CN110952531B - 一种可伸长的嵌套式钢管桩及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可伸长的嵌套式钢管桩及其安装方法,该钢管桩包括三级嵌套式钢管桩以及自动弹出固定装置;三级嵌套式钢管桩包括由外而内依次设置的一、二、三级钢管桩:一、二级钢管桩内壁设有滑动导槽,滑动导槽底端设有向内凸起的限位挡板,二、三级钢管桩的外壁设有向外凸起的滑动导轨,滑动导轨顶端设有向外凸起的限位挡板;自动弹出固定装置设于一、二级钢管桩滑动导槽侧壁,用于卡紧桩体,抵抗竖向压力荷载。该钢管桩通过嵌套的桩体模式,明显提高了钢管桩长度范围;嵌套模式明显减小桩体积,节约空间,便于运输;采用分级安装的方式,极大降低了安装时的摩擦阻力,且避免了传统钢管桩需在现场进行焊接后再安装的繁琐步骤。
Description
技术领域
本发明涉及钢管桩及其安装方法,特别涉及一种可伸长的钢管桩及其安装方法。
背景技术
近年来,我国大型港口工程的建设速度不断加快,这不仅适应了巨型船舶建设使用的需求,也是对外贸易发展的必要需求。大型港口工程的加快建设对基础提出了更高的要求。桩基础因具有承载能力高、适应性好等优点被广泛应用于港口工程中。目前在港口工程中常用的桩基础包括钻孔灌注桩、预应力钢筋混凝土桩、钢管桩、PHC桩、预应力混凝土空心方桩等,其中,钢管桩因施工效率高等优点得到了广泛的应用。
但传统的钢管桩体型较大,在安装过程中会受到较大的摩擦阻力,且运输较为困难。因此,提出了一种新型钢管桩,使其在不降低承载力的情况下,极大降低了运输难度,提升了安装效率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种可伸长的嵌套式钢管桩及其安装方法。该种嵌套式钢管桩有以下优点:在安装过程中,采用分级安装的方式,极大地降低了安装时的摩擦阻力,且避免了传统钢管桩需在现场进行焊接后再安装的繁琐步骤;在体型方面,通过嵌套的桩体模式,明显提高了钢管桩长度范围,另外,该种钢管桩的嵌套模式明显减小了桩的体积,节约空间,便于运输。
本发明采取以下技术方案实现:
一种可伸长的嵌套式钢管桩,包括三级嵌套式钢管桩以及自动弹出固定装置;
所述的三级嵌套式钢管桩包括由外而内依次同轴设置的一级钢管桩、二级钢管桩、三级钢管桩;其中,一级钢管桩和二级钢管桩的内壁分别设有一级钢管桩滑动导槽和二级钢管桩滑动导槽,二级钢管桩和三级钢管桩的外壁分别设有凸起的二级钢管桩滑动导轨和三级钢管桩滑动导轨;二级钢管桩滑动导轨与一级钢管桩通过一级钢管桩滑动导槽嵌合,三级钢管桩滑动导轨与二级钢管桩通过二级钢管桩滑动导槽嵌合,用于在钢管桩伸长过程中防止各级桩体之间绕轴向的相对扭转运动;一级钢管桩和二级钢管桩的底端设有向内凸起的一级钢管桩底端限位挡板和二级钢管桩底端限位挡板,二级钢管桩和三级钢管桩的顶端设有向外凸起的二级钢管桩顶端限位挡板和三级钢管桩顶端限位挡板,二级钢管桩顶端限位挡板和三级钢管桩顶端限位挡板在安装完成后分别与一级钢管桩底端限位挡板和二级钢管桩底端限位挡板配合,限制钢管桩在伸长方向的运动;
