大直徑螺桿樁機變徑鉆具的結構設計

應立軍，陳華，劉海紅

(1.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075；2.中南大學 高速鐵路建造技術國家工程學院，湖南 長沙 410075)

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大直徑螺桿樁機變徑鉆具的結構設計

應立軍1，2，陳華1，劉海紅1

(1.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075；2.中南大學 高速鐵路建造技術國家工程學院，湖南 長沙 410075)

摘要:為降低螺桿樁機的鉆進阻力，實現大直徑螺桿樁的施工，提出一種直桿段直徑小于螺紋段直徑的鉆具結構。通過對樁體和鉆具進行受力分析，以鉆進功率與樁體螺紋段承載力之間的比值最小化為目標函數建立優化模型，并采用MATLAB和ANSYS軟件對模型進行計算和仿真，設計一款符合施工要求的大直徑變徑鉆具。結果表明：本文設計的變徑鉆具不僅使樁體螺紋段承載力提升25%，同時使鉆進功率至少降低了16%。此外，變徑鉆具的構造外型還可以擴展樁機的成樁范圍，使“一機多樁”成為可能。

關鍵詞：螺桿樁機；鉆具；結構；變徑

20世紀60年代，在歐美各國著力研究螺紋式異型樁技術的同時，我國也開始帶有螺紋的異型灌注樁的研究，并在20世紀90年代取得突破，形成了具有我國特色的擠土式螺桿灌注樁。螺桿樁是一種特殊的異型樁，具有單樁承載力高、節省工程材料、施工時無需護壁等優點，是一種值得在工程中推廣的新型樁基礎形式[1-2]。螺桿樁綜合了長螺旋灌注樁和鋼纖維混凝土全螺紋預制樁的優點，因螺紋鉆桿螺牙間的泥土取代了部分混凝土，同樁徑同樁長螺桿樁混凝土用量只有傳統光面圓柱樁的60%～70%，但提供的承載力卻是光面圓柱樁的1～4倍[3-6]。盡管螺桿樁具有以上優點，但受限于目前螺桿樁施工設備的制造水平，導致螺桿樁在現代工程建設中沒有得到廣泛應用[7-8]。螺桿樁機制造水平的不足，主要體現在2個方面：第一，現有設備提供的動力不足，鉆孔無力；第二，鉆具剛度不足，鉆孔時容易變形。導致螺桿樁的運用在樁徑、樁深以及施工地質3個方面大受限制。目前工程建設過程中使用的螺桿樁大都為300～700 mm的中等直徑樁，可施工樁深也不超過30 m，使螺桿樁不能承擔一些大重型建筑的承載任務[9]。此外，螺桿樁對施工地質也有較嚴格的要求，只能適應淤泥質黏土、粉土、黏土、粉質黏土、中細沙、粒徑小于20 cm沙礫石層以及強風化泥巖層等較為松軟的地層施工[10]。為提高螺桿樁機的制造水平，實現大直徑螺桿樁的施工，在現有螺桿樁機鉆具的基礎上進行相關優化，提出了一種直桿段直徑小于螺紋段的變徑鉆具結構，并建立相應模型對此變徑鉆具進行結構設計和強度計算，最后設計了一款成樁性能好、鉆進阻力小的大直徑變徑鉆具。

1鉆具的結構外形

造成螺桿樁機鉆進阻力過大的原因有2個方面：一方面是擠土成樁，樁土間壓力過大；另一方面由于現有鉆具施工過程中，樁土間接觸面積過大，如圖1(a)所示。據統計，鉆具的鉆進阻力有過半是由直桿段外壁與樁周土體之間的摩擦產生。針對這一現象，本文對現有鉆具進行改進，提出一種直桿段直徑小于螺紋段的變徑鉆具結構，如圖1(b)所示。改進后的變徑鉆具，其直桿段外徑明顯小于螺紋段，可以有效避免直桿段外壁與樁周土體接觸，從而降低鉆進阻力，為大直徑螺桿樁機的研發提供了基礎。

圖1　鉆具構型對比Fig.1 Comparison of drilling tool configuration

2鉆具的結構設計

2.1鉆具的受力分析

由于變徑鉆具的特殊構型，直桿段與過渡段的側摩阻力可以忽略不計。鉆具受力可分為4個部分：1)螺紋段凹、凸螺紋壁上的阻力和阻力矩；2)螺紋段螺齒上下底面上的阻力和阻力矩；3)鉆頭底面所受的阻力和阻力矩；4)鉆具自重以及慣性矩。

