塑料排水板可伸縮式插板槍的接頭分析與實(shí)驗(yàn)研究

方偉等

【摘 要】 當(dāng)塑料排水板手工插板槍超過5米時(shí)，由于單根長(zhǎng)度太長(zhǎng)攜帶很不方便。此外，在插板過程中，插板槍晃動(dòng)等問題明顯影響使用。本文針對(duì)一種新型的塑料排水板可伸縮式兩段式插板槍，設(shè)計(jì)了其接頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析了其接頭的摩擦特性和受力狀態(tài)，并通過現(xiàn)場(chǎng)插板實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種應(yīng)用在大深度場(chǎng)合的兩段式插板槍的功能和效率。

【關(guān)鍵詞】 塑料排水板 插板槍 接頭分析

【Abstract】 When the manual inserting lance for plastic drainage board is more than 5 meters，because of the length its carrying is not convenient .In addition， In the process of inserting the shaking of the lance affects its using . This paper introduces a new design of extensible inserting lance for plastic drainage board， which combines two section， designs mechanical structure of the joint ， analyzes its friction characteristics and stress state and verifies the function and efficiency of inserting lance which is used in the field of great depth by field test of inserting the plastic drainage board.

【Key words】 Plastic drainage board Inserting lance Analysis of the joint

1 引言

真空預(yù)壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設(shè)砂墊層，然后埋設(shè)垂直排水管道，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過砂墊層內(nèi)埋設(shè)的吸水管道，用真空裝置進(jìn)行抽氣，使其形成真空，增加地基的有效應(yīng)力。無砂墊層真空預(yù)壓法對(duì)傳統(tǒng)真空預(yù)壓法進(jìn)行了改進(jìn)，不需要鋪設(shè)排水砂墊層，在處理場(chǎng)地上打插塑料排水板后，每隔兩排塑料排水板布置一條水平管道，并使用連接器將塑料排水板露出部份緊密連接到水平管道上，適用于大面積軟土地基加固，且節(jié)省了鋪設(shè)砂墊層的大量投入，真空度傳遞效果好，具有施工工期短，經(jīng)濟(jì)節(jié)約的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

目前，大深度的插板主要通過插板機(jī)進(jìn)行，而中小深度的插板則主要通過手工用插板槍進(jìn)行。當(dāng)插板槍超過5米時(shí)，傳統(tǒng)的插板槍則由于單根長(zhǎng)度太長(zhǎng)攜帶很不方便。此外，在插板過程中，插板槍晃動(dòng)等問題明顯影響使用。因此，兩段式的插板槍在淤泥厚度超過5米時(shí)成為不可或缺的塑料排水板插板工具。

2 插板槍接頭設(shè)計(jì)和分析

兩段式插板槍主體結(jié)構(gòu)采用鋁合金焊接而成，決定插板槍的裝拆效率和功能的主要是接頭部分。本文重點(diǎn)針對(duì)用于無砂墊層真空預(yù)壓法塑料排水板的兩段式插板槍接頭進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)插板槍的功能和效率進(jìn)行驗(yàn)證。

兩段式插板槍的接頭部分實(shí)物圖1所示，包括粗圓管1、內(nèi)接頭2、緊釘螺釘3、外接頭4、細(xì)圓管5、手輪6。粗圓管與細(xì)圓管通過內(nèi)外接頭、緊定螺釘、手輪實(shí)現(xiàn)配合，其中緊釘螺釘固聯(lián)內(nèi)接頭與細(xì)圓管，外接頭與粗圓管螺紋聯(lián)結(jié)，內(nèi)接頭由凸臺(tái)和梯形螺紋組成，外接頭除螺紋外的內(nèi)徑小于凸臺(tái)內(nèi)徑，防止細(xì)圓管拔出，手輪內(nèi)有與內(nèi)接頭配合的梯形螺紋，后旋手輪細(xì)圓管可滑入粗圓管，實(shí)現(xiàn)收縮，拉出細(xì)圓管鎖緊手輪，實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)。其中，內(nèi)接頭、外接頭和旋轉(zhuǎn)手輪均具有梯形螺紋結(jié)構(gòu)。

