廣州地區(qū)螺桿擠壓灌注樁技術(shù)的應(yīng)用研究

鄒恩葵，田小霞，陳放鳴

（1、廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院 廣州510290；2、廣州市柏輝基礎(chǔ)工程有限公司 廣州511400）

0 前言

螺桿擠壓灌注樁作為一種新型的混凝土灌注樁，在成孔成樁時通過螺紋鉆桿對樁周土體螺旋狀擠壓，能改善樁間土物理力學(xué)性能，有利于提高樁側(cè)阻力。與傳統(tǒng)的鉆沖孔、旋挖灌注樁相比，樁側(cè)摩阻力有較大提高，能有效地提高單樁極限承載力［1，2］。

螺桿擠壓灌注樁成樁不需泥漿護(hù)壁，為干作業(yè)擠土灌注成樁。成樁質(zhì)量受地層變化的影響小，施工可控性較高。該樁的施工樁機(jī)具有旋挖樁機(jī)同等的大扭力，全螺桿鉆進(jìn)，具有較強(qiáng)擠土及入巖能力?；炷凉嘧⒉捎酶邏罕茫盟土颗c螺桿拔起速度采用同步控制技術(shù)，成孔、混凝土灌料一次完成，后置震動送入鋼筋籠到底。適應(yīng)于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜地層，能克服礫石地層施工鉆入困難，又可避免砂層、淤泥層易塌方的問題［3］。特別是在一些不利旋挖樁、預(yù)應(yīng)力管樁施工的復(fù)雜地層，具有成樁質(zhì)量穩(wěn)定，單樁承載力高的特點。螺桿擠壓灌注樁的一般構(gòu)造詳如圖1所示。

近年來，螺桿擠壓灌注樁在海南［4］、福建［5］、重慶［6］等省市的建設(shè)工程項目中得到了較為廣泛的應(yīng)用，多省、市相繼編著、出臺了相應(yīng)的地方技術(shù)規(guī)程。但在廣東省范圍應(yīng)用案例少，亦缺乏相關(guān)的技術(shù)規(guī)程。

圖1 螺桿灌注樁構(gòu)造Fig.1 The Construction of the Screw Grout Pile

本文以廣州市某高層住宅項目為依托，基礎(chǔ)采用螺桿擠壓灌注樁基礎(chǔ)，通過對該項目螺桿擠壓灌注樁基礎(chǔ)承載力設(shè)計，試驗樁的單樁承載破壞性試驗與工程樁靜載試驗結(jié)果，樁施工技術(shù)要點等方面的闡述與分析研究，為螺桿擠壓灌注樁在廣州地區(qū)的應(yīng)用提供參考與依據(jù)。

1 工程概況與地質(zhì)情況

1.1 工程概況

本工程為廣州市番禺區(qū)某住宅項目，設(shè)地下2層大底盤地下室，上部塔樓為5棟31層的高層建筑。總建筑面積約為93 802 m2，其中地下室面積約28 296 m2。塔樓上部結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用螺桿擠壓灌注樁基礎(chǔ)。

1.2 地質(zhì)情況

本場地主要工程地質(zhì)分層為:人工填土層（Qml）、沖積土層（Qal）、殘積土層（Qel），基巖（K）是白堊系的沉積巖類，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、砂巖。

〈1〉填土層（Qml）:松散，土質(zhì)均勻性一般。厚度1.10～2.80 m不等。

〈2〉沖積土層（Qal）:沖積土層按土性差異劃分為:〈2-1〉層淤泥/淤泥質(zhì)土、〈2-2〉層粉質(zhì)粘土、〈2-3〉層中細(xì)砂等3個亞層。

〈3〉殘積土層（Qel）:硬塑狀為主，局部可塑狀，具有遇水易軟化的特征。層厚4.20～15.90 m，平均10.58 m。

〈4〉基巖（K）

〈4-1〉全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖:本層局部缺失。巖芯呈堅硬土狀，局部夾強(qiáng)風(fēng)化夾層，具有遇水易軟化的特征。頂面埋深12.60～23.00 m，平均14.34 m，厚度1.30～17.00 m，平均4.80 m。

〈4-2〉層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖:本層局部缺失。巖芯多呈半巖半土狀及半巖狀，局部夾較多中風(fēng)化巖塊，具有遇水易軟化的特征。本層頂面埋深9.60～40.00 m，平均19.32 m；層厚為1.70～35.40 m，平均11.37 m。

