新型螺杆桩技术及其工程应用

龚　靖，刘　宇，徐佩洪

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网大连供电公司，辽宁 大连 116011)

新型螺杆桩技术及其工程应用

龚靖1，刘宇1，徐佩洪2

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网大连供电公司，辽宁 大连 116011)

摘要：螺杆桩是一种变截面异形新型桩。该桩型具有环保效果好、桩身质量可靠、承载能力较高、工程造价低、工期短等优点被广泛应用。本文介绍了螺杆桩技术、受力机理及成桩工艺，分析了螺杆桩极限承载力的计算方法，并以工程实例证明其计算方法对工程具有一定的指导作用。

关键词：螺杆桩；成桩工艺；极限承载力；工程应用

图1　螺杆桩常规形态

螺杆桩是一种“上部为圆柱形，下部为螺丝型”的组合式混凝土灌注桩(图1)，该桩及其成桩工法统称为“螺杆桩技术”。螺杆桩技术是在长螺旋钻孔灌注桩和日本钢纤维全螺纹预制桩的基础上研制成功的，它将生活常识中“螺丝钉比钉子牢固”的原理运用在桩基设计与施工中，使其更牢固的特点得以充分体现。[1]

目前国家电网公司所属的输变电工程桩基础设计大多采用常规的人工挖孔灌注桩、长螺旋钻孔压灌超流态混凝土灌注桩和预应力混凝土管桩，在复杂软弱土层地质条件下，如流塑状淤泥质土或饱和状粘土的软土地基，一般采用长螺旋钻孔压灌超流态混凝土灌注桩和预应力混凝土管桩。灌注桩常有清底困难、提钻塌孔、灌注混凝土缩径等成孔(桩)问题，遇上有较硬夹层的地基则只能采用预制管桩。但预制管桩投资较高，且在地基土硬夹层较厚时，由于施加桩体的应力过大，就会发生“爆管”现象。

螺杆桩是一种挤土式灌注桩，由于成桩工艺为采用全液压桩机钻具，不使用泥浆护壁，所以该桩具有不用清底、无上返土、无泥浆污染、无噪音、无振动、无弃土外运、无环境污染等绿色桩型的特点，同时还具有承载力高、施工速度快、节约混凝土等优点。

1螺杆桩特点

武汉大学城建学院提出了全螺纹灌注桩的设计理念及通过实际工程论证了该种桩型的可行性，并且与传统桩型进行了承载力和经济效益的比较：螺纹桩带有螺纹，能有效提高承载力，螺纹桩与传统直线型灌注桩的关系如同日常生活中螺丝钉与钉子之间的关系，与现有直线型桩相比具有显著的技术经济效益，由于螺纹钻杆螺牙问的泥土取代了部分混凝土，螺纹桩混凝土用量只有同直径直线型灌注桩的60%～70%；试验结果表明，螺纹桩极限承载力是同直径直线型灌注桩的2倍多。2004年东北大学工程力学所、中冶沈阳勘察研究总院和辽宁电力勘测设计院联合开展了预制螺旋桩基础的研究工作[8-9]。

海南卓典高科技开发有限公司推出《中国螺杆桩技术》，彭桂皎，虞锋等人于2006年发明了专利“半螺丝桩及其成桩工法”。螺杆桩是采用了变截面的构造形状，成孔过程中桩侧土体受到挤压、加密作用，成桩后部分土体形成螺纹，而桩侧土体形成螺母，桩体螺纹与桩侧土螺母紧密咬合，当桩顶受荷时，螺纹段的桩侧土“螺母”受到压缩，环状“螺母"的根部受到剪切，桩的承载力由直线段的侧阻力(摩阻力)、螺纹段的抗剪强度和桩端的端承载力组成，而螺纹段的抗剪力远远大于同等条件下的侧阻力，满足了附加应力的分布规律和应力分担比及刚度变化的要求，调整了土与桩之间的作用，桩侧土体应力分摊比及应力扩散度提高，桩端荷载减小，使桩身受力和土体受力协调一致。

2螺杆桩成桩工艺流程

螺杆桩成桩工艺为采用全液压桩机钻具旋转挤压土体泵压混凝土成桩。主要成桩工艺流程为(图2)：采用全液压设备将螺杆钻入土中→随提钻随泵压混凝土→放入钢筋笼(素混凝土桩无此工序)→成桩。

