全回转全套管钻机夹持系统的研究

想，达到了完善优化的目的。关键词：全回转全套管钻机；夹持系统；内部结构；设计方式中图分类号：TU67 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2019)11-2084-02 DOI: 10.14144/j.cnki.jzsg.2019.11.040Study on Clamping System of Full Rotary Full Casing DrillHAN LeiShanghai Engineering Machinery Co., Ltd., Shanghai 201901, ChinaAbstract: To improve the operation quality of full-rotary full-casing drill, several construction methods of full-rotary full­

casing drill are emphatically analyzed. On this basis, from two aspects of internal structure and design method, the

clamping system of full-rotary full-casing drill is studied in depth, and then the structural improvement is carried out.

Through practice, the effect of improvement is perfect and the goal of perfection and optimization is achieved.Keywords: full-rotary full-casing drill; clamping system; internal structure; design method目前我国城市建设水平逐渐提升，这就需要采用先 施混凝土浇筑。以上整个过程就是完成灌注桩施工的过

进的施工设备以及高效的施工技术，在安全环保的基础上 程。如果在实际施工中遇到破碎地层，鉴于这种环境下地

完成施工工程。全回转全套管钻机能够改变传统的施工方 式，提升施工中桩孔的施工质量，同时还能对环境展开有 效保护。在实际应用中，全回转全套管钻机夹持系统由于

层的组成结构较为复杂，为了保证最终的施工质量，可以

先利用冲锤，打碎套管中的砂石等物质，再将管中已经破

碎的砂石取出，然后再进行钻孔工作。这种方式能够保证

整个钻孔工作的顺利实施。搓管机的不同，釆用的夹持方式也不同。本文将重点对全

回转全套管钻机夹持系统展开研究，继而采取有效的技术

另外，在不同地层进行施工的过程中，根据冲抓斗以

措施来提升整个系统的实际运行质量，最终达到提高施工

质量的目的及套管之间的位置关系，可将成孔方式分为2种，第1种为

套管超前下沉，第2种为冲抓斗超前下挖（图1）。通常情

况下，第1种方式可以应用在软土和黏土层中。该种类型

1 全回转全套管钻机施工工法全回转全套管钻机在灌注桩施工中，可以应用在多

的土质压缩模量较小，采用这种方式能够有效控制开挖方

向，同时保证孔壁的施工质量。在完成开挖1.0〜1.5 m之

1.1全回转全套管钻机灌注桩工法种类型的地层上，例如砂土、粉土、黏土以及砂砾、冻土 等。在灌注桩施工中，利用全回转全套管钻机的夹持装置

后，将其中多余的土取出，完成施工。第2种施工方式主要

应用在硬土层中，其中硬岩石和砾石较多，因此压缩模量

较大。利用该种方式，可在开挖0.3 m之后将套管取下，减

轻地层中坚硬物质对套管的磨损程度，进而保证设备的完

夹紧套管，同时利用回转电动机，降低套管与土层之间的

摩擦力，将套管逐渐搓动压入到地层中。在此过程中可以 使用掘土设备，对套管中的岩土进行处理。在完成以上动

整性。作之后，清除出多余的土壤，继续进行钻孔施工。在完成 钻孔之后，在孔中放入钢筋笼以及灌浆导管，利用导管实作者简介：韩 t （1980—）,男，本科，工程呷。

通信地址：上体市空山区杨启路258号（201901 ） o 电子岬笛：hanl@semw.com收稿 B 期：2019-08-06

图1全回转全套管钻机施工示意20842019 • 11 • Building Construction韩雷：全回转全套管钻机夹持系统的研究1.2全回转全套管钻机咬合桩工法咬合桩是一种基坑围护结构，即在一条直线上设置一

