CN115354701A - 红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置及其操作方法，该装置包括螺纹套管、咬合锥、锚片和钢管护套。所述螺纹套管、咬合锥和锚片均由高强钢材如45号优质碳素结构钢制作。所述咬合锥和锚片组合放置于被测钢管桩桩头钢管中，利用咬合锥与锚片之间的斜楔自锁和钢管管壁的径向约束作用形成自锚体系。本发明还公开了一种自锚式拉杆桩顶连接装置的操作方法。本发明解决了现有技术中存在的检测及连接装置在可靠性上存在一些问题，准备工作也相对繁琐，不够安全，也不够经济等问题。本发明具有结构简单，安全可靠，高效而节约成本的特点，适合推广应用。

Description

红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置及其操作方法，属于岩土工程领域。

背景技术

红层软岩泛指侏罗系、白垩系与第三系泥岩、砂岩泥岩、粉砂岩、砂岩、砾岩等软硬相间的层状岩体，外观上以红色为主色调。红层软岩抗压强度小于30MPa、透水性差。

微型桩一般指桩径小于300mm、长细比较大，采用钻孔、插筋和压力注浆工艺施工的小直径灌注桩，被广泛应用于基础托换、基坑开挖支护、边坡支护及公路铁路路基加固、输电线路塔杆基础等工程中。微型桩的加筋体可以为圆形钢管、钢筋（笼）或型钢（如废旧铁轨），以圆形钢管作为加筋体的微型钢管桩由于其良好的竖向和水平受力性能在微型桩选型设计时被普遍使用。当微型桩在使用过程中需要确定竖向抗拔承载力的时候，应根据国家相关规范对基桩进行竖向抗拔静载试验。

要进行竖向抗拔静载试验的微型钢管桩，通常是由千斤顶-反力梁-拉杆-桩头钢管形成加力体系，在该体系中千斤顶架在反力梁主梁上面，拉杆连接千斤顶和桩顶钢管，因此千斤顶施加的力可通过拉杆传递至桩头上。拉杆与钢管之间的连接一般采用在拉杆一端安装提篮或法兰，在桩顶钢管一端焊接数根钢筋，再将钢筋共同焊接在提篮或法兰的外周。或者是在微型桩施工期间注浆之前在钢管内插入一根大直径钢筋，钢筋伸出钢管一段距离，然后通过套筒将钢筋和拉杆连接起来。

对于用焊接钢筋连接桩顶钢管和拉杆的方法，由于钢筋是分布在钢管和提篮或法兰的四周，在拉杆受力后会因为各根钢筋受力不均匀从而产生偏心荷载，同时钢筋与钢管和拉杆之间是焊接连接。而在红层软岩地区因微型桩能承受较大的抗拔力，在检测过程中链接钢筋受力较大，在焊接处很容易拉断，造成试验终止；对于试验前在钢管中预留大直径钢筋的方法，钢筋在钢管内的锚固长度不好控制，当锚固长度较长时，微型桩的加筋体由钢管变成了钢管和钢筋条共同组成，同时在费用上也不够经济，当锚固长度太短时，钢筋受力较大时容易从钢管注浆体中拔出，从而不能使桩身产生位移，无法进行抗拔承载力检测。

总体而言，由于微型钢管桩在国内的应用时间不长，其现有的检测及连接装置在可靠性上存在一些问题，准备工作也相对繁琐（如需要增加焊接的工序），不够安全（焊接处崩坏可能会造成安全事故），也不够经济（注浆体中钢筋锚固长度太长，焊接的钢筋和提篮/法兰无法重复利用）。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，提供一种结构简单、大吨位受力，安全可靠，高效而节约成本的自锚式拉杆桩顶连接装置及其操作方法。

其技术方案如下：

一种红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置，包括螺纹套管、咬合锥、锚片和钢管护套。所述螺纹套管、咬合锥和锚片均由高强钢材如45号优质碳素结构钢制作。所述咬合锥垂直放置于被测钢管桩桩头钢管中，由三部分构成，从下到上依次为咬合锥主体、过渡段和直螺纹段。所述锚片放置于被测钢管桩桩头钢管壁与咬合锥主体的空隙之中，利用咬合锥与锚片之间的斜楔自锁和钢管管壁的径向约束作用形成自锚体系。所述螺纹套管放置于咬合锥上方，通过开口内丝螺纹与咬合锥锥头直螺纹段扭合联接。所述钢管护套包裹在被测钢管桩桩头钢管外侧，护套之间通过螺栓连接并锁紧。

