖7為傳力箱在計算時間t=1.2，16.8，37.2，58.2ms時的應力分布圖.

圖7　傳力箱應力分布圖Fig.7 Stress distribution graph of the transmission box

由圖7可知，在沖擊過程中，傳力箱的外部側板與內部筋板以及拉桿連接孔局部應力最大，其中最大應力出現底板拉桿孔周圍.根據以上結果，在結構設計時可以采取增加側板厚度、筋板數量、筋板厚度以及改變拉桿孔的大小等措施來減小局部應力.

4.4拉桿動態(tài)仿真分析

圖8為拉桿在計算時間t=1.8，2.1，31.7，55.2 ms時的應力分布圖.

由圖8可知，拉桿應力集中主要出現在上端與樁帽連接部分以及下端與傳力箱連接部分，其單元主應力最大值出現在拉桿與傳力箱連接處.這表明，在拉桿結構設計中需要重點關注這2處的強度校核，以免拉桿出現斷裂、彎曲等失效狀態(tài).從仿真結果來看，在沉樁機每一次沖擊過程中，拉桿中的應力將在桿身中來回多次傳遞，這將對拉桿的疲勞壽命產生影響，在設計中應引起關注.

圖8　拉桿應力分布圖Fig.8 Stress distribution graph of the pull rod

5　土體影響分析

工程地質條件是建筑施工過程中十分重要的因素.土體的性質和分布不同，將直接影響沉樁機的沉樁過程以及預制樁的豎向承載力.

5.1土體變形分析

圖9為沖擊沉樁機在1次沖擊作用下的土體變形圖.由圖可知，沉樁過程中，隨著預制樁的沉入，樁端底部和周圍的土向外排擠，在一定程度上發(fā)生重塑，從而導致預制樁頂部四周的土體發(fā)生隆起.

圖9　土體變形圖Fig.9 Soil deformation figure

圖10為樁底土體單元體積分數變化曲線.由圖可知，沉樁前土體區(qū)域材料體積分數為1，隨著時間增加，樁底部土體單元體積分數逐漸減小，在24ms時，土體單元體積分數為零.這表明，隨著預制樁沉入深度增加，土體被排擠開.依據樁底部土體單元體積分數的變化，可以判斷樁機下沉的位置.

圖10　樁底土體單元體積分數變化曲線Fig.10 The soil unit volume fraction curve

5.2不同土體下的樁底承載力

對鋼筋混凝土預制樁來說，其抗打擊的能力是有限的，樁底承載力的大小決定其是否破壞.實際工程運用中，樁底承載力與土體的力學物理性能密切相關.土體力學物理性能參數類型有很多，起決定性作用的參數為體積模量［14］.本文取土體體積模量分別為130，13，1.3，0.13GPa進行沉樁分析，提取樁底最大應力值，依據公式Fmax=σmaxA得到不同土體體積模量下的樁底最大承載力，如圖11所示.圖中，以最小土體體積模量0.13GPa為基準，取各土體體積模量與其比值的對數log E/E0作為橫坐標值，以樁底最大承載力為縱坐標.

圖11　沉樁力曲線直方圖Fig.11 Histogram of pile driving force curve

由圖11可知，土體體積模量越大，相同沖擊力作用下的樁底最大承載力越大.由此可知，工程實際運用中，可以依據樁底最大承載力對樁基礎的適用地質條件和使用安全性進行合理判斷.

6　結 論

1）本文基于ALE流固耦合算法，建立了沖擊沉樁機-樁-土全系統有限元模型，進行了沉樁過程動力學分析.

2）依據應力波法，搭建實驗測試平臺，得到的測點應力波實驗結果與仿真結果基本一致，為液壓動力沉樁機沖擊機械系統動態(tài)響應分析提供了基礎.

3）依據沖擊體、傳力箱、拉桿等關鍵部件的應力變化云圖，分析了各部件的動力學特性.針對不同的土體體積模量，進行了樁底最大承載力計算，為沖擊沉樁機的結構設計與優(yōu)化和樁機的適用工程地質條件選擇提供理論基礎和設計依據.

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Dynamic characteristic analysis for the whole system of impact pile driver-pile-soil

YANG Shu-yi1，LI Huan1，CHEN Cang1，SHI Lin2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China；2.Hunan New Timehope Construction Machinery Co.，Ltd.，Xiangtan 411200，China）

It is the premise of the impact pile driver structural design that the impact phenomenon is understood thoroughly and analyzed scientifically.The dynamic characteristic analysis of impact pile diver is a complex dynamic problem involving geometric large deformation，material nonlinear and contact nonlinear.It is difficult to describe dynamic response of the system structure and interactions on the pile-soil using stress wave analysis method.The finite element model of the whole system of impact pile driver-pile-soil considering soil deformation was established using the ALE fluid-structure coupling algorithm based on ANSYS/LS-DYNA.The impact pile driver experimental test platform was built to get the stress wave time history curve of key points.The test curve verified the correctness of the finite element model.According to the stress distribution patterns of impact hammer，transmission box and pull rod，the stress conditions of the key components were analyzed and some suggestions for the construction design were put forward.The bearing capacity of precast pile bottom was discussed under different soil bulk modulus.These results provide theoretical basis for new structural design and applicable environment selection of impact pile driver.

impact pile driver；whole system modeling；ANSYS/LS-DYNA；ALE；soil deformation

TH 113

A

1006-754X（2016）02-0166-06

10.3785/j.issn.1006-754X.2016.02.010

2015-08-28.本刊網址·在線期刊：http：//www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

湖南省自然科學省市聯合基金資助項目（2015JJ5030）；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃資助項目.

楊書儀（1972—），女，湖南湘潭人，教授，博士，從事機械動力學、機電控制技術方面的教學與研究工作，E-mail：ysy822@126.com.http：//orcid.org//0000-0003-4899-4182