机夹持系统中，接触边界具有较强的不确定性，一旦二者

的接触面积发生变化，其中部分结构的边界性质会发生转

定数量的单排钻孔桩，将孔桩排列成具有挡土功能的支护 变，正是因为边界具有较强的不确定性，导致接触分析中

结构。这种方式能够实现各个孔桩之间的咬合，在此过程

存在非线性关系。整个接触过程可以大致分为3种非线性类

中需要采用2种类型的混凝土桩，分别为超缓凝型混凝土桩 以及钢筋混凝土桩。施工时将二者穿插排列，在超缓凝型

型，分别为材料非线性、几何非线性以及接触面非线性，

在计算中经常采用的计算方法为增量迭代法。在计算过程

混凝土桩初凝完成之前，完成第2种混凝土桩的浇筑，并将

二者相交部分切掉，进而实现相互之间的咬合。这种建设

中需要先确定位移和接触节点力，并利用该计算法进行验 证，最终确定其接触类型。在该种情况下，当2个物体相互

方式能够保证整个结构的稳定性，避免在实际施工中出现 塌方以及孔内流砂等情况，保证整个施工过程的安全性。接触时，作用力会在其公共表面进行传递，如果存在摩擦 情况，则传递力的类型为切向力，否则为垂直表面的力，

而对其进行计算的主要目的就是确定接触的面积和传递力

在施工中需要注意3点问题：第一，设置挡墙，这种方

式能够保证桩孔位置的稳定性，提升钻机的使用效率，避

免出现洞口坍陷的情况；第二，控制咬合桩的垂直度，通

类型。2）夹持卡瓦有限元模型的建立。这一过程中需要先

确定模型建立的参数，目前包括的模型主要为夹持卡瓦

模型、套管柱模型、套管内土芯模型以及地层模型。例

常情况下垂直度需要在3%之内，以提升桩孔的连贯性和防 水性；第三，保证超缓凝混凝土的施工质量，为接下来的

钢筋混凝土施工提供条件。如，在选择土芯模型参数的过程中，由于在全回转全套管

钻机施工中套管柱内的土芯会发生移动，因此其强度会

2 全回转全套管钻机夹持系统2.1全回转全套管钻机夹持系统内部结构在全回转全套管钻机夹持系统中，最重要的组成结 构为套管夹持器，其由楔块、夹持卡瓦以及套管等结构组

降低。在该种情况下，可以使用参数折减的方式，将强度

参数设定为土芯原状态的25%。在选择卡瓦参数时，由于

卡瓦材料在整个结构中属于非线性，因此使用的模型为

弹塑性模型（图2）。又例如，当全回转全套管钻机夹持

系统中使用的卡瓦材料为Q345系列钢时，则弹性参数为

成。卡瓦能够固定在套管上，楔块与卡瓦、卡瓦与套管之

间的关系为状态非线性基础，楔块能够将夹持力传递到卡 瓦中，因此卡瓦与套管之间的力为接触力。在力的传递过

2.3X10'MPa,泊松比为0.15,塑性参数需要在试验数据的

基础上确定。模型建立方法可以为三维模型，在静力学的

条件下，假设套管柱为15 m,功能为\"partition\",根据地 层深度的不同，将其分成3段，分别为3、4、6m,剩余2 m

程中，由于卡瓦和套管可能会发生变形现象，因此需要将 这一影响因素加入到结构分析中。例如，在研究卡瓦与套

管夹持力时，要先确定摩擦力在其中的作用，分析夹持力

系统的受力情况、变形情况以及其中产生的瞬间动力学效 应等。为夹持部分。在土体建模的过程中，设计主体中的计算域

半径需大于桩孔半径，主体深度至少为桩孔深度的1.5倍。 主体的设计形状为圆柱体，计算域半径和深度分别为20 m

在研究全回转全套管钻机夹持系统卡瓦弹塑性的过

程中，通过分析其应变曲线能够看出，在单项拉伸的过程

和25 mo因为卡瓦与套管是接触关系，所以接触面能够传

递压力，在这种情况下，可以简化卡瓦模型建立流程，根

中，拉力越大，材料中的内应力也就越强，一旦其中应力 据卡瓦和套管直接接触的部位进行模型建立。值接近于极限值，卡瓦即开始发生塑性变形。卡瓦在正常

运转中，其荷载量提升，变形阶段也会发生变化，从最开

始的弹性变形逐渐变为塑性变形。全回转全套管钻机夹持系统中的卡瓦处于动态运行

中，因此要想对其展开有效分析，需要从结构动力学的角 度入手。卡瓦夹持套管在运动过程中，受到动力作用的影

响，其中的动态荷载为瞬间形态，因此需要对其瞬间的运

行状态展开分析，确定全回转全套管钻机夹持系统内部结 构受力在时间的推移下，其内力与位移之间的关系。图2夹持卡瓦2.2全回转全套管钻机夹持系统设计在分析全回转全套管钻机夹持系统设计的过程中，为