进一步，所述螺纹套管为中空结构，套管两端开有内丝螺纹，其中一端与开有外丝螺纹的拉杆联接，另一端与开有外丝螺纹的咬合锥锥头联接，套管中部设置卡位。

进一步，所述咬合锥主体为锥体圆台结构，其锥度为1:8左右，圆台的高度为100~120mm。圆台底部为截面较大一端，底部直径应略小于钢管内径（如DN80钢管内径为83mm，对应的咬合锥圆台底部直径为80mm），圆台顶部为截面较小一端，圆台顶部之上有一段直螺纹，直螺纹段与咬合锥主体之间设置有过渡段。

进一步，所述锚片采用分片式。

再进一步，本发明中锚片分为4片，锚片的高度和锥度与咬合锥锥体圆台的高度和锥度一致，所述锚片内侧与咬合锥锥面接触，该侧进行光滑处理，锚片外侧与被测钢管桩管壁接触，该侧开有矩形螺纹。锚片与锚片之间留有空隙，一般为2~4mm。

进一步，所述钢管护套由钢材制作而成，由左右两瓣护套组合形成，两部分护套之间通过螺栓连接并锁紧，护套内径与被测钢管桩钢管外径一致。

进一步优选，在所述咬合锥的过渡段中间设置扳手卡口。

进一步优选，在所述4块锚片顶端设置螺纹孔，同时在4块锚片的顶端分别连接一根拉环，拉环通过顶部的螺纹与锚片的开孔螺纹连接。

进一步优选，在所述4块锚片的上方安装有一个圆环构件，其外径与钢管桩桩头钢管内径相同，环宽与锚片顶端宽度相同，厚度为1~2cm。

本发明所述自锚式拉杆桩顶连接装置的操作方法，包括以下步骤：

步骤1、首先使用凿子将被测钢管桩桩头钢管内部的水泥块凿掉，并确保被测钢管桩桩头被凿空的深度大于咬合锥主体的高度，一般应大于3cm左右。待被测钢管桩桩头凿空到预定深度后，将咬合锥放置于被测钢管桩桩头中，此时需确保咬合锥的底部与被测钢管桩桩头中的水泥之间保留一定间隙，一般也为3cm左右。在放置咬合锥的过程中需保持咬合锥垂直。

步骤2、分别将四块锚片放入咬合锥和被测钢管桩桩头管壁之间的空隙中，并保持四块锚片顶部的高度在同一水平面上，与咬合锥锥体的顶部持平。四块锚片安装好后可正好围成一块，并确保相邻锚片之间留有一定间隙。锚片安装好后可用锤子向下敲击，使锚片和咬合锥卡紧。然后将圆环构件放置在锚片上方，圆环外壁与钢管内壁贴合，安装好后也可再用锤子向下敲击，使圆环构件与锚片和钢管壁之间的接触更紧密。

步骤3、将螺纹套管的设有螺纹套管与咬合锥连接端内螺纹的一端与咬合锥直螺纹连接扭紧，若扭动比较吃力，使用扳手卡住螺纹套管扳手卡口来扭紧，扭紧后将螺纹套管的设有螺纹套管与拉杆连接端内螺纹的一端与拉杆的螺纹段进行连接扭紧。这一端扭紧后，本发明一种适用于微型钢管桩竖向抗拔试验的自锚式拉杆-桩顶连接装置基本安装完成。

步骤4、当被测钢管桩桩头的钢管壁比较薄时，为防止咬合锥在受拉过程中挤压锚片和钢管，使钢管壁产生径向变形并导致锚具自锁功能失效，需使用钢制护套将被测钢管桩桩头箍住，并使用护套螺栓将钢制护套锁紧。上述步骤完成后即可进行微型钢管桩的竖向抗拔试验。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，采用自锚式组合连接件将试桩与拉杆直接连接起来，避免了常规的焊接钢筋或预埋钢棒的形式所带来的一系列问题，连接安全可靠，保证了测量结果的准确。同时，采用锚片和咬合锥组合形式，结构简单，材料易于加工，极大减少了现场的施工工序和安装时间，有利于提高工作效率和安装时间。

2、本发明中，咬合锥螺纹段与锥体之间采用过渡连接，以防止应力集中现象，在锥头的上部过渡段也设置扳手卡口，便于使用扳手进一步扭紧或者扭松连接。

3、本发明中，锚片采用高强钢材制作，锚片与钢管壁接触一侧设有矩形螺纹，矩形螺纹可最大程度上减少螺纹的磨损，且螺纹在受压力时可与钢管壁产生咬合效应，极大增加了锚片和钢管壁之间的摩擦力。锚片上部设计有拉环，拉环通过端部的螺纹与锚片连接，可以使锚片从钢管中取出时更加方便。

