李志毅,劉 鐘 ,趙琰飛,張慧東

(1.中冶建筑研究總院有限公司, 北京100088;2.中國京冶工程技術有限公司, 北京100088)

短螺旋擠土灌注樁(soil displacement screw pile ,SDS 樁)是通過螺旋擠土樁鉆機施加扭矩及豎向力,利用特制的螺旋擠土樁鉆頭將樁孔中的土體完全擠入樁周, 并向擠擴后的樁孔中壓灌混凝土,最終形成圓柱形樁[1].這種擠土灌注樁具有技術、環(huán)保、成本方面的優(yōu)勢,已在國外工程界廣泛應用[2].

在螺旋擠土灌注樁領域,20 世紀中期西歐開發(fā)了Fundex 樁和Atlas 樁[3];在螺旋擠土預制樁領域,德國開發(fā)了Europile[4],日本開發(fā)了AJ Pile 并將其投入工程應用[2].到20 世紀90 年代,出現了新一代短螺旋擠土灌注樁, 其中較為著名的有比利時的ΩPile 和Dewaal Pile[5],英國的 TSD System[6],美國的DD Pile[7]、澳大利亞的V-pile[8]和法國的T pile 等.近年來,德國寶峨、意大利土力也先后開發(fā)出性能更加優(yōu)越的用于螺旋擠土樁施工的樁工鉆機[9].

目前,國內還沒有成功的完全擠土型SDS 樁的工程實例.為此,中冶建筑研究總院有限公司于2006 年在國家財政部及住房和城鄉(xiāng)建設部的資助下開展了短螺旋擠土灌注樁新技術的研究,完成了具有自主知識產權的SDS 樁工法、特種鉆具和鉆機設備[10-11].

實施SDS 樁的螺旋擠土樁鉆頭是螺旋擠土樁工法的關鍵所在, 該鉆頭由中空鉆體及外圍螺旋葉片組成[11],施工時, 由鉆機對鉆頭施加足夠的扭矩和軸向壓力使其旋轉向下直到設計深度.因此, 鉆機輸出扭矩是SDS 樁施工中的關鍵指標, 在相同深度、相同地質條件下, 所需成孔扭矩最小的螺旋擠土樁鉆頭最優(yōu).

本文采用數值模擬與模型試驗相結合的方法對螺旋擠土樁鉆頭進行優(yōu)化, 以期得到所需成孔扭矩最小的最優(yōu)鉆頭.首先基于通用非線性有限元軟件A DINA ,建立螺旋擠土樁鉆頭鉆進成孔的三維有限元模型,對不同型式的鉆頭進行優(yōu)化分析, 研究鉆頭型式、螺距、鉆進土體性質等因素對鉆機輸出扭矩的影響;然后,采用模型鉆頭的鉆進成孔模擬試驗進一步對螺旋擠土樁鉆頭進行優(yōu)化分析;最后通過現場短螺旋擠土灌注樁的成孔試驗驗證了數值分析和模型試驗的正確性.所得結論為螺旋擠土樁鉆頭的設計提供了理論依據.

1 螺旋擠土樁鉆頭有限元優(yōu)化分析

1.1 有限元建模

為研究不同的鉆頭型式及其幾何參數對成孔扭矩的影響,在ADINA 環(huán)境下建立螺旋擠土樁鉆頭鉆進成孔過程的三維有限元模型.ADINA 是強大的動力非線性有限元分析軟件,但前處理功能較弱,為此,首先在Solid Works 環(huán)境下形成螺旋擠土樁鉆頭幾何體, 通過連接端口導入ADINA 系統(tǒng), 在ADINA 工作環(huán)境施加材料屬性,并建立鉆頭-土體接觸模型(見圖1),進行計算分析.為簡化計算,考慮模型的對稱性, 土體取1/4 模型.這樣, 計算扭矩的4倍即可近似為鉆頭鉆入某深度所需的成孔扭矩.由于鉆頭的剛度遠大于土體,建模時對鉆頭施加剛性約束,作為無位移的剛體處理.鉆頭采用殼單元, 土體采用8 節(jié)點立方體單元,局部細化.樁土界面采用庫倫摩擦接觸單元模擬樁土的相對滑移特性.摩擦系數及摩擦特性在接觸組中設置.