兩端式插板槍快速鎖緊和松開的關(guān)鍵部件是內(nèi)接頭梯形螺紋滑槽分別與外接頭和手輪的連接部分，此時(shí)梯形螺紋間形成滑動(dòng)摩擦。當(dāng)兩端式插板槍組合成一根長(zhǎng)插板槍時(shí)，這些梯形螺紋滑槽通過摩擦力形成自鎖，并保證在外力作用下不會(huì)形成滑動(dòng)。

金屬表面間的滑動(dòng)摩擦。根據(jù)摩擦面間存在潤(rùn)滑劑的情況，滑動(dòng)摩擦又分為干摩擦、邊界摩擦及流體摩擦。干摩擦是指表面間無任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的金屬接觸時(shí)的摩擦。在工程實(shí)際中，并不存在真正的干摩擦，因?yàn)槿魏瘟慵谋砻娌粌H會(huì)因氧化而形成氧化膜，而且多少也會(huì)被含有潤(rùn)滑劑分子的氣體所濕潤(rùn)或受到“油污”。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，通常把這種未經(jīng)人為潤(rùn)滑的摩擦狀態(tài)當(dāng)作干摩擦處理。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副的摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開、摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦稱為邊界摩擦。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副的摩擦表面被流體膜隔開、摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦稱為流體摩擦。可以用膜厚比λ來大致估計(jì)兩滑動(dòng)表面所處的摩擦狀態(tài)。

工作過程中插板槍的接頭需要反復(fù)地浸沒在淤泥中，因此接頭部分的梯形螺紋滑槽避免不了會(huì)有淤泥和液體進(jìn)入，兩摩擦表面間有潤(rùn)滑存在，由于吸附作用，因而在金屬表面上形成極薄的邊界油膜.邊界油膜的厚度小于1μm，不足以將兩金屬表面分隔開，所以相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩金屬表面微觀的高峰部分將互相搓削，形成邊界摩擦，如圖2所示。一般而言，金屬表面覆蓋一層邊界膜后，雖不能絕對(duì)消除表面的磨損，卻可以起著減輕磨損的作用。這種狀態(tài)的摩擦系數(shù)f≈0.1-0.3，因此梯形螺紋滑槽的自鎖角度α必須根據(jù)此時(shí)的鋼材摩擦系數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

采用有限元分析對(duì)接頭部分進(jìn)行應(yīng)力和變形分析：簡(jiǎn)化分析模型，去掉次要特征，主要受力部位為手輪與內(nèi)接頭接觸部分，故將力學(xué)模型簡(jiǎn)化為在大圓管前端固定劃分網(wǎng)格，運(yùn)行模型。大圓管下端固定，一個(gè)60kg重的人可施加最大600N的力，插板槍總長(zhǎng)8米，粗桿和細(xì)桿各長(zhǎng)4米，均采用鋁合金6061材料。粗桿直徑38毫米，細(xì)桿直徑26毫米，有限元分析結(jié)果如圖3所示。由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力值為376MPa，出現(xiàn)在靠近接頭的桿子背力處，最大變形量為0.01mm，出現(xiàn)在接頭滑槽的最上部。因此，所設(shè)計(jì)的可伸縮式插板槍在指定的載荷作用下，由有限元分析軟件計(jì)算出的各個(gè)零件最大應(yīng)力均小于相對(duì)應(yīng)材料的屈服極限值，不會(huì)產(chǎn)生永久性的變形。計(jì)算仿真出的結(jié)果滿足安全要求。

3 插板槍實(shí)驗(yàn)