4、本发明中，螺纹套管采用高强钢材制成，可以承受较大程度的拉力，套管两端采用内丝螺纹，方便与拉杆和咬合锥进行连接，同时套管中部设有扳手卡位，便于使用扳手扭紧或者扭松连接。

5、本发明中，通过钢管护套的存在，对钢管形成了非常有效的保护作用，使得在受拉过程中咬合锥挤压锚片和钢管后，不会产生较大的径向变形并导致锚具自锁功能失效。

6、本发明中，在锚片上放置有一定厚度的圆环构件，圆环构件外壁与钢管内壁卡紧，底面与锚片顶面卡紧，对锚片形成了非常有效的保护作用，使得上拔力施加后锚片不会被拔出来。

附图说明

图1：本发明的总体结构示意图；

图2：本发明的螺纹套筒的结构示意图；

图3：本发明的螺纹套筒的半剖面图；

图4：本发明的咬合锥的左视图；

图5：本发明的咬合锥的右视图；

图6：本发明的锚片的结构示意图；

图7：本发明的锚片的结构示意图；

图8：本发明的钢管护套的俯视图；

图9：本发明的钢管护套的立面图；

图10：本发明的圆环构件的俯视图。

图中：1-拉杆，2-螺纹套管，3-被测钢管桩桩土，4-圆环构件，5-咬合锥，6-锚片，7-钢管护套，8-螺纹套管与拉杆连接端内螺纹，9-螺纹套管与咬合锥连接端内螺纹，10-螺纹套管扳手卡口，11-咬合锥直螺纹，12-咬合锥扳手卡口，13-咬合锥主体，14-矩形螺纹，15-锚片拉环，16-锚片拉环螺纹、17-护套螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置，包括螺纹套管2、咬合锥5、锚片6和钢管护套7。

螺纹套管2、咬合锥5和锚片6均由高强钢材如45号优质碳素结构钢制作。咬合锥5垂直放置于被测钢管桩桩头3钢管中，由三部分构成，从下到上依次为咬合锥5主体、过渡段和直螺纹段。锚片6放置于被测钢管桩桩头3钢管壁与咬合锥5锥体的空隙之中，利用咬合锥5与锚片6之间的斜楔自锁和钢管管壁的径向约束作用形成自锚体系。螺纹套管2放置于咬合锥5上方，通过开口内丝螺纹与咬合锥5锥头直螺纹段扭合联接。钢管护套7包裹在被测钢管桩桩头3钢管外侧，护套之间通过螺栓连接并锁紧。

螺纹套管2为中空结构，其作用是连接拉杆1和锚固在钢管中的咬合锥5，套管两端开有内丝螺纹，其中一端与开有外丝螺纹的拉杆1联接，另一端与开有外丝螺纹的咬合锥5锥头联接。套管中部设置卡位，其作用是便于扳手卡位。

咬合锥5主体为锥体圆台结构，其锥度为1:8左右，圆台的高度为100~120mm。圆台底部为截面较大一端，底部直径应略小于钢管内径（如DN80钢管内径为83mm，对应的咬合锥5圆台底部直径为80mm）。圆台顶部为截面较小一端，圆台顶部之上有一段直螺纹，其作用是方便与上述套管进行联接。为防止受力时直螺纹段与咬合锥5主体之间出现应力集中，直螺纹段与咬合锥5主体之间设置有过渡段。

咬合锥5的过渡段中间设置扳手卡口，便于使用扳手进一步扭紧或者扭松连接。

锚片采用分片式，分为4片，其作用是楔在咬合锥5和被测钢管桩管壁之间，阻止咬合锥5的上移。锚片的高度和锥度与咬合锥5锥体圆台的高度和锥度一致，以确保锚片和咬合锥5之间咬合良好。锚片内侧与咬合锥5锥面接触，该侧进行光滑处理，以减小锚片和咬合锥5之间的摩擦；锚片外侧与被测钢管桩管壁接触，该侧开有矩形螺纹，以增大锚片和被测钢管桩管壁之间的摩擦，采用矩形螺纹的原因是为了减小螺纹在使用过程中产生的磨损。锚片与锚片之间留有空隙，一般为2~4mm，其作用是方便锚片的安装与取出。

在4块锚片顶端设置螺纹孔，同时在4块锚片的顶端分别连接一根拉环，拉环通过顶部的螺纹与锚片的开孔螺纹连接，其作用是在取下连接装置时方便取出锚片，并防止锚片滑入钢管和咬合锥5的缝隙之间。