〈4-3〉中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、砂巖:以泥質(zhì)粉砂巖和泥巖為主，巖石裂隙較發(fā)育，巖芯碎塊狀、塊狀混短柱狀為主，巖質(zhì)稍硬，巖石具泡水軟化、失水后開裂的特征。分布厚度不均勻，埋藏深度變化較大。本層頂面埋深15.50～56.10 m，平均29.34 m；揭露的層厚1.40（夾層）～13.00 m，平均5.11 m。

〈4-4〉微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、砂巖:泥質(zhì)膠結(jié)，主要以泥質(zhì)粉砂巖和砂巖為主，巖石具泡水軟化、失水后開裂的特征。分布厚度不均勻，埋藏深度變化較大。揭露的層厚 2.00～7.70 m，平均4.32 m。

2 單樁承載力設(shè)計

因螺桿擠土灌注樁在廣東省范圍應(yīng)用案例少，亦缺乏相關(guān)的技術(shù)規(guī)程，本文將根據(jù)《建筑樁基設(shè)計規(guī)范（廣東省標(biāo)準(zhǔn)）:DBJ 15-31-2016》［7］第10.2.3 條中樁基承載力特征值估算公式，對公式中的樁側(cè)摩阻力采用增強(qiáng)系數(shù)α 修正后，得到最終樁基承載力特征值的估算值。并通過對施工現(xiàn)場的2根試驗樁進(jìn)行單樁豎向承載力破壞試驗，以驗證樁基承載力特征值估算方法是否合理，由此最終確定該項目螺桿灌注樁基礎(chǔ)的單樁承載力特征值。

2.1 單樁承載力特征值計算

2.1.1 試樁相近位置基本地質(zhì)情況（見表1）

2.1.2 單樁承載力特征值估算

根據(jù)擠土樁成樁工藝、地層類別、物理指標(biāo)、截面尺寸和樁的入土深度與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，確定螺桿擠壓灌注樁單樁豎向承載力特征值，按式⑴估算［7］:

式中:u 為樁身截面周長；αi為第i 層土的樁側(cè)阻力特征值增強(qiáng)系數(shù)；qsia為第i層土層樁側(cè)的摩阻力特征值；li為第i 層土的厚度；qpa為樁端持力層端阻力特征值；Ap為樁端面積。

樁端端阻力特征值按3 500 kPa取值。

樁側(cè)阻力特征值增強(qiáng)系數(shù)αi根據(jù)土性特征取值［6，8］，初步確定，對黏土、粉土、密實砂土按可塑狀態(tài)取α=1.0～1.2；對松散～中密的砂土、礫砂、礫石、碎石、卵石、全風(fēng)化和強(qiáng)、中風(fēng)化巖按風(fēng)化程度取α =1.2～1.5。具體計算如表2所示。

經(jīng)初步估算，試驗樁S1、S2 的單樁承載力特征值估算值分別為3 018 kN與3 641 kN。

2.2 單樁豎向抗壓靜載試驗

在擬建筑場地內(nèi)施工2 根試驗樁S1、S2，進(jìn)行單樁承載力靜載破壞性試驗。采用慢速維持荷載法，預(yù)定最大試驗荷載為8 000 kN。每級加載為預(yù)定最大試驗荷載的1/16。

試驗樁單樁豎向靜載試驗結(jié)果如表3 所示，試驗樁的Q～s曲線和s～lgt曲線如圖2所示。

表1 試樁位土層基本情況Tab.1 Basic Information of Soil Layer in Test Pile Position

由試驗結(jié)果可知，試驗樁S1 和S2 在分別加載到6 000 kN、7 000 kN時，累計沉降量分別為37.70 mm 與36.84 mm，沉降量稍大，但Q～s曲線平緩，無明顯陡降段，s～lgt 曲線呈平緩規(guī)則排列，在各級荷載的作用下均能達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。故根據(jù)靜載試驗結(jié)果，單樁承載力特征值:試驗樁S1 為3 000 kN，試驗樁S2為3 500 kN。

2.3 單樁豎向承載力特征值確定

比較試驗前對單樁承載力特征值的估算值與試驗結(jié)果值，根據(jù)靜載試驗得到的螺桿擠壓灌注樁的單樁承載力特征值與通過考慮側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)的承載力特征值估算結(jié)果一致。因此，在無試樁結(jié)果的情況下，可按式⑴考慮側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行估算。

本工程最終確定單樁豎向抗壓承載力特征值按2 800 kN取值。

表2 試樁承載力特征值計算Tab.2 Bearing Capacity Characteristic Value of the Test Pile

表3 單樁豎向抗壓試驗結(jié)果匯總Tab.3 Summary of Vertical Compression Test Result of Single Pile

