CN216973003U - 一种智能螺旋钢桩 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能螺旋钢桩，涉及交通岩土工程技术领域，解决无法排挤碎块石，无法实时精确监测智能螺旋钢桩安装扭矩及其服役状态的技术问题，包括中心钢轴，中心钢轴的下端外壁设置有一个清障叶片组，清障叶片组包括多个第一螺旋叶片，多个第一螺旋叶片的直径从下到上依次增大，所述中心钢轴的内壁设置有光纤光栅传感器组件，光纤光栅传感器组件包括至少一个光纤光栅应变传感器、分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器；可极大地减小安装扭矩与安装力；实时监测智能螺旋钢桩安装承载力，实时监测智能螺旋钢桩服役时的应变大小，实时监测加固体的温度变化情况，为智能螺旋钢桩加固体的稳定性分析提供可靠的数据基础。

Description

一种智能螺旋钢桩

技术领域

本实用新型涉及交通岩土工程技术领域，更具体的是涉及铁路路基边坡加固及智能监测领域。

背景技术

螺旋钢桩在冻土路基、桥梁基础及现有交通基础修复中均有应用。目前针对螺旋钢桩的实用新型与应用，集中于螺旋钢桩的普通形式，即单叶片螺旋钢桩与螺旋叶片为统一直径且等间距分布的多叶片螺旋钢桩，如CN106284306A（一种拼接式无弃土的自旋加强钢桩）。在施工作业中，当螺旋钢桩的螺旋叶片为统一直径时，在螺旋钢桩旋进线程内，若存在碎石块，会对螺旋钢桩施工造成困难。

螺旋钢桩安装参数（安装力与安装扭矩）对螺旋钢桩施工具有指导性作用。一方面，螺旋钢桩安装扭矩越大时安装力越大，则需施工设备功率更大的机具进行施工，造成在一些空间受限场地无法高效施工，施工设备成本更高，因此，实时监测中心钢轴安装扭矩，可对螺旋钢桩的施工设备实时备择，并优化地形局限性下的螺旋钢桩施工工艺，减少设备成本费用。另一方面，通过螺旋钢桩安装扭矩大小可依据经验公式反衍螺旋钢桩轴向承载力大小（压缩承载力和上拔承载力），螺旋钢桩施工扭矩越大，其轴向承载力越大，依据螺旋钢桩轴向承载力可在设计要求内实时调整螺旋钢桩设计参数。螺旋钢桩安装力及安装扭矩大小主要根据理论模型和原位测试结果来进行计算评估。如国外学者Ghaly和Hanna提出砂土中螺旋钢桩的安装扭矩和安装力计算模型，Al Baghdadi参考旋转压入闭口钢桩的安装扭矩和安装力计算方法提出螺旋钢桩安装力和安装扭矩计算方法。这些计算模型主要基于土压力理论、传力螺丝模型和能量守恒定律。通过计算模型得到的螺旋钢桩安装力与安装扭矩存在诸多理想化条件假定，计算结果不精确。

螺旋钢桩加固体的稳定性监测一般采用监测元器件直接对加固体进行监测，采用此种监测方案，当加固体突然失稳时无法对加固体的稳定性进行提前预警。然而，通过监测螺旋钢桩服役状态来判断加固体稳定性的方式，可以有效突破现有技术监测加固体稳定性时突然失稳而无法预警的技术障碍。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：为了解决上述无法排挤碎块石，无法实时精确监测螺旋钢桩安装扭矩及其服役状态的技术问题，本实用新型提供一种智能螺旋钢桩。

本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种智能螺旋钢桩，包括中心钢轴，所述中心钢轴的下端外壁设置有一个清障叶片组，所述清障叶片组包括多个第一螺旋叶片，多个第一螺旋叶片的直径从下到上依次增大，所述中心钢轴的内壁设置有光纤光栅传感器组件，所述光纤光栅传感器组件包括至少一个光纤光栅应变传感器、分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器。

进一步地，所述中心钢轴的截面为正方形或圆形。

进一步地，所述清障叶片组位于最上方的第一螺旋叶片的最大直径为4D，中心钢轴的截面为正方形时D为中心钢轴的边长，中心钢轴的截面为圆形时D为中心钢轴的外径，第一螺旋叶片的螺距均相等且相邻第一螺旋叶片间的净距为n×L，L为第一螺旋叶片的螺距，n为正整数，n≤3。

