CN108385677B - 负泊松比钢管螺旋桩基础 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负泊松比钢管螺旋桩基础，包括：桩身为空心圆柱体，沿桩身设置有多个竖直排列的开槽，开槽内活动连接有挡板，挡板一端可相对于桩身侧壁向外扩展，构成拉胀部；钢杆，其嵌入桩身内部；钢杆上端通过活动连接部件与桩身连接；连杆，其一端与挡板铰接形成转动副，连杆另一端通过活动铰链与钢杆连接；当钢杆受拉上拔时，带动连杆运动使挡板向外扩展；桩尖，其表面设置有螺旋叶片，螺旋叶片从桩尖尖端连续布置至桩尖与桩身连接处。该负泊松比钢管螺旋桩基础在输电线路工程中可作为一种具有更好力学和物理性能的新型钢管螺旋桩基使用。

Description

负泊松比钢管螺旋桩基础

技术领域

本发明涉及工程技术领域，特别涉及一种负泊松比钢管螺旋桩基础。

背景技术

随着电力事业的不断发展，国家大电网建设极为关键，对于建设电网所需的精尖技术和先进设备的要求也越来越高。同时我国幅员辽阔，地质土壤条件多变，输电铁塔运行环境往往较复杂，因此使用安全可靠的地下基础来保证输电铁塔的运行是非常必要的。现有地下基础主要以钢筋混凝土结构为主，这类基础施工繁琐、对环境破坏大、适应能力弱。特别是在台风、洪水、地震等各种形式的自然外力作用下，加上土壤质量差，输电铁塔被拔起断裂进而造成工程失稳破坏的现象非常多。这要求地下基础要在复杂多变的载荷和地质条件下保持稳定，所以需要更为先进可靠的基础来替代现有的地下基础，解决实际的工程需要。

近年来，螺旋桩发展较快，由于具有施工方便、绿色环保、适应能力强等优点被广泛应用于各种岩土工程问题中，比如坑壁及边坡支护、海上结构物拉索、土工测试反力装置等。在不同工程领域的应用中，螺旋桩有不同的形式，要求桩基既能拥有较强的承载力、防止沉降又能减少本省的材料用量从而达到建筑节能和可持续发展的目的。所以要引进新思想、新方法，创造发明新型的桩基，这样不仅适应了桩基发展的需求，也满足了各种领域的应用。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种负泊松比钢管螺旋桩基础，其负泊松比结构将冲击载荷转化成具有时间相关的力学行为，提高了桩基的承载性能和抗拉拔性能，能够在输电线路工程中可作为一种具有更好力学和物理性能的新型钢管螺旋桩基使用；同时本发明将螺旋桩与负泊松比结构结合在一起，改变了传统直线型桩的桩土相互作用模式。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种负泊松比钢管螺旋桩基础，包括：

桩身，其为空心圆柱体，沿所述桩身设置有多个竖直排列的开槽，所述开槽内活动连接有挡板，所述挡板一端可相对于桩身侧壁向外扩展，构成拉胀部；

钢杆，其嵌入所述桩身内部；所述钢杆上端通过连接部件与所述桩身连接；

连杆，其一端与所述挡板铰接形成转动副，所述连杆另一端通过活动铰链与所述钢杆连接；当所述钢杆受拉上拔时，带动所述连杆运动使所述挡板伸展；

桩尖，其表面设有螺旋叶片，所述螺旋叶片沿所述桩尖尖端连续布置至所述桩尖底端。

优选的是，所述挡板与所述桩身为相同材料，所述挡板厚度即为所述桩身壁厚为19-22mm。

优选的是，所述活动连接部件包括法兰圆盘以及将法兰圆盘固定的活动螺栓，所述活动连接部件可为所述钢杆提供一段有限位移。

优选的是，所述桩身在与所述钢杆底部连接处设置有定位孔，用以防止所述钢杆晃动。

优选的是，所述连杆包括实心圆柱体以及设置在所述实心圆柱体两端的与所述挡板一端连接的第一空心柱体套环和与所述钢杆一端连接的第二空心柱体套环；所述实心圆柱体两端延伸有方形块体，所述方形块体宽和高尺寸小于所述实心圆柱体直径尺寸，所述第一空心柱体套环和所述第二空心柱体套环套在所述方形块体上并通过固定螺栓固定。