所述的自动弹出固定装置设于一级钢管桩滑动导槽和二级钢管桩滑动导槽的竖直平面侧壁,用于卡紧桩体,抵抗竖向压力荷载;所述的自动弹出固定装置包括空腔和由内而外依次水平设于空腔内的轴、弹簧挡板和挡块,轴外围设有强度高于1000MPa的高强度压缩弹簧,所述的弹簧挡板受到弹力向外运动从而将挡块弹出,所述的挡块的下表面水平,上表面与水平面的夹角为45°;所述的二级钢管桩顶端限位挡板和三级钢管桩顶端限位挡板与自动弹出固定装置接触的壁面上设置有卡槽,卡槽的形状与所述的挡块形状相同,挡块随着下一级钢管桩向下运动进入卡槽中,最终卡槽与挡块嵌合。
上述技术方案中,进一步的,所述的空腔包括一大一小两个空间,所述的高强度压缩弹簧位于大空间内,且其直径大于小空间的尺寸;所述的轴的直径小于小空间的尺寸;所述的挡块是从立方体上切掉一个角后得到的块体。
进一步的,一级钢管桩滑动导槽和二级钢管桩滑动导槽与二级钢管桩滑动导轨和三级钢管桩滑动导轨分别沿桩体内壁和外壁均匀设置四个,所述的一级钢管桩滑动导槽和二级钢管桩滑动导槽均为曲形凹槽,所述的曲形凹槽由三部分组成,包括一个与桩同圆心的圆弧面和两个竖直平面,所述的两个竖直平面的交线与桩体中轴线重合且夹角为45°。
进一步的,所述的一级钢管桩底端限位挡板和二级钢管桩底端限位挡板分别有四个,位于一级钢管桩滑动导槽和二级钢管桩滑动导槽的末端且沿管桩圆周均匀分布,其厚度为钢管桩壁厚的1/4,高度与钢管桩壁厚相等;所述的二级钢管桩顶端限位挡板和三级钢管桩顶端限位挡板位于二级钢管桩滑动导轨和三级钢管桩滑动导轨的顶端,其分布及厚度同一级钢管桩底端限位挡板和二级钢管桩底端限位挡板。
进一步的,所述的自动弹出固定装置沿一级钢管桩滑动导槽和二级钢管桩滑动导槽的竖直平面侧壁自下而上设置3个,最下方的自动弹出固定装置底部距底端限位挡板的距离为钢管桩厚度的2~3倍。
本发明还提供一种可伸长的嵌套式钢管桩的安装方法,步骤如下:
首先,将收拢状态的桩体竖直置于安装面,并将收拢状态的整个桩体顶部贯入至指定位置(该位置根据具体工程对桩体深度要求而定),此时一级钢管桩安装完毕;
然后,将施压范围收缩为由二级钢管桩、三级钢管桩收拢的桩节,将其下贯至一级钢管桩底端限位挡板与二级钢管桩顶端限位挡板紧密贴合,此时,自动弹出固定装置弹出并与卡槽嵌合,限制了服役期间一级钢管桩、二级钢管桩由于上部压力荷载作用而产生的收缩运动趋势;
最后,将施压范围缩小至三级钢管桩,将三级钢管桩安装至二级钢管桩底端限位挡板与三级钢管桩顶端限位挡板紧密贴合,并触发自动弹出固定装置弹出并与卡槽嵌合;
各级钢管桩伸长完成后,在一级钢管桩与二级钢管桩、二级钢管桩与三级钢管桩的嵌合处注入水泥浆,加固两个嵌合段,以防止服役期间由于金属疲劳引起的钢管桩失效。
本发明具有以下优点:
本发明的一种可伸长的嵌套式钢管桩,在安装过程中采用分级下贯的方式,避免了传统钢管桩需在现场进行焊接后再安装的繁琐步骤,且与传统整根钢管桩直接贯入相比,极大地降低了安装时的摩擦阻力。假设安装一、二、三级钢管桩所受的最大摩擦力分别为f1、f2、f3,则f1<f2<f3,由于嵌套式钢管桩采用分级安装的形式,因此安装过程中所受最大摩擦力即为f3,而传统的钢管桩采用整根贯入的方式,在长度相同的情况下,传统钢管桩所受的最大摩擦力为f1+f2+f3,明显大于嵌套式钢管桩。在体型方面,通过嵌套的桩体模式,明显提高了钢管桩长度范围;另外,该钢管桩的嵌套模式明显减小了桩的体积,节约空间,便于运输。
附图说明
图1是收拢状态俯视图;
图2是收拢状态旋转剖视图(剖切线为图1中A-A)
图3是收拢状态中部剖视图(剖切线为图2中B-B);
