螺旋挤土桩钻头优化分析

李志毅,刘 钟 ,赵琰飞,张慧东

(1.中冶建筑研究总院有限公司, 北京100088;2.中国京冶工程技术有限公司, 北京100088)

短螺旋挤土灌注桩(soil displacement screw pile ,SDS 桩)是通过螺旋挤土桩钻机施加扭矩及竖向力,利用特制的螺旋挤土桩钻头将桩孔中的土体完全挤入桩周, 并向挤扩后的桩孔中压灌混凝土,最终形成圆柱形桩[1].这种挤土灌注桩具有技术、环保、成本方面的优势,已在国外工程界广泛应用[2].

在螺旋挤土灌注桩领域,20 世纪中期西欧开发了Fundex 桩和Atlas 桩[3];在螺旋挤土预制桩领域,德国开发了Europile[4],日本开发了AJ Pile 并将其投入工程应用[2].到20 世纪90 年代,出现了新一代短螺旋挤土灌注桩, 其中较为著名的有比利时的ΩPile 和Dewaal Pile[5],英国的 TSD System[6],美国的DD Pile[7]、澳大利亚的V-pile[8]和法国的T pile 等.近年来,德国宝峨、意大利土力也先后开发出性能更加优越的用于螺旋挤土桩施工的桩工钻机[9].

目前,国内还没有成功的完全挤土型SDS 桩的工程实例.为此,中冶建筑研究总院有限公司于2006 年在国家财政部及住房和城乡建设部的资助下开展了短螺旋挤土灌注桩新技术的研究,完成了具有自主知识产权的SDS 桩工法、特种钻具和钻机设备[10-11].

实施SDS 桩的螺旋挤土桩钻头是螺旋挤土桩工法的关键所在, 该钻头由中空钻体及外围螺旋叶片组成[11],施工时, 由钻机对钻头施加足够的扭矩和轴向压力使其旋转向下直到设计深度.因此, 钻机输出扭矩是SDS 桩施工中的关键指标, 在相同深度、相同地质条件下, 所需成孔扭矩最小的螺旋挤土桩钻头最优.

本文采用数值模拟与模型试验相结合的方法对螺旋挤土桩钻头进行优化, 以期得到所需成孔扭矩最小的最优钻头.首先基于通用非线性有限元软件A DINA ,建立螺旋挤土桩钻头钻进成孔的三维有限元模型,对不同型式的钻头进行优化分析, 研究钻头型式、螺距、钻进土体性质等因素对钻机输出扭矩的影响;然后,采用模型钻头的钻进成孔模拟试验进一步对螺旋挤土桩钻头进行优化分析;最后通过现场短螺旋挤土灌注桩的成孔试验验证了数值分析和模型试验的正确性.所得结论为螺旋挤土桩钻头的设计提供了理论依据.

1 螺旋挤土桩钻头有限元优化分析

1.1 有限元建模

为研究不同的钻头型式及其几何参数对成孔扭矩的影响,在ADINA 环境下建立螺旋挤土桩钻头钻进成孔过程的三维有限元模型.ADINA 是强大的动力非线性有限元分析软件,但前处理功能较弱,为此,首先在Solid Works 环境下形成螺旋挤土桩钻头几何体, 通过连接端口导入ADINA 系统, 在ADINA 工作环境施加材料属性,并建立钻头-土体接触模型(见图1),进行计算分析.为简化计算,考虑模型的对称性, 土体取1/4 模型.这样, 计算扭矩的4倍即可近似为钻头钻入某深度所需的成孔扭矩.由于钻头的刚度远大于土体,建模时对钻头施加刚性约束,作为无位移的刚体处理.钻头采用壳单元, 土体采用8 节点立方体单元,局部细化.桩土界面采用库伦摩擦接触单元模拟桩土的相对滑移特性.摩擦系数及摩擦特性在接触组中设置.

图1 钻头-土体模型Fig .1 Auger-soil model

对钻头下旋贯入成孔过程中所需的扭矩通过位移贯入法施加,即通过对钻头施加绕z轴旋转的角度位移实现钻头的下旋贯入过程, 角度位移荷载分级施加于钻头.

由于螺旋挤土桩钻头的下旋钻入过程属于大变形动态问题,而有限元方法是基于连续介质的有限变形理论,难以模拟螺旋挤土桩钻头的连续钻进过程.为此,需对螺旋挤土桩钻头的下旋贯入过程实施简化,采用考虑桩土相互作用及位移贯入的有限单元法,分段模拟钻头的下旋贯入过程,具体方法为:为求得钻头钻入土体5 m 时的成孔扭矩, 首先假定钻头已处在土体5 m 深度位置,建立此状态的有限元模型,然后给钻头施加一定的旋转角度位移荷载,使钻头向下钻进一定深度,并以钻头钻进某深度时的扭矩为钻头钻入土体5 m 处的成孔扭矩.其他深度的成孔扭矩均由此法求得.

