装配化桩板式道路系列技术创新与应用

曹皓 胡可 包叶波

摘要 随着土地资源的日渐稀缺，公路建设与土地供给已经成为基础建设的主要矛盾之一。为了探索一种新型的道路建造模式，提出了新型装配化桩板式道路建造模式，以打入式预制管桩直接支撑钢筋混凝土面板，形成一种简洁透空的承载结构。通过装配化轻型结构，取代传统土路基，升级公路的工业化建造。文章从桩板式道路结构理念的提出、前期技术实践情况、实践中发现的主要问题及对应的解决方案等方面对桩板式道路结构进行了分析与研究，完善了其设计与施工技术，并将相关成果应用在了安徽省合肥－枞阳高速公路，落实绿色公路建造理念，实现用地调配平衡，升级工业化建造模式，创新了一种全新的公路建造模式。

关键词 桩板式道路；工业化建造；模块化设计；标准化施工

中图分类号 U441.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）11-0088-03

0 引言

随着基础设施建设技术的不断进步，公路领域的结构形式一直处于持续创新中。桩板结构早期主要作为一种软基加固措施，被广泛应用在铁路工程的软基处理中。铁路应用的桩板式路基由全部插打于软土中的管桩和覆盖在软土表面的面板组成，作为控制软土路基的沉降措施[1～2]。

安徽省最早提出将桩板式结构进行改进并应用在公路工程中，并开展了相关的研究与实践[3～4]。为了更好地将桩板式道路结构应用在公路建设中，该文结合安徽省高速公路建设实践，采用结构化的观点，实施公路的少土、无土、高效和低价建设，以解决公路建设和土地资源稀缺之间的矛盾问题，积极响应公路工程的绿色发展，并结合工程实践对这种新型装配化桩板式道路结构进行了系统研究与改进升级，以形成更加适宜工业化建造的新型道路结构。

1 概念的提出

该文针对公路工程建设的主要矛盾，提出装配化桩板式道路，以打入式预制管桩直接支撑钢筋混凝土面板，形成一种简洁透空的承载结构。

该结构为柔性体系，工作原理类似桥梁，但损伤局部可控。因此，有望取代公路传统路堤结构，成为解决公路交通发展与土地资源保护之间矛盾的理想方案。新型道路总体上分为2类。

第一种方案为扩建公路装配化桩板式道路。这种桩板式道路多跨一联，预制梁板内侧边与原道路顶边缘通过现浇枕梁进行横向连接，形成具有侧边连续铰限位的结构。桩板式道路横向设置一排或多排预制管桩（如图1所示）。

第二种方案为新建公路装配化桩板式道路，这种桩板式道路也采用多跨一联，形成具有群墩限位或抗力墩限位的结构。各独立桩板式道路横向设置两排或多排预制管桩（如图2所示）。

2 前期技术探索与实践

2.1 获得的主要技术优势

装配化桩板式道路首批应用于安徽省合宁高速公路扩建项目和合安高速公路扩建项目，即呈现出突出的技术经济优势：

（1）道路无需填土，用地减少。合安高速扩建技术应用段长1.5 km，扩建在原道路边坡上进行，新增用地为0。

（2）预制管桩按设计打至相应持力层，道路工后沉降问题得到根本改善。

（3）预制管桩施工便于现场管理，污染及弃物少；面板预制和安装工艺简单。

（4）对比传统常规道路，造价相当；对比软土道路，造价降低40%以上；对比传统桥梁，经济优势更为明显。

2.2 需要进一步解决的技术问题

在初期的工程实践中虽然取得了较好的综合效果，但也暴露了部分技术不足，需要进一步改进与升级，表现在以下几个方面。

（1）预制管桩的快速准确打入。预制管桩如何高效并可靠地打入一直是国内设计和施工争论的焦点。分析现行打桩方式，存在的问题表现在以下几方面：①选用打桩锤重按规范设定的范围，凭经验进行，缺乏选用的依据和调整的方法。②打桩中各参数之间内在关系不明，锤击桩深和贯入度控制值的规定可执行性差。③锤击难停的现象时常发生，成桩承载力往往难以确定。

这些问题严重制约了预制管桩在公路工业化建造中的应用。

（2）预制桩与梁板的快速连接。预制桩与梁板之间采用传统湿接头连接方式，临时设施多，工作量过大；采用传统槽口、齿块等其他連接方式，结构构造复杂，钢筋受损较多，预制、施工难度大，工业化优势降低，连接效果也难以保证。

（3）预制梁板的快速可靠连接。预制梁板之间的湿接缝钢筋连接一直是设计、施工中的难题，主要表现在以下3方面：①钢筋按规范搭接，湿接缝过宽。②钢筋按规范焊接，工作量过大。③采用其他连接，效果还在争议。

技术滞后困扰着预制结构的使用。

（4）桩板式道路整体系统设计。在成系统设计过程中，仍存在以下关键问题需要解决：①桩板式道路一联的合理桩距、合理长度、合理刚度、水平力分配、动力性能、抗震性能。②桩板式道路局部破坏的影响。③伸缩缝位置设置和功能选择。④预制梁板的标准分类和分型。⑤预制管桩的标准分类和选型。

