专利名称：一种螺旋桩的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种桩基础结构，特别地涉及一种螺旋桩。
背景技术：
桩是建筑领域常见的结构构件。按桩体材 料分，桩一般可以分为钢桩、混凝土桩和复合材料桩，例如混凝土桩就是混凝土或钢筋混凝土结构的柱状体。桩深入地层用来提供竖向和水平向的支撑。无论是哪一种桩，将桩深入地下的常规施工工艺会采取成孔现浇、锤击或者静压等方法。然而，当需要支撑的物体的重量并不是很大时，例如太阳能电池板或者标识牌，以上方法都显得过于繁琐，成本过高，而且极易造成植被的破坏和环境的污染。螺旋桩是通过旋拧的方式深入地下的桩构件，且桩体的材料都是金属。虽然螺旋桩已经出现了多年，然而其应用范围一直非常有限。究其原因主要有2个方面。首先，螺旋桩叶片形状、尺寸、位置与螺旋桩的承载能力和施工难易都有关，选择合适结构的螺旋桩一直以来都是一个难题。其次，由于不进行挡水除污等防腐工作，螺旋桩容易受到周边环境的影响，适应能力较差。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，根据本发明的一个方面，提出了一种螺旋桩，包括桩体，所述桩体上的第一叶片；以及所述桩体上的第二叶片；其中，所述第一叶片和所述第二叶片中的每一个绕所述桩体旋转。根据本发明的另一个方面，提出了一种太阳能板支撑结构，包括多个如上所述的螺旋桩；以及支架结构，其安装所述多个螺旋桩上支撑太阳能板。根据本发明的另一个方面，提出了一种太阳能发电设备，包括太阳能板；以及如上所述的太阳能板支撑结构，支撑所述太阳能板。根据本发明的另一个方面，提出了一种太阳能电站，包括多个太阳能板；以及如上所述的太阳能板支撑结构，支撑所述多个太阳能板。
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中图I是根据本发明的一个实施例的螺旋桩的结构示意图；图2是现有技术中的一种螺旋桩的结构示意图；图3是双叶片螺旋桩与连续叶片的螺旋桩承载能力的对比示意图；图4是根据本发明的一个实施例，螺旋桩两个相邻叶片之间的距离c与螺旋桩叶片的直径D之间的比值与承载力的关系示意图；图5是根据本发明的一个实施例，螺旋桩两个相邻叶片之间的距离c与螺旋桩叶片的直径D之间的比值与承载力的关系示意图；图6是根据本发明的一个实施例，螺旋桩叶片直径与抗拔承载力之间的关系示意图；图7是根据本发明另一个实施例的螺旋桩的结果示意图；图8是根据本发明的另一个实施例的螺旋桩的结构示意图；图9a和图9b是根据本发明的一个实施例的螺旋桩的前端部的结构示意图；图10是根据本发明的一个实施例，将螺 旋桩旋入地下的示意图；图11是根据本发明的一个实施例的太阳能板支撑结构的示意图；图12是根据本发明的一个实施例的第一连接件的结构示意图；以及图13是根据本发明的一个实施例的第二连接件的结构示意图。
具体实施例方式图I是根据本发明的一个实施例的螺旋桩的结构示意图。参见图1，本发明的螺旋桩100包括桩体101和前端部102。在桩体101上间隔设置螺旋叶片103和104。桩体101可以是实心的棒体，也可以是空心的管体。截面也可以呈非圆形，例如矩形或者六角形等形状。前端部102呈锥形或倾斜，设置在桩体101的前端。前端部102既可以安装到桩体101上，也可以与桩体101 —体成形。根据本发明的一个实施例，螺旋叶片103和104在沿着桩体的方向上的变化是均匀的。具体而言，螺旋叶片包括一条中舢线，其含义是该线在所述叶片上，且垂直于桩体的表面。