圖1 鉆頭-土體模型Fig .1 Auger-soil model

對鉆頭下旋貫入成孔過程中所需的扭矩通過位移貫入法施加,即通過對鉆頭施加繞z軸旋轉的角度位移實現鉆頭的下旋貫入過程, 角度位移荷載分級施加于鉆頭.

由于螺旋擠土樁鉆頭的下旋鉆入過程屬于大變形動態(tài)問題,而有限元方法是基于連續(xù)介質的有限變形理論,難以模擬螺旋擠土樁鉆頭的連續(xù)鉆進過程.為此,需對螺旋擠土樁鉆頭的下旋貫入過程實施簡化,采用考慮樁土相互作用及位移貫入的有限單元法,分段模擬鉆頭的下旋貫入過程,具體方法為:為求得鉆頭鉆入土體5 m 時的成孔扭矩, 首先假定鉆頭已處在土體5 m 深度位置,建立此狀態(tài)的有限元模型,然后給鉆頭施加一定的旋轉角度位移荷載,使鉆頭向下鉆進一定深度,并以鉆頭鉆進某深度時的扭矩為鉆頭鉆入土體5 m 處的成孔扭矩.其他深度的成孔扭矩均由此法求得.

1 .2 計算結果分析

1 .2.1 鉆頭基本型式對成孔扭矩的影響

為討論鉆頭型式對成孔扭矩的影響,對圖2 所示的3 種鉆型進行數值模擬,土體、鉆頭計算參數及鉆頭詳細尺寸分別見表1～2.建立模型時,土體取1/4 模型,水平計算范圍取4 .0 m ×4 .0 m,深度取15 .0 m.

圖2 3 種螺旋擠土樁鉆頭型式(單位:m)Fig . Three auger types of soil displacement screw pile(unit:m)

表1 有限元模型計算參數Tab.1 Calculation parameters of Finite Element Model

表2 不同鉆頭的幾何參數及成孔直徑Tab.2 Geometric parameters and piles diameters of augers

圖3 為3 種鉆頭在勻質土體條件下的成孔扭矩-鉆深曲線, 由圖可以看出, a, b,c 3 種鉆型在鉆頭的擠擴部分全部進入土體前, 所需成孔扭矩隨鉆入深度的增加近似呈線性增大;當鉆頭擠擴部分全部進入土體后, 所需成孔扭矩隨鉆深增加的幅度不再明顯.在地層條件、成樁直徑、鉆深相同的情況下,a, b ,c 鉆頭的成孔扭矩依次增大,也即在等螺距條件下, 圓柱形芯管鉆頭的成孔扭矩小于倒圓臺形芯管鉆頭的成孔扭矩;在芯管形狀相同條件下, 等螺距鉆頭的成孔扭矩小于變螺距鉆頭的成孔扭矩.

圖3 計算的成孔扭矩-鉆深關系Fig.3 Computed pore-forming torque curves with drilling depth

1.2.2 鉆頭螺距變化對成孔扭矩的影響

除鉆頭型式外, 鉆頭螺距也對成孔扭矩具有較大影響.這里以b 型鉆頭為例, 考慮不同土層條件下螺距變化對成孔扭矩的影響, 鉆頭計算參數見表2 .

