理论上在相同承载力的情况下螺杆挤土桩投入的成本比长螺旋灌注桩、沉管预制桩相对较低，国内建筑桩机（桩工机械）螺杆挤土桩施工正逐渐取代长螺旋灌注桩施工。螺杆挤土桩应用螺杆钻具在加压装置的协同作用下挤土形成螺纹孔，既避免了返土现象，又增加了桩体的承载力，响应了国家节能减排的号召，并改善了施工环境。螺杆钻具第一节为梯形螺纹节，其余各节为光杆。由于恶劣的工作环境和复杂的受力情况，螺杆桩机钻杆易出现破坏断裂现象，主要为疲劳断裂和扭转变形，极少发生钻杆失稳导致的弯曲变形。因此，为了避免生产事故，针对钻杆断裂失效原因进行分析，并找出解决办法。
1螺杆桩机钻杆的介绍
螺杆钻具主要由钻头、梯形螺纹钻杆、光钻杆、泥浆管等组成。使用内、外六方接头通过销体连接，部分使用内、外八方接头通过销体紧固，钻具内设有泥浆管，作为输送混凝土的通道。
钻头用于完成钻进过程中破土和碎石的工作，因此它必须有足够的强度和硬度。为防止钻头被动力头旋转产生的过大扭矩撕裂，要求钻头钻进过程中受力均衡，设计时选用两侧对称的钻头叶片方式。
螺纹钻杆部分主要由叶片和中心管组成。根据所需的钻具直径大小来选定中心管。中心管的直径加上二倍叶片宽度即为所设计钻具的直径。叶片采用分段铸造成型，每个螺距分3段铸造。可以根据所需的螺纹形状及螺纹深度大小设计叶片的具体形式。中心管选用无缝钢管。中心管与叶片通过焊接结合在一起。在螺杆部分中间设有泥浆管，方便混凝土灌注，且能预防泥浆滞留造成钻杆阻塞。钻杆部分由内部泥浆管和外部中心管组成，通过内六方或内八方接头连接，并通过销轴紧固。
在施工中螺杆桩机钻杆主要受扭转力、加压力和起拔力的作用，同时还要考虑冲击和振动的作用，钻杆在这些复杂的合应力场中最终失效。在进行计算校核时，通常选择的是平均应力小于屈服极限，但在实际工作中由于局部产生应力集中，在交变应力的作用下，产生微小的裂纹最终断裂。
2常见断裂形式及原因分析
1）断裂形式一：扭转断裂。
断裂现象：钻杆在向下钻进过程中，发生严重声响断裂，在提取钻杆时8米螺纹钻杆断裂在地基内。
原因分析：发生钻杆断裂情况原因主要分为：
第一种情况：钻杆设计许用扭转力小于实际工作扭转力。
第二种情况：钻杆材质有裂纹，在焊接过程中由于热变形使得裂纹加大，在进行施工时，由于交变应力和局部应力集中导致的钻杆断裂。
针对第一种情况，进行数据的验算，钻杆为φ351，管壁为18mm的27SiMn管件，桩机为JUS120螺杆桩机，额定扭矩为250kN.m，动力头压力为50kN，加压力为400kN。查材料手册可知，27SiMn的屈服极限为σs=835MPa。
根据钻杆受力情况，建立数学模型。
计算后的屈服极限仍然小于钻杆材料27SiMn的屈服极限，因此在设计中，材料的抗扭强度可以满足桩机扭矩要求。因此，钻杆扭转断裂并非由于扭矩过大造成的。
针对第二种情况：钻杆材质有裂纹，将剩余部分钻杆体及未加工管件拿到专业检验部门通过超声波探伤，得到剩余钻杆体也有裂痕，因此确定是生产厂商提供的钢管的质量问题。
解决方案：钻杆进行设计时，对其强度进行校核，使设计钻杆的屈服极限乘以安全系数后小于钻杆材料的许用屈服极限，以防止由于局部应力过高，超过钻杆的许用屈服极限，造成钻杆断裂。在钻杆材料购进后，要对钢管进行超声波探伤，检查是否存在细微裂痕，经过焊接后的钻具，再次检查，以防在焊接过程中产生裂痕，及早发现预防。钻杆断裂部分如图2所示。
2）断裂形式二：受力不均弯曲变形。
断裂现象：桩机钻头在进行钻进的过程中，钻杆出现扰动，钻孔钻偏。
原因分析：
第一种情况：进行钻孔过程中，钻杆出现扰动可能原因是受到不平衡力的作用产生动不平衡，在加压力的作用下，钻杆受力弯曲。
第二种情况：钻杆所用管件本身的制造误差，如圆度、直线度以及壁厚均匀度等。问题关键在于采购时无缝钢管为8m一根，设计时通过管接头进行连接，连接过程中则出现同轴度、直线度等公差，由于这些制造误差，会造成钻杆在动力头重力和加压力的共同作用下，在钻进的过程中产生受力不均，进而产生扰动。焊接过程中，由于焊接热产生弯曲变形和氧化层造成的尺寸误差。
解决方案：针对第一种情况，在设计时要求动力头前后左右对称，使重量可以均匀分配，加压的滑轮以钻具为参照前后左右对称设计，可以避免由于重力和加压不均产生的钻杆弯曲现象。针对第二种情况，首先避免管件本身制造误差的解决方法只能在采购环节中进行检测，选择优质管件；其次，在钻杆装配时，一定要保证同轴度、直线度，装配后做到严格检查，避免装配产生错误；第三，在焊接时，要求焊工在焊接过程中选择合理的生产工艺，对出现的焊接变形要及时的校正。
3）断裂形式三：叶片脱落。
断裂现象：钻具在进行钻进的过程中，发生卡钻现象，提取钻杆后，螺杆叶片脱落
原因分析：JUS120桩机钻杆的材料为27SiMn管件，属于合金结构钢，含碳量为0.27%左右，在碳钢范围属于低碳钢，常用J506或J507堆焊条焊接。J507为低氢钠型焊条，是用硅酸钠作粘结剂，工艺性能不如酸性焊条，焊接时要采用短弧焊。J506为低氢钾型焊条，是在低氢钠型基础加入稳弧剂，改善电弧工艺性能，可用交、直流电源，但焊缝金属的冲击性能有所下降。这两种焊条均为普通低碳钢焊条，二者可以相互代用，但一般来说低氢钠型焊条，适用于全位置焊接，电流种类为直流反接；低氢钾型焊条，也适用于全位置焊接，但电流种类为交流或直流反接。J：表示结构钢；50：表示其抗拉强度为490Mpa；7：焊条药皮成分为碱性。设计中，计算得到的拉伸屈服极限是320Mpa，通过现场的叶片脱落钻杆图3可知，掉片部位堆焊肉过少所致。
解决方案：在焊接的过程中，要重视焊接工艺的重要性，堆焊焊缝，焊肉的高度一定要达到标准，要严格进行检查，避免由于焊接问题引起的生产事故。
3结束语
螺杆桩机钻具的加工质量直接影响到螺杆桩基础的施工，在设计过程中要进行严格的计算校核，对材料进出场时要进行严格的质检，焊接严格遵守焊接工艺，不仅可以提高桩基础的施工质量及效率，而且可以避免由于钻杆破坏造成的施工延误或施工事故的发生。
参考文献
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