螺紋樁機(jī)混凝土灌注系統(tǒng)研究*

陳 華

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

螺紋樁機(jī)作為一種較為年輕的樁基礎(chǔ)機(jī)械，雖然在性能以及施工原理上有著許多先進(jìn)的地方，但由于其發(fā)展的時(shí)間并不長(zhǎng)，與其配套混凝土灌注系統(tǒng)還不夠完善，螺紋樁機(jī)提鉆灌注混凝土的過(guò)程存在兩方面缺陷：1） 鉆具提升速度的快慢完全由人為經(jīng)驗(yàn)控制，不可避免的出現(xiàn)虛灌或者過(guò)灌等影響樁體承載性能的情況；2） 缺乏有效手段對(duì)混凝土流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不能很好的了解樁體成型情況，并且關(guān)于樁體混凝土的用量還局限于采用人工統(tǒng)計(jì)，加大了工程管理難度[1]。 基于上述兩點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套混凝土灌注系統(tǒng)，能夠輔助混凝土灌注，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)混凝土用量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成包括壓力傳感器、位移傳感器、控制器（PLC）、顯示器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)）。

1 混凝土灌注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

混凝土灌注系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)鉆具提升速度的合理調(diào)控就必須了解鉆頭底部空間混凝土泵送情況，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提就是找到一個(gè)可以表征鉆頭底部空間充盈程度的物理量，并加以監(jiān)測(cè)。 通過(guò)對(duì)樁機(jī)提鉆灌漿過(guò)程進(jìn)行仔細(xì)研究之后，可以發(fā)現(xiàn)如果鉆具提升速度過(guò)慢，使鉆頭底部空間處于過(guò)分灌溉狀態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土泵送管道內(nèi)壓力迅速提升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成堵管。 因此，本文采取測(cè)量泵送管道內(nèi)壓力的方式來(lái)判斷是否泵送充實(shí)，并以此作為調(diào)控鉆具提升速度的依據(jù)。 但是，由于泵送管道內(nèi)壓力是隨著泵送速度的快慢而變化的，所以在測(cè)量壓力的同時(shí)還需要監(jiān)控混凝土的流動(dòng)速度。 基于上述分析，本文設(shè)計(jì)了一套如圖1 所示的混凝土灌注系統(tǒng)，采取在鉆具頂部灌漿管道上安裝混凝土壓力傳感器以及混凝土流量計(jì)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

本裝置特點(diǎn)如下：裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，并且測(cè)量部件全部安裝在樁機(jī)上，灌注時(shí)不需要匹配專門的泵車或者在泵車上臨時(shí)安裝傳感器；采用了混凝土流量計(jì)，它在監(jiān)測(cè)混凝土灌注狀況的同時(shí)，還可以提供一個(gè)混凝土實(shí)時(shí)流動(dòng)速度以輔助判斷管內(nèi)壓力是否達(dá)到提鉆要求。

圖1 混凝土灌注系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)圖

2 混凝土灌注過(guò)程中管內(nèi)壓力分析

混凝土在灌注過(guò)程中，管道壓力是沿流動(dòng)方向逐漸降低的，并且受泵送速度的影響。 泵送速度越快，管道壓力越大。 為研究輸送管內(nèi)混凝土壓力變化情況，本文特選取如圖2 所示的混凝土管道作為研究對(duì)象分析管內(nèi)混凝土受力情況[2]。

圖2 混凝土管內(nèi)流動(dòng)受力示意圖

圖2 中為一段與水平方向成φ 角的混凝土管道，假設(shè)管內(nèi)的混凝土正以速度V 從下至上流動(dòng)，并取距卸料口x 處的一段長(zhǎng)為dx 的混凝土流體作為研究對(duì)象。 P 和（P+dP）分別代表距卸料口 x 和（x+dx）處的壓力，r 為管道半徑，f 為混凝土流動(dòng)時(shí)的摩阻應(yīng)力。

其中，混凝土流動(dòng)時(shí)的摩阻應(yīng)力f 可按S.Morinaga 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如下[3]：

通過(guò)觀察圖2 可以得到混凝土沿流動(dòng)方向的受力平衡方程如下：

沿混凝土流動(dòng)方向壓力的損失主要包括兩個(gè)部分：混凝土與管道內(nèi)壁之間的摩阻力、 混凝土自重以及混凝土流動(dòng)過(guò)程中速度變化產(chǎn)生的慣性力。 其中，由于混凝土泵的推送壓力基本穩(wěn)定，所以大部分時(shí)間段內(nèi)流速是不變的，也就是說(shuō)在混凝土流動(dòng)過(guò)程中可以忽略慣性力的作用。 所以可以將公式（2）中的平衡方程改寫如下：