在工地現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行了兩段式可伸縮插板槍插板現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，其淤泥層厚度平均在5.00～6.00m左右，排水板寬為100mm，插板槍共6米長(zhǎng)，粗桿和細(xì)桿每段各3米，如圖4所示。插板過程細(xì)分為八個(gè)步驟：（1）將兩段式插板槍縮小到粗桿3米長(zhǎng)，兩人協(xié)作將排水板粗桿插入3米深的淤泥中（2）由一人抽出3米細(xì)桿；（3）然后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪一圈，通過手輪內(nèi)部的梯形螺紋和內(nèi)接頭相連鎖緊；（4）其中一人加力將3米細(xì)桿壓入淤泥中；（5）待插板槍完全插入預(yù)定深度后，將細(xì)桿抽離淤泥表面；（6）等接頭剛露出淤泥表面后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪一圈，使其與內(nèi)接頭脫開；（7）將細(xì)桿主要通過重力作用收入粗桿中；（8）最后將粗桿完全抽出，完成整個(gè)人工插板過程。

通過三次實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)求平均，以上八個(gè)步驟耗時(shí)曲線如圖5所示，共耗時(shí)25秒鐘。通過實(shí)驗(yàn)可知，在6米或更深的插板工藝施工中，本文設(shè)計(jì)的兩段式可伸縮插板槍不但具有傳統(tǒng)單根插板槍的全部功能和相近施工效率，而且明顯避免了傳統(tǒng)單根長(zhǎng)插板槍攜帶不方便和海風(fēng)導(dǎo)致的上部晃動(dòng)等兩類問題。

3 結(jié)語

本文針對(duì)一種新型的塑料排水板可伸縮式兩段式插板槍，設(shè)計(jì)了其接頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析了其接頭的摩擦特性和受力狀態(tài)，并通過現(xiàn)場(chǎng)插板實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種應(yīng)用在大深度場(chǎng)合的兩段式插板槍的功能和效率。通過實(shí)驗(yàn)可知，在6米或更深的插板工藝施工中，本文設(shè)計(jì)的兩段式可伸縮插板槍不但具有傳統(tǒng)單根插板槍的全部功能和相近施工效率，而且明顯避免了傳統(tǒng)單根長(zhǎng)插板槍攜帶不方便和海風(fēng)導(dǎo)致的上部晃動(dòng)等兩類問題。

參考文獻(xiàn)

[1]劉忠海.塑料排水板施工工藝及其回帶、斷帶成因分析[J].中國(guó)水運(yùn)， 2009，Vol 9， n10， pp249-250.

[2]王志勇，劉宇琦，吳松華.塑料排水板施工工藝及質(zhì)量控制[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012， n32-35，pp103-106.

[3]韓秋貴.塑料排水板處理軟土地基施工技術(shù)[J]. 科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004，Vol 14， n7， pp320-322.

[4]熊祥俊.塑料排水板施工工藝及回帶原因和處理措施[J].山西建筑，2013，Vol39，n5， pp74-75.endprint

【摘 要】 當(dāng)塑料排水板手工插板槍超過5米時(shí)，由于單根長(zhǎng)度太長(zhǎng)攜帶很不方便。此外，在插板過程中，插板槍晃動(dòng)等問題明顯影響使用。本文針對(duì)一種新型的塑料排水板可伸縮式兩段式插板槍，設(shè)計(jì)了其接頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析了其接頭的摩擦特性和受力狀態(tài)，并通過現(xiàn)場(chǎng)插板實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種應(yīng)用在大深度場(chǎng)合的兩段式插板槍的功能和效率。

【關(guān)鍵詞】 塑料排水板 插板槍 接頭分析

【Abstract】 When the manual inserting lance for plastic drainage board is more than 5 meters，because of the length its carrying is not convenient .In addition， In the process of inserting the shaking of the lance affects its using . This paper introduces a new design of extensible inserting lance for plastic drainage board， which combines two section， designs mechanical structure of the joint ， analyzes its friction characteristics and stress state and verifies the function and efficiency of inserting lance which is used in the field of great depth by field test of inserting the plastic drainage board.

