半螺杆桩在建筑中的应用研究

汪海洋

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092

1 前言

半螺杆桩的主要构造特征为上部为圆柱桩体、下部为螺旋状桩体，与传统桩型相比，在桩基的下半部增加了螺旋结构。由于结构形式的改变，桩土作用模式也随之改变。由于螺旋体的存在，螺旋体与桩周岩土体紧密咬合、牢固粘联，且钻进过程中还产生了挤密作用。半螺杆桩施工方式为钻进施工，混凝土灌注方式为通过中空钻杆直接贯入、一次性成型，无需泥浆护壁，也不会发生塌孔事故。因此，半螺杆桩桩身与岩土体之间无泥皮，桩体与周边岩土体直接接触，可有效利用桩周岩土体的侧阻力；桩底无沉渣，可有效利用桩底岩土层的端阻力；桩体质量好，发生断桩等事故的概率低，桩体自身强度高。由于上述优势，在同等混凝土用量下，该桩型可有效提高桩基承载能力。

该桩型施工时无噪音污染、排出渣土量少、无泥浆排放，环境效益好。

根据国内已有的工程经验，除中～微风化岩层外，该桩型能钻入大部分岩土层，尤其擅长钻透土夹卵（碎）石层、橡皮泥等特殊土层，证明了该桩型地层适应性强。

2 半螺杆桩的构造和受力机理

2.1 构造

半螺杆桩是采用带有钻孔与旋转同步自控装置的螺杆桩钻机和特制的螺纹钻杆设备成孔成桩［1］。其钻杆结构体系详见图1，钻杆为特殊钢管材料，螺纹由高强度金属材料围绕钻杆焊接而成。由于半螺杆桩既有摩擦力，又有螺纹的端承力，因此螺杆桩稳定性好、抗震性强、抗拔性能好、螺杆桩承载力比普通灌注桩大［2］。

图1 钻杆构造示意图

根据深圳地区同类工程经验，半螺杆桩的直径、螺旋体的螺纹高度、螺纹间距等均有一定的最佳范围。其中桩径以0.4～0.5m 为宜，螺纹高度以0.05m 左右为宜，螺纹间距以1.0～1.5D 为最佳。

2.2 受力机理

半螺杆桩桩体为变截面灌注桩，上部为圆柱体、下部为螺纹体，上下两段在受力性状不同。根据收集的试桩材料，该桩型的承载力由四部分组成，分别为：上部圆柱体的侧摩阻力、下部螺纹体的侧摩阻力、螺纹部分的端阻力和桩端阻力［3］。上述四种作用力的发挥时间与发挥比例与上部荷载的加载方式、荷载大小有关，一般不会同时发挥作用。在上部荷载的作用下，上部圆柱体侧阻力先发挥作用；当上部桩体与桩侧岩土体产生一定的相对位移时，下部螺纹体的侧摩阻力和螺纹端阻力开始发挥作用；等下部螺纹体与桩侧岩土体的相对位移达到一定程度时，桩端阻力开始发挥作用。桩端阻力的发挥比例与上部荷载大小密切相关。

（1）上部圆柱体的受力机理

半螺杆桩上部圆柱体的构造特征及受理机理与传统灌注桩基本一致。但半螺杆桩成桩方式不同，其承载能力也有所改善。主要原因在于半螺杆桩采用螺旋钻进成孔，且通过钻杆直接贯入混凝土成桩，无需泥浆护壁，也就不存在泥皮，桩体本身与桩周岩土层直接接触。

半螺杆桩桩侧摩阻力的传递顺序为：桩顶荷载-桩体-桩侧岩土层［1］。具体表现为：当桩顶受压时，桩体上部产生弹性变形，桩体产生沉降，在这两者的共同作用下，桩体与桩周岩土之间产生相对位移，相对位移越大，侧摩阻力发挥的越充分。

需要指出的是，桩侧阻力不是瞬间充分发挥的，桩顶加载初期，桩体的沉降及变形均较小，只有桩顶处的桩体产生相对位移，侧摩阻力也只是在此处发挥，随着桩顶荷载的不断增大，桩侧阻力不断向深部传递。

（2）下部螺旋体的受力机理

与常规灌注桩的成孔、成桩方式不同，半螺杆桩是通过螺纹钻探钻进挤压成孔，且在螺纹段形成螺纹，桩身混凝土也是通过钻杆直接贯入［1］。因此，半螺杆桩的受理方式也存在差异，主要表现在新增了螺纹阻力及桩体的挤压作用力。由于螺纹体分布于桩体下部，该部分的侧阻力要滞后于上部圆柱体发挥。

