防汛搶險螺旋樁改進設(shè)計及沉樁試驗

龐洪臣，王玉興，唐艷芹

(1.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東 湛江 524088;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

沉樁作業(yè)是農(nóng)田水利防護和洪澇災(zāi)害治理中必不可少的手段，防汛搶險螺旋樁是一種新穎的搶險裝備。傳統(tǒng)擊打沉樁方式效率低、勞動強度大，而大型沉樁機械作業(yè)易造成堤壩滑坡、坍塌和裂縫等次生危害。防汛搶險螺旋樁是根據(jù)消防部門要求專門設(shè)計的一種便攜式高效搶險裝備，主要用于承受掛纜等橫向載荷，它以減速電動機作為動力源對樁體施加旋轉(zhuǎn)扭矩將其旋入土體之中。韋謝恩等［1－3］對樁體結(jié)構(gòu)進行了初步設(shè)計，并對螺距和螺旋葉寬度進行了優(yōu)化，但在實際沉樁應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)仍然存在沉樁所需扭矩偏大、電動機重量過大等問題。為進一步提高樁體、動力源的便攜性及減少能耗，還需對樁體結(jié)構(gòu)進一步改進。防汛搶險螺旋樁在沉樁過程中樁土作用機理比較復(fù)雜，本文結(jié)合樁土作用原理及力學(xué)平衡理論對沉樁阻力進行了簡要分析，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的樁體結(jié)構(gòu)改進措施，設(shè)計了沉樁試驗并對試驗結(jié)果進行了對比分析。

1 沉樁阻力理論分析

防汛搶險螺旋樁主要由樁體下端錐體、空心圓柱體、螺旋葉、掛纜處及樁頂五大部分組成，如圖1所示。沉樁時，減速電動機在樁頂施加旋轉(zhuǎn)扭矩使得樁體克服土體阻力，將電動機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成樁體的下旋運動，此時樁端錐體擠壓前部土體產(chǎn)生樁端阻力矩、樁側(cè)圓柱體表面與土體摩擦產(chǎn)生樁側(cè)阻力矩、螺旋葉與土體之間的擠壓及相對滑動產(chǎn)生螺旋葉阻力矩。

圖1 樁體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 樁端錐體阻力

沉樁過程中土體對下端錐體部分的反作用將產(chǎn)生樁端阻力［4］。樁土相互作用有一個十分重要的特性就是在樁土交界處會產(chǎn)生極限應(yīng)力［5］推動土體向周邊擴張。根據(jù)靜壓樁貫入地基的球孔擴張－滑動摩擦計算模式［6］，旋轉(zhuǎn)時樁端錐體與土體產(chǎn)生的周向摩擦阻力矩MZ［7］可表示為

式中:μ為樁土之間的摩擦因數(shù);a為錐體母線與中心線的夾角;Pu為錐體對土體的極限擴孔壓力;R為空心圓柱體和錐體底面的半徑。

1.2 樁側(cè)阻力

根據(jù)樁體與樁側(cè)土體作用原理［8-10］，樁側(cè)壓力將隨土體深度的增加而線性增加［11-12］。土體與樁側(cè)摩擦產(chǎn)生的周向阻力矩MC可表示為

式中:K為側(cè)向土壓系數(shù)(砂土取1～2，黏土、淤泥取1);ρ為土體有效密度;L為樁身入土深度。

1.3 螺旋葉阻力

沉樁過程中土體對螺旋葉上表面產(chǎn)生下壓力推動樁體下沉，但這個下壓力同時也會產(chǎn)生沉樁阻力矩;另外螺旋葉與土體之間的相對運動產(chǎn)生的摩擦也會產(chǎn)生阻力矩。假定土體對螺旋葉表面的壓力為均布壓力［13-14］，根據(jù)受力分析可得土體壓力作用在螺旋葉表面所產(chǎn)生的周向阻力矩為圓錐表面螺旋葉與土體壓力產(chǎn)生的周向阻力矩M1和空心圓柱體表面螺旋葉與土體壓力產(chǎn)生的周向阻力矩M2之和，土體與螺旋葉摩擦產(chǎn)生的周向阻力矩為圓錐表面螺旋葉與土體摩擦產(chǎn)生的周向阻力矩M3和空心圓柱體表面螺旋葉與土體摩擦力產(chǎn)生的周向阻力矩M4之和，M1、M2、M3、M4表達式為

