非开挖导向钻进钻头受力试验研究
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摘要：本文通过对偏导钻进过程中钻头及周围土体受力变形情况的实验研究，利用丝式电阻应变计测偏导钻头钻进的过程中钻头背面、斜面和侧面方向的土层变形规律,并通过钻头周围土壤所受的力计算出钻头各个方向所受的力，摸索出了一种与实测值基本相符的钻头表面受力计算方法。发现深基础的承载力公式可用于近似计算钻头推进力。
关键词：导向钻进，钻头，土力学，深基础承载力
中图分类号：C35文献标识码： A
引言
铺设地下管线传统的方法是在地表挖沟（槽），然后将管线放入沟（槽）中，最后进行回填土方。但随着城市高层建设及铁路、公路、核电基地和水利工程设施的不断兴建，地下工程的建设和应用日益广泛，开挖施工方式表现出很大的局限性。非开挖施工技术是指在不开挖地表的条件下探测、检查、修复、更换和铺设各种地下公用设施（管道和电缆）的任何一种技术和方法。为确保管线的铺设方向和精度符合设计要求，国外在导向、定向钻进中分别采用了导航仪和随钻测量系统，而在小口径顶管设备中则采用激光导向装备,而我国在此方面的研究和应用较为匮乏。
本文通过模拟实验对偏导钻进过程中钻头及周围土体受力变形情况进行了实验研究，提出了一种运用土力学的理论来计算钻杆推进力的新方法。基于不同的研究思路设计了三组不同的实验，包括利用丝式电阻应变计测土体变形的实验、利用压力盒测土体受力的实验和利用丝式电阻应变计测钻头变形的实验。
此外，通过模拟钻进过程，利用压力盒传感器直接测出某一土层的受力情况。
2 试验
2.1 试验仪器
钢制偏导钻头，∠15°和∠10°各一个；直径为20mm、长度为300mm的钢制钻杆；边长300 mm立方体钢架承土箱；丝式电阻应变计；静态应变仪；荷重传感器；压力盒。
土样为粘性土，因其质地均匀、易压缩且夯实后质密坚硬，给钻头的反力大，钢制钻头变形相对较大，而土体变形较小，使二者都适合电阻应变片的量测范围。
2.2丝式电阻应变计测土体变形的实验方法
（a） 测土体变形的试验装置 （b）试验装置简图
图1丝式电阻应变计测土体变形的试验装置简图
为保证整箱土的密实度，应采取“少填土，勤夯实”的办法，每次填土夯实厚度为3～5cm，填至距顶5cm。通过压力器向钻杆加力，记录下每次固定进尺后的压力值与压力盒的应变值，由于压力器使用摇把手动推进时每圈为0.7mm，所以每次进尺量看依据压力变化情况着情选取2.1mm、3.5mm或7mm。钻头接触底部后停止实验，取出钻头和土样，重新填土、夯实，重复试验。重复3次后旋转钻头90°，重复试验，更换钻头，重复试验。
2.3利用丝式电阻应变计测钻头变形的实验
与水面线成0°、45°、90°分别粘贴三个电阻应变片，并与导线焊接。由于钻头钻入土样时表面的压力与摩擦力都很大，所以除用塑料膜包好应变片外还要用粗胶布反复裹缠钻头。
（a）钻头的电阻应变片粘贴 （b）试验用钻头
图2 钻头的应变片粘结及保护处理
3 试验结果
3.1电阻应变片测土体变形
图4 10°钻头斜面和背面的测试板内外侧的土的变形量
图4 10°钻头侧面的土体进尺----应变曲线
图5 15°钻头斜面和背面的测试板内外侧的土的变形量
图6 15°钻头侧面的测试板内外侧的土的变形-应变曲线
根据测试板应变变化曲线可以看出在偏导钻头钻进的过程中，钻头背面和斜面方向土层的变形规律都是先增大后减小，这可能是由于一般钻杆的直径比钻头小，而使钻头经过土层后土层发生卸荷回弹造成的;但背面的变形量较斜面大且变形曲线较缓，这可能是因为钻头背面在由斜面上传来的土体反作用力作用下偏离了钻进轴线的缘故.侧面方向土层变形是单调上升的.
