堤壩深窄槽成型方案及鏈式切削刀具設(shè)計

刁 一，羅遠新，王勇勤，羅 洋，楊虎翼

(重慶大學，重慶 400030)

0 前言

水利工程關(guān)乎國計民生，而堤壩防滲是保證水利工程安全的關(guān)鍵[1]，現(xiàn)有的一種關(guān)于堤壩聚氨酯注漿的技術(shù)在材料和工藝及裝備方面對比其他堤壩防滲方法具有擾動小、抗震抗裂性能好、施工便捷等優(yōu)點[2]，但在成槽工藝方面存在成槽深度有限、成槽不連續(xù)等缺陷，因此急需研究開發(fā)新型高效的堤壩防滲加固成槽工藝。本文將針對深窄槽成型困難、成槽深度淺、成型錯位導致防滲墻不連續(xù)等問題，設(shè)計一個以“鋸切成槽、水平注漿”為主要技術(shù)途徑，施工過程對原壩體擾動小、成槽連續(xù)、性能穩(wěn)定可靠的堤壩防滲加固新方案。

現(xiàn)有的地下防滲墻施工工藝根據(jù)原理大致分為原位置混合攪拌工法、靜力壓入工法和置換工法[3]。針對上述三種原理，國內(nèi)外常見的工法及裝備主要有抓斗成墻工法及裝備、銑槽成墻工法及裝備、鋸槽法成墻工法及裝備、鏈斗(刮板)式成墻工法及裝備、靜壓成槽工法及裝備等，根據(jù)具體施工情況采用不同施工技術(shù)及裝備。而針對目前防滲墻成型要求，需要防滲墻對壩體擾動小，即成槽寬度不宜過大，并且成槽深度足夠，從而更好的提高防滲加固效率，而現(xiàn)有國內(nèi)外成槽施工裝備無法同時滿足成槽深度以及成槽深度要求，因此研發(fā)新型的成槽裝備對目前堤壩防滲有著重要的實際工程意義。

1 連續(xù)鋸切成槽方案

本文所涉及的地下連續(xù)防滲墻需要保證成槽寬度不大于50 m，成槽深度為10 ，對比分析文獻中的各種成墻工法[4-7]，如表1所示。

表1 成槽裝備/工法對比

如表1所示，只有靜壓法滿足成槽寬度需求，但其成槽深度不夠。成槽深度滿足需求的情況下，采用鏈式鋸切的成槽方式寬度相對較小，因此可以考慮從鏈式鋸切方向進行工法優(yōu)化設(shè)計。圖1～圖3為幾種鏈式開槽設(shè)備。

圖1 鏈式開溝機

圖2 TRD工法機

圖3 Fantini70SU-H鏈式鋸切機

圖1～圖3所示三種方案均為鋸切形式開槽，其中鏈式開溝機成槽深度淺且寬度較大無法滿足施工需求；TRD工法成槽深度大但成槽過寬，施工時容易對壩體產(chǎn)生擾動，影響施工質(zhì)量。Fantini鋸切機成槽速度較慢且成槽深度不夠，經(jīng)濟效益低。將三種裝備成槽參數(shù)進行分析對比如表2所示。

表2 成槽裝備對比

根據(jù)現(xiàn)有鏈式成槽工法，對比國內(nèi)外方案，設(shè)計新的深窄槽成槽方案：將原有的“靜壓成槽”升級為“鋸切成槽”施工工藝。新裝備采用高可靠性鏈式鋸切裝置對土壤進行鋸切開槽，提高成槽效率和成槽深度(最大深度可達10 m)，滿足堤壩防滲以及應(yīng)急搶險要求。鋸切成槽寬度不大于5 cm，可大大減小施工時對壩體的擾動。對此，裝備的整體設(shè)計方案如圖4所示。

圖4 裝備總體方案圖

如圖4所示，堤壩柔性防滲墻成套技術(shù)裝備總體方案主要包括：鏈鋸系統(tǒng)、注漿裝置和高聚物柔性防滲墻幾個部分。裝備運行時，鋸片先垂直向下切入土層，當切削深度達到預定深度值時，鋸片再沿裝備導軌方向移動進行“橫向鋸切”形成連續(xù)的地下深窄槽；注漿裝置隨鋸片的移動而移動。注漿裝置內(nèi)部不同深度位置間隔安裝有注漿槍，鋸片橫向鋸切的同時注漿槍對已成型的空腔內(nèi)持續(xù)(或間歇性)注漿構(gòu)筑連續(xù)柔性擋墻。

此鏈式連續(xù)成墻裝備主要應(yīng)用各水庫與河流堤壩的防滲防坍塌工程。具體工作性能指標如下：

(1)鏈鋸系統(tǒng)能在垂直方向上切入地下10 m。

(2)鏈鋸系統(tǒng)能在10 m深處橫向連續(xù)鋸切，形成連續(xù)深窄槽。

(3)鏈鋸系統(tǒng)在切深5 m時，橫向鋸切開槽最大速度可達12 m/h；切深10 m時最大開槽速度可達6 m/h。

(4)裝備鋸切的深窄槽寬度不大于50 mm，柔性防滲墻的厚度不超過50 mm。

為滿足此性能指標，需進一步對切削刀具進行詳細設(shè)計。

2 切刀切削力學分析及仿真驗證

2.1 切刀切削力學分析

刀具切削土壤過程中，由于工作于地下，切刀前方的土體將受到被動土壓力的作用。因此基于朗肯被動土壓理論，以Mckyes-Ali建立的刀具切削阻力模型為基礎(chǔ)，根據(jù)流水型切削過程，建立切刀切削粘土的三維受力模型，刀具切削三維示意模型如圖5所示[8-13]。土體參數(shù)如表3所示。

