渦壓擠擴機理的提出及其在巖土工程中的應用

李春寶，薛世峰，俞然剛，張艷美，張 明，劉曉輝，趙致俊

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；2.山東省萊西市建筑總公司，山東 青島 266600)

巖土工程領域中的諸多方面需要采用非開挖技術來實現地下結構體擴徑，采用非開挖技術亦可大幅度降低施工成本，如抗壓樁、抗拔樁、錨桿以及地基處理等。采用非開挖技術來實現地下結構體擴徑是多年來國內外工程技術人員和科研人員頗感棘手的問題。以抗壓樁為例，擴徑抗壓樁可大幅提高樁基礎承載力已成為不爭的事實，所以目前國內外巖土工程界都在做擴徑抗壓樁的研究，尤其是擴徑樁的施工工藝研究，通過擴徑來提高樁的承載力[1-2]。提出了螺紋樁、螺桿樁和支盤樁等若干擴徑樁的施工工藝，但上述擴徑樁的施工工藝都各自存在著各種問題，阻礙了擴徑樁的廣泛推廣。抗拔樁在抗拔時，主要是樁內鋼筋受力和樁身與土體的側摩阻力，而接樁、鋼筋籠焊接質量要求高，抗拔質量無法保證，承載力既達不到要求，也不經濟，并且現有做法中大部分要取原土，分為機械和人工挖孔，效率都比較低，質量也難以保證[3]。為了克服現有技術存在的上述缺陷，筆者提出了渦壓擠擴機理[4，8-11]，設計了渦壓擠擴鉆具，并在實驗室內進行了方向性驗證試驗，首次將渦壓擠擴鉆具應用于非開挖擴徑的施工工藝中[5]。試驗表明：該方法和設備能有效地實現沿地下不同深度擠壓擴徑的目的，施工所用的鋼套管可重復利用，施工簡單，無需開挖原土，縮減工期及減少造價，提高土層在水平方向和豎直方向抗剪強度，降低土體的壓縮性，適用于各種砂性土質和粘性土質。

1 渦壓擠擴機理介紹與試驗驗證

渦壓擠擴機理是利用鋼套管在旋轉的過程中使渦壓腔內的流態混凝土獲得動能和靜壓能(其中靜壓能占主導)，獲得靜壓能的流態混凝土經過渦壓腔口被渦壓葉片擠壓到套管外的周圍土體中，使流態混凝土在深度土層位置向水平方向擠擴。此機理已在中國石油大學(華東)巖土工程實驗室內得到驗證(如圖1所示)。運用渦壓擠擴機理實施擴徑的過程中，石子被擠入到周圍土體中形成擴徑體，能夠有效地擠密樁周土體；水泥漿被擠擴帶入到周圍土體中與其凝結固化，起到了膠結土體的作用。樁體、擴徑體和周圍的膠結土體形成的共同體使得地基土在水平方向和豎直方向的整體強度得到了大幅度提高。

圖1 渦壓擠擴機理的試驗驗證

渦壓擠擴機理的驗證試驗采用的擠擴環境箱和渦壓套管等設備為自行設計的，委托中國石油大學(華東)機械加工廠制作。鋼套管頂部設孔，作為扭矩扳手的施力點，鋼套管總高度為800mm，內徑為100mm，壁厚5mm，距離鋼套管底部100mm處以上設置渦壓腔，渦壓腔的高度為120mm。擠擴環境箱由1個底板、2個側壁板和1個蓋板組成，如圖1(a)和(b)所示，兩個側壁板所圍成的圓柱形箱體內徑為800mm，箱體高度為600mm。底板中心位置設有固定鋼套管的環箍，蓋板上設有固定鋼套管的圓孔，底板環箍的圓心與頂板圓孔的圓心同軸，以方便鋼套管順利旋轉。試驗過程中，首先將兩個側壁板與底板用螺栓固定好，將鋼套管底部放置在底板的環箍內；將粘性土或砂性土投放到擠擴環境箱內，并作夯實處理，以模擬真實的土質環境；再將蓋板放置在側壁板上，使得鋼套管從蓋板中央的孔中穿出，使用螺栓將蓋板和側壁板固定好；將流態混凝土灌入到鋼套管內，順時針旋轉扭矩扳手，帶動鋼套管旋轉，鋼套管內的流態混凝土即可通過渦壓腔口如圖1(c)所示。被擠擴到周圍土體中；擠擴至預定的扭矩值時，拔出鋼套管；待混凝土強度≥50%時，將蓋板和其中的一個側壁板拆除掉，剝開粘性土或砂性土介質，并用毛刷將樁體模型表面的殘留土質刷掉，即可看到圖1(a)和(b)中所示的混凝土擴徑部分。

