CN115270357B - 一种高立式沙障螺旋桩结构及其设计分析方法 - Google Patents

Abstract

一种高立式沙障螺旋桩结构，桩为不锈钢桩，其截面为圆筒；桩的上部结构为防风砂障的主体结构；一种高立式沙障螺旋桩结构的设计方法，包括高立式沙障螺旋桩结构高度及立式沙障螺旋桩结构布置方式设计方法；将高立式沙障螺旋桩结构作为研究对象包括控制对比野外试验，对不同行间距、高度、组合条件下的单行和双行高立式沙障的实际防风变化特征，沙障阻沙量进行观测，探究不同类型配置下对实际防风阻沙效益及有效防护距离的影响。明确在迎风侧、背风侧风速变化的规律以及高度和间距影响下的阻沙特征，并补充野外实际数据，选取出满足实际效益且用材少、成本低的沙障搭配，为治沙工程的优化设计以及线路工程沙害防治体系结构提供基础数据支撑。

Description

一种高立式沙障螺旋桩结构及其设计分析方法

技术领域

本发明涉及一种结构及其方法，尤其是涉及一种高立式沙障螺旋桩结构及其设计分析方法。

背景技术

高立式沙障作为常见的风沙防治技术措施之一，减少了风蚀沙埋对线性工程造成的损伤。沙障布设方式直接影响风沙灾害防治效率和成本效益等问题。在对不同类型沙障配置探索中，前人进行了野外观测、风洞试验与数据模拟等工作并取得了相应进展。沙障的高度、行间距、布设方式是决定高立式沙障防风沙能力的关键环节。螺旋桩结构作为一种新型的高立式沙障，目前还没有成熟的设计施工方法。

高立式沙障是铁路途径沙漠、戈壁地段机械式防风阻沙措施。现有高立式沙障存在组合模式不合理、防护系统整体效果差、工程投入浪费严重的问题。目前高立式沙障基础桩采用混凝土圆柱体或木桩，混凝土圆柱体体积大、浪费圬工，施工困难，风蚀作用下基础桩部分外露易整体倒伏；砍伐木桩破坏环境。

防沙网是高立式沙障的关键结构，防沙网的网孔越小，阻沙效果好，但承受较大的风压，影响稳定性和使用寿命；防沙网的网孔越大，阻沙效果差，但承受较小的风压，防沙网使用寿命长。一般情况下，防沙网网孔的大小根据当地常见风沙速度来选定。然而，一些地区的风沙速度在不同季节的差异较大，这使得网孔大小固定的防沙网不能在不同季节达到有效的防沙效果。因此，亟需研发便于施工、可循环使用且造价成本低的高效快速防风阻沙新技术与装备。

高立式沙障是一种机械防风阻沙措施，由于其防风阻沙作用明显，在沙漠铁路防沙工程中被普遍使用。风沙作用下，高立式沙障整体易发生沙埋，各部件在净风压和沙粒撞击作用下会产生不同程度的弯曲变形，达到并超过材料受力极限时破坏。高立式沙障使用寿命不仅与工程区的风沙环境（降水、风速、沙源丰富度、地貌形态等）有关，还与沙障用材的质地、沙障结构，以及布设方法有关。现有铁路沿线高立式沙障存在组合模式不合理、防护系统整体效果差、工程投入浪费严重的问题，因此如何在风沙环境下营建高质量的铁路防风阻沙工程是一大技术难题，也是亟需解决的技术难题，将有力推动我国铁路风沙灾害防治技术的发展。

现有技术，如CN102031778A涉及一种螺旋桩。针对目前在季节性冻土地区传统的直线型桩适用范围具有一定的局限性、易断桩、桩身质量得不到保证及工程造价高的问题。所述螺旋桩包括混凝土桩体、混凝土桩头和混凝土螺旋叶片，混凝土桩体为圆柱形，混凝土桩头为圆锥体，混凝土桩体的底端面与混凝土桩头的上端面固接且二者制成一体，混凝土螺旋叶片设置在混凝土桩体的外壁上，且二者制成一体，混凝土螺旋叶片的上倾角为15～45°，螺距为800mm～1000mm，混凝土桩体的直径与混凝土螺旋叶片的外径的比值为0.5～0.7。

