防汛抢险螺旋桩机系统及桩体表面仿生研究

韩天+陈哲+杨二强

【摘 要】本文介绍了防汛抢险螺旋桩及其沉桩设备，并根据螺旋桩结构与应用特点，结合典型土壤动物表面减粘降阻特性，提出对螺旋桩螺旋叶片进行表面仿生处理。

【关键词】防汛抢险；螺旋桩；仿生；研究

在充分考虑我国防汛抢险桩机研究现状的基础上提出了新型的防汛抢险螺旋桩机系统，然后结合国内外沉桩过程桩土作用研究现状和仿生防粘减阻研究现状，围绕“如何降低沉桩设备动力消耗提高防汛抢险螺旋桩机系统的便携性和机动性”展开了一系列的研究工作。

一、防汛抢险螺旋桩机

螺旋桩结构参数根据螺旋桩结构，假设螺旋桩圆锥部分起始螺旋内径为d，圆柱部分螺旋内径为 d，圆柱部分螺旋外径为d，均保持不变，整个螺旋的叶片宽度为B，螺旋导程为λ，螺旋头数为ns，圆锥部分螺旋高度为Hs1，圆柱部分螺旋高度为Hs2，据此可得 ：圆柱部分螺旋中径处的螺旋线总长Ls1 为 ：

圆锥部分螺旋中径处的螺旋线的总长Ls2 为

设圆锥的锥角为 2θ ，则其满足以下关系式：

二、螺旋桩沉桩试验研究

（一）试验方法及设备

整个试验采用单因素试验，试验因素与水平见表1，基本水平为单头、导程为lOOmm、圆柱直径为lOOmm。试验过程所采用的桩号及其结构参数如表2所示试验以每次螺旋桩沉桩过程中所需最大扭矩作为试验指标。

本试验在螺旋桩的无螺旋圆柱部分一定位置根据贴应变片组成扭矩测试全桥电路，对所有的桩进行标定，然后借助动态应变仪进行数据采集，从而对螺旋桩拧入过程中所受扭矩进行动态测试，并根据测试数据得出每次螺旋桩沉桩过程所需的最大扭矩。另外，土壤条件的一致性对试验结果具有一定的影响。为了最大程度地减少土壤条件对整个试验的影响，试验前对试验场地的土壤重新整理，包括翻土、均匀压实，最终形成一个4500ram×2500ram×1O00mm的土壤性质相近的土体，其土壤平均含水率为21.87%。然后对试验场地进行分区，并在相应位置安排沉桩试验。

（二）沉桩试验结果与分析

通过试验，得出动态应变仪在各种桩型沉桩过程中的最大读数，进而根据各桩型的标定曲线得出各桩型沉桩过程所需最大扭矩，可得出螺旋头数、螺旋导程、圆柱直径对沉桩过程所需最大扭矩的影响规律双头螺旋桩所需最大扭矩较大；沉 桩过程中所需最大扭矩随着螺旋导程增大而减小，随着圆柱半径的增大而增大。 这与前述理论关系曲线所得结论是相符的。

三、仿生曲面试验

（一）试验方法

根据设计要求以及相关试验可知，螺旋桩在拧入过程中，除桩尖初始沉入时土壤被带出，其余土壤被逐渐挤实。另外在试验过程中发现，在螺旋桩拧入过程中，桩尖以及螺旋叶片上表面磨损程度较大，表明桩一土主要作用面为桩尖表面和螺旋叶片上表面。为了简化试验螺旋桩螺旋叶片的拧入过程做如下简化：把螺旋叶片展开成平面，螺旋叶片的入土过程简化成作用有一定垂直面载荷的平板在土壤水平面的拖动摩擦过程。这样，螺旋叶片的仿生曲面试验简化为平板的仿生曲面试验考虑到实际应用时螺旋叶片仿生曲面的加工性，试验时仿生曲面采用波纹型仿生曲面，一般来说，H≤4mm。据此，对于波纹型仿生曲面，选取H=3zz叼，而参数Ll和L2作为试验因素进行考虑。试验时，考虑到波纹型形状尺寸、螺旋桩的旋转速度、叶片表面垂直载荷对桩土作用的影响，试验因素确定为波纹板断面参数L1、L2、台车的牵引速度V以及叶片表面垂赢载荷N。试验指标为曲面摩擦系数№，定义为台车匀速牵引力F与表面垂直载荷N的比值。试验采用L18（3 7）正交表进行正交试验，同时进行不同V、N组合条件下与平板的对比试验；然后根据正交试验结果，就对曲面摩擦系数Mu影响显著的因素进行单因素试验，进一步寻求其影响规律。

（二）试验结论

针对波纹型仿生曲面牵引阻力，进行了正交试验，以及与平板的对比试验，得出：（1）波纹型仿生曲面凸起宽度对曲面摩擦系数的影响显著，而波纹型仿生曲面凸起间距、台车牵引速度和表面垂直载荷对曲面摩擦系数的影响不显著，而且在本试验参数取值范围内，髓面摩擦系数随着波纹型仿生曲面凸起宽度的增大而减少；（2）在本试验参数取值范围内，当波纹型仿生曲面凸起宽度为20mm，波纹型仿生曲面凸起间距为0mm，台车牵引速度为0.2m/s，在相应的土壤条件下，凸板具有一定的减阻作用，这为螺旋桩的仿生曲面设计提供了一定的基础。考虑到其中几个试验因素对试验结果影响不显著，在进行螺旋桩叶片减粘降阻曲面设计时将确定波纹型仿生曲面凸起高度和宽度分别为20mm和3mm，而波纹型仿生曲面凸起间距将不做考虑。具体实施对，将首先根据螺旋叶片宽度加工出波纹型仿生趣面凸起，并按照定间距焊接在螺旋叶片上；然后进行对比试验，验证其减粘降阻效果。

四、结语

以沉桩试验为基础，结合人机工程，研制了结构简单、便携性好的沉桩设备；对整个系統进行试验，表明整个系统工作平稳，作业效率高。把螺旋叶片的仿生试验简化为作用有一定垂直载荷的平板仿生试验，这与螺旋桩沉桩过程中螺旋叶片仿生曲面实际受力与约束情况存在一定的差距，在以后的研究中需要不断改善试验。

参考文献：

[1]吕有界.防汛抢险螺旋桩设计与焊接过程分析[J].机电工程技术，2007 （4）： 28-29.

[2]韦谢恩.汛抢险螺旋桩沉桩过程仿真研究[D].广州：华南农业大学，2010endprint