土體彈性模量分別取10,20,30 MPa、其余計算參數取表1 所示數據、鉆深為9 m 時的成孔扭矩隨螺距的變化曲線如圖4 .從圖可以看出, 鉆頭所需成孔扭矩與螺距大小有密切關系, 當螺距接近成孔直徑時,所需成孔扭矩趨于最小,螺距較優(yōu).此外, 成孔扭矩隨螺距的變化規(guī)律也與土體性質有關,對于高彈性模量土層, 成孔扭矩隨螺距變化更為敏感, 在螺距等于450 mm ,即約1 .1 倍成孔直徑時,成孔扭矩最小.對于低彈性模量土層, 成孔扭矩隨螺距變化影響不明顯, 在螺距為350～450 mm 范圍內, 即約為0 .9～1 .1 倍成孔直徑時,成孔扭矩達到最小值,也即在低彈性模量土層中, 所需成孔扭矩較小的螺距范圍較大.但總體上, 螺距范圍在成孔直徑附近時, 所需成孔扭矩最小.從圖4 還可看出, 在同樣成樁直徑、成樁深度時,土層越硬所需成孔扭矩越大.

1.2.3 鉆頭螺旋段長度對成孔扭矩的影響

為研究螺旋擠土樁鉆頭螺旋段長度對成孔扭矩的影響,這里以b 類等螺距短螺旋鉆型為例, 鉆頭螺旋段長度分別取1 .0 ,1 .5 ,2 .0 和2 .5 m ,其余尺寸不變,螺距取300 mm,螺旋圈數隨螺旋段長度的增加而增加,土體參數見表1 .圖5 為鉆頭鉆深9 .0 m 、成孔直徑400 mm 時成孔扭矩隨鉆頭螺旋段長度的變化曲線.可以看出,成孔扭矩隨鉆頭螺旋段長度的增加逐步增加.因此,在短螺旋擠擴鉆頭設計時應對鉆頭螺旋段長度加以限制.但考慮螺旋擠土樁鉆頭的成樁工藝、成樁機理及擠土效應, 鉆頭的螺旋段長度要保持一定量值.

圖4 計算的成孔扭矩-螺矩變化Fig.4 Computed pore-forming torque curves with pitch

圖5 計算的成孔扭矩-鉆頭螺旋長度關系Fig.5 Computed pore-forming torque curves with screw length of drill auger

2 螺旋擠土樁鉆頭優(yōu)化模型試驗

2 .1 模型試驗方案

為進一步優(yōu)化螺旋擠土樁鉆頭并驗證數值仿真結果,設計加工了不同型式的模型鉆頭進行鉆進成孔試驗.部分鉆頭型式如圖6 所示,模型鉆頭成孔直徑均為30 mm,螺距在10～20 mm 之間,葉片有矩形和梯形2種形式,中心軸采用圓柱形和倒圓臺形2 種.

圖6 模型鉆頭型式Fig.6 Types of model anger

為得到合適的鉆入介質, 曾選擇塑料、橡膠、木材、水泥拌合土作為鉆入介質進行螺旋擠土樁鉆頭的鉆入成孔試驗.試驗發(fā)現,摻入質量分數為15 %水泥的粉質粘土拌合物既能實現鉆頭鉆入成孔、擠擴效果,且拌合土表面沒有明顯裂縫, 是比較合適的鉆入介質.圖7 為鉆頭在水泥拌合土介質中的鉆進試驗照片.

圖7 模型鉆頭鉆入水泥土介質試驗照片Fig .7 Photo of model auger drilling into cement-soil mixture

2.2 模型試驗結果分析

2.2.1 鉆型分析

為研究鉆型與成孔扭矩之間的關系, 選取表3所示的3 種模型鉆頭在水泥土介質中進行鉆進成孔試驗.其中, A,B 型鉆型芯管為圓柱體, C 型鉆型芯管從下到上為圓臺體,圓臺體上、下直徑分別為30 ,14 mm .從圖8 的鉆進深度-成孔扭矩曲線可以看出,3 種螺旋擠土樁鉆頭在螺旋段全部進入土體前,成孔扭矩與鉆深呈明顯的遞增趨勢;在螺旋段全部進入土體后(螺旋段長110 mm),遞增趨勢減緩.其中C 鉆頭的成孔扭矩大于A,B 鉆頭的成孔扭矩,也即相同成孔條件下, 圓臺形芯管鉆頭的成孔扭矩大于圓柱形芯管鉆頭的成孔扭矩.