圖5 刀具切削三維模型

表3 土體參數(shù)

如圖5切削三維模型所示，土壤切削時，切削土體除了中心的楔形切削塊還包括側(cè)部的切削塊。其失效區(qū)如圖6所示。

圖6 土壤失效示意圖

如圖6所示為土壤失效示意圖，對其中心楔形塊做受力分析，如圖7所示。

圖7 中心失效區(qū)受力示意圖

對于刀具來說，其二維受力示意圖如圖8所示。

圖8 切刀受力示意圖

由水平和垂直方向受力平衡得

P1sin(δ+φ1)+cabhcotδ-Rsin(β+φ)-cbhcotβ-G=0

(1)

-P1cos(δ+φ1)+cabh-Rcos(β+φ)+cbh+Q=0

(2)

聯(lián)立求解出切削力為

FH=Psin(δ+φ1)+cahbcotδ+μ[γhN1+cN2)bl+Pcos(δ+φ1)-cahb]

(3)

式中，G為中心楔塊重力；Q為中心楔塊附加力；γ為土壤重度；c為土壤粘結(jié)力；ca為土壤與切刀之間的粘結(jié)力；b為中心楔塊部分寬度；h為切削深度；q為中心楔塊上附加壓力；δ為切刀切削角；β為失效面破壞角，根據(jù)朗肯被動土壓理論β=45°-φ/2；φ為土壤內(nèi)摩擦角；φ1為土壤與切刀之間摩擦角。

2.2 切刀切削有限元分析

本節(jié)采用歐拉-拉格朗日耦合法(CEL法)來模擬切刀的切削過程[14-16]，將計算結(jié)果與理論計算結(jié)果進行對比。建立CEL有限元土壤模型如圖9所示。

圖9 CEL土壤模型

如圖9所示，在Abaqus零件定義中將區(qū)域整體設(shè)置為三維歐拉體，并將其分為土壤填充區(qū)、刀具所處區(qū)與空白區(qū)。仿真過程中，由于刀具切削作用，土壤填充區(qū)的土壤會進入空白區(qū)形成土屑。

整個歐拉體單元類型采用EC3D8R，刀具設(shè)為剛體，將土壤切削區(qū)域的網(wǎng)格加密，整個模型被劃分為110 400個單元，網(wǎng)格模型見圖10。

如圖10所示，通過參考點RP1與刀具建立剛體約束。在載荷中的預定義場設(shè)定土壤填充區(qū)，邊界條件中約束土壤邊界，同時定義刀具切削方向與切削速度。

圖10 網(wǎng)格模型

刀具切削的仿真過程如圖11所示。刀具切入土體時，與刀具前面最先接觸的土體區(qū)域?qū)艿街苯訑D壓，此時刀具受力從零開始增加，隨著切刀的繼續(xù)工作，土體與刀具接觸面積增加，刀具所受阻力也不斷增大，直到某個土體單元的應(yīng)力值達到材料破壞值，應(yīng)力值將不再增大。

圖11 不同時刻刀具切削土壤的應(yīng)力云圖

其切削力隨時間變化曲線如圖12所示。理論與仿真誤差在百分之十以內(nèi)，說明仿真結(jié)果是可靠的。

圖12 切削力仿真結(jié)果與理論結(jié)果

3 刀具設(shè)計

3.1 刀具材料

刀具在土壤切削過程中如遇到巖石會承受較大的壓力與沖擊力，同時切削過程中土壤與刀具相互作用也可能產(chǎn)生較大摩擦，因此，土壤切削刀具材料需具備良好的耐磨性、足夠的強度和韌度、良好的工藝性、經(jīng)濟性。經(jīng)濟性是本次選擇刀具材料的重要指標之一。

此次切削對象為土壤，同時以此為加工對象的還有鏈式開溝機、挖掘機、盾構(gòu)機等等，因此可以參照其刀具材料種類，再結(jié)合刀具材料所需具備的性質(zhì)，選擇刀具材料。

