本发明涉及建筑中的管桩技术领域，特别涉及一种旋转嵌套式预应力管桩机械连接头及其施工方法。
背景技术
预应力混凝土管桩由于具有单桩承载力高，施工速度快，价格适中等优点，很好地满足了文明施工的要求，因此发展成为一种常用桩型。
管桩的桩长受生产、运输及施工等原因影响，往往不能一次性满足设计需要，而必须在施工现场进行接桩。传统的施工方法是采用焊接接头，焊机接头的抗渗透性较好，但由于现场施工的技术质量参差，焊接法效果难以得到保证，易产生安全隐患。而且随着社会发展，劳动力价格上升，焊接接头的人工成本越来越贵，显然不符合社会发展的需求。
为了弥补传统焊接接头工艺的不足，提高施工效率和保证施工质量，多种新型的预应力混凝土管桩连接技术接连被研发出来，例如，机械螺纹连接施工和机械啮合连接施工。但以上两种方法仍然存在一些问题：机械快速接头接桩时连接件在插入特殊埋件的连接槽时，需要一定的压力。施工中，在靠近江边软弱土层太厚的地方，在接第二节桩时，由于第一节桩还没进入较坚硬土层，桩壁摩阻力太小，无法提供足够的反力，当桩锤轻打时，连接件无法插入连接槽，而是把第一节桩压进土中。对于此种情况，要用钢丝索绑住入土桩，然后用吊机拉住后，才可以接桩，如此繁琐的操作，严重影响了施工进度。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种旋转嵌套式预应力管桩机械连接头，采用上部连接头的插头和下部连接头的凹槽配合，无需弹簧、螺钉等辅助插件，连接简单，施工速度快，施工费用低。
本发明的另一个目的在于提供一种旋转嵌套式预应力管桩机械连接头的施工方法。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
旋转嵌套式预应力管桩机械连接头，所述连接头包括上部连接头和下部连接头，所述上部连接头包括插头、插头支撑和上端板，所述插头通过插头支撑与所述上端板连接；所述下部连接头包括下端板，所述下端板内部设有圆柱形凹槽，所述凹槽的开口形状与所述插头形状相匹配，所述下端板侧壁上设有凹槽侧开口，所述凹槽侧开口与所述凹槽相连通。
作为优选的技术方案，所述插头和所述凹槽开口的形状为带三个角、四个角、五个角或六个角的多边形。
作为优选的技术方案，所述凹槽侧开口的位置与所述凹槽开口形状中角的方位对应。
作为优选的技术方案，当管桩的直径为500mm时，所述凹槽侧开口的直径范围为30mm‐60mm。
作为优选的技术方案，当管桩的直径为500mm时，所述插头支撑的直径为190mm，插头支撑的高度为62mm。
作为优选的技术方案，所述下部连接头与第一节管桩的尾端连接，所述上部连接头与第二节管桩的首端连接。
本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：
旋转嵌套式预应力管桩机械连接头施工方法，所述方法包括如下步骤：下部连接头与第一节管桩的尾端连接，上部连接头与第二节管桩的首端连接；所述第一节管桩进行立桩；所述上部连接头插入下部连接头；将所述第二节管桩及上部连接头旋转45度；向所述下部连接头侧面的凹槽侧开口内泵送水泥浆或硫磺胶泥，直到水泥浆或硫磺胶泥填满凹槽。
作为优选的技术方案，所述水泥浆内掺杂有速凝剂。
作为优选的技术方案，所述硫磺胶泥的质量配合比为硫磺：水泥：砂：聚硫橡胶＝44:11:44:1。
作为优选的技术方案，所述第一节管桩立桩时的垂直度控制在0.3％以内。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明采用上部连接头的插头和下部连接头的凹槽配合，无需弹簧、螺钉等辅助插件，也不需螺纹等高精度细节的制作加工。设备连接简单，操作方便，容易组装，施工速度快。
2、本发明的机械连接头，接桩快速，不需焊接，不利用其他工具，没有复杂的操作步骤，工作效率高，同等工期下可减少人工和器械费用，从而节约施工费用。
