防汛搶險(xiǎn)螺旋樁機(jī)系統(tǒng)及樁體表面仿生研究

韓天+陳哲+楊二強(qiáng)

【摘 要】本文介紹了防汛搶險(xiǎn)螺旋樁及其沉樁設(shè)備，并根據(jù)螺旋樁結(jié)構(gòu)與應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合典型土壤動(dòng)物表面減粘降阻特性，提出對(duì)螺旋樁螺旋葉片進(jìn)行表面仿生處理。

【關(guān)鍵詞】防汛搶險(xiǎn)；螺旋樁；仿生；研究

在充分考慮我國(guó)防汛搶險(xiǎn)樁機(jī)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上提出了新型的防汛搶險(xiǎn)螺旋樁機(jī)系統(tǒng)，然后結(jié)合國(guó)內(nèi)外沉樁過程樁土作用研究現(xiàn)狀和仿生防粘減阻研究現(xiàn)狀，圍繞“如何降低沉樁設(shè)備動(dòng)力消耗提高防汛搶險(xiǎn)螺旋樁機(jī)系統(tǒng)的便攜性和機(jī)動(dòng)性”展開了一系列的研究工作。

一、防汛搶險(xiǎn)螺旋樁機(jī)

螺旋樁結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)螺旋樁結(jié)構(gòu)，假設(shè)螺旋樁圓錐部分起始螺旋內(nèi)徑為d，圓柱部分螺旋內(nèi)徑為 d，圓柱部分螺旋外徑為d，均保持不變，整個(gè)螺旋的葉片寬度為B，螺旋導(dǎo)程為λ，螺旋頭數(shù)為ns，圓錐部分螺旋高度為Hs1，圓柱部分螺旋高度為Hs2，據(jù)此可得 ：圓柱部分螺旋中徑處的螺旋線總長(zhǎng)Ls1 為 ：

圓錐部分螺旋中徑處的螺旋線的總長(zhǎng)Ls2 為

設(shè)圓錐的錐角為 2θ ，則其滿足以下關(guān)系式：

二、螺旋樁沉樁試驗(yàn)研究

（一）試驗(yàn)方法及設(shè)備

整個(gè)試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平見表1，基本水平為單頭、導(dǎo)程為lOOmm、圓柱直徑為lOOmm。試驗(yàn)過程所采用的樁號(hào)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示試驗(yàn)以每次螺旋樁沉樁過程中所需最大扭矩作為試驗(yàn)指標(biāo)。

本試驗(yàn)在螺旋樁的無螺旋圓柱部分一定位置根據(jù)貼應(yīng)變片組成扭矩測(cè)試全橋電路，對(duì)所有的樁進(jìn)行標(biāo)定，然后借助動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而對(duì)螺旋樁擰入過程中所受扭矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)得出每次螺旋樁沉樁過程所需的最大扭矩。另外，土壤條件的一致性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有一定的影響。為了最大程度地減少土壤條件對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的土壤重新整理，包括翻土、均勻壓實(shí)，最終形成一個(gè)4500ram×2500ram×1O00mm的土壤性質(zhì)相近的土體，其土壤平均含水率為21.87%。然后對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行分區(qū)，并在相應(yīng)位置安排沉樁試驗(yàn)。

（二）沉樁試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)，得出動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀在各種樁型沉樁過程中的最大讀數(shù)，進(jìn)而根據(jù)各樁型的標(biāo)定曲線得出各樁型沉樁過程所需最大扭矩，可得出螺旋頭數(shù)、螺旋導(dǎo)程、圓柱直徑對(duì)沉樁過程所需最大扭矩的影響規(guī)律雙頭螺旋樁所需最大扭矩較大；沉 樁過程中所需最大扭矩隨著螺旋導(dǎo)程增大而減小，隨著圓柱半徑的增大而增大。 這與前述理論關(guān)系曲線所得結(jié)論是相符的。