式中:L1為錐體部分螺旋葉的長度;L2為空心圓柱體部分螺旋葉的長度;P為土體對螺旋葉的均布壓力;β為螺旋葉的螺旋升角;W為螺旋葉的寬度;r為螺旋葉的起始點半徑。

螺旋樁若要產(chǎn)生勻速下旋運動，根據(jù)動力學(xué)平衡理論則有外加扭矩T等于上述阻力矩的總和:

2 樁體結(jié)構(gòu)改進措施

根據(jù)前述理論分析可知，減少螺旋樁的沉樁阻力矩可以從兩個方面考慮:一是縮頸，即適當減小空心圓柱體外徑而錐體底面外徑不變。根據(jù)土體力學(xué)特性［15］可知，當土體受到擠壓時會產(chǎn)生固結(jié)現(xiàn)象導(dǎo)致土體的回移量較小，因此沉樁時下端錐體首先將對土體擠壓產(chǎn)生擴孔作用，后接空心圓柱體沿其軌跡下行時其外表面將與周邊土體之間產(chǎn)生微小空隙，兩者之間的摩擦力及阻力矩理論上將變?yōu)榱?，即?2)中的MC=0;二是適當減小螺旋葉的長度L2，從而會減小螺旋葉與土體之間的摩擦，根據(jù)式(4)和(6)可知會減小阻力矩，由式(7)可知上述兩種措施均會減小沉樁所需扭矩。

3 沉樁試驗

3.1 試驗準備

3.1.1 試驗用樁體設(shè)計

根據(jù)前面的分析，設(shè)計制造兩個試驗樁體，其中一個為未縮頸未減螺旋葉的樁體結(jié)構(gòu)，樁體尺寸如下:總長度為1000mm，空心圓柱體外徑80mm，壁厚3mm，螺旋葉寬度35mm，螺距100mm，樁身柱體高度500mm，錐體高度200mm，樁頂外徑114mm，標記為DLX－WS;將另一個樁體縮頸，即將空心圓柱體半徑減小了1個壁厚，其外徑由原來的80mm變?yōu)?4mm，其余部分與前者的樁體結(jié)構(gòu)完全相同，標記為 DLX－S。

3.1.2 樁體標定

在樁頂同一高度沿樁體表面均布粘貼4個阻值為120Ω的應(yīng)變片，應(yīng)變片與樁體軸線的夾角成45°或者135°，使其成為4片均布的雙豎八字布置，用導(dǎo)線將其與動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。然后，將螺旋樁用臺鉗固定加緊，并將事先設(shè)計好長度為1m的扭力桿件固定在樁體上部合適的位置。根據(jù)防汛搶險螺旋樁實際加載工況確定樁體的標定扭矩范圍為0～700 N·m，用7個10kg的砝碼逐次加載，為保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性每次加載后均穩(wěn)定一段時間。分別逐次加載3次，記錄砝碼重量及其對應(yīng)的應(yīng)變值。根據(jù)材料力學(xué)特性可知標定扭矩與應(yīng)變值之間應(yīng)呈線性關(guān)系，對所測的數(shù)據(jù)進行處理后，得到DLX－WS和DLX－S兩個樁體的應(yīng)變值與標定扭矩之間的線性擬合曲線如圖2所示。

圖2 樁體標定曲線

3.2 沉樁試驗結(jié)果分析

3.2.1 樁體縮頸沉樁試驗

選取一土質(zhì)均勻場地，分別對樁體DLX－WS和DLX－S各沉樁3次，測得兩個樁體各自對應(yīng)的應(yīng)變變化曲線，剔除沉樁過程中樁體與石頭等異物接觸產(chǎn)生的異常波動數(shù)據(jù)，根據(jù)標定公式換算出各次沉樁所需的最大沉樁扭矩及其均值如表1所示，沉樁扭矩均值對比曲線如圖3所示。

