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螺旋锚在富水土层的应用研究

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 117次



Xu Xiasong,He ming,Zhou Jungang

(Xu Xiasong,He ming,Hubei province electricity &transmission facilities engineering company, Zhou Jungang,Wuhan university School of Power and Mechanical Engineering,Hubei Wuhan 430000)

摘要:送变电工程施工有时需要在河网区域设置锚固拉线,常规方法往往无法满足要求。本文结合河网区域富水土层的地质特点,选用螺旋锚锚固方式,设计了四种结构形式的螺旋锚,来满足不同地质环境的作业需求。为检验螺旋锚的使用效果,设计并完成了现场拉拔试验,实测了螺旋锚的上拔荷载和位移值,绘制荷载位移曲线,并分析影响抗拔力的主要因素,进一步验证了螺旋锚在富水土层也可以满足工程使用要求。

关键词:螺旋锚;富水土层;试验

The application research on screw anchor in rich soil layer

Abstract: The construction of the project of electricity transmission &transformation facilities sometimes need to set anchor wire in river network area, conventional methods are often unable to meet the requirements. In this paper, combining with the geological characteristics of rich soil layer in river network area, choose screw anchor anchoring way, designed four kinds of structure forms of screw anchor, to meet the operation requirements of different geological environment. To test the effectiveness of screw anchor and designed and completed the field drawing experiment, measured the top load and displacement value of the screw anchor, load displacement curve drawing, and analyzes the main factors influencing the pulling force, further verify the screw anchor in rich soil layer can also satisfy the use requirement.

Keywords: screw anchor;rich soil layerexperiment

 

 


0前言

螺旋锚是一种利用深层土体抗力的锚固结构形式,由螺旋锚板、锚杆及连接头组成。螺旋锚锚固方法对土体的扰动很小,能充分利用土体结构的强度,而且螺旋锚下锚施工工艺简单,施工迅速,施工质量容易得到保证。螺旋锚旋入土中后立即就能承受荷载,进行下一道工序的施工,因而可以缩短工期,获得较好的经济效益[1-2]

送变电工程施工有时需要在河网区域设置锚固拉线,常规方法往往无法满足要求[3]。本文结合河网区域富水土层的地质特点,选用螺旋锚锚固方式,设计了几种结构形式的螺旋锚及其接杆连接件,施工时可调整下锚深度,灵活方便。 通过现场拉拔力试验,记录螺旋锚上拔过程中的荷载位移曲线,分析了影响螺旋锚抗拔力的影响因素。

1螺旋锚杆基础的结构和特性

    螺旋锚由锚头、锚叶、锚杆和连接件几部分组成。锚杆超过一定长度时,可以分为数段,由首段、延续段、尾段及连接件组成一个完整的锚杆。河网区域土层含水量高,有的地方土层在水面之下,为达到设计的锚固力,需要根据不同的土质,使用不同大小的螺旋锚锚盘,下锚深度也不同。根据这些要求,可以设计四种结构形式的螺旋锚,分别用1#螺旋锚、2#螺旋锚、3#螺旋锚、4#螺旋锚表示,如图1所示。螺旋锚几何参数见表1

 

表1螺旋锚几何参数

Table1 The geometric parameters of screw anchor

桩径(壁厚10

锚叶直径

螺距

锚盘间距

锥度

1#

73

600,300

150

1500

20

2#

73

450

150

-

-

3#

73

300

150

-

20

4#

73

600,300

150

1500

-

    (注:表格中长度单位为mm,角度为°)

Figure 1 Screw anchor three-dimensional model digram

11#螺旋锚(22#螺旋锚

1)1# screw anchor (2)2#screw anchor

33#螺旋锚(44#螺旋锚

3)3# screw anchor (4)4#screw anchor

1#螺旋锚为带大锚盘的等螺距倒锥形双叶片螺旋锚。2#螺旋锚为单叶片螺旋锚,叶片直径450mm3#螺旋锚为等螺距倒锥形单叶片, 由于锚杆螺旋为倒锥方式,更加容易旋入,其适用于土质较硬的水域中。4#带大锚盘的双叶片螺旋锚,上下双叶片布置, 上方布置为大直径叶片,可以利用淤泥层重量增加拉拔力。

