螺紋成孔灌注一體成樁施工技術(shù)

黃煌，李月霞，段云峰，古思

（重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015）

0 引言

樁基礎(chǔ)是工程中應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)形式，常見的有上部圓柱形而下部螺紋形的“螺桿樁”，以及全樁身螺紋形且上部成樁可以根據(jù)承載力需要進(jìn)行變截面直徑調(diào)整的 “變徑全螺紋灌注樁”[1]。螺紋樁的設(shè)計(jì)以螺釘受力原理為基礎(chǔ)，借鑒了“高強(qiáng)度鋼纖維混凝土全螺紋預(yù)制樁”的技術(shù)特點(diǎn)，在我國最早于2003年開始嘗試使用[2]。

1 技術(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)圓柱形灌注樁相比，螺紋成孔灌注一體樁具有很多技術(shù)優(yōu)勢[3]：

1）提高單樁承載力，減少樁身沉降。降低成本，節(jié)約基礎(chǔ)工程造價(jià)。運(yùn)用擠土密實(shí)效應(yīng)，通過樁側(cè)螺牙增大與地基的摩擦，提高樁側(cè)摩阻力。通過大量的試驗(yàn)和觀測記錄，螺紋樁與同直徑灌注樁相比，單樁承載力可以提高30%以上。螺紋成孔灌注一體成樁施工簡單快捷，可單機(jī)完成，降低機(jī)械成本。同等條件下，螺紋樁與普通灌注樁相比可縮短樁長，減小樁直徑和減少樁數(shù)，可節(jié)約基礎(chǔ)工程造價(jià)20%～30%。

2）一體成樁，提高了成樁效果。螺紋成孔灌注一體成樁施工過程運(yùn)用機(jī)械扭矩?cái)D壓成孔、鉆桿中心壓灌混凝土和后置鋼筋籠，實(shí)現(xiàn)一體成樁，提高了成樁質(zhì)量和效率。

3）綠色施工。螺紋成孔灌注一體成樁施工過程中，基本不排土不排漿，根本解決了余土外運(yùn)、泥漿污染問題，并且無振動(dòng)、低噪音、不擾民，節(jié)能節(jié)材，做到綠色施工。

4）適應(yīng)性強(qiáng)。螺紋樁運(yùn)用獨(dú)特的施工工藝，不受地下水和淤泥、流砂層影響，對于不同土質(zhì)有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能更好地應(yīng)用在地質(zhì)條件特殊的基礎(chǔ)施工中。

2 技術(shù)原理

常見的螺紋樁成樁設(shè)備主要由螺紋樁機(jī)、混凝土輸送系統(tǒng)和輔助自動(dòng)化智能系統(tǒng)等部分組成（圖1）。

圖1 螺紋樁鉆機(jī)

螺紋成孔灌注成樁施工利用鉆桿作為護(hù)壁并通過鉆桿中心壓灌混凝土和后置鋼筋籠，實(shí)現(xiàn)一體成樁，提高了成樁質(zhì)量。利用樁機(jī)自動(dòng)控制鉆桿下降、提升速度與旋轉(zhuǎn)速度同步，每旋轉(zhuǎn)一周，鉆桿下降或提升一個(gè)螺距，形成帶螺紋的樁體；當(dāng)鉆機(jī)采用鉆桿旋轉(zhuǎn)速度與提升速度不同步而去掉樁側(cè)螺牙，形成不帶螺牙的樁身。

螺紋樁成樁方法屬擠土樁，成孔過程中產(chǎn)生擠土效應(yīng)，對土體擠壓密實(shí)，使其產(chǎn)生螺紋段形成“螺母”，樁側(cè)螺牙與土層“螺母”形成緊密的“機(jī)械咬合”，實(shí)現(xiàn)樁土共同作用，產(chǎn)生極大摩阻力，從而提高樁承載力和抗震能力。

3 螺紋樁的受力特點(diǎn)

