涡压挤扩机理的提出及其在岩土工程中的应用

李春宝，薛世峰，俞然刚，张艳美，张 明，刘晓辉，赵致俊

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580；2.山东省莱西市建筑总公司，山东 青岛 266600)

岩土工程领域中的诸多方面需要采用非开挖技术来实现地下结构体扩径，采用非开挖技术亦可大幅度降低施工成本，如抗压桩、抗拔桩、锚杆以及地基处理等。采用非开挖技术来实现地下结构体扩径是多年来国内外工程技术人员和科研人员颇感棘手的问题。以抗压桩为例，扩径抗压桩可大幅提高桩基础承载力已成为不争的事实，所以目前国内外岩土工程界都在做扩径抗压桩的研究，尤其是扩径桩的施工工艺研究，通过扩径来提高桩的承载力[1-2]。提出了螺纹桩、螺杆桩和支盘桩等若干扩径桩的施工工艺，但上述扩径桩的施工工艺都各自存在着各种问题，阻碍了扩径桩的广泛推广。抗拔桩在抗拔时，主要是桩内钢筋受力和桩身与土体的侧摩阻力，而接桩、钢筋笼焊接质量要求高，抗拔质量无法保证，承载力既达不到要求，也不经济，并且现有做法中大部分要取原土，分为机械和人工挖孔，效率都比较低，质量也难以保证[3]。为了克服现有技术存在的上述缺陷，笔者提出了涡压挤扩机理[4，8-11]，设计了涡压挤扩钻具，并在实验室内进行了方向性验证试验，首次将涡压挤扩钻具应用于非开挖扩径的施工工艺中[5]。试验表明：该方法和设备能有效地实现沿地下不同深度挤压扩径的目的，施工所用的钢套管可重复利用，施工简单，无需开挖原土，缩减工期及减少造价，提高土层在水平方向和竖直方向抗剪强度，降低土体的压缩性，适用于各种砂性土质和粘性土质。

1 涡压挤扩机理介绍与试验验证

涡压挤扩机理是利用钢套管在旋转的过程中使涡压腔内的流态混凝土获得动能和静压能(其中静压能占主导)，获得静压能的流态混凝土经过涡压腔口被涡压叶片挤压到套管外的周围土体中，使流态混凝土在深度土层位置向水平方向挤扩。此机理已在中国石油大学(华东)岩土工程实验室内得到验证(如图1所示)。运用涡压挤扩机理实施扩径的过程中，石子被挤入到周围土体中形成扩径体，能够有效地挤密桩周土体；水泥浆被挤扩带入到周围土体中与其凝结固化，起到了胶结土体的作用。桩体、扩径体和周围的胶结土体形成的共同体使得地基土在水平方向和竖直方向的整体强度得到了大幅度提高。

图1 涡压挤扩机理的试验验证

涡压挤扩机理的验证试验采用的挤扩环境箱和涡压套管等设备为自行设计的，委托中国石油大学(华东)机械加工厂制作。钢套管顶部设孔，作为扭矩扳手的施力点，钢套管总高度为800mm，内径为100mm，壁厚5mm，距离钢套管底部100mm处以上设置涡压腔，涡压腔的高度为120mm。挤扩环境箱由1个底板、2个侧壁板和1个盖板组成，如图1(a)和(b)所示，两个侧壁板所围成的圆柱形箱体内径为800mm，箱体高度为600mm。底板中心位置设有固定钢套管的环箍，盖板上设有固定钢套管的圆孔，底板环箍的圆心与顶板圆孔的圆心同轴，以方便钢套管顺利旋转。试验过程中，首先将两个侧壁板与底板用螺栓固定好，将钢套管底部放置在底板的环箍内；将粘性土或砂性土投放到挤扩环境箱内，并作夯实处理，以模拟真实的土质环境；再将盖板放置在侧壁板上，使得钢套管从盖板中央的孔中穿出，使用螺栓将盖板和侧壁板固定好；将流态混凝土灌入到钢套管内，顺时针旋转扭矩扳手，带动钢套管旋转，钢套管内的流态混凝土即可通过涡压腔口如图1(c)所示。被挤扩到周围土体中；挤扩至预定的扭矩值时，拔出钢套管；待混凝土强度≥50%时，将盖板和其中的一个侧壁板拆除掉，剥开粘性土或砂性土介质，并用毛刷将桩体模型表面的残留土质刷掉，即可看到图1(a)和(b)中所示的混凝土扩径部分。

图2 粘性土介质中扭矩-△r关系图

图3 砂性土介质中扭矩-△r关系图

由图2和图3的扭矩—△r关系图可知：△r的大小与施加在钢套管上的扭矩呈非线性关系，且决定于土的压缩性。当土在弹塑性区域范围内被充分挤压时，曲线最初是平缓上升，后期曲率突然变大，在挤扩的后期即使增大扭矩也难以继续扩径，此时的扭矩为涡压挤扩的极限扭矩。此时的土体最为密实，抗剪强度达到最大。

2 涡压挤扩机理的理论推导

通过分析涡压腔内流态混凝土的流动趋势可知混凝土沿径向有较大的运动趋势，为了能够实现涡压挤扩混凝土到周围土体中，还需要分析涡压叶片、流态混凝土以及周围土体的受力关系。建立了三者的力学模型，讨论混凝土介质(以粗骨料为主)向土体介质中挤入的力学条件。

取图4中A点为研究对象，进行力学分析。瞬时运动时，涡压叶片与周围土体的运动可视为平行运动的关系(如图5所示)，将涡压叶片等效为刚体(无变形)，刚体与可压缩土体保持平行运动状态，将粗骨料(石子)理想化为刚性圆球[6-7]。探讨涡压叶片刚体在力F的作用下，粗骨料与可压缩土体的相对运动关系，即粗骨料向可压缩土体内的挤入路径和挤入条件。