进一步地，所述中心钢轴上还设置有至少一个位于清障叶片组上方的第二螺旋叶片，所述第二螺旋叶片的直径D_h≤4D，第二螺旋叶片的螺距与第一螺旋叶片的螺距相等，相邻两个第二螺旋叶片间的净距为S，S=m·L，m为正整数，且S≥3D_h，位于最下方的第二螺旋叶片与位于最上方的第一螺旋叶片的净距也为S。

进一步地，所述光纤光栅传感器组件还包括薄壁钢管，所述薄壁钢管的外壁通过粘接材料与中心钢轴的内壁连接；中心钢轴的截面为正方形时，两个光纤光栅应变传感器等间距设置在薄壁钢管的外表面与中心钢轴相邻的两个内壁接触挤压，分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器外嵌于薄壁钢管与中心钢轴的同一个内壁接触挤压；中心钢轴的截面为圆形时，光纤光栅应变传感器、分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器设置在薄壁钢管的外表面与中心钢轴的内壁接触挤压。

进一步地，所述的薄壁钢管两端均套设有橡胶垫圈。

进一步地，所述粘接材料的抗弯强度与抗压强度均大于10MPa，弹性模量大于20000MPa。

进一步地，还包括监测箱，所述监测箱内置光纤光栅解调仪、无线数据传输装置及电源，其中电源分别连接光纤光栅解调仪与无线数据传输装置，光纤光栅解调仪与无线数据传输装置连接，所述光纤光栅解调仪与光纤光栅应变传感器、分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器连接。

进一步地，所述的光纤光栅传感器的尾纤用一根保护光缆连接，分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器的尾纤用一根保护光缆连接，两条保护光缆穿过监测箱连接光纤光栅解调仪。

本实用新型的有益效果如下：

（1）本实用新型通过在中心钢轴的下端外壁设置一个清障叶片组，通过清障叶片组中多个从下到上直径依次增大设置的第一螺旋叶片，可以排挤智能螺旋钢桩的施工旋进线程中的碎块石；同时将不同直径的第一螺旋叶片设置相同的螺距，可极大地减小安装扭矩与安装力；

（2）通过光纤光栅应变传感器，可以实现智能螺旋钢桩的中心钢轴的安装扭矩进行精确监测，从而可以计算智能螺旋钢桩安装功率的大小，为实时调整安装设备转速、智能螺旋钢桩旋进姿态及选择不同型号安装设备等重要施工参数提供数据支撑；同时可以基于桩周土特性反衍智能螺旋钢桩轴向承载力大小，当智能螺旋钢桩安装扭矩越大时，其承载力越高；通过实时监测智能螺旋钢桩安装承载力，可以在设计要求内实时调整相同工点处智能螺旋钢桩设计参数，优化智能螺旋钢桩设计方案；

（3）在智能螺旋钢桩中心钢轴内部设置分布式光纤应变传感器，可以实时监测智能螺旋钢桩服役时的应变大小，通过智能螺旋钢桩应变变化规律可对加固体稳定性进行实时预警，同时采用分布式光纤温度传感器对分布式光纤应变传感器进行温补修正；通过设置分布式光纤温度传感器，可以实时监测加固体的温度变化情况，为智能螺旋钢桩加固体的稳定性分析提供可靠的数据基础。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的中心钢轴为正方形的横向剖面图；

图3是本实用新型的中心钢轴为圆形的横向剖面图；

图4是本实用新型的中心钢轴结构示意图；

图5是本实用新型中心钢轴为正方形时光纤光栅传感器组件结构示意图；

图中标记：11-中心钢轴、12-第二螺旋叶片、13-第一螺旋叶片、21-薄壁钢管、22-光纤光栅应变传感器、23-分布式光纤应变传感器、24-分布式光纤温度传感器、25-橡胶垫圈、26-粘接材料、31-监测箱、32-光纤光栅解调仪、33-无线数据传输装置、34-电源。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1、图2、图3所示，本实施例提供一种智能螺旋钢桩，包括中心钢轴11，所述中心钢轴11的下端外壁设置有一个清障叶片组，所述清障叶片组包括多个第一螺旋叶片13，多个第一螺旋叶片13的直径从下到上依次增大，所述中心钢轴11的内壁设置有光纤光栅传感器组件，所述光纤光栅传感器组件包括至少一个光纤光栅应变传感器22、分布式光纤应变传感器23和分布式光纤温度传感器24。