这样，中舢线在竖直方向上的变化，更具体而言，中舢线与桩体表面的交点在竖直方向上的变化反映了螺旋叶片在竖直方向上的变化。在本实施例中，中舢线在竖直方向上的变化是均匀的，或者说是匀速的。这样的螺旋桩具有最佳的力学结构和旋拧能力。根据本发明的一个实施例，桩体101包括第一段和第二段，其中第一段不同于第二段。例如，桩体101上段是圆柱形桩，而下段是方形桩；或者上段具有比下段更大的直径。这主要是为了适应不同的地质条件而采取的一些做法。针对某些特定的环境，具有非常突出的效果。根据本发明的一个实施例，前端部102是一个可选的部件。也就是说，在某些情况下，螺旋桩100可以不具有前端部102。前端部102的作用是利用其倾斜的外形辅助螺旋桩旋转入地下。另外一种情况是，当桩体101是管状结构，施工时从桩体101的管体中插入一个呈锥形或倾斜的转头，这样也不必在桩体上设置前端部102 了。螺旋叶片103和104可以直接焊接在桩体101上，也可以通过桩体101上的开缝而设置到桩体101上。根据本发明的一个实施例，螺旋叶片103和104与桩体101 —体成形。螺旋桩100的桩体101临近桩顶的部分还设置有一个穿孔部分110。穿孔部分110包括一个突起部分以及设置在该突起部分上的孔。应当注意，在与穿孔部分110对称的桩体的另一侧也可以设置有相同的穿孔部分。穿孔部分110用来与驱动螺旋桩旋转的旋拧装置相连接。螺旋桩100的桩体101上，穿孔部分110的上方还设置有调整孔120。根据本发明的一个实施例，桩体101上共设置有三个间隔120°的调整孔。调整孔可以接纳调整螺栓。螺旋桩需要与其上的支撑结构相连接。支撑结构支柱伸入到螺旋桩中后，通过调整穿过调整孔的调整螺栓可以调整支柱的位置，保证安装到螺旋桩上的支柱经过调整以后是一致的，以方便进一步安装支撑结构的其他部分。根据本发明的一个实施例，在将支撑结构支柱安装到螺旋桩并通过穿过调整孔的调整螺栓固定后，进一步通过穿孔部分101上的孔用电转等转空设备在支柱上同样打孔。然后，通过穿过穿孔部分101上的孔以及支柱上打出的孔的螺栓将螺旋桩与支柱进一步固定。需要指出，这种方法利用了将螺旋桩旋拧入地下时的穿孔部分101上的孔，简单方便，而且结构坚固。如背景技术中所提及的，本领域中的一个技术难题就是如何定制螺旋桩的结构以达到所需的承载力，并且能够方便安装。螺旋桩的很多参数都可以对此产生影响。例如桩长、桩体的直径、叶片大小、叶片的开口(螺距)等等。叶片的长度也可以多种，如整个桩体都具有螺纹，或者部分桩体具有螺纹，或者仅仅是单道螺纹。叶片本身也可以有多种变化，如单鳍螺旋叶片，具有两个平行叶片的双鳍螺旋叶片，甚至三鳍螺旋叶片。例如，如果叶片直径选择的比较大，螺距也比较小，螺旋桩的承载力更好。然而这既增加了成本，在将螺旋桩旋拧入地下时也将难度大增。现有技术中没有任何关于如何定制螺旋桩结构的内容。在实 际应用中，本领域技术人员都是根据自己的经验来选择，然后通过实际的试验桩实验来最终确定。这既耗费时间，结果也仅仅是满足要求而已，而且经常是成本偏高。本案的发明人经过长期的观察和试验发现，对于螺旋桩的承载力而言，螺纹的长度并没有太大的影响。图2是现有技术中的一种螺旋桩的结构示意图。如图2所示，该螺旋桩包括桩体201、前端部202和连续螺旋叶片203。在整个或大部分螺旋桩的地下部分上都设置有连续旋转的叶片203 (即螺纹)。就本领域目前的一般认识而言，图2所示的螺旋桩的承载力要大大好于图I所示的螺旋桩。而这其实是一种错误的偏见。