婁燕敏，王憲鑫，蘇 陳，張興蓮LOU Yan-min,WANG Xian-xin,SU Chen, ZHANG Xing-lian(.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 68；.徐州徐工基礎(chǔ)工程機械有限公司 江蘇 徐州 004；.渤海裝備研究院海工裝備分院，遼寧 盤錦 409)

螺桿樁施工機具的鉆進理論研究

婁燕敏1，王憲鑫1，蘇 陳2，張興蓮3
LOU Yan-min,WANG Xian-xin,SU Chen, ZHANG Xing-lian
(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.徐州徐工基礎(chǔ)工程機械有限公司 江蘇 徐州 221004；3.渤海裝備研究院海工裝備分院，遼寧 盤錦 124209)

[摘 要]螺桿樁施工機具加壓裝置的加壓力是影響成樁質(zhì)量和施工效率的重要參數(shù)之一。螺桿鉆具鉆進過程中所受到的阻力是影響加壓力的主要因素。本文通過理論分析，對螺桿鉆具鉆進過程中受到的阻力及加壓機構(gòu)能夠提供的加壓力進行理論計算并推導出計算公式，為螺桿樁施工機具加壓裝置的設(shè)計提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]螺桿機具；加壓裝置；螺桿樁

當前螺桿樁機研究的焦點是螺桿樁施工機具的實驗研究與整機的相互結(jié)合。螺桿樁是擠土灌注樁，無須排土，在加壓力和提升力下同步鉆進和同步反向提鉆而形成螺紋狀樁孔[1]。螺桿樁機成樁質(zhì)量的好壞與加壓力和提升力有著密切的關(guān)系，關(guān)系到樁孔螺紋成型的好壞，是螺桿樁機加壓提升裝置設(shè)計的重要參數(shù)之一。所以螺桿樁機在鉆進過程中對螺桿鉆具的加壓力理論計算非常重要，也為螺桿樁機的加壓提升裝置設(shè)計提供重要參考。

1 垂直阻力的計算

螺桿鉆具在鉆進時，加壓過程中需要克服的垂直阻力F包括：鉆具側(cè)面的摩阻力在垂直上的分力F1；擠壓過程中地基土層對鉆具螺紋下底面正交壓力與摩擦力合成的斜交壓力垂直分力Pv[2]；鉆具圓柱部分側(cè)面的摩阻力在垂直上的分力F2；鉆具總極限端阻力Qpk。螺桿鉆具的參數(shù)示意圖如圖1所示。

1.1 F1的計算

鉆具側(cè)面的摩阻力分析如圖2所示。

圖1 螺桿鉆具的參數(shù)示意圖

圖2 鉆具側(cè)面的摩阻力分析

i土層凹螺紋的摩擦阻力垂直分量為

式中 hi—i土層凹螺紋高度，m；

τf — i土層單位面積極限摩阻力，MPa；

λ—螺紋升角。

i土層凸螺紋的摩擦阻力垂直分量為

式中 Hi—i土層凸螺紋高度，m。

所以鉆具側(cè)面的摩阻力在垂直上的分力

1.2 Pv的計算

將凸螺紋下底面按升角λ展開成一斜條面，如圖3所示。i土層對樁壁凸螺紋下底面的正交壓力為

式中 li—i土層中凸螺紋長度，m；

μi— i土層與鉆具螺紋表面的摩擦系數(shù)，μi=tanαi，αi為摩擦角；

k—螺齒寬度，m。

圖3 螺紋下底面按升角λ展開成一斜條面

土壤對螺紋表面的正交壓力FN和摩擦力fi合成的斜交壓力為

所以

則有斜交壓力垂直分力

1.3 Qpk的計算

式中 qpk—鉆具端阻力的極限標準值，kPa；

Ap— 鉆頭下表面面積（按垂直投影的平面面積之和計算）。

1.4 F2的計算鉆具圓柱部分側(cè)面的摩阻力在垂直上的分力

F2＝πrτfsinλ(L-Lp-H) (9)

式中 L—鉆具的總長度，m；

Lp—鉆具螺桿部分的長度，m；

H—L-Lp長度范圍內(nèi)凸螺紋的長度，m。

1.5 F的計算

綜上所述，得到螺桿鉆具施工鉆進時總的垂直阻力

2 加壓裝置的總加壓力計算

總加壓力Fr包括加壓系統(tǒng)對螺桿鉆具的加壓力T、螺桿鉆具和動力頭總重量G和地基土層對鉆具凸螺紋上頂面壓力的垂直分量Pv。

將凸螺紋上頂面按升角入展開成一斜條面，如圖4所示。

圖4 螺紋上頂面按升角λ展開成一斜條面

參照上述對下底面合成斜交壓力的計算，上頂面正交壓力F′N與摩擦力f ′i合成斜交壓力

所以

則斜交壓力垂直分力

所以總加壓力

式中 T——加壓系統(tǒng)對螺桿鉆具的加壓力，kN；

G——螺桿鉆具、動力頭總重量，kg。

3 結(jié) 論

螺桿鉆具的鉆進與木螺釘扭入木材的力學原理極為相似，螺桿樁鉆具鉆進地基土層的過程，可看成是地基土層相對樁壁螺紋表面和樁尖表面擠壓滑動的過程。螺桿鉆具在鉆進時，加壓過程中需要克服的垂直阻力F和總加壓力Fr可由上述推導公式計算，螺桿鉆具旋進地基土層的力學條件應(yīng)滿足：Fr＞F。這為加壓裝置的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

[參考文獻]

[1] 沈保漢，王鳳良螺桿灌注樁施工技術(shù)[J]．建筑技術(shù)，2010，(5)：417-419．

[2] 秦建衛(wèi)．螺桿樁受力及施工技術(shù)要點[J]．山西建筑，2012，(17)：59-60．

[3] 董天文，梁 力．豎向受壓螺旋樁荷載沉降函數(shù)解[J]．巖土工程學報，2007，(10)：1483-1485．

（編輯 賈澤輝）

Use& Management 使用&管理

［中圖分類號］TU67

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)03-0080-02

［收稿日期］2014-12-05

Drilling theoretical research of screw pile construction equipment