CN105113501B - 具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒吸入桩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于地基钢管桩，具体为一种具有爆扩装置的用于海洋工程的外扩式大直径圆筒吸入桩，包括主圆筒（1），所述主圆筒（1）的顶面盖有顶板（2）；所述主圆筒（1）的内壁环绕一圈固定连接炸药盒（3），所述炸药盒（3）与主圆筒（1）内壁构成封闭的爆扩仓；所述炸药盒（3）的盒体由叠层结构（4）和钢板（5）构成，炸药盒（3）内放置炸药（6）；所述主圆筒（1）的壁厚小于炸药盒（3）的盒体钢板（5）厚度；所述炸药盒（3）的盒体上安装起爆装置。通过在圆筒桩中安装或联接爆扩装置且通过爆扩形成一个或多个外扩式灯笼状的局部扩充部分来有效地提高桩的抗压、抗拔和抗侧向综合承载能力。

Description

具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒吸入桩

技术领域

本发明涉及建设工程领域，具体为一种应用于地基作业的大直径圆筒吸入桩，通过在圆筒桩中安装或联接爆扩装置且通过爆扩形成一个或多个外扩式灯笼状的局部扩充部分来有效地提高桩的抗压、抗拔和抗侧向综合承载能力。

背景技术

目前，在传统模式中桩主要靠桩侧阻力和桩端阻力发挥作用；当出现建筑物荷载特别大，特别在海洋工程等类似工程中，对抗拔能力要求就非常高时，仅仅通过改变桩尺寸的方法也达不到高承载力和高抗拔力需求。因此需要重新设计一种新的钢管桩来解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的是对钢管桩的承载力或者抗拔能力要求很高时，普通大尺寸钢管吸入桩仅通过改变尺寸已难以达到高承载力和高抗拔力需求，提供一种新型的带有爆扩装置的外扩式大直径圆筒吸入桩。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒吸入桩，包括主圆筒，所述主圆筒的顶面盖有顶板；所述主圆筒的内壁环绕一圈固定连接炸药盒，所述炸药盒与主圆筒内壁构成封闭的爆扩仓；所述炸药盒的盒体由叠层结构和钢板构成，炸药盒内放置炸药；所述主圆筒的壁厚小于炸药盒的盒体钢板厚度；所述炸药盒的盒体上安装起爆装置，所述起爆装置包括起爆钢管，所述起爆钢管贯穿炸药盒的盒体，所述起爆钢管内设置引爆线，所述引爆线的内端连接炸药、其外端连接起爆器。

当炸药爆扩时，它能够产生很大的压力。通过控制所选炸药的类型、重量和形状，可以保持炸药盒的完整性（爆而不破和控制扩充形状）。炸药盒盒体与主圆筒内壁焊接固定连接，由于炸药盒盒体由叠层结构和钢板构成，其外壁的厚度明显比主圆筒的内壁厚很多，所以爆扩波会更容易地驱动主圆筒的管壁向外扩展变形，形成外扩式形状。又因为炸药盒内壁是由层叠结构加钢板组成，所以其完整性在管壁扩展停止可得以保持。如图3所示，通过爆扩使得主圆筒形成一个或多个灯笼状的局部扩充部分来有效地提高桩的抗压、抗拔和抗侧向综合承载能力。

为了能承受巨大的爆扩压力，主圆筒需要采用有较高桩屈服强度、极限强度、特别是高延性的材料，通常可以采用结构钢、不锈钢、铜或铜合金、铝或铝合金。不仅要求主圆筒管的尺寸和管壁应大于临界厚度，而且叠层结构也必须具有大大降低激波的强度的能力。当一个冲击波经过相连材料有明显不同的声阻抗或由纤维增强复合材料组成的叠层结构时，它将很快分散。分散、消弱冲击波的能力主要取决于两层材料之间声阻抗的相异性。冲击波在通过叠层结构过程中将得到迅速衰减。当通过叠合结构时前面冲击波的压力将大大减少。