图I与图2所示的螺旋桩在承载力方面相差不多。在某些情况下，图I所示的螺旋桩的承载力甚至好于图2所示的螺旋桩。图3是双叶片螺旋桩与连续叶片的螺旋桩承载能力对比示意图。其中，双叶片中的每个叶片都是单道螺旋叶片，其叶片仅绕桩体旋转一周。如图所示，在叶片直径D相同，桩的长度L也相同的情况下，双叶片螺旋桩的承载能力好于连续叶片的螺旋桩。然而，二者之间的加工维护难度和成本是无法同日而语的。因此，就实际应用而言，图I所示的螺旋桩更为经济适用。这对本领域而言是非常有意义的发现。对于如图I所示的的螺旋桩而言，在每个叶片都是单道螺旋叶片，并且螺旋叶片在竖直方向上的变化也是均匀的前提下，如何优化螺旋桩的结构参数也仍旧是一个难题。如图I所示，至少以下结构参数可能对螺旋桩的性能产生影响a :螺旋桩最上叶片距离桩顶的长度；b :螺旋桩最下叶片距离桩尖的长度；c 螺旋桩两个相邻叶片之间的距离；d :螺旋桩桩体的直径；D 螺旋桩叶片的直径；L :桩长；以及t :叶片在垂直方向上开口的距离，即螺距。 在以上这些参数中，桩长是一个比较重要的参数，其直接决定了桩旋入地下的深度，也很大程度上决定了桩的自重和成本等指标。
在桩的长度一定的情况下，其他参数的优化更为困难。现有技术中没有任何的可供参考的内容。本案的发明人发现，螺旋桩两个相邻叶片之间的距离c与螺旋桩叶片的直径D之间的比值，即叶片间距与叶片之间的比值c/D，对螺旋桩的竖向承载力方面起着非常关键的作用。图4是根据本发明的一个实施例，螺旋桩两个相邻叶片之间的距离c与螺旋桩叶片的直径D之间的比值与承载力的关系示意图。在图4中，曲线1-6的叶片间距与叶片直径之间的比值分别为1.02,2. 03,3. 05,4. 07和6. 10 ;桩长相同而叶片的直径D也均为236毫米(mm)。从图中可以看出，当c/D为2-6之间时，荷载 最佳。优选地，当c/D为3_5之间时，荷载增加的幅度远远好于预期的情况。图5是根据本发明的一个实施例，不同螺旋桩叶片的直径D的情况下，螺旋桩两个相邻叶片之间的距离c与螺旋桩叶片的直径D之间的比值与承载力的关系示意图。在图5中，实心圆点代表螺旋桩叶片的直径D为236_的螺旋桩，而空心方块代表螺旋桩叶片的直径D为176mm的螺旋桩。从图5中可以进行看出，当叶片间距与叶片之间的比值c/D为2_6时，螺旋桩的承载力经过归一化之后，都在0. 7，即70%以上。当叶片间距与叶片直径的比值过大或者过小时，都会降低螺旋桩的承载力。特别是，特别是当叶片间距与叶片之间的比值c/D为3-5时，螺旋桩的承载力明显出现了大幅提升的情况。螺旋桩的承载性能最优。图4和图5 —起说明了叶片间距与叶片之间的比值的重要。为了进一步说明上述结论，可以以图6来进行参考。图6是根据本发明的一个实施例，螺旋桩叶片直径与抗拔承载力之间的关系示意图。从图6可以看出，在其他条件相同的情况下，随着叶片直径的增加，螺旋桩的抗拔承载力逐步提升。然而，螺旋桩叶片直径的增加将极大影响螺旋桩的成本；同时，也影响螺旋桩的旋转入地的能力。在超过一定范围后，叶片越大，其旋转入地所需花费的能量就越多，将螺旋桩旋入地下就越困难。因此，不能简单通过增加叶片的直径来提高承载力。这也进一步说明了图4和图5结论的重要性。在不增加叶片直径的情况，通过调整叶片间距与叶片之间的比值，同样可以提升螺旋桩的承载能力。影响螺旋桩性能的另一个重要的参数是叶片在垂直方向上开口的距离t，即螺距。即使对于单道螺旋叶片而言，其也可以被看做是一种特殊的螺距。与其他参数不同，螺距是具体参数范围，而不是比值。