PHC管樁在螺紋擠土樁基礎(chǔ)的補強應(yīng)用

張懿丹，韓 偉，張信貴，謝卓言

（1.廣西大學(xué)設(shè)計院有限公司，廣西南寧 530004；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004）

螺紋擠土樁的螺紋樁身結(jié)構(gòu)，可以通過螺牙與樁周土體的咬合作用，改變傳統(tǒng)樁土摩擦接觸的方式，增大樁的側(cè)阻力，且成樁過程中鉆桿對樁周土體進行擠壓，進一步提高了樁的承載力［1］。目前，關(guān)于螺紋擠土灌注樁的研究圍繞承載機理與擠土效應(yīng)兩方面展開。李志毅等［2-3］通過模型試驗研究螺紋樁在砂土中的承載特性，結(jié)果表明，在相同條件下螺紋樁的極限承載力約是普通直樁的1～4倍，在極限狀態(tài)下的平均樁側(cè)阻力是普通直樁的3～4倍；鄧益兵等［4］結(jié)合模型試驗與數(shù)值分析方法，提出螺旋擠擴鉆具在砂土下旋擠擴過程中，土體的徑向位移主要產(chǎn)生在2.5倍鉆徑范圍內(nèi)。但螺紋擠土灌注樁承載力計算與區(qū)域工程地質(zhì)、成樁施工技術(shù)的相關(guān)性高，故其在南寧泥巖地區(qū)仍處于探索性應(yīng)用階段。

管樁樁身強度高，成樁質(zhì)量優(yōu)，其作為擠土樁型的一種，亦常用作樁基礎(chǔ)或復(fù)合地基中的豎向增強體［5］。李林等［6］基于靜壓管樁的擠土效應(yīng)和成樁后土體再固結(jié)的基本原理，提出了靜壓管樁在天然飽和黏土地基中時變承載力的理論計算公式。王家全等［7］以鋁管制作模型樁，并根據(jù)現(xiàn)場勘察報告制備試驗土樣，于自行設(shè)計的可視化模型箱中研究管樁在靜壓和復(fù)壓過程中樁身軸力、位移以及樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律。

南寧泥巖地區(qū)某建筑工程中采用螺紋擠土灌注樁作為樁基礎(chǔ)，事前設(shè)計中過高估算承載力，加之樁基檢測相對施工存在滯后，導(dǎo)致建設(shè)場地內(nèi)出現(xiàn)樁基承載力不滿足設(shè)計要求的工程問題。為利用原有螺紋擠土樁基礎(chǔ)，并考慮擬建項目的工期進度，滿足建筑工程穩(wěn)定、安全及經(jīng)濟性的要求，采用管樁對螺紋擠土樁基礎(chǔ)進行補強，形成管樁-螺紋擠土樁復(fù)合地基。而當(dāng)前關(guān)于多樁型復(fù)合地基的研究中多以無黏性的柔性樁與半剛性樁進行組合［8-12］，以多種剛性樁復(fù)合地基的研究尚未見報道。故本文基于此工程項目背景，對螺紋樁承載力不足的原因、螺紋擠土樁與管樁組合復(fù)合地基的承載性能進行分析，以期可為類似樁基礎(chǔ)補強、多樁型復(fù)合地基設(shè)計提供參考。

1 原螺紋擠土灌注樁基礎(chǔ)分析

1.1 工程概況

南寧某項目位于廣西南寧市五象新區(qū)海暉和華威路交匯處附近，該項目擬建項目總建筑面積為61 440.28 m2，擬建建筑物有1#廠房（9層），高度為36 m，員工宿舍（12層），高度為44.6 m，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，埋置深度為-10.5 m。根據(jù)現(xiàn)場勘察及鉆探結(jié)果，擬建場地覆土層主要有第四系人工填土層（Q4ml）、第四系殘積層（Q4el）、下伏基巖為下第三系（E）沉積層。各巖土層自上而下依次為：①填土（Q4ml），厚度0.50～9.00 m，呈松散狀；②黏土（Q4ml），厚度1.50～5.30m，呈可塑狀；③粉質(zhì)黏土（Q4el），厚度5.90～9.10 m，呈硬塑狀；④粉砂質(zhì)泥巖（E③），呈強風(fēng)化特征。其物理力學(xué)參數(shù)、樁基設(shè)計參數(shù)建議值如表1、2所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表2 樁基設(shè)計參數(shù)建議值