在炸药的作用下，主圆筒将迅速向外扩张。外围的高压力使管外的土压缩，大大提高了土的密实度和强度。反过来，管外表受到的土压力也将大大的提高。在高应变率（>10³/s）的情况下，承压管体材料的屈服应力将会得到增加。当冲击波从主圆筒传播到土壤，冲击波将反射、入射到土壤中。根据激波理论物理，反射波是一种罕见的波，而入射波是一种压缩波，能使土壤密度增加，从而强度增大。

本发明的有益效果如下：

在传统模式中，桩承受到摩擦力的作用，摩擦力为P*m，其中P是土壤侧向压力和m是摩擦系数。然而，采用上述模式中，桩所承受的不仅有摩擦力，也有远远大于摩擦力的正压力。其实在本发明中，就算摩擦力也是大于传统模式的，因为侧向压力P在爆扩后比传统模式中大，因此，圆筒能承受更重的荷载。显然，在本吸入桩中圆筒结构也可以承受更强的横向载荷和力矩。所以本发明有显著的优势。在相同的承载力下，可以使用更小尺寸的钢桩，而达到较好的经济效果，可降低工程造价，具有实用的推广价值。

附图说明

图1表示爆扩前吸入桩的整体剖面示意图。

图2表示图1中位于吸入桩内上部炸药盒部分的放大示意图。

图3表示爆扩后吸入桩的整体剖面示意图。

图中，1-主圆筒，2-顶板，3-炸药盒，4-叠层结构，5-钢板，6-炸药，7-起爆器，8-起爆钢管，9-引爆线，10-加强环，11-引爆钢管，12-支撑架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒吸入桩，如图1所示，包括主圆筒1，所述主圆筒1的顶面盖有顶板2。所述主圆筒1的内壁环绕一圈固定连接炸药盒3，所述炸药盒3与主圆筒1内壁构成封闭的爆扩仓。爆扩仓的作用是约束爆扩，通过改变形状、长度、直径，可以控制爆破后形成的形状，以便它能承受最大力量。通常，爆破后，外直径将扩大为原始的两倍多。

如图1所示，所述炸药盒3的盒体由叠层结构4和钢板5构成，炸药盒3内放置炸药6。这里有两个炸药盒安装在主圆筒1内，其中一个是顶部炸药盒，另一种是底部炸药盒。位于上部炸药盒3安装有起爆装置，起爆装置由起爆器7、引爆线9和起爆钢管8组成。起爆钢管8贯穿炸药盒3的盒体，起爆钢管8内设置引爆线9，引爆线9的内端连接炸药6、其外端连接起爆器7。其中起爆器必须与引爆线紧密地接触以便能够顺利地引爆。在爆扩后，冲击波朝向位于主圆筒上部的炸药盒传播。当冲击波到达上部炸药盒的底部时，引爆线被引爆，引爆线安装在起爆钢管中，这样就可以稳定的传播，然后引爆上部炸药盒中的炸药。其中，炸药也可以由固体推进剂代替。上部炸药盒和下部炸药盒之间设置有引爆钢管11，所述引爆钢管11的两端分别贯穿炸药盒3，所述引爆钢管11内安装引爆线9，所述引爆线9的两端分别连接炸药6。上部炸药盒内的炸药被引爆后，冲击波通过引爆钢管传播，引爆位于主圆筒内下部的炸药盒内的炸药。其实两个爆扩装置可以减少到只有一个，例如，如果主圆筒的总长度不够或有其他原因。

由于主圆筒1的壁厚小于炸药盒3的盒体钢板5厚度。而炸药盒中外壁的厚度由结构钢和叠层结构组成、且明显比主圆筒的内壁厚很多，所以爆扩波会更容易地驱动管壁向外扩展变形，形成外扩状。因为炸药盒内壁是由层叠结构或纤维增强复合材料加钢板组成，所以其完整性在管壁扩展停止可得以保持。顶部炸药盒结构与底部炸药盒相似。在两个箱子中炸药的数量可能相同也可能不同，这取决于具体设计的目的。通常底部炸药盒中炸药的数量大于顶部炸药盒。因此爆破后，底部的直径大于顶端直径。爆破后主圆筒的壁厚的和将比原来的壁厚薄。通过使用适当的药量和炸药盒设计，可以确保爆破后壁厚满足设计要求。