圖2 試驗樁Q～s和s～lgt曲線Fig.2 Q～s and s～lgt Curves of the Pile

3 螺桿擠壓灌注樁施工

螺桿擠壓灌注樁的施工質(zhì)量，主要取決于兩個方面:①螺桿樁機(jī)的性能及現(xiàn)場操作施工技術(shù)；②灌注混凝土的質(zhì)量。螺桿樁機(jī)與普通的長螺旋樁機(jī)在外觀上很相似，實際有本質(zhì)上區(qū)別:長螺旋樁機(jī)施工是以取土為主，螺桿樁機(jī)施工是以擠土為主；并且長螺旋機(jī)的鉆桿與螺桿樁機(jī)鉆桿也不同，動力頭功率也相差很大［9］。

3.1 螺桿樁機(jī)技術(shù)要求

要實現(xiàn)螺桿擠壓灌注機(jī)的擠土效應(yīng)與入巖能力，螺桿樁機(jī)的扭矩應(yīng)不少于42 kN·m，動力頭要求配備90 kW 直流電機(jī)2 臺，轉(zhuǎn)速為0～10 轉(zhuǎn)/min 可調(diào)，具備有可控制加壓系統(tǒng)，操作臺除正常操作鍵外，顯示屏能顯示動力頭轉(zhuǎn)速、動力頭電流（扭力）、鏈輪轉(zhuǎn)速（鉆進(jìn)速度）、鏈輪電流（加壓力）、鉆入深度等參數(shù)（見圖3），所有參數(shù)具有儲存、導(dǎo)出功能。

螺桿樁機(jī)要求能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的移動及不同地層的鉆入；要求樁機(jī)自重＞90 t、鉆入地層深＞25.0 m，鉆桿芯管≥300 mm，螺齒厚＞30 mm，螺距＞250 mm，鉆頭具備底開門裝置，并有較強(qiáng)的破巖能力。

圖3 樁機(jī)施工參數(shù)Fig.3 Pile Construction Parameter

3.2 施工操作技術(shù)

樁機(jī)操作時應(yīng)了解場地的地質(zhì)情況與樁的設(shè)計要求。當(dāng)螺桿鉆入粘土或全風(fēng)化巖層時，動力頭扭力電流增大，鉆進(jìn)速度明顯加快，說明螺桿鉆進(jìn)自攻向下。為防止抱死鉆桿停機(jī)，要增加鏈輪拉力，控制鉆進(jìn)速度。粘土、全風(fēng)化層很厚，當(dāng)鉆入一定深度時，要停止鉆進(jìn)，讓動力頭低速轉(zhuǎn)動，目的是防止螺桿摩阻力大拔不起來。

3.3 終孔技術(shù)指標(biāo)

螺桿鉆孔終孔深度須滿足兩個基本條件:①樁入巖深度要滿足設(shè)計要求；②樁端持力層要滿足設(shè)計要求。

當(dāng)鉆進(jìn)速度明顯減小，動力頭扭力電流開始上升，螺桿鉆進(jìn)開始進(jìn)入巖內(nèi)。圖4中，鉆孔深度是某時間點的深度值。由S1試驗樁附近鉆探地質(zhì)資料可知，0.0～8.3 m 為於泥，8.3～14.5 m為粘土，14.5 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，存在部分軟巖夾層。缺失全、強(qiáng)風(fēng)化巖層。根據(jù)施工參數(shù)曲線中的鉆孔深度判斷樁入巖深度是否滿足要求。

圖4 S1試驗樁施工參數(shù)曲線Fig.4 Curve of Test Pile Construction Parameter

設(shè)定螺桿鉆進(jìn)終孔最后1 min 鉆入深度為貫入度，通過貫入度值的大小變化反應(yīng)持力層巖石的風(fēng)化程度，可初步確定樁端持力層是否滿足設(shè)計要求。結(jié)合鉆孔地質(zhì)資料，不同風(fēng)化地層的貫入度參考值如表4（適應(yīng)軟質(zhì)巖體）所示。

動力頭扭力電流I動是鋼螺桿鉆入時，螺桿側(cè)阻力qsik與鉆頭端阻力qpk的綜合反應(yīng)。增加鏈輪電流I鏈時，鏈輪轉(zhuǎn)速V鏈與動力頭扭力電流I動變化。

表4 螺桿擠壓灌注樁貫入度參數(shù)Tab.4 Parameter of Penetration of the Soil Displacement Screw Pile