图2　成桩工艺流程(a)第一步：钻机对准桩位；(b)第二步：钻杆正向非同步钻进至直杆段设计深度；(c)第三步：钻杆正向同步钻进至桩底，形成桩的螺纹段；(d)第四步：在提钻同时泵机利用钻杆作为通道，保持额定泵压和泵速在高压状态下使混凝土形成螺纹状桩体和圆柱状桩体；(e)混凝土浇注完成后迅速插入钢筋笼，完成螺杆桩施工

该桩通过挤压土体成孔，随提钻随泵压混凝土的成桩工艺，有效地解决了一般灌注桩清底、塌孔、缩径等成孔(桩)问题。由于采用桩机钻具旋转挤压土体成孔，管内泵压混凝土成桩，施工和成桩质量不受地下水位的影响，所以螺杆桩更适合应用于地下水位较高的软土地基。

3螺杆桩极限承载力的计算方法

螺杆桩单桩竖向极限承载力是由直杆段、螺纹段、桩端三部分构成。螺杆桩直杆段总极限侧阻力标准值Qsk1是由桩土之间的摩阻力实现的，计算方法与传统灌注桩相同，Qsk1=u∑qsikli。

螺杆桩螺纹段总极限侧阻力标准值Qsk2是由桩的螺牙与土机械咬合作用力通过桩侧壁土的抗剪强度体现的，Qsk2=u∑τsili。

螺杆桩在成孔过程中对孔底有挤土作用，加之管内泵压混凝土有较高的压力，作用机理与预制桩相似。总极限端阻力标准值为Qpk=qpkAp。

针对三道门，一是应该坚持法治化导向，落实国家有关公平竞争审查制度的精神，建立健全公平竞争的审查机制。二是废止针对民营企业的各种不合理规定，消除影响民营企业健康发展的各种隐性壁垒。三是进一步转变政府职能，转变工作作风。四是围绕减轻民营企业负担的重点和难点问题，加强政策系统集成和制度创新，加快研究出台减负担、降成本的政策意见，尽最大努力让企业轻装上阵。

三部分相加螺杆桩极限承载力的计算公式为：

Quk=u[∑qsikli+∑τsjlj]+qpkAp，

(1)

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值(kN)；u为桩身周长(m)；qsik为直杆段桩侧第i层土极限侧阻力标准值(kPa)；τsj为螺杆段桩侧第j层土抗剪强度值(kPa)；qpk为桩的极限端阻力标准值(kPa)；Ap为桩端面积(m2)；li、 lj为桩的直(螺)杆段穿越第li(lj)层土的厚度(m)。

其中τsj=cj+σjtanφj(适用于粘性土，砂土cj=0)；σj为剪切滑动面上的法向应力(kPa)；cj为第j层土的粘聚力(kPa)；φj为第j层土的内摩擦角(°)。

但由于螺纹段的螺牙与周边土体的物理咬合作用，使螺杆桩的端阻力不仅局限于桩端阻力，而应加以考虑土体对螺牙的端阻力，故其端阻力也分为两分：Qpik和Qpk。螺杆桩的极限承载力计算表达式可定为：

(2)

式中：ηpi为螺纹极限端阻力标准值深度修正系数；ψpi为螺纹极限端阻力标准值修正系数；Api为第层土螺牙的等效面积之和[10]。

4螺杆桩在软弱下卧层地基的真型试验

试验场地所选择的地质类型为回填土、淤泥质土、有软弱夹层的土。结合实际工程，淤泥质土场地选择在“220千伏辽河变电站新建工程”。

辽河变电站工程地质概况及试验桩各层土厚度(见表1)。地基土桩基设计参数参见国标JGJ94-2008。

根据各钻孔土的物理指标及螺杆桩极限承载力的计算公式(1)计算辽河变电站各个钻孔层土的抗剪强度及螺杆桩单桩竖向极限承载力。并通过对各个钻孔层土单桩竖向极限承载力数据的整理，计算出有代表性的均值，推断出该区域螺杆桩单桩竖向极限承载力标准值应在1 400 kN左右较为合适。试桩可按理论计算的最大值要求最大加载量为3 200 kN。

表1　辽河变电站工程地质概况及试验桩各孔层厚度

试验桩采用直径为Ф500 mm的螺杆桩，混凝土强度等级为C30，最大桩长约为24 m(可根据试验现场实际土层适当调整)，直杆段不小于全长的1/3，螺杆段不小于3 d或1 500 mm。

共6根试验桩进行单桩竖向静荷载试验和低应变动力检测。将6根桩数据(见表1)带入公式(1)中，所得数据及结果见表2。

表2　6根试验桩用公式(1)计算的单桩极限承载力结果表

通过对6根单桩竖向极限承载力数据的整理，带入下式：

(3)

计算出得1 528 kN。预估单桩承载力极限值约为1 600 kN。

再把6根桩数据带入对桩端进行修正后的极限承载力公式(2)，对6根单桩竖向极限承载力数据的整理并带入下式：

=221.83+1177.58+125.7+461.2=1 986.31 kN.