鏈式開溝機常采用錳鋼刀具與高耐磨合金刀具，前者主要工作于土質(zhì)較軟地層，后者主要用于土質(zhì)較硬地層或混凝土路面進行開溝作業(yè)。

挖掘機刀具一般采用高錳鋼制造，同時根據(jù)斗齒的具體工況合理地選擇材料。當斗齒處于較高沖擊載荷下，高錳鋼的屈服強度較低、容易折斷。為了有效提升高錳鋼的耐磨性與屈服強度，應(yīng)采用添加合金元素的方法增強其韌性。一般可添加的合金元素有Cr、Mo等，可以有效提升斗齒的使用性能、韌性以及硬度和抗變形能力。盾構(gòu)機在硬巖地層、砂卵石地層會頻繁更換切削類刀具，是因為其地層含大量漂石，使得刀具刃口部位承受很大的沖擊載荷，因此盾構(gòu)刀具多采用硬質(zhì)合金刀具。綜上述，考慮切削主體材料、刀具的強度韌度、加工工藝性以及經(jīng)濟適用性，對比同類土體切削刀具，采用加Cr的高錳鋼比較符合實際工況與經(jīng)濟條件，其熱處理工藝采用淬火，使硬度達到使用要求。

3.2 刀具幾何參數(shù)

切削力作為切削過程中重要的物理參數(shù)，其大小直接影響刀具的磨損及使用壽命[17]，切刀切削時主要的幾何影響參數(shù)為刀具前角及刀刃鈍圓半徑，刀具后角多與刀具磨損相關(guān)，因切削主體為土壤，因此不考慮后角的影響?；谟邢拊狢EL法，通過改變單一參數(shù)來研究刀具前角、刀刃鈍圓半徑及切削深度對于切削力的影響，所采用參數(shù)如表4所示，表中斜體參數(shù)為仿真過程中不變值。

表4 切削力影響因素仿真數(shù)值

如圖13所示，切刀切削力隨著切刀前角的增大而減小，且隨著前角增大，切削力減小速率變慢。切削力隨鈍圓半徑增大而增大，與理論計算結(jié)果一致。切深對切削力影響較大，隨著切深增加，切削力的增幅加大，二者不成線性關(guān)系。綜合對比分析前角取30°較為合適，圓弧半徑取大時有利于減小刀具磨損，在切削過程中，在功率滿足切削負荷時，可選擇適當鈍圓半徑來減小刀具磨損，保障切削順利進行。因此，刀刃鈍圓半徑選擇1 mm較為合適。

圖13 切削力影響因素

如表5所示，刀寬由成槽寬度確定，刀長與刀厚則根據(jù)其余鋸切成槽工法刀具幾何參數(shù)初步擬定。

表5 刀具幾何參數(shù)

考慮到土壤強度較低以及不同土壤的切削機理，將刀具前面設(shè)定一個弧形使得較粘的土壤能在重力以及切削作用下卷曲，增大容屑體積?，F(xiàn)模擬流水型切削時的工況，為加快運算速度，故在Abaqus中運用ALE方法進行二維仿真，如圖14所示[18]。

圖14 不同弧面切削仿真

如圖14所示，將刀具前面做成弧形時，土屑會沿著前面的弧線進行滾動，更好的貼合刀具，容屑效率提升。且圓弧半徑越小，其土壤切屑越貼合前面。因此在Solidworks中建立三維模型如圖15所示。

圖15 刀具三維模型

刀具三維模型如圖15所示，刀具側(cè)面有一個傾角，這是為了減小兩側(cè)土體垮塌對刀具造成的摩擦力。由于刀具隨著鏈傳動，因此需給刀具設(shè)計刀座以及配套的鏈條。本次為樣機試制，切削工況無現(xiàn)成參數(shù)，故進行保守設(shè)計。在浙江某鏈條廠產(chǎn)品手冊中選擇滿足要求的抗拉強度可達90 kN的鏈條型號。刀座采用線切割加工，其三維建模如圖16所示。

圖16 刀座三維模型

如圖16所示為刀具安裝的刀座，將安裝完成的刀具進行強度校核如圖17所示。

圖17 刀具結(jié)構(gòu)強度校核

刀具強度校核如圖17所示，由于土壤中可能含有漂石，這會導致切削力急劇增大，查詢相關(guān)盾構(gòu)切削巖土的文獻，本次校核在其刀具前面施加大小為2 kN的力。如圖17b所示，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在刀具底部連接圓角處為82.5MPa，在安全范圍內(nèi)，其最大正應(yīng)力也出現(xiàn)在此處，如圖17c所示，為93.1MPa，均滿足強度要求，在加工時可以考慮加大圓角以減少應(yīng)力集中。

4 結(jié)束語

解釋了土體的物理及力學特性并研究了刀具與土壤切削過程；基于Mckeys-Ali模型與朗肯被動土壓理論，建立了刀具切削粘土的三維力學模型，分析了模型中各參數(shù)對切削力的影響，得到切削力與土壤重度、土壤內(nèi)摩擦角，土壤粘聚力、切削深度、刀刃圓弧投影半徑成正相關(guān)，與前角大小成負相關(guān)。同時基于歐拉-拉格朗日耦合法(CEL法)模擬了土壤的切削過程，得到的仿真結(jié)果與力學模型結(jié)果基本一致。

分析刀具作用工況得到了刀具材料為錳鋼及熱處理工藝為淬火；基于CEL法建立的有限元模型，分析了刀具幾何參數(shù)對切削力的影響，以此確定最佳刀具前角30°，后角15°，刀刃鈍圓半徑1 mm；運用Abaqus對刀具進行了結(jié)構(gòu)靜力學分析，建立了刀具的三維模型。