螺桿樁受力及施工技術要點

秦建衛(wèi)

(中鐵三局集團有限公司，山西太原 030001)

1 螺桿樁簡介

螺桿樁主要以全螺紋灌注樁為基礎，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、預制樁相比，具有土體適應性好、無振動、低噪聲、成樁速度快、成本低等優(yōu)點。

該樁型于2003年提出，由于其優(yōu)點顯著，很快得到廣泛應用。

2 螺桿樁的承載機理

2.1 受力機理

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摩阻力，下部螺紋段作用主要由螺紋與樁側土體的咬合、螺紋段樁側土受壓后的反力、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，由于樁與土復雜的相互作用，使得樁側土體應力分擔更高，樁端荷載減少，樁和樁周土受力及變形更好的協(xié)調一致。螺桿樁復合地基由螺桿樁和褥墊層組成，由于螺桿樁成樁過程擠壓樁周土體，使得樁周土體形成三維應力狀態(tài)，提高了樁周土體的強度，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度達到土體抗剪強度后發(fā)生，螺桿樁則避免了這個問題。螺桿樁上部圓柱段分擔了下部螺紋段的荷載，避免了達到抗剪強度而產(chǎn)生破壞，減少了樁長。

2.2 承載力公式

螺桿樁強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為樁側土的極限側阻力標準值;li為樁穿越第i層土的厚度;u1為圓柱段樁身周長;u2為螺紋段內(nèi)徑樁身周長;qpi為螺牙處土的極限端阻力標準值;qp為樁端極限端阻力標準值;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準值的修正系數(shù)。

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

3 工程實例

3.1 工程概況

本工程為螺桿樁復合地基，設計樁徑0.5 m，樁長10.5 m～26 m(上部圓柱形樁長為總樁長的1/3)，樁身混凝土強度等級C45，樁頂均設C45混凝土擴大樁帽，用正三角形布置，樁間距2.2 m。

3.2 設備及施工流程

該工程采用的設備見表1，下鉆時與長螺旋鉆機的施工流程基本一致，提鉆時反向旋轉同時泵送混凝土，反向旋轉至圓柱底標高時直接提鉆形成上部圓柱，見圖1。

表1 螺桿樁施工采用的設備

圖1 螺桿樁施工流程圖

3.3 關鍵工序

1)螺桿樁成孔。鉆孔開始時，向下移動鉆桿至下開門鉆頭觸及地面時，啟動馬達鉆進。一般應先慢后快，這樣既能減少鉆桿搖晃，又容易檢查鉆孔的偏差，以便及時糾正。在成孔過程中，如發(fā)現(xiàn)鉆桿搖晃或難鉆時，應放慢進尺，否則較易導致樁孔偏斜、位移，甚至使鉆桿、鉆具損壞。鉆桿鉆進速度0.6 m/min，轉數(shù)約3 r/min～7 r/min，下鉆過程中隨時觀察儀表持續(xù)電流控制在120 A～130 A(120 A左右)。

樁基自控系統(tǒng)要嚴格控制鉆桿下降速度和旋轉速度，使二者匹配，要求鉆桿旋轉兩周以下，下降一個螺距，鉆至螺桿樁直線段設計深度，在土中形成圓柱狀段;此后鉆桿旋轉一周，下降一個螺距，鉆至螺桿樁螺紋段設計深度，在土體中形成螺紋狀段。當遇有障礙物時應立即停鉆，清除障礙物后再重新鉆進。在鉆至設計深度后，對于螺桿樁下段螺紋部分而言:反轉動力頭隨之提鉆是同時進行的，而且每旋轉出的高度等于提升裝置提升的高度。

2)提鉆泵送混凝土。螺桿樁成孔達到設計標高后，停止鉆進，鉆桿提升速度1.3 m/min，鉆桿提升30 cm～50 cm后開始泵送混凝土。當鉆桿芯管充滿混凝土后，螺桿樁機反向旋轉提升鉆桿，提鉆過程中自控系統(tǒng)應嚴格控制鉆桿提升速度和旋轉速度，順著已形成的土體螺紋軌跡，鉆桿反向旋轉，鉆桿其旋轉的轉數(shù)和提升速度應保持同步和匹配，勻速控制提管速度，要求鉆桿旋轉一圈，鉆桿上升一個螺距。與此同時泵送高壓的細石混凝土迅速填充由于鉆桿同步旋轉提升所產(chǎn)生的螺紋段空間。

3.4 控制要點

1)樁的施工順序應從中間向四周進行。同時根據(jù)樁的規(guī)格，宜先長后短進行施工。采取跳躍式施工，或采用控制凝固時間間隔施工，以防樁孔間竄漿。2)螺桿鉆具的旋轉速度與給進速度必須具有穩(wěn)定的定比例傳動關系，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，因此鉆機的回轉速度和給進速度應能無級調速，才能實現(xiàn)不同轉速和不同螺距的任意匹配;鉆機也必須具有足夠大的輸出扭矩和加、減壓能力，才能將鉆具旋轉擠壓進土層，再不排土的情況下形成螺紋孔。下鉆和提鉆過程中要嚴格控制鉆桿下降、提升速度和旋轉速度，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，先用清水潤管，再灌注砂漿確保泵管的氣密性，最后灌注部分混凝土進行試通。盡量保證成樁的連續(xù)性，當間隔時間過長時，要及時洗管。4)由于土層中有一砂層夾層，施工采用下開門鉆頭。下開門鉆頭的灌注閥門是由下而上打開的，下鉆時閥門被土體擋住，提鉆時閥門便可自動打開，可以阻止砂層土對提鉆空間的填充。

4 結論及應用前景

螺桿樁利用了樁側土的抗剪強度，提高了單樁承載力，成樁速度快，無污染，技術、經(jīng)濟和適用性統(tǒng)一;雖然螺桿樁設計計算理論有待進一步完善，但作為一種新的樁型，具有廣闊的應用前景。

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