表3 模型鉆頭幾何尺寸Tab.3 Geometric parameters of model augers

圖8 不同鉆型的成孔扭矩-鉆深Fig .8 Relationship between pore-forming torque curves with drilling depth for different angers

2.2.2 螺距分析

為研究螺距對鉆頭成孔扭矩的影響,選取表4 所列的螺距為10,12 ,14 ,16 ,18 mm 的5 種模型鉆頭進行鉆入成孔試驗.圖9 為4 種鉆型的鉆進深度-成孔扭矩曲線, 圖 10 為 5 種鉆型在鉆深為 450 mm時的成孔扭矩隨螺距的變化曲線.從圖9和圖10的曲線可以看出, 螺距變化對鉆頭所需成孔扭矩有較大影響,但螺距對扭矩的影響并不是單純的遞增或遞減, 而是呈現近似拋物線,該趨勢與前述數值分析的結果較為吻合.從圖10 可以看出, 在這5 種鉆型中,螺距為16 mm 的鉆頭在鉆進過程中的成孔扭矩最小,該螺距為成孔直徑的0 .53 倍,這與數值分析結果有差別,究其原因可能是模型試驗的幾何、物理相似條件造成的.

表4 模型鉆頭幾何尺寸Tab.4 Geometric parameters of model auger

圖9 不同螺距鉆型的成孔扭矩-鉆進深度Fig.9 Relationship between pore-forming torque curves with drilling depth of augers with different pitchs

圖10 鉆深450mm 時的成孔扭矩-螺距Fig .10 Relationship between pore-forming torque curves with pitch at 450mm drilling depth

3 螺旋擠土樁鉆頭現場鉆進成孔試驗

為校核數值計算和模型試驗的正確性, 在北京某工地進行了螺旋擠土樁鉆頭現場成孔試驗.試驗場地地表下14 .0 m 深度內土層較為均勻,為粉質粘土.鉆進成孔過程中, 鉆頭基本保持勻速下鉆.圖11為現場成孔扭矩-鉆深試驗曲線,從圖可以看出,在螺旋擠土樁鉆頭的擠擴部分全部進入土體前(鉆尖到擠擴體上部共2 .3 m), 所需成孔扭矩隨鉆入深度的增加近似線性增大, 當鉆頭擠擴部分全部進入土體后,所需成孔扭矩隨鉆深增加的幅度不再明顯.該曲線與數值計算及模型試驗得到的成孔扭矩-鉆深曲線比較吻合, 在一定程度上證明了數值計算與模型試驗的正確性.

圖11 現場成孔扭矩-鉆深試驗Fig .11 Field test curves of pore-forming torque with pitch

4 結論

采用數值模擬與模型試驗相結合的手段對影響螺旋擠土樁鉆頭成孔扭矩的因素進行分析,為螺旋擠土樁鉆頭的優(yōu)化設計提供了依據.通過現場短螺旋擠土灌注樁的鉆進成孔試驗驗證了數值仿真與模型試驗的正確性,得到如下結論:

(1)螺旋擠土樁鉆頭全部進入土體前,所需成孔扭矩隨鉆入深度的增加近似線性增大,當鉆頭全部進入土體后,所需成孔扭矩隨鉆深增加的幅度不再明顯.

(2)螺距大小對鉆頭所需成孔扭矩有重要影響,且螺距范圍在成孔直徑附近時所需成孔扭矩最小.

(3)相同鉆進成孔條件下,圓臺形芯管鉆頭的成孔扭矩大于圓柱形芯管鉆頭的成孔扭矩.

(4)在成樁直徑、鉆深相同的情況下, 鉆頭螺旋段越小,所需成孔扭矩越小.綜合考慮螺旋擠土樁工法的擠土效果, 鉆頭螺旋段長度選擇1 .5～2 .0 m 較為適宜.

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