面向沙漠公路的组合桩结构设计与施工

程凯旋，库瓦尼西别克·买买提朱马，冯飞洋，马永平，王淦林

（新疆大学 地质与矿业工程学院，乌鲁木齐 830000）

随着我国“一带一路”倡议的提出并持续稳步推进，对西部地区大规模的沙漠公路及铁路基础设施建设有了更多的需求，迫切进入新的发展阶段。桩结构作为基础设施建设过程中的重要组成部分，在推动西部基础设施建设过程中发挥着重要的作用。目前常用的桩结构主要包括钻孔灌注桩、预制钢筋混凝土方桩和预应力钢筋混凝土管桩[1-2]。其中，钻孔灌注桩是指通过机械钻孔在地基中形成桩孔，并于其中放置相应尺寸的钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩[3]，存在的主要问题是施工过程中排出的各种泥渣会对环境造成不同程度的危害；由预制桩和连接桩顶的承台组成的预制钢筋混凝土方桩经常会出现桩身表面损伤、露筋、蜂窝麻面和尺寸偏差过大等质量问题，使基桩的承载力性状在一定程度上受到影响[4]；预应力钢筋混凝土管桩主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍等组成，该桩型难以在地质坚硬、软土较厚及桩身较长的条件下使用[5]。近期，有关学者提出一种由轻质高强耐腐蚀特性的纤维增强复合材料（FRP）和混凝土组成的新型灌注桩，有效地解决了现有预制钢筋混凝土方桩和预应力钢筋混凝土管桩的主要问题[6-7]。考虑到西部地区拥有大量的沙漠砂资源，本文作者基于FRP-混凝土灌注桩结构设计理念，提出一种面向西部沙漠公路建设的内部填充沙漠砂的新型桩结构，并对其施工工艺进行了设计。

1 填充沙漠砂的FRP组合桩的概念模型

路基是公路的基础，需根据不同的地质环境不断创新设计方案，找到适合不同地理位置和环境的设计思路。被誉为“奇迹工程”的塔克拉玛干沙漠公路已经正式建成通车，其在设计与试验过程中也存在诸多问题。要想在西北荒漠地区建设新型绿色公路、降低工程造价，关键在选材与结构设计能否实现新的突破上，这就需要不断创新，优化设计方案来解决。为探索适用于路基这种不需要较高强度或太大直径的新型桩，提出一种面向我国西北地区沙漠公路的组合桩结构。该新型组合桩结构的外部由具有较好环向约束力的纤维增强复合材料包裹而成，内部填充物为就地取材的沙漠砂。如图1所示，该组合桩由金属钻头、FRP桩身和内部填充的沙漠砂组成。其中，FRP桩身可分为连接孔、通孔、助推半球、防松动锥头和桩盖。

图1 FRP组合桩整体结构

与传统桩结构相比，该新型组合桩结构具有以下优点：①FRP材料具有轻质的特点，在作为桩身结构时可以减少自身结构重量，方便运输，劳动效率高。同时，其良好的耐腐蚀性使得其在沙漠地区使用时可以避免出现钢材的锈蚀问题。②FRP具有高强的力学特性，从而使得使用更少的材料即可提供与传统钢材桩基相近的约束力和轴向抗压能力，继而有效地减少施工的难度。③沙漠砂在西部沙漠地区广泛赋存，便于实现就地取材。沙漠公路建设区通常远离生活区域，水泥材料的远距离运输是目前限制沙漠公路建设成本的主要因素，采用沙漠砂作为新型组合桩的填充材料可有效降低运输成本。④沙漠砂颗粒粒径小于河沙，其良好的流动性保证了其作为充填材料使用时能够很好地充满FRP管。考虑到西部沙漠地区地层松软，采用防松动锥头垂直于FRP管插入地层可以有效地增大与地层的接触面积，大大限制了沙漠砂流动，起到了防松动的作用。

2 新型组合桩结构单元设计

2.1 金属钻头

金属钻头是该组合桩的重要组成部分之一。如图2所示，为更好地携带基础桩钻入地下，在金属钻头外部设有螺旋纹。在上部预留有圆环形连接片的金属钻头的直径略小于FRP桩身，以确保金属钻头可以通过上端连接片嵌套进FRP基础桩。其中连接片上留设的小孔可与FRP基础桩端部的连接孔通过螺栓连接。与锤击成桩或静压桩相比，螺旋桩的旋桩工艺利用安装扭矩使金属钻头旋转切土，从而将桩体带入到地层中，解决了锤击法应力集中的问题。同时，与静压施工相比，该新型组合桩的施工效率大大提高。

图2 金属钻头结构

2.2 FRP桩身

2.2.1 连接孔

如图3所示，为更好地连接金属钻头并拼接多个FRP桩身，桩身上下端均预留有连接孔，呈等距分布。桩身下端头连接孔位置内部留有凹槽，可嵌套连接金属钻头的圆环连接片或另一根桩身的上端头；桩身上端头连接孔设置在直径略小于中部桩身的圆环上，可通过螺栓连接另一根FRP桩身下端头或桩盖。该组合桩可根据实际工程需要连接有不同深度的桩身。通过螺栓连接桩身相比于传统焊接装配连接提高了施工效率，并且可有效避免因焊接不牢固而影响组合桩的受力，可靠性增强。