①螺纹阻力。根据螺纹体的构造，螺纹面为斜截面，桩体通过螺纹面作用在岩土体上的作用力可分解为平行于桩体的竖向力和垂直于桩体的法向力，相对应的，岩土体对桩体螺纹面的支撑力也可分解为竖向力和法向力。由于螺纹面一般倾角一般较小，岩土体对桩体螺纹面的竖向作用力一般大于法向作用力。

②挤密作用力。由于半螺杆桩是通过螺纹钻探钻进挤压成孔，钻进过程中，钻杆对周围土体产生挤密作用，且由于桩身混凝土为通过钻杆一次性成型，挤密作用力消散缓慢，能够得到有效发挥。螺纹体螺纹面的的阻力可以当做端阻力，而螺杆处的阻力则仍为侧摩阻力。综合分析，螺杆体的受力可理解为端承摩擦力。

3 半螺杆桩的承载力计算方法

半螺杆桩的单桩承载力极限标准值计算公式如下：Quk=Qsk1+Qsk2+QPK=u∑αiqsiklI+u∑βiqsiklI+qpkAp［4］

式中：Qsk1-单桩上部直杆段总极限侧阻力标准值；

Qsk2-单桩下部螺纹段总极限侧阻力标准值；

QPK-单桩总极限端阻力标准值；

qsik-单桩直杆段第i 层土的极限侧阻力标准值，可按《福建省螺杆灌注桩技术规程》（DBJ/T13-246-2016）取值；

qpk-单桩极限端阻力标准值，可按《福建省螺杆灌注桩技术规程（DBJ/T13-246-2016）取值；

lI-桩周第i 层土的厚度（m）；

u-桩身周长（计算直径取螺杆灌注桩外径D）；

Ap-桩端面积；

αi、βi-单桩上部直杆段第i 层土的极限侧阻力标准值的修正系数、单桩下部螺纹段第i 层土的极限侧阻力标准值的增强系数，可按《福建省螺杆灌注桩技术规程》（DBJ/T13-246-2016）取值。

4 半螺杆桩的应用案例分析

4.1 工程概况

深圳某建筑工程，为3栋10层住宅楼，框架结构，无地下室，属乙类建筑，抗震设防烈度为7 度。桩基设计参数详见下表：

表1 桩基设计参数表

4.2 桩基设计方案

根据上述地质条件及拟建建筑物荷载条件，本工程宜采用桩基础，以④层粉质黏土作为桩基持力层，桩型可比选半螺杆桩、管桩及沉管灌注桩。在同等条件下，分别计算3 种桩基础单桩极限承载力标准值，计算结果详见下表：

表2 同等条件下单桩承载力极限标准值计算表

注：以上结果按照桩径为0.4m、桩尖进入持力层1.2m 条件计算得出。

根据以上计算结果分析可知：

（1）同等条件下，半螺杆桩的单桩承载力理论值可比管桩提高约70%；

（2）同等条件下，半螺杆桩的单桩承载力理论值可比沉管灌注桩提高约100%。

总体来看，半螺杆桩的承载能力理论值提高幅度较大，优势显著。

4.3 桩基静载试验分析

为验证半螺杆桩的实际使用效果，对拟建场地进行了桩基静载试验，试验结果及与理论计算值的对比情况详见下表：

表3 桩基静载试验成果及其与理论值对比分析表

根据上述实验结果，分析结论如下：

（1）半螺杆桩试验值与计算值基本相符，说明该桩型理论计算公式可靠，可满足单桩承载力设计要求，桩身沉降可控；

（2）半螺杆桩的单桩承载力优势明显，加上施工简单、施工速度快、成桩效果好等因素，在适用条件下，可优先选用该桩型。

5 结论

通过分析半螺杆桩的构造及作用机理，阐明了该桩型可改变传统桩基与土体之间相互作用的模式，通过桩与土体构成机械型咬合，使桩土紧密结合、牢固粘联，充分发挥桩土的共同作用，提高桩的承载力。通过工程实例，分析对比了半螺杆桩、管桩及沉管灌注桩及承载能力，并通过静载试验验证了半螺杆桩理论计算公式的可靠性，证明了该桩型的优越性。说明该桩可有效降低工程建设成本，提高经济效应。