螺旋擠土樁鉆頭優(yōu)化分析

李志毅,劉 鐘 ,趙琰飛,張慧東

(1.中冶建筑研究總院有限公司, 北京100088;2.中國(guó)京冶工程技術(shù)有限公司, 北京100088)

短螺旋擠土灌注樁(soil displacement screw pile ,SDS 樁)是通過(guò)螺旋擠土樁鉆機(jī)施加扭矩及豎向力,利用特制的螺旋擠土樁鉆頭將樁孔中的土體完全擠入樁周, 并向擠擴(kuò)后的樁孔中壓灌混凝土,最終形成圓柱形樁[1].這種擠土灌注樁具有技術(shù)、環(huán)保、成本方面的優(yōu)勢(shì),已在國(guó)外工程界廣泛應(yīng)用[2].

在螺旋擠土灌注樁領(lǐng)域,20 世紀(jì)中期西歐開(kāi)發(fā)了Fundex 樁和Atlas 樁[3];在螺旋擠土預(yù)制樁領(lǐng)域,德國(guó)開(kāi)發(fā)了Europile[4],日本開(kāi)發(fā)了AJ Pile 并將其投入工程應(yīng)用[2].到20 世紀(jì)90 年代,出現(xiàn)了新一代短螺旋擠土灌注樁, 其中較為著名的有比利時(shí)的ΩPile 和Dewaal Pile[5],英國(guó)的 TSD System[6],美國(guó)的DD Pile[7]、澳大利亞的V-pile[8]和法國(guó)的T pile 等.近年來(lái),德國(guó)寶峨、意大利土力也先后開(kāi)發(fā)出性能更加優(yōu)越的用于螺旋擠土樁施工的樁工鉆機(jī)[9].

目前,國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成功的完全擠土型SDS 樁的工程實(shí)例.為此,中冶建筑研究總院有限公司于2006 年在國(guó)家財(cái)政部及住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的資助下開(kāi)展了短螺旋擠土灌注樁新技術(shù)的研究,完成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SDS 樁工法、特種鉆具和鉆機(jī)設(shè)備[10-11].

實(shí)施SDS 樁的螺旋擠土樁鉆頭是螺旋擠土樁工法的關(guān)鍵所在, 該鉆頭由中空鉆體及外圍螺旋葉片組成[11],施工時(shí), 由鉆機(jī)對(duì)鉆頭施加足夠的扭矩和軸向壓力使其旋轉(zhuǎn)向下直到設(shè)計(jì)深度.因此, 鉆機(jī)輸出扭矩是SDS 樁施工中的關(guān)鍵指標(biāo), 在相同深度、相同地質(zhì)條件下, 所需成孔扭矩最小的螺旋擠土樁鉆頭最優(yōu).

本文采用數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)螺旋擠土樁鉆頭進(jìn)行優(yōu)化, 以期得到所需成孔扭矩最小的最優(yōu)鉆頭.首先基于通用非線性有限元軟件A DINA ,建立螺旋擠土樁鉆頭鉆進(jìn)成孔的三維有限元模型,對(duì)不同型式的鉆頭進(jìn)行優(yōu)化分析, 研究鉆頭型式、螺距、鉆進(jìn)土體性質(zhì)等因素對(duì)鉆機(jī)輸出扭矩的影響;然后,采用模型鉆頭的鉆進(jìn)成孔模擬試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)螺旋擠土樁鉆頭進(jìn)行優(yōu)化分析;最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)短螺旋擠土灌注樁的成孔試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值分析和模型試驗(yàn)的正確性.所得結(jié)論為螺旋擠土樁鉆頭的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).

1 螺旋擠土樁鉆頭有限元優(yōu)化分析

1.1 有限元建模

為研究不同的鉆頭型式及其幾何參數(shù)對(duì)成孔扭矩的影響,在ADINA 環(huán)境下建立螺旋擠土樁鉆頭鉆進(jìn)成孔過(guò)程的三維有限元模型.ADINA 是強(qiáng)大的動(dòng)力非線性有限元分析軟件,但前處理功能較弱,為此,首先在Solid Works 環(huán)境下形成螺旋擠土樁鉆頭幾何體, 通過(guò)連接端口導(dǎo)入ADINA 系統(tǒng), 在ADINA 工作環(huán)境施加材料屬性,并建立鉆頭-土體接觸模型(見(jiàn)圖1),進(jìn)行計(jì)算分析.為簡(jiǎn)化計(jì)算,考慮模型的對(duì)稱(chēng)性, 土體取1/4 模型.這樣, 計(jì)算扭矩的4倍即可近似為鉆頭鉆入某深度所需的成孔扭矩.由于鉆頭的剛度遠(yuǎn)大于土體,建模時(shí)對(duì)鉆頭施加剛性約束,作為無(wú)位移的剛體處理.鉆頭采用殼單元, 土體采用8 節(jié)點(diǎn)立方體單元,局部細(xì)化.樁土界面采用庫(kù)倫摩擦接觸單元模擬樁土的相對(duì)滑移特性.摩擦系數(shù)及摩擦特性在接觸組中設(shè)置.

