防汛搶險螺旋樁機系統及樁體表面仿生研究

韓天+陳哲+楊二強

【摘 要】本文介紹了防汛搶險螺旋樁及其沉樁設備，并根據螺旋樁結構與應用特點，結合典型土壤動物表面減粘降阻特性，提出對螺旋樁螺旋葉片進行表面仿生處理。

【關鍵詞】防汛搶險；螺旋樁；仿生；研究

在充分考慮我國防汛搶險樁機研究現狀的基礎上提出了新型的防汛搶險螺旋樁機系統，然后結合國內外沉樁過程樁土作用研究現狀和仿生防粘減阻研究現狀，圍繞“如何降低沉樁設備動力消耗提高防汛搶險螺旋樁機系統的便攜性和機動性”展開了一系列的研究工作。

一、防汛搶險螺旋樁機

螺旋樁結構參數根據螺旋樁結構，假設螺旋樁圓錐部分起始螺旋內徑為d，圓柱部分螺旋內徑為 d，圓柱部分螺旋外徑為d，均保持不變，整個螺旋的葉片寬度為B，螺旋導程為λ，螺旋頭數為ns，圓錐部分螺旋高度為Hs1，圓柱部分螺旋高度為Hs2，據此可得 ：圓柱部分螺旋中徑處的螺旋線總長Ls1 為 ：

圓錐部分螺旋中徑處的螺旋線的總長Ls2 為

設圓錐的錐角為 2θ ，則其滿足以下關系式：

二、螺旋樁沉樁試驗研究

（一）試驗方法及設備

整個試驗采用單因素試驗，試驗因素與水平見表1，基本水平為單頭、導程為lOOmm、圓柱直徑為lOOmm。試驗過程所采用的樁號及其結構參數如表2所示試驗以每次螺旋樁沉樁過程中所需最大扭矩作為試驗指標。

本試驗在螺旋樁的無螺旋圓柱部分一定位置根據貼應變片組成扭矩測試全橋電路，對所有的樁進行標定，然后借助動態應變儀進行數據采集，從而對螺旋樁擰入過程中所受扭矩進行動態測試，并根據測試數據得出每次螺旋樁沉樁過程所需的最大扭矩。另外，土壤條件的一致性對試驗結果具有一定的影響。為了最大程度地減少土壤條件對整個試驗的影響，試驗前對試驗場地的土壤重新整理，包括翻土、均勻壓實，最終形成一個4500ram×2500ram×1O00mm的土壤性質相近的土體，其土壤平均含水率為21.87%。然后對試驗場地進行分區，并在相應位置安排沉樁試驗。

（二）沉樁試驗結果與分析

通過試驗，得出動態應變儀在各種樁型沉樁過程中的最大讀數，進而根據各樁型的標定曲線得出各樁型沉樁過程所需最大扭矩，可得出螺旋頭數、螺旋導程、圓柱直徑對沉樁過程所需最大扭矩的影響規律雙頭螺旋樁所需最大扭矩較大；沉 樁過程中所需最大扭矩隨著螺旋導程增大而減小，隨著圓柱半徑的增大而增大。 這與前述理論關系曲線所得結論是相符的。

三、仿生曲面試驗

（一）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。另外在試驗過程中發現，在螺旋樁擰入過程中，樁尖以及螺旋葉片上表面磨損程度較大，表明樁一土主要作用面為樁尖表面和螺旋葉片上表面。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，螺旋葉片的仿生曲面試驗簡化為平板的仿生曲面試驗考慮到實際應用時螺旋葉片仿生曲面的加工性，試驗時仿生曲面采用波紋型仿生曲面，一般來說，H≤4mm。據此，對于波紋型仿生曲面，選取H=3zz叼，而參數Ll和L2作為試驗因素進行考慮。試驗時，考慮到波紋型形狀尺寸、螺旋樁的旋轉速度、葉片表面垂直載荷對樁土作用的影響，試驗因素確定為波紋板斷面參數L1、L2、臺車的牽引速度V以及葉片表面垂贏載荷N。試驗指標為曲面摩擦系數№，定義為臺車勻速牽引力F與表面垂直載荷N的比值。試驗采用L18（3 7）正交表進行正交試驗，同時進行不同V、N組合條件下與平板的對比試驗；然后根據正交試驗結果，就對曲面摩擦系數Mu影響顯著的因素進行單因素試驗，進一步尋求其影響規律。

（二）試驗結論

針對波紋型仿生曲面牽引阻力，進行了正交試驗，以及與平板的對比試驗，得出：（1）波紋型仿生曲面凸起寬度對曲面摩擦系數的影響顯著，而波紋型仿生曲面凸起間距、臺車牽引速度和表面垂直載荷對曲面摩擦系數的影響不顯著，而且在本試驗參數取值范圍內，髓面摩擦系數隨著波紋型仿生曲面凸起寬度的增大而減少；（2）在本試驗參數取值范圍內，當波紋型仿生曲面凸起寬度為20mm，波紋型仿生曲面凸起間距為0mm，臺車牽引速度為0.2m/s，在相應的土壤條件下，凸板具有一定的減阻作用，這為螺旋樁的仿生曲面設計提供了一定的基礎。考慮到其中幾個試驗因素對試驗結果影響不顯著，在進行螺旋樁葉片減粘降阻曲面設計時將確定波紋型仿生曲面凸起高度和寬度分別為20mm和3mm，而波紋型仿生曲面凸起間距將不做考慮。具體實施對，將首先根據螺旋葉片寬度加工出波紋型仿生趣面凸起，并按照定間距焊接在螺旋葉片上；然后進行對比試驗，驗證其減粘降阻效果。

四、結語

以沉樁試驗為基礎，結合人機工程，研制了結構簡單、便攜性好的沉樁設備；對整個系統進行試驗，表明整個系統工作平穩，作業效率高。把螺旋葉片的仿生試驗簡化為作用有一定垂直載荷的平板仿生試驗，這與螺旋樁沉樁過程中螺旋葉片仿生曲面實際受力與約束情況存在一定的差距，在以后的研究中需要不斷改善試驗。

參考文獻：

[1]呂有界.防汛搶險螺旋樁設計與焊接過程分析[J].機電工程技術，2007 （4）： 28-29.

[2]韋謝恩.汛搶險螺旋樁沉樁過程仿真研究[D].廣州：華南農業大學，2010endprint