本实施例中，本实用新型通过在中心钢轴11的下端外壁设置一个清障叶片组，通过清障叶片组中多个从下到上直径依次增大设置的第一螺旋叶片13，可以排挤智能螺旋钢桩的施工旋进线程中的碎块石；同时将不同直径的第一螺旋叶片13设置相同的螺距且两个第一螺旋叶片之间净距为螺距的正整数倍，可极大地减小安装扭矩与安装力。通过光纤光栅应变传感器22，可以实现智能螺旋钢桩的中心钢轴11的安装扭矩进行精确监测，从而可以计算智能螺旋钢桩安装功率的大小，为实时调整安装设备转速、智能螺旋钢桩旋进姿态及选择不同型号安装设备等重要施工参数提供数据支撑；同时可以基于桩周土特性反衍智能螺旋钢桩轴向承载力大小，当智能螺旋钢桩安装扭矩越大时，其承载力越高；通过实时监测智能螺旋钢桩安装承载力，可以在设计要求内实时调整相同工点处智能螺旋钢桩设计参数，优化智能螺旋钢桩设计方案。在智能螺旋钢桩中心钢轴11内部设置分布式光纤应变传感器23，可以实时监测智能螺旋钢桩服役时的应变大小，通过智能螺旋钢桩应变变化规律可对加固体稳定性进行实时预警，同时采用分布式光纤温度传感器24对分布式光纤应变传感器23进行温补修正；通过设置分布式光纤温度传感器24，可以实时监测加固体的温度变化情况，为智能螺旋钢桩加固体的稳定性分析提供可靠的数据基础。

实施例2

在实施例1的基础之上，如图2、图3所示，所述中心钢轴11的截面为正方形或圆形。

本实施例中，中心钢轴11的截面可以为正方形，也可以为圆形，截面为正方形时与截面为圆形的智能螺旋钢桩的中心钢轴11相比，在智能螺旋钢桩旋进施工时，正方形中心钢轴11可以对桩周土形成一个切削面，极大地减小桩周土对中心钢轴11的侧摩阻力，从而减小智能螺旋钢桩安装扭矩与安装力。

实施例3

在实施例2的基础之上，所述清障叶片组位于最上方的第一螺旋叶片13的最大直径为4D，中心钢轴11的截面为正方形时D为中心钢轴11的边长，中心钢轴11的截面为圆形时D为中心钢轴11的外径，第一螺旋叶片13的螺距均相等且相邻第一螺旋叶片13间的净距为n×L，L为第一螺旋叶片13的螺距，n为正整数，n≤3。

本实施例中，当智能螺旋钢桩螺旋叶片大于4D时，在智能螺旋钢桩施工过程中由第一螺旋叶片13提供的叶片与土体摩擦力过大，容易造成智能螺旋钢桩失效破坏。其中破坏形式有主要有三种，第一是当摩擦力超过中心钢轴11极限扭转承载力时，将导致中心钢轴11发生扭曲变形，使得加固在土体中的智能螺旋钢桩失效；第二是智能螺旋钢桩在施工旋进过程中，土体会对智能螺旋钢桩产生自桩底向桩顶的抗力，这种抗力会使得螺旋叶片与中心钢轴焊接处产生过大的扭矩而破坏；第三是土体对螺旋叶片的抗力使得螺旋叶片产生向上翘曲变形破坏。如图4所示，第一螺旋叶片13的螺距均相等，其中相邻第一螺旋叶片13的净距为n×L，其中L为第一螺旋叶片13的螺距，n为正整数，n≤3，此种结构设计可以极大程度地减小安装扭矩。中心钢轴11的截面设置成正方形时，中心钢轴11的边长6cm≤D≤18cm，中心钢轴11壁厚为6mm～12mm；中心钢轴11为圆形时，中心钢轴11的直径6cm≤D≤18cm，中心钢轴11壁厚为6mm～12mm。

实施例4

在实施例3的基础之上，如图1、图4所示，所述中心钢轴上还设置有至少一个位于清障叶片组上方的第二螺旋叶片，所述第二螺旋叶片的直径D_h≤4D，第二螺旋叶片的螺距与第一螺旋叶片的螺距相等，相邻两个第二螺旋叶片间的净距为S，S=m·L，m为正整数，且S≥3D_h，位于最下方的第二螺旋叶片与位于最上方的第一螺旋叶片的净距也为S。

