沙漠地區(qū)螺旋樁與橋架電纜的集成施工及受力分析

摘 要：本文針對(duì)粉細(xì)砂土的戈壁自然環(huán)境，提出了螺旋鋼管樁和橋架電纜集成安裝施工的具體結(jié)構(gòu)和詳細(xì)流程，建立了螺旋鋼管樁旋進(jìn)安裝過(guò)程中的受力分析模型，對(duì)安裝主動(dòng)力、摩擦力、力矩、螺旋結(jié)構(gòu)上承受的壓力等進(jìn)行了綜合分析。在螺旋鋼管樁為主樁，配合輔助樁體的安裝策略下，對(duì)螺旋鋼管樁安裝過(guò)程中的受力進(jìn)行了分析。在測(cè)試試驗(yàn)中，分別針對(duì)直徑20cm螺旋鋼管樁和直徑16cm螺旋鋼管樁進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，小直徑螺旋鋼管樁的受力更大且為單向受力。

關(guān)鍵詞：戈壁灘；分析砂土；橋架電纜；集成安裝

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 47 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

戈壁沙漠地區(qū)存在豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能資源。但是，這些區(qū)域自然條件十分艱苦，因此使用各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作進(jìn)展受限，使相關(guān)能源利用變得十分困難[1]。在戈壁沙漠地區(qū)，大量粉細(xì)砂土的土質(zhì)結(jié)構(gòu)使常規(guī)的支撐結(jié)構(gòu)無(wú)法有效固定，導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的根基不穩(wěn)。同時(shí)，在這類(lèi)惡劣環(huán)境中利用電能也有很大的難度。使用常規(guī)的線纜和布線技術(shù)，無(wú)法抵御風(fēng)沙的持續(xù)侵襲[2]。因此，采用螺旋鋼管樁和橋架電纜的聯(lián)合施工技術(shù)，不僅可以解決基礎(chǔ)設(shè)施安裝穩(wěn)定性的問(wèn)題，還可以有效地保護(hù)線纜等能源傳遞鏈條，從而在戈壁沙漠中開(kāi)辟出穩(wěn)定的、堅(jiān)固的能源供給基地[3]?？梢孕M(jìn)安裝螺旋鋼管樁，使其深入粉細(xì)砂土中，并形成更強(qiáng)大有效的支撐力。因此，需要對(duì)具體施工作業(yè)安裝的方式和安裝后面臨的受力和破壞作用進(jìn)行分析。本文以此為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行研究，以期建立一種螺旋鋼管樁和橋架電纜的集成施工方案。

1 螺旋鋼管樁與橋架電纜的安裝施工流程設(shè)計(jì)

粉細(xì)砂土整體松散且具有流動(dòng)性，作為基礎(chǔ)土質(zhì)的堅(jiān)固性較差，一般樁體不僅下放施工作業(yè)困難且安放后強(qiáng)度不夠，會(huì)使整體結(jié)構(gòu)都無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定。因此本文選擇螺旋鋼管樁作為安裝的主樁，其在粉細(xì)砂土中深入度高，且安裝后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。螺旋鋼管樁要配合橋架電纜進(jìn)行集成安裝，局部安裝的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

直接進(jìn)行電纜敷設(shè)不僅使電纜裸露在自然環(huán)境中，且走線集束度也無(wú)法控制。通過(guò)橋架可以使電纜敷設(shè)更加規(guī)范、美觀，安全度高。同時(shí)，橋架和螺旋鋼管樁形成的整體結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性。由圖1可知，考慮安裝環(huán)境的特殊性，為了進(jìn)一步提高安裝后的穩(wěn)定性，除了螺旋鋼管樁外，局部還配置了一定數(shù)量的臨時(shí)支撐。臨時(shí)支撐比鋼管樁更細(xì)，能夠深入粉細(xì)砂土，待整體安裝完畢后，再撤去臨時(shí)支撐。

對(duì)圖1中的集成結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝施工的具體流程如圖2所示。

在螺旋鋼管樁和橋架電纜的集成安裝過(guò)程中，要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行深入勘測(cè)，選擇合理的安裝點(diǎn)位。對(duì)螺旋鋼管樁來(lái)說(shuō)，如果其整體穩(wěn)定性不足，那么可以考慮對(duì)其進(jìn)行增重處理。本文的處理辦法是將螺旋鋼管樁嵌放在長(zhǎng)方形模具中，以螺旋鋼管樁為中心，在其和模具壁之間澆注混凝土，從而達(dá)到增重的效果。

