防汛搶險(xiǎn)仿生螺旋樁沉樁機(jī)理及技術(shù)研究項(xiàng)目摘要

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(xiǎn)和流域治理。沉樁作業(yè)是防汛搶險(xiǎn)和流域治理中必不可少的手段，主要用于堤壩加高、掛柳護(hù)堤、掛簾堵漏、決口設(shè)障和掛船及掛纜等。防汛搶險(xiǎn)裝備必須滿足機(jī)動(dòng)靈活、重量輕和便攜性好的要求。本項(xiàng)目提出將仿生螺旋樁及其沉樁設(shè)備用于防汛搶險(xiǎn)。要將螺旋樁擰入地下需要很大的動(dòng)力，以至于滿足不了防汛搶險(xiǎn)裝備的要求。擬對螞蟻體表減粘降阻規(guī)律進(jìn)行仿生研究，研制仿生螺旋樁及其沉樁設(shè)備，揭示仿生螺旋樁的沉樁規(guī)律，解決傳統(tǒng)的防汛搶險(xiǎn)木質(zhì)直樁及其錘擊式沉樁設(shè)備存在的問題，如木樁易腐朽、易蟲蛀、耗費(fèi)木材、沉樁阻力大、起樁困難、反復(fù)利用性差和錘擊式沉樁設(shè)備震動(dòng)和噪聲大、效率低、笨重、機(jī)動(dòng)性差和易引起次生災(zāi)害等。對仿生螺旋樁沉樁機(jī)理及技術(shù)的研究將進(jìn)一步完善沉樁理論體系。 2100433B

“軟—硬”相間結(jié)構(gòu)在生物體中普遍存在，以此為靈感設(shè)計(jì)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(xiàng)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(chǔ)，結(jié)合“軟—硬”相間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立軟硬相間仿生材料摩擦過程的數(shù)學(xué)模型，揭示軟硬相間仿生材料減阻、耐磨機(jī)理，探索其摩擦過程的多因素協(xié)同影響特點(diǎn)，提出基于摩擦學(xué)性能的軟硬相間仿生材料的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，并針對軟硬相間材料特點(diǎn)，應(yīng)用化學(xué)共價(jià)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(xiàng)關(guān)鍵科學(xué)問題：建立軟硬相間仿生材料摩擦過程的數(shù)學(xué)模型，揭示軟硬相間仿生材料減阻、耐磨機(jī)理，提出基于摩擦學(xué)特性的軟硬相間仿生材料的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。項(xiàng)目研究可以為基于摩擦學(xué)特性的軟硬相間仿生材料的制備與應(yīng)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(shí)體樁。鋼螺旋樁強(qiáng)度性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)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(shí)際工程施工時(shí)必須進(jìn)行檢查。

這種檢查，對與螺旋樁來說有重大意義，因?yàn)槁菪龢冻休d力的計(jì)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(gè)別系數(shù)和參數(shù)，并非永遠(yuǎn)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(guān)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(gè)數(shù)值之間，至今還沒有規(guī)定出任何的理論關(guān)系，因而，實(shí)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(yàn)作為基本儉查。螺旋樁的容許承讖力，是采用靜載試驗(yàn)所求得的土壤極限應(yīng)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(tái)中的樁數(shù)不多，對于建筑物來說，它的穩(wěn)定性要此承臺(tái)中樁數(shù)多的，少的多。承臺(tái)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(diǎn)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(yīng)按橋墩中的根數(shù)再加列安全系數(shù)。

如每個(gè)橋墩螺旋樁的根數(shù)由4根至8根時(shí)(在擰螺旋樁的工程經(jīng)驗(yàn)中；時(shí)常遇到這種情形)，這個(gè)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(bǔ)充的安全系數(shù)，并沒有充分出理由，與其他類型的樁基礎(chǔ)相比，反到把它作成丁不利的條件。

工程經(jīng)驗(yàn)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(shí)際上，所采用計(jì)算螺旋樁的方法，其安全系數(shù)雖然不再加列補(bǔ)充安全系數(shù)，也足夠大了。

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