CN102720191A一种螺旋地桩，克服了现有地桩拉拔力不够、侧向抗剪力不足、侧向抗动载荷的能力不够的问题。包括管状体，管状体壁有孔或槽或口，所述管状体外壁有螺旋叶片。

CN102787596A涉及一种螺旋桩，包括桩体，所述桩体上的第一叶片；以及所述桩体上的第二叶片；其中，所述第一叶片和所述第二叶片中的每一个绕所述桩体旋转。

CN102864776A涉及一种应用在砾石较多的戈壁滩地貌、土质坚硬的地质以及其他地质的螺旋地桩。一种螺旋地桩，包括一桩体，桩体的一端为外接端，桩体的另一端为旋转钻头端，在桩体的外圆周表面设有螺旋叶片，所述的旋转钻头端包括位于端部中心的钻头体，在钻头体的外侧设有多个倾斜的拨片，多个拨片向同一方向偏转。

CN103046544A涉及自旋桩、自旋桩腰及自旋桩头。自旋桩包括有桩轴及螺旋叶片；叶片的升角即叶片与桩轴交界处的绕设角度为50°-85°，形状可为平板形和波形，截面可为矩形和梯形，叶片可连续设置或分层设置；桩体材料采用钢、钢筋、钢纤维和混凝土制作；沉桩采用压入方式，期间，桩周土对螺旋叶片的反力产生对桩轴的分布扭矩，克服桩周摩阻力产生的扭矩，使桩旋转下沉；自旋桩可抗压、抗拔和抗水平力，亦可拔出后重复使用。自旋桩腰设置于桩的中段，自旋桩头设置于桩的底端，二者形状与自旋桩类同，但较自旋桩短，且叶片为连续设置，随桩一起压入土中。

CN104695431A种螺旋桩，桩柱外壁设有螺旋叶片,桩柱内部上下两端分别设有一个密封片，上端的密封片上设有出水口和进水口，出水口下端连接有一根导流管，进水口和出水口上端与外部水管连接。通过采用以上结构，将螺旋桩内部进行密封，形成一个储水空间，打桩完成之后无需大量铺埋水管，直接将进水管和出水管与螺旋桩连接，达到缩短施工周期的目的，而通过增加螺旋叶片的大小和数量，加快地热传导，使地热能够更加充分快速的与螺旋桩内的水进行热交换，增加了地热利用效率。

CN104695432A一种螺旋桩,桩柱与桩头之间通过接口连接，桩头内设有缠绕杆，在桩头外壁设有螺旋叶片。通过采用上述结构，在螺旋桩头内设置一个缠绕杆，将水管进行缠绕，进行水管内水与地热的热交换工作，实现对地热的利用，也可以缠绕多根水管，提升热交换效率。而将桩柱和桩头设置为两个分离的个体，通过接口进行连接，在打桩施工完成之后可以将桩柱拆卸下来再次使用，同时可以根据需要打桩的深度更换不同长度的桩柱。由于水管容易弯折，通过设置弯头或弯曲贴片则能够避免水管弯折导致堵塞。

CN105756062A一种利用螺旋桩治理公路中间绿化带积水的方法，包括设有渗液孔的螺旋桩，包括以下步骤：利用动力头将螺旋桩由路堤侧方打入位于公路中间绿化带下方的路基中。优选的方案中，还包括以下步骤：1）在路堤一侧架设定位架，使定位架上的定位板沿路堤向绿化带方向倾斜向上；2）在挖掘机的挖掘机臂端头安装动力头，并将螺旋桩尾端与动力头固定连接；3）将螺旋桩搭在定位架上，并启动动力头，使螺旋桩沿定位架倾斜方向打入路基中；重复上述方法，完成利用螺旋桩治理公路中间绿化带积水的任务。