1 .2 计算结果分析

1 .2.1 钻头基本型式对成孔扭矩的影响

为讨论钻头型式对成孔扭矩的影响,对图2 所示的3 种钻型进行数值模拟,土体、钻头计算参数及钻头详细尺寸分别见表1～2.建立模型时,土体取1/4 模型,水平计算范围取4 .0 m ×4 .0 m,深度取15 .0 m.

图2 3 种螺旋挤土桩钻头型式(单位:m)Fig . Three auger types of soil displacement screw pile(unit:m)

表1 有限元模型计算参数Tab.1 Calculation parameters of Finite Element Model

表2 不同钻头的几何参数及成孔直径Tab.2 Geometric parameters and piles diameters of augers

图3 为3 种钻头在匀质土体条件下的成孔扭矩-钻深曲线, 由图可以看出, a, b,c 3 种钻型在钻头的挤扩部分全部进入土体前, 所需成孔扭矩随钻入深度的增加近似呈线性增大;当钻头挤扩部分全部进入土体后, 所需成孔扭矩随钻深增加的幅度不再明显.在地层条件、成桩直径、钻深相同的情况下,a, b ,c 钻头的成孔扭矩依次增大,也即在等螺距条件下, 圆柱形芯管钻头的成孔扭矩小于倒圆台形芯管钻头的成孔扭矩;在芯管形状相同条件下, 等螺距钻头的成孔扭矩小于变螺距钻头的成孔扭矩.

图3 计算的成孔扭矩-钻深关系Fig.3 Computed pore-forming torque curves with drilling depth

1.2.2 钻头螺距变化对成孔扭矩的影响

除钻头型式外, 钻头螺距也对成孔扭矩具有较大影响.这里以b 型钻头为例, 考虑不同土层条件下螺距变化对成孔扭矩的影响, 钻头计算参数见表2 .

土体弹性模量分别取10,20,30 MPa、其余计算参数取表1 所示数据、钻深为9 m 时的成孔扭矩随螺距的变化曲线如图4 .从图可以看出, 钻头所需成孔扭矩与螺距大小有密切关系, 当螺距接近成孔直径时,所需成孔扭矩趋于最小,螺距较优.此外, 成孔扭矩随螺距的变化规律也与土体性质有关,对于高弹性模量土层, 成孔扭矩随螺距变化更为敏感, 在螺距等于450 mm ,即约1 .1 倍成孔直径时,成孔扭矩最小.对于低弹性模量土层, 成孔扭矩随螺距变化影响不明显, 在螺距为350～450 mm 范围内, 即约为0 .9～1 .1 倍成孔直径时,成孔扭矩达到最小值,也即在低弹性模量土层中, 所需成孔扭矩较小的螺距范围较大.但总体上, 螺距范围在成孔直径附近时, 所需成孔扭矩最小.从图4 还可看出, 在同样成桩直径、成桩深度时,土层越硬所需成孔扭矩越大.

1.2.3 钻头螺旋段长度对成孔扭矩的影响

为研究螺旋挤土桩钻头螺旋段长度对成孔扭矩的影响,这里以b 类等螺距短螺旋钻型为例, 钻头螺旋段长度分别取1 .0 ,1 .5 ,2 .0 和2 .5 m ,其余尺寸不变,螺距取300 mm,螺旋圈数随螺旋段长度的增加而增加,土体参数见表1 .图5 为钻头钻深9 .0 m 、成孔直径400 mm 时成孔扭矩随钻头螺旋段长度的变化曲线.可以看出,成孔扭矩随钻头螺旋段长度的增加逐步增加.因此,在短螺旋挤扩钻头设计时应对钻头螺旋段长度加以限制.但考虑螺旋挤土桩钻头的成桩工艺、成桩机理及挤土效应, 钻头的螺旋段长度要保持一定量值.

图4 计算的成孔扭矩-螺矩变化Fig.4 Computed pore-forming torque curves with pitch

图5 计算的成孔扭矩-钻头螺旋长度关系Fig.5 Computed pore-forming torque curves with screw length of drill auger

2 螺旋挤土桩钻头优化模型试验

2 .1 模型试验方案

为进一步优化螺旋挤土桩钻头并验证数值仿真结果,设计加工了不同型式的模型钻头进行钻进成孔试验.部分钻头型式如图6 所示,模型钻头成孔直径均为30 mm,螺距在10～20 mm 之间,叶片有矩形和梯形2种形式,中心轴采用圆柱形和倒圆台形2 种.