圖2 粘性土介質中扭矩-△r關系圖

圖3 砂性土介質中扭矩-△r關系圖

由圖2和圖3的扭矩—△r關系圖可知：△r的大小與施加在鋼套管上的扭矩呈非線性關系，且決定于土的壓縮性。當土在彈塑性區域范圍內被充分擠壓時，曲線最初是平緩上升，后期曲率突然變大，在擠擴的后期即使增大扭矩也難以繼續擴徑，此時的扭矩為渦壓擠擴的極限扭矩。此時的土體最為密實，抗剪強度達到最大。

2 渦壓擠擴機理的理論推導

通過分析渦壓腔內流態混凝土的流動趨勢可知混凝土沿徑向有較大的運動趨勢，為了能夠實現渦壓擠擴混凝土到周圍土體中，還需要分析渦壓葉片、流態混凝土以及周圍土體的受力關系。建立了三者的力學模型，討論混凝土介質(以粗骨料為主)向土體介質中擠入的力學條件。

取圖4中A點為研究對象，進行力學分析。瞬時運動時，渦壓葉片與周圍土體的運動可視為平行運動的關系(如圖5所示)，將渦壓葉片等效為剛體(無變形)，剛體與可壓縮土體保持平行運動狀態，將粗骨料(石子)理想化為剛性圓球[6-7]。探討渦壓葉片剛體在力F的作用下，粗骨料與可壓縮土體的相對運動關系，即粗骨料向可壓縮土體內的擠入路徑和擠入條件。

圖4 渦壓腔內部流體微元跡線圖

圖5 粗骨料向土體擠入的力學模型

等效剛體與剛性圓球之間的摩擦系數為μ1，法向力為N1，摩擦力為f1；可壓縮土體與剛性圓球之間的摩擦系數為μ2，法向力為N2，摩擦力為f2，受力關系如圖4所示。

由平衡關系可知：

μ1N1cosθ+N1sinθ=μ2N2。

(1)

由圖4中剛性圓球的受力關系可知，為使剛性圓球能夠擠入到可壓縮土體中需滿足：

N1cosθ>μ1N1sinθ+N2。

(2)

將公式(1)帶入到公式(2)中，推導如下：

μ2N1cosθ>μ1μ2N1sinθ+μ2N1cosθ+N1sinθ

μ2cosθ>μ1μ2sinθ+μ1cosθ+sinθ

(μ2-μ1)cosθ>(1+μ1μ2)sinθ

(3)

3 渦壓擠擴法實施擴徑擬使用的設備

渦壓擠擴法實施擴徑擬使用的施工設備主要由擠擴設備和樁架兩部分組成[4，8，10]，擠擴設備包括渦壓鋼套管、渦壓腔、預制混凝土引導頭，如圖6(b)所示，樁架由錘擊裝置、旋扭裝置、車體、立柱和斜撐等組成，如圖6(a)所示。

鋼套管底部設置為開口，頂部設置與旋扭設備匹配的齒輪；靠近鋼套管底部設有渦壓腔，渦壓腔由渦壓葉片和渦壓葉片上下兩端之間的鋼套管所圍成的空間組成；在渦壓葉片處開設兩個對稱的渦壓腔口，作為混凝土向外水平擠壓的出口。渦壓腔口的寬度為鋼套管1/4周長，開口高度與渦壓葉片的高度相同，如圖6(c)所示；渦壓葉片由兩個完全相同的半圓環鋼板反對稱焊接而成，呈S形，如圖6(d)所示。S形渦壓葉片兩頂點之間的直線距離與鋼套管的直徑相同；S形渦壓葉片的兩頂點分別與渦壓腔出口的豎向側邊焊接固定，將焊縫打磨光滑，渦壓葉片所采用的鋼材型號、鋼板厚度與鋼套管的鋼材型號、鋼板厚度相同，使得渦壓葉片與鋼套管之間連接形成順滑曲面如圖6(c)和(d)所示，有利于流態混凝土沿水平方向向外擠壓；為了使混凝土引導頭恰好能嵌入鋼套管底部，將鋼套管底部的內外徑尺寸設計為與預制混凝土引導頭相匹配形狀尺寸，并略微留有一定空隙以保證套管拔出時能夠順利與預制混凝土引導脫離，如圖6(b)和(e)所示；旋轉齒輪作為錘擊套管和旋扭套管的傳力裝置，其內側為光圓柱面，外側設有嚙合齒，旋轉齒輪的內徑與鋼套管的外徑相同，旋轉齒輪的頂面與鋼套管的頂面齊平，旋轉齒輪箍焊在鋼套管的頂部外側，如圖6(b)和(f)所示。

