新型螺桿樁技術(shù)及其工程應(yīng)用

龔　靖，劉　宇，徐佩洪

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116011)

新型螺桿樁技術(shù)及其工程應(yīng)用

龔靖1，劉宇1，徐佩洪2

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116011)

摘要：螺桿樁是一種變截面異形新型樁。該樁型具有環(huán)保效果好、樁身質(zhì)量可靠、承載能力較高、工程造價(jià)低、工期短等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。本文介紹了螺桿樁技術(shù)、受力機(jī)理及成樁工藝，分析了螺桿樁極限承載力的計(jì)算方法，并以工程實(shí)例證明其計(jì)算方法對(duì)工程具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：螺桿樁；成樁工藝；極限承載力；工程應(yīng)用

圖1　螺桿樁常規(guī)形態(tài)

螺桿樁是一種“上部為圓柱形，下部為螺絲型”的組合式混凝土灌注樁(圖1)，該樁及其成樁工法統(tǒng)稱為“螺桿樁技術(shù)”。螺桿樁技術(shù)是在長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁和日本鋼纖維全螺紋預(yù)制樁的基礎(chǔ)上研制成功的，它將生活常識(shí)中“螺絲釘比釘子牢固”的原理運(yùn)用在樁基設(shè)計(jì)與施工中，使其更牢固的特點(diǎn)得以充分體現(xiàn)。[1]

目前國(guó)家電網(wǎng)公司所屬的輸變電工程樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)大多采用常規(guī)的人工挖孔灌注樁、長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)混凝土灌注樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，在復(fù)雜軟弱土層地質(zhì)條件下，如流塑狀淤泥質(zhì)土或飽和狀粘土的軟土地基，一般采用長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)混凝土灌注樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。灌注樁常有清底困難、提鉆塌孔、灌注混凝土縮徑等成孔(樁)問題，遇上有較硬夾層的地基則只能采用預(yù)制管樁。但預(yù)制管樁投資較高，且在地基土硬夾層較厚時(shí)，由于施加樁體的應(yīng)力過大，就會(huì)發(fā)生“爆管”現(xiàn)象。

螺桿樁是一種擠土式灌注樁，由于成樁工藝為采用全液壓樁機(jī)鉆具，不使用泥漿護(hù)壁，所以該樁具有不用清底、無(wú)上返土、無(wú)泥漿污染、無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)棄土外運(yùn)、無(wú)環(huán)境污染等綠色樁型的特點(diǎn)，同時(shí)還具有承載力高、施工速度快、節(jié)約混凝土等優(yōu)點(diǎn)。

1螺桿樁特點(diǎn)

武漢大學(xué)城建學(xué)院提出了全螺紋灌注樁的設(shè)計(jì)理念及通過實(shí)際工程論證了該種樁型的可行性，并且與傳統(tǒng)樁型進(jìn)行了承載力和經(jīng)濟(jì)效益的比較：螺紋樁帶有螺紋，能有效提高承載力，螺紋樁與傳統(tǒng)直線型灌注樁的關(guān)系如同日常生活中螺絲釘與釘子之間的關(guān)系，與現(xiàn)有直線型樁相比具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，由于螺紋鉆桿螺牙問的泥土取代了部分混凝土，螺紋樁混凝土用量只有同直徑直線型灌注樁的60%～70%；試驗(yàn)結(jié)果表明，螺紋樁極限承載力是同直徑直線型灌注樁的2倍多。2004年?yáng)|北大學(xué)工程力學(xué)所、中冶沈陽(yáng)勘察研究總院和遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院聯(lián)合開展了預(yù)制螺旋樁基礎(chǔ)的研究工作[8-9]。

海南卓典高科技開發(fā)有限公司推出《中國(guó)螺桿樁技術(shù)》，彭桂皎，虞鋒等人于2006年發(fā)明了專利“半螺絲樁及其成樁工法”。螺桿樁是采用了變截面的構(gòu)造形狀，成孔過程中樁側(cè)土體受到擠壓、加密作用，成樁后部分土體形成螺紋，而樁側(cè)土體形成螺母，樁體螺紋與樁側(cè)土螺母緊密咬合，當(dāng)樁頂受荷時(shí)，螺紋段的樁側(cè)土“螺母”受到壓縮，環(huán)狀“螺母"的根部受到剪切，樁的承載力由直線段的側(cè)阻力(摩阻力)、螺紋段的抗剪強(qiáng)度和樁端的端承載力組成，而螺紋段的抗剪力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同等條件下的側(cè)阻力，滿足了附加應(yīng)力的分布規(guī)律和應(yīng)力分擔(dān)比及剛度變化的要求，調(diào)整了土與樁之間的作用，樁側(cè)土體應(yīng)力分?jǐn)偙燃皯?yīng)力擴(kuò)散度提高，樁端荷載減小，使樁身受力和土體受力協(xié)調(diào)一致。

