裝配化樁板式道路系列技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

曹皓 胡可 包葉波

摘要 隨著土地資源的日漸稀缺，公路建設(shè)與土地供給已經(jīng)成為基礎(chǔ)建設(shè)的主要矛盾之一。為了探索一種新型的道路建造模式，提出了新型裝配化樁板式道路建造模式，以打入式預(yù)制管樁直接支撐鋼筋混凝土面板，形成一種簡潔透空的承載結(jié)構(gòu)。通過裝配化輕型結(jié)構(gòu)，取代傳統(tǒng)土路基，升級公路的工業(yè)化建造。文章從樁板式道路結(jié)構(gòu)理念的提出、前期技術(shù)實(shí)踐情況、實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的主要問題及對應(yīng)的解決方案等方面對樁板式道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與研究，完善了其設(shè)計與施工技術(shù)，并將相關(guān)成果應(yīng)用在了安徽省合肥－樅陽高速公路，落實(shí)綠色公路建造理念，實(shí)現(xiàn)用地調(diào)配平衡，升級工業(yè)化建造模式，創(chuàng)新了一種全新的公路建造模式。

關(guān)鍵詞 樁板式道路；工業(yè)化建造；模塊化設(shè)計；標(biāo)準(zhǔn)化施工

中圖分類號 U441.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0088-03

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，公路領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)形式一直處于持續(xù)創(chuàng)新中。樁板結(jié)構(gòu)早期主要作為一種軟基加固措施，被廣泛應(yīng)用在鐵路工程的軟基處理中。鐵路應(yīng)用的樁板式路基由全部插打于軟土中的管樁和覆蓋在軟土表面的面板組成，作為控制軟土路基的沉降措施[1～2]。

安徽省最早提出將樁板式結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)并應(yīng)用在公路工程中，并開展了相關(guān)的研究與實(shí)踐[3～4]。為了更好地將樁板式道路結(jié)構(gòu)應(yīng)用在公路建設(shè)中，該文結(jié)合安徽省高速公路建設(shè)實(shí)踐，采用結(jié)構(gòu)化的觀點(diǎn)，實(shí)施公路的少土、無土、高效和低價建設(shè)，以解決公路建設(shè)和土地資源稀缺之間的矛盾問題，積極響應(yīng)公路工程的綠色發(fā)展，并結(jié)合工程實(shí)踐對這種新型裝配化樁板式道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究與改進(jìn)升級，以形成更加適宜工業(yè)化建造的新型道路結(jié)構(gòu)。

1 概念的提出

該文針對公路工程建設(shè)的主要矛盾，提出裝配化樁板式道路，以打入式預(yù)制管樁直接支撐鋼筋混凝土面板，形成一種簡潔透空的承載結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)為柔性體系，工作原理類似橋梁，但損傷局部可控。因此，有望取代公路傳統(tǒng)路堤結(jié)構(gòu)，成為解決公路交通發(fā)展與土地資源保護(hù)之間矛盾的理想方案。新型道路總體上分為2類。

第一種方案為擴(kuò)建公路裝配化樁板式道路。這種樁板式道路多跨一聯(lián)，預(yù)制梁板內(nèi)側(cè)邊與原道路頂邊緣通過現(xiàn)澆枕梁進(jìn)行橫向連接，形成具有側(cè)邊連續(xù)鉸限位的結(jié)構(gòu)。樁板式道路橫向設(shè)置一排或多排預(yù)制管樁（如圖1所示）。

第二種方案為新建公路裝配化樁板式道路，這種樁板式道路也采用多跨一聯(lián)，形成具有群墩限位或抗力墩限位的結(jié)構(gòu)。各獨(dú)立樁板式道路橫向設(shè)置兩排或多排預(yù)制管樁（如圖2所示）。

2 前期技術(shù)探索與實(shí)踐

2.1 獲得的主要技術(shù)優(yōu)勢

裝配化樁板式道路首批應(yīng)用于安徽省合寧高速公路擴(kuò)建項目和合安高速公路擴(kuò)建項目，即呈現(xiàn)出突出的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢：

（1）道路無需填土，用地減少。合安高速擴(kuò)建技術(shù)應(yīng)用段長1.5 km，擴(kuò)建在原道路邊坡上進(jìn)行，新增用地為0。

（2）預(yù)制管樁按設(shè)計打至相應(yīng)持力層，道路工后沉降問題得到根本改善。

（3）預(yù)制管樁施工便于現(xiàn)場管理，污染及棄物少；面板預(yù)制和安裝工藝簡單。

（4）對比傳統(tǒng)常規(guī)道路，造價相當(dāng)；對比軟土道路，造價降低40%以上；對比傳統(tǒng)橋梁，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢更為明顯。

