用于打桩的方法与流程

本发明涉及一种用于优化打桩的方法。

背景技术：

常规地，由打桩机的驾驶员来调整待由打桩机打入地内的桩的冲击能。这样做使得机器的驾驶员视觉上沿循桩进入地内的打桩和/或注视由测量装置产生的测量结果，所述测量装置监测冲锤的运动（例如，桩的下沉（即，前进）进程，或在此基础上所确定的负荷承载能力），并使用这些来调整由在冲锤内侧运动的质量（即，锤块）产生的冲击能（通常通过调整提升锤块的高度）。通常，驾驶员基于他的经验，往往选择用于将桩打入地内所花费的总时间将尽可能地短的前进量（advance），其中，用于针对给定区域或建筑物进行打桩所花费的总时间也能够被最小化。

已知方法的缺陷是以下事实：在使用该方法的情况下，可能使用过多或过少的冲击能来打桩（无论驾驶员的经验如何）。使用过多的冲击能具有以下缺陷：当由锤块产生的冲击能增加时，击打频率通常减小，因为更大的冲击能将需要更大的行进路径（即，用于提升锤块的高度）。结果，尽管桩的前进量更大，但用于将桩打入地内所花费的总时间相对于用略为更小的冲击能所可能实现的速度可能延长。在最坏的情况下，使用过多的冲击能甚至可能引起断桩，因为当负荷承载能力相对于冲击能而言极小时，由于冲击导致的在桩的端部上有效的冲击波将在桩上引起拉力，该拉力在这种情况下可超过桩的抗拉强度。相应地，使用过少的冲击能具有以下缺陷：由冲击能产生的势能将不产生足够大的力来超过桩的负荷承载能力。结果，桩将不以预期的方式沉入地内，而施加在桩上的冲击能很大程度上返回锤块。当打桩机的驾驶员经验不足时，本方法的缺陷特别明显。

技术实现要素：

本发明的目标是提供一种新颖的方法，通过该方法，能够比以前更快速且更安全地执行桩进入地内的打桩，以便提供期望的负荷承载能力，使得在打桩过程期间桩不受损。

本发明的目标通过根据本发明的方法实现，因为在该方法中对于调整冲击能，在每次打桩冲击（drivingimpact）在桩上期间，由与冲锤连接的测量装置在冲击期间测量冲击的动力学变量q1，该变量与冲击期间锤块的动能成比例，并且在回程运动期间测量回程运动的动力学变量q3，该变量与回程运动期间锤块的动能成比例；在动力学变量比q1/q3的基础上，然后有可能确定每次打桩冲击的作用使桩前进多远。因此，通过确定动力学变量比q1/q3使得给出最短的总打桩时间ttot以及通过在此基础上控制冲击的动能，能够使每次打桩冲击最优，使得由其产生的前进量将导致桩的总打桩时间ttot尽可能地短，其中，将始终尽可能快地执行桩进入地内的打桩。

在本申请中，动力学变量比q1/q3指代变量q1（其与冲击期间锤块的动能成比例）与变量q3（其与对应的回程运动期间锤块的动能成比例）之间的关系q1/q3。因此，在本发明的不同应用中，冲击的动力学变量q1和回程运动的动力学变量q3以及由这些确定的动力学变量比q1/q3能够指代例如以对应的方式确定的用于行进给定距离所花费的时间（即，冲击时间t1）和用于在锤块的回程运动期间行进相同的距离所花费的时间（即，回程运动时间t3），以及由这些确定的运动时间比t1/t3；以对应的方式确定的冲击速度v1和回程运动速度v3；或以对应的方式确定的冲击的动能w1和回程运动的动能w3，以及由这些确定的动能比w1/w3。原则上，所有这些都将给出产生对应信息的比，在本专利申请中，该比被称为动力学变量比q1/q3。已发现动力学变量比q1/q3在评估桩进入地内的打桩时非常有效，因为其指示用于冲击的动能中有多大的相对比例被返回锤块。如果该比例极高（动力学变量比高），则这意味着大部分冲击能被返回锤块且该冲击未引起桩进入地内的下沉（前进）。另一方面，如果该比例低（动力学变量比低），则这意味着大部分冲击能已被消耗在桩的下沉（即，前进）中。为了提供最优的打桩过程，该比应具有给定值，因为在用于将一个桩打入地内所花费的总时间的基础上，容易总结出，对于该比而言存在给定最优值（动力学变量比），在该最优值下，能够产生冲击以在可能的最短时间中将桩打入地内。除了上文提到的变量之外，动力学变量比q1/q3也能够通过与冲击和回程运动的动能成比例的其他变量来形成（这种变量能够是例如锤块沿冲击运动的方向和沿回程运动的方向的加速度，或在冲击和回程运动期间在锤块上有效的力的合力）。