【Key words】 Plastic drainage board Inserting lance Analysis of the joint

1 引言

真空預(yù)壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設(shè)砂墊層，然后埋設(shè)垂直排水管道，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過砂墊層內(nèi)埋設(shè)的吸水管道，用真空裝置進(jìn)行抽氣，使其形成真空，增加地基的有效應(yīng)力。無砂墊層真空預(yù)壓法對(duì)傳統(tǒng)真空預(yù)壓法進(jìn)行了改進(jìn)，不需要鋪設(shè)排水砂墊層，在處理場(chǎng)地上打插塑料排水板后，每隔兩排塑料排水板布置一條水平管道，并使用連接器將塑料排水板露出部份緊密連接到水平管道上，適用于大面積軟土地基加固，且節(jié)省了鋪設(shè)砂墊層的大量投入，真空度傳遞效果好，具有施工工期短，經(jīng)濟(jì)節(jié)約的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

目前，大深度的插板主要通過插板機(jī)進(jìn)行，而中小深度的插板則主要通過手工用插板槍進(jìn)行。當(dāng)插板槍超過5米時(shí)，傳統(tǒng)的插板槍則由于單根長(zhǎng)度太長(zhǎng)攜帶很不方便。此外，在插板過程中，插板槍晃動(dòng)等問題明顯影響使用。因此，兩段式的插板槍在淤泥厚度超過5米時(shí)成為不可或缺的塑料排水板插板工具。

2 插板槍接頭設(shè)計(jì)和分析

兩段式插板槍主體結(jié)構(gòu)采用鋁合金焊接而成，決定插板槍的裝拆效率和功能的主要是接頭部分。本文重點(diǎn)針對(duì)用于無砂墊層真空預(yù)壓法塑料排水板的兩段式插板槍接頭進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)插板槍的功能和效率進(jìn)行驗(yàn)證。

兩段式插板槍的接頭部分實(shí)物圖1所示，包括粗圓管1、內(nèi)接頭2、緊釘螺釘3、外接頭4、細(xì)圓管5、手輪6。粗圓管與細(xì)圓管通過內(nèi)外接頭、緊定螺釘、手輪實(shí)現(xiàn)配合，其中緊釘螺釘固聯(lián)內(nèi)接頭與細(xì)圓管，外接頭與粗圓管螺紋聯(lián)結(jié)，內(nèi)接頭由凸臺(tái)和梯形螺紋組成，外接頭除螺紋外的內(nèi)徑小于凸臺(tái)內(nèi)徑，防止細(xì)圓管拔出，手輪內(nèi)有與內(nèi)接頭配合的梯形螺紋，后旋手輪細(xì)圓管可滑入粗圓管，實(shí)現(xiàn)收縮，拉出細(xì)圓管鎖緊手輪，實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)。其中，內(nèi)接頭、外接頭和旋轉(zhuǎn)手輪均具有梯形螺紋結(jié)構(gòu)。

兩端式插板槍快速鎖緊和松開的關(guān)鍵部件是內(nèi)接頭梯形螺紋滑槽分別與外接頭和手輪的連接部分，此時(shí)梯形螺紋間形成滑動(dòng)摩擦。當(dāng)兩端式插板槍組合成一根長(zhǎng)插板槍時(shí)，這些梯形螺紋滑槽通過摩擦力形成自鎖，并保證在外力作用下不會(huì)形成滑動(dòng)。