2.1.1螺紋段凹、凸螺紋壁上的阻力F1和阻力矩M1

圖2　螺紋段受力示意圖Fig.2 Force diagram of threaded section

圖3　螺紋段外形參數Fig.3 Configuration parameters of threaded section

第i層土中任意深度z的壓力：

(1)

擠土樁的徑向擠壓應力[11]：

(2)

其中S為土壤的抗剪強度。

S=ci+σ0iztanφi

(3)

螺紋段外壁任意點的摩阻力：

τ1=fiσiz

(4)

任意深度的凹螺紋上所受摩阻力：

(5)

任意深度的凸螺紋上所受摩阻力：

(6)

由公式(4)～(6)可得：

(7)

(8)

式中：μi,Ei,ci和φi分別為第i層土的泊松比、變形模量、黏聚力以及內摩擦角；fi為鉆具與土層之間的摩擦系數，黏性土取1/3tanφ，砂性土取(1/4～1/5)tanφ[12]；Hi為第i層土的厚度；l1,l2和l3為直桿段長、過渡段長和螺紋段長；p,d,D,h1和h2分別為鉆具螺紋段的導程、內徑、外徑、齒頂厚以及齒根厚；m和n分別為螺紋段上下端所處土層序號。

2.1.2螺紋段螺齒上下底面上的阻力F2和阻力矩M2

螺齒上下底面任意點的摩阻力：

τ2=fiσizsinα

(9)

螺齒上下底面上任意深度的摩阻力：

dFz=(D-d)fiσizdz

(10)

螺齒上下底面上任意深度的阻力矩：

(11)

由公式(9)～(11)可得：

(12)

(13)

式中：α為螺紋牙側角；

2.1.3鉆頭底面所受的阻力F3和阻力矩M3

圖4　鉆頭底面受力示意圖Fig.4 Force diagram of drilling bit bottom

(14)

(15)

式中：θ為鉆頭圓錐半角，θ=60°；λd為鉆頭任意直徑處螺旋升角；ρ為錐面上任意點到錐頂的距離。

2.1.4鉆具自重F4以及慣性矩M4

(16)

(17)

式中：ρ0為鉆具材料的密度；δ為鉆具壁厚，δ≥20 mm[10]；l為鉆具總長，l=l1+l2+l3。

綜上所述，為使樁機符合螺桿樁的施工要求，卷揚機需要提供的最大提拔力F和動力頭需要輸出的最大扭矩M可表示如下：

F=F1+F2+F3-F4

(18)

M=M1+M2+M3+M4

(19)

2.2工況設定

如圖5所示，螺桿樁由上部的直桿段和下部的螺紋段構成，本文中設定樁體螺紋段長度占整樁長度的2/3[13]。

圖5　螺桿樁施工土層概況Fig.5 Construction soil profile of screw pile

為確保設計鉆具的動力和強度足以完成所有工況的施工，通過對螺紋樁適用地質條件以及建筑地基土層概況的統計分析，本文特選定圖5所示工況，土層參數如表1所示[14]。

為簡化計算，設定圖5所示工況各土層厚度相等，即H1=H2=…=H6=H。

表1　土層參數

注：1.表中數據根據《建筑地基計算原理與實例》的附表進行取值；

2.為確保設計鉆具的動力和強度足以完成所有工況的施工，表中數據選用自然條件下的最大值。

2.3鉆具的參數優化

2.3.1目標函數

樁機鉆具性能的優劣，主要體現所成樁體的承載性能和鉆進功率2個方面。一款性能優異的鉆具不僅要求所成樁體具有良好的承載性能，同時要求較低的鉆進功率。此外，螺紋樁的承載性能主要體現在樁體螺紋段上，所以本文以樁體螺紋段承載力最大化和鉆進功率最小化為設計目標。但由于對這二者進行優化設計所涉及的變量具有相關性，不能同時達到最優。為使本文所設計的鉆具具有較強的綜合性能，這里以鉆進功率與樁體螺紋段承載力之間的比值最小化為目標函數。

樁體螺紋段的承載力N表示如下：

N=N1+N2

(20)

N1為螺紋段土體的摩阻力：

(21)

N2為螺紋段土體的剪切阻力：

(22)

其中L為任意深度的土體內螺紋與樁體之間的接觸長度。

(23)

此外，由于功率與轉速相關，本文不方便量化表示，為簡化計算，這里以鉆具以最大鉆進功率旋轉1周所做功代替。

鉆具以最大鉆進旋轉1周所做功為：

W=F·p+M·2π

(24)

因此，對鉆具結構參數進行優化設計時的目標函數可表示如下：

(25)

