防汛搶險仿生螺旋樁沉樁機理及技術研究

我國多流域、多湖泊，每年要投入大量的人力、物力用于防汛搶險和流域治理。沉樁作業(yè)是防汛搶險和流域治理中必不可少的手段，主要用于堤壩加高、掛柳護堤、掛簾堵漏、決口設障和掛船及掛纜等。防汛搶險裝備必須滿足機動靈活、重量輕和便攜性好的要求。本項目提出將仿生螺旋樁及其沉樁設備用于防汛搶險。要將螺旋樁擰入地下需要很大的動力，以至于滿足不了防汛搶險裝備的要求。擬對螞蟻體表減粘降阻規(guī)律進行仿生研究，研制仿生螺旋樁及其沉樁設備，揭示仿生螺旋樁的沉樁規(guī)律，解決傳統(tǒng)的防汛搶險木質(zhì)直樁及其錘擊式沉樁設備存在的問題，如木樁易腐朽、易蟲蛀、耗費木材、沉樁阻力大、起樁困難、反復利用性差和錘擊式沉樁設備震動和噪聲大、效率低、笨重、機動性差和易引起次生災害等。對仿生螺旋樁沉樁機理及技術的研究將進一步完善沉樁理論體系。 2100433B

“軟—硬”相間結構在生物體中普遍存在，以此為靈感設計的軟硬相間仿生材料表現(xiàn)出了出眾的減阻、耐磨性能。本項目研究軟硬相間仿生材料摩擦性能，以經(jīng)典的粘著摩擦理論為基礎，結合“軟—硬”相間結構特點，建立軟硬相間仿生材料摩擦過程的數(shù)學模型，揭示軟硬相間仿生材料減阻、耐磨機理，探索其摩擦過程的多因素協(xié)同影響特點，提出基于摩擦學性能的軟硬相間仿生材料的系統(tǒng)化設計方法，并針對軟硬相間材料特點，應用化學共價共混、3D打印、激光加工等方法制備軟硬相間仿生材料。擬解決三項關鍵科學問題：建立軟硬相間仿生材料摩擦過程的數(shù)學模型，揭示軟硬相間仿生材料減阻、耐磨機理，提出基于摩擦學特性的軟硬相間仿生材料的系統(tǒng)化設計方法。項目研究可以為基于摩擦學特性的軟硬相間仿生材料的制備與應用提供拓展性思路。

鋼螺旋樁分為圓柱體的空心樁和圓形或多角形的實體樁。鋼螺旋樁強度性能優(yōu)良，經(jīng)濟耐用，是廣泛使用的一種螺旋樁。此螺旋樁長用于橋梁的加固和固定。

螺旋樁的理論承載能力，在實際工程施工時必須進行檢查。

這種檢查，對與螺旋樁來說有重大意義，因為螺旋樁承載力的計算公式，其所求出的數(shù)值是近似數(shù)值。在這些公式中所列的個別系數(shù)和參數(shù)，并非永遠都是正確的。

螺旋樁的承載力與擰樁最后階段的扭轉(zhuǎn)力矩是直線關系。最后階段扭轉(zhuǎn)力矩越大，則螺旋樁的承載力亦越大。但是，在這兩個數(shù)值之間，至今還沒有規(guī)定出任何的理論關系，因而，實際上就不可能用扭轉(zhuǎn)力矩來求出螺旋樁的承載力。

如此，螺旋樁的承載力還是用靜載試驗作為基本儉查。螺旋樁的容許承讖力，是采用靜載試驗所求得的土壤極限應力的一部份的：

σ_容許=σ_極限/K

式中：

K——安全系數(shù)，一般采用2。

如承臺中的樁數(shù)不多，對于建筑物來說，它的穩(wěn)定性要此承臺中樁數(shù)多的，少的多。承臺中樁數(shù)越多，則在各樁之間的荷載也越容易均勻分布，這是顯而易見的。

根據(jù)這一點可以得出這樣的意見，即螺旋樁(其在橋墩中的根數(shù)較打入的基樁少的多)應按橋墩中的根數(shù)再加列安全系數(shù)。

如每個橋墩螺旋樁的根數(shù)由4根至8根時(在擰螺旋樁的工程經(jīng)驗中；時常遇到這種情形)，這個系數(shù)在I.35~1.50之間，即是總的安全系數(shù)由2增加到3了。

但是，對與螺旋樁來說，加列補充的安全系數(shù)，并沒有充分出理由，與其他類型的樁基礎相比，反到把它作成丁不利的條件。

工程經(jīng)驗中表明，安全系數(shù)2，雖在最不利的條件下，對于任意類型的樁來說，亦足能保證建筑物的安全。

因而對于螺旋樁來說，沒有增加安疊系數(shù)的必要，實際上，所采用計算螺旋樁的方法，其安全系數(shù)雖然不再加列補充安全系數(shù)，也足夠大了。

在許多橋梁所進行的螺旋樁靜載試驗，其結果見圖2，該圖所列的材料是在五座橋梁試驗12根螺旋樁的資料。