渦壓擠擴(kuò)機(jī)理的提出及其在巖土工程中的應(yīng)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(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)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(lǐng)域中的諸多方面需要采用非開挖技術(shù)來實現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)體擴(kuò)徑，采用非開挖技術(shù)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(shù)來實現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)體擴(kuò)徑是多年來國內(nèi)外工程技術(shù)人員和科研人員頗感棘手的問題。以抗壓樁為例，擴(kuò)徑抗壓樁可大幅提高樁基礎(chǔ)承載力已成為不爭的事實，所以目前國內(nèi)外巖土工程界都在做擴(kuò)徑抗壓樁的研究，尤其是擴(kuò)徑樁的施工工藝研究，通過擴(kuò)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(kuò)徑樁的施工工藝，但上述擴(kuò)徑樁的施工工藝都各自存在著各種問題，阻礙了擴(kuò)徑樁的廣泛推廣。抗拔樁在抗拔時，主要是樁內(nèi)鋼筋受力和樁身與土體的側(cè)摩阻力，而接樁、鋼筋籠焊接質(zhì)量要求高，抗拔質(zhì)量無法保證，承載力既達(dá)不到要求，也不經(jīng)濟(jì)，并且現(xiàn)有做法中大部分要取原土，分為機(jī)械和人工挖孔，效率都比較低，質(zhì)量也難以保證[3]。為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，筆者提出了渦壓擠擴(kuò)機(jī)理[4，8-11]，設(shè)計了渦壓擠擴(kuò)鉆具，并在實驗室內(nèi)進(jìn)行了方向性驗證試驗，首次將渦壓擠擴(kuò)鉆具應(yīng)用于非開挖擴(kuò)徑的施工工藝中[5]。試驗表明：該方法和設(shè)備能有效地實現(xiàn)沿地下不同深度擠壓擴(kuò)徑的目的，施工所用的鋼套管可重復(fù)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(qiáng)度，降低土體的壓縮性，適用于各種砂性土質(zhì)和粘性土質(zhì)。

1 渦壓擠擴(kuò)機(jī)理介紹與試驗驗證

渦壓擠擴(kuò)機(jī)理是利用鋼套管在旋轉(zhuǎn)的過程中使渦壓腔內(nèi)的流態(tài)混凝土獲得動能和靜壓能(其中靜壓能占主導(dǎo))，獲得靜壓能的流態(tài)混凝土經(jīng)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(tài)混凝土在深度土層位置向水平方向擠擴(kuò)。此機(jī)理已在中國石油大學(xué)(華東)巖土工程實驗室內(nèi)得到驗證(如圖1所示)。運(yùn)用渦壓擠擴(kuò)機(jī)理實施擴(kuò)徑的過程中，石子被擠入到周圍土體中形成擴(kuò)徑體，能夠有效地擠密樁周土體；水泥漿被擠擴(kuò)帶入到周圍土體中與其凝結(jié)固化，起到了膠結(jié)土體的作用。樁體、擴(kuò)徑體和周圍的膠結(jié)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(qiáng)度得到了大幅度提高。

圖1 渦壓擠擴(kuò)機(jī)理的試驗驗證

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

圖2 粘性土介質(zhì)中扭矩-△r關(guān)系圖

圖3 砂性土介質(zhì)中扭矩-△r關(guān)系圖

由圖2和圖3的扭矩—△r關(guān)系圖可知：△r的大小與施加在鋼套管上的扭矩呈非線性關(guān)系，且決定于土的壓縮性。當(dāng)土在彈塑性區(qū)域范圍內(nèi)被充分?jǐn)D壓時，曲線最初是平緩上升，后期曲率突然變大，在擠擴(kuò)的后期即使增大扭矩也難以繼續(xù)擴(kuò)徑，此時的扭矩為渦壓擠擴(kuò)的極限扭矩。此時的土體最為密實，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大。

2 渦壓擠擴(kuò)機(jī)理的理論推導(dǎo)

通過分析渦壓腔內(nèi)流態(tài)混凝土的流動趨勢可知混凝土沿徑向有較大的運(yùn)動趨勢，為了能夠?qū)崿F(xiàn)渦壓擠擴(kuò)混凝土到周圍土體中，還需要分析渦壓葉片、流態(tài)混凝土以及周圍土體的受力關(guān)系。建立了三者的力學(xué)模型，討論混凝土介質(zhì)(以粗骨料為主)向土體介質(zhì)中擠入的力學(xué)條件。