根据本发明的方法具有以下优点：始终以可能的最快方式由打桩机执行桩进入地内的打桩，即使打桩机的驾驶员仍经验不足也是这样。此外，根据本发明的方法降低了使用如此多的冲击能来打桩使得桩受损的风险。

附图说明

在下文中，将参考附图更详细地描述本发明的一些有利实施例，附图中：

图1是用于使待根据本发明的方法操作的打桩机的锤块运动的机构的原理图；

图2是单次打桩冲击期间锤块的运动的不同阶段的原理图；以及

图3是示出由位置传感器s1和s2测得的时间t1、t2和t3的原理图，所述位置传感器s1、s2以图1中所示的方式紧固到冲锤。

具体实施方式

图1示出用于使锤块6运动的机构2的操作原理，所述锤块能够在打桩机的液压操作的冲锤1内侧运动。该机构包括沿冲锤1的纵向（竖直）方向延伸的液压缸3和能够在其中运动的活塞4。活塞杆5从活塞4延伸到缸下方的锤块6。因此，当通过以交替方式供应到活塞4的不同侧的加压介质使活塞4在液压缸3内侧来回运动时，液压缸3下方的锤块6沿冲锤1的竖直方向运动对应的距离。这种往复运动被用于通过将冲锤1放置在桩7上使得当锤块6到达最低位置时其撞击桩7的顶端来打桩7。通常，在桩7的端部与锤块6之间放置缓冲物，以便适当地阻尼由锤块引起的冲击，使得桩将不会由在其上有效的冲击损伤。

在图1中所示的冲锤1中，能够通过调整在运动期间待供应到其不同侧的加压介质的总量（体积）来调整活塞4的行进距离。通常，活塞4和紧固到其并与其间隔分开活塞杆5的长度的锤块6将实现越大的速度，活塞4及由此锤块6的行进距离（冲程）越大。然而，除了由锤块的质量引起的势能之外，使锤块加速的力也将影响锤块所实现的速度。以这种方式，通过调整活塞4的速度及因此提升锤块6的高度以及液压缸中有效的压力，可能改变锤块6所实现的速度v1及由此由锤块产生的动能（即，所谓的冲击能wkin）。