式中：γ——混凝土的容重（kN/m3）。

假設(shè)卸料口處的壓力為P0，那么公式（3）兩端分別對(duì)x進(jìn)行積分可以得出距卸料口x 處的壓力為：

通過(guò)觀察公式（4）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)卸料口處的壓力P0確定時(shí)，混凝土輸送管道內(nèi)某一固定點(diǎn)壓力的變化只和混凝土的流速相關(guān)。 因此，樁機(jī)在提鉆灌漿的過(guò)程中可以通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)某一定點(diǎn)的壓力與流速來(lái)確定卸料口處混凝土的充盈狀況。

3 混凝土灌注系統(tǒng)原理概述

由于混凝土灌注系統(tǒng)需要分別實(shí)現(xiàn)輔助灌注以及灌注監(jiān)測(cè)兩種功能，所以可以將本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理劃分兩個(gè)部分描述如下：

3.1 輔助灌注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖3 樁機(jī)提鉆壓力標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原理

第一步：混凝土灌注過(guò)程中提鉆壓力標(biāo)準(zhǔn)的確定。 對(duì)樁機(jī)進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，觀察自然灌注條件（卸料口處壓力為0）下壓力傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)與流速之間的關(guān)系，然后對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，畫出如圖3（a）所示的自然灌注條件下管道壓力與流速之間的關(guān)系曲線（自然灌注條件下壓力傳感器測(cè)得的壓力是負(fù)壓）。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量樁體灌注密實(shí)狀態(tài)下混凝土壓力，并依此選取一個(gè)合理的卸料口壓力P0作為表征樁孔灌注密實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，要求P0＞Pmin。 最后將上述選定的P0與圖3（a）中的曲線相結(jié)合，得出如圖3（b）所示的提鉆壓力標(biāo)準(zhǔn)線 P = f（v）。

第二步：將壓力傳感器所測(cè)得數(shù)據(jù)與提鉆壓力標(biāo)準(zhǔn)相比較，如果所測(cè)得壓力處于提鉆壓力區(qū)，即 P ＞ f（v），則提升鉆具；反之，則維持鉆具現(xiàn)有深度不動(dòng)。

3.2 灌注監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

第一步：分別依據(jù)混凝土流量計(jì)以及拉線位移傳感器所測(cè)得數(shù)據(jù)繪制如圖4（a）以及4（b）所示曲線，然后結(jié)合這兩圖中的數(shù)據(jù)繪制出混凝土泵送流量與鉆具深度之間的關(guān)系曲線，如圖 4（c）所示。

圖4 灌注監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

首先，通過(guò)觀察圖4（c）可以判斷混凝土的充盈系數(shù)是否在1.05～1.20 之間，泵送質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求[4]；其次，通過(guò)觀察圖4（c）可以得到灌注過(guò)程中混凝土灌注流量隨深度變化的情況，從而了解樁體橫截面隨深度的變化是否均勻，判斷樁孔是否存在某些形狀突變區(qū)會(huì)對(duì)樁體的承載性能造成影響。

第二步：依據(jù)混凝土流量計(jì)所測(cè)得的實(shí)時(shí)灌注流量計(jì)算出整樁所消耗的混凝土總量。 計(jì)算方法是將圖4（a）中所得到的Q-t 曲線按時(shí)間進(jìn)行積分，計(jì)算公式如下：

灌注監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)混凝土用量的功能可以起到輔助工程管理的作用，在一定程度上降低了工程中用料管理的人力需求。

4 總結(jié)

綜上所述，混凝土灌注系統(tǒng)工作原理如下：1)通過(guò)電磁流量計(jì)與混凝土壓力傳感器分別對(duì)鉆具內(nèi)部管道頂部的混凝土進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后對(duì)所測(cè)混凝土壓力和流量進(jìn)行分析，并判斷此時(shí)壓力是否處于如圖3（b）中的提鉆區(qū)，如果處于則提升鉆具；反之，則維持現(xiàn)有深度不變。2)結(jié)合鉆深傳感器與混凝土流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出混凝土灌注過(guò)程中流量與鉆深之間的關(guān)系曲線，然后通過(guò)此關(guān)系曲線判斷樁體是否灌注均勻、密實(shí)，同時(shí)記錄單樁混凝土用量。