螺桿樁受力及施工技術(shù)要點(diǎn)

秦建衛(wèi)

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西太原 030001)

1 螺桿樁簡(jiǎn)介

螺桿樁主要以全螺紋灌注樁為基礎(chǔ)，根據(jù)樁身軸向受力由上向下逐步減小的規(guī)律研制而成的上部圓柱、下部螺紋的異形樁。與傳統(tǒng)的灌注樁、預(yù)制樁相比，具有土體適應(yīng)性好、無(wú)振動(dòng)、低噪聲、成樁速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

該樁型于2003年提出，由于其優(yōu)點(diǎn)顯著，很快得到廣泛應(yīng)用。

2 螺桿樁的承載機(jī)理

2.1 受力機(jī)理

螺桿樁的樁身由上部圓柱和下部螺紋段組成，上部圓柱段作用主要是樁側(cè)摩阻力，下部螺紋段作用主要由螺紋與樁側(cè)土體的咬合、螺紋段樁側(cè)土受壓后的反力、螺紋外徑與土的剪力、螺紋間直桿段的摩阻力組成，其中螺紋段外徑與土的剪力大于同等條件下的樁土摩擦力，由于樁與土復(fù)雜的相互作用，使得樁側(cè)土體應(yīng)力分擔(dān)更高，樁端荷載減少，樁和樁周土受力及變形更好的協(xié)調(diào)一致。螺桿樁復(fù)合地基由螺桿樁和褥墊層組成，由于螺桿樁成樁過(guò)程擠壓樁周土體，使得樁周土體形成三維應(yīng)力狀態(tài)，提高了樁周土體的強(qiáng)度，減小了樁與土的不均勻沉降變形。全螺紋樁的破壞主要在螺紋外徑與土的接觸處的抗剪強(qiáng)度達(dá)到土體抗剪強(qiáng)度后發(fā)生，螺桿樁則避免了這個(gè)問(wèn)題。螺桿樁上部圓柱段分擔(dān)了下部螺紋段的荷載，避免了達(dá)到抗剪強(qiáng)度而產(chǎn)生破壞，減少了樁長(zhǎng)。

2.2 承載力公式

螺桿樁強(qiáng)度主要由兩部分組成:上部圓柱與土的摩擦力、下部螺紋與樁周土的作用力、樁端與樁端土的作用力、螺紋段與樁端土的作用力。螺桿樁極限承載力Qu可表示為:

其中，qsi為樁側(cè)土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;li為樁穿越第i層土的厚度;u1為圓柱段樁身周長(zhǎng);u2為螺紋段內(nèi)徑樁身周長(zhǎng);qpi為螺牙處土的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qp為樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;Ap為螺紋段內(nèi)徑端面積;Api為第i層土螺牙的等效面積之和;φpi為螺牙極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的修正系數(shù)。

考慮到螺紋段阻力隨深度的逐漸減小，因此對(duì)螺紋段端阻進(jìn)行修正，修正后螺桿樁極限承載力表示為:

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

本工程為螺桿樁復(fù)合地基，設(shè)計(jì)樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)10.5 m～26 m(上部圓柱形樁長(zhǎng)為總樁長(zhǎng)的1/3)，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C45，樁頂均設(shè)C45混凝土擴(kuò)大樁帽，用正三角形布置，樁間距2.2 m。

3.2 設(shè)備及施工流程

該工程采用的設(shè)備見(jiàn)表1，下鉆時(shí)與長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)的施工流程基本一致，提鉆時(shí)反向旋轉(zhuǎn)同時(shí)泵送混凝土，反向旋轉(zhuǎn)至圓柱底標(biāo)高時(shí)直接提鉆形成上部圓柱，見(jiàn)圖1。

表1 螺桿樁施工采用的設(shè)備

圖1 螺桿樁施工流程圖

3.3 關(guān)鍵工序

1)螺桿樁成孔。鉆孔開(kāi)始時(shí)，向下移動(dòng)鉆桿至下開(kāi)門(mén)鉆頭觸及地面時(shí)，啟動(dòng)馬達(dá)鉆進(jìn)。一般應(yīng)先慢后快，這樣既能減少鉆桿搖晃，又容易檢查鉆孔的偏差，以便及時(shí)糾正。在成孔過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)鉆桿搖晃或難鉆時(shí)，應(yīng)放慢進(jìn)尺，否則較易導(dǎo)致樁孔偏斜、位移，甚至使鉆桿、鉆具損壞。鉆桿鉆進(jìn)速度0.6 m/min，轉(zhuǎn)數(shù)約3 r/min～7 r/min，下鉆過(guò)程中隨時(shí)觀(guān)察儀表持續(xù)電流控制在120 A～130 A(120 A左右)。