也就是说，影响螺距这一参数的只有地质土壤情况，而独立于桩的其他参数。根据本发明的一个实施例，叶片的螺距的范围是50-250毫米(mm)。优选范围是60-150毫米(mm)。另一个参数是叶片直径D与桩体直径d之间的比值D/d。这一参数实际上直接决定了螺旋叶片与土地接触的面积。基于同样的原因，这一面积并不是越大越好。根据本发明的一个实施例，叶片直径与桩体直径之间的比值D/d的范围是2-6，优选范围是3-5。至于螺旋桩最上叶片距离桩顶的长度a，根据本发明的一个实施例，这一距离至少应大于400毫米(_)，优选为大于600-800毫米(_)。而螺旋桩最下叶片距离桩尖的长度b，则因桩的前端部不同而有所不同。根据本发明的一个实施例，螺旋桩最下叶片安装在桩体的最下端，也就是桩的直径开始变小之前的最底部。某些情况下，最下叶片可能比较小，其主要的贡献是促进旋拧，而对承载力贡献不多。此时，最下叶片的相邻叶片可以与最下叶片分开一定的距离。
螺旋桩通常是金属的，如钢制的。根据本发明的一个实施例，螺旋桩采用非金属材料制成。非金属材料可以减少钢材的使用，降低成本。特别地，如背景技术中所提及的，由于在使用螺旋桩时不会预先进行挡水排污等工作，螺旋桩很容易受到地下环境的影响。例如，当在盐碱地等特殊环境中使用螺旋桩时，金属的螺旋桩非常容易受到腐蚀而影响桩的稳定性。因此，螺旋桩也可以采用经过处理的耐腐蚀金属或者非金属材料制成。采用非金属材料的一个难题是要保证螺旋桩的强度和韧度。也就是说，所采用的非金属材料应当具有与金属类似的物理性质，例如，工程塑料。工程塑料包括很多种类，例如ABS、尼龙、PBT等。然而，工程塑料本身无法直接应用，必须对 其进行改性，增强其机械性质以及化学性质，以符合螺旋桩的具体应用。根据本发明的一个实施例，螺旋桩采用增强尼龙组合物制作。该增强尼龙组合物包括如下重量比的各个组分尼龙，50-80% ;玻璃纤维，15%-50% ；以及增韧剂，0. 5_5%。尼龙可以采用尼龙6 (PA6)、尼龙66 (PA66)、尼龙610 (PA610),尼龙6和尼龙66的共聚物，或者尼龙6和12的共聚物。玻璃纤维可以采用无碱玻璃纤维。增韧剂可以采用各类酸酐或羧酸接枝的烯烃弹性体或接枝共聚物或离子化聚合物。优选聚烯烃马来酸酐接枝物，例如，马来酸酐接枝的乙烯类弹性体。根据本发明的一个实施例，增强尼龙组合物可以进一步包括0. 02-0. 5%的抗紫外线剂。抗紫外线剂可以采用有机抗紫外线剂，如聚酯紫外线吸收剂，或者无机抗紫外线剂，如炭黑，二氧化钛，氧化锌、锌钡光屏蔽剂等。如上文所提到在盐碱地环境下应用螺旋桩时，螺旋桩的耐碱性也非常重要。根据本发明的一个实施例，增强尼龙组合物可以进一步包括0.01-1%的耐碱剂。耐碱剂具体可以采用呋喃或具有呋喃环的其他化合物。根据本发明的一个实施例，增强尼龙组合物可以进一步包括0. 01-1%的润滑助齐U，以使螺旋桩的外观更为光滑平整。根据本发明的一个实施例，增强尼龙组合物可以进一步包括0.01-1%的抗氧化齐U，例如上海汽巴高桥化学有限公司的抗氧化剂1010。在不影响螺旋桩的其他性能的前提下，，增强尼龙组合物可以进一步包括一定比值的封端剂、离型剂、结晶助剂、着色剂和阻燃剂。以下是根据本发明的一个实施例，增强尼龙组合物的一个具体实例，其包括以下重量比的各个组分尼龙6 (PA6) 60-80%,优选 65-75% ；玻璃纤维，20%-40%;优选 25-35% ；增韧剂，马来酸酐接枝的乙烯类弹性体，0. 5-2%，优选0. 8-1. 5% ;抗紫外线剂，聚酯紫外线吸收剂，0. 02-0. 5%，优选0. 05-0. 2% ;和耐碱剂，呋喃，0. 02_5%。以下是该增强尼龙组合物的性能对比