CN106788133A公开了一种带有积水装置的沙漠螺旋桩，包括桩体，所述桩体包括圆管、位于圆管端头的尖端以及环绕圆管外的裙边，所述圆管的顶端螺纹连接有连接器，所述圆管外套设有积水器，所述积水器整体为锥台状，断面构成的回转体，所述积水器包括与所述连接器下面贴合的连接板、倾斜设置的侧壁以及在所述侧壁的底部斜向上弯折的折边，所述折边与所述侧壁形成三角形的积水槽，所述折边的顶部与所述侧壁之间存在作为槽口的间隙，所述积水槽的在所述侧壁上设有水阀。

然而，现有技术中高立式沙障中存在混凝土基础设计不合理、施工成本高、工效低，风蚀作用下基础桩部分外露易整体倒伏等问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明公开一种高立式沙障螺旋桩结构设计分析方法与布置，其技术方案如下：

一种高立式沙障螺旋桩结构，其特征为：所述桩为不锈钢桩，其截面形状为圆筒；不锈钢桩的上部结构为防风砂障的主体结构，高1.5米；桩外半径70mm，壁厚6mm；螺旋叶片2个，叶片间距0.3m。

本发明还公开 一种高立式沙障螺旋桩结构的设计方法，其特征为：包括高立式沙障螺旋桩结构防风沙能力评价指标的确定，主要有两个评价指标：

①有效防护范围；②沙障截留率；

步骤1：有效防护范围的确定方法：

采用减弱旷野风速的50%确定有效防护距离，并在风速图示中用虚线标注，计算公式如下：

式中：V_kij为坐标（i，j）点在k风速环境的风速值（m.s^-1）；Vkj为旷野风速位置的风速值（m.s^-1）;b_kij为坐标在（i，j）点在k下的加速率，即风速削弱百分比，b_ijk越大其防风效果越好；

其中：风速值主要通过野外观测、风洞试验、数值模拟手段来确定；

步骤2：沙障截留率的确定方法：

沙障的拦截效率用沙障截留率来体现，即侵蚀沙粒通过沙障时，部分沙粒被截留，被截留的沙粒占沙粒侵蚀总量的百分比成为沙障截留率；计算公式如下：

式中：n为沙障截留率；W为同一风速下同高度层旷野输沙通量（g.cm^-2.min^-1） ;Q为沙障影响后剩余输沙通量（g.cm^-2.min^-1）。

有益效果

新型的高立式沙障螺旋桩结构，具有便于施工、可循环使用且造价成本低等优点。

附图说明

图1为本发明高立式沙障螺旋桩结构示意图；

图2为本发明叶片结构示意图；

图3为本发明高立式沙障螺旋桩结构示意图及布设示意图；

图4为本发明高立式沙障螺旋桩结构设计分析方法流程图。

具体实施方式

实施例1

参见图1所示，本发明公开一种高立式沙障螺旋桩结构，选用的桩是不锈钢桩，其截面形状为圆筒，尺寸为：外层半径70mm、壁厚为6mm、桩长取1-3m左右。桩的上部结构为防风砂障的主体结构，高1.5米。

桩外半径70mm，壁厚6mm，埋深2m，螺旋叶片2个，距地0.3m，叶片间距0.3m，叶片宽度140mm时，可同时满足平地和坡地的水平位移要求。

通过求解桩身位移的ABAQUS数值模拟法和理论方法以及使用 p-y 曲线的方法，利用理论方法在 matlab 中进行编程，从而简化计算，保证运算的准确性，又分别分析了桩径和桩的长度对受水平荷载的桩产生水平位移的影响，同时也把理论解和数值模拟解进行了对比，可以得到以下结论：

①对于平地条件下水平桩受荷情况

（1）在桩长一定时，随着桩径逐渐增大，刚度逐渐增强，水平位移也逐渐变小；在桩径一定时，随着桩长的逐渐增大，桩由整体倾斜变为桩身出现反弯点， 桩的变形由刚性向柔性过渡，水平位移会逐渐减小。

