韓 天 陳 哲 楊二強(qiáng)/江蘇省防汛防旱搶險(xiǎn)中心

防汛搶險(xiǎn)螺旋樁機(jī)系統(tǒng)及樁體表面仿生研究

韓 天 陳 哲 楊二強(qiáng)/江蘇省防汛防旱搶險(xiǎn)中心

本文介紹了防汛搶險(xiǎn)螺旋樁及其沉樁設(shè)備，并根據(jù)螺旋樁結(jié)構(gòu)與應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合典型土壤動(dòng)物表面減粘降阻特性，提出對(duì)螺旋樁螺旋葉片進(jìn)行表面仿生處理。

防汛搶險(xiǎn)；螺旋樁；仿生；研究

在充分考慮我國防汛搶險(xiǎn)樁機(jī)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上提出了新型的防汛搶險(xiǎn)螺旋樁機(jī)系統(tǒng)，然后結(jié)合國內(nèi)外沉樁過程樁土作用研究現(xiàn)狀和仿生防粘減阻研究現(xiàn)狀，圍繞“如何降低沉樁設(shè)備動(dòng)力消耗提高防汛搶險(xiǎn)螺旋樁機(jī)系統(tǒng)的便攜性和機(jī)動(dòng)性”展開了一系列的研究工作。

一、防汛搶險(xiǎn)螺旋樁機(jī)

螺旋樁結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)螺旋樁結(jié)構(gòu)，假設(shè)螺旋樁圓錐部分起始螺旋內(nèi)徑為d，圓柱部分螺旋內(nèi)徑為 d，圓柱部分螺旋外徑為d，均保持不變，整個(gè)螺旋的葉片寬度為B，螺旋導(dǎo)程為λ，螺旋頭數(shù)為ns，圓錐部分螺旋高度為Hs1，圓柱部分螺旋高度為Hs2，據(jù)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(shè)圓錐的錐角為 2θ ，則其滿足以下關(guān)系式：

二、螺旋樁沉樁試驗(yàn)研究

（一）試驗(yàn)方法及設(shè)備

整個(gè)試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平見表1，基本水平為單頭、導(dǎo)程為lOOmm、圓柱直徑為lOOmm。試驗(yàn)過程所采用的樁號(hào)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示試驗(yàn)以每次螺旋樁沉樁過程中所需最大扭矩作為試驗(yàn)指標(biāo)。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平

表2 實(shí)驗(yàn)樁結(jié)果參數(shù)

本試驗(yàn)在螺旋樁的無螺旋圓柱部分一定位置根據(jù)貼應(yīng)變片組成扭矩測試全橋電路，對(duì)所有的樁進(jìn)行標(biāo)定，然后借助動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而對(duì)螺旋樁擰入過程中所受扭矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有一定的影響。為了最大程度地減少土壤條件對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)場地的土壤重新整理，包括翻土、均勻壓實(shí)，最終形成一個(gè)4500ram×2500ram×1O00mm的土壤性質(zhì)相近的土體，其土壤平均含水率為21.87%。然后對(duì)試驗(yàn)場地進(jìn)行分區(qū)，并在相應(yīng)位置安排沉樁試驗(yàn)。

（二）沉樁試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)，得出動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀在各種樁型沉樁過程中的最大讀數(shù)，進(jìn)而根據(jù)各樁型的標(biāo)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(shù)、螺旋導(dǎo)程、圓柱直徑對(duì)沉樁過程所需最大扭矩的影響規(guī)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(dǎo)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(guān)系曲線所得結(jié)論是相符的。

三、仿生曲面試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及相關(guān)試驗(yàn)可知，螺旋樁在擰入過程中，除樁尖初始沉入時(shí)土壤被帶出，其余土壤被逐漸擠實(shí)。另外在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，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(yàn)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(dòng)摩擦過程。這樣，螺旋葉片的仿生曲面試驗(yàn)簡化為平板的仿生曲面試驗(yàn)考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)螺旋葉片仿生曲面的加工性，試驗(yàn)時(shí)仿生曲面采用波紋型仿生曲面，一般來說，H≤4mm。據(jù)此，對(duì)于波紋型仿生曲面，選取H=3zz叼,而參數(shù)Ll和L2作為試驗(yàn)因素進(jìn)行考慮。試驗(yàn)時(shí)，考慮到波紋型形狀尺寸、螺旋樁的旋轉(zhuǎn)速度、葉片表面垂直載荷對(duì)樁土作用的影響，試驗(yàn)因素確定為波紋板斷面參數(shù)L1、L2、臺(tái)車的牽引速度V以及葉片表面垂贏載荷N。試驗(yàn)指標(biāo)為曲面摩擦系數(shù)№，定義為臺(tái)車勻速牽引力F與表面垂直載荷N的比值。試驗(yàn)采用L18(3 7)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行不同V、N組合條件下與平板的對(duì)比試驗(yàn)；然后根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，就對(duì)曲面摩擦系數(shù)Mu影響顯著的因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，進(jìn)一步尋求其影響規(guī)律。

（二）試驗(yàn)結(jié)論

針對(duì)波紋型仿生曲面牽引阻力，進(jìn)行了正交試驗(yàn)，以及與平板的對(duì)比試驗(yàn)，得出：(1)波紋型仿生曲面凸起寬度對(duì)曲面摩擦系數(shù)的影響顯著，而波紋型仿生曲面凸起間距、臺(tái)車牽引速度和表面垂直載荷對(duì)曲面摩擦系數(shù)的影響不顯著，而且在本試驗(yàn)參數(shù)取值范圍內(nèi)，髓面摩擦系數(shù)隨著波紋型仿生曲面凸起寬度的增大而減少；(2)在本試驗(yàn)參數(shù)取值范圍內(nèi)，當(dāng)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(tái)車牽引速度為0.2m/s，在相應(yīng)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(shè)計(jì)提供了一定的基礎(chǔ)?？紤]到其中幾個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著，在進(jìn)行螺旋樁葉片減粘降阻曲面設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)施對(duì)，將首先根據(jù)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證其減粘降阻效果。

四、結(jié)語

以沉樁試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合人機(jī)工程，研制了結(jié)構(gòu)簡單、便攜性好的沉樁設(shè)備；對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，表明整個(gè)系統(tǒng)工作平穩(wěn)，作業(yè)效率高。把螺旋葉片的仿生試驗(yàn)簡化為作用有一定垂直載荷的平板仿生試驗(yàn)，這與螺旋樁沉樁過程中螺旋葉片仿生曲面實(shí)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(yàn)。

［1］呂有界.防汛搶險(xiǎn)螺旋樁設(shè)計(jì)與焊接過程分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007 （4）： 28-29.

［2］韋謝恩.汛搶險(xiǎn)螺旋樁沉樁過程仿真研究［D］.廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010