一種大扭矩螺桿鉆具的研制與應用

楊 鑫/YANG Xin

（沈陽鉆探機械研制中心，遼寧 沈陽 110122）

自20世紀80年代以來我國建筑工業逐漸快速發展，各種樁工機械廣泛應用于鐵路、公路、高層建筑等領域。樁基礎的形式更加多樣化，向更大更深的方向發展，目前應用在樁基礎成孔領域的鉆具有長螺旋鉆具、螺桿鉆具，旋挖鉆具等，螺桿鉆具以適應地質條件變化，無泥漿污染，施工周期短[1]等優點被廣泛應用，但受結構強度限制，僅應用于中小扭矩鉆機。

本文研究內容是設計一種大扭矩螺桿鉆具，鉆孔直徑600mm,可承受扭矩達460k Nm，并在實際運用中具有良好的鉆進效率，取得的單樁豎向承載力滿足設計要求，為鉆具設計開發提供參考。

1 螺桿鉆具工作機理

螺桿鉆具是鉆機上用于形成螺紋樁（屬于擠土灌注樁）的主要部件。螺桿鉆具的管壁上附有螺紋，在鉆具向下旋入土層成樁過程中，通過特制的螺紋對樁周土體進行螺旋狀擠壓，隨著鉆孔深度的增加，鉆具受到的扭矩和豎向阻力也在加大；在鉆具提升旋出土層過程中，鉆具每旋轉一周，提升一個螺距，同時鉆桿芯管泵送出混凝土，填滿由鉆桿螺旋提升產生的螺紋孔。當鉆桿提升到螺紋設計高度后，迅速提升出土層，同時停止泵送混凝土。

2 鉆桿設計

2.1 結構介紹

鉆桿上部為圓柱直桿，下部為帶有葉片的螺紋桿，底部安裝鉆頭（圖1）。在工作中，鉆桿主要受扭矩、加壓力與起拔力的作用，同時還受交變應力的作用。為滿足鉆桿的抗扭強度和抗拉強度，螺桿鉆具采用內心中空，內外套管的形式。這種結構既可以保證鉆具減輕重量，在成孔同時通過鉆桿芯管從鉆頭噴出混凝土直接成樁，又不影響鉆具提供大扭矩輸出。

圖1 鉆具結構

利用這種內心中空，外壁附有螺紋的結構，鉆機可以擠壓成孔，中心壓灌混凝土護壁和成樁合三為一，與長螺旋鉆具相比，其設備操作更簡單，施工效率進一步得到提高。

通過特制的螺紋對樁周土體進行螺旋狀擠壓，改善樁間土體物理力學性能，從而有力提高樁側阻力和減小地基土沉降。

2.2 鉆具的設計要求

螺桿鉆具的長度，由樁基礎設計深度決定。鉆具鉆進較深土層后，考慮受硬地質層影響，樁機需要對鉆桿進行加壓鉆進，隨鉆頭掘進深度增加，鉆桿受到扭矩加大，要求鉆具受加壓力后滿足抗扭強度、剛度的要求，同時在提鉆過程中滿足抗拉強度要求，且具有一定的耐磨性。

2.2.1 鉆桿尺寸設計

該鉆具將應用于提供扭矩T=460k Nm的螺桿鉆機上，加壓力P=160k N，起拔力F=600k N，500mm和600mm直徑鉆具，計算鉆桿扭轉受力公式[2]

式中 Wt—抗扭截面模量，mm3，

Tmax— 鉆具所受最大扭矩，k Nm，取

Tmax＝1.25T＝575k Nm；

τmax— 工作中最大剪應力，MPa；

[τ]—許用剪應力，MPa；

Ip——截面慣性矩，mm4， ;

G—剪切彈性模量，取80GPa；

φmax— 單位長度上兩截面的相對轉角的

最大值，°/m；

[φ]——許用扭轉角，°/m。

鉆具要求具有耐磨性和疲勞強度，以及與接頭的可焊性，試選用27SiM n，[τ]取321.15MPa，由公式(1)求得Wt≥1 790 440.6 mm3時，滿足鉆桿扭轉強度要求。

鉆桿尺寸需要考慮以下因素：①鉆具接頭與鉆桿聯接處結構的各部件強度；②實際可購買到的鉆桿尺寸；③各規格鉆具的通用性。經過多次設計驗算，圖1中鉆桿選用規格?351×18的管材，Wt=2.98×106mm3，Ip=523 554 836.8mm4，=192.74MPa<[τ]，滿足鉆桿強度條件。由公式2計算得φmax＝0.787°/m。