实施时，增加的第二螺旋叶片12可以提高中心钢轴11的抗拔承载力和抗压承载力，提高智能螺旋钢桩加固体的整体稳定性。如图4所示，将第二螺旋叶片12与第一螺旋叶片13设置相同的螺距及将第二螺旋叶片12之间的净距设置为螺距的正整数倍时，可极大的减小智能螺旋钢桩施工扭矩；设置相邻第二螺旋叶片12的净距大于3D_h是由于第二螺旋叶片12对叶片上部及叶片下部土体的影响范围约为1.5D_h，当智能螺旋钢桩受压（拉）时，第二螺旋叶片12下（上）部受荷土体呈倒（正）锥形体，此时，每个第二螺旋叶片12对智能螺旋钢桩提供端承力；若第二螺旋叶片净距小于3D_h，则不同第二螺旋叶片12上下部土体影响范围重叠，多个第二螺旋叶片12共同作用使得螺旋叶片无法提供端承力，只提供与桩周土的摩擦力，从而极大地减小智能螺旋钢桩承载力。

实施例5

本实施例与实施例2的不同之处在于，如图2、图3所示，还包括薄壁钢管21，所述薄壁钢管21的外壁通过粘接材料26与中心钢轴11的内壁连接；中心钢轴11的截面为正方形时，两个光纤光栅应变传感器22等间距设置在薄壁钢管21的外表面与中心钢轴11相邻的两个内壁接触挤压，分布式光纤应变传感器23和分布式光纤温度传感器24外嵌于薄壁钢管21与中心钢轴11的同一个内壁接触挤压；中心钢轴11的截面为圆形时，光纤光栅应变传感器22、分布式光纤应变传感器23和分布式光纤温度传感器24设置在薄壁钢管21的外表面与中心钢轴11的内壁接触挤压；所述的薄壁钢管21两端均套设有橡胶垫圈25；所述粘接材料26的抗弯强度与抗压强度均大于10MPa，弹性模量大于20000MPa

本实施例中，薄壁钢管21通过粘接材料26与中心钢轴11内壁连接，此种结构设计不损中心钢轴11本身。所述的薄壁钢管21两端各套有一个橡胶垫圈25，此种结构设计可使薄壁钢管21位于智能螺旋钢桩中心钢轴11的中央位置，使得相同型号的智能螺旋钢桩具有相同的应变传递系数，因此无须对相同型号的智能螺旋钢桩进行重复标定。薄壁钢管21外表面涂覆粘接材料26，薄壁钢管21的外壁通过粘接材料26与中心钢轴11的内壁连接，其中粘接材料26的抗弯强度与抗压强度均大于10MPa，弹性模量大于20000MPa，保证薄壁钢管21与中心钢轴11连接的稳定性。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于，如图1、图5所示，还包括监测箱31，所述监测箱31内置光纤光栅解调仪32、无线数据传输装置33及电源34，其中电源34分别连接光纤光栅解调仪32与无线数据传输装置33，光纤光栅解调仪32与无线数据传输装置33连接，所述光纤光栅解调仪32与光纤光栅应变传感器22、分布式光纤应变传感器23和分布式光纤温度传感器24连接；所述的光纤光栅传感器的尾纤用一根保护光缆连接，分布式光纤应变传感器23和分布式光纤温度传感器24的尾纤用一根保护光缆连接，两条保护光缆穿过监测箱31连接光纤光栅解调仪32。

本实施例中，智能螺旋钢桩外部设有监测箱31，监测箱31内置光纤光栅解调仪32、无线数据传输装置33及电源34，其中电源34分别连接光纤光栅解调仪32与无线数据传输装置33进行供电，光纤光栅解调仪32与无线数据传输装置33连接，便于光纤光栅解调仪32将获取的数据通过无线传输装置进行远程传输，此种结构组合可以实现对智能螺旋钢桩的施工及服役状态的无线实时监测。的光纤光栅传感器的尾纤用一根保护光缆连接，分布式光纤传感器的尾纤用一根保护光缆连接，两条保护光缆穿过监测箱31连接光纤光栅解调仪32，此种连接方式可以清晰的分辨出光纤光栅传感器与分布式光纤传感器。