权利要求
1.一种螺旋桩,包括 桩体， 所述桩体上的第一叶片；以及 所述桩体上的第二叶片； 其中，所述第一叶片和所述第二叶片中的每一个绕所述桩体旋转。
2.根据发明I所述的螺旋桩，其中所述第一叶片和所述第二叶片中的每一个是单道螺旋叶片。
3.根据发明I所述的螺旋桩，其中所述第一叶片和所述第二叶片中的每一个在沿着桩体的方向上的变化是均匀的。
4.根据发明I所述的螺旋桩，进一步包括与桩体连接的前端部。
5.根据发明I所述的螺旋桩，其中所述桩体包括第一段和第二段，其中所述第一段不同于所述第二段。
6.根据发明I所述的螺旋桩，进一步包括桩体上的穿孔部分，所述穿孔部分包括一个突起部分以及设置在该突起部分上的孔。
7.根据发明I所述的螺旋桩，进一步包括桩体上的调整孔。
8.根据发明I所述的螺旋桩，其中叶片间距c与叶片直径D之间的比值c/D为2-6。
9.根据发明8所述的螺旋桩，其中叶片间距c与叶片直径D之间的比值c/D为3-5。
10.根据发明I所述的螺旋桩，其中叶片的螺距范围是50-250毫米。
11.根据发明10所述的螺旋桩，其中叶片的螺距范围是60-150毫米。
12.根据发明I所述的螺旋桩，其中叶片直径D与桩体直径d之间的比值D/d是2-6。
13.根据发明12所述的螺旋桩，其中叶片直径D与桩体直径d之间的比值D/d是3-5。
14.根据发明I所述的螺旋桩，其中所述第一叶片是上叶片，其距离桩顶的长度至少大于400毫米。
15.根据发明14所述的螺旋桩，其中所述第一叶片距离所述桩顶的长度至少大于800毫米。
16.根据发明I所述的螺旋桩，其中，所述第二叶片是下叶片，安装在所述桩体的最下端。
17.根据发明I所述的螺旋桩，其中桩顶设置有法兰。
18.根据发明1-17所述的螺旋桩，其中螺旋桩采用经过处理的耐腐蚀金属制成。
19.根据发明1-17所述的螺旋桩，其中螺旋桩采用非金属材料制成。
20.根据发明19所述的螺旋桩，其中螺旋桩采用增强尼龙组合物制成。
21.根据发明20所述的螺旋桩，其中所述增强尼龙组合物包括如下重量比的各个组分 尼龙，50-80% ;玻璃纤维，15%-50% ;以及增韧剂，O. 5-5%。
22.根据发明21所述的螺旋桩，其中增强尼龙组合物进一步包括O.02-0. 5%的抗紫外线剂。
23.根据发明21所述的螺旋桩，其中增强尼龙组合物进一步包括O.01-1%的耐碱剂。
24.根据发明21所述的螺旋桩，增强尼龙组合物进一步包括O.01-1%的润滑助剂。
25.根据发明21所述的螺旋桩，增强尼龙组合物进一步包括O.01-1%的抗氧化剂。
26.根据发明21所述的螺旋桩，增强尼龙组合物进一步包括封端剂、离型剂、结晶助齐U、着色剂和阻燃剂。
27.根据发明20所述的螺旋桩，其中所述增强尼龙组合物包括如下重量比的各个组分尼龙 6 (PA6) 60-80% ； 玻璃纤维，20%-40% ； 增韧剂，马来酸酐接枝的乙烯类弹性体，O. 5-2% ;和 抗紫外线剂，聚酯紫外线吸收剂，O. 02-0. 5%。
28.根据发明27所述的螺旋桩，其中所述增强尼龙组合物包括如下重量比的各个组分尼龙 6 (PA6) 65-75% ； 玻璃纤维，25-35% ； 增韧剂，马来酸酐接枝的乙烯类弹性体O. 8-1. 5% ； 抗紫外线剂，聚酯紫外线吸收剂，O. 05-0. 2% ;和 耐碱剂，呋喃，O. 02-5%。