三、仿生曲面試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及相關(guān)試驗(yàn)可知，螺旋樁在擰入過程中，除樁尖初始沉入時(shí)土壤被帶出，其余土壤被逐漸擠實(shí)。另外在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在螺旋樁擰入過程中，樁尖以及螺旋葉片上表面磨損程度較大，表明樁一土主要作用面為樁尖表面和螺旋葉片上表面。為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)螺旋樁螺旋葉片的擰入過程做如下簡(jiǎn)化：把螺旋葉片展開成平面，螺旋葉片的入土過程簡(jiǎn)化成作用有一定垂直面載荷的平板在土壤水平面的拖動(dòng)摩擦過程。這樣，螺旋葉片的仿生曲面試驗(yàn)簡(jiǎn)化為平板的仿生曲面試驗(yàn)考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)螺旋葉片仿生曲面的加工性，試驗(yàn)時(shí)仿生曲面采用波紋型仿生曲面，一般來說，H≤4mm。據(jù)此，對(duì)于波紋型仿生曲面，選取H=3zz叼，而參數(shù)Ll和L2作為試驗(yàn)因素進(jìn)行考慮。試驗(yàn)時(shí)，考慮到波紋型形狀尺寸、螺旋樁的旋轉(zhuǎn)速度、葉片表面垂直載荷對(duì)樁土作用的影響，試驗(yàn)因素確定為波紋板斷面參數(shù)L1、L2、臺(tái)車的牽引速度V以及葉片表面垂贏載荷N。試驗(yàn)指標(biāo)為曲面摩擦系數(shù)№，定義為臺(tái)車勻速牽引力F與表面垂直載荷N的比值。試驗(yàn)采用L18（3 7）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行不同V、N組合條件下與平板的對(duì)比試驗(yàn)；然后根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，就對(duì)曲面摩擦系數(shù)Mu影響顯著的因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，進(jìn)一步尋求其影響規(guī)律。

（二）試驗(yàn)結(jié)論

針對(duì)波紋型仿生曲面牽引阻力，進(jìn)行了正交試驗(yàn)，以及與平板的對(duì)比試驗(yàn)，得出：（1）波紋型仿生曲面凸起寬度對(duì)曲面摩擦系數(shù)的影響顯著，而波紋型仿生曲面凸起間距、臺(tái)車牽引速度和表面垂直載荷對(duì)曲面摩擦系數(shù)的影響不顯著，而且在本試驗(yàn)參數(shù)取值范圍內(nèi)，髓面摩擦系數(shù)隨著波紋型仿生曲面凸起寬度的增大而減少；（2）在本試驗(yàn)參數(shù)取值范圍內(nèi)，當(dāng)波紋型仿生曲面凸起寬度為20mm，波紋型仿生曲面凸起間距為0mm，臺(tái)車牽引速度為0.2m/s，在相應(yīng)的土壤條件下，凸板具有一定的減阻作用，這為螺旋樁的仿生曲面設(shè)計(jì)提供了一定的基礎(chǔ)。考慮到其中幾個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著，在進(jìn)行螺旋樁葉片減粘降阻曲面設(shè)計(jì)時(shí)將確定波紋型仿生曲面凸起高度和寬度分別為20mm和3mm，而波紋型仿生曲面凸起間距將不做考慮。具體實(shí)施對(duì)，將首先根據(jù)螺旋葉片寬度加工出波紋型仿生趣面凸起，并按照定間距焊接在螺旋葉片上；然后進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證其減粘降阻效果。

四、結(jié)語

以沉樁試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合人機(jī)工程，研制了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便攜性好的沉樁設(shè)備；對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，表明整個(gè)系統(tǒng)工作平穩(wěn)，作業(yè)效率高。把螺旋葉片的仿生試驗(yàn)簡(jiǎn)化為作用有一定垂直載荷的平板仿生試驗(yàn)，這與螺旋樁沉樁過程中螺旋葉片仿生曲面實(shí)際受力與約束情況存在一定的差距，在以后的研究中需要不斷改善試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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