螺杆桩及其成桩工法是在长螺旋钻孔灌注桩和日本钢钎维全螺纹预制桩的基础上发展起来的新桩型。其主要技术特征表现为桩的“上部为直柱型，下部为螺丝型”，桩体几何断面更符合附加应力场由上而下减少的分布规律。螺杆桩机是一种为了适应我国经济建设的飞速发展，高承载力，大孔径、高效率，低降耗的桩工机械。螺杆桩施工具有挤压周边土壤但不往上返土、所制成桩型科学，节省原材料约25%～30%、单桩承载力高于其它桩型、沉降率低、施工成桩效率高，并具有施工后无需清底、无需护壁、施工现场无泥浆污染、无噪音、无振动等环保优势，适用于淤泥质粘土，粉土，粘土，粉质粘土，中细沙，粒径小于20cm沙砾石层，强风化层等地层。现已广泛应用于城市建筑基础和深基坑支护工程、防洪工程的防渗坝工程等各类工业民用建设施工中。

 

　　1研制背景

 

　　南方一厂家生产的JZU90桩机在沈阳做深基坑护坡桩施工，桩径φ800，桩深30m，桩数量1260根，在施工的过程中动力箱内部轴承更换两次，内部三环板出现变形，最后主塔出现扭曲变形，导致无法施工，设备被迫离开现场进行改进维修。

 

　　2设备原有有关技术数据及功能

 

　　1）主塔采用φ629×10螺旋管做主管，材质为Q235；

 

　　2）斜支杆采用φ325×7的螺旋管，材质为Q235，板式法兰间联接螺栓为M20×80，8条；斜支撑调整机构由电机、立式摆线减速器，输入轴，齿轮，丝杠及箱体等组成；

 

　　3）动力箱装置采用组合式，上箱为速比为5.1的行星减速器，下箱为速比为69的三环减速器，型号为ZZSH580—69，重庆奇佳生产的。2台直流电机作为动力源。电机型号为Z4—200—21，功率为75KW，额定转速为1500r/min，最高转速2800r/min。

 

　　4）动力箱的电动机采用直流调速装置实现无级调速，最高转速为8r/min；

 

　　5）主塔的垂直度调整。前后方向利用斜支杆底端丝杆进行调整，左右方向利用主机平台上的四只支腿油缸进行调整。

 

　　2分析原有有关技术数据及功能

 

　　桩机的施工是动力头装置（包含动力箱和电动机）输出足够的转矩带动螺旋钻杆沿着主塔上的导轨作竖直向下移动，进行旋钻岩土。同时还要求所成桩要求足够的垂直性，保证桩的承载力要求。这次机械事故造成的原因是：

 

　　1）动力头装置电动机输出转矩经行星减速器后作用在三环减速器ZZSH580—69上，三环减速器的额定输出转矩为88KN·m，满足不了电动机的输出要求，导致三环减速器内的轴承毁坏和齿板变形。

 

　　2）主塔的抗扭转强度满足不了动力头最大输出转矩，导致主塔扭曲变形。

 

　　3）斜支杆间板式法兰联接螺栓强度不足，导致主塔受到最大转矩时，螺栓有拉长缩径现象。

 

　　4）利用主平台的四只支腿油缸调整主塔的左右垂直度。由于施工现场软硬不均，油缸底脚与地面接触面较小，施工过程中支腿油缸底脚有沉陷不等现象，导致主塔垂直度左右倾斜，增大动力头的旋转负载。

 

　　3对原有主塔和动力头参数的校核计算

 

　　3.1动力头参数的校核计算

 

　　匹配的动力头电动机Z4-200-21功率为75KW，额定转速1500r/min，最高转速2800r/min，2台。行星减速器速比i=5.1，三环减速器速比i=69，额定输出转矩Mn=88KN·m，根据力学公式可知：

 

　　动力头额定输出转矩M1=×5.1×69=336KN·m>Mn，由此可见：ZZSH580-69三环减速器内部齿板变形和轴承毁坏的原因是与之匹配电动机严重不合理。

 

