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：本文針對粉細砂土的戈壁自然環(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)和詳細流程，建立了螺旋鋼管樁旋進安裝過程中的受力分析模型，對安裝主動力、摩擦力、力矩、螺旋結(jié)構(gòu)上承受的壓力等進行了綜合分析。在螺旋鋼管樁為主樁，配合輔助樁體的安裝策略下，對螺旋鋼管樁安裝過程中的受力進行了分析。在測試試驗中，分別針對直徑20cm螺旋鋼管樁和直徑16cm螺旋鋼管樁進行測試，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

中圖分類號：TU 47 " 文獻標志碼：A

戈壁沙漠地區(qū)存在豐富的太陽能、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)，大量粉細砂土的土質(zhì)結(jié)構(gòu)使常規(guī)的支撐結(jié)構(gòu)無法有效固定，導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的根基不穩(wěn)。同時，在這類惡劣環(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)定性的問題，還可以有效地保護線纜等能源傳遞鏈條，從而在戈壁沙漠中開辟出穩(wěn)定的、堅固的能源供給基地[3]。可以旋進安裝螺旋鋼管樁，使其深入粉細砂土中，并形成更強大有效的支撐力。因此，需要對具體施工作業(yè)安裝的方式和安裝后面臨的受力和破壞作用進行分析。本文以此為出發(fā)點進行研究，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

粉細砂土整體松散且具有流動性，作為基礎(chǔ)土質(zhì)的堅固性較差，一般樁體不僅下放施工作業(yè)困難且安放后強度不夠，會使整體結(jié)構(gòu)都無法達到穩(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行集成安裝，局部安裝的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

直接進行電纜敷設(shè)不僅使電纜裸露在自然環(huán)境中，且走線集束度也無法控制。通過橋架可以使電纜敷設(shè)更加規(guī)范、美觀，安全度高。同時，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)量的臨時支撐。臨時支撐比鋼管樁更細，能夠深入粉細砂土，待整體安裝完畢后，再撤去臨時支撐。

對圖1中的集成結(jié)構(gòu)進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程中，要對施工現(xiàn)場進行深入勘測，選擇合理的安裝點位。對螺旋鋼管樁來說，如果其整體穩(wěn)定性不足，那么可以考慮對其進行增重處理。本文的處理辦法是將螺旋鋼管樁嵌放在長方形模具中，以螺旋鋼管樁為中心，在其和模具壁之間澆注混凝土，從而達到增重的效果。

在施工過程中，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程中，采用直聯(lián)的方式是簡單有效的。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，就需要通過連接件進行連接。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，但是對彎頭曲率半徑和鋼管長度要求更高。3）電纜橋架和螺旋鋼管的彎長連接：當(dāng)電纜橋架與鋼管的接頭長度大于一定值時，為了保證走線的美觀度和整潔度，可以采用彎長連接。彎長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，但是對彎長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

螺旋鋼管樁安裝過程與傳動絲杠的傳動過程類似，其安裝過程的動力來源是外界提供的安裝扭矩和安裝壓力。整個安裝過程是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的過程，砂土中螺旋鋼管樁安裝過程中的具體受力情況如圖3所示。

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

粉細砂土螺旋鋼管樁安裝過程中的受力問題主要可以分為以下兩個部分。1） 安裝過程中樁身連桿的受力情況。2）安裝過程中螺旋結(jié)構(gòu)的受力情況。對樁身連桿的受力問題來說，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，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明確，便于分析。但是螺旋結(jié)構(gòu)的形狀復(fù)雜，很難對砂土中螺旋鋼管樁安裝過程中螺旋葉片的受力情況直接進行受力分析，但其受力問題是砂土中單葉片螺旋鋼管樁安裝過程中的關(guān)鍵因素，因此需要采用一種較為合理的分析方式對螺旋結(jié)構(gòu)進行受力分析至關(guān)重要。

在螺旋鋼管樁的安裝過程中，從樁身連桿傳遞到螺旋結(jié)構(gòu)的豎向力與安裝過程中的主動力和粉細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力；Q為螺旋樁安裝過程中樁身連桿受到的端阻力和側(cè)摩阻力之和。

因為本文所用的螺旋鋼管樁為空心管樁，其中樁體上所受的扭矩由內(nèi)部和外部扭矩兩部分構(gòu)成，所以連桿上所受的扭矩計算過程如公式（2）所示。

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

式中：T為螺旋鋼管樁安裝過程中的總體扭矩；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。

進一步可知，在旋進安裝過程中，螺旋結(jié)構(gòu)上承受的壓力計算過程如公式（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)安裝性能測試的關(guān)鍵指標。

3 螺旋鋼管樁與橋架電纜的安裝中的性能測試

針對粉細砂土的戈壁自然環(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，這種方案可以進一步提高安裝過程中的穩(wěn)定性。本文從理論的角度分析了螺旋鋼管樁在粉細砂土中旋進安裝的受力情況，并分析了安裝主動力、摩擦力、力矩、螺旋結(jié)構(gòu)上承受壓力的情況。接下來需要通過試驗，測試螺旋鋼管樁下放安裝過程中的受力情況。因為螺旋結(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）對其進行測試。

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

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

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

與第一組試驗相比，第二組試驗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，螺旋鋼管樁的螺旋結(jié)構(gòu)受力也有明顯增加，從正負1200N（即2400N）增至4300N。由此可見，螺旋鋼管樁直徑變小，會使旋進下放安裝中的受力更加集中，這種受力增加會使螺旋鋼管樁安裝過程中的風(fēng)險上升。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)存在豐富的太陽能、風(fēng)能資源。但是，這些區(qū)域因為自然條件十分艱苦，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作進展受限，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安裝過程中的理論模型，對其復(fù)雜的受力情況進行綜合分析。在測試中，研究分別針對兩種直徑的螺旋鋼管樁在安裝施工中的受力進行分析，結(jié)果表明，小直徑螺旋鋼管樁在安裝施工會承受更大的力。

參考文獻

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