（2）在桩长一定时，随着桩径增大，两种方法都体现出桩径增加使桩身水平位移减小的能力有减弱的趋势，故理论计算同样验证了前一章的推论：过大的桩径并不合适，不利于施工并且造成材料的浪费而增加成本，因此桩外半径确定为70mm是较为合适的。

（3）在桩径一定时，随着桩长的逐渐增大到一定长度时，两种方法都出现了桩整体倾斜变为桩身出现反弯点的情况，桩的变形由刚性向柔性过渡，继续增加桩长对桩身位移的影响并不大，考虑到施工难度和工程造价，不宜继续增加桩长。同时考虑到风沙地区砂土的流动性，桩长取2m是相对合适的。

（4）由p-y 曲线得到的理论解和有限元法得到的数值模拟解相比，变形曲线形状相似，但理论解会大于数值解，存在一定误差，这可能是由于理论解的一些假设造成的，例如，m 法忽略土体的连续性、把土的侧向压缩系数看成沿深度线性分布的等。

（5）考虑加上螺旋叶片的情况。同样桩身长度为2m的情况下，相比于只加上一个螺旋叶片，增加两片叶片时，桩顶和地表处的水平位移都大大减少，效果显著。具体表现为地表处的水平位移减小了接近一倍，桩顶部的水平位移近乎等于埋深为 2.5m 时的位移。并且螺旋叶片距地表距离控制在0.3m时相对于0.5m具有明显优势。因此在工程实际应用当中，增加埋深不仅浪费更多的钢材，不利于经费控制和环保，而且增大施工难度和施工周期。采取在桩身增加叶片的方式来提升桩的水平方向的承载力，可以大大节约经费，保护环境。

综上，桩径建议取桩外半径70mm，壁厚6mm，埋深建议取2m，螺旋叶片建议取2个，距地0.3m，叶片宽度140mm。

②对于坡地情况下水平桩受荷情况

首先，坡地对桩基础的水平承载力有一定的削弱，因此平地的p-y线不能再适用于坡地，需要对其极限土抗力进行修正，从而得到适合于坡地桩基础的p-y曲线。在坡地条件下，随着边坡角度逐渐增大，对土体的削弱作用逐渐增强，水平位移也逐渐增大；随着桩长的逐渐增大，桩由整体倾斜变为桩身出现反弯点，桩由刚性向柔性过渡，水平位移会逐渐减小。

第二，对于坡角较小的缓坡（15-30度），在相同的水平荷载作用下，桩的水平位移变化不是很大，可以采用2米的桩长。对于坡角较大的陡坡（30-45度），由于桩身水平位移增加较多，可以通过适当增加桩长的方法来减少桩顶和地面位置处的桩的水平位移。在桩身增加叶片，同样可以减小桩身水平位移，尤其是对较陡的边坡而言，位移减小明显，比较适用。

第三，用修正过的p-y曲线得到的理论解和有限元法得到的数值解相比，得到的变形曲线形状相似。但理论解会大于数值解，存在一定误差，这可能是由于理论解的一些假设造成的，例如，m法忽略土体的连续性、把土的侧向压缩系数看成沿深度线性分布的等。

综上，当存在坡脚时，桩径建议取桩外半径70mm，壁厚6mm，埋深建议取2m，螺旋叶片建议取2个，距地0.3m，叶片宽度140mm，可以满足要求。

通过室内模型实验对有无叶片桩结果的比对分析，论证了增大直径及添加叶片可以提高桩身的水平承载力，并证明ABAQUS数值模拟的结果与实验结果相符，可以通过数值模拟进行深入分析。

ABAQUS数值计算和理论分析，分别对平地和坡地条件下，水平受荷桩的受力性能进行多参数计算，计算结果表明：当桩外半径70mm，壁厚6mm，埋深2m，螺旋叶片2个，距地0.3m，叶片间距0.3m，叶片宽度140mm时，可同时满足平地和坡地的水平位移要求。

