螺杆桩施工机具的钻进理论研究

娄燕敏，王宪鑫，苏 陈，张兴莲LOU Yan-min,WANG Xian-xin,SU Chen, ZHANG Xing-lian(.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 68；.徐州徐工基础工程机械有限公司 江苏 徐州 004；.渤海装备研究院海工装备分院，辽宁 盘锦 409)

螺杆桩施工机具的钻进理论研究

娄燕敏1，王宪鑫1，苏 陈2，张兴莲3
LOU Yan-min,WANG Xian-xin,SU Chen, ZHANG Xing-lian
(1.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.徐州徐工基础工程机械有限公司 江苏 徐州 221004；3.渤海装备研究院海工装备分院，辽宁 盘锦 124209)

[摘 要]螺杆桩施工机具加压装置的加压力是影响成桩质量和施工效率的重要参数之一。螺杆钻具钻进过程中所受到的阻力是影响加压力的主要因素。本文通过理论分析，对螺杆钻具钻进过程中受到的阻力及加压机构能够提供的加压力进行理论计算并推导出计算公式，为螺杆桩施工机具加压装置的设计提供理论依据。

[关键词]螺杆机具；加压装置；螺杆桩

当前螺杆桩机研究的焦点是螺杆桩施工机具的实验研究与整机的相互结合。螺杆桩是挤土灌注桩，无须排土，在加压力和提升力下同步钻进和同步反向提钻而形成螺纹状桩孔[1]。螺杆桩机成桩质量的好坏与加压力和提升力有着密切的关系，关系到桩孔螺纹成型的好坏，是螺杆桩机加压提升装置设计的重要参数之一。所以螺杆桩机在钻进过程中对螺杆钻具的加压力理论计算非常重要，也为螺杆桩机的加压提升装置设计提供重要参考。

1 垂直阻力的计算

螺杆钻具在钻进时，加压过程中需要克服的垂直阻力F包括：钻具侧面的摩阻力在垂直上的分力F1；挤压过程中地基土层对钻具螺纹下底面正交压力与摩擦力合成的斜交压力垂直分力Pv[2]；钻具圆柱部分侧面的摩阻力在垂直上的分力F2；钻具总极限端阻力Qpk。螺杆钻具的参数示意图如图1所示。

1.1 F1的计算

钻具侧面的摩阻力分析如图2所示。

图1 螺杆钻具的参数示意图

图2 钻具侧面的摩阻力分析

i土层凹螺纹的摩擦阻力垂直分量为

式中 hi—i土层凹螺纹高度，m；

τf — i土层单位面积极限摩阻力，MPa；

λ—螺纹升角。

i土层凸螺纹的摩擦阻力垂直分量为

式中 Hi—i土层凸螺纹高度，m。

所以钻具侧面的摩阻力在垂直上的分力

1.2 Pv的计算

将凸螺纹下底面按升角λ展开成一斜条面，如图3所示。i土层对桩壁凸螺纹下底面的正交压力为

式中 li—i土层中凸螺纹长度，m；

μi— i土层与钻具螺纹表面的摩擦系数，μi=tanαi，αi为摩擦角；

k—螺齿宽度，m。

图3 螺纹下底面按升角λ展开成一斜条面

土壤对螺纹表面的正交压力FN和摩擦力fi合成的斜交压力为

所以

则有斜交压力垂直分力

1.3 Qpk的计算

式中 qpk—钻具端阻力的极限标准值，kPa；

Ap— 钻头下表面面积（按垂直投影的平面面积之和计算）。

1.4 F2的计算钻具圆柱部分侧面的摩阻力在垂直上的分力

F2＝πrτfsinλ(L-Lp-H) (9)

式中 L—钻具的总长度，m；

Lp—钻具螺杆部分的长度，m；

H—L-Lp长度范围内凸螺纹的长度，m。

1.5 F的计算

综上所述，得到螺杆钻具施工钻进时总的垂直阻力

2 加压装置的总加压力计算

总加压力Fr包括加压系统对螺杆钻具的加压力T、螺杆钻具和动力头总重量G和地基土层对钻具凸螺纹上顶面压力的垂直分量Pv。

将凸螺纹上顶面按升角入展开成一斜条面，如图4所示。

图4 螺纹上顶面按升角λ展开成一斜条面

参照上述对下底面合成斜交压力的计算，上顶面正交压力F′N与摩擦力f ′i合成斜交压力

所以

则斜交压力垂直分力

所以总加压力

式中 T——加压系统对螺杆钻具的加压力，kN；

G——螺杆钻具、动力头总重量，kg。

3 结 论

螺杆钻具的钻进与木螺钉扭入木材的力学原理极为相似，螺杆桩钻具钻进地基土层的过程，可看成是地基土层相对桩壁螺纹表面和桩尖表面挤压滑动的过程。螺杆钻具在钻进时，加压过程中需要克服的垂直阻力F和总加压力Fr可由上述推导公式计算，螺杆钻具旋进地基土层的力学条件应满足：Fr＞F。这为加压装置的设计提供了理论依据。

[参考文献]

[1] 沈保汉，王凤良螺杆灌注桩施工技术[J]．建筑技术，2010，(5)：417-419．

[2] 秦建卫．螺杆桩受力及施工技术要点[J]．山西建筑，2012，(17)：59-60．

[3] 董天文，梁 力．竖向受压螺旋桩荷载沉降函数解[J]．岩土工程学报，2007，(10)：1483-1485．

（编辑 贾泽辉）

Use& Management 使用&管理

［中图分类号］TU67

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)03-0080-02

［收稿日期］2014-12-05

Drilling theoretical research of screw pile construction equipment