圖1 鉆頭-土體模型Fig .1 Auger-soil model

對(duì)鉆頭下旋貫入成孔過(guò)程中所需的扭矩通過(guò)位移貫入法施加,即通過(guò)對(duì)鉆頭施加繞z軸旋轉(zhuǎn)的角度位移實(shí)現(xiàn)鉆頭的下旋貫入過(guò)程, 角度位移荷載分級(jí)施加于鉆頭.

由于螺旋擠土樁鉆頭的下旋鉆入過(guò)程屬于大變形動(dòng)態(tài)問(wèn)題,而有限元方法是基于連續(xù)介質(zhì)的有限變形理論,難以模擬螺旋擠土樁鉆頭的連續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程.為此,需對(duì)螺旋擠土樁鉆頭的下旋貫入過(guò)程實(shí)施簡(jiǎn)化,采用考慮樁土相互作用及位移貫入的有限單元法,分段模擬鉆頭的下旋貫入過(guò)程,具體方法為:為求得鉆頭鉆入土體5 m 時(shí)的成孔扭矩, 首先假定鉆頭已處在土體5 m 深度位置,建立此狀態(tài)的有限元模型,然后給鉆頭施加一定的旋轉(zhuǎn)角度位移荷載,使鉆頭向下鉆進(jìn)一定深度,并以鉆頭鉆進(jìn)某深度時(shí)的扭矩為鉆頭鉆入土體5 m 處的成孔扭矩.其他深度的成孔扭矩均由此法求得.

1 .2 計(jì)算結(jié)果分析

1 .2.1 鉆頭基本型式對(duì)成孔扭矩的影響

為討論鉆頭型式對(duì)成孔扭矩的影響,對(duì)圖2 所示的3 種鉆型進(jìn)行數(shù)值模擬,土體、鉆頭計(jì)算參數(shù)及鉆頭詳細(xì)尺寸分別見(jiàn)表1～2.建立模型時(shí),土體取1/4 模型,水平計(jì)算范圍取4 .0 m ×4 .0 m,深度取15 .0 m.

圖2 3 種螺旋擠土樁鉆頭型式(單位:m)Fig . Three auger types of soil displacement screw pile(unit:m)

表1 有限元模型計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of Finite Element Model

表2 不同鉆頭的幾何參數(shù)及成孔直徑Tab.2 Geometric parameters and piles diameters of augers

圖3 為3 種鉆頭在勻質(zhì)土體條件下的成孔扭矩-鉆深曲線, 由圖可以看出, a, b,c 3 種鉆型在鉆頭的擠擴(kuò)部分全部進(jìn)入土體前, 所需成孔扭矩隨鉆入深度的增加近似呈線性增大;當(dāng)鉆頭擠擴(kuò)部分全部進(jìn)入土體后, 所需成孔扭矩隨鉆深增加的幅度不再明顯.在地層條件、成樁直徑、鉆深相同的情況下,a, b ,c 鉆頭的成孔扭矩依次增大,也即在等螺距條件下, 圓柱形芯管鉆頭的成孔扭矩小于倒圓臺(tái)形芯管鉆頭的成孔扭矩;在芯管形狀相同條件下, 等螺距鉆頭的成孔扭矩小于變螺距鉆頭的成孔扭矩.

圖3 計(jì)算的成孔扭矩-鉆深關(guān)系Fig.3 Computed pore-forming torque curves with drilling depth

1.2.2 鉆頭螺距變化對(duì)成孔扭矩的影響

除鉆頭型式外, 鉆頭螺距也對(duì)成孔扭矩具有較大影響.這里以b 型鉆頭為例, 考慮不同土層條件下螺距變化對(duì)成孔扭矩的影響, 鉆頭計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2 .