I動i+1-I動i=△I動，V鏈i+1-V鏈i=△V鏈，△V鏈/I動=n

⑴當(dāng)1＜n＜2時，鏈輪轉(zhuǎn)度V鏈增加明顯，動力頭電流I動增加不明顯，為強(qiáng)化風(fēng)化巖；

⑵當(dāng)0＜n＜1時，鏈輪轉(zhuǎn)度V鏈增加不明顯，動力頭電流I動增加明顯，為中風(fēng)化巖；

⑶當(dāng)n ∝0 時，鏈輪轉(zhuǎn)度V鏈增加很小，趨于0，動力頭電流I動增加明顯，為微風(fēng)化巖。

混凝土灌注成樁后，拔起螺桿，在鉆頭隙縫中取樣識別，最終確定樁端持力層是否符合設(shè)計要求。

3.4 灌注混凝土材料的要求

混凝土材料須添加緩凝劑，確保6～7 h不凝固，石料粒徑＜25 mm，檢測混凝土材料塌落度≥230～250 mm，拓展度＞550 mm?；炷亮贤７? h 后，塌落度不小于230 mm。流動性與粘聚性要好，混凝土料倒在平地上，不得有明顯石料堆積現(xiàn)象。

3.5 成樁質(zhì)量控制

螺桿擠壓灌注樁的主要成樁工藝流程為:螺桿鉆入土中?隨拔鉆隨泵壓混凝土?放入鋼筋籠?成樁［10］。

為確保螺桿擠壓灌注樁的成樁質(zhì)量，需要控制好混凝土的泵送量與拔樁速度。若混凝土泵機(jī)打送一泵的混凝土量為0.05 m3，拔鉆桿速度2.0 m/min，施工φ 600的樁，泵送混凝土量速度為12泵/min，確保灌注樁的連續(xù)性。

鉆孔復(fù)打，消除樁底沉渣。鉆孔灌注混凝土2.0 m后，停止灌注。再鉆進(jìn)到樁底，重新開始灌注混凝土直到樁頂面。

后置鋼筋籠，鋼筋籠吊起自然垂直，對準(zhǔn)樁中心下放。鋼筋籠下到樁底后，要注意觀測鋼筋籠是否樁中心，若有偏離，用協(xié)助工作挖機(jī)推震動桿，使鋼筋籠回歸中心位置。勻速慢拔震動桿，防止拔起震動桿時，桿端真空負(fù)壓力影響，造成樁縮頸。

4 工程樁施工情況

4.1 工程樁設(shè)計要求

根據(jù)場地地質(zhì)資料，單樁豎向承載力特征值按2 800 kN 取值，對工程樁有效樁長與樁端持力層做如下要求:①樁施工段存在全風(fēng)化巖時，施工樁有效樁長約為29.0～30.0 m，樁端入持力層強(qiáng)風(fēng)化不小于3.0 m。②樁施工段全風(fēng)化巖層薄或缺失時，樁長約為18.0～25.0 m，樁端入持力層強(qiáng)風(fēng)化巖不小于8.0 m 。③樁施工段強(qiáng)風(fēng)化巖層薄或缺失時，樁長約為15.5～18.0 m，嵌入持力層中風(fēng)化巖不小于2.0 m。

4.2 成樁質(zhì)量驗收

通過現(xiàn)場開挖檢驗，在電梯井基礎(chǔ)開挖基坑深6.0 m，可見樁身完整，樁徑均大于600 mm，如圖5 所示。并通過靜載試驗檢驗，單樁承載力滿足設(shè)計要求。

圖5 樁基礎(chǔ)成樁質(zhì)量Fig.5 The Quality of Pile

5 結(jié)語

⑴螺桿擠壓灌注樁擠土性強(qiáng)，樁側(cè)摩阻力有較大提高，能有效地提高單樁極限承載力，單樁承載力大于同樁徑的預(yù)應(yīng)力管樁。

⑵對地質(zhì)情況較為復(fù)雜或全、強(qiáng)風(fēng)化巖層缺失的場地，螺桿擠壓灌注樁具有較強(qiáng)擠土及入巖能力，能保證工程樁進(jìn)入設(shè)計要求的穩(wěn)定巖層。

⑶在廣州地區(qū)對螺桿擠壓灌注樁單樁豎向承載力特征值的估算，可通過對樁側(cè)的摩阻力乘以增強(qiáng)系數(shù)對樁側(cè)摩阻力進(jìn)行提高，增強(qiáng)系數(shù)建議根據(jù)土層性狀取值，對黏土按可塑狀態(tài)取值1.0～1.2；巖層按風(fēng)化程度取值1.2～1.5。

⑷螺桿擠壓灌注樁的成樁質(zhì)量可控性強(qiáng)。通過螺桿樁機(jī)的動力頭扭力、鉆進(jìn)速度、鉆桿加壓力和鉆入深度等施工參數(shù)的數(shù)字化顯示，根據(jù)對終孔貫入度的控制，可有效判定樁基的入巖深度與樁端持力層性質(zhì)，保證單樁豎向承載力滿足要求。