2.2 需要進(jìn)一步解決的技術(shù)問題

在初期的工程實(shí)踐中雖然取得了較好的綜合效果，但也暴露了部分技術(shù)不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)與升級，表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）預(yù)制管樁的快速準(zhǔn)確打入。預(yù)制管樁如何高效并可靠地打入一直是國內(nèi)設(shè)計和施工爭論的焦點(diǎn)。分析現(xiàn)行打樁方式，存在的問題表現(xiàn)在以下幾方面：①選用打樁錘重按規(guī)范設(shè)定的范圍，憑經(jīng)驗進(jìn)行，缺乏選用的依據(jù)和調(diào)整的方法。②打樁中各參數(shù)之間內(nèi)在關(guān)系不明，錘擊樁深和貫入度控制值的規(guī)定可執(zhí)行性差。③錘擊難停的現(xiàn)象時常發(fā)生，成樁承載力往往難以確定。

這些問題嚴(yán)重制約了預(yù)制管樁在公路工業(yè)化建造中的應(yīng)用。

（2）預(yù)制樁與梁板的快速連接。預(yù)制樁與梁板之間采用傳統(tǒng)濕接頭連接方式，臨時設(shè)施多，工作量過大；采用傳統(tǒng)槽口、齒塊等其他連接方式，結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，鋼筋受損較多，預(yù)制、施工難度大，工業(yè)化優(yōu)勢降低，連接效果也難以保證。

（3）預(yù)制梁板的快速可靠連接。預(yù)制梁板之間的濕接縫鋼筋連接一直是設(shè)計、施工中的難題，主要表現(xiàn)在以下3方面：①鋼筋按規(guī)范搭接，濕接縫過寬。②鋼筋按規(guī)范焊接，工作量過大。③采用其他連接，效果還在爭議。

技術(shù)滯后困擾著預(yù)制結(jié)構(gòu)的使用。

（4）樁板式道路整體系統(tǒng)設(shè)計。在成系統(tǒng)設(shè)計過程中，仍存在以下關(guān)鍵問題需要解決：①樁板式道路一聯(lián)的合理樁距、合理長度、合理剛度、水平力分配、動力性能、抗震性能。②樁板式道路局部破壞的影響。③伸縮縫位置設(shè)置和功能選擇。④預(yù)制梁板的標(biāo)準(zhǔn)分類和分型。⑤預(yù)制管樁的標(biāo)準(zhǔn)分類和選型。

改變公路道路的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和傳統(tǒng)建造方式，在理念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的過程中，技術(shù)需要不斷改進(jìn)升級。

3 技術(shù)改進(jìn)

針對存在的問題，裝配化樁板式道路進(jìn)行了系統(tǒng)性的技術(shù)改進(jìn)，強(qiáng)化了基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，建立了結(jié)構(gòu)更完備、標(biāo)準(zhǔn)更齊全的技術(shù)體系。

3.1 一體化樁墩施工方法

基于力學(xué)動量定理和能量守恒定律，該文提出一種對公路樁板式道路一體化樁墩進(jìn)行準(zhǔn)確定量打入的方法，以及更為適用的錘擊貫入度計算公式，應(yīng)用于實(shí)際工程，針對不同土質(zhì)的土層計算出相應(yīng)的錘擊貫入度控制值，用于控制打樁，取得理想實(shí)測效果，解決了傳統(tǒng)方法終止打樁標(biāo)準(zhǔn)亂、成樁承載力不確定的問題，推動了預(yù)制管樁在公路工業(yè)化建造中的應(yīng)用（如圖3所示）。

3.2 預(yù)制樁與梁板的快速連接

歷經(jīng)對U型鋼筋骨架現(xiàn)澆混凝土彈性連接鉸、預(yù)制墩－板快速連接結(jié)構(gòu)、3種筒形剪力撐連接結(jié)構(gòu)、3種十字剪力撐連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行的多輪論證、研究和試驗，最新發(fā)展出的多重剪力鍵樁和板連接裝置，具有綜合技術(shù)優(yōu)勢，正在接受新一輪測試（如圖4所示）。

在多重剪力鍵樁、板連接裝置中，預(yù)制管樁和梁板就位后，剪力鋼筋錨固于樁頂，上端套裝于帶肋剪力筒內(nèi)。剪力螺栓上端定位于梁板內(nèi)，下端掛連于剪力筒頂法蘭盤底面。裝置定位并封堵后，灌注填充料，形成樁、板連接。這一技術(shù)提高了梁板預(yù)制工業(yè)化程度，實(shí)現(xiàn)了樁、板快速連接。有限元計算和試驗驗證連接裝置受力明確，安全可靠。連接裝置也為以后的結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)提供了便利條件。

3.3 免模板O型鋼筋濕接縫結(jié)構(gòu)

預(yù)制面板之間采用帶托板的O型鋼筋濕接縫進(jìn)行連接。這種接縫結(jié)構(gòu)由兩排U型鋼筋對向交叉形成O型鋼筋結(jié)構(gòu)，O型鋼筋結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置多個支墊鋼筋，在帶底托的槽口內(nèi)灌注混凝土，形成錨具式連接，由此改變了鋼筋連接的傳統(tǒng)模式和傳力機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了工廠預(yù)制構(gòu)件的工地快速連接。

