深厚填土地基螺杆桩加固处理应用研究

刘志明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

深厚填土地基螺杆桩加固处理应用研究

刘志明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

对福建省三明南站深厚填土地段进行螺杆桩设计施工，通过现场桩基检测，工程实践证明：加强施工管控，螺杆桩在深厚填土地基条件下具有很好的适用性，加固处理效果良好。

深厚填土;螺杆桩;地基加固;检测验证

近些年来，随着社会经济的快速发展，基础设施建设进入发展的快车道;建设标准的不断提高，更要求我们应不断推陈出新，采用适应性强、经济可行的方式来解决建设过程中产生的新问题，以推进基础设施建设现代化发展。螺杆桩工艺正是在这个大背景下推广发展起来的。现浇混凝土螺杆桩被广泛应用于铁路、公路、建筑等各个领域，取得良好效果。

1 作用机理、应用现状

螺杆桩全称半螺旋钻孔管内泵压混凝土灌注桩，是一种“上部为圆柱型，下部为螺丝型”组合式灌注桩。螺杆桩分直杆段和螺杆段，其作业过程可分别采用正向同步技术和正向非同步技术实现，现场作业过程视地质情况、设计要求选择适合的工法组合[1]。螺杆桩主要为通过桩体侧阻力发挥作用以实现其工程效用，即属于摩擦型桩，而桩体侧摩阻力的发挥与其受荷状态下桩的位移变形有关[2]。普通桩基桩侧阻力沿桩身的分布规律随深度而衰减，而螺杆桩则通过螺纹区段改变其桩体受力形态。结合螺杆桩施工工艺，其属于部分挤土桩，在施工过程中对周围软弱土体进行挤密加固，部分消除负摩阻力的影响。

根据1971年汤姆利逊(M.J.Tomlison)所提出的α理论：在相同条件下，桩的螺纹段在饱和黏性土中承载力是传统直线型桩承载力的1～5倍。α理论的核心内容表明：螺纹型桩桩周受力由摩擦力改变为剪切力，通过桩孔侧壁土的抗剪强度体现。当达到螺纹段极限状态时，其破坏形态为：沿螺纹段螺牙外围形成圆柱形剪切滑移面[3]。

在普通混凝土条件下，桩体截面积成为控制桩体承载力的首要条件[4]。螺杆桩正是结合桩体侧阻力上大下小的分布规律、螺纹段桩体受力形态特征及普通地层条件下地层上软下硬等条件，创新性予以应用发明[5]。作为一种新型变截面桩，螺杆桩综合了全螺纹桩及一般直线型桩的优缺点，该桩具有承载力高、适用范围广、工程造价低、施工效率高等优点。同时，与普通灌注桩相比，其不存在清底、护壁、塌孔等缺点，综合以上优点，近年得以在各个领域广泛推广使用。但将螺杆桩应用于深厚填土地层，国内暂无相关经验。

2 应用工程概况

某铁路位于福建省西部，设计时速200 km/h。该铁路途径区域沿线大部分为侵蚀构造地形，属于中低山地貌。受人多地狭影响，沿线城市多采用移挖作填形式开辟工业生活新区，勘测阶段受地形影响，所选择车站多位于城市边缘开发区范围，致使沿线多处车站站址范围普遍存在深厚填土地层，尤以三明南站为甚。

该车站原地貌为沙溪河漫滩及河流阶地，后辟为台江开发区，其上为人工填土，填土物质以开发区山体残坡积土为主，其间含碎砾石和少量建筑垃圾，无任何分选性，且其中砾石含量高，质地杂乱;填土地层层厚不均，无压实、孔隙率大，平均层厚11～14 m，最厚约16 m;填土下伏原沙溪河漫滩冲洪积厚层砂卵石层，力学性能指标较好。车站范围毗邻沙溪，地下水位较高，且水位变化大。根据设计情况，要求在该站场址填土地面基础上填筑13～16 m,以达到站场控制标高。该车站地基处理范围较广，且施工难度大，填土地层杂乱，设计阶段分别考虑CFG桩、钻孔灌注桩等常规加固方案，同时对比研究螺杆桩方案，认为螺杆桩方案有以下优点：

(1) 该车站地表深厚填土为新近填土且地层杂乱，砾石含量较高；结合以往经验及室内检算结果显示,CFG桩施工设备普遍扭矩较小，该段地层块砾石存在钻进困难，作业难度较大，成桩困难；钻孔灌注桩处理成本较大，且施工期长。

(2) 采用螺杆桩处理填土地基正符合其功用“上软下硬”特征，可有效发挥下伏天然地基的承载力。

(3) 螺杆桩钻机扭矩较大，对填土地层中间硬块进行挤排作用，加固深度有保证，且螺杆桩钻灌一体成桩速度快、功效高。

(4) 该车站站址范围位于城市周边，紧邻沙溪河，螺杆桩施工具有噪声小、排污低等优点。

最终确定采用螺杆桩方案对该车站填土路基进行加固处理，螺杆桩设计桩长4.0～20.5 m，桩底进入下伏硬层≥1.0 m，桩顶铺设0.5 m碎石+0.1 m中粗砂垫层，垫层内铺设单向土工格栅，直杆段长度控制约占1/3，螺杆段约占2/3，螺杆桩地基设计见图1。