表1 縮頸沉樁試驗最大沉樁扭矩及其均值 N·m

圖3 縮頸沉樁試驗沉樁扭矩均值

a.表1中的單次最大沉樁扭矩和均值對比均表明:樁體縮頸后沉樁所需扭矩大幅度下降，其中最大沉樁扭矩均值由未縮頸前的453N·m降至縮頸后的275N·m，下降了39.3%，降阻效果明顯。

b.從圖3可以看出，兩條曲線在沉樁深度約200mm處，即在樁體下端錐體的高度發(fā)生分離，而該分離處恰恰是樁體縮頸的起始位置，之后未縮頸樁體扭矩曲線比縮頸后表現(xiàn)出明顯的快速增長趨勢，表明樁體縮頸后由于后端樁身空心圓柱體表面與土體間摩擦的減小導(dǎo)致了沉樁扭矩的降低。

c.兩個樁體的沉樁扭矩均在達到某一沉樁深度后基本保持不變，說明沉樁扭矩存在極值，但DLX－S樁體的沉樁扭矩曲線在深度約550mm處出現(xiàn)了較為明顯拐點，而 DLX－WS在沉樁深度約600mm處才出現(xiàn)拐點，說明縮頸后沉樁扭矩達到極值的位置提前。

3.2.2 減螺旋葉沉樁試驗

根據(jù)前面提出的改進措施，觀察減小螺旋葉長度對沉樁扭矩的影響，為了防止加工樁體產(chǎn)生的誤差，采取在原樁體DLX－S基礎(chǔ)上去掉最上部2個螺距的螺旋葉，即空心圓柱體表面剩余2個螺距螺旋葉，標記為 DLX－S－2，進行 3次沉樁試驗。然后在樁體DLX－S－2基礎(chǔ)上從上部再去掉1個螺距的螺旋葉，即空心圓柱體表面剩余1個螺距螺旋葉，標記為DLX－S－3，再進行 3 次沉樁試驗。樁體 DLX－S－2 和DLX－S－3的外形對比如圖4所示。每次沉樁所需的最大沉樁扭矩及其均值如表2 所示，DLX－S、DLX－S－2 和DLX－S－3樁體的沉樁扭矩均值曲線對比如圖5所示。

圖 4 DLX－S－2 和 DLX－S－3 樁體外形

表2 減螺旋葉沉樁試驗最大沉樁扭矩及其均值 N·m

圖5 減螺旋葉沉樁試驗沉樁扭矩均值

由表1、2及圖5可以看出:①減掉2個螺旋葉后沉樁扭矩略有下降，樁體DLX－S－2最大沉樁扭矩均值為248 N·m，而僅縮頸未減螺旋葉的樁體DLX－S最大沉樁扭矩均值為275 N·m，減小了9.8%。②DLX－S－2沉樁扭矩均值曲線出現(xiàn)極值的位置明顯比DLX－S提前，說明去掉最上端的兩個螺旋葉后在一定程度上起到了降阻作用，但沉樁扭矩下降得較小，也表明靠近樁頂部位的螺旋葉對沉樁扭矩的影響較小。③第3個螺距螺旋葉的去除，沉樁扭矩由248 N·m降到200 N·m，下降了19.4%，可知靠近下端錐部位置的螺旋葉比其后的螺旋葉產(chǎn)生的阻力矩要大得多。也說明土體對螺旋葉的作用載荷并非均布，這與之前的假設(shè)相矛盾。④由于上部第3個螺旋葉的去除使得在深度約為400mm處，即靠近去掉第3個螺距螺旋葉的起始點，兩條曲線產(chǎn)生了分離。與 DLX－S－2扭矩均值的變化相比，DLX－S－3的沉樁扭矩表現(xiàn)出增長變緩的趨勢使得沉樁扭矩進一步減小。⑤DLX－S－3扭矩均值曲線在沉樁深度約500mm處出現(xiàn)極值，之后卻出現(xiàn)反常的扭矩下降現(xiàn)象，這個現(xiàn)象與其他試驗所測得的沉樁扭矩變化曲線不一致。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因極可能是:當螺旋樁沉降到該位置時，螺旋葉已無法為樁體提供足夠的下沉力，土體開始破碎，螺旋樁處在“邊鉆土邊下旋”的狀態(tài)，導(dǎo)致沉樁扭矩變小。但從沉樁試驗的現(xiàn)場來看該樁與前幾種樁體在沉樁時間和沉樁效果上相差不大。