能够通过以下公式计算借助于向下运动的锤块实现的冲击能wkin：

其中

mh=锤块的质量，

v1=紧接在冲击之前锤块的速度。

在图1的实施例中，测量杆8从活塞向上延伸，所述杆的运动由放置在缸上方的上位置传感器s1和下位置传感器s2监测。上位置传感器s1与下位置传感器s2之间的距离是δh，如图2中所示。位置传感器s1和s2连接到打桩机中的控制单元，所述控制单元布置成使用位置传感器s1和s2以便测量在活塞向下运动时当测量杆8的端部首先经过上位置传感器s1且然后经过下位置传感器s2时测量杆8所花费的时间t1（冲击时间）。对应地，时间t2（冲击延迟时间）是在冲击期间当测量杆8处于下位置传感器t2下方时其所花费的时间，且时间t3是当测量杆8首先经过位置传感器s2且然后经过位置传感器s1时其所花费的时间（回程运动时间）。图3的原理图中示出了冲击时间t1、冲击延迟时间t2和回程运动时间t3。距离h1是在测量杆8已经过下位置传感器s2之后在锤块6撞击桩7的端部之前由该测量杆8经过的行进距离。也能够实现冲锤使得测量杆不从活塞延伸到缸上方，而通过以另一种方式实现的测量布置监测活塞和/或锤块的运动。例如，当使用位置传感器时，这些位置传感器可布置成直接测量锤块的位置或进一步测量连接到锤块并与锤块和/或活塞一起运动的另一点的位置。

在冲击时间t1和回程运动时间t3的基础上，可能确定冲击运动的速度v1和回程运动的速度v3，并且对应地，在冲击运动的速度v1和回程运动的速度v3以及锤块的质量mh的基础上，有可能确定冲击的动能w1和回程运动的动能w3。因此，冲击运动的所有动力学变量t1、v1和w1均与冲击期间锤块的动能成比例（即，在本申请的意义上，它们是冲击运动的动力学变量q1），并且回程运动的所有动力学变量t3、v3和w3与回程运动期间的动能成比例（即，在本申请的意义上，它们是回程运动的动力学变量q3）。能够在冲击时间t1的基础上通过将距离δh除以冲击时间t1来确定冲击运动的速度v1，并且在回程运动时间t3的基础上通过将距离δh除以回程运动时间t3来确定回程运动速度v2。如果速度v1将对应于恰好在锤块撞击桩的端部之前的实际速度v1，则应通过测量恰好在冲击之前的瞬时速度v1和恰好在冲击之后的瞬时速度v3来测得冲击运动的速度。另一个替代方案是在已知速度v1与速度v1成比例且速度v3与速度v3成比例的情况下，在所测得的速度v1和v3的基础上确定速度v1和v3。为测量这些速度，也有可能应用除了通过位置传感器s1和s2进行测量之外的其他测量方法。测量能够例如由传感器进行，所述传感器紧固到锤块的侧面并且直接测量锤块的速度或在冲击和回程运动期间行进给定距离δh所花费的时间（t1和t3）。此外，能够通过使用例如光学定位/速度测量方法或超声波测量方法来测量速度或时间。

包括图1中所示的冲锤的打桩机包括可编程控制单元和由控制单元控制的液压系统。借助于由控制单元控制的液压系统，能够将加压介质（例如，液压油）供应到冲锤中的液压缸，使得能够使让锤块6运动的活塞4在液压缸内以期望的速度来回运动期望的行进距离。通常，锤块6的向下运动被称为冲击运动，且向上运动被称为回程运动。打桩机的驾驶员能够手动地调整期望的行进距离和/或速度，或能够自动地做出调整，使得控制单元在期望的冲击能wkin的基础上或进一步借助于编程/存储在控制单元中的软件自动地选择合适的行进距离、冲击运动的最终速度和/或用于使锤块加速的力（液压缸中有效的压力）。位置传感器s1和s2连接到控制单元，由此控制单元能够在从位置传感器s1和s2获得的测量数据的基础上调整活塞的速度和/或行进距离。

在液压操作的冲锤1中，在做功运动期间在活塞4上方供应加压介质，且使活塞下方的加压介质返回系统中的压力介质储槽（即，加速锤块的下落）。因此，在回程运动期间，在活塞4下方供应加压介质，并且使活塞4上方的加压介质返回储槽（即，提升锤块）。以这种方式，在打桩期间，能够使锤块6沿冲锤1的竖直方向在冲锤1内侧来回运动，使得其在做功运动期间的速度高于其在回程运动期间的速度。因此，速度之间的差异是由于以下事实：由锤块6的质量mh引起的势能的变化（减小）做功，势能的变化（减小）往往在锤块6向下运动时增加其速度，且对应地，势能的相同变化（增加）趋于在锤块6向上运动时减慢其运动。