实施例7

本实施例提供一种智能螺旋钢桩的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：制作光纤光栅传感器组件：如中心钢轴的截面为正方形，在室内将光纤光栅应变传感器粘贴在薄壁钢管的相邻两个外表面，然后在薄壁钢管的其中一个外表面开设卡槽，将分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器外嵌于薄壁钢管的卡槽内，并在薄壁钢管两端套上橡胶垫圈；如中心钢轴的截面为圆形，将光纤光栅应变传感器粘贴在薄壁钢管的外表面，然后在薄壁钢管的的外表面开设卡槽，将分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器外嵌于薄壁钢管的卡槽内；

步骤二：组装与标定：将薄壁钢管外表面涂覆粘接材料，通过粘接材料将薄壁钢管粘接于中心钢轴内，待粘接材料凝固后在室内进行光纤光栅传感器、分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器的调试与标定；

步骤三：现场安装，将两根保护光缆穿过监测箱连接光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接无线数据传输装置，电源分别连接光纤光栅解调仪与无线数据传输装置，并将光纤光栅解调仪、无线数据传输装置、电源安置在监测箱内；

步骤四：现场施工：采用液压扭矩头及挖掘机组合设备进行智能螺旋钢桩的现场施工，中心钢轴为正方形时，采用机械设备将中心钢轴钻进加固体之后，需在桩周进行灌浆加固，施工完成后将监测箱固定在加固体表面上。

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实用新型。基于本实用新型的上述内容，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

Claims (9)

1.一种智能螺旋钢桩，其特征在于，包括中心钢轴，所述中心钢轴的下端外壁设置有一个清障叶片组，所述清障叶片组包括多个第一螺旋叶片，多个第一螺旋叶片的直径从下到上依次增大，所述中心钢轴的内壁设置有光纤光栅传感器组件，所述光纤光栅传感器组件包括至少一个光纤光栅应变传感器、分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器。

2.如权利要求1所述的一种智能螺旋钢桩，其特征在于，所述中心钢轴的截面为正方形或圆形。

3.如权利要求2所述的一种智能螺旋钢桩，其特征在于，所述清障叶片组位于最上方的第一螺旋叶片的最大直径为4D，中心钢轴的截面为正方形时D为中心钢轴的边长，中心钢轴的截面为圆形时D为中心钢轴的外径，第一螺旋叶片的螺距均相等且相邻第一螺旋叶片间的净距为n×L，L为第一螺旋叶片的螺距，n为正整数，n≤3。

4.如权利要求3所述的一种智能螺旋钢桩，其特征在于，所述中心钢轴上还设置有至少一个位于清障叶片组上方的第二螺旋叶片，所述第二螺旋叶片的直径D_h≤4D，第二螺旋叶片的螺距与第一螺旋叶片的螺距相等，相邻两个第二螺旋叶片间的净距为S，S=m·L，m为正整数，且S≥3D_h，位于最下方的第二螺旋叶片与位于最上方的第一螺旋叶片的净距也为S。

5.如权利要求2所述的一种智能螺旋钢桩，其特征在于，所述光纤光栅传感器组件还包括薄壁钢管，所述薄壁钢管的外壁通过粘接材料与中心钢轴的内壁连接；中心钢轴的截面为正方形时，两个光纤光栅应变传感器等间距设置在薄壁钢管的外表面与中心钢轴相邻的两个内壁接触挤压，分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器外嵌于薄壁钢管与中心钢轴的同一个内壁接触挤压；中心钢轴的截面为圆形时，光纤光栅应变传感器、分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器设置在薄壁钢管的外表面与中心钢轴的内壁接触挤压。

6.如权利要求5所述的一种智能螺旋钢桩，其特征在于，所述的薄壁钢管两端均套设有橡胶垫圈。

7.如权利要求5所述的一种智能螺旋钢桩，其特征在于，所述粘接材料的抗弯强度与抗压强度均大于10MPa，弹性模量大于20000MPa。

8.如权利要求1所述的一种智能螺旋钢桩，其特征在于，还包括监测箱，所述监测箱内置光纤光栅解调仪、无线数据传输装置及电源，其中电源分别连接光纤光栅解调仪与无线数据传输装置，光纤光栅解调仪与无线数据传输装置连接，所述光纤光栅解调仪与光纤光栅应变传感器、分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器连接。

9.如权利要求8所述的一种智能螺旋钢桩，其特征在于，所述的光纤光栅传感器的尾纤用一根保护光缆连接，分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器的尾纤用一根保护光缆连接，两条保护光缆穿过监测箱连接光纤光栅解调仪。

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