(4)

计算得出极限承载力为1 987 kN。(公式系数取值见表3)

单桩竖向静荷载试验和低应变动力检测结果如表4。

表4　单桩竖向静荷载试验和低应变动力检测结果

螺杆桩工程真型试验结果，取1920kN为本工程单桩竖向抗压极限承载力。而依据公式计算的螺杆桩的极限承载力计算值为1987kN，可见该螺杆桩极限承载力计算公式对实际工程应用有一定指导作用。

5结论

螺杆桩随着我国岩土事业的发展而诞生，作为一种具有很高实用价值的新型桩，发展前景十分广阔，在我国基础工程建设中显示出强大的生命力。

通过现场静荷载试验结果及低应变检测分析，根据经验公式对修正公式的推倒，得出的主要结论和建议如下：

(1)在分析了螺杆桩的结构特点、受力特征的基础上，根据经验公式推导出螺杆桩的极限承载力确定公式，利用土体抗剪强度计算螺纹段侧阻力，并引入支盘桩和螺纹桩的极限端阻力标准值的修正系数、螺纹极限端阻力标准值的深度修正系数，进行修正；

(2)依托工程盘锦220 kV辽河变电站工程，螺杆桩作为一种新型桩，以独特的变截面设计与施工方法，使其成为一种环保、经济、承载性能高、质量可靠、适用广泛的桩基础；

(3)为了更好的推广使用螺杆桩新技术，建议还应该在不同地区开展应用试验积累设计、施工、运行经验，不断提高应用效果；

(4)在输变电工程应用螺杆桩技术时，对于地质条件比较复杂的地区，应有效措施确定不同分层土壤特性，确保设计计算准确性。

参考文献

[1]沈保汉，桩基础施工新技术专题讲座(九)螺纹灌注桩与螺杆灌注桩[J].工程机械与维修，2011(1):136-141

[2]董天文.螺旋桩基础力学特性与承载机理研究 [D].沈阳，东北大学.

[3]董天文，梁力，王明恕，张成金.极限荷载条件下螺旋桩的螺距设计与极限承载力计算 [J].岩土工程学报，2006，28(11)：2031-2034.

[4]董天文，梁力.竖向受压螺旋桩荷载位移函数解 [J].岩土工程学报，2007，29(10)：1483-1487.

[5]董天文，梁力，王炜，王明恕.抗拔螺旋桩叶片与地基相互作用试验研究 [J].工程力学，2008，25(8)：150-155.

[6]董天文，梁力，黄连壮，杨重光，王明恕.螺旋群桩基础承载性状试验研究 [J].岩土学，2008，29(4)：893-896.

[7]董天文，梁力，黄连壮，王明恕.螺旋桩基础抗拔试验研究 [J].岩土力学，2009，30(1)：186-190.

[8]吴敏，李波扬.全螺旋灌注桩螺纹桩竖向承载力初探 [J]，武汉大学学报(工学版)，2002，35(5)：109-112.

[9]李波扬，吴敏.一种新型的全螺旋灌注桩一螺纹桩 [J]，建筑结构，2004，34(8)：22-57.

[10] 张伟.新型螺杆灌注桩承载性能的研究 [D].四川：中南大学学报，2008.

New Type of Screw Pile Technique and Its Engineering Application

GONG Jing1，LIU Yu1，XU Pei-hong2

(1.Architectural Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Dalian Power Swpply Company of State Grid，Shenyang，Dalian，116011)

Abstract：The screw pile is a kind of new type pile with variable cross section and Special-shaped.The pile type has good environmental protection effect，reliable quality and high bearing capacity of pile，and the advantages of low construction cost，short construction period is widely used.This paper introduces the technology，working mechanism and the screw pile formation technology，screw the calculation method of ultimate bearing capacity of pile are analyzed，and proved that the calculation method on the engineering example has a certain guiding role.

Key words：Screw pile；Pile formation technology；Pile bearing capacity；Engineering application

收稿日期：2016-04-12

作者简介：龚靖(1966-)，女，吉林省吉林市人，东北电力大学建筑工程学院教授，博士，主要研究方向：主动结构及振动控制，钢结构理论及应用.

文章编号：1005-2992(2016)03-0091-05

中图分类号：TU473.1+1

文献标识码：A