图1 螺杆桩地基加固设计图Fig.1 Design drawing of foundation reinforcement of screw pile

3 现场试桩检测

根据现场实际情况及地层地质条件，在现场大面积施工前针对该站新近人工填土区开展工艺性试桩，试桩里程选择三个具有代表性断面，共计139根桩，试桩断面情况见表1。

表1 试桩断面

现场试桩检测试验主要包括：低应变检测、钻芯试验、静载试验三方面工作[6]。要求试验基桩成桩7天后进行低应变动力试验；试验基桩成桩28天后对其钻探取芯检测桩身无侧限抗压强度,并开展单桩地基载荷试验确定桩基加固效果。

3.1 低应变检测

低应变检测被用于检测本次试桩范围桩体桩身完整性，并判定桩身缺陷的程度及位置。本次试验前期进行10根检测，检测结果显示：检测螺杆桩桩基波速普遍达到3 800 m/s，但其中检出3根Ⅱ类桩，占抽样比例30%，比例偏高，未见Ⅲ、Ⅳ类桩。通过解译应变反射曲线显示：Ⅱ类桩反射曲线异常部位出现在桩顶下方1.8～2.5 m范围，因而排除变截面部位缩径产生的影响，考虑到属于桩体浅表范围异常，现场确定采取挖探以查明桩体具体缺陷状况，低应变检测Ⅱ类桩情况(图2)。

通过挖探反映：Ⅱ类桩桩体浅表直杆段表面存在混凝土不密实、气孔较多现象，后期及时调整，严格要求遵守作业流程，同时通过合理安排施工顺序，降低车辆机械走行对灌注桩体的扰动影响，后期追加检测结果较好。

图2 低应变检测Ⅱ类桩情况Fig.2 Low strain dynamic testing of class Ⅱ pile

3.2 钻芯试验

本次试桩阶段共进行3次钻芯试验，钻芯情况见照片1。钻芯完成后，分别截取芯样试件进行混凝土抗压试验，共截取10组岩芯进行试验(表2)。

钻芯试验结果显示：岩芯连续、完整，成桩质量较好，岩芯表面仅见少量气孔，桩身混凝土强度达到设计预期。

照片1 钻芯取样Photo 1 Core boring sampling

表2 钻芯取样混凝土抗压试验(MPa)

Table 2 Compression test of core boring sampling of concrete

试样最大值最小值平均值标准值1～1032．631．031．931．6

3.3 静载试验

本次试桩阶段共进行3次单桩竖向静载试验，试验加载方式为慢速维持荷载法，桩的每级荷载增量均为最大试验荷载的1/10，试验过程中为便于对比分析，针对本次试桩载荷采用统一试验荷载，即三个试桩断面中最大试验荷载2 540 kN，具体试验结果见表3、图3。

表3 静载试验结果

图3 载荷试验曲线Fig.3 Curve of loading test

现场载荷试验显示：试桩在最大试验荷载条件下未出现异常情况及明显沉降现象，桩基满足设计承载力要求，达到预期加固效果。

4 结论

(1) 各项现场测试结果反应：通过加强施工管控，螺杆桩作为一种大扭矩桩型，其应用在碎石、砾石、块石含量较高的填土地基具有通过能力强、适应性好的特点，且处理效果良好。

(2) 直杆段承受上部较大桩身轴力，而其施工质量易受外部干扰及灌注过程影响，应加强施工组织及作业管控，并加强现场试桩。

(3) 螺杆段工程性状主要靠桩基的螺牙与土体的机械咬合实现，而其与螺牙质量密切相关，现场施工过程应协调钻进、提钻速率及泵送压力，确保螺杆段施工质量。

(4) 下一步应深入研究针对不同填土环境螺牙间距、螺牙宽度及变截面深度等螺杆桩控制因素的适用性。

[1] DBJ46-026-20B,螺杆灌注桩技术规程[S].

[2] 钱德玲.变截面桩与土的相互作用机理[M].合肥:合肥工业大学出版社，2003.

[3] 彭桂皎,虞锋，石庆华，等.螺杆桩新技术设计及其应用[J].地基处理,2006(2):43-47.

[4] 王晓哲.螺杆桩螺纹段承载力计算方法与直杆段作用的探讨[J].地基处理,2009(2):3-8.

[5] 方崇,张信贵,彭雅皎,等.对新型螺杆灌注桩的受力特征与破坏性状的探讨[J].岩土工程技术,2006(6):316-319.

[6] JGJ106—2014,建筑桩基检测技术规范[S].

(责任编辑：陈文宝)

Application Research of Screw Pile in Deep Fill Foundation Reinforcement

LIU Zhiming

(ChinaRailwaySiyuanEngineeringGroupCo.Ltd,Wuhan,Hubei430063)

Through the design and construction of the screw pile in deep fill lots in a Fujian Province Sanming railway station,and by way of the field tests of the screw pile,the engineering practice has proved:by strengthening the construction management,the screw pile in deep soil foundation has good applicability,good reinforcement effect.

deep fill; screw pile; foundation reinforcement; verification

2015-03-13;改回日期:2015-04-15

刘志明(1982-)，男，工程师，硕士,道路与铁道工程专业，从事路基勘察工作。E-mail:81543944@qq.com

U213.1; TU753.3

A

1671-1211(2015)03-0323-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503018

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150506.1608.001.html 数字出版日期:2015-05-06 16:08