樁基自控系統(tǒng)要嚴(yán)格控制鉆桿下降速度和旋轉(zhuǎn)速度，使二者匹配，要求鉆桿旋轉(zhuǎn)兩周以下，下降一個(gè)螺距，鉆至螺桿樁直線(xiàn)段設(shè)計(jì)深度，在土中形成圓柱狀段;此后鉆桿旋轉(zhuǎn)一周，下降一個(gè)螺距，鉆至螺桿樁螺紋段設(shè)計(jì)深度，在土體中形成螺紋狀段。當(dāng)遇有障礙物時(shí)應(yīng)立即停鉆，清除障礙物后再重新鉆進(jìn)。在鉆至設(shè)計(jì)深度后，對(duì)于螺桿樁下段螺紋部分而言:反轉(zhuǎn)動(dòng)力頭隨之提鉆是同時(shí)進(jìn)行的，而且每旋轉(zhuǎn)出的高度等于提升裝置提升的高度。

2)提鉆泵送混凝土。螺桿樁成孔達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，停止鉆進(jìn)，鉆桿提升速度1.3 m/min，鉆桿提升30 cm～50 cm后開(kāi)始泵送混凝土。當(dāng)鉆桿芯管充滿(mǎn)混凝土后，螺桿樁機(jī)反向旋轉(zhuǎn)提升鉆桿，提鉆過(guò)程中自控系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格控制鉆桿提升速度和旋轉(zhuǎn)速度，順著已形成的土體螺紋軌跡，鉆桿反向旋轉(zhuǎn)，鉆桿其旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)和提升速度應(yīng)保持同步和匹配，勻速控制提管速度，要求鉆桿旋轉(zhuǎn)一圈，鉆桿上升一個(gè)螺距。與此同時(shí)泵送高壓的細(xì)石混凝土迅速填充由于鉆桿同步旋轉(zhuǎn)提升所產(chǎn)生的螺紋段空間。

3.4 控制要點(diǎn)

1)樁的施工順序應(yīng)從中間向四周進(jìn)行。同時(shí)根據(jù)樁的規(guī)格，宜先長(zhǎng)后短進(jìn)行施工。采取跳躍式施工，或采用控制凝固時(shí)間間隔施工，以防樁孔間竄漿。2)螺桿鉆具的旋轉(zhuǎn)速度與給進(jìn)速度必須具有穩(wěn)定的定比例傳動(dòng)關(guān)系，才能形成等螺距的螺紋孔，并能在不破壞螺紋孔的條件下將鉆具旋出;不同直徑的螺桿樁其螺距也不同，因此鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)速度和給進(jìn)速度應(yīng)能無(wú)級(jí)調(diào)速，才能實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速和不同螺距的任意匹配;鉆機(jī)也必須具有足夠大的輸出扭矩和加、減壓能力，才能將鉆具旋轉(zhuǎn)擠壓進(jìn)土層，再不排土的情況下形成螺紋孔。下鉆和提鉆過(guò)程中要嚴(yán)格控制鉆桿下降、提升速度和旋轉(zhuǎn)速度，使二者保持同步和匹配，以確保在土體中形成較好的螺紋段。3)泵送混凝土前，先用清水潤(rùn)管，再灌注砂漿確保泵管的氣密性，最后灌注部分混凝土進(jìn)行試通。盡量保證成樁的連續(xù)性，當(dāng)間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，要及時(shí)洗管。4)由于土層中有一砂層夾層，施工采用下開(kāi)門(mén)鉆頭。下開(kāi)門(mén)鉆頭的灌注閥門(mén)是由下而上打開(kāi)的，下鉆時(shí)閥門(mén)被土體擋住，提鉆時(shí)閥門(mén)便可自動(dòng)打開(kāi)，可以阻止砂層土對(duì)提鉆空間的填充。

4 結(jié)論及應(yīng)用前景

螺桿樁利用了樁側(cè)土的抗剪強(qiáng)度，提高了單樁承載力，成樁速度快，無(wú)污染，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和適用性統(tǒng)一;雖然螺桿樁設(shè)計(jì)計(jì)算理論有待進(jìn)一步完善，但作為一種新的樁型，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］彭奎森，馬石城.豎向荷載作用下螺桿樁受力特性分析研究［D］.湘潭：湘潭大學(xué)，2006.

［2］李成巍，陳錦劍.灌注螺紋樁承載機(jī)理與計(jì)算方法［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(6)：56.

［3］郭秦渭，王勝明，裴力劍，等.新型灌注樁——螺桿樁及在云南某工程中的應(yīng)用［J］.昆明冶金高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2011(9)：96.

［4］張 偉，彭振斌，李志平.螺桿樁在地基處理中的應(yīng)用［J］.地基基礎(chǔ)工程，2007(11)：89.

［5］范靜海，肖靜靜，潘堯鋒.螺桿樁技術(shù)及其應(yīng)用［J］.浙江建筑，2011(3)：135-137.