2螺桿樁成樁工藝流程

螺桿樁成樁工藝為采用全液壓樁機(jī)鉆具旋轉(zhuǎn)擠壓土體泵壓混凝土成樁。主要成樁工藝流程為(圖2)：采用全液壓設(shè)備將螺桿鉆入土中→隨提鉆隨泵壓混凝土→放入鋼筋籠(素混凝土樁無(wú)此工序)→成樁。

圖2　成樁工藝流程(a)第一步：鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)樁位；(b)第二步：鉆桿正向非同步鉆進(jìn)至直桿段設(shè)計(jì)深度；(c)第三步：鉆桿正向同步鉆進(jìn)至樁底，形成樁的螺紋段；(d)第四步：在提鉆同時(shí)泵機(jī)利用鉆桿作為通道，保持額定泵壓和泵速在高壓狀態(tài)下使混凝土形成螺紋狀樁體和圓柱狀樁體；(e)混凝土澆注完成后迅速插入鋼筋籠，完成螺桿樁施工

該樁通過擠壓土體成孔，隨提鉆隨泵壓混凝土的成樁工藝，有效地解決了一般灌注樁清底、塌孔、縮徑等成孔(樁)問題。由于采用樁機(jī)鉆具旋轉(zhuǎn)擠壓土體成孔，管內(nèi)泵壓混凝土成樁，施工和成樁質(zhì)量不受地下水位的影響，所以螺桿樁更適合應(yīng)用于地下水位較高的軟土地基。

3螺桿樁極限承載力的計(jì)算方法

螺桿樁單樁豎向極限承載力是由直桿段、螺紋段、樁端三部分構(gòu)成。螺桿樁直桿段總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsk1是由樁土之間的摩阻力實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算方法與傳統(tǒng)灌注樁相同，Qsk1=u∑qsikli。

螺桿樁螺紋段總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsk2是由樁的螺牙與土機(jī)械咬合作用力通過樁側(cè)壁土的抗剪強(qiáng)度體現(xiàn)的，Qsk2=u∑τsili。

螺桿樁在成孔過程中對(duì)孔底有擠土作用，加之管內(nèi)泵壓混凝土有較高的壓力，作用機(jī)理與預(yù)制樁相似?？倶O限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為Qpk=qpkAp。

針對(duì)三道門，一是應(yīng)該堅(jiān)持法治化導(dǎo)向，落實(shí)國(guó)家有關(guān)公平競(jìng)爭(zhēng)審查制度的精神，建立健全公平競(jìng)爭(zhēng)的審查機(jī)制。二是廢止針對(duì)民營(yíng)企業(yè)的各種不合理規(guī)定，消除影響民營(yíng)企業(yè)健康發(fā)展的各種隱性壁壘。三是進(jìn)一步轉(zhuǎn)變政府職能，轉(zhuǎn)變工作作風(fēng)。四是圍繞減輕民營(yíng)企業(yè)負(fù)擔(dān)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，加強(qiáng)政策系統(tǒng)集成和制度創(chuàng)新，加快研究出臺(tái)減負(fù)擔(dān)、降成本的政策意見，盡最大努力讓企業(yè)輕裝上陣。

三部分相加螺桿樁極限承載力的計(jì)算公式為：

Quk=u[∑qsikli+∑τsjlj]+qpkAp，

(1)

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；u為樁身周長(zhǎng)(m)；qsik為直桿段樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；τsj為螺桿段樁側(cè)第j層土抗剪強(qiáng)度值(kPa)；qpk為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；Ap為樁端面積(m2)；li、 lj為樁的直(螺)桿段穿越第li(lj)層土的厚度(m)。

其中τsj=cj+σjtanφj(適用于粘性土，砂土cj=0)；σj為剪切滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力(kPa)；cj為第j層土的粘聚力(kPa)；φj為第j層土的內(nèi)摩擦角(°)。

但由于螺紋段的螺牙與周邊土體的物理咬合作用，使螺桿樁的端阻力不僅局限于樁端阻力，而應(yīng)加以考慮土體對(duì)螺牙的端阻力，故其端阻力也分為兩分：Qpik和Qpk。螺桿樁的極限承載力計(jì)算表達(dá)式可定為：

(2)

式中：ηpi為螺紋極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值深度修正系數(shù)；ψpi為螺紋極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值修正系數(shù)；Api為第層土螺牙的等效面積之和[10]。

4螺桿樁在軟弱下臥層地基的真型試驗(yàn)

試驗(yàn)場(chǎng)地所選擇的地質(zhì)類型為回填土、淤泥質(zhì)土、有軟弱夾層的土。結(jié)合實(shí)際工程，淤泥質(zhì)土場(chǎng)地選擇在“220千伏遼河變電站新建工程”。

遼河變電站工程地質(zhì)概況及試驗(yàn)樁各層土厚度(見表1)。地基土樁基設(shè)計(jì)參數(shù)參見國(guó)標(biāo)JGJ94-2008。