在施工過(guò)程中，還需要注意電纜橋架和螺旋鋼管之間的連接處理，需要采取以下3種措施。1）電纜橋架和螺旋鋼管直聯(lián)：在電纜橋架和鋼管的連接過(guò)程中，采用直聯(lián)的方式是簡(jiǎn)單有效的。直聯(lián)是指電纜橋架和鋼管的前端直接相連，適用于鋼管與電纜橋架在相同平面下的情況。如果鋼管在電纜橋架上方，就需要通過(guò)連接件進(jìn)行連接。2）電纜橋架和螺旋鋼管的彎頭連接：在電氣線路中，需要采用彎頭進(jìn)行換向走線。彎頭的連接方式分為接頭式和搭接式兩種，其中，接頭式連接更加美觀，但是對(duì)彎頭曲率半徑和鋼管長(zhǎng)度要求更高。3）電纜橋架和螺旋鋼管的彎長(zhǎng)連接：當(dāng)電纜橋架與鋼管的接頭長(zhǎng)度大于一定值時(shí)，為了保證走線的美觀度和整潔度，可以采用彎長(zhǎng)連接。彎長(zhǎng)連接的原理是將鋼管先彎成凸字形，再與電纜橋架連接。這種連接方式不僅美觀，而且結(jié)構(gòu)牢固，但是對(duì)彎長(zhǎng)的尺寸和角度的要求較高。

2 螺旋鋼管樁與橋架電纜的安裝中的理論分析

螺旋鋼管樁安裝過(guò)程與傳動(dòng)絲杠的傳動(dòng)過(guò)程類(lèi)似，其安裝過(guò)程的動(dòng)力來(lái)源是外界提供的安裝扭矩和安裝壓力。整個(gè)安裝過(guò)程是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，砂土中螺旋鋼管樁安裝過(guò)程中的具體受力情況如圖3所示。

在粉細(xì)砂土中，螺旋鋼管樁安裝存在多種受力和力矩，情況十分復(fù)雜。安裝的主動(dòng)力是安裝機(jī)械提供向下的壓力和不斷旋轉(zhuǎn)的扭矩。這些主動(dòng)力會(huì)使鋼管自身抵抗扭矩，在旋進(jìn)過(guò)程中，砂土也會(huì)產(chǎn)生抵抗扭矩。同時(shí)，在旋進(jìn)和樁體下放的過(guò)程中，還會(huì)受到各種阻力干擾。

粉細(xì)砂土螺旋鋼管樁安裝過(guò)程中的受力問(wèn)題主要可以分為以下兩個(gè)部分。1） 安裝過(guò)程中樁身連桿的受力情況。2）安裝過(guò)程中螺旋結(jié)構(gòu)的受力情況。對(duì)樁身連桿的受力問(wèn)題來(lái)說(shuō)，基于傳統(tǒng)的靜壓樁受力分析模型，將樁身連桿視為一樁體，在螺旋樁的安裝過(guò)程中，貫入土體使樁身連桿受到端阻力和側(cè)摩阻力的作用，樁身連桿自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的樁身抵抗扭矩，因此外部設(shè)備施加的安裝扭矩和安裝壓力直接作用在樁身連桿上，同時(shí)，螺旋結(jié)構(gòu)與樁身連桿之間也存在相互作用力。砂土中樁身連桿的受力情況相對(duì)明確，便于分析。但是螺旋結(jié)構(gòu)的形狀復(fù)雜，很難對(duì)砂土中螺旋鋼管樁安裝過(guò)程中螺旋葉片的受力情況直接進(jìn)行受力分析，但其受力問(wèn)題是砂土中單葉片螺旋鋼管樁安裝過(guò)程中的關(guān)鍵因素，因此需要采用一種較為合理的分析方式對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析至關(guān)重要。

在螺旋鋼管樁的安裝過(guò)程中，從樁身連桿傳遞到螺旋結(jié)構(gòu)的豎向力與安裝過(guò)程中的主動(dòng)力和粉細(xì)砂土施加的阻力有關(guān)，具體關(guān)系如公式（1）所示。

P=F-Q " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：P為從樁身連桿傳遞到螺旋結(jié)構(gòu)的豎向力；F為螺旋鋼管樁安裝的主動(dòng)力；Q為螺旋樁安裝過(guò)程中樁身連桿受到的端阻力和側(cè)摩阻力之和。

因?yàn)楸疚乃玫穆菪摴軜稙榭招墓軜叮渲袠扼w上所受的扭矩由內(nèi)部和外部扭矩兩部分構(gòu)成，所以連桿上所受的扭矩計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

T=TI+TO " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：T為螺旋鋼管樁安裝過(guò)程中的總體扭矩；TI為螺旋鋼管樁內(nèi)部承受的扭矩；TO為螺旋鋼管樁外部承受的扭矩。

進(jìn)一步可知，在旋進(jìn)安裝過(guò)程中，螺旋結(jié)構(gòu)上承受的壓力計(jì)算過(guò)程如公式（3）所示。

Nf=Q " " " " " " " （3）

式中：N為螺旋結(jié)構(gòu)上承受的壓力；f為摩擦系數(shù)；Q為螺旋樁安裝過(guò)程中樁身連桿受到的端阻力和側(cè)摩阻力之和。

如果螺旋結(jié)構(gòu)上承受的壓力在允許的范圍內(nèi)，那么安裝施工中螺旋鋼管樁就是安全的，這是后續(xù)安裝性能測(cè)試的關(guān)鍵指標(biāo)。