优选的是，所述活动铰链包括连杆支撑球以及设置在所述连杆支撑球上与所述空心柱体套环相连的固定杆；所述连杆支撑球表面沿环向均匀设置有3-5个凹槽，所述固定杆设置在所述凹槽内，所述固定杆个数和所述连杆个数与所述凹槽个数相匹配。

优选的是，所述桩尖为实心圆锥体。

优选的是，所述螺旋叶片外径与所述桩身柱体直径的比值为1.6-1.9，所述螺旋叶片的上倾角为14°-16°。

优选的是，所述桩身为无缝钢管。

优选的是，所述桩身外侧设置有防腐层。

本发明至少包括以下有益效果：

桩基整体尺寸较小，在螺旋桩身的基础上，再嵌入一个特殊钢管，形成一种具有负泊松比结构桩基。该负泊松比结构的桩基能够将传统桩的大部分材料变形转化成结构变形，在桩顶受到拉力时，桩体能够做到动态响应，内部连杆发生运动使桩身侧面发生膨胀，这会使桩基上方承载的土壤体积增加，调整了土壤与桩基之间的作用力分布，进一步提高了桩基的承载性能和抗拉拔性能，使桩体不会被轻易拔出。桩尖表面布置螺旋叶片，可以使打桩后桩侧土体形成螺母类似体，螺旋叶片与桩侧土体紧密咬合，桩侧土体应力扩散度提高，在同荷载情况下可以实现桩身尺寸更小进而节省材料。该负泊松比结构的螺旋桩不仅拥有更好的物理和力学性能同时还具有环保和适应各种地质条件的特点，采用旋入式施工，施工过程基本不排土，也基本没有震动和噪音。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的负泊松比钢管螺旋桩基础的结构示意图；

图2为本发明所述的负泊松比钢管螺旋桩基础中连杆的结构示意图；

图3为本发明所述的负泊松比钢管螺旋桩基础中活动铰链的结构示意图；

图4为本发明所述的负泊松比钢管螺旋桩基础受拉时挡板伸展原理示意图；

图5为本发明所述的负泊松比钢管螺旋桩基础受拉时挡板伸展后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1、图2、图3、图4及图5所示，本发明提供一种负泊松比钢管螺旋桩基础，包括：

桩身10，其为空心圆柱体，沿所述桩身10设置有多个竖直排列的开槽，所述开槽内活动连接有挡板101，所述挡板101一端可相对于桩身10侧壁向外扩展，构成拉胀部；

钢杆20，其嵌入所述桩身10内部；所述钢杆10上端通过连接部件与所述桩身10连接；

连杆50，其一端与所述挡板101铰接形成转动副，所述连杆50另一端通过活动铰链与所述钢杆20连接；当所述钢杆20受拉上拔时，带动所述连杆50运动使所述挡板101伸展；

