CN109518682B - 具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩。该具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩包括中心钢轴以及位于该中心钢轴外表面的叶片，该叶片具有下部叶片和上部叶片，其中，下部叶片的外沿为对数螺线，上部叶片的外沿为圆柱螺旋线，圆柱螺旋线的半径等于对数螺线终点的极半径值。本发明具有对数螺线叶片结构，随着极角θ由0逐渐增加，叶片极半径增加越来越快，可在破岩旋进的过程中，具有更好的施加旋入力的效果。上部叶片可以在保证优异旋入效果的前提下降低整个叶片的造价。经验证，对于同一种土层螺旋钢桩的施工来说，本发明的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩比普通的螺旋钢桩所需要的施工扭矩更小，至少节约1/3的施工扭矩。

Description

具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩
技术领域
本发明涉及螺旋钢桩技术领域，具体而言，涉及具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩。
背景技术
地基常常因为一些原因而面临以下几个方面的问题：1)承载力及稳定性问题；2)压缩及不均匀沉降问题；3)渗漏问题；4)液化问题；5)特殊土的特殊问题。当天然地基存在上述五类问题之一或其中几个时，需采用地基处理措施以保证上部结构的安全与正常使用。
目前，在我国地基处理加固领域，对于小型桩主要还是应用以水泥胶凝材料为主的混凝土类桩体。由于混凝土材料发挥强度较慢的原因，不能满足一些特殊的工程要求。所以一些预制桩因为避免现浇施工的问题而越来越被广泛应用。钢桩作为预制桩的一种，也在很多领域被用来地基加固。
螺旋钢桩在20世纪90年代初被引进我国，现在光伏电站领域应用比较多。它具有无需土方开挖，直接旋拧，对生态破坏最低，可直接承受荷载等诸多优点。公开号为CN106284306A、名称为《一种拼接式无弃土的自旋加强钢桩》的中国发明专利公开了一种螺旋钢桩，该螺旋钢桩上设置有多个叶片来达到使用时不产生弃土且旋入时更加省力的目的。但是，对于较硬土层或岩层，螺旋钢桩施工无法施工。因此对于螺旋钢桩的推广使用，必须要解决对于较硬土层的施工问题，也就是要使螺旋钢桩更容易旋入更坚硬的土层。
发明内容
本发明的主要目的在于提供具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，以解决现有技术中的螺旋钢桩难以旋入比较坚硬的土层的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩。该具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩包括中心钢轴以及位于该中心钢轴外表面的叶片，该叶片具有下部叶片和上部叶片，其中，下部叶片的外沿为对数螺线，上部叶片的外沿为圆柱螺旋线，圆柱螺旋线的半径等于对数螺线终点的极半径值。
本发明具有对数螺线叶片结构，随着极角θ由0逐渐增加，叶片极半径增加越来越快，可在破岩旋进的过程中，具有更好的施加旋入力的效果。上部叶片可以在保证优异旋入效果的前提下降低整个叶片的造价。经验证，对于同一种土层螺旋钢桩的施工来说，本发明的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩比普通的螺旋钢桩所需要的施工扭矩更小，至少节约1/3的施工扭矩。可见，本发明的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩不仅结构简单，而且可在施工中大大提高施工效率，节约工程造价。
进一步地，下部叶片的外沿为以ρ＝aekθ为极半径方程的对数螺线；其中，a为常数，a＝1.1～1.5倍中心钢轴半径；e为自然对数函数的底数；k为常数，k＝0.8～0.9；θ为极角；上部叶片(22)的半径r＝aekθ′，θ'为下部叶片外沿终点的θ值。由此，旋入更加省力。
进一步地，当地层的标准贯入击数大于50时，θ＝0～π/3，r＝aekπ/3；当地层的标准贯入击数为40～50时，θ＝0～π/4，r＝aekπ/4。由此，θ高于上述数值范围，省力效果增加缓慢且造价显著提高，θ低于上述数值范围则省力不明显。
进一步地，k＝0.84。由此，旋入更加省力。
进一步地，所述叶片沿中心钢轴外壁环绕360°。由此，成本低且旋入更加省力。
进一步地，所述叶片的厚度为6～12mm。由此，旋入更加省力。
进一步地，所述叶片为两个。由此，旋入更加省力。
进一步地，下端叶片距中心钢轴顶部距离为5～8倍上部叶片的半径，上端叶片距中心钢轴顶部距离为3～5倍上部叶片的半径。由此，旋入更加省力。
进一步地，所述中心钢轴的长度为1～2m；所述中心钢轴的半径为38～89mm；所述中心钢轴的壁厚为6～12mm。由此，旋入更加省力。
进一步地，所述叶片的屈服强度≥345MPa；所述叶片外沿设有刃口；所述螺旋钢桩外表面设有防腐层。由此，使用寿命长且旋入更加省力。
本发明的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩不仅结构简单，而且对数螺线叶片结构可在破岩旋进的过程中，具有更好的施加旋入力的效果，可在施工中大大提高施工效率，节约工程造价。对于同一种土层螺旋钢桩的施工来说，本发明的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩比普通的螺旋钢桩所需要的施工扭矩更小，至少节约1/3的施工扭矩。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩的结构示意图。
图2为本发明具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩的叶片的俯视图。