金屬表面間的滑動(dòng)摩擦。根據(jù)摩擦面間存在潤(rùn)滑劑的情況，滑動(dòng)摩擦又分為干摩擦、邊界摩擦及流體摩擦。干摩擦是指表面間無任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的金屬接觸時(shí)的摩擦。在工程實(shí)際中，并不存在真正的干摩擦，因?yàn)槿魏瘟慵谋砻娌粌H會(huì)因氧化而形成氧化膜，而且多少也會(huì)被含有潤(rùn)滑劑分子的氣體所濕潤(rùn)或受到“油污”。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，通常把這種未經(jīng)人為潤(rùn)滑的摩擦狀態(tài)當(dāng)作干摩擦處理。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副的摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開、摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦稱為邊界摩擦。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副的摩擦表面被流體膜隔開、摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦稱為流體摩擦?？梢杂媚ず癖圈藖泶笾鹿烙?jì)兩滑動(dòng)表面所處的摩擦狀態(tài)。

工作過程中插板槍的接頭需要反復(fù)地浸沒在淤泥中，因此接頭部分的梯形螺紋滑槽避免不了會(huì)有淤泥和液體進(jìn)入，兩摩擦表面間有潤(rùn)滑存在，由于吸附作用，因而在金屬表面上形成極薄的邊界油膜.邊界油膜的厚度小于1μm，不足以將兩金屬表面分隔開，所以相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩金屬表面微觀的高峰部分將互相搓削，形成邊界摩擦，如圖2所示。一般而言，金屬表面覆蓋一層邊界膜后，雖不能絕對(duì)消除表面的磨損，卻可以起著減輕磨損的作用。這種狀態(tài)的摩擦系數(shù)f≈0.1-0.3，因此梯形螺紋滑槽的自鎖角度α必須根據(jù)此時(shí)的鋼材摩擦系數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

采用有限元分析對(duì)接頭部分進(jìn)行應(yīng)力和變形分析：簡(jiǎn)化分析模型，去掉次要特征，主要受力部位為手輪與內(nèi)接頭接觸部分，故將力學(xué)模型簡(jiǎn)化為在大圓管前端固定劃分網(wǎng)格，運(yùn)行模型。大圓管下端固定，一個(gè)60kg重的人可施加最大600N的力，插板槍總長(zhǎng)8米，粗桿和細(xì)桿各長(zhǎng)4米，均采用鋁合金6061材料。粗桿直徑38毫米，細(xì)桿直徑26毫米，有限元分析結(jié)果如圖3所示。由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力值為376MPa，出現(xiàn)在靠近接頭的桿子背力處，最大變形量為0.01mm，出現(xiàn)在接頭滑槽的最上部。因此，所設(shè)計(jì)的可伸縮式插板槍在指定的載荷作用下，由有限元分析軟件計(jì)算出的各個(gè)零件最大應(yīng)力均小于相對(duì)應(yīng)材料的屈服極限值，不會(huì)產(chǎn)生永久性的變形。計(jì)算仿真出的結(jié)果滿足安全要求。

3 插板槍實(shí)驗(yàn)

在工地現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行了兩段式可伸縮插板槍插板現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，其淤泥層厚度平均在5.00～6.00m左右，排水板寬為100mm，插板槍共6米長(zhǎng)，粗桿和細(xì)桿每段各3米，如圖4所示。插板過程細(xì)分為八個(gè)步驟：（1）將兩段式插板槍縮小到粗桿3米長(zhǎng)，兩人協(xié)作將排水板粗桿插入3米深的淤泥中（2）由一人抽出3米細(xì)桿；（3）然后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪一圈，通過手輪內(nèi)部的梯形螺紋和內(nèi)接頭相連鎖緊；（4）其中一人加力將3米細(xì)桿壓入淤泥中；（5）待插板槍完全插入預(yù)定深度后，將細(xì)桿抽離淤泥表面；（6）等接頭剛露出淤泥表面后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪一圈，使其與內(nèi)接頭脫開；（7）將細(xì)桿主要通過重力作用收入粗桿中；（8）最后將粗桿完全抽出，完成整個(gè)人工插板過程。

