面向沙漠公路的組合樁結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工

程凱旋，庫瓦尼西別克·買買提朱馬，馮飛洋，馬永平，王淦林

（新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830000）

隨著我國“一帶一路”倡議的提出并持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)，對西部地區(qū)大規(guī)模的沙漠公路及鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有了更多的需求，迫切進(jìn)入新的發(fā)展階段。樁結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中的重要組成部分，在推動西部基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中發(fā)揮著重要的作用。目前常用的樁結(jié)構(gòu)主要包括鉆孔灌注樁、預(yù)制鋼筋混凝土方樁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁[1-2]。其中，鉆孔灌注樁是指通過機(jī)械鉆孔在地基中形成樁孔，并于其中放置相應(yīng)尺寸的鋼筋籠、灌注混凝土而做成的樁[3]，存在的主要問題是施工過程中排出的各種泥渣會對環(huán)境造成不同程度的危害；由預(yù)制樁和連接樁頂?shù)某信_組成的預(yù)制鋼筋混凝土方樁經(jīng)常會出現(xiàn)樁身表面損傷、露筋、蜂窩麻面和尺寸偏差過大等質(zhì)量問題，使基樁的承載力性狀在一定程度上受到影響[4]；預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁主要由圓筒形樁身、端頭板和鋼套箍等組成，該樁型難以在地質(zhì)堅硬、軟土較厚及樁身較長的條件下使用[5]。近期，有關(guān)學(xué)者提出一種由輕質(zhì)高強(qiáng)耐腐蝕特性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）和混凝土組成的新型灌注樁，有效地解決了現(xiàn)有預(yù)制鋼筋混凝土方樁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁的主要問題[6-7]。考慮到西部地區(qū)擁有大量的沙漠砂資源，本文作者基于FRP-混凝土灌注樁結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，提出一種面向西部沙漠公路建設(shè)的內(nèi)部填充沙漠砂的新型樁結(jié)構(gòu)，并對其施工工藝進(jìn)行了設(shè)計。

1 填充沙漠砂的FRP組合樁的概念模型

路基是公路的基礎(chǔ)，需根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境不斷創(chuàng)新設(shè)計方案，找到適合不同地理位置和環(huán)境的設(shè)計思路。被譽(yù)為“奇跡工程”的塔克拉瑪干沙漠公路已經(jīng)正式建成通車，其在設(shè)計與試驗過程中也存在諸多問題。要想在西北荒漠地區(qū)建設(shè)新型綠色公路、降低工程造價，關(guān)鍵在選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計能否實現(xiàn)新的突破上，這就需要不斷創(chuàng)新，優(yōu)化設(shè)計方案來解決。為探索適用于路基這種不需要較高強(qiáng)度或太大直徑的新型樁，提出一種面向我國西北地區(qū)沙漠公路的組合樁結(jié)構(gòu)。該新型組合樁結(jié)構(gòu)的外部由具有較好環(huán)向約束力的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包裹而成，內(nèi)部填充物為就地取材的沙漠砂。如圖1所示，該組合樁由金屬鉆頭、FRP樁身和內(nèi)部填充的沙漠砂組成。其中，F(xiàn)RP樁身可分為連接孔、通孔、助推半球、防松動錐頭和樁蓋。

圖1 FRP組合樁整體結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)樁結(jié)構(gòu)相比，該新型組合樁結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①FRP材料具有輕質(zhì)的特點(diǎn)，在作為樁身結(jié)構(gòu)時可以減少自身結(jié)構(gòu)重量，方便運(yùn)輸，勞動效率高。同時，其良好的耐腐蝕性使得其在沙漠地區(qū)使用時可以避免出現(xiàn)鋼材的銹蝕問題。②FRP具有高強(qiáng)的力學(xué)特性，從而使得使用更少的材料即可提供與傳統(tǒng)鋼材樁基相近的約束力和軸向抗壓能力，繼而有效地減少施工的難度。③沙漠砂在西部沙漠地區(qū)廣泛賦存，便于實現(xiàn)就地取材。沙漠公路建設(shè)區(qū)通常遠(yuǎn)離生活區(qū)域，水泥材料的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸是目前限制沙漠公路建設(shè)成本的主要因素，采用沙漠砂作為新型組合樁的填充材料可有效降低運(yùn)輸成本。④沙漠砂顆粒粒徑小于河沙，其良好的流動性保證了其作為充填材料使用時能夠很好地充滿FRP管。考慮到西部沙漠地區(qū)地層松軟，采用防松動錐頭垂直于FRP管插入地層可以有效地增大與地層的接觸面積，大大限制了沙漠砂流動，起到了防松動的作用。