在4块锚片的上方安装有一个圆环构件4，其外径与钢管桩桩头钢管内径相同，环宽与锚片顶端宽度相同，厚度为1~2cm。其作用是为防止咬合锥5在受拉过程中向上挤压锚片，使锚片被拔出来导致锚具自锁功能失效。

钢管护套由钢材制作而成，由左右两瓣护套组合形成，两部分护套之间通过螺栓连接并锁紧，护套内径与被测钢管桩钢管外径一致。其作用是为防止咬合锥在受拉过程中挤压锚片和钢管，使钢管壁产生径向变形并导致锚具自锁功能失效。由于被测钢管桩钢管壁的径向变形与抗拔试验中所加载的上拔力以及钢管壁的厚度有紧密联系，在某些条件下即使不使用钢管护套也不影响试验过程中本发明拉杆-桩顶连接装置的使用效果，因此钢管护套可根据现场试验人员的经验选择是否采用。

本发明提供了一种自锚式拉杆桩顶连接装置的安装方法，包括以下步骤：

步骤1、首先使用凿子将被测钢管桩桩头钢管内部的水泥块凿掉，并确保被测钢管桩桩头被凿空的深度大于咬合锥主体的高度，一般应大于3cm左右。待被测钢管桩桩头凿空到预定深度后，将咬合锥放置于被测钢管桩桩头中，此时需确保咬合锥的底部与被测钢管桩桩头中的水泥之间保留一定间隙，一般也为3cm左右。在放置咬合锥的过程中需保持咬合锥垂直。

步骤2、分别将四块锚片放入咬合锥和被测钢管桩桩头管壁之间的空隙中，并保持四块锚片顶部的高度在同一水平面上，与咬合锥锥体的顶部持平。四块锚片安装好后可正好围成一块，并确保相邻锚片之间留有一定间隙。锚片安装好后可用锤子向下敲击，使锚片和咬合锥卡紧。然后将圆环构件放置在锚片上方，圆环外壁与钢管内壁贴合，安装好后也可再用锤子向下敲击，使圆环构件与锚片和钢管壁之间的接触更紧密。

步骤3、将螺纹套管的设有螺纹套管与咬合锥连接端内螺纹9的一端与咬合锥直螺纹连接拧紧，若扭动比较吃力，使用扳手卡住螺纹套管扳手卡口10来扭紧，扭紧后将螺纹套管的设有螺纹套管与拉杆连接端内螺纹8的一端与拉杆的螺纹段进行连接扭紧。这一端扭紧后，本发明一种适用于微型钢管桩竖向抗拔试验的自锚式拉杆-桩顶连接装置基本安装完成。

步骤4、当被测钢管桩桩头的钢管壁比较薄时，为防止咬合锥在受拉过程中挤压锚片和钢管，使钢管壁产生径向变形并导致锚具自锁功能失效，需使用钢制护套将被测钢管桩桩头箍住，并使用护套螺栓将钢制护套锁紧。

上述步骤完成后即可进行微型钢管桩的竖向抗拔试验。

另外，本发明还提供了一种自锚式拉杆桩顶连接装置的拆卸方法，包括以下步骤：

步骤1、首先将拉杆和螺纹套管拆开，需将螺纹套管扭松，当扭动比较困难时可用扳手卡住螺纹套管扳手卡位来进行拆卸。拉杆和螺纹套管拆开后再将螺纹套管和咬合锥拆开，如上述，当扭动比较困难时可用扳手卡住螺纹套管扳手卡口来进行拆卸。

步骤2、螺纹套管和咬合锥拆开后，由于之前的拉拔作用，锚片、圆环构件与咬合锥之间会卡的非常紧，此时需用锤子敲击咬合锥的顶端。由于咬合锥的底部与钢管中水泥面之间留有3cm左右空隙，经过数次敲击后咬合锥会往下滑动，此时锚片、圆环和咬合锥之间会产生松动，然后可用手将圆环构件取出。圆环构件取出后，将锚片拉环联接到锚片顶端，提住锚片拉环便可将锚片拉出。待四块锚片全部取出后，将咬合锥提出，拆卸工作基本完成。