29.根据发明19所述的螺旋桩，其中所述桩体上设置了沿着桩体方向的直线加强筋和围绕所述桩体的旋转加强筋。
30.根据发明19所述的螺旋桩，进一步包括所述桩体上的连接部分，所述连接部分包括加强带，所述穿孔部分设置在所述加强带上，所述调整孔设置在所述加强带的上方。
31.根据发明30所述的螺旋桩，其中所述连接部分的上表面为法兰。
32.根据发明4所述的螺旋桩，其中所述前端部包括一体成形的桩连接部分和尖端部分。
33.根据发明32所述的螺旋桩，其中所述桩连接部分上包括多个条状凸起，所述桩体上对应设置多个条形凹槽。
34.根据发明32所述的螺旋桩，其中桩连接部分上设置固定孔，所述桩体设置有对应的通孔。
35.根据发明30所述的螺旋桩，其中尖端部分上设置通孔。
36.一种太阳能板支撑结构，包括 多个如发明1-33所述的螺旋桩；以及 支架结构，其安装所述多个螺旋桩上支撑太阳能板。
37.根据发明36所述的太阳能板支撑结构，所述支架结构包括 多个横梁； 多个斜梁，支撑所述多个横梁； 第一支柱，其分别连接在所述螺旋桩和所述斜梁之间；以及 第二支柱，其连接在所述第一支柱和所述斜梁之间。
38.根据发明37所述的太阳能板支撑结构，其中所述支架结构包括第三支柱，其连接在所述第一支柱和/或第二支柱之间。
39.根据发明37所述的太阳能板支撑结构，其中所述第一支柱或第二支柱通过第一连接件连接到所述斜梁。
40.根据发明39所述的太阳能板支撑结构，其中所述第一连接件包括上部部分和下部部分，其中所述上部部分和所述下部部分各包括台阶部分和两侧的垂直部分；所述上部部分和所述下部部分通过各自的台阶部分相互定位，所述下部部分可旋转地安装到所述第一支柱或者第二支柱。
41.根据发明40所述的太阳能板支撑结构，其中所述上部部分和所述下部部分的所述台阶部分上分别设置对应的长孔。
42.根据发明40所述的太阳能板支撑结构，其中所述第一连接件的所述下部部分的两侧的垂直部分上设置安装孔。
43.根据发明37所述的太阳能板支撑结构，其中所述第二支柱通过第二连接件与第一支柱连接。
44.根据发明43所述的太阳能板支撑结构，其中所述第二连接件包括第一部分，其适合于套设于支柱上；以及第二部分，其适合于安装在支柱的末端；所述第一部分可相对于所述第二部分旋转。
45.根据发明44所述的太阳能板支撑结构，其中所述第二连接件的所述第一部分套设在所述第一支柱上；所述第二连接件的所述第二部分安装到第二支柱的一端。
46.根据发明44所述的太阳能板支撑结构，其中所述第二连接件的所述第一部分上设置有多个调整孔。
47.根据发明44所述的太阳能板支撑结构，其中所述第二连接件的所述第二部分上设置有安装孔。
48.根据发明44所述的太阳能板支撑结构，其中所述第二连接件的所述第一部分和第二部分上分别包括延伸部分；所述两个延伸部分通过轴可转动地连接在一起。
49.一种太阳能发电设备，包括 太阳能板；以及 如发明36-48所述的太阳能板支撑结构，支撑所述太阳能板。
50.一种太阳能电站，包括 多个太阳能板；以及 如发明36-48所述的太阳能板支撑结构，支撑所述多个太阳能板。
全文摘要
本发明涉及一种螺旋桩，包括桩体，所述桩体上的第一叶片；以及所述桩体上的第二叶片；其中，所述第一叶片和所述第二叶片中的每一个绕所述桩体旋转。
文档编号H02N6/00GK102787596SQ20121023785
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年5月16日
发明者李杨 申请人:诺斯曼能源科技(北京)有限公司