在图3中所示的时间跨度t2中，即，在所谓的冲击延迟期间，桩7不仅经受冲击能，而且经受由抵靠桩7放置的锤块6和桩7自身的向下运动形成的势能的变化。该向下运动的一部分由桩的弹性变形引起（通常，这部分的势能变化中涉及桩的质量的大约1/3），且另一部分由桩进入地内的下沉（即，前进）引起。因此，在该阶段，在图3中所示的时间跨度t2中，除了冲击能wkin之外，势能的变化也做功以便使桩7向下运动。

在冲击延迟期间（即，在图3中所示的时间跨度t2中），能够通过以下公式来计算由桩和锤块（当桩前进时）形成的系统的总能量：

其中

wkin=冲击能，

wjou=待束缚于桩中的弹性能，

wpotδ1=由桩的弹性变形引起的势能的变化，

wpotδ2=由桩的前进引起的势能的变化。

能够通过以下公式来计算待束缚于桩7中的弹性能wjou：

其中

f=桩的负荷承载能力，

δ1=桩的顶端的位移（弹性变形）。

能够通过以下公式来计算由桩7的弹性变形引起的势能的变化：

其中

mp=桩的质量，

g=由于重力造成的加速度。

能够通过以下公式来计算由桩7的前进引起的势能的变化：

其中

δ2=桩的前进量。

当在冲击期间锤块6和桩7抵接时，由于将使桩7弹性变形，所以冲击能wkin以及势能wpotδ1和wpotδ2的一部分总是以待存储于其中的弹性能wjou的形式被束缚于桩7自身。其余部分在提供桩7的前进量δ2和摩擦损耗中被消耗。如果冲击能wkin过低，则施加在桩上的总能量不能够使桩7经受将使桩7前进的力，因为其不能够产生足以引起桩7前进的力f（即，至少对应于彼时桩7的负荷承载能力的力）。在这样的情形中，冲击能wkin和势能（其中仅包括wpotδ1）的大部分以所述弹性能wjou的形式被束缚于桩（且小的剩余部分将以摩擦损耗的形式变成热）。因此，具有过少冲击能wkin的冲击不能够使桩7前进，而束缚于桩7的弹性能wjou的大部分将返回锤块6，该锤块将通过该能量的作用弹跳（即，沿回程运动的方向）。因此，束缚于桩7的弹性能wjou将变回动能和势能（其包括桩的端部在桩的弹性变形将反转时的上升，和锤块的向上运动）。

如果冲击如此强烈使得桩7将前进，则弹性能wjou的一部分将对桩7的前进产生影响，且又一部分将作为动能返回锤块6。在实践中，这例如在借助于位置传感器s1和s2测得的时间t1和t3中示出，使得在不导致桩7的前进的冲击中，时间t3相对于时间t1是短的。另一方面，如果桩7前进，则束缚于桩7的弹性能的更小的一部分将通过冲击的作用被返回锤块，因为动能使其向上运动。结果，时间t3将变得相对于时间t1而言更长。利用该信息，可能在由位置传感器s1和s2测得的时间t1和t3的基础上确定桩7将通过每次冲击的作用前进多少，并由此利用时间t1和t3以便以上文所描述的方式评估打桩。

如上文所提到的，当在实践中打桩时，目标是尽可能快地将桩7打入地内达到期望的深度。为控制这，必须确定将桩7打入地内所花费的总时间ttot。将桩7打入地内所花费的总时间ttot等于每一单次冲击所花费的时间ti的总和。因此，能够通过以下公式计算用于打桩7所花费的总时间ttot：

ttot=

其中

ttot=打桩所花费的总时间，

ti=单次冲击所花费的时间，

n=冲击的总次数。

如果每次冲击花费相同的时间t，则打桩所花费的总时间等于所需的冲击的次数n乘以单次冲击所花费的时间；即：

ttot=n*t(7)