改变公路道路的传统结构形式和传统建造方式，在理念变为现实的过程中，技术需要不断改进升级。

3 技术改进

针对存在的问题，装配化桩板式道路进行了系统性的技术改进，强化了基础理论和关键技术研究，建立了结构更完备、标准更齐全的技术体系。

3.1 一体化桩墩施工方法

基于力学动量定理和能量守恒定律，该文提出一种对公路桩板式道路一体化桩墩进行准确定量打入的方法，以及更为适用的锤击贯入度计算公式，应用于实际工程，针对不同土质的土层计算出相应的锤击贯入度控制值，用于控制打桩，取得理想实测效果，解决了传统方法终止打桩标准乱、成桩承载力不确定的问题，推动了预制管桩在公路工业化建造中的应用（如图3所示）。

3.2 预制桩与梁板的快速连接

历经对U型钢筋骨架现浇混凝土弹性连接铰、预制墩－板快速连接结构、3种筒形剪力撑连接结构、3种十字剪力撑连接结构进行的多轮论证、研究和试验，最新发展出的多重剪力键桩和板连接装置，具有综合技术优势，正在接受新一轮测试（如图4所示）。

在多重剪力键桩、板连接装置中，预制管桩和梁板就位后，剪力钢筋锚固于桩顶，上端套装于带肋剪力筒内。剪力螺栓上端定位于梁板内，下端挂连于剪力筒顶法兰盘底面。装置定位并封堵后，灌注填充料，形成桩、板连接。这一技术提高了梁板预制工业化程度，实现了桩、板快速连接。有限元计算和试验验证连接装置受力明确，安全可靠。连接装置也为以后的结构养护提供了便利条件。

3.3 免模板O型钢筋湿接缝结构

预制面板之间采用带托板的O型钢筋湿接缝进行连接。这种接缝结构由两排U型钢筋对向交叉形成O型钢筋结构，O型钢筋结构内设置多个支垫钢筋，在带底托的槽口内灌注混凝土，形成锚具式连接，由此改变了钢筋连接的传统模式和传力机理，实现了工厂预制构件的工地快速连接。

3.4 竖向限位伸缩缝

伸缩缝设置于支撑点外，可实现最大的连接标准化设计。但梁板端部需设置牛腿，且两梁端可能存在不协调位移，可能引起接缝错动变形。

为了解决该问题，在牛腿间设隐式支承装置，与竖向限位伸缩缝形成联合体，形成竖向限位伸缩缝。

竖向限位伸缩缝构件采用强度和刚度大、整体高度低的焊接型钢制造；滑动构件跨缝后套装于限位构件内，由限位构件进行导向和限位；构件套装后焊接于梁板顶预埋钢板上，形成整体结构。滑动构件兼做排污和排水槽（如图5所示）。

这一技术具有限位和伸缩双重功能，实现了两边梁板的竖向协同变形，解决了梁端跳车问题，对悬空设置的伸缩缝具有极好的适应性。

3.5 标准化预制梁板节段组

包括四种节段型式、两种端部构造（如图6所示）。节段采用标准化设计，梁板等高度，面板等厚度，湿接缝自带底托。同时，钢筋采用模块化配筋，形式为简洁的直线或U形。湿接缝U形筋交错布置。

由此，结构的加工和组装更简化，能更好地适应工业化建造模式对结构设计的要求。

这些最新发展的技术将进一步改进结构原有形式和工作机理，改善结构工作状态和安全状态，支持结构简洁设计和轻型设计，提高结构制造精度和装配速度，提供更好的安装、检测、维修和更换条件，实现了资源节约和造价降低的目标。

3.6 模块化系统加劲结构

由抱箍和连梁组成。构件采用焊接型钢制造。抱箍分为两半圆部分，贴附于墩身设计部位后，由螺栓进行紧固，并与连梁进行连接，形成整体结构。其结构具有多种功能：①可按模数以标准梁板加大结构跨径。②按钢板组合梁模式进行自架设施工。③用于对下部联合，形成结构制动墩。④提高结构适应性，方便升级承载力。⑤兼顾结构容错性，快速加固薄弱部。

由此，实现了桩板式道路的系统设计以及与工业化建造桥梁的系统对接，进一步保证了桩板式道路的安全耐久性和运营维护性。

4 结语

安徽省合肥—芜湖高速公路，拓宽改建工程，采用最新装配化桩板式道路，解决用地难题，兼顾处理软基。采用模块化构件，預制质量进一步改进。配套模块化的连接，安装效率进一步提高。安徽省合肥－枞阳高速公路，落实绿色公路建造理念，采用最新装配化桩板式道路12 km，建设性用地调配平衡，工业化建造模式升级。

公路的大规模建设正面临建设资源供应逐渐萎缩、环境保护投入日益加大的形势和困境。该文提出桩板式道路解决方案，形成了绿色公路建造模式，减少了对土地等资源的占用，实现了交通的可持续发展，解决了摆在行业面前的突出问题。

实施绿色公路建设，离不开以标准化、系统化、模块化、信息化为特征的工业化建造技术。工业化建造技术应持续改进，不断向产业化发展，以高质、高效的运转发挥集约、环保的优势。

参考文献

[1]夏文之. 兰新铁路第二双线多年冻土地区桩板式路基承载性状及变形特性研究[D]. 兰州：兰州交通大学， 2015.

[2]薛照钧. 铁路客运专线软弱地基低矮路堤采用无梁板桩柱结构技术研究[J]. 铁道工程学报， 2007（5）： 12-15.

[3]袁瑞， 郭庆超. 桩板式道路施工监控方案探讨[J]. 工程与建设， 2022（5）： 1473-1475+1481.

[4]周夏. 桩板式路基应用分析[J]. 公路与汽运， 2021（5）： 78-81.