1.2 樁基選型

從螺紋擠土樁、傳統(tǒng)鉆孔灌注樁與管樁對于擬建場地的適應(yīng)性和經(jīng)濟性兩方面來看，螺紋擠土樁的優(yōu)勢如下所述。

（1）與螺紋擠土樁干作業(yè)的施工方式相比，采用泥漿護壁的傳統(tǒng)鉆孔灌注樁工藝會使泥巖發(fā)生水巖作用而軟化或崩解，導(dǎo)致樁基承載力降低。而同樣采用干作業(yè)的長螺旋鉆孔樁，于本場地中級配不均、組分復(fù)雜的填土層上的進尺能力遠低于采用高扭矩低轉(zhuǎn)速的螺紋擠土樁工藝。

（2）采用錘擊或靜壓壓樁工藝的管樁，雖然相比灌注樁有較高的承載力，但填土層中存在孤塊石等障礙物易使管樁在壓樁過程中發(fā)生樁體破損，導(dǎo)致承載力無法發(fā)揮。

（3）螺紋擠土樁工藝采用螺紋鉆桿向下旋壓擠土成樁，且場地的土層均具有可擠密性，這使該工藝于本場地有更好的適用性。螺紋擠土樁本身具有特殊的螺紋結(jié)構(gòu)，其通過與樁周土的咬合作用提高樁基承載力，使螺紋擠土樁相比于傳統(tǒng)灌注樁有更高的承載力。

綜上比選，擬建工程采用螺紋擠土樁作為樁基礎(chǔ)中的基樁。

1.3 螺紋擠土灌注樁設(shè)計

擬建工程的螺紋擠土灌注樁單樁豎向極限承載力的初步設(shè)計根據(jù)《螺紋樁技術(shù)規(guī)程》（JGJIT 379—2016）4.3.4節(jié)的經(jīng)驗參數(shù)法［13］，并綜合《螺桿灌注樁技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 780—2020）［14］進行計算：

式中：Qsk為直桿段總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；u為樁身周長，m；qski為第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qpk為極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)，kPa；βsi為螺紋段第i層土的極限側(cè)阻力增強系數(shù)，可根據(jù)工程經(jīng)驗確定；li為直桿段穿過第i層土的土層厚度，m；Ap為螺紋樁外徑在樁端的投影面積，m2。

螺紋擠土灌注樁的直桿段直徑定500 mm的圓截面樁，螺紋段樁身外徑初始設(shè)定為500mm，內(nèi)徑為377 mm，螺距為400 mm，螺牙高度為61.5 mm，內(nèi)側(cè)螺牙厚度為100 mm，外側(cè)螺牙厚度為50 mm。樁端持力層擬定為強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，入巖深度根據(jù)螺紋樁機的扭矩及以往工程經(jīng)驗擬定為2～4 m。

根據(jù)勘察中各個鉆孔揭露的土層分布進行螺紋擠土樁的計算，粉質(zhì)黏土及強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖中設(shè)計為螺紋樁段，其中粉質(zhì)黏土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值增強系數(shù)βsi取1.7，強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值增強系數(shù)βs2取1.5。根據(jù)巖土物理學(xué)參數(shù)及樁基設(shè)計參數(shù)，以鉆孔ZK1為例進行承載力計算可知，試驗螺紋擠土灌注樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rk取為3 400 kN，特征值Ra取為1 700 kN。局部樁基布置如圖1所示。