圖6 渦壓擠擴設備

4 渦壓擠擴法擴徑擬采用的工藝流程

利用前述的渦壓擠擴設備進行渦壓擴徑的具體施工工藝流程如下[4，8，10]：

第一步：鋼套管就位(如圖7(a)所示)，將預制混凝土引導頭對準要錘管入土的部位，將鋼套管座落于引導頭上。

第二步：錘管入土(如圖7(b)所示)，利用夯錘將鋼套管連同引導頭一同打入土層至預定標高。

第三步：灌注流態混凝土(如圖7(c)所示)，將流態混凝土從鋼套管頂部灌注到鋼套管內。

第四步：旋扭套管(如圖7(d)所示)，將旋扭動力設備連接到鋼套管頂部的旋轉齒輪上，通過轉動旋轉齒輪帶動鋼套管一同旋轉。在渦壓葉片的擠壓驅動作用下，套管內流態混凝土經過渦壓腔口被沿水平方向渦壓擠擴到周圍土體中，起到擠密、填充、膠結土體的作用；旋扭至需要擴徑尺寸的強度之后，結束旋扭。

第五步，提升套管(如圖7(e)所示)，完成當前土層的擴徑之后，提升鋼套管至上一層需要擴徑的土層。

第六步，實施上一土層擴徑(如圖7(f)所示)，重復第三步～第四步，完成上一層土層的擴徑；

根據工程需要擴徑的數量，重復實施第三步～第五步。

第七步，拔出鋼套管(如圖7(g)所示)，將所有需要擴徑的土層處理完畢之后，將流態混凝土灌注到鋼套管內部至地面位置，緩慢拔出鋼套管。

圖7 渦壓擠擴法實施非開挖擴徑的工藝流程圖

5 結 論

首次提出并在實驗室內驗證了“渦壓擠擴機理”，使用自制的擠擴環境箱在實驗室內分別對粘性土和砂性土進行了擠擴試驗，定義了“渦壓擠擴機理”中所用到的擴徑比和極限扭矩，結果表明：通過渦壓擠擴方法可使模型樁的直徑擴大至1倍以上，實現了擠密土體、增加土體抗剪強度的目

的。分析渦壓葉片、流態混凝土以及周圍土體的受力關系，得出混凝土介質向土體質中擠入的力學條件。綜合分析表明，采用渦壓擠擴法實施非開挖擴徑在理論上是可行的，在消耗低成本的前提下可大幅提高地基承載力。后期將通過在各種地質條件下的現場試驗來量化其承載能力，為將來渦壓擠擴法實施擴徑的設計和施工提供依據。所提出的渦壓擠擴設備設計方案及其施工工藝流程簡單，易加工操作，施工工藝所用的設備與現行的設備兼容性好，略加改造即可用于本方案，該方法可應用于巖土工程領域中的抗壓樁[4]、抗拔樁[8]、錨管[9]及地基處理[10]等諸多方面。

【參 考 文 獻】

[1]王金鳳，曹振華.變截面樁承載特性的研究綜述.[J].山西建筑.2010，36(24).111-112.

[2]高文生.建筑業10項新技術(2010版)之地基基礎和地下空間工程技術[J].施工技術，2011，40(5)：5-14.

[3]汪演強.工程中樁基方案的比較分析研究[J].建筑技術，2013，44(2)：181-184.

[4]李春寶，薛世峰，劉曉輝.用于渦壓擠擴混凝土分層擴徑樁的成樁設備及方法：中國，2014101136668[P].2014-03-25.

[5]李春寶，薛世峰，俞然剛，等.渦壓式旋轉分層擴徑樁成樁方法[J].施工技術，2014，43(13)：38-41.

[6]Yin Z，Karstunen M.Modelling strain-rate-dependency of natural soft clays combined with anisotropy and destructuration[J].Acta Mechanica Solida Sinica，2011，24(3)：216-230.

[7]鄭璐石，張 剛，李學豐，等.巖土類摩擦材料單元力學模型探討[J].寧夏大學學報(自然科學版)，2013，34(3)：234-237.

[8]李春寶，薛世峰，劉曉輝.用于渦壓擠擴混凝土分層擴徑抗拔樁的成樁設備及方法：中國，2014101136210[P].2014-03-25.

[9]李春寶，薛世峰，劉曉輝.一種用于渦壓擠擴細石混凝土錨固支護土體的設備及方法：中國，2014101136437[P].2014-03-25.

[10]蘇 濤，董平洋，胡照廣.松花江河漫灘相軟土的巖土工程性質試驗研究[J].森林工程，2014，30(4)：138-140.

[11]黃 戡，彭建國，劉寶琛，等.數理統計在確定巖土參數標準值中的應用研究[J].公路工程，2010，35(2)：62-64.

[12]張志超，李 萍，許金良.基于ArcGIS的山東省公路巖土區劃研究[J].公路工程，2014，39(1)：263-268.

[13]李春寶，薛世峰，劉曉輝.用于分層渦壓擠擴填料加固處理地基的設備及方法：中國，2014101134357[P].2014-03-25.