2 新型組合樁結(jié)構(gòu)單元設(shè)計

2.1 金屬鉆頭

金屬鉆頭是該組合樁的重要組成部分之一。如圖2所示，為更好地攜帶基礎(chǔ)樁鉆入地下，在金屬鉆頭外部設(shè)有螺旋紋。在上部預(yù)留有圓環(huán)形連接片的金屬鉆頭的直徑略小于FRP樁身，以確保金屬鉆頭可以通過上端連接片嵌套進(jìn)FRP基礎(chǔ)樁。其中連接片上留設(shè)的小孔可與FRP基礎(chǔ)樁端部的連接孔通過螺栓連接。與錘擊成樁或靜壓樁相比，螺旋樁的旋樁工藝?yán)冒惭b扭矩使金屬鉆頭旋轉(zhuǎn)切土，從而將樁體帶入到地層中，解決了錘擊法應(yīng)力集中的問題。同時，與靜壓施工相比，該新型組合樁的施工效率大大提高。

圖2 金屬鉆頭結(jié)構(gòu)

2.2 FRP樁身

2.2.1 連接孔

如圖3所示，為更好地連接金屬鉆頭并拼接多個FRP樁身，樁身上下端均預(yù)留有連接孔，呈等距分布。樁身下端頭連接孔位置內(nèi)部留有凹槽，可嵌套連接金屬鉆頭的圓環(huán)連接片或另一根樁身的上端頭；樁身上端頭連接孔設(shè)置在直徑略小于中部樁身的圓環(huán)上，可通過螺栓連接另一根FRP樁身下端頭或樁蓋。該組合樁可根據(jù)實際工程需要連接有不同深度的樁身。通過螺栓連接樁身相比于傳統(tǒng)焊接裝配連接提高了施工效率，并且可有效避免因焊接不牢固而影響組合樁的受力，可靠性增強(qiáng)。

圖3 樁身示意圖

2.2.2 通孔

如圖4所示，圓形通孔設(shè)置在樁身中部，呈對稱等間距分布，規(guī)格均相同。該通孔的直徑尺寸略大于防松動錐頭的錐身直徑，但小于防松動錐頭內(nèi)端頭的直徑。樁身留設(shè)的通孔可使防松動錐頭在填充沙漠砂后嵌入地層，并且可確保防松動錐頭向外嵌入地層后與樁身相互適配緊密貼合，可保障組合樁的軸向承壓性能。

圖4 通孔示意圖

2.2.3 助推半球

如圖5所示，助推半球為柔性材料，位于樁身內(nèi)部，大小相等并且與通孔分布位置相同，可將防松動錐頭內(nèi)端頭完全包裹。助推半球與通孔緊密貼合，在填充沙漠砂前助推半球處于鼓起狀態(tài)，可將防松動錐頭卡在樁身內(nèi)部，防止向下送樁時與樁身外側(cè)地層產(chǎn)生摩擦。填充沙漠砂后，助推半球受到沙漠砂環(huán)向應(yīng)力后壓縮，將防松動錐頭擠壓進(jìn)地層中。同時柔性材料可以填補(bǔ)防松動錐頭與通孔之間的縫隙，保障了FRP的環(huán)向約束力。

圖5 助推半球示意圖

2.2.4 防松動錐頭

如圖6所示，防松動錐頭外端頭為尖頂狀，內(nèi)端頭直徑略大于錐身直徑。嵌入樁身內(nèi)側(cè)的一端連有助推半球裝置。向下送樁時，防松動錐頭一直位于樁身內(nèi)部。填充沙漠砂后，防松動錐頭嵌入地層增大了組合樁與地層接觸面積，能夠確保組合樁在長期使用過程中不會由于沙漠砂流動或外部因素影響而出現(xiàn)松動的情況，更大程度地增強(qiáng)了組合樁在地層中的穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)地基在長時間作業(yè)后出現(xiàn)松動的問題，降低了風(fēng)險性，增加了使用年限。

