双向螺旋封闭挤扩钻头的优化方法与技术

2.1　双向螺旋封闭挤扩钻头的优化方法与技术

在工程应用中，SDSP工法的最大成孔扭矩是施工控制的主要参数，而影响成孔扭矩的因素包括：钻头的形式与几何尺寸、成桩直径、成桩深度以及地层特性等。因此，SDSP课题的重点之一就是研究钻头形式及几何尺寸，如中心管直径、螺旋叶片外径、叶片截面形状、螺距、叶片个数和挤扩体形状对成孔扭矩的影响，以期获得最优的双向螺旋封闭挤扩钻头。研究中采用了两种优化方法：小尺度模型试验及有限元（ADINA）动态仿真技术。并在此基础上提出了双向螺旋封闭挤扩钻头的基本几何形态。

在小尺度模型试验中，选取了4种形式的模拟钻头在所制备地基中进行钻入试验，钢制模拟钻头直径为30mm，其他几何参数见表1。

表1　模拟钻头几何参数表

模拟地基采用32.5^＃普通硅酸盐水泥及亚黏土，以水泥∶水∶亚黏土为3∶6∶20的比例在长宽高为1.1m×0.5m×0.6m的刚性试验箱内制备，试验在模拟地基制备48h后进行。试验设备和量测仪器主要包括门架式反力梁、电液伺服加载机、手柄式扭矩量测仪及微机数据采集系统。在各钻形试验过程中，钻头成孔直径均为30mm，钻进深度500mm，钻头所受竖向恒载2kN，钻头以3r/min的速度匀速旋入至设计深度，试验过程中的成孔扭矩由采集系统实时记录。图4（a）、（b）分别为4种钻形试验的实测结果。

图4　不同钻形的试验实测关系曲线

由图4（a）可以看出均质模拟地基中，4种钻形实测成孔扭矩均随钻进深度呈递增趋势，试验曲线为近似抛物线，且不同钻形在钻孔过程中的实测成孔扭矩值差别明显。图4（b）为4种钻形的实测最大成孔扭矩对比曲线，从中可知M－3钻头在相同孔径和钻深情况下，所需成孔扭矩最小，钻形较优。

为进一步探索短螺旋挤扩钻头的最佳形式，基于通用非线性有限元软件ADINA，对螺旋挤扩钻头进行了三维有限元分析，研究了表2所示的四种钻形的工作机理与受力特性。

表2　模拟钻头形式及ADINA计算参数

因钻头为刚性材料，其刚度远远大于土体，建模时对钻头施加了刚性约束，作为无位移的刚体处理。钻头－土体界面采用库仑摩擦接触单元模拟桩土界面的滑移特性，摩擦系数及摩擦特性在接触组中设置。由于钻头的钻进过程属于大变形动态分析问题，计算量庞大，难以实现对整个钻进过程的三维动态分析，故对钻进过程进行了简化。为求得钻头钻进土体5m时的成孔扭矩，假定钻头已处在土体深度5m处，建立三维有限元模型，给钻头施加旋转角速度，使其旋转钻进，并以钻进30mm深度时的扭矩作为钻深5m时的成孔扭矩，采用这种方法分段模拟钻头的钻进过程。所建立的有限元模型和计算得到的钻深－成孔扭矩曲线如图5所示。

图5　不同钻形的深度－成孔扭矩曲线

从计算钻深－成孔扭矩关系曲线可以看出，全螺纹钻形所需扭矩随钻入深度的增大而增加，钻孔越深，成孔扭矩越大。长度为1.5m的短螺旋挤扩钻头在钻头全部进入土体前，所需成孔扭矩也随钻入深度的增大而快速增加，当短螺旋挤扩钻头全部进入土体后，所需成孔扭矩随钻深增加的幅度变小。对于4种计算钻形，在其他条件相同情况下全长螺旋钻头所需成孔扭矩最大，而长度为1.5m的短螺旋挤扩钻头、螺距为300mm的钻形所需成孔扭矩最小。

受篇幅所限，这里只列出部分试验与计算结果。综合考虑优化结果及挤土效应，中国京冶推出的螺旋挤土桩优化钻头形式如图6中②所示。该双向螺旋封闭挤扩钻头从下至上由4部分组成：钻尖、下螺旋挤扩体、中挤扩体和上螺旋挤扩体。这种新型短螺旋挤扩钻头的最大优点是能够通过以下步骤实现对桩孔的3次挤扩。

①桩孔的机械挤扩成孔：在钻头下旋钻进过程中，下螺旋挤扩体将桩孔中的土体挤压到桩孔的侧壁与下部土层中，按设计桩径完成桩孔钻扩。

②桩孔的机械挤压护孔：在钻头上旋提升过程中，上螺旋挤扩体对原有桩孔再次挤扩，使可能产生的少量坍落土体和局部缩径重新被挤压到桩孔侧壁中，使桩孔满足设计桩径尺寸。

③桩孔的压力灌注挤扩：在钻头上旋灌注过程中，利用混凝土拖泵的高泵压，通过压灌桩材第三次挤扩桩孔，并完成桩身灌注。