  接杆

2 螺旋锚接杆示意图

Figure 2 Screw anchor connecting diagram

(注:左图中1-上接头 2-六方套筒 3-接杆 4-下接头)

(Note:In the left diagram 1- top connection 2-the six-party sleeve 3-extension rod 4-lower contact)

 为了实现较深的下锚深度,设计了标准接杆,通过连接接杆,最大可以实现10米的下锚深度。接杆设计采用螺纹和销孔复合结构方式,充分的结合了两种连接结构的优点,能够加大螺旋锚的承载性能及抗扭能力。螺旋锚杆与接杆以及接杆之间的连接是通过螺纹、六方套筒和销钉实现,如图2所示,其中螺纹用于承受拉拔力,六方套筒用于承受作业中的扭矩,销钉用于固定六方套筒。

     

2拉拔试验

2.1试验现场土层特性

    试验现场为水田,地形平坦。其土层物理力学性质如下:0.0~0.5m:耕植土,褐色,湿,松散,主要成分为粘性土,含少量植物根系。0.5~3.0m:粉质粘土,黄褐色、灰褐色,很湿,软塑,含少量粉土、粉砂。Ps=0.50MPa3.0~3.5m:淤泥,灰色、青灰色,饱和,流塑。Ps=0.35MPa3.5~7.4m:粉质粘土,黄褐色、灰褐色,很湿,软塑,含少量粉土、粉砂。Ps=0.62MPa7.4~15.9m:粉质粘土,黄褐色、灰褐色,湿,可塑偏软。Ps=0.89MPa15.9~25.4m:粉土,黄褐色、灰褐色,饱和,中密,含多量粉质粘土。Ps=1.54MPa25.4~30.0m:粉细砂,黄褐色、灰褐色,饱和,中密。Ps=6.38MPa[4-5]

2.2锚杆拉拔试验的规定

1)拉拔试验锚杆数量不得少于3根。

2)采用分级循环加载和位移控制法,每级位移的增量为5mm以下,读数在张拉设备稳定的情况下进行:控制位移时,保持缓慢等速。每级荷载施加完毕后,立即测读拉力。

3)锚杆拉拔破坏标准:①后一级荷载作用下的锚头位移增量达到或超过前一级荷载作用下锚头位移增量的2倍;②锚头位移不收敛;③锚头总位移超过设计允许值;④锚杆杆体拉断。

2.3螺旋锚拉拔试验装置

    图3为螺旋锚拉拔试验装置。左右两个千斤顶(10t)为反力装置,采用四根槽钢两两平行布置对千斤顶形成稳定支撑,同时一根横轴穿过测力仪的拉环并置于两侧的千斤顶上,作为千斤顶的受力端,在试验快结束时,通过千斤顶施加大的拉拔位移。

图3拉拔试验布置

Figure 3 Drawing test apparatus

2.4螺旋锚拉拔试验

根据土层特性,拉拔试验的螺旋锚选用1#2#3#三种结构形式。锚杆截面空心圆环的内径53mm,外径73mm。试验共进行了16次,其中1#螺旋锚试验4次,2#螺旋桩试验7次,3#螺旋桩试验5次。抗拔试验实测了加载过程中桩顶上拔荷载和位移值,并绘制了抗拔螺旋桩基础的上拔荷载-位移关系曲线(U-Z曲线)。试验基本操作过程如下:

    1)将下锚机和动力源设备移至平坦的陆地附近,用钢钎对下锚机四周进行固定。

    2)连接动力源的油管至下锚机液压马达入口处,油管端口要注意清灰及杂物,保持清洁,同时要保证接口结合良好。

    3)预热发动机,将手动换向阀调至中位,打开发动机风门,待速运转,进行发动机的预热。

    4)选择1#螺旋锚,通过下锚机减速箱输出端进行固定,调节手动换向阀,下锚机工作,螺旋锚缓慢旋入土中。螺旋锚顶端距离水平面30cm时,调节换向阀,下锚机停止动作。        

    5)将螺旋锚的端盖和螺母旋下,通过外六方套和定位销,连接接杆和螺旋锚,接杆上部连接端盖和螺母并置于下锚机输出端。调节换向阀,再次进行旋入工作,依据初始深度要求,预计接入4根接杆至指定螺旋锚埋深6m