2.3.2約束條件

本次優化過程中，以鉆具螺紋段內徑d，直桿段外徑d1，直桿段內徑d0，螺距p，螺齒齒頂厚h1以及齒根厚h2作為設計變量。

1)螺齒的尺寸應符合公式[9]：

40 mm≤h1≤50 mm

(26)

80 mm≤h2≤100 mm

(27)

2)鉆具內徑應符合公式[15]：

(28)

3)螺齒的寬厚比應滿足公式[13]：

(29)

4)為確保足夠的承載力，螺紋必須達到其自鎖條件，結合表1中樁土之間的摩擦因數，螺紋牙側角需滿足公式：

(30)

5)螺距與樁徑應滿足公式[2]：

(31)

6)當樁徑為800～1 200 mm時，直桿段內徑應滿足公式：

d0≥150mm

(32)

7)鉆具壁厚應滿足以下公式[10]：

d1-d0≥40mm

(33)

此外，為確保設計的鉆具符合施工要求，需對鉆具的強度、剛度和穩定性進行分析。

8)鉆具強度校核

由于工程機械通常受不穩定載荷，所以采用第三強度理論進行校核。

鉆具最大拉應力：

(34)

鉆具最大切應力：

(35)

由公式(34)～(35)可得：

(36)

式中：d0為直桿段內徑；σs為鉆具屈服強度(鉆具材料選取16 Mn，σs=345MPa)；nst為鉆具安全系數，取2～4[16]。

9)鉆具剛度校核

鉆具的單位長度內最大扭轉角ψ要滿足以下公式：

(37)

式中：G為鉆具切變模量，G=80GPa；IP為鉆具的極慣性矩；[ψ]為單位長度需用扭轉角，取0.5°～1°[17]。

10)鉆具穩定性校核

為確保鉆具的穩定性，應滿足以下公式：

(38)

式中：E為鉆具的彈性模量，E=210GPa；I為鉆具的慣性矩；μ為長度因素，本文可視為一端固定，一端鉸接，μ=0.7。

2.3.3優化模型

經整理后，鉆具結構參數的優化模型如下：

X=(d d1d0p h1h2)T

2.3.4模型計算與結果分析

在上述模型中代入相應的樁徑和樁長，采用MATLAB編程對優化模型進行計算，得到如表2數據。

表2　鉆具結構參數優化結果

統計并分析表2中數據可以看出，為使鉆具具有較強的成樁性能，其部分參數應滿足下述公式：

(39)

根據現有螺桿樁資料，800 mm螺桿樁的基本尺寸如下：d=600 mm，p=440 mm，h1=50 mm，h2=100 mm。

將上述螺紋參數與本文優化后參數分別代入模型進行計算，經過優化后，螺桿樁螺紋段的承載力在現有基礎上提高了約25%，如圖6所示。

圖6　螺紋段承載力隨樁深的變化Fig.6 Bearing capacity of threaded section changes with pile depth

依據表2中數據并結合現有設備制造水平，選取鉆具的極限工況為：D=1.2 m，L=48 m，因此鉆具直桿段的設計尺寸為：d0=0.63m,d1=0.67m。

將上述優化結果代入模型，分別計算鉆具變徑前后的功率變化，如圖7～8所示。從圖中可以看出，變徑鉆具旋轉1周所做功有明顯減少。采用變徑鉆具至少能使鉆進功率降低16%。

圖7　鉆具旋轉1周所做功隨樁深的變化Fig.7 Changes of work of drilling tool screw in a round with pile depth

圖8　鉆具旋轉1周所做功隨樁徑的變化Fig.8 Changes of work of drilling tool screw in a round with pile diameter

從表2中數據可以看出，直桿段外徑為0.67 m時，遠小于表中任意螺紋內徑。即此時施工0.8～1.2 m任意樁徑的螺紋樁，直桿段外壁都不會與樁周土體接觸，可以避免破壞樁孔輪廓。

同時，當直桿段設計尺寸為：d0=0.63m，d1=0.67m時，鉆具在強度、剛度以及穩定性3個方面完全滿足樁徑1.2 m以下，深度48 m以下螺桿樁的施工要求。

綜上所述：當直桿段外徑為0.67 m時，僅通過更換鉆具下部的螺紋段和鉆頭，就可以使樁機滿足樁徑0.8～1.2 m，樁深24～48 m的任意大直徑螺桿樁的施工。

3仿真計算

為驗證上文中設計的鉆具是否符合實際的施工要求，本文采用有限元分析軟件ANSYS建立了相應的實體模型，分析計算鉆具的強度和剛度性能。

3.1模型建立

本文設計的是一款變徑鉆具，直桿段直徑較小，抗變形能力較弱，所以這里主要對鉆具的直桿段進行仿真計算。并參照鉆具達到最大深度時的工況設定相應的力學模型，此時鉆具所受的阻力以及阻力矩達到最大，最能體現鉆具的強度以及剛度性能。在此工況下，螺紋段被土壤緊密擠壓可以看成固定在土壤中，而鉆具頂面與動力頭之間的相互連接，可以看作鉸接。因此在鉆具與動力頭連接的頂面上施加UX和UZ的方向約束。螺紋段上施加固定約束。