3.2.3 縮頸后樁體截面強度驗算

根據(jù)材料力學(xué)公式，空心圓柱體的最大應(yīng)力，即柱體外表面剪切應(yīng)力和扭矩之間有如下關(guān)系:

式中:T為沉樁扭矩;Wt為抗扭截面模量;D為螺旋樁空心圓柱體最大直徑;α為空心圓柱體內(nèi)外直徑之比。代入對應(yīng)的最大沉樁扭矩和幾何尺寸，兩個樁體沉樁時產(chǎn)生的最大應(yīng)力之比如下:

從式(9)可知，沉樁時改型后樁體 DLX－S－3表面產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)力約為樁體DLX－WS的1/2，若樁體材料不變則改型后的樁體提高了沉樁時樁體截面強度的安全系數(shù)。

4 橫向載荷對比試驗

根據(jù)發(fā)生洪澇災(zāi)害時樁體使用的實際情況，利用消防部隊沖鋒舟的系纜力作為防汛搶險螺旋樁使用時所承受的橫向載荷。消防部隊當前主要配備TZ590型沖鋒舟，沖鋒舟緊急救援時水體流速一般在2.5～3.5m/s。

根據(jù)手冊可知，沖鋒舟的長、寬、高分別為6 m、1.9 m和0.75m。經(jīng)過計算，沖鋒舟完全空載整個船體受到9級風力作用時受到2.1 kN的風成系纜力;而沖鋒舟滿載后船體最高位置與水面平行時受到水流3.4 kN的流成系纜力，這兩種情況不可能同時發(fā)生，因此取流成系纜力3.4 kN作為螺旋樁的最大橫向水平受拉載荷。由于試驗時橫向載荷的施加不好精確控制，因此施加的橫向拉力略大于計算值。將兩個樁體沉降到相同深度，凸出部分距離地表高度均為320mm。為保證兩個樁體施加的是相同的橫向拉力，使用同一條纜繩連接到兩個樁體的頂端，將拉力傳感器串接在纜繩和樁體之間。對兩個樁體施加如圖6所示隨時間變化的拉力，測得樁體的橫向位移如表3所示。試驗施加的最大橫向拉力為3800 N，已經(jīng)超出了前面利用沖鋒舟計算的系纜力，表3中的數(shù)據(jù)表明在該拉力下改型后的樁體頂部橫向位移增大了61%。同時現(xiàn)場試驗表明，兩個樁體頂端受到橫向拉力后均沒有產(chǎn)生拔出現(xiàn)象，樁體沒有彎曲等現(xiàn)象發(fā)生，滿足實際的使用要求。

圖6 橫向拉力變化曲線

表3 樁頂橫向位移

5 結(jié)語

從沉樁試驗的總體效果來看，縮頸和減小螺旋葉長度措施各自都對防汛搶險螺旋樁的減阻起到了較為明顯的效果，沉樁扭矩由最初的453 N·m降至200 N·m，總共下降了55.8%，其中由縮頸引起的下降為39.3%。減去上部2個螺旋葉使得扭矩下降了27 N·m，而第3個螺旋葉的去除卻使得扭矩下降了48 N·m，約為前者的1.8倍，但第3個螺旋葉的去除導(dǎo)致沉樁過程的后期有轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪@狀態(tài)的趨勢。樁體需要螺旋葉長度多少為最佳還需根據(jù)具體參數(shù)進一步優(yōu)化，土體對螺旋葉的作用載荷分布還需進一步探討。防汛搶險螺旋樁在沉樁過程中沉樁扭矩存在較為明顯的極值，當沉樁到一定深度之后沉樁扭矩將基本保持穩(wěn)定。改型后的樁體結(jié)構(gòu)提高了沉樁時樁體強度的安全系數(shù)，同時，改型后的樁體受到橫向載荷后橫向位移有所變大，但能滿足實際使用要求。

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