螺紋樁在實(shí)際工程中的應(yīng)用引起了學(xué)者的注意，方崇[2]根據(jù)螺桿樁的研究現(xiàn)狀結(jié)合靜載試驗(yàn)資料，介紹了螺紋樁的結(jié)構(gòu)并分析了其受力和破壞特征。徐春華、張小冬等[4]通過ABAQUS有限元對螺紋樁受力特性進(jìn)行了模擬，探究了螺紋樁周圍土體應(yīng)力情況及設(shè)備參數(shù)對其承載能力的影響。李紅文[5]從成樁形態(tài)、破壞機(jī)理、受力模型方面對螺紋樁的承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行了初步探討。

螺桿樁的承載力可以視為四個(gè)部分的疊加：上、下部樁身的側(cè)摩阻力、下部螺紋的端阻力以及樁底端阻力。目前螺紋樁的承載力計(jì)算參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）中普通灌注樁的計(jì)算方法。據(jù)學(xué)者研究[1]，桿與螺紋的分段存在一個(gè)“黃金分割點(diǎn)”，以保證其分段的比例應(yīng)符合樁身附加應(yīng)力的分布規(guī)律。樁土之間的相對位移對螺紋樁側(cè)摩擦阻力的大小起主要影響，側(cè)摩阻沿樁身分布，理想條件下均勻發(fā)揮作用。同時(shí)帶螺紋部分的螺紋端阻力則由樁的中下部分開始發(fā)揮作用，螺紋端阻力的大小主要由樁的沉降量決定，兩者近似成正比關(guān)系。樁頂荷載通過摩阻力傳遞到土層中，螺紋樁對周圍的土體產(chǎn)生剪切應(yīng)力。剪切應(yīng)力對土體的作用使其發(fā)生相對樁身的沉降，土體在剪切應(yīng)力的作用下持續(xù)變形并構(gòu)成“土拱結(jié)構(gòu)”，導(dǎo)致土體應(yīng)力重分布。樁身螺紋與樁體之間存在一定角度，發(fā)生沉降時(shí)，螺紋齒沿斜下方擠壓土體向更廣的范圍變形擴(kuò)展，直到上層螺齒擠壓的土體影響到了下層螺齒的周圍土體，最終導(dǎo)致樁周土體連接成整個(gè)沉降滑移面出現(xiàn)沉降極限。此時(shí)螺紋樁底端阻力達(dá)到最大值并導(dǎo)致樁底出現(xiàn)張拉應(yīng)力。綜上可知，相同條件下的螺紋樁極限承載力遠(yuǎn)大于普通圓樁。而在一定范圍內(nèi)，螺紋樁的極限承載和控制沉降的能力隨著螺距減小逐漸增強(qiáng)[6-7]。當(dāng)樁周土的密實(shí)度增大時(shí)，螺紋樁極限承載力增大的幅度要比普通圓樁大得多[8-9]。

4 施工步驟

1）樁機(jī)就位，對準(zhǔn)樁芯雙向控制垂直度。

2）下鉆時(shí)對準(zhǔn)樁位，樁機(jī)控制鉆桿下降速度、提升速度與旋轉(zhuǎn)速度，每旋轉(zhuǎn)一周，鉆桿下降或提升一個(gè)螺距，擠壓土體形成螺紋段直至設(shè)計(jì)深度，完成樁孔。

3）當(dāng)螺紋樁設(shè)計(jì)為全部帶螺牙時(shí)，鉆桿順著螺紋軌跡反向旋轉(zhuǎn)提升，提升速度與反向旋轉(zhuǎn)速度同步；當(dāng)螺紋樁設(shè)計(jì)為部分帶螺牙時(shí)，提鉆時(shí)正向旋轉(zhuǎn)或直接提升（除去螺牙）產(chǎn)生圓柱空間。提鉆的同時(shí)泵機(jī)利用鉆桿管芯為通道，泵壓混凝土至鉆桿頂高，從鉆頭閥門高壓泵出。