桩尖60，其表面设置有螺旋叶片601，所述螺旋叶片601沿所述桩尖60尖端连续布置至所述桩尖60底端。

在上述方案中，负泊松比效应是指受拉伸时,材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压缩时,材料的横向反而发生收缩；负泊松比现象既可以出现在材料微观性质，也可以出现在宏观尺度，即能是材料的性质、也能是结构的性质。该负泊松比钢管螺旋桩基础采用复合式结构，整体尺寸较小。沿桩身10共设置有3层12个挡板101，挡板101从桩端起始向桩顶等距离或非等距离同叠放顺序排列，在桩身10的基础上，再嵌入一个钢管20，以此形成一种具有负泊松比结构的桩基；在承受冲击荷载作用下，桩基实时动态响应，其负泊松比结构将冲击载荷转化成具有时间相关的力学行为，这会有助于分散剧烈的应力冲击作用，同时减少了桩基端部的荷载，桩与土层形成机械咬合体系，挡板101与土体之间协同作用，进一步提高了桩基的承载性能和抗拉拔性能。而且多层多个挡板101的布置满足了附加应力的分布规律和刚度变化的要求，因而可在各种工况下使用。连杆50的设置是为了通过将连杆50与挡板101和钢杆20连接，形成负泊松比结构的传力装置，当嵌入的钢杆20受拉上拔时，钢杆20和连杆50连接的角度发生变化，然后钢杆20带动连杆50运动进而连杆50控制挡板101伸展，形成负泊松比效应即拉伸膨胀现象，这使得桩基受加载力产生上拔位移而造成的材料变形转变为桩身径向膨胀的结构变形；当嵌入的钢杆20不受拉力作用时，挡板101不会伸展，实现了桩体动态响应的特点；同时在桩体旋入过程中，因为挡板101只有受到拉力时才会作用，所以大大减少了旋入阻力。该负泊松比结构的桩基将螺旋桩与负泊松比结构结合在一起，改变了传统直线型桩的桩土相互作用模式，能够将传统桩的大部分材料变形转化成结构变形，在桩顶受到拉力时，桩体能够做到动态响应，内部连杆50发生运动使桩身10侧面发生膨胀，这会使桩基上方承载的土壤体积增加，调整了土壤与桩基础之间的作用力分布，提高了桩基的抗拔能力使桩体不会被轻易拔出。

一个优选方案中，所述挡板101与所述桩身10为相同材料，所述挡板101厚度即为所述桩身10壁厚为19-22mm。

在上述方案中，所述桩身10壁厚可取20mm；所述挡板101上端通过活动轴与所述桩身10连接，所述挡板101其余各端与所述桩身10之间活动连接，以使在钢杆20受拉的情况下挡板101可相对桩身10由连杆50带动向外伸展；当嵌入的钢杆20不受拉力作用时，挡板101不会伸展；同时在桩体旋入过程中，因为挡板101只有受到拉力时才会作用，所以大大减少了旋入阻力。

一个优选方案中，所述活动连接部件包括法兰圆盘30以及将法兰圆盘30固定的活动螺栓40，所述活动连接部件可为所述钢杆20提供一段有限位移。

在上述方案中，活动螺栓40的设置可以使钢杆20相对桩身10移动一定的位移，进而当钢杆20受拉上拔时可以带动连杆50运动，从而使挡板101向外伸展。

一个优选方案中，所述桩身10在与所述钢杆20底部连接处设置有定位孔102，用以防止所述钢杆晃动。

在上述方案中，定位孔102的设置是为了固定钢杆20，防止钢杆20在桩体旋入过程中晃动。

一个优选方案中，所述连杆50包括实心圆柱体501以及设置在所述实心圆柱体501两端的与所述挡板101一端连接的第一柱体套环502和与所述钢杆20一端连接的第二空心柱体套环503；所述实心圆柱体501两端延伸有方形块体504，所述方形块体504宽和高尺寸小于所述实心圆柱体501直径尺寸，所述第一空心柱体套环502和所述第二空心柱体套环503套在所述方形块体504上并通过固定螺栓505固定。

在上述方案中，第一空心柱体套环502与挡板101铰接，挡板101内侧设计有与第一空心柱体套环502相适配的固定轴，第一空心柱体套环502与固定轴连接形成转动副，使连杆50可相对挡板101进行转动。设计实心圆柱体501两端的方形块体504是为了方便打孔以安装固定螺栓505，方便固定螺栓505将空心柱体套环固定在方形块体504上，用以连接空心柱体套环和实心圆柱体501。连杆50与挡板101和钢杆20的连接结构形成了负泊松比结构的传力装置。

一个优选方案中，所述活动铰链包括连杆支撑球506以及设置在所述连杆支撑球506上与所述第二空心柱体套环503相连的固定杆507；所述连杆支撑球506表面沿环向均匀设置有3-5个凹槽，所述固定杆507设置在所述凹槽内，所述固定杆507个数和所述连杆50个数与所述凹槽个数相匹配。