实施例2

参见附图2所示。一种高立式沙障螺旋桩结构的设计方法，其特征为：包括高立式沙障螺旋桩结构防风沙能力评价指标的确定，主要有两个评价指标：

①有效防护范围；②沙障截留率；

步骤1：有效防护范围的确定方法：

采用减弱旷野风速的50%确定有效防护距离，并在风速图示中用虚线标注，计算公式如下：

式中：V_kij为坐标（i，j）点在k风速环境的风速值（m.s^-1）；Vkj为旷野风速位置的风速值（m.s^-1）;b_kij为坐标在（i，j）点在k下的加速率，即风速削弱百分比，b_ijk越大其防风效果越好；

其中：风速值主要通过野外观测、风洞试验、数值模拟手段来确定；

单行沙障没有间距的设定，效益分析中主要注重高度和风速的影响。指示风速恒定时，沙障影响的弱风区随着沙障高度增加而变大，沙障的防护效益越好，这与已有研究结论相符合，高度对强减速区和过渡区域影响较大。针对气流削弱及实际效果，综合前人所得结论，建议野外沙障配置1~1.2m高度为宜。

双行沙障来风会经受两次不同程度的削弱。这种趋势随着沙障高度以及双行沙障间距的变化逐渐减弱。同样的间距或者高度条件下，一个因素的改变都会对防风效益有影响。 高度增加或间距减小，双行沙障中的防护效益发生重叠，风速降低的整体趋势向单型靠拢。

不论单行还是双行的高立式沙障螺旋桩结构，高度都是影响沙障防护效益的关键因素。双行高立式沙障较单行对风速的阻碍和降低表现出明显的累加复合变化作用。合理的沙障间距不但有利于防止风蚀沙埋，而且有利于扩大防护范围提升效益。

在风洞模拟实验中， 1.2m高立式沙障防护范围可达30m。沙障高度与防护距离存在一定联系，既能有效减弱防护区的风速和输沙，又要达到良好防护效应。

所述高立式沙障螺旋桩结构防风沙能力评价指标设计值：防风沙结构有效防护范围须满足20m以上，沙障截留率80%以上，对沙障后铁路设施具有良好的保护效果。

风况的复杂性以及设置参数的多样性使双行沙障对单行沙障的复合变化规律存在一定联系，不同组合间距及不同高度配置下的沙障对比试验具有重要意义。

本发明还包括高立式沙障螺旋桩结构高度设计以计算不同高度下高立式沙障螺旋桩结构的防风沙能力的设计方法，包括如下步骤：

步骤1：分别计算0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m不同高度下高立式沙障螺旋桩结构的有效防护范围；

步骤2：分别计算0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m不同高度下高立式沙障螺旋桩结构的沙障截留率；

步骤3：在满足防风沙能力评价指标设计值的前提下，筛选出有效防护范围最大，沙障截留率最高的设计高度组合。

本发明还包括高立式沙障螺旋桩结构布置方法：

由于沙障间距越窄，防护时越容易出现防护效应的重叠，沙障高度越高，重叠效应越明显，因此计算不同高度下，不同间距的高立式沙障螺旋桩结构的防风沙能力；

步骤1：根据所述高立式沙障螺旋桩结构高度设计，分别计算2排、3排、4排条件下，不同间距(4m,8m,12m)的高立式沙障螺旋桩结构的有效防护范围；

步骤2：根据所述高立式沙障螺旋桩结构高度设计，分别计算2排、3排、4排条件下，不同间距(4m,8m,12m)的高立式沙障螺旋桩结构的沙障截留率；

步骤3：综合考虑有效防护范围和沙障截留率，得到高立式沙障螺旋桩结构设计高度与布置间距的最优设计组合。

兼顾最佳防护效果和经济合理的要求，确定不同地区，不同风沙情况下，高立式沙障螺旋桩结构的布设排数，布设高度和间距；只考虑输沙或风速改变都不能选出最适沙障配置，应综合两者选取符合实际效益且用材少，成本低的搭配。

