刺桩挤压成形机力学分析及其稳定性设计

勾靖国，刘艳明

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

刺桩挤压成形机力学分析及其稳定性设计

勾靖国，刘艳明

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

文章介绍了刺桩的基本知识及其刺桩挤压成形机的工作原理和结构特点，分析了其在不同方位的受力情况。得出了刺桩挤压成形机要平衡的条件：相邻活塞必须成60°角；液压缸按相反方向上下组装而成。为正确设计和使用刺桩挤压成形机奠定了基础。

刺桩成型机；力学模型；平衡

刺状灌注桩简称刺桩，是由树根的抗压及抗拔作用和特点构思、研究而设计的一种新型桩结构。该桩形的发明不仅在桩身结构和造型上进行了大胆的变革，同时也使桩的受力机理发生了一定的变化[1]。刺桩由桩身1和布满桩身的许多桩刺2两部分组成，见图1。由于桩刺的周围按一定规则分布有众多桩刺，承受的桩端阻力除了底部桩端阻力外，还有各桩刺处的端面阻力、侧面阻力的共同作用，从而可大幅度提高桩体的承载能力。

刺桩的桩身由钻机施工，桩刺由专用设备-刺桩挤压成形机施工。桩刺因受到刺桩挤压成形机的挤压，使其压密的桩刺周围土体恰似桩的承载能力。可见，刺桩挤压成形机是施工刺桩的关键，而刺桩挤压成形机在施工中的受力及其平衡，是刺桩挤压成形机正常作业的关键[2]。

1 桩挤压成形机工作机构结构组成及其工作原理

1.1 桩挤压成形机工作机构结构组成

图1a所示为刺桩成形机的外形图，它由三个成形机组件（简称一组液压缸）横向交叉60°、上下两两用螺柱连接接成一体。图1b为其原始状态俯示图，图2c为其活塞杆全部升出时的投影。

刺状灌注桩成型机每一组件由两个形状和结构完全相同的特制的液压缸，按相反方向上下组装而成，每个液压缸由顶帽、油缸、机体等组成；两个液压缸用双头螺柱连接而成为整体。

1.2 状灌注桩成型机的工作原理

图1 刺桩结构及形状特征图

图2 整体刺桩成型机构造

当刺状灌注桩成型机到达一定深度的方位时，启动液压和换向阀，液压缸的活塞杆缓慢升出。桩刺2挤压桩孔土壁就会在桩壁挤压出桩孔，见图2c。活塞杆达到最大位移后要继续挤压约5~10 s，为了能把刺孔壁的土压实保持桩孔土壁的稳。刺孔土壁稳定后使用换向阀换向使活塞杆收回。这样在桩孔壁上就挤出互成60°的6个桩刺孔，且纵向相隔距离一定。

改变刺状灌注桩成型机在桩孔纵向位置，要同时旋转刺桩成形机±（按顺时针逆时针间隔旋转30°），为了使得让桩刺在桩孔壁分布均匀。重复上述操作就可以把整个桩孔上挤出桩刺。就像树根一样形成放射状桩刺空间，图1b为刺桩桩体的俯示图。

刺状灌注桩成型机每在孔深的方向上改变一次位置同时桩刺要旋转（±30°），可见操作方便，且大大地缩短了操作时间，提高了工作效率。

2 刺桩挤压成形机力学分析及其稳定性设计

2.1 建立力学模型

由于刺桩成形机的机体是一个用螺栓连接为一体的组合体，可视为刚体。在挤压的过程中，每组活塞杆受孔壁的作用力，其大小相等方向相反与钻孔轴向垂直的一对力构成一个力偶。3个成型机组间作用3个力偶形成空间力偶系[3]。每组液压缸的油缸压力、纵向距离L相等，所以3个力偶矩是相等的，方向互成120°。刺桩挤压成形机的力学模型，见图3。

图3 刺桩挤压成形机的力学模型

2.2 刺桩成型机的稳定性分析

由上分析，刺桩成型机的3个力偶构成空间力偶。把力偶矩矢平移到刺桩成型机某O点，水平面投影，见图4。根据空间力偶平衡的条件[4]：

由于M1＝M2＝M3＝FL

2.3 任意改换一个成形机组件的方位后，刺桩成型

机的力平衡情况

图4 3个力偶矩矢在水平面的投影

当任意改换1个或2个成形机组件的方位后，由图4可知，只要刺桩成型机相邻活塞杆的不满足两两互成60°，3个力偶矩不能互成120°合力偶矩就不为零。所以在调整成型机的横向位置时必须保证相邻活塞两两互成60°。

3 结论

根据以上讨论，可得出如下结论：

1）当三组成形机组件的方位为如图2所示，只有相邻活塞互成60°时，刺桩成型机整体受力的合力才能为零，处于平衡稳定状态。

2）调整刺桩成形机纵向位置，并且每调整一次纵向位置时，只要保证相邻活塞互成60°时，且液压缸按相反方向上下组装而成，刺桩成型机就能保证平衡。

3）刺桩成型机的旋转角度不是任意的，必须满足结论（1）和（2）两个条件。

4）刺桩成型机在使用前进行组装时，一定要按照设计中规定的方位组装，否则成型机将无法正常施工。

[1]武维承，武熙.刺状灌注桩施工技术及其挤压成形机[J].建筑机械，2007（5）：94－98.

[2]赵昕彤，尹新生.浅谈一种新型桩--刺身预应力混凝土管桩[J].吉林建筑工程学报，2013，30（1）：15－16.

[3]袁士杰，吕哲勤.多刚体系统动力学[M].北京：北京理工大学出版社，1992.

[4]程燕平.理论力学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.

〔责任编辑 石白云〕

M echanical Analysis a nd Stability Design o f Extrusion Form ing M achine o f Thorn Pile

G OU Jing－guo，L IU Yan－ming
（School of Coal Engineering，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037003）

In the paper basic knowledge of thorn pile and the working principle characteristics are introduced in different directions.Mechanical equilibrium conditions of thorn pile are that a djacent to the piston must be each other angle of 60°and Hydraulic cylinders are assembled i n the longitudinal.The paper laid the foundation for the design and use of thorn pile extrusion formingmachine.

t horn pile extrusion f orming m achine；m echanicalmodel；b alance

O312

A

1674－0874（2013）06－0049－03

2013－08－08

勾靖国（1979－），男，山西忻州人，硕士，讲师，研究方向：工程力学。

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