图4是收拢状态仰视图;
图5是收拢状态底端放大示意图;
图6是展开状态一、二级钢管桩连接处放大示意图;
图7是该设计安装过程中嵌套式钢管桩展开过程;
图8是自动弹出固定装置细部构造图;
图9是安装过程中自动弹出固定装置工作示意图。
图中:1、一级钢管桩,2、二级钢管桩,3、三级钢管桩,4、一级钢管桩滑动导槽,5、二级钢管桩滑动导轨,6、二级钢管桩滑动导槽,7、三级钢管桩滑动导轨,8、二级钢管桩顶端限位挡板,9、三级钢管桩顶端限位挡板,10、二级钢管桩底端限位挡板,11、一级钢管桩底端限位挡板,12、自动弹出固定装置,13、挡块,14、弹簧挡板,15、高强度压缩弹簧,16、轴,17、空腔,18、卡槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1-9所示为本发明的一种可伸长的嵌套式钢管桩的具体实施例。
一种可伸长的嵌套式钢管桩包括三级嵌套式钢管桩1-3以及自动弹出固定装置12。所述的三级嵌套式钢管桩由外而内分别为一级钢管桩1、二级钢管桩2、三级钢管桩3。一级钢管桩1的外壁为圆柱面,三级钢管桩3的内壁为圆柱面。其中,一级钢管桩1、二级钢管桩2的内壁分别设有一级钢管桩滑动导槽4和二级钢管桩滑动导槽6,二级钢管桩2、三级钢管桩3的外壁分别设有凸起的二级钢管桩滑动导轨5和三级钢管桩滑动导轨7;二级钢管桩滑动导轨5与一级钢管桩1通过一级钢管桩滑动导槽4嵌合,三级钢管桩滑动导轨7与二级钢管桩2通过二级钢管桩滑动导槽6嵌合,用于在钢管桩伸长过程中防止各级桩体之间绕轴向的相对扭转运动。一级钢管桩1、二级钢管桩2在底端处设置向内凸起的一级钢管桩底端限位挡板11和二级钢管桩底端限位挡板10,二级钢管桩2、三级钢管桩3在顶端处设置向外凸起的二级钢管桩顶端限位挡板8和三级钢管桩顶端限位挡板9,顶端处的二级钢管桩顶端限位挡板8和三级钢管桩顶端限位挡板9在安装完成后与底端处的一级钢管桩底端限位挡板11和二级钢管桩底端限位挡板10配合,限制钢管桩伸长方向的运动。自动弹出固定装置12由挡块13、高强度压缩弹簧15、弹簧挡板14、轴16、空腔17组成,该装置用于卡紧桩体,抵抗竖向压力荷载。所述的高强度压缩弹簧15的强度高于1000MPa。
以上所述一级钢管桩滑动导槽4和二级钢管桩滑动导槽6与二级钢管桩滑动导轨5和三级钢管桩滑动导轨7分别沿桩体内壁和外壁均匀设置四个,所述的一级钢管桩滑动导槽4和二级钢管桩滑动导槽6均为曲形凹槽,所述的曲形凹槽由三部分组成,包括一个与桩同圆心的圆弧面和两个竖直平面,所述的两个竖直平面的交线与桩体中轴线重合且夹角为45°。
一级钢管桩底端限位挡板11和二级钢管桩底端限位挡板10分别有四个,位于一级钢管桩滑动导槽4和二级钢管桩滑动导槽6的末端且沿管桩圆周均匀分布,其厚度为壁厚的1/4,高度与钢管桩壁厚相等。所述的二级钢管桩顶端限位挡板8和三级钢管桩顶端限位挡板9位于二级钢管桩滑动导轨5和三级钢管桩滑动导轨7的顶端,其分布及厚度同一级钢管桩底端限位挡板11和二级钢管桩底端限位挡板10。二级钢管桩顶端限位挡板8和三级钢管桩顶端限位挡板9的径向壁面处设有三个卡槽18,所述卡槽18的形状与挡块13的形状相同,如图9(a)所示,卡槽18的上表面与水平面的夹角为45°,且卡槽18内侧面的高度小于外侧面的高度,便于卡槽18继续向下运动时将挡块13挤出,并最终使三个卡槽18和相应的三个挡块13契合。