了保证研究的全面性，需要从以下几个方面展开研究：3）全回转全套管钻机夹持系统中卡瓦设计的优化方

式。在设计中需要确定卡瓦在不同倒角下的应力分布情 况，并主要针对衬条和套管接触面展开应力分析。根据分（下转第2091页）1）套管与卡瓦的接触非线性分析。在全回转全套管钻

建筑施工•第41卷•第11期208571黄 震、汤 毅、曹晓程：风管的不同布置方式对剧院池座内部气流组织的影响可能是由于涡流区阻碍了气流的流动，从而使得正常流动

的截面变小，一旦气流经过涡流区，由于流量需要在管内

点是如何在管道不发生碰撞，同时不影响施工操作的前提 下，对弯头和风管内导流片进行一定的优化设置，从而使

风管内的气流组织更合理。守恒，致使部分区域出现了大流速的情况。通过进一步分

析管内气流流动方向分布证实了上述的推断，凡在管内出 现大流速的周边必然会有涡流区存在(图7,圈中即为涡流

区)，且涡流区面积越大，正常流动的面积就越小，周边

4 结语本文对歌剧院池座内不同风管的布置形式以及风管内

气流流速越大。图6所示风管6个风口的送风速度平均约为

气流流动状况作了仿真研究，得到了以下结论：0.79 m/s,略大于设计要求的0.75 m/s的速度，这是由于仿

真中无法设置漏风量，而实际风管中存在一定的漏风，因 此存在一定的气流速度损失，而仿真的精度也可能会产生

1) 对于本工程，风管的设置虽然会加大建设成本，但

能有效提高池座内的送风均匀性，降低涡流区的面积，并

可降低噪声。细小的误差。从以往工程的仿真经验来判断冏，不合理的

2) 风管的弯头和导流片设置是减少管内涡流区面积的

关键，尤其对于歌剧院这类建筑，对送风均匀性和噪声要

涡流区是无法避免的，而弯头的角度和导流片的设置可以

很好地缩小涡流区的面积，使得流动更顺畅，进一步缩小

求比较严格，因此应对此进行优化。制冷能耗。二二二二三二三三三三二三三二二三

—参考文献//[1] 杨丈,孟祥来，.某行政会议中心舞台气流组织分析[J].建筑热

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(12):1787-17.本次仿真的结果能够看出，设计提供的风管长度、

风口位置及送风参数均符合预期要求。后续深化设计的重

[7] 汤毅.•*界级高水准音乐厅的空调系统消声研究与示范[J].安装,

2017(1):45-4&OOOOOOOOOOOOOOOOOOO^0OOOOX>OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO(上接第2085页)析能够发现，衬条的倒角半径越大，应力的分散性就越

确定了夹持卡瓦的实际受力情况和变形情况，并在此基础 上分析了其中存在的动力学效应。这种方式能够从根本上 对整个系统展开优化，从而不断提升全回转全套管钻机夹

小。因此卡瓦上底部中存在的应力远远大于其他区域，同 时底部边缘的应力最大，中间部分应力最小。而在套管

持系统的实际应用质量。中，其应力最大值在顶部，该位置也是夹持力的固定区 域，因此二者之间的应力分布情况相一致。如果针对一个

…飞 参考文献 •………卡瓦进行应力分析，则由于其结构中存在扭矩，因此卡瓦

[1] 方能榕.全回转全套管钻机清除地下遗留桩施工技术在某地铁工

程中的应用[J].福建建设科技,2017(6):56-58;63,与套管之间的接触并不完全均匀，通常情况下中间的应力

最小，两边的应力最大。[2] 陈楠楠.厦门海沧港区2\"、3\"泊位码头结构加固改造工程冲孔桩

机及全回转全套管钻机试桩总结[J].江西建材,2017(17):94-95.3 结语本文重点对全回转全套管钻机夹持系统展开研究，通

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技展望,2015,25(6): 15; 17.方式，完善优化了整个全回转全套管钻机夹持系统，同时

建筑施工•第41卷•第11期20917I