土體彈性模量分別取10,20,30 MPa、其余計(jì)算參數(shù)取表1 所示數(shù)據(jù)、鉆深為9 m 時(shí)的成孔扭矩隨螺距的變化曲線如圖4 .從圖可以看出, 鉆頭所需成孔扭矩與螺距大小有密切關(guān)系, 當(dāng)螺距接近成孔直徑時(shí),所需成孔扭矩趨于最小,螺距較優(yōu).此外, 成孔扭矩隨螺距的變化規(guī)律也與土體性質(zhì)有關(guān),對(duì)于高彈性模量土層, 成孔扭矩隨螺距變化更為敏感, 在螺距等于450 mm ,即約1 .1 倍成孔直徑時(shí),成孔扭矩最小.對(duì)于低彈性模量土層, 成孔扭矩隨螺距變化影響不明顯, 在螺距為350～450 mm 范圍內(nèi), 即約為0 .9～1 .1 倍成孔直徑時(shí),成孔扭矩達(dá)到最小值,也即在低彈性模量土層中, 所需成孔扭矩較小的螺距范圍較大.但總體上, 螺距范圍在成孔直徑附近時(shí), 所需成孔扭矩最小.從圖4 還可看出, 在同樣成樁直徑、成樁深度時(shí),土層越硬所需成孔扭矩越大.

1.2.3 鉆頭螺旋段長(zhǎng)度對(duì)成孔扭矩的影響

為研究螺旋擠土樁鉆頭螺旋段長(zhǎng)度對(duì)成孔扭矩的影響,這里以b 類(lèi)等螺距短螺旋鉆型為例, 鉆頭螺旋段長(zhǎng)度分別取1 .0 ,1 .5 ,2 .0 和2 .5 m ,其余尺寸不變,螺距取300 mm,螺旋圈數(shù)隨螺旋段長(zhǎng)度的增加而增加,土體參數(shù)見(jiàn)表1 .圖5 為鉆頭鉆深9 .0 m 、成孔直徑400 mm 時(shí)成孔扭矩隨鉆頭螺旋段長(zhǎng)度的變化曲線.可以看出,成孔扭矩隨鉆頭螺旋段長(zhǎng)度的增加逐步增加.因此,在短螺旋擠擴(kuò)鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)鉆頭螺旋段長(zhǎng)度加以限制.但考慮螺旋擠土樁鉆頭的成樁工藝、成樁機(jī)理及擠土效應(yīng), 鉆頭的螺旋段長(zhǎng)度要保持一定量值.

圖4 計(jì)算的成孔扭矩-螺矩變化Fig.4 Computed pore-forming torque curves with pitch

圖5 計(jì)算的成孔扭矩-鉆頭螺旋長(zhǎng)度關(guān)系Fig.5 Computed pore-forming torque curves with screw length of drill auger

2 螺旋擠土樁鉆頭優(yōu)化模型試驗(yàn)

2 .1 模型試驗(yàn)方案

為進(jìn)一步優(yōu)化螺旋擠土樁鉆頭并驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果,設(shè)計(jì)加工了不同型式的模型鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)成孔試驗(yàn).部分鉆頭型式如圖6 所示,模型鉆頭成孔直徑均為30 mm,螺距在10～20 mm 之間,葉片有矩形和梯形2種形式,中心軸采用圓柱形和倒圓臺(tái)形2 種.

圖6 模型鉆頭型式Fig.6 Types of model anger

為得到合適的鉆入介質(zhì), 曾選擇塑料、橡膠、木材、水泥拌合土作為鉆入介質(zhì)進(jìn)行螺旋擠土樁鉆頭的鉆入成孔試驗(yàn).試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 %水泥的粉質(zhì)粘土拌合物既能實(shí)現(xiàn)鉆頭鉆入成孔、擠擴(kuò)效果,且拌合土表面沒(méi)有明顯裂縫, 是比較合適的鉆入介質(zhì).圖7 為鉆頭在水泥拌合土介質(zhì)中的鉆進(jìn)試驗(yàn)照片.

圖7 模型鉆頭鉆入水泥土介質(zhì)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig .7 Photo of model auger drilling into cement-soil mixture

2.2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 鉆型分析

為研究鉆型與成孔扭矩之間的關(guān)系, 選取表3所示的3 種模型鉆頭在水泥土介質(zhì)中進(jìn)行鉆進(jìn)成孔試驗(yàn).其中, A,B 型鉆型芯管為圓柱體, C 型鉆型芯管從下到上為圓臺(tái)體,圓臺(tái)體上、下直徑分別為30 ,14 mm .從圖8 的鉆進(jìn)深度-成孔扭矩曲線可以看出,3 種螺旋擠土樁鉆頭在螺旋段全部進(jìn)入土體前,成孔扭矩與鉆深呈明顯的遞增趨勢(shì);在螺旋段全部進(jìn)入土體后(螺旋段長(zhǎng)110 mm),遞增趨勢(shì)減緩.其中C 鉆頭的成孔扭矩大于A,B 鉆頭的成孔扭矩,也即相同成孔條件下, 圓臺(tái)形芯管鉆頭的成孔扭矩大于圓柱形芯管鉆頭的成孔扭矩.

