一种新型螺旋土钉的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种新型螺旋土钉。螺旋土钉从头部至尾部分依次分为钻头段、带有螺纹的主抗拉段、不带有螺纹的主抗扭段和螺帽段共四段，主抗拉段分为前后两段，主抗拉段的前段螺纹外径、后段螺纹外径与主抗扭段的外径相同，主抗拉段的前段螺纹内径小于后段螺纹外径；施工使用时，主抗拉段旋入潜在滑移面以下，主抗扭段位于潜在滑移面以上；主抗拉段、主抗扭段和螺帽段采用木塑复合材料。本实用新型将木塑复合材料这种环保、经济的材料引入工程建设领域，代替钢材作为螺旋土钉的主要材料，可以降低成本，促进螺旋土钉在工程中的推广应用。
【专利说明】一种新型螺旋土钉
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及土木工程领域的一种土钉，特别是涉及一种新型螺旋土钉，用于地层为软土的临时性边坡加固工程。
【背景技术】
[0002]螺旋土钉是将土钉杆体加工成为带有螺纹的杆体，将其直接旋入地层中，依靠螺纹将土钉与地层联结成整体。该工艺省去钻孔和注浆工艺，可较大提高施工效率。但是螺旋土钉杆体直径较大，杆体材料全部采用钢材则造价较高，没有经济上的优势。
[0003]木塑复合材料(WPC)是当今世界各国研究开发应用的新材料，是“生物质一聚合物复合材料”的俗称，为生物质与聚合物复合而形成的复合材料，生物质是由生物细胞或者其代谢产物构成的天然有机高分子材料，是由纤维素、半纤维素和木质素三种主要有机高分子化合物和含量较少但种类繁多的抽提物组成，常称为木质纤维材料，蕴藏量巨大，是可自然再生的基础材料。用于生产木塑复合材料的聚合物原料来源极其广泛，它可以利用废旧的塑料和废弃木质纤维材料为原料，料包括各种合成树脂、塑料、橡胶、合成纤维，以及这些高分子材料制品的废弃物等。木塑复合材料这种既能发挥材料中各组分的优点，克服因木材强度低、变异性大及有机材料弹性模量低等造成的使用局限性，又能充分利用废弃的木材和塑料，减少环境污染。可以说，木塑复合材料(WPC)是将废旧塑料、植物废弃物转化成高附加值的新材料，具有木材和塑料的双重特性，如良好的加工性能、良好的强度性能、材料的微生物可降解性、材料本身优良的可调整性能。
【发明内容】
[0004]为了克服钢制螺旋土钉造价较高，从而限制其在工程中广泛使用的不足，本实用新型提出一种新型螺旋土钉，将木塑复合材料引入工程建设领域，使其代替钢材作为螺旋土钉的主要材料，从而降低钢制螺旋土钉的成本，使其在工程运用中更加具备经济上的优势。
[0005]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]本实用新型螺旋土钉从头部至尾部分依次分为钻头段、带有螺纹的主抗拉段、不带有螺纹的主抗扭段和螺帽段共四段，所述的主抗拉段分为前后两段，靠近钻头段的主抗拉段的前段螺纹外径、靠近主抗扭段的主抗拉段的后段螺纹外径与主抗扭段的外径相同，靠近钻头段的主抗拉段的前段螺纹内径小于靠近主抗扭段的主抗拉段的后段螺纹外径。
[0007]施工使用时，所述的主抗拉段旋入潜在滑移面以下，主抗扭段位于潜在滑移面以上。
[0008]所述的钻头段采用金属材料。
[0009]所述的主抗拉段、主抗扭段和螺帽段采用木塑复合材料。
[0010]本实用新型的有益效果是:
[0011]本实用新型将木塑复合材料这种环保、经济的材料引入工程建设领域，代替钢材作为螺旋土钉的主要材料，可以降低成本，促进螺旋土钉在工程中的推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的分段型式图。
[0013]图2为本实用新型主抗拉段的结构图。
