螺纹桩机混凝土灌注系统研究*

陈 华

（湖南铁路科技职业技术学院，湖南 株洲 412000）

螺纹桩机作为一种较为年轻的桩基础机械，虽然在性能以及施工原理上有着许多先进的地方，但由于其发展的时间并不长，与其配套混凝土灌注系统还不够完善，螺纹桩机提钻灌注混凝土的过程存在两方面缺陷：1） 钻具提升速度的快慢完全由人为经验控制，不可避免的出现虚灌或者过灌等影响桩体承载性能的情况；2） 缺乏有效手段对混凝土流量进行实时监测，不能很好的了解桩体成型情况，并且关于桩体混凝土的用量还局限于采用人工统计，加大了工程管理难度[1]。 基于上述两点，本文设计了一套混凝土灌注系统，能够辅助混凝土灌注，同时还能实现混凝土用量的自动统计。 该系统结构的组成包括压力传感器、位移传感器、控制器（PLC）、显示器以及执行机构（电机）。

1 混凝土灌注系统设计方案

混凝土灌注系统为实现钻具提升速度的合理调控就必须了解钻头底部空间混凝土泵送情况，所以系统设计的前提就是找到一个可以表征钻头底部空间充盈程度的物理量，并加以监测。 通过对桩机提钻灌浆过程进行仔细研究之后，可以发现如果钻具提升速度过慢，使钻头底部空间处于过分灌溉状态时，会导致混凝土泵送管道内压力迅速提升，严重时会造成堵管。 因此，本文采取测量泵送管道内压力的方式来判断是否泵送充实，并以此作为调控钻具提升速度的依据。 但是，由于泵送管道内压力是随着泵送速度的快慢而变化的，所以在测量压力的同时还需要监控混凝土的流动速度。 基于上述分析，本文设计了一套如图1 所示的混凝土灌注系统，采取在钻具顶部灌浆管道上安装混凝土压力传感器以及混凝土流量计的方式来实现系统功能。

本装置特点如下：装置结构简单，安装方便，并且测量部件全部安装在桩机上，灌注时不需要匹配专门的泵车或者在泵车上临时安装传感器；采用了混凝土流量计，它在监测混凝土灌注状况的同时，还可以提供一个混凝土实时流动速度以辅助判断管内压力是否达到提钻要求。

图1 混凝土灌注系统装置结构图

2 混凝土灌注过程中管内压力分析

混凝土在灌注过程中，管道压力是沿流动方向逐渐降低的，并且受泵送速度的影响。 泵送速度越快，管道压力越大。 为研究输送管内混凝土压力变化情况，本文特选取如图2 所示的混凝土管道作为研究对象分析管内混凝土受力情况[2]。

图2 混凝土管内流动受力示意图

图2 中为一段与水平方向成φ 角的混凝土管道，假设管内的混凝土正以速度V 从下至上流动，并取距卸料口x 处的一段长为dx 的混凝土流体作为研究对象。 P 和（P+dP）分别代表距卸料口 x 和（x+dx）处的压力，r 为管道半径，f 为混凝土流动时的摩阻应力。

其中，混凝土流动时的摩阻应力f 可按S.Morinaga 经验公式计算如下[3]：

通过观察图2 可以得到混凝土沿流动方向的受力平衡方程如下：

沿混凝土流动方向压力的损失主要包括两个部分：混凝土与管道内壁之间的摩阻力、 混凝土自重以及混凝土流动过程中速度变化产生的惯性力。 其中，由于混凝土泵的推送压力基本稳定，所以大部分时间段内流速是不变的，也就是说在混凝土流动过程中可以忽略惯性力的作用。 所以可以将公式（2）中的平衡方程改写如下：

式中：γ——混凝土的容重（kN/m3）。

假设卸料口处的压力为P0，那么公式（3）两端分别对x进行积分可以得出距卸料口x 处的压力为：

通过观察公式（4）可以发现，当卸料口处的压力P0确定时，混凝土输送管道内某一固定点压力的变化只和混凝土的流速相关。 因此，桩机在提钻灌浆的过程中可以通过测量管道内某一定点的压力与流速来确定卸料口处混凝土的充盈状况。

3 混凝土灌注系统原理概述

由于混凝土灌注系统需要分别实现辅助灌注以及灌注监测两种功能，所以可以将本系统的设计原理划分两个部分描述如下：

3.1 辅助灌注系统设计原理

图3 桩机提钻压力标准的设计原理

第一步：混凝土灌注过程中提钻压力标准的确定。 对桩机进行灌浆试验，观察自然灌注条件（卸料口处压力为0）下压力传感器测得的数据与流速之间的关系，然后对测得的数据进行整理，画出如图3（a）所示的自然灌注条件下管道压力与流速之间的关系曲线（自然灌注条件下压力传感器测得的压力是负压）。 通过实验，测量桩体灌注密实状态下混凝土压力，并依此选取一个合理的卸料口压力P0作为表征桩孔灌注密实的标准，要求P0＞Pmin。 最后将上述选定的P0与图3（a）中的曲线相结合，得出如图3（b）所示的提钻压力标准线 P = f（v）。

第二步：将压力传感器所测得数据与提钻压力标准相比较，如果所测得压力处于提钻压力区，即 P ＞ f（v），则提升钻具；反之，则维持钻具现有深度不动。

3.2 灌注监测系统设计原理

第一步：分别依据混凝土流量计以及拉线位移传感器所测得数据绘制如图4（a）以及4（b）所示曲线，然后结合这两图中的数据绘制出混凝土泵送流量与钻具深度之间的关系曲线，如图 4（c）所示。

图4 灌注监测系统设计原理图

首先，通过观察图4（c）可以判断混凝土的充盈系数是否在1.05～1.20 之间，泵送质量是否符合设计要求[4]；其次，通过观察图4（c）可以得到灌注过程中混凝土灌注流量随深度变化的情况，从而了解桩体横截面随深度的变化是否均匀，判断桩孔是否存在某些形状突变区会对桩体的承载性能造成影响。

第二步：依据混凝土流量计所测得的实时灌注流量计算出整桩所消耗的混凝土总量。 计算方法是将图4（a）中所得到的Q-t 曲线按时间进行积分，计算公式如下：

灌注监测系统所实现的自动统计混凝土用量的功能可以起到辅助工程管理的作用，在一定程度上降低了工程中用料管理的人力需求。

4 总结

综上所述，混凝土灌注系统工作原理如下：1)通过电磁流量计与混凝土压力传感器分别对钻具内部管道顶部的混凝土进行监测，然后对所测混凝土压力和流量进行分析，并判断此时压力是否处于如图3（b）中的提钻区，如果处于则提升钻具；反之，则维持现有深度不变。2)结合钻深传感器与混凝土流量计所测数据，绘制出混凝土灌注过程中流量与钻深之间的关系曲线，然后通过此关系曲线判断桩体是否灌注均匀、密实，同时记录单桩混凝土用量。