如图2所示，炸药盒的盒体中层叠结构有四个层组成。要注意的是在层叠结构中的层数并不限于四层，可以是四层以上。正如前面所解释的，层叠结构的功能是分散、消弱爆扩波。层叠结构中的每一层可以由不同的材料组成，但两个相接触的层材料之间的声阻抗差异应尽可能大。层叠结构体不仅可以是金属材料，也可以换成纤维增强复合材料，如碳纤维增强复合材料，玻璃纤维增强复合材料，或任何其他的纤维强化复合材料。

如图2所示，炸药盒3的底面通过支撑架12支撑于主圆筒1的内壁上。上下两个支撑架是由焊接结构钢板或其他金属制成的。整体结构可被焊接或螺栓连接到主钢管的内壁上。而两个支撑架的倾斜角度是可变的，并且一般在在5至25度的范围内。角度越小，主圆筒沉入土壤中遇到的阻力就越小。

如图1所示，所述主圆筒1外的上部和下部分别固定安装有加强环10。两个加强环被安装在主圆筒的外表面，其长度、壁厚和角度都是可变的。这两个加强环的功能是加强圆筒的强度，防止它破裂，用来减少主圆筒的不必要扩张，加强环采用金属材料或纤维增强复合材料。

如图3所示，通过爆扩使得主圆筒形成一个或多个灯笼状的局部扩充部分来有效地提高桩的抗压、抗拔和抗侧向综合承载能力。

任何对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (10)

1.一种具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒钢管桩，包括主圆筒（1），及主圆筒（1）的顶面盖顶板（2）；

其特征在于：所述主圆筒（1）的内壁环绕一圈固定连接炸药盒（3），所述炸药盒（3）与主圆筒（1）内壁构成封闭的爆扩仓；所述炸药盒（3）的盒体由叠层结构（4）和钢板（5）构成，炸药盒（3）内放置炸药（6）；所述主圆筒（1）的壁厚小于炸药盒（3）的盒体钢板（5）厚度；所述炸药盒（3）的盒体上安装起爆装置，所述起爆装置包括起爆钢管（8），所述起爆钢管（8）贯穿炸药盒（3）的盒体，所述起爆钢管（8）内设置引爆线（9），所述引爆线（9）的内端连接炸药（6）、其外端连接起爆器（7）。

2.根据权利要求1所述的具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒钢管桩，其特征在于：所述主圆筒（1）内上部和下部分别设有炸药盒（3）；位于上部炸药盒（3）安装有起爆装置，上部炸药盒和下部炸药盒之间设置有引爆钢管（11），所述引爆钢管（11）的两端分别贯穿炸药盒（3），所述引爆钢管（11）内安装引爆线（9），所述引爆线（9）的两端分别连接炸药（6）。

3.根据权利要求2所述的具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒钢管桩，其特征在于：所述炸药盒（3）的底面通过支撑架（12）支撑于主圆筒（1）的内壁上。

4.根据权利要求3所述的具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒钢管桩，其特征在于：所述支撑架（12）通过焊接或者螺栓连接到主圆筒（1）的内壁上。

5.根据权利要求4所述的具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒钢管桩，其特征在于：所述支撑架（12）的倾斜角度为5-25度。

6.根据权利要求1-5任一所述的具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒钢管桩，其特征在于：所述主圆筒（1）外的上部和下部分别固定安装有加强环（10）。

7.根据权利要求6所述的具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒钢管桩，其特征在于：所述叠层结构（4）由多层结构组成，各层材料的声阻抗是互异的。

8.根据权利要求7所述的具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒钢管桩，其特征在于：所述叠层结构（4）的各层材料采用金属材料或纤维增强复合材料。

9.根据权利要求8所述的具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒钢管桩，其特征在于：所述炸药（6）由固体推进剂代替。

10.根据权利要求6所述的具有爆扩装置的外扩式大直径圆筒钢管桩，其特征在于：所述加强环（10）采用采用金属材料或纤维增强复合材料。