自动弹出固定装置12中,挡块13的下表面水平,上表面与水平面夹角45°,其后依次为弹簧挡板14、轴16,轴16外围设高强度压缩弹簧15,轴16后端插入空腔17中;所述的空腔17包括一大一小两个空间,所述的高强度压缩弹簧15位于大空间内,且其直径大于小空间的尺寸;所述的轴16的直径小于小空间的尺寸;所述的挡块13是从立方体上切掉一个角后得到的块体;在桩体安装完成后,挡块13与卡槽18相互嵌合。自动弹出固定装置12设置在一级钢管桩滑动导槽4和二级钢管桩滑动导槽6的竖直平面侧壁底部处,每个平面侧壁自下而上设置3个,最下方的自动弹出固定装置12底部距底端限位挡板距离为钢管桩厚度的2~3倍。
以二级钢管桩2的伸长过程为例,自动弹出固定装置12的工作原理为:在其二级钢管桩顶端限位挡板8经过挡块13时,挡块13可在压力作用下压缩高强度压缩弹簧15进入空腔17内,在挡块13遇到卡槽18时弹出,最终,三个挡块13与三个卡槽18完全嵌合,阻挡了内部二级钢管桩2向上运动。
在现场施工时,首先将收拢状态的桩体竖直置于安装面,并将收拢状态的整个桩体顶部贯入至指定位置,此时一级钢管桩1安装完毕;其次,将施压范围收缩为由二级钢管桩2、三级钢管桩3收拢的桩节,将其下贯至一级钢管桩底端限位挡板11与二级钢管桩顶端限位挡板8紧密贴合,此时,自上而下的三层自动弹出固定装置12弹出,并分别与三层卡槽嵌合,限制了服役期间一级、二级钢管桩由于上部压力荷载作用而产生的收缩运动趋势;然后将施压范围缩小至三级钢管桩3,将三级钢管桩3安装至指定位置;最后,将注浆管导入一级钢管桩1、二级钢管桩2和二级钢管桩2、三级钢管桩3嵌合处,并注入水泥浆,加固两个嵌合段,以防止服役期间由于金属疲劳引起的钢管桩失效。
Claims (6)
1.一种可伸长的嵌套式钢管桩,其特征在于,包括三级嵌套式钢管桩以及自动弹出固定装置(12);
所述的三级嵌套式钢管桩包括由外而内依次同轴设置的一级钢管桩(1)、二级钢管桩(2)、三级钢管桩(3);其中,一级钢管桩(1)和二级钢管桩(2)的内壁分别设有一级钢管桩滑动导槽(4)和二级钢管桩滑动导槽(6),二级钢管桩(2)和三级钢管桩(3)的外壁分别设有凸起的二级钢管桩滑动导轨(5)和三级钢管桩滑动导轨(7);二级钢管桩滑动导轨(5)与一级钢管桩(1)通过一级钢管桩滑动导槽(4)嵌合,三级钢管桩滑动导轨(7)与二级钢管桩(2)通过二级钢管桩滑动导槽(6)嵌合,用于在钢管桩伸长过程中防止各级桩体之间绕轴向的相对扭转运动;一级钢管桩(1)和二级钢管桩(2)的底端设有向内凸起的一级钢管桩底端限位挡板(11)和二级钢管桩底端限位挡板(10),二级钢管桩(2)和三级钢管桩(3)的顶端设有向外凸起的二级钢管桩顶端限位挡板(8)和三级钢管桩顶端限位挡板(9),二级钢管桩顶端限位挡板(8)和三级钢管桩顶端限位挡板(9)在安装完成后分别与一级钢管桩底端限位挡板(11)和二级钢管桩底端限位挡板(10)配合,限制钢管桩在伸长方向的运动;