通過三次實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)求平均，以上八個(gè)步驟耗時(shí)曲線如圖5所示，共耗時(shí)25秒鐘。通過實(shí)驗(yàn)可知，在6米或更深的插板工藝施工中，本文設(shè)計(jì)的兩段式可伸縮插板槍不但具有傳統(tǒng)單根插板槍的全部功能和相近施工效率，而且明顯避免了傳統(tǒng)單根長(zhǎng)插板槍攜帶不方便和海風(fēng)導(dǎo)致的上部晃動(dòng)等兩類問題。

3 結(jié)語

本文針對(duì)一種新型的塑料排水板可伸縮式兩段式插板槍，設(shè)計(jì)了其接頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析了其接頭的摩擦特性和受力狀態(tài)，并通過現(xiàn)場(chǎng)插板實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種應(yīng)用在大深度場(chǎng)合的兩段式插板槍的功能和效率。通過實(shí)驗(yàn)可知，在6米或更深的插板工藝施工中，本文設(shè)計(jì)的兩段式可伸縮插板槍不但具有傳統(tǒng)單根插板槍的全部功能和相近施工效率，而且明顯避免了傳統(tǒng)單根長(zhǎng)插板槍攜帶不方便和海風(fēng)導(dǎo)致的上部晃動(dòng)等兩類問題。

參考文獻(xiàn)

[1]劉忠海.塑料排水板施工工藝及其回帶、斷帶成因分析[J].中國(guó)水運(yùn)， 2009，Vol 9， n10， pp249-250.

[2]王志勇，劉宇琦，吳松華.塑料排水板施工工藝及質(zhì)量控制[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012， n32-35，pp103-106.

[3]韓秋貴.塑料排水板處理軟土地基施工技術(shù)[J]. 科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004，Vol 14， n7， pp320-322.

[4]熊祥俊.塑料排水板施工工藝及回帶原因和處理措施[J].山西建筑，2013，Vol39，n5， pp74-75.endprint

【摘 要】 當(dāng)塑料排水板手工插板槍超過5米時(shí)，由于單根長(zhǎng)度太長(zhǎng)攜帶很不方便。此外，在插板過程中，插板槍晃動(dòng)等問題明顯影響使用。本文針對(duì)一種新型的塑料排水板可伸縮式兩段式插板槍，設(shè)計(jì)了其接頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析了其接頭的摩擦特性和受力狀態(tài)，并通過現(xiàn)場(chǎng)插板實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種應(yīng)用在大深度場(chǎng)合的兩段式插板槍的功能和效率。

【關(guān)鍵詞】 塑料排水板 插板槍 接頭分析

【Abstract】 When the manual inserting lance for plastic drainage board is more than 5 meters，because of the length its carrying is not convenient .In addition， In the process of inserting the shaking of the lance affects its using . This paper introduces a new design of extensible inserting lance for plastic drainage board， which combines two section， designs mechanical structure of the joint ， analyzes its friction characteristics and stress state and verifies the function and efficiency of inserting lance which is used in the field of great depth by field test of inserting the plastic drainage board.

【Key words】 Plastic drainage board Inserting lance Analysis of the joint

1 引言

真空預(yù)壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設(shè)砂墊層，然后埋設(shè)垂直排水管道，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過砂墊層內(nèi)埋設(shè)的吸水管道，用真空裝置進(jìn)行抽氣，使其形成真空，增加地基的有效應(yīng)力。無砂墊層真空預(yù)壓法對(duì)傳統(tǒng)真空預(yù)壓法進(jìn)行了改進(jìn)，不需要鋪設(shè)排水砂墊層，在處理場(chǎng)地上打插塑料排水板后，每隔兩排塑料排水板布置一條水平管道，并使用連接器將塑料排水板露出部份緊密連接到水平管道上，適用于大面積軟土地基加固，且節(jié)省了鋪設(shè)砂墊層的大量投入，真空度傳遞效果好，具有施工工期短，經(jīng)濟(jì)節(jié)約的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