圖1 螺紋擠土灌注樁基礎(chǔ)布置

1.4 螺紋擠土灌注樁承載力檢測

根據(jù)樁基檢測規(guī)范，對現(xiàn)場的6根螺紋擠土灌注樁進行靜力載荷試驗（圖2）。各試驗樁的荷載-沉降曲線如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場靜載試驗

圖3 試驗樁Q-S曲線

由圖3可知：1#、2#，5#試驗樁的荷載位移曲線為陡降型曲線，取陡降起止點作為單樁豎向極限承載力，分別為1 360、1 360、1 020 kN；3#、4#、6#試樁的荷載位移曲線為緩變型曲線，取S=40 mm對應(yīng)的荷載值為單樁豎向極限承載力，分別為1 020、1 640、1 091 kN。故試驗樁承載力均不滿足承載力設(shè)計要求。

1.5 螺紋擠土灌注樁承載力分析

根據(jù)試驗，螺紋擠土灌注樁的實際承載力僅達到設(shè)計值的29.41%～47.06%，其原因如下。

1.5.1 經(jīng)驗參數(shù)與工法不符

標(biāo)準(zhǔn)［13］、［14］中的單樁豎向極限承載力計算模型，將螺紋擠土灌注樁的側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值與樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值均對應(yīng)取為《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）［15］5.3.5中混凝土預(yù)制樁的側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值與端阻力標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù)，即認(rèn)為螺紋擠土灌注樁的擠土效應(yīng)與靜壓管樁或錘擊管樁的擠土效應(yīng)等效。而事實上，螺紋擠土樁與管樁在黏性土中的擠土效應(yīng)是有區(qū)別的，管樁壓樁過程中樁側(cè)土的位移以向下的位移為主，而螺紋擠土樁樁側(cè)土在螺紋鉆桿旋壓過程中主要以水平徑向位移為主。

1.5.2 鉆進對螺紋形態(tài)的影響

螺紋段在同步鉆進過程中，鉆桿由剛度較小的粉質(zhì)黏土層進入剛度較大的強風(fēng)化泥巖層時，螺紋樁機主泵壓力機主泵電流顯著增大，在強風(fēng)化泥巖層進尺困難，鉆桿每旋轉(zhuǎn)一周，鉆桿下降深度小于一個螺距，在同步鉆進階段出現(xiàn)非同步鉆進，即前一階段螺紋樁機正常形成的螺紋段隨著鉆桿不能同步鉆進而出現(xiàn)掃螺現(xiàn)象。而此時鉆機仍處于進尺工作狀態(tài)，鉆桿進一步加大了對螺牙間地基土的擾動，從而導(dǎo)致鉆進成螺質(zhì)量不佳，使螺紋擠土樁的樁側(cè)螺牙咬合作用無法發(fā)揮，降低了樁基的承載力。

1.5.3 樁端形式對承載的影響

根據(jù)現(xiàn)場試驗靜力載荷所得Q-S曲線可知，試驗樁加載至極限承載力設(shè)計值的40% ～70%時單級加載引起的沉降突增，各試驗樁沉降量統(tǒng)計如表3所示。由此可認(rèn)為，螺紋鉆桿成孔過程采用破巖鉆頭，下鉆過程使樁端泥巖層發(fā)生一定的破碎擾動，形成一定厚度的虛土，導(dǎo)致樁端承載力無法完全發(fā)揮，從而引起承載力試驗值遠低于設(shè)計值。

表3 試驗樁沉降值

2 管樁-螺紋擠土灌注樁復(fù)合地基分析

2.1 復(fù)合地基設(shè)計方案

補強方案總體設(shè)計為管樁-螺紋擠土灌注樁多樁型復(fù)合地基，管樁采用PHC-400-AB-95-C80先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。管樁與螺紋擠土灌注樁均采用正方形布樁，由于螺紋擠土灌注樁已經(jīng)施工其樁心間距為1 750 mm，面積置換率為m1=0.064；管樁樁心間距為2 300 mm，面積置換率為m2=0.024。復(fù)合地基的布置方案如圖4、5、6所示（以部分基礎(chǔ)為例）。