3 螺旋鋼管樁與橋架電纜的安裝中的性能測(cè)試

針對(duì)粉細(xì)砂土的戈壁自然環(huán)境，研究給出了螺旋鋼管樁和橋架電纜集成安裝施工的具體結(jié)構(gòu)和詳細(xì)流程。在螺旋鋼管樁和橋架電纜集成安裝結(jié)構(gòu)中，提出局部位置上螺旋鋼管樁作為主樁體配合輔助樁體的策略，這種方案可以進(jìn)一步提高安裝過(guò)程中的穩(wěn)定性。本文從理論的角度分析了螺旋鋼管樁在粉細(xì)砂土中旋進(jìn)安裝的受力情況，并分析了安裝主動(dòng)力、摩擦力、力矩、螺旋結(jié)構(gòu)上承受壓力的情況。接下來(lái)需要通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)試螺旋鋼管樁下放安裝過(guò)程中的受力情況。因?yàn)槁菪Y(jié)構(gòu)上承受的壓力是螺旋鋼管樁是否處于安全狀態(tài)的關(guān)鍵，所以可以采用公式（3）對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

第一組試驗(yàn)：觀察直徑為20cm的螺旋鋼管樁安裝過(guò)程中的受力情況，結(jié)果如圖4所示。

由第一組試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，隨著旋進(jìn)深度不斷增加，螺旋鋼管樁落選結(jié)構(gòu)上的受力不斷變化。不僅受力波動(dòng)幅度較大，在受力方向上還存在正向、負(fù)向改變。這與螺旋鋼管樁的直徑（本組試驗(yàn)中為20cm）有關(guān)，螺旋結(jié)構(gòu)的受力面較大，會(huì)使受力方向改變。這種受力波動(dòng)在-1200N～1200N。螺旋結(jié)構(gòu)整體承受的力不大，但因受力方向改變，所以會(huì)有相應(yīng)程度的疲勞效應(yīng)。

第二組試驗(yàn)：觀察直徑為12cm的螺旋鋼管樁安裝過(guò)程中的受力情況，結(jié)果如圖5所示。

與第一組試驗(yàn)相比，第二組試驗(yàn)中的螺旋鋼管樁直徑從20cm減至12cm，其受力情況也發(fā)生了較為明顯的變化。螺旋鋼管樁中的螺旋結(jié)構(gòu)受力從雙向受力變成了單向受力，即只承受反向力的情況。同時(shí)，螺旋鋼管樁的螺旋結(jié)構(gòu)受力也有明顯增加，從正負(fù)1200N（即2400N）增至4300N。由此可見(jiàn)，螺旋鋼管樁直徑變小，會(huì)使旋進(jìn)下放安裝中的受力更加集中，這種受力增加會(huì)使螺旋鋼管樁安裝過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)上升。因此，小直徑螺旋鋼管樁的安裝施工要更加注意安全性。

同樣地，也可以觀察螺旋鋼管樁直徑為16cm的情況，如圖6所示。

4 結(jié)論

戈壁沙漠地區(qū)存在豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能資源。但是，這些區(qū)域因?yàn)樽匀粭l件十分艱苦，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作進(jìn)展受限，使相關(guān)能源的利用變得十分困難。為了在戈壁沙漠地區(qū)、大量粉細(xì)砂土的土質(zhì)結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定安裝基礎(chǔ)設(shè)施，在施工中，本文采用了螺旋鋼管樁和橋架電纜的聯(lián)合施工技術(shù)。在研究工作中，本文提出螺旋鋼管樁和橋架電纜的安裝施工方案，形成了螺旋鋼管樁為主樁體配合輔助樁體的安裝模式，并建立螺旋鋼管樁旋進(jìn)安裝過(guò)程中的理論模型，對(duì)其復(fù)雜的受力情況進(jìn)行綜合分析。在測(cè)試中，研究分別針對(duì)兩種直徑的螺旋鋼管樁在安裝施工中的受力進(jìn)行分析，結(jié)果表明，小直徑螺旋鋼管樁在安裝施工會(huì)承受更大的力。

參考文獻(xiàn)

[1]趙守全， 竇順， 周垣， 等. 螺紋樁加固風(fēng)積沙地基液化特征試驗(yàn)研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)， 2024， 41（3）： 7-16.

[2] 馬甲寬， 胡志平， 任翔， 等. 基于太沙基極限平衡理論的螺紋樁承載力計(jì)算[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2022，31（2）： 112-115.

[3] 馬宏偉，胡志濤，袁松，等.螺紋樁的抗拔承載特性模型試驗(yàn)與螺距優(yōu)化[J]. 安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2023， 43（2）：44-50.