截留率大说明沙障对风速削弱作用越显著，单行障后输沙量最少的是1.2m高度沙障，但1.0m高度沙障的障后输沙量减小幅度最大。

结合防风效果与铺设成本，单行高立式沙障中选择1.0m高度较为合理。

在具有相同防护效果时，双行沙障取最大间距为最佳。组合间距增加，拦截和固沙能力越弱，组合间距越小则沙障中间及障后的截留越大，但间距过小使防护效益出现重叠，间接增加了成本，不是最优选择。

高立式沙障多排应用对于降低侵蚀量的作用优于单排沙障，综合应用效果最佳，但多排高立式沙障不只是简单增加沙障排数。防护效益既包括防风阻沙程度又涉及铺设成本。

对于最适防护距离的确定，结合部分学者在风洞试验和人为设置高立式沙障的试验结果，在更高高度的沙障选择中，沙障间距可以拓展到10H。

当沙障间距过窄或过高时，其防风效果虽然好，但浪费了一部分原有的防护效益，增加了实际操作的成本。但是，如果间距大范围设置，则沙障中间逐渐向旷野形势恢复，沙物质的蚀积不能得到很好的控制，对实际所要防护的区域不能正常完成。因此合理间距和高度搭配是至关重要的。

兼顾最佳防护效果和经济合理的要求，确定不同地区，不同风沙情况下，高立式沙障螺旋桩结构的布设排数，布设高度和间距。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种高立式沙障螺旋桩结构的设计方法，其特征为：包括高立式沙障螺旋桩结构防风沙能力评价指标的确定，包括两个评价指标：

①有效防护范围；②沙障截留率；

步骤1：有效防护范围的确定方法：

采用减弱旷野风速的50%确定有效防护距离，并在风速图示中用虚线标注，计算公式如下：

式中：V_kij为坐标（i，j）点在k风速环境的风速值，m.s^-1；V_kj为旷野风速位置的风速值，m.s^-1;b_kij为坐标（i，j）点在k下的加速率，即风速削弱百分比，b_kij越大其防风效果越好；

其中：风速值通过野外观测、风洞试验、数值模拟手段来确定；

步骤2：沙障截留率的确定方法：

沙障的拦截效率用沙障截留率来体现，即侵蚀沙粒通过沙障时，部分沙粒被截留，被截留的沙粒占沙粒侵蚀总量的百分比成为沙障截留率；计算公式如下：

式中：n为沙障截留率；W为同一风速下同高度层旷野输沙通量，g.cm^-2.min^-1 ;Q为沙障影响后剩余输沙通量，g.cm^-2.min^-1；

所述高立式沙障螺旋桩结构防风沙能力评价指标设计值：防风沙结构有效防护范围满足20m以上，沙障截留率80%以上；

还包括高立式沙障螺旋桩结构高度设计以计算不同高度下高立式沙障螺旋桩结构的防风沙能力：

步骤1：分别计算0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m不同高度下高立式沙障螺旋桩结构的有效防护范围；

步骤2：分别计算0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m不同高度下高立式沙障螺旋桩结构的沙障截留率；

步骤3：在满足防风沙能力评价指标设计值的前提下，筛选出有效防护范围最大，沙障截留率最高的设计高度组合；

还包括高立式沙障螺旋桩结构布置方法：

步骤1：根据所述高立式沙障螺旋桩结构高度设计，分别计算2排、3排、4排条件下，不同间距的高立式沙障螺旋桩结构的有效防护范围；

步骤2：根据所述高立式沙障螺旋桩结构高度设计，分别计算2排、3排、4排条件下，不同间距的高立式沙障螺旋桩结构的沙障截留率；

步骤3：综合考虑有效防护范围和沙障截留率，得到高立式沙障螺旋桩结构设计高度与布置间距的最优设计组合。

2.一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行权利要求1所述的方法。

3.一种电子装置，其特征在于，包含处理器和存储器；所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令运行时执行权利要求1所述的方法。

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