所述的自动弹出固定装置(12)设于一级钢管桩滑动导槽(4)和二级钢管桩滑动导槽(6)的竖直平面侧壁,用于卡紧桩体,抵抗竖向压力荷载;所述的自动弹出固定装置(12)包括空腔(17)和由内而外依次水平设于空腔(17)内的轴(16)、弹簧挡板(14)和挡块(13),轴(16)外围设有高强度压缩弹簧(15),所述的高强度压缩弹簧(15)处于压缩状态,其强度高于1000MPa,所述的弹簧挡板(14)受到弹力向外运动从而将挡块(13)弹出,所述的挡块(13)的下表面水平,上表面与水平面的夹角为45°;所述的二级钢管桩顶端限位挡板(8)和三级钢管桩顶端限位挡板(9)与自动弹出固定装置(12)接触的壁面上设置有卡槽(18),卡槽(18)的形状与所述的挡块(13)形状相同,挡块(13)随着下一级钢管桩向下运动进入卡槽(18)中,最终卡槽(18)与挡块(13)嵌合。
2.根据权利要求1所述的可伸长的嵌套式钢管桩,其特征在于,所述的空腔(17)包括一大一小两个空间,所述的高强度压缩弹簧(15)位于大空间内,且其直径大于小空间的尺寸;所述的轴(16)的直径小于小空间的尺寸;所述的挡块(13)是从立方体上切掉一个角后得到的块体。
3.根据权利要求1所述的可伸长的嵌套式钢管桩,其特征在于,一级钢管桩滑动导槽(4)和二级钢管桩滑动导槽(6)与二级钢管桩滑动导轨(5)和三级钢管桩滑动导轨(7)分别沿桩体内壁和外壁均匀设置四个,所述的一级钢管桩滑动导槽(4)和二级钢管桩滑动导槽(6)均为曲形凹槽,所述的曲形凹槽由三部分组成,包括一个与桩同圆心的圆弧面和两个竖直平面,所述的两个竖直平面的交线与桩体中轴线重合且夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的可伸长的嵌套式钢管桩,其特征在于,所述的一级钢管桩底端限位挡板(11)和二级钢管桩底端限位挡板(10)分别有四个,位于一级钢管桩滑动导槽(4)和二级钢管桩滑动导槽(6)的末端且沿管桩圆周均匀分布,其厚度为钢管桩壁厚的1/4,高度与钢管桩壁厚相等;所述的二级钢管桩顶端限位挡板(8)和三级钢管桩顶端限位挡板(9)位于二级钢管桩滑动导轨(5)和三级钢管桩滑动导轨(7)的顶端,其分布及厚度同一级钢管桩底端限位挡板(11)和二级钢管桩底端限位挡板(10)。
5.根据权利要求1所述的可伸长的嵌套式钢管桩,其特征在于,所述的自动弹出固定装置(12)沿一级钢管桩滑动导槽(4)和二级钢管桩滑动导槽(6)的竖直平面侧壁自下而上设置3个,最下方的自动弹出固定装置(12)底部距底端限位挡板的距离为钢管桩厚度的2~3倍。
6.如权利要求1-5任一项所述的可伸长的嵌套式钢管桩的安装方法,其特征在于,步骤如下:
首先,将收拢状态的桩体竖直置于安装面,并将收拢状态的整个桩体顶部贯入,此时一级钢管桩(1)安装完毕;
然后,将施压范围收缩为由二级钢管桩(2)、三级钢管桩(3)收拢的桩节,将其下贯至一级钢管桩底端限位挡板(11)与二级钢管桩顶端限位挡板(8)紧密贴合,此时,自动弹出固定装置(12)弹出并与卡槽(18)嵌合,限制了服役期间一级钢管桩(1)、二级钢管桩(2)由于上部压力荷载作用而产生的收缩运动趋势;
最后,将施压范围缩小至三级钢管桩(3),将三级钢管桩(3)安装至二级钢管桩底端限位挡板(10)与三级钢管桩顶端限位挡板(9)紧密贴合,并触发自动弹出固定装置(12)弹出并与卡槽(18)嵌合;
各级钢管桩伸长完成后,在一级钢管桩(1)与二级钢管桩(2)、二级钢管桩(2)与三级钢管桩(3)的嵌合处注入水泥浆,加固两个嵌合段,以防止服役期间由于金属疲劳引起的钢管桩失效。
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