圖6 防松動錐頭示意圖

2.2.5 樁蓋

如圖7所示，樁蓋為凹槽型，設(shè)有樁蓋連接孔，內(nèi)部略有突起，突起部分的直徑與樁身上端頭的直徑相同。樁蓋嵌套在樁身的上端頭后其連接孔可與樁身連接孔相吻合，便于通過螺栓進(jìn)行固定。樁蓋突起部分可對樁身內(nèi)部填充的沙漠砂施加軸向壓力，使樁身內(nèi)的沙漠砂受力均勻，確保該新型組合樁在使用過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 樁蓋示意圖

2.3 沙漠砂

新疆沙漠具有獨(dú)特的類型結(jié)構(gòu)，地貌類型以沙丘和沙壟為主，沙漠植被覆蓋度差，以流動性沙丘和流動性沙壟為主，多數(shù)沙漠的類型豐富度貧乏[8]。新疆沙漠砂整體上呈圓形或近圓形，顆粒表面光滑，磨圓度較好[9]，可以在沒有或者很少振動的情況下實現(xiàn)自密實。沙漠砂就地取材，節(jié)約了運(yùn)輸成本并有效避免了運(yùn)輸途中的材料損耗，降低了對環(huán)境的影響，可以最大限度地降低成本，實現(xiàn)綠色公路樁基建設(shè)[10]。利用沙漠砂作為新型組合樁的填充物，可有效緩解沙漠地區(qū)地形起伏和固沙帶積沙導(dǎo)致的公路面上升等問題，可解決沙漠公路建設(shè)地面上升的通病。

3 新型組合樁施工流程

新型組合樁施工流程如圖8所示，新型組合樁施工前應(yīng)先按設(shè)計圖紙要求的標(biāo)高進(jìn)行場地平整工作，清除施工處一切障礙物，保證施工過程流暢。隨后使用特定測量儀器和定位手段確定樁位并進(jìn)行人工檢驗校準(zhǔn)，根據(jù)實際打樁線路圖，按施工區(qū)域劃分定位控制網(wǎng)；然后將未組裝的組合樁運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢脺?zhǔn)備安裝，根據(jù)每天施工進(jìn)度放置10～20根組合樁，并使用螺栓組裝金屬鉆頭和樁身，按需控制用于施工的樁身長短；然后起吊機(jī)就位，將組合樁吊起并進(jìn)行垂直度測量；確認(rèn)無誤后使樁尖垂直對準(zhǔn)樁位中心，緩緩降低高度，插入地面并且記錄樁身位置，插樁過程中應(yīng)確保金屬鉆頭正常工作并使用經(jīng)緯儀校準(zhǔn)垂直度；當(dāng)?shù)谝还?jié)基礎(chǔ)樁上端頭距離地面500 mm時抬起起吊機(jī)，清理上端頭表面并通過螺栓連接第二節(jié)基礎(chǔ)樁，同時對接頭固定施工狀況進(jìn)行檢查，確認(rèn)后繼續(xù)向深處送樁并時刻測量樁身垂直度；當(dāng)組合樁到達(dá)指定深度后進(jìn)行驗收，起吊機(jī)移位；同時，沙漠砂運(yùn)送到基礎(chǔ)樁位置，通過輸送器向基礎(chǔ)樁內(nèi)部填充沙漠砂并夯實，此時助推半球受力壓縮，將防松動樁頭推進(jìn)地層；將表面的沙漠砂整平后安裝樁蓋，對樁蓋進(jìn)行水平校驗并固定，隨后對組合樁表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，至此完成單個組合樁安裝過程。其他新型組合樁施工過程與上述流程一致。

圖8 新型組合樁施工流程示意圖

4 結(jié)束語

本文介紹了一種面向沙漠公路的組合樁結(jié)構(gòu)，該組合樁由外部起約束作用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和內(nèi)部填充的沙漠砂組成。與傳統(tǒng)公路樁結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、生態(tài)環(huán)保和具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，可為沙漠地區(qū)公路地基建設(shè)提供新的選擇。通過使用該新型樁結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步降低施工造價，提高道路的通行及運(yùn)輸能力，為西部地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)快速發(fā)展提供有效支撐。