在实践中，如果地使得能够将冲击能wkin调整为恒定的，则可能是这种情况。然而，由于桩7的负荷承载能力通常随打桩的进行而增加，所以施加恒定的冲击能将导致一种情形，其中最初将使用过量的冲击能打桩7，且最后使用过小的冲击能打桩7。

为了尽可能快地将桩7打入地内，目标是使打桩所花费的总时间ttot最小化。自然地，当单次冲击所花费的时间的总和尽可能小时，总时间ttot达到最小值。如果冲击能wkin不恒定，则对此存在若干替代性技术方案，因为单次冲击的持续时间ti对于将桩打入地内的两种不同方式而言能够是不同的，即使最终的结果是打桩7所花费的总时间ttot相同也是如此。

将桩7（完整无缺的）完全打入地内的框架条件是：冲击能wkin应超过一值，其相比于桩7的负荷承载能力f沿地的方向产生更大的在桩7上有效的力，且另一方面小于一值，其在桩7上引起强拉伸冲击使得桩将受损。当将桩打入待打桩的普通地内时，例如通过单次冲击桩将通常不能维持被打入地内。此外，这样的冲击将需要如此多的冲击能以致对于典型的锤块重量与桩重量之比（例如，mh/mp=1.69），其将导致如此长的冲击以致总时间ttot将显著地比当以最优的冲击能通过若干次冲击实现时的总时间更长。自然地，这样的打桩机在实践中也将是不可行的。因此，导致可能的最短总时间ttot的最优的打桩方式总是在这两个极端情况之间的某处。

在用与图1中所示的那些打桩机类似的打桩机来实施的测试中，已发现在关于冲击测得的时间t1与回程运动期间测得的时间t3之间的某一比的情况下（即，在本申请中在给定运动时间比t1/t3的情况下），有可能实现用于将桩打入地内所花费的可能的最短总时间ttot。因此，通过确定该目标（最优）运动时间比t1/t3tav，有可能优化桩7进入地内的打桩，使得能够将桩7尽可能快地打入地内。所述确定能够实验地和/或通过计算（在已知时间t1、t2和t3与锤块6的真实速度之比及由此与所获得的冲击能之比的情况下）来完成。原则上，代替冲击时间t1和回程运动时间t3，也将有可能使用对应于时间t1和t3的速度（即，冲击速度v1和回程运动速度v3及由此形成的速度比v1/v3）以便确定对应比。此外，通过根据冲击速度v1确定冲击的动能w1（其因此与冲击能wkin成比例）和回程运动的动能w3以及在这些的基础上，限定的动能比w1/w3，将实现相同的比。

为实现最优打桩过程，目标应是调整冲击能wkin使得所选的动力学变量比q1/q3（例如，运动时间比t1/t3、速度比v1/v3或动能比w1/w3），在整个打桩过程期间将尽可能接近这些比的目标值。在图1的实施例中（其中测量运动时间t1、t2、t3），目标值是目标运动时间比t1/t3tav。结果，在根据图1的打桩机中，总是在前一次冲击的实际（测得的）运动时间比t1/t3的基础上调整下一次冲击的冲击能wkin。这能够例如通过将测得的运动时间比t1/t3与该运动时间比的目标值t1/t3tav相比较来完成，其中，桩7能够尽可能快地被打入地内。能够借助于打桩机的控制单元中的软件来实现冲击能wkin的此类调整。这能够例如被布置成使得打桩机的驾驶员从控制单元的菜单中选择“自动优化的打桩过程”，并输入关于待打入地内的桩和关于土壤品质/类型的数据。因此，控制单元将找出最适合于所关心的桩类型和土壤类型的运动时间比的目标值t1/t3tav，由此以最优的方式来实现所述桩的打桩过程。因此，优化打桩的对应过程也能够是基于借助于冲击的其他动力学变量q1和回程运动的动力学变量q3形成的动力学变量比q1/q3（其中冲击的动力学变量应与冲击期间锤块的动能成比例，且回程运动的动力学变量q3应与回程运动期间锤块的动能成比例），以及其目标值q1/q3tav，诸如速度比v1/v3及其目标值v1/v3tav，或动能比w1/w3及其目标值w1/w3tav。