[0014]图3为本实用新型主抗拉段的轴向结构图。
[0015]图4为本实用新型施工步骤一的示意图。
[0016]图5为本实用新型施工步骤二的示意图。
[0017]图6为本实用新型施工步骤三的示意图。
[0018]图7为本实用新型施工步骤四的示意图。
[0019]图中:1.钻头，2.主抗拉段，3.主抗扭段，4.螺帽，5.杆体，6.螺纹，7.加固边坡，
8.预钻孔，9.潜在滑移面，10.螺旋土钉，11.木模板面层，L.螺距，d.杆体直径，D.螺纹直径，r.杆体半径，R.螺纹半径。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
[0021]如图1所示，本实用新型包括:螺旋土钉从头部至尾部分依次分为钻头段1、带有螺纹6的主抗拉段2、不带有螺纹的主抗扭段3和螺帽段4共四段；所述的主抗拉段2分为前后两段，靠近钻头段的主抗拉段2的前段螺纹外径、靠近主抗扭段的主抗拉段2的的后段螺纹外径与主抗扭段3的外径相同，靠近钻头段的主抗拉段2的前段螺纹内径小于靠近主抗扭段的主抗拉段2的后段螺纹外径，即主抗拉段2前段的杆体5直径小于主抗拉段2后段的杆体5直径。
[0022]施工使用时，主抗拉段2旋入潜在滑移面以下，主抗扭段3位于潜在滑移面以上。由于边坡内的潜在滑移面比坡面平缓，所以越靠近坡顶，螺旋土钉主抗扭段越长。主抗拉段长度与主抗扭段长度均根据加固边坡土质及设计要求确定。主抗拉段的前后两段长度同样根据加固边坡土质及设计要求确定。
[0023]钻头段I采用金属材料。
[0024]主抗拉段2、主抗扭段3和螺帽段4采用木塑复合材料。
[0025]作为土钉主要材料的木塑复合材料具有微生物可降解性，随时间可分解在土层中，特别适用于地层为软土的临时性边坡加固工程。
[0026]本实用新型的螺旋土钉旋入土层施工前，需要预钻孔进行定位。
[0027]本实用新型螺旋土钉的长度、直径等尺寸根据工程地质情况和设计要求定制，施工时可直接旋入土层中，省去普通钢筋土钉钻孔和注浆工艺，提高施工效率。
[0028]结合木塑复合材料的螺旋土钉是一种高效、环保、经济的新型土钉，本实用新型土钉按照功能分为四个部分:
[0029]第一部分为钻头，由于钻入过程中钻头易损坏，所以本实用新型螺旋土钉钻头采用金属材料。
[0030]第二部分为主抗拉段，包括前段和后段土钉，如图2、图3所示，为增加抗扭刚度，后段的杆体半径r比前段的杆体半径r有所增大，两段土钉螺纹半径R保持不变。[0031]第三部分为主抗扭段，没有螺纹。
[0032]第四部分为螺帽，施工机械通过螺帽对螺旋土钉施加扭矩和压力。根据木塑复合材料螺旋土钉的特性，特别适合用于地层为软土的临时性边坡加固工程中。
[0033]为了便于理解木塑复合材料螺旋土钉性能，本实用新型列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助了解木塑复合材料螺旋土钉性能，不应视为对本实用新型的具体限制。
[0034]在图1中，螺旋土钉从头至尾分为钻头、主抗拉段、主抗扭段和螺帽4个部分。目前市场上木塑复合材料的抗拉强度能达到30Mpa以上，抗剪强度能达到SMpa以上，把上述强度作为控制指标，经过理论计算，螺旋土钉杆体的最大工作拉应力σ _均未超过木塑复合材料的许用抗拉强度30Mpa，说明木塑复合材料螺旋土钉的抗拉强度满足一般工程的要求。但是木塑复合材料抗剪强度略微不足，由于增大螺旋土钉圆柱形杆体半径r可显著增大杆体抗扭截面模量WP，从而满足木塑复合材料抗剪强度，但是增大半径r会同时增大土钉体积，增加木塑复合材料用量，导致成本增加。由于土钉成孔扭矩随钻入深度的增加近似线性增大，因此可将土钉按照长度进行分段，每段的半径r不同且随长度的增加逐步增大，类似螺丝钉形状，该型式土钉由于成孔扭矩随钻入深度增加的同时杆体抗扭截面模量Wp也随之增大，因此各段土钉的最大扭转工作切应力也随之减小。因此本实用新型螺旋土钉主抗拉段为带有螺纹的杆体，按照杆体入土的先后顺序分为2段，如图2、图3所示，每段的螺纹直径D相同但杆体直径d不同且随入土的先后顺序逐步增大，直到主抗扭段，螺纹直径D和杆体直径d相同，因此没有螺纹，为圆柱体。由于螺距L的长度在螺纹直径D附近时扭矩最小，为尽量减小扭矩，螺旋土钉定型设计时螺距L与螺纹直径D相等。