4）混凝土澆筑完畢，采用后置方式將套入振動(dòng)管的鋼筋籠沉入樁身混凝土中，形成鋼筋混凝土螺紋樁。

5 施工質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)

1）施工過程，利用鉆機(jī)控制系統(tǒng)，控制鉆桿下降、提升速度與旋轉(zhuǎn)速度同步，每旋轉(zhuǎn)一周，鉆桿下降或提升一個(gè)螺距，形成帶螺紋的樁體。

2）由于螺紋樁是擠土樁，施工過程中產(chǎn)生擠土效應(yīng)。施工順序應(yīng)考慮樁間距、地質(zhì)和周圍建筑物的情況，按流水法分區(qū)施工；較密集的布樁宜采取從中間向四周成排推進(jìn)；當(dāng)靠近既有建筑物時(shí)，宜從毗鄰建筑物的一側(cè)開始由近及遠(yuǎn)施工；宜先長后短、先低后高施工；當(dāng)樁距小于1.5m且地下有松散砂層時(shí)，應(yīng)采取跳躍式施工，或采用凝固時(shí)間間隔施工，減少螺紋樁施工成孔的擠土效應(yīng)。

3）嚴(yán)格控制混凝土原材料級(jí)配，保證具有良好的和易性，坍落度控制在160～220mm，確?；炷猎诔跄颁摻罨\能順利沉入樁體內(nèi)。每根樁的實(shí)際灌入量不得小于理論計(jì)算量，充盈系數(shù)一般在1.0～1.2之間為宜。

4）鋼筋籠采用后置式安裝，應(yīng)保證鋼筋籠具有足夠的剛度，在搬運(yùn)、吊裝和振動(dòng)下沉?xí)r，防止變形。為保證鋼筋籠保護(hù)層的厚度和安裝時(shí)位于樁中心，沿鋼筋籠的延長米每隔2m分別設(shè)置一道耳筋，每道耳筋的數(shù)量不少于4個(gè)，且沿環(huán)向均勻布置。

6 工程實(shí)例

某工程在基礎(chǔ)施工中采用該施工技術(shù)。在施工中利用鉆桿作為護(hù)壁并通過鉆桿中心壓灌混凝土和后置鋼筋籠，實(shí)現(xiàn)一體成樁，提高了成樁效果。利用同步原理形成帶螺紋的樁體；而非同步原理形成不帶螺牙的樁身，提高了單樁承載力。采用一臺(tái)螺紋樁基作業(yè)，使樁基施工作業(yè)周期控制在20天左右，相比傳統(tǒng)施工技術(shù)可提前約20天完成。

該技術(shù)具有適應(yīng)多種土層、單樁承載力高、成樁質(zhì)量穩(wěn)定、施工效率高、造價(jià)低，無泥漿污染，對周邊環(huán)境干擾小的特點(diǎn)，促進(jìn)了施工管理水平，推動(dòng)了行業(yè)進(jìn)步。

7 結(jié)論

螺紋成孔灌注一體樁以其自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和施工工藝，具有承載能力大、沉降小、抗震性能好的力學(xué)特點(diǎn)；設(shè)計(jì)上可以應(yīng)用于常見的多種地質(zhì)地層以及復(fù)雜地質(zhì)條件；對于一定的承載力要求，可以縮短樁長、減少單位樁數(shù)、節(jié)省配筋、節(jié)約工期，經(jīng)濟(jì)效益明顯；施工過程簡潔高效，一方面節(jié)省了勞動(dòng)力，另一方面提高了施工質(zhì)量；在環(huán)保方面，螺紋樁施工無震動(dòng)、不排泥漿、噪音小，符合綠色施工的要求。螺紋樁相比普通圓樁具有多方面的優(yōu)勢，值得大力推廣使用。