在上述方案中，连杆支撑球506设置在钢杆20与挡板101对应的位置，活动铰接起到连接连杆50和钢杆20的作用，且使连杆50可相对钢杆20进行相对转动，使钢杆50在受到拉力时可以带动连杆50运动进而将挡板101撑开。凹槽共有4个均匀分布在连杆支撑球506球面，每个凹槽内都有固定杆507用于与连杆50相连。4个连杆50两两角度为九十度分布在连杆支撑球506球面，连杆50套在固定杆507上并且可以小范围活动。

一个优选方案中，所述桩尖60为实心圆锥体。

在上述方案中，将桩尖60设计成实心圆锥体可以方便桩基施工时采用旋入式施工，使施工过程基本不排土，也基本没有震动和噪音。

一个优选方案中，所述螺旋叶片601外径与所述桩身10柱体直径的比值为1.6-1.9，所述螺旋叶片601的上倾角为14°-16°。

在上述方案中，桩尖60表面布置螺旋叶片601可以使打桩后桩侧土体形成螺母类似体，螺旋叶片601与桩侧土体紧密咬合，桩侧土体应力扩散度提高。这种基础不仅具有高的竖向承压和抗拔性能，而且在同荷载情况下可以实现桩身尺寸更小进而节省材料，因而可以降低成本以获得更高的可靠度。

一个优选方案中，所述桩身10为无缝钢管。

在上述方案中，采用无缝钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，并且可提高材料利用率，简化制造工序，节约材料和加工工时。

一个优选方案中，所述桩身10外侧设置有防腐层。

在上述方案中，桩身10外侧设置防腐层避免桩身10遭受土壤、空气等腐蚀。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种负泊松比钢管螺旋桩基础，其中，包括：

桩身，其为空心圆柱体，沿所述桩身设置有多个竖直排列的开槽，所述开槽内活动连接有挡板，所述挡板一端可相对于桩身侧壁向外扩展，构成拉胀部；

钢杆，其嵌入所述桩身内部；所述钢杆上端通过活动连接部件与所述桩身连接；所述活动连接部件包括法兰圆盘以及将法兰圆盘固定的活动螺栓，所述活动连接部件可为所述钢杆提供一段有限位移；

连杆，其一端与所述挡板铰接形成转动副，所述连杆另一端通过活动铰链与所述钢杆连接；当所述钢杆受拉上拔时，带动所述连杆运动使所述挡板向外扩展；所述活动铰链包括连杆支撑球以及设置在所述连杆支撑球上的固定杆；沿所述连杆支撑球表面环向均匀设置有3-5个凹槽，所述固定杆设置在所述凹槽内，所述固定杆个数和所述连杆个数与所述凹槽个数相匹配；

桩尖，其表面设有螺旋叶片，所述螺旋叶片沿所述桩尖尖端连续布置至所述桩尖底端。

2.如权利要求1所述的负泊松比钢管螺旋桩基础，其中，所述挡板与所述桩身为相同材料，所述挡板厚度即为所述桩身壁厚为19-22mm。

3.如权利要求1所述的负泊松比钢管螺旋桩基础，其中，所述桩身在与所述钢杆底部连接处设置有定位孔，用以防止所述钢杆晃动。

4.如权利要求1所述的负泊松比钢管螺旋桩基础，其中，所述连杆包括实心圆柱体以及设置在所述实心圆柱体两端的与所述挡板一端连接的第一空心柱体套环和与所述钢杆一端连接的第二空心柱体套环，第二空心柱体套环与固定杆相连；所述实心圆柱体两端延伸有方形块体，所述方形块体宽和高尺寸小于所述实心圆柱体直径尺寸，所述第一空心柱体套环和所述第二空心柱体套环套在所述方形块体上并通过固定螺栓固定。

5.如权利要求1所述的负泊松比钢管螺旋桩基础，其中，所述桩尖为实心圆锥体。

6.如权利要求1所述的负泊松比钢管螺旋桩基础，其中，所述螺旋叶片外径与所述桩身柱体直径的比值为1.6-1.9，所述螺旋叶片的上倾角为14°-16°。

7.如权利要求1所述的负泊松比钢管螺旋桩基础，其中，所述桩身为无缝钢管。

8.如权利要求1所述的负泊松比钢管螺旋桩基础，其中，所述桩身外侧设置有防腐层。

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