[0035]在图2中，螺旋土钉主抗拉段通过沿土钉杆体形成的螺纹，使杆体和土之间力的作用形式由普通钻孔注浆土钉的摩擦力变为螺旋土钉的机械咬合力，改变了土钉抗拔的受力机理，极大地改善了土钉侧阻力作用。虽然土中胶体与土钉表面的粘聚力和土与土钉接触面间的摩擦力仍然存在，但螺旋土钉的侧阻力主要为螺纹与土的机械咬合作用力，从而提高了土钉的抗拔力。被加固土体滑动破坏时螺旋土钉的螺纹与土的机械咬合作用力构成滑动阻力，滑动产生的主要原因为螺纹根部土的局部挤压变形。与普通土钉不同，螺旋土钉旋入土层的过程中，镶嵌在土钉螺纹中间的土体和螺纹之外的土体之间的抗剪强度基本没有被破坏。当螺旋土钉达到抗拔承载力极限时，其破坏特征是以螺纹外的土体剪切强度耗尽及达到了土的抗剪强度为特征，螺旋土钉与周围土体沿螺纹外径圆柱面上发生剪切滑移。施工中扭转螺旋土钉的同时，阻挡土钉扭进土层的土体被土钉杆体强制挤向周围的土中，使土钉周围一定范围内的土体受到挤压和固结，使周围土孔隙比减小，土体的密实度增大，压缩性降低，根据土的“密度-有效应力-抗剪强度的唯一性关系”，土钉周围一定范围内的土体力学性质得到改善，土钉周围形成“硬壳”，改善了被加固土体的工程性能。
[0036]本实用新型的使用施工时的步骤按照如图4?图7所示的顺序:首先如图4所示在加固边坡7坡面进行预钻孔8 ;其次如图5所示螺旋土钉准备就位；再次如图6所示将螺旋土钉旋入土层；最后如图7所示，按照潜在滑移面9特点，在不同高程选择不同长度主抗扭段的螺旋土钉10加固边坡，重复图4?图6步骤施工其余螺旋土钉，土钉施工完成后在螺帽上钉入木模板面层11。
[0037]螺旋土钉旋入土层施工前，需要预钻孔进行定位，由于在直径、钻深相同的情况下，螺旋段越小，所需成孔扭矩越小，因此预钻孔还可以有效减小螺旋土钉旋入土层过程中的阻力。施工过程中，根据不同高程和土质，选择不同形式的螺旋土钉。施工完成后，可采用木模板面层保护坡面，木模板可直接钉在螺帽上，安装方便、快捷。
【权利要求】
1.一种新型螺旋土钉，其特征在于:螺旋土钉从头部至尾部分依次分为钻头段(I)、带有螺纹的主抗拉段(2)、不带有螺纹的主抗扭段(3)和螺帽段(4)共四段，所述的主抗拉段(2)分为前后两段，靠近钻头段的主抗拉段(2)的前段螺纹外径、靠近主抗扭段的主抗拉段(2)的后段螺纹外径与主抗扭段(3)的外径相同，靠近钻头段的主抗拉段(2)的前段螺纹内径小于靠近主抗扭段的主抗拉段(2)的后段螺纹外径。
2.根据权利要求1所述的一种新型螺旋土钉，其特征是:施工使用时，所述的主抗拉段(2 )旋入潜在滑移面以下，主抗扭段(3 )位于潜在滑移面以上。
3.根据权利要求1所述的一种新型螺旋土钉，其特征是:所述的钻头段(I)采用金属材料。
4.根据权利要求1所述的一种新型螺旋土钉，其特征是:所述的主抗拉段(2)、主抗扭段(3)和螺帽段(4)采用木塑复合材料。
【文档编号】E02D17/20GK203808068SQ201420102565
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】李智宁, 韩同春, 豆红强, 邱子义, 谢灵翔, 张 杰 申请人:浙江大学