在图1中所示的测量布置的情况下，打桩机的控制单元（位置传感器s1和s2连接到所述控制单元）根据打桩过程期间的运动时间t1和t3确定运动时间比t1/t3的值，并将它们与目标值t1/t3tav相比较。如果前一次冲击的运动时间比t1/t3低于目标值t1/t3tav，则控制单元将增加冲击能，并且如果其更高，则控制单元将减小冲击能。这种控制是自动的，使得在运动时间t1和t3的基础上确定的真实运动时间比t1/t3朝向已知导致打桩7的最小总时间ttot的运动时间比t1/t3tav连续地改变。然而，在实践中，桩7的负荷承载能力总是改变，使得连续控制将注意以最优方式打桩7，即使并未实现理论最优情形也是这样。也能够同样很好地借助于其他动力学变量比q1/q3来实现对应于此的操作方式，诸如速度比v1/v3或动能比w1/w3。

替代性地，能够实现打桩机的控制单元中的自动控制，使得根据在每次冲击之后测得的动力学变量比q1/q3（诸如，运动时间比t1/t3、速度比v1/v3或动能比w1/w3，及其目标值t1/t3tav、v1/v3tav、w1/w3tav），通过从相应的目标值减去测得值来计算运动时间比的偏差δt1/t3、速度比的偏差δv1/v3或动能的偏差δw1/w3。控制单元然后将试图校正冲击能，使得在下一次冲击中，与目标值的偏差将尽可能地小。

能够针对每个桩以及针对每种不同的土壤类型来确定最合适的目标动力学变量比q1/q3tav（诸如，目标运动时间比t1/t3tav、目标速度比v1/v3tav或目标动能比w1/w3tav）。也有可能使用产生不同前进分布的目标值。这些对于不同的桩和土壤类型也能够是不同的。在一些情况下，在打桩过程期间，目标动力学变量比q1/q3tav（诸如，目标运动时间比t1/t3tav、目标速度比v1/v3tav或目标动能比w1/w3tav）能够以不同方式变化。

在根据本发明的方法的不同实施例中，用于关于在冲锤中运动的锤块的位置测量锤块的运动的位置传感器s1和s2或其他传感器的位置能够变化。例如，在图1到图3的实施例中，在不同实施例中，时间t1、t2和t3与锤块6的实际速度之比能够变化。运动时间比t1/t3是一种比，其指示在冲击和回程运动期间锤块在限定的距离δh中运动所花费的时间的比。因此，运动时间比的值取决于一次冲击期间桩的前进量。如上文所提到的，其应不仅限于运动时间的比，因为也能够通过检查与冲击和回程运动的动能成比例的其他变量（诸如，冲击和回程运动的速度或动能之间的比）来获得根据本发明的方法中所利用的相同信息（比）。能够通过应用从上文呈现的示例实施例得到的多种测量布置测得这些变量。原则上，有可能应用例如用于测量锤块的瞬间或平均速度的任何测量装置，或用于测量与动能成比例的其它合适变量的测量装置，从而提供测量结果，这些测量结果能够被用于确定与冲击和回程运动的动能成比例的比，和被用于关于提供可能的最短总冲击时间的冲击估计由桩上的单次冲击提供的前进量，以及在此基础上被用于调整冲击能wkin以提供最优打桩过程。

根据本发明的方法不限于上述示例实施例，而是能够在所附权利要求的范围内以不同方式实现。