根據(jù)各鉆孔土的物理指標(biāo)及螺桿樁極限承載力的計(jì)算公式(1)計(jì)算遼河變電站各個(gè)鉆孔層土的抗剪強(qiáng)度及螺桿樁單樁豎向極限承載力。并通過對(duì)各個(gè)鉆孔層土單樁豎向極限承載力數(shù)據(jù)的整理，計(jì)算出有代表性的均值，推斷出該區(qū)域螺桿樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)在1 400 kN左右較為合適。試樁可按理論計(jì)算的最大值要求最大加載量為3 200 kN。

表1　遼河變電站工程地質(zhì)概況及試驗(yàn)樁各孔層厚度

試驗(yàn)樁采用直徑為Ф500 mm的螺桿樁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，最大樁長(zhǎng)約為24 m(可根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際土層適當(dāng)調(diào)整)，直桿段不小于全長(zhǎng)的1/3，螺桿段不小于3 d或1 500 mm。

共6根試驗(yàn)樁進(jìn)行單樁豎向靜荷載試驗(yàn)和低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)。將6根樁數(shù)據(jù)(見表1)帶入公式(1)中，所得數(shù)據(jù)及結(jié)果見表2。

表2　6根試驗(yàn)樁用公式(1)計(jì)算的單樁極限承載力結(jié)果表

通過對(duì)6根單樁豎向極限承載力數(shù)據(jù)的整理，帶入下式：

(3)

計(jì)算出得1 528 kN。預(yù)估單樁承載力極限值約為1 600 kN。

再把6根樁數(shù)據(jù)帶入對(duì)樁端進(jìn)行修正后的極限承載力公式(2)，對(duì)6根單樁豎向極限承載力數(shù)據(jù)的整理并帶入下式：

=221.83+1177.58+125.7+461.2=1 986.31 kN.

(4)

計(jì)算得出極限承載力為1 987 kN。(公式系數(shù)取值見表3)

單樁豎向靜荷載試驗(yàn)和低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果如表4。

表4　單樁豎向靜荷載試驗(yàn)和低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果

螺桿樁工程真型試驗(yàn)結(jié)果，取1920kN為本工程單樁豎向抗壓極限承載力。而依據(jù)公式計(jì)算的螺桿樁的極限承載力計(jì)算值為1987kN，可見該螺桿樁極限承載力計(jì)算公式對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定指導(dǎo)作用。

5結(jié)論

螺桿樁隨著我國(guó)巖土事業(yè)的發(fā)展而誕生，作為一種具有很高實(shí)用價(jià)值的新型樁，發(fā)展前景十分廣闊，在我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)中顯示出強(qiáng)大的生命力。

通過現(xiàn)場(chǎng)靜荷載試驗(yàn)結(jié)果及低應(yīng)變檢測(cè)分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)修正公式的推倒，得出的主要結(jié)論和建議如下：

(1)在分析了螺桿樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出螺桿樁的極限承載力確定公式，利用土體抗剪強(qiáng)度計(jì)算螺紋段側(cè)阻力，并引入支盤樁和螺紋樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的修正系數(shù)、螺紋極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的深度修正系數(shù)，進(jìn)行修正；

(2)依托工程盤錦220 kV遼河變電站工程，螺桿樁作為一種新型樁，以獨(dú)特的變截面設(shè)計(jì)與施工方法，使其成為一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、承載性能高、質(zhì)量可靠、適用廣泛的樁基礎(chǔ)；

(3)為了更好的推廣使用螺桿樁新技術(shù)，建議還應(yīng)該在不同地區(qū)開展應(yīng)用試驗(yàn)積累設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不斷提高應(yīng)用效果；

(4)在輸變電工程應(yīng)用螺桿樁技術(shù)時(shí)，對(duì)于地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地區(qū)，應(yīng)有效措施確定不同分層土壤特性，確保設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

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New Type of Screw Pile Technique and Its Engineering Application

GONG Jing1，LIU Yu1，XU Pei-hong2

(1.Architectural Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Dalian Power Swpply Company of State Grid，Shenyang，Dalian，116011)

Abstract：The screw pile is a kind of new type pile with variable cross section and Special-shaped.The pile type has good environmental protection effect，reliable quality and high bearing capacity of pile，and the advantages of low construction cost，short construction period is widely used.This paper introduces the technology，working mechanism and the screw pile formation technology，screw the calculation method of ultimate bearing capacity of pile are analyzed，and proved that the calculation method on the engineering example has a certain guiding role.

Key words：Screw pile；Pile formation technology；Pile bearing capacity；Engineering application

收稿日期：2016-04-12

作者簡(jiǎn)介：龔靖(1966-)，女，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院教授，博士，主要研究方向：主動(dòng)結(jié)構(gòu)及振動(dòng)控制，鋼結(jié)構(gòu)理論及應(yīng)用.

文章編號(hào)：1005-2992(2016)03-0091-05

中圖分類號(hào)：TU473.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A