图6 模型钻头型式Fig.6 Types of model anger

为得到合适的钻入介质, 曾选择塑料、橡胶、木材、水泥拌合土作为钻入介质进行螺旋挤土桩钻头的钻入成孔试验.试验发现,掺入质量分数为15 %水泥的粉质粘土拌合物既能实现钻头钻入成孔、挤扩效果,且拌合土表面没有明显裂缝, 是比较合适的钻入介质.图7 为钻头在水泥拌合土介质中的钻进试验照片.

图7 模型钻头钻入水泥土介质试验照片Fig .7 Photo of model auger drilling into cement-soil mixture

2.2 模型试验结果分析

2.2.1 钻型分析

为研究钻型与成孔扭矩之间的关系, 选取表3所示的3 种模型钻头在水泥土介质中进行钻进成孔试验.其中, A,B 型钻型芯管为圆柱体, C 型钻型芯管从下到上为圆台体,圆台体上、下直径分别为30 ,14 mm .从图8 的钻进深度-成孔扭矩曲线可以看出,3 种螺旋挤土桩钻头在螺旋段全部进入土体前,成孔扭矩与钻深呈明显的递增趋势;在螺旋段全部进入土体后(螺旋段长110 mm),递增趋势减缓.其中C 钻头的成孔扭矩大于A,B 钻头的成孔扭矩,也即相同成孔条件下, 圆台形芯管钻头的成孔扭矩大于圆柱形芯管钻头的成孔扭矩.

表3 模型钻头几何尺寸Tab.3 Geometric parameters of model augers

图8 不同钻型的成孔扭矩-钻深Fig .8 Relationship between pore-forming torque curves with drilling depth for different angers

2.2.2 螺距分析

为研究螺距对钻头成孔扭矩的影响,选取表4 所列的螺距为10,12 ,14 ,16 ,18 mm 的5 种模型钻头进行钻入成孔试验.图9 为4 种钻型的钻进深度-成孔扭矩曲线, 图 10 为 5 种钻型在钻深为 450 mm时的成孔扭矩随螺距的变化曲线.从图9和图10的曲线可以看出, 螺距变化对钻头所需成孔扭矩有较大影响,但螺距对扭矩的影响并不是单纯的递增或递减, 而是呈现近似抛物线,该趋势与前述数值分析的结果较为吻合.从图10 可以看出, 在这5 种钻型中,螺距为16 mm 的钻头在钻进过程中的成孔扭矩最小,该螺距为成孔直径的0 .53 倍,这与数值分析结果有差别,究其原因可能是模型试验的几何、物理相似条件造成的.

表4 模型钻头几何尺寸Tab.4 Geometric parameters of model auger

图9 不同螺距钻型的成孔扭矩-钻进深度Fig.9 Relationship between pore-forming torque curves with drilling depth of augers with different pitchs

图10 钻深450mm 时的成孔扭矩-螺距Fig .10 Relationship between pore-forming torque curves with pitch at 450mm drilling depth

3 螺旋挤土桩钻头现场钻进成孔试验

为校核数值计算和模型试验的正确性, 在北京某工地进行了螺旋挤土桩钻头现场成孔试验.试验场地地表下14 .0 m 深度内土层较为均匀,为粉质粘土.钻进成孔过程中, 钻头基本保持匀速下钻.图11为现场成孔扭矩-钻深试验曲线,从图可以看出,在螺旋挤土桩钻头的挤扩部分全部进入土体前(钻尖到挤扩体上部共2 .3 m), 所需成孔扭矩随钻入深度的增加近似线性增大, 当钻头挤扩部分全部进入土体后,所需成孔扭矩随钻深增加的幅度不再明显.该曲线与数值计算及模型试验得到的成孔扭矩-钻深曲线比较吻合, 在一定程度上证明了数值计算与模型试验的正确性.

图11 现场成孔扭矩-钻深试验Fig .11 Field test curves of pore-forming torque with pitch

4 结论

采用数值模拟与模型试验相结合的手段对影响螺旋挤土桩钻头成孔扭矩的因素进行分析,为螺旋挤土桩钻头的优化设计提供了依据.通过现场短螺旋挤土灌注桩的钻进成孔试验验证了数值仿真与模型试验的正确性,得到如下结论:

(1)螺旋挤土桩钻头全部进入土体前,所需成孔扭矩随钻入深度的增加近似线性增大,当钻头全部进入土体后,所需成孔扭矩随钻深增加的幅度不再明显.

(2)螺距大小对钻头所需成孔扭矩有重要影响,且螺距范围在成孔直径附近时所需成孔扭矩最小.

(3)相同钻进成孔条件下,圆台形芯管钻头的成孔扭矩大于圆柱形芯管钻头的成孔扭矩.

(4)在成桩直径、钻深相同的情况下, 钻头螺旋段越小,所需成孔扭矩越小.综合考虑螺旋挤土桩工法的挤土效果, 钻头螺旋段长度选择1 .5～2 .0 m 较为适宜.

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