螺桿樁施工機(jī)具的鉆進(jìn)理論研究

婁燕敏，王憲鑫，蘇 陳，張興蓮LOU Yan-min,WANG Xian-xin,SU Chen, ZHANG Xing-lian(.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 68；.徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司 江蘇 徐州 004；.渤海裝備研究院海工裝備分院，遼寧 盤(pán)錦 409)

螺桿樁施工機(jī)具的鉆進(jìn)理論研究

婁燕敏1，王憲鑫1，蘇 陳2，張興蓮3
LOU Yan-min,WANG Xian-xin,SU Chen, ZHANG Xing-lian
(1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司 江蘇 徐州 221004；3.渤海裝備研究院海工裝備分院，遼寧 盤(pán)錦 124209)

[摘 要]螺桿樁施工機(jī)具加壓裝置的加壓力是影響成樁質(zhì)量和施工效率的重要參數(shù)之一。螺桿鉆具鉆進(jìn)過(guò)程中所受到的阻力是影響加壓力的主要因素。本文通過(guò)理論分析，對(duì)螺桿鉆具鉆進(jìn)過(guò)程中受到的阻力及加壓機(jī)構(gòu)能夠提供的加壓力進(jìn)行理論計(jì)算并推導(dǎo)出計(jì)算公式，為螺桿樁施工機(jī)具加壓裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]螺桿機(jī)具；加壓裝置；螺桿樁

當(dāng)前螺桿樁機(jī)研究的焦點(diǎn)是螺桿樁施工機(jī)具的實(shí)驗(yàn)研究與整機(jī)的相互結(jié)合。螺桿樁是擠土灌注樁，無(wú)須排土，在加壓力和提升力下同步鉆進(jìn)和同步反向提鉆而形成螺紋狀樁孔[1]。螺桿樁機(jī)成樁質(zhì)量的好壞與加壓力和提升力有著密切的關(guān)系，關(guān)系到樁孔螺紋成型的好壞，是螺桿樁機(jī)加壓提升裝置設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。所以螺桿樁機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)螺桿鉆具的加壓力理論計(jì)算非常重要，也為螺桿樁機(jī)的加壓提升裝置設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 垂直阻力的計(jì)算

螺桿鉆具在鉆進(jìn)時(shí)，加壓過(guò)程中需要克服的垂直阻力F包括：鉆具側(cè)面的摩阻力在垂直上的分力F1；擠壓過(guò)程中地基土層對(duì)鉆具螺紋下底面正交壓力與摩擦力合成的斜交壓力垂直分力Pv[2]；鉆具圓柱部分側(cè)面的摩阻力在垂直上的分力F2；鉆具總極限端阻力Qpk。螺桿鉆具的參數(shù)示意圖如圖1所示。

1.1 F1的計(jì)算

鉆具側(cè)面的摩阻力分析如圖2所示。

圖1 螺桿鉆具的參數(shù)示意圖

圖2 鉆具側(cè)面的摩阻力分析

i土層凹螺紋的摩擦阻力垂直分量為

式中 hi—i土層凹螺紋高度，m；

τf — i土層單位面積極限摩阻力，MPa；

λ—螺紋升角。

i土層凸螺紋的摩擦阻力垂直分量為

式中 Hi—i土層凸螺紋高度，m。

所以鉆具側(cè)面的摩阻力在垂直上的分力

1.2 Pv的計(jì)算

將凸螺紋下底面按升角λ展開(kāi)成一斜條面，如圖3所示。i土層對(duì)樁壁凸螺紋下底面的正交壓力為

式中 li—i土層中凸螺紋長(zhǎng)度，m；

μi— i土層與鉆具螺紋表面的摩擦系數(shù)，μi=tanαi，αi為摩擦角；

k—螺齒寬度，m。

圖3 螺紋下底面按升角λ展開(kāi)成一斜條面

土壤對(duì)螺紋表面的正交壓力FN和摩擦力fi合成的斜交壓力為

所以

則有斜交壓力垂直分力

1.3 Qpk的計(jì)算

式中 qpk—鉆具端阻力的極限標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

Ap— 鉆頭下表面面積（按垂直投影的平面面積之和計(jì)算）。

1.4 F2的計(jì)算鉆具圓柱部分側(cè)面的摩阻力在垂直上的分力

F2＝πrτfsinλ(L-Lp-H) (9)

式中 L—鉆具的總長(zhǎng)度，m；

Lp—鉆具螺桿部分的長(zhǎng)度，m；

H—L-Lp長(zhǎng)度范圍內(nèi)凸螺紋的長(zhǎng)度，m。

1.5 F的計(jì)算

綜上所述，得到螺桿鉆具施工鉆進(jìn)時(shí)總的垂直阻力

2 加壓裝置的總加壓力計(jì)算

總加壓力Fr包括加壓系統(tǒng)對(duì)螺桿鉆具的加壓力T、螺桿鉆具和動(dòng)力頭總重量G和地基土層對(duì)鉆具凸螺紋上頂面壓力的垂直分量Pv。

將凸螺紋上頂面按升角入展開(kāi)成一斜條面，如圖4所示。

圖4 螺紋上頂面按升角λ展開(kāi)成一斜條面

參照上述對(duì)下底面合成斜交壓力的計(jì)算，上頂面正交壓力F′N與摩擦力f ′i合成斜交壓力

所以

則斜交壓力垂直分力

所以總加壓力

式中 T——加壓系統(tǒng)對(duì)螺桿鉆具的加壓力，kN；

G——螺桿鉆具、動(dòng)力頭總重量，kg。

3 結(jié) 論

螺桿鉆具的鉆進(jìn)與木螺釘扭入木材的力學(xué)原理極為相似，螺桿樁鉆具鉆進(jìn)地基土層的過(guò)程，可看成是地基土層相對(duì)樁壁螺紋表面和樁尖表面擠壓滑動(dòng)的過(guò)程。螺桿鉆具在鉆進(jìn)時(shí)，加壓過(guò)程中需要克服的垂直阻力F和總加壓力Fr可由上述推導(dǎo)公式計(jì)算，螺桿鉆具旋進(jìn)地基土層的力學(xué)條件應(yīng)滿足：Fr＞F。這為加壓裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 沈保漢，王鳳良螺桿灌注樁施工技術(shù)[J]．建筑技術(shù)，2010，(5)：417-419．

[2] 秦建衛(wèi)．螺桿樁受力及施工技術(shù)要點(diǎn)[J]．山西建筑，2012，(17)：59-60．

[3] 董天文，梁 力．豎向受壓螺旋樁荷載沉降函數(shù)解[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2007，(10)：1483-1485．

（編輯 賈澤輝）

Use& Management 使用&管理

［中圖分類號(hào)］TU67

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)03-0080-02

［收稿日期］2014-12-05

Drilling theoretical research of screw pile construction equipment