表3 模型鉆頭幾何尺寸Tab.3 Geometric parameters of model augers

圖8 不同鉆型的成孔扭矩-鉆深Fig .8 Relationship between pore-forming torque curves with drilling depth for different angers

2.2.2 螺距分析

為研究螺距對(duì)鉆頭成孔扭矩的影響,選取表4 所列的螺距為10,12 ,14 ,16 ,18 mm 的5 種模型鉆頭進(jìn)行鉆入成孔試驗(yàn).圖9 為4 種鉆型的鉆進(jìn)深度-成孔扭矩曲線, 圖 10 為 5 種鉆型在鉆深為 450 mm時(shí)的成孔扭矩隨螺距的變化曲線.從圖9和圖10的曲線可以看出, 螺距變化對(duì)鉆頭所需成孔扭矩有較大影響,但螺距對(duì)扭矩的影響并不是單純的遞增或遞減, 而是呈現(xiàn)近似拋物線,該趨勢(shì)與前述數(shù)值分析的結(jié)果較為吻合.從圖10 可以看出, 在這5 種鉆型中,螺距為16 mm 的鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中的成孔扭矩最小,該螺距為成孔直徑的0 .53 倍,這與數(shù)值分析結(jié)果有差別,究其原因可能是模型試驗(yàn)的幾何、物理相似條件造成的.

表4 模型鉆頭幾何尺寸Tab.4 Geometric parameters of model auger

圖9 不同螺距鉆型的成孔扭矩-鉆進(jìn)深度Fig.9 Relationship between pore-forming torque curves with drilling depth of augers with different pitchs

圖10 鉆深450mm 時(shí)的成孔扭矩-螺距Fig .10 Relationship between pore-forming torque curves with pitch at 450mm drilling depth

3 螺旋擠土樁鉆頭現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)成孔試驗(yàn)

為校核數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的正確性, 在北京某工地進(jìn)行了螺旋擠土樁鉆頭現(xiàn)場(chǎng)成孔試驗(yàn).試驗(yàn)場(chǎng)地地表下14 .0 m 深度內(nèi)土層較為均勻,為粉質(zhì)粘土.鉆進(jìn)成孔過(guò)程中, 鉆頭基本保持勻速下鉆.圖11為現(xiàn)場(chǎng)成孔扭矩-鉆深試驗(yàn)曲線,從圖可以看出,在螺旋擠土樁鉆頭的擠擴(kuò)部分全部進(jìn)入土體前(鉆尖到擠擴(kuò)體上部共2 .3 m), 所需成孔扭矩隨鉆入深度的增加近似線性增大, 當(dāng)鉆頭擠擴(kuò)部分全部進(jìn)入土體后,所需成孔扭矩隨鉆深增加的幅度不再明顯.該曲線與數(shù)值計(jì)算及模型試驗(yàn)得到的成孔扭矩-鉆深曲線比較吻合, 在一定程度上證明了數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)的正確性.

圖11 現(xiàn)場(chǎng)成孔扭矩-鉆深試驗(yàn)Fig .11 Field test curves of pore-forming torque with pitch

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的手段對(duì)影響螺旋擠土樁鉆頭成孔扭矩的因素進(jìn)行分析,為螺旋擠土樁鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù).通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)短螺旋擠土灌注樁的鉆進(jìn)成孔試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)的正確性,得到如下結(jié)論:

(1)螺旋擠土樁鉆頭全部進(jìn)入土體前,所需成孔扭矩隨鉆入深度的增加近似線性增大,當(dāng)鉆頭全部進(jìn)入土體后,所需成孔扭矩隨鉆深增加的幅度不再明顯.

(2)螺距大小對(duì)鉆頭所需成孔扭矩有重要影響,且螺距范圍在成孔直徑附近時(shí)所需成孔扭矩最小.

(3)相同鉆進(jìn)成孔條件下,圓臺(tái)形芯管鉆頭的成孔扭矩大于圓柱形芯管鉆頭的成孔扭矩.

(4)在成樁直徑、鉆深相同的情況下, 鉆頭螺旋段越小,所需成孔扭矩越小.綜合考慮螺旋擠土樁工法的擠土效果, 鉆頭螺旋段長(zhǎng)度選擇1 .5～2 .0 m 較為適宜.

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