防汛抢险仿生螺旋桩沉桩机理及技术研究项目摘要

我国多流域、多湖泊，每年要投入大量的人力、物力用于防汛抢险和流域治理。沉桩作业是防汛抢险和流域治理中必不可少的手段，主要用于堤坝加高、挂柳护堤、挂帘堵漏、决口设障和挂船及挂缆等。防汛抢险装备必须满足机动灵活、重量轻和便携性好的要求。本项目提出将仿生螺旋桩及其沉桩设备用于防汛抢险。要将螺旋桩拧入地下需要很大的动力，以至于满足不了防汛抢险装备的要求。拟对蚂蚁体表减粘降阻规律进行仿生研究，研制仿生螺旋桩及其沉桩设备，揭示仿生螺旋桩的沉桩规律，解决传统的防汛抢险木质直桩及其锤击式沉桩设备存在的问题，如木桩易腐朽、易虫蛀、耗费木材、沉桩阻力大、起桩困难、反复利用性差和锤击式沉桩设备震动和噪声大、效率低、笨重、机动性差和易引起次生灾害等。对仿生螺旋桩沉桩机理及技术的研究将进一步完善沉桩理论体系。 2100433B

“软—硬”相间结构在生物体中普遍存在，以此为灵感设计的软硬相间仿生材料表现出了出众的减阻、耐磨性能。本项目研究软硬相间仿生材料摩擦性能，以经典的粘着摩擦理论为基础，结合“软—硬”相间结构特点，建立软硬相间仿生材料摩擦过程的数学模型，揭示软硬相间仿生材料减阻、耐磨机理，探索其摩擦过程的多因素协同影响特点，提出基于摩擦学性能的软硬相间仿生材料的系统化设计方法，并针对软硬相间材料特点，应用化学共价共混、3D打印、激光加工等方法制备软硬相间仿生材料。拟解决三项关键科学问题：建立软硬相间仿生材料摩擦过程的数学模型，揭示软硬相间仿生材料减阻、耐磨机理，提出基于摩擦学特性的软硬相间仿生材料的系统化设计方法。项目研究可以为基于摩擦学特性的软硬相间仿生材料的制备与应用提供拓展性思路。

钢螺旋桩分为圆柱体的空心桩和圆形或多角形的实体桩。钢螺旋桩强度性能优良，经济耐用，是广泛使用的一种螺旋桩。此螺旋桩长用于桥梁的加固和固定。

螺旋桩的理论承载能力，在实际工程施工时必须进行检查。

这种检查，对与螺旋桩来说有重大意义，因为螺旋桩承载力的计算公式，其所求出的数值是近似数值。在这些公式中所列的个别系数和参数，并非永远都是正确的。

螺旋桩的承载力与拧桩最后阶段的扭转力矩是直线关系。最后阶段扭转力矩越大，则螺旋桩的承载力亦越大。但是，在这两个数值之间，至今还没有规定出任何的理论关系，因而，实际上就不可能用扭转力矩来求出螺旋桩的承载力。

如此，螺旋桩的承载力还是用静载试验作为基本俭查。螺旋桩的容许承谶力，是采用静载试验所求得的土壤极限应力的一部份的：

σ_容许=σ_极限/K

式中：

K——安全系数，一般采用2。

如承台中的桩数不多，对于建筑物来说，它的稳定性要此承台中桩数多的，少的多。承台中桩数越多，则在各桩之间的荷载也越容易均匀分布，这是显而易见的。

根据这一点可以得出这样的意见，即螺旋桩(其在桥墩中的根数较打入的基桩少的多)应按桥墩中的根数再加列安全系数。

如每个桥墩螺旋桩的根数由4根至8根时(在拧螺旋桩的工程经验中；时常遇到这种情形)，这个系数在I.35~1.50之间，即是总的安全系数由2增加到3了。

但是，对与螺旋桩来说，加列补充的安全系数，并没有充分出理由，与其他类型的桩基础相比，反到把它作成丁不利的条件。

工程经验中表明，安全系数2，虽在最不利的条件下，对于任意类型的桩来说，亦足能保证建筑物的安全。

因而对于螺旋桩来说，没有增加安叠系数的必要，实际上，所采用计算螺旋桩的方法，其安全系数虽然不再加列补充安全系数，也足够大了。

在许多桥梁所进行的螺旋桩静载试验，其结果见图2，该图所列的材料是在五座桥梁试验12根螺旋桩的资料。