上述附图中的有关标记为：
1：中心钢轴；
21：下部叶片；
22：上部叶片；
31：上端叶片；
32：下端叶片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本发明的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩包括中心钢轴1以及位于该中心钢轴1外表面的叶片，其特征在于：该叶片具有下部叶片21和上部叶片22，其中：
下部叶片21的外沿为以ρ＝aekθ为极半径方程的对数螺线；其中，a为常数，a＝1.1～1.5倍中心钢轴1半径；e为自然对数函数的底数，e取值2.71828；k为常数，k＝0.8～0.9；θ为极角；
上部叶片(22)的半径r＝aekθ′，θ'为下部叶片21外沿终点的θ值。
所述叶片沿中心钢轴1外壁环绕360°。
所述叶片为两个。
所述叶片的屈服强度为345MPa；所述叶片外沿设有刃口；所述螺旋钢桩外表面设有防腐层。
所述叶片的厚度为6～12mm。
下端叶片32距中心钢轴1顶部距离为5～8倍上部叶片22的极半径，上端叶片31距中心钢轴1顶部距离为3～5倍上部叶片22的极半径。
所述中心钢轴1的长度为1～2m；所述中心钢轴1的半径为38～89mm；所述中心钢轴1的壁厚为6～12mm。
以下通过具体的实施例来对本发明进行说明。
实施例1-15的螺旋钢盘的结构参数见表1和表2。表1中，ρ和r的单位为mm，a的数值表示中心钢轴1半径的倍数。表2中，上端叶片31高度的数值表示上部叶片22的半径的倍数，下端叶片32高度的数值表示上部叶片22的半径的倍数，长度单位为m，半径和壁厚的单位为mm。
实施例1-6的主要区别在于θ的取值范围不同，当用于标准贯入击为40～50的密实砂时，实施例3的螺旋钢桩兼具优异的旋入效果和低廉的成本。实施例7-10与实施例3的区别在于a的数值不同，经验证，实施例3的螺旋钢桩最优。实施例11-15与实施例3的区别在于k的数值不同，经验证，实施例3的螺旋钢桩仍优于实施例11-15的螺旋钢桩。综上可知，当地层为标准贯入击大于40～50的密实砂时，θ优选为0～π/4，a优选为1.5倍中心钢轴1半径，k优选为0.84。
表1
表2
实施例16-30的螺旋钢盘的结构参数见表3和表4。表3中，ρ和r的单位为mm，a的数值表示中心钢轴1半径的倍数。表4中，上端叶片31高度的数值表示上部叶片22的半径的倍数，下端叶片32高度的数值表示上部叶片22的半径的倍数，长度单位为m，半径和壁厚的单位为mm。
实施例16-21的主要区别在于θ的取值范围不同，当用于标准贯入击大于50的中密碎石土或极软岩等时，实施例19的螺旋钢桩兼具优异的旋入效果和低廉的成本。实施例22-25与实施例19的区别在于a的数值不同，经验证，实施例19的螺旋钢桩最优。实施例26-30与实施例19的区别在于k的数值不同，经验证，实施例19的螺旋钢桩仍优于实施例26-30的螺旋钢桩。综上可知，当地层为标准贯入击大于50的中密碎石土或极软岩等时，θ优选为0～π/3，a优选为1.1倍中心钢轴1半径，k优选为0.84。
表3
表4
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，该螺旋钢桩包括中心钢轴(1)以及位于该中心钢轴(1)外表面的叶片，其特征在于：该叶片具有下部叶片(21)和上部叶片(22)，其中，下部叶片(21)的外沿为对数螺旋线，上部叶片(22)的外沿为圆柱螺旋线，圆柱螺旋线的半径等于对数螺旋线终点的极半径值。
2.如权利要求1所述的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，其特征在于：
下部叶片(21)的外沿为以ρ＝aekθ为极半径方程的对数螺旋线；其中，a为常数，a＝1.1～1.5倍中心钢轴(1)半径；e为自然对数函数的底数；k为常数，k＝0.8～0.9；θ为极角；
上部叶片(22)的半径r＝aekθ′，θ'为下部叶片(21)外沿终点的θ值。
3.如权利要求2所述的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，其特征在于：当地层的标准贯入击数大于50时，θ＝0～π/3，r＝aekπ/3；当地层的标准贯入击数为40～50时，θ＝0～π/4，r＝aekπ/4。
4.如权利要求2所述的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，其特征在于：k＝0.84。
5.如权利要求1所述的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，其特征在于：所述叶片沿中心钢轴(1)外壁环绕360°。
6.如权利要求1所述的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，其特征在于：所述叶片的厚度为6～12mm。
7.如权利要求1所述的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，其特征在于：所述叶片为两个。
8.如权利要求7所述的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，其特征在于：下端叶片(32)距中心钢轴(1)顶部距离为5～8倍上部叶片(22)的半径，上端叶片(31)距中心钢轴(1)顶部距离为3～5倍上部叶片(22)的半径。
9.如权利要求1所述的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，其特征在于：所述中心钢轴(1)的长度为1～2m；所述中心钢轴(1)的半径为38～89mm；所述中心钢轴(1)的壁厚为6～12mm。
10.如权利要求1所述的具有对数螺线叶片结构的螺旋钢桩，其特征在于：所述叶片的屈服强度≥345MPa；所述叶片外沿设有刃口；所述螺旋钢桩外表面设有防腐层。
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