防汛搶險螺旋樁體仿生曲面試驗研究*

呂有界，王玉興

（1.廣州航海高等專科學校，廣東 廣州 510725；2.華南農業大學，廣東 廣州 510642）

在大量的防汛搶險和流域治理方法和措施中，沉樁作業是必不可少的手段，主要用于堤壩加高、掛柳護堤、掛簾堵漏、決口設障、掛船及掛纜作業等。為了提高沉樁效率，降低沉樁勞動強度，文獻[1]研制了一套螺旋樁機系統。為了進一步降低擰入防汛搶險螺旋樁動力消耗，降低電機功率，從而在一定程度上減少電機重量，提高螺旋樁機的便攜化性能，根據典型土壤動物體表減粘降阻特性[2-4]對螺旋樁表面仿生處理成為必要。在過去的典型土壤動物體表減粘降阻特性的應用研究中，應用對象主要有推土板[5-6]、鏟斗[7]以及犁壁[8]等的上觸土表面，而其中的曲面形狀有球冠突起型、波紋型等。為了尋求適合防汛搶險螺旋樁的仿生曲面，通過臺車牽引試驗，針對平板、球冠突起曲面與波紋曲面，進行對比試驗研究，探索球冠突起曲面、波紋曲面的減粘降阻效果，為后續的防汛搶險螺旋樁仿生處理提供基礎。

1 試驗方法

根據設計要求以及相關試驗可知，螺旋樁在擰入過程中，除樁尖初始沉入時土壤被帶出，其余土壤被逐漸擠實。為了簡化試驗，螺旋樁螺旋葉片的擰入過程做如下簡化：把螺旋葉片展開成平面，螺旋葉片的入土過程簡化成作用有一定垂直面載荷的平板在土壤水平面的拖動摩擦過程。這樣，本試驗簡化為作用有一定垂直載荷的平板、球冠突起曲面與波紋曲面對比試驗，其試驗原理如圖1所示。

圖1 仿生試驗原理圖

整個試驗分兩大部分：第一部分為球冠突起曲面與平板對比試驗；第二部分為波紋曲面與平板對比試驗。

2 曲面結構參數確定

圖2 仿生曲面形狀結構

球冠突起型仿生曲面與波紋型仿生曲面如圖2所示，其中球冠突起型仿生曲面的結構參數如下：突起高度為1 mm，突起中心之間的距離為7 mm，突起的底面直徑為3 mm；而波紋型仿生曲面的結構參數如下：波紋型仿生曲面高度為3 mm，波紋型仿生曲面突起寬度為19 mm，波紋型仿生曲面兩突起之間間距為0 mm。

3 試驗設備與土壤條件

試驗在土槽試驗室進行。試驗過程中，利用臺車進行牽引，采用動態應變儀（型號為 ： NEC omnlaceⅡ RA1200）進行動態記錄，采用的拉壓傳感器為CLBS3，額定載荷為100 kg。試驗采用的土壤為，其試驗時的土壤含水率為26.57%，土壤表面50 mm，深度圓錐指數為0.483 MPa。

4 球冠突起型仿生曲面平板對比試驗結果分析

本次試驗臺車牽引速度為0.2 m/s，表面垂直載荷為426.3 N。球冠突起型仿生曲面（簡稱凸板）和平板牽引試驗均重復三次，進行對比。由于在所有試驗過程中使用相同的拉壓傳感器，其牽引力大小可以直接采用動態應變儀的讀數進行比較。各次重復的對比曲線圖如圖3所示。由圖可知，凸板所需牽引力大于平板所需牽引力，說明球冠突起型仿生曲面未能起到減粘降阻的效果。分析其原因，有：（1）由于球冠尺寸較小，在垂直載荷的作用下，球冠突起型仿生曲面與土壤的接觸面積相對平板來說，并沒有減少；（2）試驗發現，球冠突起型仿生曲面的迎土面都粘有土壤，這表明在臺車牽引過程中，球冠突起要克服土壤的阻力。

5 波紋型仿生曲面與平板對比試驗結果分析

圖4是波紋型仿生曲面與平板對比試驗曲線。由圖4可知，平板所需的牽引力大于波紋型曲面所需的牽引力，且波紋型曲面的牽引力的變化相對平板較為平穩。究其原因有：（1）平板在臺車牽引過程中，土壤的粘附作用面積大，當粘附作用積累到一定程度，土壤剪切破壞，阻力減小，從而整個牽引過程阻力不穩定；（2）由于波紋型仿生曲面的存在，在牽引過程中，波紋型曲面對土壤具有一定的振動作用（如圖5所示），在一定程度上減少土壤的黏附作用，并減少土壤的粘附積聚，從而使其阻力減小，并在整個牽引過程中阻力變化相對平穩。

圖3 球冠突起型仿生曲面與平板對比試驗結果

圖4 平板與波紋型仿生曲面的對比試驗曲線

圖5 波紋型仿生曲面牽引過程中土壤變形圖

6 結論

（1）在本文試驗條件下，尺寸較小的球冠突起型仿生曲面在一定壓力作用下未能起到減粘降阻的作用；

（2）通過與平板的對比試驗，表明波紋型仿生曲面在本試驗條件下具有一定的減粘降阻作用，為防汛搶險仿生螺旋樁的研制提供了實際參考。

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