图3 桩身示意图

2.2.2 通孔

如图4所示，圆形通孔设置在桩身中部，呈对称等间距分布，规格均相同。该通孔的直径尺寸略大于防松动锥头的锥身直径，但小于防松动锥头内端头的直径。桩身留设的通孔可使防松动锥头在填充沙漠砂后嵌入地层，并且可确保防松动锥头向外嵌入地层后与桩身相互适配紧密贴合，可保障组合桩的轴向承压性能。

图4 通孔示意图

2.2.3 助推半球

如图5所示，助推半球为柔性材料，位于桩身内部，大小相等并且与通孔分布位置相同，可将防松动锥头内端头完全包裹。助推半球与通孔紧密贴合，在填充沙漠砂前助推半球处于鼓起状态，可将防松动锥头卡在桩身内部，防止向下送桩时与桩身外侧地层产生摩擦。填充沙漠砂后，助推半球受到沙漠砂环向应力后压缩，将防松动锥头挤压进地层中。同时柔性材料可以填补防松动锥头与通孔之间的缝隙，保障了FRP的环向约束力。

图5 助推半球示意图

2.2.4 防松动锥头

如图6所示，防松动锥头外端头为尖顶状，内端头直径略大于锥身直径。嵌入桩身内侧的一端连有助推半球装置。向下送桩时，防松动锥头一直位于桩身内部。填充沙漠砂后，防松动锥头嵌入地层增大了组合桩与地层接触面积，能够确保组合桩在长期使用过程中不会由于沙漠砂流动或外部因素影响而出现松动的情况，更大程度地增强了组合桩在地层中的稳定性，解决了传统地基在长时间作业后出现松动的问题，降低了风险性，增加了使用年限。

图6 防松动锥头示意图

2.2.5 桩盖

如图7所示，桩盖为凹槽型，设有桩盖连接孔，内部略有突起，突起部分的直径与桩身上端头的直径相同。桩盖嵌套在桩身的上端头后其连接孔可与桩身连接孔相吻合，便于通过螺栓进行固定。桩盖突起部分可对桩身内部填充的沙漠砂施加轴向压力，使桩身内的沙漠砂受力均匀，确保该新型组合桩在使用过程中处于稳定状态。

图7 桩盖示意图

2.3 沙漠砂

新疆沙漠具有独特的类型结构，地貌类型以沙丘和沙垄为主，沙漠植被覆盖度差，以流动性沙丘和流动性沙垄为主，多数沙漠的类型丰富度贫乏[8]。新疆沙漠砂整体上呈圆形或近圆形，颗粒表面光滑，磨圆度较好[9]，可以在没有或者很少振动的情况下实现自密实。沙漠砂就地取材，节约了运输成本并有效避免了运输途中的材料损耗，降低了对环境的影响，可以最大限度地降低成本，实现绿色公路桩基建设[10]。利用沙漠砂作为新型组合桩的填充物，可有效缓解沙漠地区地形起伏和固沙带积沙导致的公路面上升等问题，可解决沙漠公路建设地面上升的通病。

3 新型组合桩施工流程

新型组合桩施工流程如图8所示，新型组合桩施工前应先按设计图纸要求的标高进行场地平整工作，清除施工处一切障碍物，保证施工过程流畅。随后使用特定测量仪器和定位手段确定桩位并进行人工检验校准，根据实际打桩线路图，按施工区域划分定位控制网；然后将未组装的组合桩运输到指定位置准备安装，根据每天施工进度放置10～20根组合桩，并使用螺栓组装金属钻头和桩身，按需控制用于施工的桩身长短；然后起吊机就位，将组合桩吊起并进行垂直度测量；确认无误后使桩尖垂直对准桩位中心，缓缓降低高度，插入地面并且记录桩身位置，插桩过程中应确保金属钻头正常工作并使用经纬仪校准垂直度；当第一节基础桩上端头距离地面500 mm时抬起起吊机，清理上端头表面并通过螺栓连接第二节基础桩，同时对接头固定施工状况进行检查，确认后继续向深处送桩并时刻测量桩身垂直度；当组合桩到达指定深度后进行验收，起吊机移位；同时，沙漠砂运送到基础桩位置，通过输送器向基础桩内部填充沙漠砂并夯实，此时助推半球受力压缩，将防松动桩头推进地层；将表面的沙漠砂整平后安装桩盖，对桩盖进行水平校验并固定，随后对组合桩表面结构进行养护，至此完成单个组合桩安装过程。其他新型组合桩施工过程与上述流程一致。

图8 新型组合桩施工流程示意图

4 结束语

本文介绍了一种面向沙漠公路的组合桩结构，该组合桩由外部起约束作用的纤维增强复合材料和内部填充的沙漠砂组成。与传统公路桩结构相比，该结构设计合理、生态环保和具有显著的技术经济优势，可为沙漠地区公路地基建设提供新的选择。通过使用该新型桩结构，可以进一步降低施工造价，提高道路的通行及运输能力，为西部地区社会经济的可持续快速发展提供有效支撑。