3.2 测试板受力
假设测试板（尺寸）变形前后其中轴线两端点固定（类似悬臂梁）及测试板变形后内侧外侧为均为同心圆弧计算测试板的挠度。在计算出了挠度之后，假设测试板所承受的力为只作用在测试板中轴线上的荷载，则可利用材料力学中简支梁的挠度计算公式反算作用力，根据不同的受力作用形式计算测点周围土体的受力，结果见表1和表2。
表1 偏导钻头周围土体受力结果
点号 压力（kN） 进尺（m） 方位 均布（N） 水平集（N） 垂直集中（N）
A 0.8 0.10887 背面 21.39 13.38 14.03
斜面 6.67 4.21 4.38
侧面 13.27 8.38 无
B 1.4 0.15087 背面 37.14 32.19 29.05
斜面 19.90 18.05 22.18
侧面 43.23 39.21 无
C 1.1 0.18237 背面 2.63 6.12 3.89
斜面 13.16 30.67 75.94
侧面 59.02 137.49 无
表2 偏导钻头周围土体受力结果
点号 压力（kN） 进尺（m） 方位 均布（N） 水平集（N） 垂直集中（N）
A 1.7 0.0784 背面 23.81 15.83 18.08
斜面 11.89 9.50 8.33
侧面 45.00 9.00 无
B 2.7 0.13778 背面 38.89 29.33 25.76
斜面 16.45 12.42 15.54
侧面 31.99 24.14 无
C 2.1 0.1666 背面 46.93 59.51 42.33
斜面 26.47 33.56 62.73
侧面 17.59 22.31 无
表3 由土体受力反算的偏导钻头受力结果
点号 背面（N） 侧面（N） 斜面1（N） 斜面2（N） 合 计（KN） 传感器压力（KN） 进尺（m）
A 333.29 439.23 292.43 13.18 1.078 0.8 0.1088
B 629.03 1290.0 460.32 79.91 2.459 1.4 0.1508
C 305.86 697.20 807.59 177.63 1.987 1.1 0.1823
表4 由土体受力反算的偏导钻头受力结果
点号 背面（N） 侧面（N） 斜面1（N） 斜面2（N） 合 计
（KN） 传感器压力（KN） 进尺（m）
A 250.89 315.56 108.97 28.20 0.837 1.7 0.0784
B 385.49 594.49 293.84 52.62 1.326 2.7 0.1517
C 833.23 708.29 622.84 209.14 2.374 2.1 0.1666
3. 3分析与结论
最终计算结果与实测值之间存在着差异，分析其原因有4点：
1.实验仪器方面：荷重传感器只能精确到0.1KN，与计算值相比不够精确，且实验后期由于使用次数过多已经出现输出值不稳定的现象，所以实测值的准确程度是有浮动的。电阻应变计虽然极其灵敏的缺乏记忆性能，即使用之后很难消除其已有变形量的影响，同样导致实测值的不准确。测试板是手工切割成的，实际尺寸与计算尺寸不是严格相符。
2.数据处理方面：为使问题得以简化设立了一些假设，使得理论计算与实际不是完全相符。
3.实验过程方面：本组实验是重复多次才得以完成的，而多次实验之间必定存在差异，比如实验土的夯实程度，实验的进行速度等，而数据处理时是认为每次实验的参数都是一样的。
尽管最终的计算结果中6个点只有点A和F和实测值较为相符，但由于以上分析的4点和一些没有发现的原因的存在，计算结果的差异并不能否定计算方法的正确性，相信在以后的研究中这种利用土体变形反算钻头受力的方法会更加成熟，精确。
4. 需要进一步研究的问题
1.实验方法仍需改进，比如向盛土箱中填土需逐层夯实，很麻烦，夯实后土变得致密坚硬，不易取出且易损坏埋置在土中的测试板和钻头。
2.PZ型电阻应变计比头发丝还纤细，在实验中经常损坏，其与导线的焊点则更脆弱，为实验带来了很大的不便，也延误了实验进程。
3.在由测试板的应变计算土体受力是以假设测试板中性面两端点固定且变形为光滑圆弧为前提，而测试板的实际变形则是复杂的和不规则的，此问题的解决还有待更多的研究和尝试。
4.由土体受力计算钻头受力实际是以线荷载作用下的附加应力理论为模型，虽然经过大量的计算证明其结果与实测值较为相符，但对此理论模型的选择以及其它类型荷载作用下的附加应力理论为何不行都是由尝试得来，缺少理论基础。
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