防汛抢险螺旋桩体仿生曲面试验研究*

吕有界，王玉兴

（1.广州航海高等专科学校，广东 广州 510725；2.华南农业大学，广东 广州 510642）

在大量的防汛抢险和流域治理方法和措施中，沉桩作业是必不可少的手段，主要用于堤坝加高、挂柳护堤、挂帘堵漏、决口设障、挂船及挂缆作业等。为了提高沉桩效率，降低沉桩劳动强度，文献[1]研制了一套螺旋桩机系统。为了进一步降低拧入防汛抢险螺旋桩动力消耗，降低电机功率，从而在一定程度上减少电机重量，提高螺旋桩机的便携化性能，根据典型土壤动物体表减粘降阻特性[2-4]对螺旋桩表面仿生处理成为必要。在过去的典型土壤动物体表减粘降阻特性的应用研究中，应用对象主要有推土板[5-6]、铲斗[7]以及犁壁[8]等的上触土表面，而其中的曲面形状有球冠突起型、波纹型等。为了寻求适合防汛抢险螺旋桩的仿生曲面，通过台车牵引试验，针对平板、球冠突起曲面与波纹曲面，进行对比试验研究，探索球冠突起曲面、波纹曲面的减粘降阻效果，为后续的防汛抢险螺旋桩仿生处理提供基础。

1 试验方法

根据设计要求以及相关试验可知，螺旋桩在拧入过程中，除桩尖初始沉入时土壤被带出，其余土壤被逐渐挤实。为了简化试验，螺旋桩螺旋叶片的拧入过程做如下简化：把螺旋叶片展开成平面，螺旋叶片的入土过程简化成作用有一定垂直面载荷的平板在土壤水平面的拖动摩擦过程。这样，本试验简化为作用有一定垂直载荷的平板、球冠突起曲面与波纹曲面对比试验，其试验原理如图1所示。

图1 仿生试验原理图

整个试验分两大部分：第一部分为球冠突起曲面与平板对比试验；第二部分为波纹曲面与平板对比试验。

2 曲面结构参数确定

图2 仿生曲面形状结构

球冠突起型仿生曲面与波纹型仿生曲面如图2所示，其中球冠突起型仿生曲面的结构参数如下：突起高度为1 mm，突起中心之间的距离为7 mm，突起的底面直径为3 mm；而波纹型仿生曲面的结构参数如下：波纹型仿生曲面高度为3 mm，波纹型仿生曲面突起宽度为19 mm，波纹型仿生曲面两突起之间间距为0 mm。

3 试验设备与土壤条件

试验在土槽试验室进行。试验过程中，利用台车进行牵引，采用动态应变仪（型号为 ： NEC omnlaceⅡ RA1200）进行动态记录，采用的拉压传感器为CLBS3，额定载荷为100 kg。试验采用的土壤为，其试验时的土壤含水率为26.57%，土壤表面50 mm，深度圆锥指数为0.483 MPa。

4 球冠突起型仿生曲面平板对比试验结果分析

本次试验台车牵引速度为0.2 m/s，表面垂直载荷为426.3 N。球冠突起型仿生曲面（简称凸板）和平板牵引试验均重复三次，进行对比。由于在所有试验过程中使用相同的拉压传感器，其牵引力大小可以直接采用动态应变仪的读数进行比较。各次重复的对比曲线图如图3所示。由图可知，凸板所需牵引力大于平板所需牵引力，说明球冠突起型仿生曲面未能起到减粘降阻的效果。分析其原因，有：（1）由于球冠尺寸较小，在垂直载荷的作用下，球冠突起型仿生曲面与土壤的接触面积相对平板来说，并没有减少；（2）试验发现，球冠突起型仿生曲面的迎土面都粘有土壤，这表明在台车牵引过程中，球冠突起要克服土壤的阻力。

5 波纹型仿生曲面与平板对比试验结果分析

图4是波纹型仿生曲面与平板对比试验曲线。由图4可知，平板所需的牵引力大于波纹型曲面所需的牵引力，且波纹型曲面的牵引力的变化相对平板较为平稳。究其原因有：（1）平板在台车牵引过程中，土壤的粘附作用面积大，当粘附作用积累到一定程度，土壤剪切破坏，阻力减小，从而整个牵引过程阻力不稳定；（2）由于波纹型仿生曲面的存在，在牵引过程中，波纹型曲面对土壤具有一定的振动作用（如图5所示），在一定程度上减少土壤的黏附作用，并减少土壤的粘附积聚，从而使其阻力减小，并在整个牵引过程中阻力变化相对平稳。

图3 球冠突起型仿生曲面与平板对比试验结果

图4 平板与波纹型仿生曲面的对比试验曲线

图5 波纹型仿生曲面牵引过程中土壤变形图

6 结论

（1）在本文试验条件下，尺寸较小的球冠突起型仿生曲面在一定压力作用下未能起到减粘降阻的作用；

（2）通过与平板的对比试验，表明波纹型仿生曲面在本试验条件下具有一定的减粘降阻作用，为防汛抢险仿生螺旋桩的研制提供了实际参考。

［1］吕有界.防汛抢险螺旋桩设计与焊接过程分析［J］.机电工程技术，2007（4）：28-29.

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