3.2模型參數

如上文所述，鉆具直桿段的參數為：長度43 m，內徑630 mm，外徑670 mm。鉆具上施加的阻力和阻力矩如表3所示，扭矩為858.1 kN·m，卷揚加壓力為538.4 kN。鉆具所用材料為16 Mn，材料屬性如表4所示。

表4　16Mn材料屬性表

3.3模型求解

依據直桿段參數，采用ANSYS軟件建立實體模型，劃分實體單元網格。然后輸入材料的屬性參數和約束條件，計算得出鉆具的應力云圖和位移云圖，如圖9～10所示。

圖9　鉆具的應力云圖Fig.9 Stress nephogram of drilling tool

圖10　鉆具的位移云圖Fig.10 Displacement nephogram of drilling tool

通過圖9可以看出，鉆具上的最大應力為38.34 MPa，遠小于鉆具材料的屈服強度。通過圖10可以看出，鉆具的最大位移為81.51 mm。為更清晰地了解鉆具直桿段各個部位的位移大小，從鉆具頂部開始向鉆具底部進行位移探測并繪制曲線如圖11所示。從圖11中的位移探測云圖可以看出鉆具的變形從底部向頂部逐漸擴大，頂端變形最大。通過比較可以得到，鉆具的最大變形依舊小于鉆具直桿段外壁與樁周土體之間的距離，所以在鉆進過程中鉆具直桿段外壁不會與樁周土體接觸，從而破壞樁孔輪廓。

圖11　位移探測云圖Fig.11 Nephogram of displacement detection

綜上所述，本文設計的鉆具無論從強度條件上還是剛度條件上都符合實際的施工要求，具有良好的成樁性能，是一款合格的大直徑螺桿樁機鉆具。

4結論

1)以鉆具的鉆進功率與抗體螺蚊段承載力之間的比值最小化為目標，在滿足螺桿樁承載可靠的前提下優化鉆具螺紋參數，使樁體螺紋段的極限承載力提升約25%；

2)以鉆具的鉆進功率與抗體螺紋段承載力之間的比值最小化為目標，在滿足鉆具強度、剛度以及可靠性的前提下優化鉆具直桿參數，使得鉆具的鉆進功率至少降低16%。說明變徑鉆具的構造外型可以有效的降低鉆進阻力，減少樁機的動力需求；

3)鉆具變徑的構型理念，可以擴展樁機的成樁范圍。當直桿段外徑為0.67 m時，僅通過更換鉆具下部的螺紋段和鉆頭，就可以使樁機完成樁徑0.8～1.2 m，樁深24～48 m的任意大直徑螺桿樁的施工，使“一機多樁”成為可能。

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(編輯陽麗霞)

Structure design of the variable diameter drilling tool of large diameter screw pile machine

YING Lijun1，2，CHEN Hua1，LIU Haihong1

(1.School of Traffic &Transportation，Central South University，Changsha 410075，China；2.National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:To reduce the drilling resistance of the screw pile driver and implement the constructionof large diameter screw pile, this paper puts forward a kind of drill tool structure of which the straight rod section diameter is less than the threaded section. Through the force analysis of pile body and drilling tools, the optimization model were built, taking the ratio of the drilling tool power to the pile body bear capacity to the minimum as objective function. After using the MATLAB and ANSYS software for model simulation, a large diameter drilling tool of which diameter could varies and function meets the requirements of the construction was designed. Results show that: the variable diameter drilling tool designed in this paper make not only the bearing capacity of pile thread section increase by 25% but also the drilling power decreaseby more than 16%. In addition, the structure of the variable diameter drilling tools can also extend the range of pile forming and made it possible to be the "multipurpose machines".

Key words:screw pile driver；drilling tool；structure；variable diameter

中圖分類號：TU6

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0544-08

通訊作者：應立軍(1964-)，男，浙江東陽人，副教授，博士，從事鐵路工程機械養路機械研究；E-mail:csycylj@163.com

基金項目：國家自然科學基金面上項目(71273283)

收稿日期：2015-09-07