由于鉆具包括鉆桿、公母接頭，沒有具體的理論計算指導鉆具的剛度計算，故對鉆具的剛度計算，取圓柱段鉆桿長1 990mm作為研究對象，假設鉆桿各零件為剛體，建立有限元模型，啟動Solid W orks Simulation程序模擬鉆具實際受力變形情況，建立靜態研究算例，添加材質，約束，外部載荷，對部分應力較大位置進行網格控制，網格化后劃分單元總數105 246，節點數104 520。求出鉆具在加壓力P和扭矩Tmax作用下，鉆桿接頭標注處（圖2）圓周上最大位移2.172mm，即表明鉆具兩端面圓周方向上的相對位移為2.172mm，換算出鉆具φ′max=0.36 °/m<φmax。鉆具工作時，鉆桿、公母接頭同時受扭轉和加壓力，這比鉆桿單獨受同樣扭矩和加壓力作用的變形要小，故φ′max<φmax，建立的有限元模型符合實際。參考一般傳動軸的[φ]值，取[φ]＝0.7°/m，φ′max<[φ]，故實際工作狀態滿足剛度要求。

在鉆具下鉆過程中，鉆具受扭矩和豎向加壓

圖2 鉆桿位移圖

力作用，運用第四強度理論[3]

式中 P—加壓力，P＝160 000N；

A—鉆桿的橫截面，A＝18 821.16mm2；

τ—鉆桿受的剪應力,τ=τmax=192.74MPa；

σ—鉆桿所受壓應力，MPa；

[σ]— 許 用 拉 應 力 ， 2 7 S i M n[σ]取642.3MPa。

2.2.2 葉片設計

圖3所示為鉆具下鉆過程中鉆具受力分析示意圖。由于鉆桿上螺紋的存在使得鉆具下鉆過程中受到Qs、Qpt、Qsi、Qp的作用，其中Qs為圓柱段受側摩阻力，Qpt為螺旋葉片下端側摩阻力，Qsi為螺旋葉片外側摩阻力，Qp為鉆尖阻力[4]。葉片對鉆具周圍土體進行擠壓時要承受Qpt、Qsi，要求葉片具有較高耐磨性，且葉片與鉆桿焊接強度要求高，故選用低碳錳合金鑄成葉片，運用合理的焊接工藝，焊于鉆桿上。

圖3中，Qpt垂直于螺旋葉片下端面，意味著Qpt在鉆桿軸向和徑向上有分力，即下鉆擠土過程中鉆具受周圍土體對鉆具葉片徑向壓力，和垂直于地面的鉆桿軸向阻力。隨著鉆桿上d值的增大，需要合理設計葉片截面梯形的上下底面尺寸，使得鉆具下鉆過程中，不會因為Qpt軸向或徑向的分力過大，影響鉆具工作。

2.2.3 其他部分設計

較以往接頭設計采用六方體結構不同，為滿足低速大扭矩的要求，鉆具接頭采用公接頭的外八方體，母接頭為內八方體的結構形式。利于鉆具在出現卡鉆等突發施工事故時，接頭可以承受瞬間大扭矩輸出。每個鉆桿兩端分別配有公母接頭，上下鉆桿上的公母接頭插接后，用固定銷5將公母接頭固定后鉆具可進行鉆孔工作，見圖1（A-A）。鉆具拆卸時，需要去除固定銷，再將公母接頭分開。這種結構使鉆桿的安裝誤差較小，在鉆桿尺寸有限的情況下傳遞扭矩大，有足夠疲勞強度和抗扭強度避免鉆桿失效。

鉆頭底端配有母接頭與鉆具上公接頭插接用固定銷定位，在鉆具提升和加壓過程中，公母接頭對固定銷有剪切，設計時應校核其剪切強度，并滿足經常拆卸的要求。

3 成樁檢測結果

在凌源市某高層建筑應用直徑?500mm和?600mm螺桿鉆具施工，工地地質條件見表1。

表1 凌源市某高層建筑工地地質條件

根據該地區巖土工程勘察報告，施工規范要求：①螺旋擠土灌注樁，砼強度等級為樁身C30，保護層厚50，墊層C15；②樁端持力層強風化砂頁巖5層，單樁豎向抗壓承載力特征值P分別為D=500mm時P=3 250k Pa，D=600mm時P=4 500k Pa。經成樁檢測報告，進行靜載試驗檢測到的螺旋擠土灌注樁滿足抗壓和抗拔承載力設計要求。

4 結 論

本文以460k Nm螺桿樁機配套的螺桿鉆具為設計研究對象，以鉆具強度滿足低速大扭矩的工作條件為出發點，通過受力分析，將原有螺桿鉆具連接處六方體結構設計成八方體結構，以滿足低速大扭矩螺桿鉆具在加壓鉆進時對鉆具自身強度剛度的要求。通過SolidW orks Simulation程序模擬和現場施工情況表明，該鉆具設計思路合理，鉆桿及其主要部分設計滿足工況要求，為低速大扭矩螺桿鉆具的設計提供了依據。 O

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

[2] 翁 煒，黃玉文，胡繼良，等．旋挖鉆機鉆桿失效形式分析及制造工藝[J]．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，(10)：38-39，49．

[3] 李志毅，劉 鐘，趙琰飛，等．螺旋擠土樁鉆頭優化分析[J]．同濟大學學報，2011，39(8)：1145-1149．

[4] 賈志杰．新型預制螺桿樁受力特性分析[D]．沈陽：東北大學，2006．