3、本发明的机械连接头制作加工方便，没有复杂的机械结构，结构较为简单，避免了制作加工过程中的高精度操作。
4、本发明下部连接头凹槽内灌注水泥浆，保证了桩身的稳定性以及上下节管桩连接的稳定，减小了人为因素对施工质量的影响。
5、本发明的机械连接头不受人为因素和天气条件的影响，没有明火操作，在雨雪天气仍可继续施工。
附图说明
图1是本发明实施例中上部连接头的立体图
图2是本发明实施例中上部连接头的主视图
图3是图2的仰视图
图4是本发明实施例中下部连接头的立体图
图5是本发明实施例中下部连接头的主视图
图6是图4的俯视图
图7是本发明实施例中插头的其他形状示意图
图8是本发明实施例中上部连接头与下部连接头相互配合图
图9是本发明实施例中旋转嵌套式预应力管桩机械连接头的受弯应力图
附图说明：1：上部连接头，2：插头，3：插头支撑，4：上端板，5：下部连接头，6：下端板，7：凹槽，8：凹槽侧开口
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中提供了一种旋转嵌套式预应力管桩机械连接头，该连接头包括上部连接头1和下部连接头5，上部连接头1与第二节管桩的首端连接，下部连接头5与第一节管桩的尾端连接。
如图1‐3所示，上部连接头1包括插头2、插头支撑3和上端板4，插头2通过插头支撑3与上端板4连接。如图7所示，插头的形状除了为带四个角的多边形，还可以为带三个角、五个角或六个角的多边形。当管桩的直径为500mm时，插头支撑3的直径为190mm，插头支撑3的高度为62mm。插头支撑3的直径可根据管桩直径的大小选择相应尺寸。考虑到经济性，插头支撑3的直径不宜过大；直径过小则容易因弯矩产生的拉力超过屈服极限。插头支撑3的高度可根据管桩直径的大小选择相应尺寸。同样地，考虑到经济性，插头支撑3的高度不宜过高，过高易导致因为弯矩产生的拉力超过屈服极限，过短则会减小下部连接头5的下端板6的厚度，对下端板6受力不利。
如图4‐6所示，下部连接头5包括下端板6，下端板6内部设有圆柱形凹槽7，凹槽7的开口形状与插头2的形状相匹配，下端板6侧壁上设有凹槽侧开口8，凹槽侧开口8与凹槽7相连通。优选的，凹槽侧开口8的位置与凹槽开口形状中角的方位对应。凹槽侧开口8的直径可以根据管桩的直径大小进行适当选择。当管桩的直径为500mm时，凹槽侧开口8的直径范围为30mm‐60mm。
旋转嵌套式预应力管桩机械连接头的施工过程如下：第一节管桩进行立桩，垂直度应控制在0.3％以内，使其满足接桩要求。第一节管桩的首端以及第二节管桩的尾端采用普通的端头板。连接时，将安装于第二节管桩的上部连接头插入安装于第一节管桩的下部连接头，上部连接头与下部连接头的配合关系如图8所示。第一节管桩固定，将第二节管桩及上部连接头旋转45度。连接固定好后，向下部连接头侧面的凹槽侧开口内泵送水泥浆或硫磺胶泥，直到水泥浆或硫磺胶泥填满凹槽。由于水泥浆体流动性较好且插头旋入后空腔仍保持连通，因此正常的泵送压力可以保证水泥浆充满空腔，保证其对旋入后插头的固定作用。水泥浆中应掺有适量速凝剂。硫磺胶泥的质量配合比为硫磺：水泥：砂：聚硫橡胶＝44:11:44:1，保证水泥在十分钟左右初凝。水泥浆初凝结束后即可继续进行沉桩施工。
根据规范《预应力混凝土管桩.10g409》可知，外径为500mm的管桩受弯最大力矩为190kn·m。连接头使用q235钢材，通过abaqus软件对连接头进行受力分析，将荷载力矩(190kn·m)加到上部连接头，下部连接头完全固定，网格单元采用楔形。如图9所示，经过数值计算分析，最薄弱位置位于垂直于弯矩的上部连接头的插头底面对称轴处，其最大应力为164.3mpa。根据数值计算结果，可知连接头所受应力小于q235钢材的屈服极限235mpa，连接头的受力性能较好。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。