取圖4中A點(diǎn)為研究對象，進(jìn)行力學(xué)分析。瞬時運(yùn)動時，渦壓葉片與周圍土體的運(yùn)動可視為平行運(yùn)動的關(guān)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(yùn)動狀態(tài)，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(yùn)動關(guān)系，即粗骨料向可壓縮土體內(nèi)的擠入路徑和擠入條件。

圖4 渦壓腔內(nèi)部流體微元跡線圖

圖5 粗骨料向土體擠入的力學(xué)模型

等效剛體與剛性圓球之間的摩擦系數(shù)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(shù)為μ2，法向力為N2，摩擦力為f2，受力關(guān)系如圖4所示。

由平衡關(guān)系可知：

μ1N1cosθ+N1sinθ=μ2N2。

(1)

由圖4中剛性圓球的受力關(guān)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(dǎo)如下：

μ2N1cosθ>μ1μ2N1sinθ+μ2N1cosθ+N1sinθ

μ2cosθ>μ1μ2sinθ+μ1cosθ+sinθ

(μ2-μ1)cosθ>(1+μ1μ2)sinθ

(3)

3 渦壓擠擴(kuò)法實施擴(kuò)徑擬使用的設(shè)備

渦壓擠擴(kuò)法實施擴(kuò)徑擬使用的施工設(shè)備主要由擠擴(kuò)設(shè)備和樁架兩部分組成[4，8，10]，擠擴(kuò)設(shè)備包括渦壓鋼套管、渦壓腔、預(yù)制混凝土引導(dǎo)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(shè)置為開口，頂部設(shè)置與旋扭設(shè)備匹配的齒輪；靠近鋼套管底部設(shè)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(shè)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(huán)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(diǎn)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(diǎn)分別與渦壓腔出口的豎向側(cè)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(tài)混凝土沿水平方向向外擠壓；為了使混凝土引導(dǎo)頭恰好能嵌入鋼套管底部，將鋼套管底部的內(nèi)外徑尺寸設(shè)計為與預(yù)制混凝土引導(dǎo)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(yù)制混凝土引導(dǎo)脫離，如圖6(b)和(e)所示；旋轉(zhuǎn)齒輪作為錘擊套管和旋扭套管的傳力裝置，其內(nèi)側(cè)為光圓柱面，外側(cè)設(shè)有嚙合齒，旋轉(zhuǎn)齒輪的內(nèi)徑與鋼套管的外徑相同，旋轉(zhuǎn)齒輪的頂面與鋼套管的頂面齊平，旋轉(zhuǎn)齒輪箍焊在鋼套管的頂部外側(cè)，如圖6(b)和(f)所示。

圖6 渦壓擠擴(kuò)設(shè)備

4 渦壓擠擴(kuò)法擴(kuò)徑擬采用的工藝流程

利用前述的渦壓擠擴(kuò)設(shè)備進(jìn)行渦壓擴(kuò)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(yù)制混凝土引導(dǎo)頭對準(zhǔn)要錘管入土的部位，將鋼套管座落于引導(dǎo)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(dǎo)頭一同打入土層至預(yù)定標(biāo)高。

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

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

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

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

根據(jù)工程需要擴(kuò)徑的數(shù)量，重復(fù)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(kuò)徑的土層處理完畢之后，將流態(tài)混凝土灌注到鋼套管內(nèi)部至地面位置，緩慢拔出鋼套管。

圖7 渦壓擠擴(kuò)法實施非開挖擴(kuò)徑的工藝流程圖

5 結(jié) 論

首次提出并在實驗室內(nèi)驗證了“渦壓擠擴(kuò)機(jī)理”，使用自制的擠擴(kuò)環(huán)境箱在實驗室內(nèi)分別對粘性土和砂性土進(jìn)行了擠擴(kuò)試驗，定義了“渦壓擠擴(kuò)機(jī)理”中所用到的擴(kuò)徑比和極限扭矩，結(jié)果表明：通過渦壓擠擴(kuò)方法可使模型樁的直徑擴(kuò)大至1倍以上，實現(xiàn)了擠密土體、增加土體抗剪強(qiáng)度的目

的。分析渦壓葉片、流態(tài)混凝土以及周圍土體的受力關(guān)系，得出混凝土介質(zhì)向土體質(zhì)中擠入的力學(xué)條件。綜合分析表明，采用渦壓擠擴(kuò)法實施非開挖擴(kuò)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(zhì)條件下的現(xiàn)場試驗來量化其承載能力，為將來渦壓擠擴(kuò)法實施擴(kuò)徑的設(shè)計和施工提供依據(jù)。所提出的渦壓擠擴(kuò)設(shè)備設(shè)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(shè)備與現(xiàn)行的設(shè)備兼容性好，略加改造即可用于本方案，該方法可應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)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。

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