　　3.2主塔扭转切应力的校核计算

 

　　主塔采用φ630×10螺旋管作主管，材料为Q235

 

　　[σ]=235×106MPa

 

　　[τ]=0.5[σ]=0.5×235×106=117.5×106MPa

 

　　许用剪切应力τn==×106=47×106MPa

 

　　式中：[σ]-许用拉应力MPa

 

　　[τ]-许用切应力MPa

 

　　根据力学公式：主塔主管抗扭转切应力

 

　　τ==

 

　　=55.7×106MPa>τn=47×106MPa

 

　　式中M1-主管上的额定转矩M1=336KN·m

 

　　R-主管壁厚中线圆半径R=0.31m

 

　　δ-主管壁厚δ=0.01m

 

　　由此可见，主塔的抗扭切应力不足，从而造成主塔扭曲变形。

 

　　4改进方案

 

　　根据JZU90桩机原来各部装件的性能，本着节约实效的原则，进行改进。方案如下：

 

　　4.1塔架主管的改进

 

　　采用φ630×10螺旋管作主管，材料为Q345，

 

　　[σ]=345×106MPa

 

　　许用剪切应力τn1===×106=69×106MPa

 

　　根据主管抗扭切应力：

 

　　τ2=得

 

　　M2=2πR02δ0τ2≤2πR02δ0τn1

 

　　=2×3.14×0.312×0.01×69×106

 

　　=416421N·m

 

　　式中M2-主管上的额定转矩M2=416KN·m

 

　　R0-主管壁厚中线圆半径R0=0.31m

 

　　δ0-主管壁厚δ0=0.01m

 

　　4.2动力头装置的改进

 

　　为了保证电动机控制系统不变，仍采用直流调速控制，选择电动机为直流调速电机Z4-225-11，功率为75KW，额定转速1000r/min，最高转速2000r/min，2台。减速器为ZZSH630—180，速比i=180，许用输出转矩为M0=260KN·m

 

　　动力头额定输出转矩M3=×180=257850N·m

 

　　由此可知：M3M3动力头主轴输出最高转速n==11.11r/min，满足钻具转速要求。

 

　　4.3主塔底节采用十字轴结构如图1所示

 

　　改变主塔垂直度调整方式，利用双斜支杆调整主塔的前后左右方向5°的角度。确保施工过程中主塔的倾斜，斜支杆联接法兰处螺栓改为M24×80，16件为一组，加强联接强度。

 

　　主塔底节的工作原理：

 

　　塔立直安装完成后，卸去序号5止动销，两边斜支撑调整机构同时做反向动作，丝杠长短伸缩，此时，立柱底节绕序号4十字短轴转动，可以调整立柱的左右角度，两边斜支撑调整机构根据需要同时同向动作，通过调整斜支撑丝杠的长短，主塔底节绕序号4十字短轴转动时，可以调整立柱的前后角度。

 

　　图11、筒体；2、底节大滑道；3、十字长轴；4、十字短轴；5、止动销；6、十字轴座；7、止动杆

 

　　总之是通过斜撑调整机构调节丝杠长短，最终带动立柱实现立柱前后、左右垂直度的调整。但丝杠伸缩的调整作业，必须是在塔底节止动销轴拔出状况下进行。丝杠的调整不得过度，以立柱允许调整角度为限。否则将使十字短轴和长轴受损严重，破坏桩架的结构，造成事故。

 

　　5结论

 

　　通过多个施工现场使用，改进后的JZU90桩架，性能稳定，施工效率得到明显的提高，得到了用户的高度认可。

 

　　参考文献

 

　　[1]成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社.

 

　　[2]沈保汉.施工技术.2000，10.

 

　　[3]彭桂皎.中国螺杆桩技术[M].海南卓典高科技开发有限公司中国螺杆桩技术推广中心，2009.

 

　　[4]赵娣.螺杆桩在高层建筑物中的应用[J].铁道建筑技术，2009（6）：121-123.