3.4 豎向限位伸縮縫

伸縮縫設(shè)置于支撐點(diǎn)外，可實(shí)現(xiàn)最大的連接標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。但梁板端部需設(shè)置牛腿，且兩梁端可能存在不協(xié)調(diào)位移，可能引起接縫錯動變形。

為了解決該問題，在牛腿間設(shè)隱式支承裝置，與豎向限位伸縮縫形成聯(lián)合體，形成豎向限位伸縮縫。

豎向限位伸縮縫構(gòu)件采用強(qiáng)度和剛度大、整體高度低的焊接型鋼制造；滑動構(gòu)件跨縫后套裝于限位構(gòu)件內(nèi)，由限位構(gòu)件進(jìn)行導(dǎo)向和限位；構(gòu)件套裝后焊接于梁板頂預(yù)埋鋼板上，形成整體結(jié)構(gòu)。滑動構(gòu)件兼做排污和排水槽（如圖5所示）。

這一技術(shù)具有限位和伸縮雙重功能，實(shí)現(xiàn)了兩邊梁板的豎向協(xié)同變形，解決了梁端跳車問題，對懸空設(shè)置的伸縮縫具有極好的適應(yīng)性。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制梁板節(jié)段組

包括四種節(jié)段型式、兩種端部構(gòu)造（如圖6所示）。節(jié)段采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，梁板等高度，面板等厚度，濕接縫自帶底托。同時，鋼筋采用模塊化配筋，形式為簡潔的直線或U形。濕接縫U形筋交錯布置。

由此，結(jié)構(gòu)的加工和組裝更簡化，能更好地適應(yīng)工業(yè)化建造模式對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。

這些最新發(fā)展的技術(shù)將進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)原有形式和工作機(jī)理，改善結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和安全狀態(tài)，支持結(jié)構(gòu)簡潔設(shè)計和輕型設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)制造精度和裝配速度，提供更好的安裝、檢測、維修和更換條件，實(shí)現(xiàn)了資源節(jié)約和造價降低的目標(biāo)。

3.6 模塊化系統(tǒng)加勁結(jié)構(gòu)

由抱箍和連梁組成。構(gòu)件采用焊接型鋼制造。抱箍分為兩半圓部分，貼附于墩身設(shè)計部位后，由螺栓進(jìn)行緊固，并與連梁進(jìn)行連接，形成整體結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)具有多種功能：①可按模數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)梁板加大結(jié)構(gòu)跨徑。②按鋼板組合梁模式進(jìn)行自架設(shè)施工。③用于對下部聯(lián)合，形成結(jié)構(gòu)制動墩。④提高結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，方便升級承載力。⑤兼顧結(jié)構(gòu)容錯性，快速加固薄弱部。

由此，實(shí)現(xiàn)了樁板式道路的系統(tǒng)設(shè)計以及與工業(yè)化建造橋梁的系統(tǒng)對接，進(jìn)一步保證了樁板式道路的安全耐久性和運(yùn)營維護(hù)性。

4 結(jié)語

安徽省合肥—蕪湖高速公路，拓寬改建工程，采用最新裝配化樁板式道路，解決用地難題，兼顧處理軟基。采用模塊化構(gòu)件，預(yù)制質(zhì)量進(jìn)一步改進(jìn)。配套模塊化的連接，安裝效率進(jìn)一步提高。安徽省合肥－樅陽高速公路，落實(shí)綠色公路建造理念，采用最新裝配化樁板式道路12 km，建設(shè)性用地調(diào)配平衡，工業(yè)化建造模式升級。

公路的大規(guī)模建設(shè)正面臨建設(shè)資源供應(yīng)逐漸萎縮、環(huán)境保護(hù)投入日益加大的形勢和困境。該文提出樁板式道路解決方案，形成了綠色公路建造模式，減少了對土地等資源的占用，實(shí)現(xiàn)了交通的可持續(xù)發(fā)展，解決了擺在行業(yè)面前的突出問題。

實(shí)施綠色公路建設(shè)，離不開以標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化、模塊化、信息化為特征的工業(yè)化建造技術(shù)。工業(yè)化建造技術(shù)應(yīng)持續(xù)改進(jìn)，不斷向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，以高質(zhì)、高效的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)揮集約、環(huán)保的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]夏文之. 蘭新鐵路第二雙線多年凍土地區(qū)樁板式路基承載性狀及變形特性研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學(xué)， 2015.

[2]薛照鈞. 鐵路客運(yùn)專線軟弱地基低矮路堤采用無梁板樁柱結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[J]. 鐵道工程學(xué)報， 2007（5）： 12-15.

[3]袁瑞， 郭慶超. 樁板式道路施工監(jiān)控方案探討[J]. 工程與建設(shè)， 2022（5）： 1473-1475+1481.

[4]周夏. 樁板式路基應(yīng)用分析[J]. 公路與汽運(yùn)， 2021（5）： 78-81.