步骤3、当被测钢管桩桩头安装有钢制护套时，需将护套螺栓松掉，然后将钢制护套取下。

一种自锚式拉杆桩顶连接装置的工作原理或者结构原理为：本发明采用咬合锥配合锚片，通过二者之间的斜楔自锁和钢管管壁的径向约束作用形成自锚体系，锚片与钢管壁接触一侧设有矩形螺纹，矩形螺纹可最大程度上减少螺纹的磨损，且螺纹在受压力时可与钢管壁产生咬合效应，极大增加了锚片和钢管壁之间的摩擦力，实现了与微型钢管桩桩头的有效连接。再通过螺纹套管作为中间的连接件，螺纹钢管本身刚度很大，可以承受较大程度的拉力，同时接口处采用螺纹扭合连接，使得与拉杆以及咬合锥锥头的连接十分稳固。咬合锥、锚片和螺纹套管三者的相互配合实现了桩顶与拉杆的可靠连接，构件简单，组合起来容易操作，可有效应用于微型钢管桩的竖向抗拔试验中。此外，为了满足不同试验条件下的连接强度需求，增加了钢管护套与圆环构件，以保证该自锚装置不会因过大的上拔力而产生破坏。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置，其特征在于：包括螺纹套管、咬合锥、锚片和钢管护套；所述螺纹套管、咬合锥和锚片均由高强钢材如45号优质碳素结构钢制作；所述咬合锥垂直放置于被测钢管桩桩头钢管中，由三部分构成，从下到上依次为咬合锥主体、过渡段和直螺纹段；所述锚片放置于被测钢管桩桩头钢管壁与咬合锥主体的空隙之中，利用咬合锥与锚片之间的斜楔自锁和钢管管壁的径向约束作用形成自锚体系；所述螺纹套管放置于咬合锥上方，通过开口内丝螺纹与咬合锥锥头直螺纹段扭合连接；所述钢管护套包裹在被测钢管桩桩头钢管外侧，护套之间通过螺栓连接并锁紧。

2.根据权利要求1所述的红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置，其特征在于：所述螺纹套管为中空结构，套管两端开有内丝螺纹，其中一端与开有外丝螺纹的拉杆联接，另一端与开有外丝螺纹的咬合锥锥头联接，套管中部设置卡位。

3.根据权利要求1所述的红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置，其特征在于：所述咬合锥主体为锥体圆台结构，其锥度为1:8，圆台的高度为100~120mm；圆台底部为截面较大一端，底部直径应略小于钢管内径，圆台顶部为截面较小一端，圆台顶部之上有一段直螺纹，直螺纹段与咬合锥主体之间设置有过渡段。

4.根据权利要求1所述的红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置，其特征在于：所述锚片采用分片式。

5.根据权利要求4所述的红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置，其特征在于：所述锚片分为4片，所述锚片的高度和锥度与咬合锥锥体圆台的高度和锥度一致，所述锚片内侧与咬合锥锥面接触，锚片外侧与被测钢管桩管壁接触，该侧开有矩形螺纹。

6.根据权利要求1所述的红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置，其特征在于：所述钢管护套由钢材制作而成，由左右两瓣护套组合形成，两部分护套之间通过螺栓连接并锁紧，护套内径与被测钢管桩钢管外径一致。

7.一种权利要求1所述红层软岩地区微型桩顶自锚式拉杆连接装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先使用凿子将被测钢管桩桩头钢管内部的水泥块凿掉，并确保被测钢管桩桩头被凿空的深度大于咬合锥的高度大于3cm；待被测钢管桩桩头凿空到预定深度后，将咬合锥放置于被测钢管桩桩头中，此时需确保咬合锥的底部与被测钢管桩桩头中的水泥之间保留一定间隙为3cm；在放置咬合锥的过程中需保持咬合锥垂直；

步骤2、分别将四块锚片放入咬合锥和被测钢管桩桩头管壁之间的空隙中，并保持四块锚片顶部的高度在同一水平面上，与咬合锥锥体的顶部持平；四块锚片安装好后围成一块，并确保相邻锚片之间留有一定间隙；锚片安装好后用锤子向下敲击，使锚片和咬合锥卡紧；

步骤3、将螺纹套管的设有螺纹套管与咬合锥连接端内螺纹的一端与咬合锥直螺纹连接拧紧，若扭动比较吃力，使用扳手卡住螺纹套管扳手卡口来扭紧，扭紧后将螺纹套管的设有螺纹套管与拉杆连接端内螺纹的一端与拉杆的螺纹段进行连接扭紧；这一端扭紧后，本发明一种适用于微型钢管桩竖向抗拔试验的自锚式拉杆-桩顶连接装置基本安装完成；

步骤4、当被测钢管桩桩头的钢管壁比较薄时，为防止咬合锥在受拉过程中挤压锚片和钢管，使钢管壁产生径向变形并导致锚具自锁功能失效，需使用钢制护套将被测钢管桩桩头箍住，并使用护套螺栓将钢制护套锁紧；上述步骤完成后进行微型钢管桩的竖向抗拔试验。

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