图4 涡压腔内部流体微元迹线图

图5 粗骨料向土体挤入的力学模型

等效刚体与刚性圆球之间的摩擦系数为μ1，法向力为N1，摩擦力为f1；可压缩土体与刚性圆球之间的摩擦系数为μ2，法向力为N2，摩擦力为f2，受力关系如图4所示。

由平衡关系可知：

μ1N1cosθ+N1sinθ=μ2N2。

(1)

由图4中刚性圆球的受力关系可知，为使刚性圆球能够挤入到可压缩土体中需满足：

N1cosθ>μ1N1sinθ+N2。

(2)

将公式(1)带入到公式(2)中，推导如下：

μ2N1cosθ>μ1μ2N1sinθ+μ2N1cosθ+N1sinθ

μ2cosθ>μ1μ2sinθ+μ1cosθ+sinθ

(μ2-μ1)cosθ>(1+μ1μ2)sinθ

(3)

3 涡压挤扩法实施扩径拟使用的设备

涡压挤扩法实施扩径拟使用的施工设备主要由挤扩设备和桩架两部分组成[4，8，10]，挤扩设备包括涡压钢套管、涡压腔、预制混凝土引导头，如图6(b)所示，桩架由锤击装置、旋扭装置、车体、立柱和斜撑等组成，如图6(a)所示。

钢套管底部设置为开口，顶部设置与旋扭设备匹配的齿轮；靠近钢套管底部设有涡压腔，涡压腔由涡压叶片和涡压叶片上下两端之间的钢套管所围成的空间组成；在涡压叶片处开设两个对称的涡压腔口，作为混凝土向外水平挤压的出口。涡压腔口的宽度为钢套管1/4周长，开口高度与涡压叶片的高度相同，如图6(c)所示；涡压叶片由两个完全相同的半圆环钢板反对称焊接而成，呈S形，如图6(d)所示。S形涡压叶片两顶点之间的直线距离与钢套管的直径相同；S形涡压叶片的两顶点分别与涡压腔出口的竖向侧边焊接固定，将焊缝打磨光滑，涡压叶片所采用的钢材型号、钢板厚度与钢套管的钢材型号、钢板厚度相同，使得涡压叶片与钢套管之间连接形成顺滑曲面如图6(c)和(d)所示，有利于流态混凝土沿水平方向向外挤压；为了使混凝土引导头恰好能嵌入钢套管底部，将钢套管底部的内外径尺寸设计为与预制混凝土引导头相匹配形状尺寸，并略微留有一定空隙以保证套管拔出时能够顺利与预制混凝土引导脱离，如图6(b)和(e)所示；旋转齿轮作为锤击套管和旋扭套管的传力装置，其内侧为光圆柱面，外侧设有啮合齿，旋转齿轮的内径与钢套管的外径相同，旋转齿轮的顶面与钢套管的顶面齐平，旋转齿轮箍焊在钢套管的顶部外侧，如图6(b)和(f)所示。

图6 涡压挤扩设备

4 涡压挤扩法扩径拟采用的工艺流程

利用前述的涡压挤扩设备进行涡压扩径的具体施工工艺流程如下[4，8，10]：

第一步：钢套管就位(如图7(a)所示)，将预制混凝土引导头对准要锤管入土的部位，将钢套管座落于引导头上。

第二步：锤管入土(如图7(b)所示)，利用夯锤将钢套管连同引导头一同打入土层至预定标高。

第三步：灌注流态混凝土(如图7(c)所示)，将流态混凝土从钢套管顶部灌注到钢套管内。

第四步：旋扭套管(如图7(d)所示)，将旋扭动力设备连接到钢套管顶部的旋转齿轮上，通过转动旋转齿轮带动钢套管一同旋转。在涡压叶片的挤压驱动作用下，套管内流态混凝土经过涡压腔口被沿水平方向涡压挤扩到周围土体中，起到挤密、填充、胶结土体的作用；旋扭至需要扩径尺寸的强度之后，结束旋扭。

第五步，提升套管(如图7(e)所示)，完成当前土层的扩径之后，提升钢套管至上一层需要扩径的土层。

第六步，实施上一土层扩径(如图7(f)所示)，重复第三步～第四步，完成上一层土层的扩径；

根据工程需要扩径的数量，重复实施第三步～第五步。

第七步，拔出钢套管(如图7(g)所示)，将所有需要扩径的土层处理完毕之后，将流态混凝土灌注到钢套管内部至地面位置，缓慢拔出钢套管。

图7 涡压挤扩法实施非开挖扩径的工艺流程图

5 结 论

首次提出并在实验室内验证了“涡压挤扩机理”，使用自制的挤扩环境箱在实验室内分别对粘性土和砂性土进行了挤扩试验，定义了“涡压挤扩机理”中所用到的扩径比和极限扭矩，结果表明：通过涡压挤扩方法可使模型桩的直径扩大至1倍以上，实现了挤密土体、增加土体抗剪强度的目

的。分析涡压叶片、流态混凝土以及周围土体的受力关系，得出混凝土介质向土体质中挤入的力学条件。综合分析表明，采用涡压挤扩法实施非开挖扩径在理论上是可行的，在消耗低成本的前提下可大幅提高地基承载力。后期将通过在各种地质条件下的现场试验来量化其承载能力，为将来涡压挤扩法实施扩径的设计和施工提供依据。所提出的涡压挤扩设备设计方案及其施工工艺流程简单，易加工操作，施工工艺所用的设备与现行的设备兼容性好，略加改造即可用于本方案，该方法可应用于岩土工程领域中的抗压桩[4]、抗拔桩[8]、锚管[9]及地基处理[10]等诸多方面。

【参 考 文 献】

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