目前，大深度的插板主要通過插板機(jī)進(jìn)行，而中小深度的插板則主要通過手工用插板槍進(jìn)行。當(dāng)插板槍超過5米時(shí)，傳統(tǒng)的插板槍則由于單根長(zhǎng)度太長(zhǎng)攜帶很不方便。此外，在插板過程中，插板槍晃動(dòng)等問題明顯影響使用。因此，兩段式的插板槍在淤泥厚度超過5米時(shí)成為不可或缺的塑料排水板插板工具。

2 插板槍接頭設(shè)計(jì)和分析

兩段式插板槍主體結(jié)構(gòu)采用鋁合金焊接而成，決定插板槍的裝拆效率和功能的主要是接頭部分。本文重點(diǎn)針對(duì)用于無砂墊層真空預(yù)壓法塑料排水板的兩段式插板槍接頭進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)插板槍的功能和效率進(jìn)行驗(yàn)證。

兩段式插板槍的接頭部分實(shí)物圖1所示，包括粗圓管1、內(nèi)接頭2、緊釘螺釘3、外接頭4、細(xì)圓管5、手輪6。粗圓管與細(xì)圓管通過內(nèi)外接頭、緊定螺釘、手輪實(shí)現(xiàn)配合，其中緊釘螺釘固聯(lián)內(nèi)接頭與細(xì)圓管，外接頭與粗圓管螺紋聯(lián)結(jié)，內(nèi)接頭由凸臺(tái)和梯形螺紋組成，外接頭除螺紋外的內(nèi)徑小于凸臺(tái)內(nèi)徑，防止細(xì)圓管拔出，手輪內(nèi)有與內(nèi)接頭配合的梯形螺紋，后旋手輪細(xì)圓管可滑入粗圓管，實(shí)現(xiàn)收縮，拉出細(xì)圓管鎖緊手輪，實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)。其中，內(nèi)接頭、外接頭和旋轉(zhuǎn)手輪均具有梯形螺紋結(jié)構(gòu)。

兩端式插板槍快速鎖緊和松開的關(guān)鍵部件是內(nèi)接頭梯形螺紋滑槽分別與外接頭和手輪的連接部分，此時(shí)梯形螺紋間形成滑動(dòng)摩擦。當(dāng)兩端式插板槍組合成一根長(zhǎng)插板槍時(shí)，這些梯形螺紋滑槽通過摩擦力形成自鎖，并保證在外力作用下不會(huì)形成滑動(dòng)。

金屬表面間的滑動(dòng)摩擦。根據(jù)摩擦面間存在潤(rùn)滑劑的情況，滑動(dòng)摩擦又分為干摩擦、邊界摩擦及流體摩擦。干摩擦是指表面間無任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的金屬接觸時(shí)的摩擦。在工程實(shí)際中，并不存在真正的干摩擦，因?yàn)槿魏瘟慵谋砻娌粌H會(huì)因氧化而形成氧化膜，而且多少也會(huì)被含有潤(rùn)滑劑分子的氣體所濕潤(rùn)或受到“油污”。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，通常把這種未經(jīng)人為潤(rùn)滑的摩擦狀態(tài)當(dāng)作干摩擦處理。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副的摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開、摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦稱為邊界摩擦。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副的摩擦表面被流體膜隔開、摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦稱為流體摩擦?？梢杂媚ず癖圈藖泶笾鹿烙?jì)兩滑動(dòng)表面所處的摩擦狀態(tài)。

工作過程中插板槍的接頭需要反復(fù)地浸沒在淤泥中，因此接頭部分的梯形螺紋滑槽避免不了會(huì)有淤泥和液體進(jìn)入，兩摩擦表面間有潤(rùn)滑存在，由于吸附作用，因而在金屬表面上形成極薄的邊界油膜.邊界油膜的厚度小于1μm，不足以將兩金屬表面分隔開，所以相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩金屬表面微觀的高峰部分將互相搓削，形成邊界摩擦，如圖2所示。一般而言，金屬表面覆蓋一層邊界膜后，雖不能絕對(duì)消除表面的磨損，卻可以起著減輕磨損的作用。這種狀態(tài)的摩擦系數(shù)f≈0.1-0.3，因此梯形螺紋滑槽的自鎖角度α必須根據(jù)此時(shí)的鋼材摩擦系數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