圖4 螺紋擠土灌注樁基布置

圖5 管樁-螺紋擠土灌注樁復(fù)合地基布置

圖6 管樁-螺紋擠土灌注樁現(xiàn)場成樁

經(jīng)現(xiàn)場試樁，管樁的Q-S曲線如圖7所示，3根管樁的Q-S曲線均未出現(xiàn)明顯陡降起始點（即第二拐點），均屬于緩變型曲線。經(jīng)綜合分析，1#、2#、3#豎向增強體抗壓極限承載力均不小于3 000 kN。故管樁單樁承載力極限取為3 000 kN，單樁承載力特征值取為1 500 kN。

圖7 管樁Q-S曲線

根據(jù) 《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79—2012）［16］中多樁型復(fù)合地基成承載力計算如下。

式中：fspk為螺紋樁與管樁的多樁型復(fù)合地基承載力特征值，kPa；λ1、λ2分別為螺紋樁、管樁的單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；m1、m2分別為螺紋樁、管樁的面積置換率；Ra1、Ra2分別為螺紋樁、管樁的單樁承載力特征值，kN；Ap1、Ap2分別為螺紋樁、管樁的截面面積，m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fsk為處理后復(fù)合地基樁間土承載力特征值，kPa。計算得出fspk=425.23 kPa，故本擬建工程復(fù)合地基承載力取為425 kPa。

2.2 復(fù)合地基承載力檢測及分析

根據(jù)《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 340—2015）［17］對現(xiàn)場的3個管樁-螺紋擠土灌注樁復(fù)合地基進行靜力載荷試驗，各試驗樁的荷載-沉降曲線如下圖所示。3個復(fù)合地基靜載荷試驗點的荷載-沉降（Q-S）曲線均未出現(xiàn)明顯陡降起始點（即第二拐點）的現(xiàn)象，各抽檢復(fù)合地基靜載荷試驗點的曲線屬于緩變型曲線。經(jīng)綜合分析，復(fù)合地基試驗點承載力特征值均為520 kPa，滿足設(shè)計承載要求。

由現(xiàn)場靜載數(shù)據(jù)及圖8中的Q-S曲線可知，3個試驗點的最大位移量分別為17.88、12.96、11.57 mm，沉降量??；樁間土回彈率分別為66.28%、70.99%、78.22%，可說明樁間土經(jīng)擠密后，壓縮量變小，樁間土承載力得到提高，承載力和變形可以滿足設(shè)計要求。

圖8 復(fù)合地基Q-S曲線

3 結(jié) 論

本文通過對南寧泥巖地區(qū)的多樁型復(fù)合地基現(xiàn)場試驗，結(jié)合區(qū)域工程地質(zhì)及施工工法分析承載結(jié)果，可得結(jié)論如下。

（1）螺紋鉆桿由黏土層進尺過渡到泥巖層時，由于黏土與泥巖存在較大的剛度差異，使鉆桿在鉆進過程中由同步鉆進向非同步鉆進過渡出現(xiàn)掃螺現(xiàn)象而無法成螺，這是螺紋擠土樁承載力不足的主要原因。

（2）采用標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 780—2020的承載力模型中計算參數(shù)對螺紋擠土樁進行承載力計算具有不適應(yīng)性，需要綜合考慮鉆進施工及區(qū)域地質(zhì)對計算模型進行修正。

（3）管樁、螺紋擠土樁兩種擠土樁型，對樁間土具有擠密效果，可提高樁間土體的地基承載力，并進一步提高管樁-螺紋擠土樁復(fù)合地基的承載力?，F(xiàn)場靜力載荷試驗結(jié)果表明，管樁-螺紋擠土樁組合復(fù)合地基能滿足建筑工程的承載力和變形的要求，可以進一步指導(dǎo)建筑工程地基基礎(chǔ)的設(shè)計與施工，為類似工程項目提供參考。

（4）作為地基處理中的豎向增強體，管樁、螺紋擠土樁兩種剛性擠土樁型有良好的適用性。