    6)关闭动力源设备,在下锚机下部横撑角钢上布置钢架来安装千斤顶装置和测力仪。

    7)将测力仪的下端钩子钩入螺旋锚端盖,同时对左右千斤顶开始施加作用。以每5KN的方式逐步增加拉力。

    8)依据终止加载的判定条件进行试验加载的终止。

4 试验数据整理分析

根据观测和记录到的数据绘制螺旋锚荷载位移抗拔曲线。1#2#3#三种结构形式螺旋锚的试验曲线如图4至图6所示。

   图4 1#螺旋锚的荷载位移(U-Z)曲线

Figure 4 1# screw anchor load displacement curve(U-Z)

 

   图5 2#螺旋锚的荷载位移(U-Z)曲线

Figure 5 2# screw anchor load displacement curve(U-Z)

 

Figure 6 3# screw anchor load displacement curve(U-Z)

分析图4、图5和图6,可以看出,抗拔试验未出现拔出体破坏阶段,因此综合单位荷载的桩顶位移变化率、桩顶位移增量以及地基变形特征判定3种桩型的结果分别为:1#螺旋锚的判定极限荷载平均值为104KN,平均位移为11.35mm2#螺旋锚的判定极限荷载平均值为92.85KN,平均值位移为19.21mm3#螺旋锚的判定极限荷载平均值为76KN,平均位移为15.3mm。具体分析结果如表2所示。

2 极限荷载和位移判定值

(注:文中力单位为KN,位移单位为mm

Table 2 Ultimate load and displacement decision value

(Note:In this paper,the power unit for KN,displacement unit for mm)

试验编号

极限荷载

位移

判定

平均值

判定

平均值

1#

1#-3

104

104

11.7

11.35

1#-4

104

11

 

 

 

2#

2#-1

80

 

 

 

92.85

14

 

 

 

19.21

2#-2

110

18.5

2#-3

90

14

2#-4

80

21

2#-5

110

29

2#-6

90

19

2#-7

90

19

 

 

3#

3#-1

80

 

 

78.00

16.5

 

 

15.3

3#-2

80

14

3#-3

80

20

3#-4

80

13

3#-5

70

13

5结论

    根据相关螺旋锚承载力计算公式[6],计算2#3#螺旋锚承载力理论值曲线。具体如下图7和图8所示。

7 2#螺旋锚承载力计算值曲线

Figure 7 The bearing capacity of 2# screw anchor calculated value curve

Figure 8 The bearing capacity of 3# screw anchor calculated value curve

 

   通过本次螺旋锚实地抗拔承载力试验,现场从1#2#3#螺旋锚分别测量其螺旋锚荷载和位移对应值,测定承载力,由此综合分析影响抗拔螺旋锚承载力的主要因素。同时依据理论计算和试验值进行综合比较,具有实际指导意义。螺旋锚的承载力满足3t的设计要求。

    另外,双层叶片间距布置比单叶片螺旋锚有较高的抗拔力。在相同土质和埋深前提下,2#3#螺旋锚相比较,叶片直径越大,其抗拔力效果也越好,同时螺旋锚设计成锥度结构更有利于螺旋锚的旋入,较易切入土层。综合分析得到,叶片埋深比与螺旋锚抗拔力成正相关。

参考文献:

[1]Liu J,Hu Y.Continous Penetration of spudcan foundation into double layered soils[A].the 11th International Conference of LACMAG[C].Turin,Italy,2005:499-506.

[2]LIU Jun,HU Yu-xia,KONG Xian-jing.Deep penetration of spudcan foundation into double layered soils[J].China Ocean Engineering,2005,19(2):309-324

[3] 施月泉,谢芳,冯炳. 复合螺旋锚基础在输电线路中的应用研究[J].绍兴文理学院学报.2013,339):43-47.

[4] 董天文,梁力,王明恕,张成金. 极限荷载条件下螺旋锚的螺距设计与承载力计算[J].岩土工程学报.2006,2811):2032-2034.

[5] 董天文,梁力,王炜,王明恕. 抗拔螺旋桩叶片与地基相互作用试验研究[J].工程力学.2008,258):150-155.

[6]王杰, 杜秋男, 孙海峰,. 砂土中螺旋锚极限抗拔承载力研究[J]. 沈阳建筑大学学报:自然科学版, 2009, 25(1):66-70.

 

 

 

注:

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