采用有限元分析對(duì)接頭部分進(jìn)行應(yīng)力和變形分析：簡(jiǎn)化分析模型，去掉次要特征，主要受力部位為手輪與內(nèi)接頭接觸部分，故將力學(xué)模型簡(jiǎn)化為在大圓管前端固定劃分網(wǎng)格，運(yùn)行模型。大圓管下端固定，一個(gè)60kg重的人可施加最大600N的力，插板槍總長(zhǎng)8米，粗桿和細(xì)桿各長(zhǎng)4米，均采用鋁合金6061材料。粗桿直徑38毫米，細(xì)桿直徑26毫米，有限元分析結(jié)果如圖3所示。由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力值為376MPa，出現(xiàn)在靠近接頭的桿子背力處，最大變形量為0.01mm，出現(xiàn)在接頭滑槽的最上部。因此，所設(shè)計(jì)的可伸縮式插板槍在指定的載荷作用下，由有限元分析軟件計(jì)算出的各個(gè)零件最大應(yīng)力均小于相對(duì)應(yīng)材料的屈服極限值，不會(huì)產(chǎn)生永久性的變形。計(jì)算仿真出的結(jié)果滿足安全要求。

3 插板槍實(shí)驗(yàn)

在工地現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行了兩段式可伸縮插板槍插板現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，其淤泥層厚度平均在5.00～6.00m左右，排水板寬為100mm，插板槍共6米長(zhǎng)，粗桿和細(xì)桿每段各3米，如圖4所示。插板過程細(xì)分為八個(gè)步驟：（1）將兩段式插板槍縮小到粗桿3米長(zhǎng)，兩人協(xié)作將排水板粗桿插入3米深的淤泥中（2）由一人抽出3米細(xì)桿；（3）然后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪一圈，通過手輪內(nèi)部的梯形螺紋和內(nèi)接頭相連鎖緊；（4）其中一人加力將3米細(xì)桿壓入淤泥中；（5）待插板槍完全插入預(yù)定深度后，將細(xì)桿抽離淤泥表面；（6）等接頭剛露出淤泥表面后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪一圈，使其與內(nèi)接頭脫開；（7）將細(xì)桿主要通過重力作用收入粗桿中；（8）最后將粗桿完全抽出，完成整個(gè)人工插板過程。

通過三次實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)求平均，以上八個(gè)步驟耗時(shí)曲線如圖5所示，共耗時(shí)25秒鐘。通過實(shí)驗(yàn)可知，在6米或更深的插板工藝施工中，本文設(shè)計(jì)的兩段式可伸縮插板槍不但具有傳統(tǒng)單根插板槍的全部功能和相近施工效率，而且明顯避免了傳統(tǒng)單根長(zhǎng)插板槍攜帶不方便和海風(fēng)導(dǎo)致的上部晃動(dòng)等兩類問題。

3 結(jié)語

本文針對(duì)一種新型的塑料排水板可伸縮式兩段式插板槍，設(shè)計(jì)了其接頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析了其接頭的摩擦特性和受力狀態(tài)，并通過現(xiàn)場(chǎng)插板實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種應(yīng)用在大深度場(chǎng)合的兩段式插板槍的功能和效率。通過實(shí)驗(yàn)可知，在6米或更深的插板工藝施工中，本文設(shè)計(jì)的兩段式可伸縮插板槍不但具有傳統(tǒng)單根插板槍的全部功能和相近施工效率，而且明顯避免了傳統(tǒng)單根長(zhǎng)插板槍攜帶不方便和海風(fēng)導(dǎo)致的上部晃動(dòng)等兩類問題。

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