施工机械：自由落锤打桩机

自由落锤打桩机又称吊锤或落锤，它是利用卷扬机使重锤沿桩架的导向立柱升起，然后让其自由落下冲击桩头，其特点是构造简单，使用方便。工作时落锤冲击体靠卷扬机提升到一定高度，然后在重力作用下自由落下冲击桩头。一般锤重为1～30kN，打击次数每分钟10～12次。由于其打桩效率降低，贯入的能量对桩的损伤大，所以仅能在小规模的工程中采用。

振动打桩机又称振动锤，它是根据共振原理和振动冲击原理发展起来的，利用高频振动（700～1800次／min）产生的振动能量沉桩和借助起重机械进行拔桩。振动打桩机的主要特点是沉桩效率高、费用低、不需要辅助设备、桩头不易损坏、沉桩横向位移小、桩体变形小。这些都是柴油打桩机所不及的。

振动打桩机按其工作原理可分为振动式振动打桩机和振动冲击式振动打桩机。

（1）振动式振动打桩机。这种打桩机的工作原理是将振动器的振动通过夹桩器传给桩体，使桩也产生振动。根据夹桩器的连接形式分为刚性式振动锤和柔性式振动锤。

桩体周围的土壤颗粒在振动作用下发生位移呈现出液体状态。桩就在振动打桩机和桩体自重作用下，冲破变小的土壤阻力沉入土中。在拔桩时，振动亦可使拔桩阻力下降，只需较小的提升力就能将桩拔出。

振动器是由带偏心块和高速转动的轴组成。两轴的转速相等，方向相反。每个偏心块产生的离心力为：

F＝mrω2

式中 m——偏心块的质量，kg；

γ——偏心块质心至回转中心的距离，m；

ω——偏心块转动的角速度，rad／s。

由于一对偏心块的质量相等，且是对称安装，所以当它们转向相反时，水平方向的离心力因方向相反而抵消，垂直方向的离心力叠加为：

P＝2mrω2sinφ

式中 φ——位置角，（°）。

P——激振力，它通过轴承机壳夹桩器传给桩，使桩沿垂直方向产生强迫振动，N。

振动器与原动机直接刚性连接的称为刚性式振动打桩机，如图3-4（a）所示。它的构造简单，但原动机的寿命短，振动器与原动机用减振弹簧分开的振动打桩机，可提高原动机的使用寿命，但其构造复杂。这种形式称为柔性振动打桩机，如图（3-4）（b）所示。

图3-4　振动打桩机简图

（a）刚式；（b）柔式
1—桩帽；2—振动器；3—弹簧；4—荷重平板；5—带传动；6—电动机

（2）振动冲击式打桩机。振动冲击式打桩机是靠振动和冲击桩，使其沉入土中。这种打桩机的振动器产生的振动，并不是直接传到桩上，而是通过冲击块作用在桩上，如图3-5所示。(www.xing528.com)

图3-5　振动冲击式打桩机简图

当两偏心块反向旋转时，振动器作垂直振动，于是快速冲击下锤，再把这种冲击传给桩，使桩受到冲击和振动而沉入土中。这种打桩机具有很大的振幅和冲击力，功率消耗较少。其缺点是噪音大，能量有损失，电动机受频繁振动易损坏。

（3）振动打桩机的主要参数。

1）偏心力矩M（N·m）。指偏心块的重力W（N）与其重心到回转中心距离r（m）乘积的总和，即M＝∑Wr，一般有固定和可调两种形式。

2）激振力。是使振动锤、桩身及桩周土体振动体系产生垂直振动的力，其大小为各偏心块回转时产生的离心力的合力。它是影响沉桩的主要因素之一。

3）振动频率。偏心块为振动子的振动器，其振动频率等于偏心块的转速（r／min），按振动频率的高低，振动锤分为低频（5～11.67Hz）、中频（11.67～25Hz）、高频（25～50Hz）和超高频（≥100Hz）。目前常见的机型为中、低频。

打桩机工作时，为了避免振动锤、桩及周围的一些土壤形成的振动系统出现共振，从而产生不稳定现象；且用最小能量使沉桩速度达到较高，振动打桩机的振动频率fn宜调到振动系统固有振动频率fn的85%～90%，即（0.85～0.9）fn。

4）振幅。振幅是指沉拔桩时，桩的强制位移量，其计算式为：

式中 β——阻力系数；

k——土壤的刚度系数；

M——振动体的质量，kg；

m——偏心块的质量，kg；

r——偏心块的偏心距，m；

f——振动锤的振动频率，Hz。

振幅是桩下沉速度的主要参数，试验表明只有振幅大于一定数值，桩才下沉。对不同的土层和不同的桩，沉桩速度是不等的，但沉桩速度与振幅基本上是成正比变化的，沉桩速度随着振幅的增加而提高，但振幅太大，会使机械工作不平稳，消耗功率也多，一般振动锤振幅在12～20mm时最适宜桩的下沉。由上式可见，对不同的土壤可通过调整偏心块的偏心距r来改变振幅，以使沉桩达到最好的效果。

5）电动机功率。如同打桩冲击体重量一样，是能否沉桩的关键参数。