淺析螺桿樁機技術發展趨勢

劉守進/LIU Shou-jin

（東北煤田地質局沈陽鉆探機械研制中心，遼寧 沈陽 110122）

1 背 景

在現有的鋼筋混凝土樁基礎中，按成樁施工方法可分為非擠土樁、部分擠土樁和擠土樁三大類。非擠土樁包括螺旋鉆機灌注樁、人工挖孔（擴）灌注樁、旋挖鉆孔灌注樁、潛水鉆成孔灌注樁、正反循環回轉灌注樁等；部分擠土樁包括多節擠擴灌注樁、預鉆孔打入式預制樁等；擠土樁包括振動沉管樁、錘擊沉管樁、靜壓沉管樁、夯擴樁、擠土預制樁、螺桿樁等。各種樁型都有自己的適用范圍和特點，非擠土樁所需的成孔設備動力轉矩偏小，轉速偏高，在成孔過程中有殘土或需泥漿護壁，污染環境，施工成本高，而人工挖孔樁施工安全性差，現已限制使用；部分擠土樁所需設備復雜，施工過程復雜，施工效率低，有殘土需外運；擠土樁在施工中利用振動沖擊類的施工方法，會產生噪聲和振動，影響周圍建筑物，利用靜壓的施工方法所需設備質量大，搬運不方便，費用高。現有的螺桿樁的施工設備動力頭轉矩偏小，同步控制性能不穩定，鉆具螺紋牙截面尺寸不規范，擠孔成樁適用于淤泥質粘土、粉質粘土、粉土、砂性土層等軟地質層，對較硬層，復雜地層施工有很大難度。

2 螺桿樁的特點

螺桿樁是一種由上部為圓柱形樁體，下部為螺紋形樁體組合而成的變截面異形灌注樁，其上下兩段樁長度可以根據地質情況進行調整，下部螺紋樁體的外徑與上部圓柱樁體直徑相同，如圖1所示。螺桿樁在成孔過程中，樁側土體受到擠壓和加密作用，成樁后部分樁體形成螺紋，而樁側土體形成“螺母”。樁體螺紋與樁側土“螺母”緊密咬合在一起，當螺桿樁受到豎直向下載荷時，螺紋段的樁側土“螺母”受到壓縮，環狀“螺母”的根部受到剪切。樁的承載力是由直桿段的側阻力（摩阻力）、螺紋段的抗剪強度和樁端的端承力組成。由于螺紋段的抗剪力遠遠大于同等條件下的側阻力，螺桿樁與一般的柱體完全側阻力（摩阻力）樁相比，承載力高很多。螺桿樁施工過程中是完全擠土樁，無殘土排出，不需要泥漿護壁，樁底無虛土。螺桿樁上部的樁體段在荷載傳遞過程中，加大了受壓面積，提高了樁身剛度和對螺紋段功能發揮起著承上啟下的作用。

圖1 螺桿樁剖面示意圖

在成樁施工時，樁機鉆桿的旋轉速度與上升或下降速度同步與不同步的控制是形成螺桿樁上部圓柱型和下部螺紋型的關鍵技術。同步即鉆桿上升或下降一個螺距，鉆桿剛好旋轉一圈實施擠壓土體，從而形成螺紋形的孔或樁。不同步即鉆桿每上升或下降一個螺距，鉆桿旋轉多圈并擠壓土體，從而形成圓柱形的孔或樁。螺桿樁成樁的過程分為下鉆和提鉆兩個過程。下鉆時，螺桿樁機采用正向非同步技術擠壓土體形成螺桿樁的圓柱段，隨后鉆桿采用正向同步技術擠壓土體，形成螺桿樁的螺紋段。提鉆時，螺桿樁機采用反向同步技術提升鉆桿至出地表面，在提鉆同時泵送混凝土，直至樁頂設計標高，后置鋼筋籠至標高。

螺桿樁混凝土要求強度等級不應低于C25，塌落度控制在18～20cm，混凝土石子粒徑宜在5～25mm范圍內，針片狀顆粒不大于10%，混凝土宜采用早強混凝土，確保一周內混凝土強度達到設計值的100%。螺桿樁質量檢測標準，除了按《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》(GB 50202-2002),《鋼筋焊接及驗收規程》(JGJ 18-2003)，《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB 50204-2002）執行外，還應符合以下標：①樁體傾斜偏差不超過1%；②進入持力層深度應符合設計要求；③樁徑偏差不超過50mm，樁徑不允許出現負偏差。

3 螺桿樁機的現狀

現國內生產制造螺桿樁機的企業主要有山東卓力樁工機械有限公司、山東方圓集團、山東探礦機械廠、武漢武船機電設備有限公司、東煤地質局沈陽鉆探機械研制中心等幾家。這幾家生產的螺桿樁機在不同地區、不同地質條件施工，本人經過多次到各地現場調研，發現現有的螺桿樁機存在共同的特點：①動力頭的輸出轉矩偏小；②樁機主塔架抗扭剛度不足；③同步技術不穩定；④加壓力不足；⑤鉆桿螺牙截面不規范；⑥只能適用于淤泥質粘土、粉質粘土、粉土、砂性 土等軟地質層。分析其原因，是螺桿樁機生產制造時關鍵環節缺乏系統的理論設計依據，從而影響施工速度和成樁質量。

螺桿樁檢測標準中要求樁體傾斜度偏差不大于1%，樁徑偏差不超過50mm，這就要求螺桿樁機的主塔架抗扭剛度滿足動力頭的輸出轉矩要求，同時也要求鉆桿的壓桿穩定滿足加壓后載荷的要求。現場設備施工過程中，遇到較硬層或接近持力層時，所需轉矩很大，此時主塔架容易發生擺動甚至出現扭轉變形。加壓力與動力頭轉矩不協調，導致鉆桿彎曲影響成孔直徑，鉆桿螺牙截面尺寸不規范。按規定螺桿樁（圖2）的樁芯直徑為?250～400mm，螺紋高度為50mm，螺紋為梯形截面，梯形的上底為50mm，下底為100mm，螺紋間距為螺桿樁徑的1.0～1.5倍。由于動力頭輸出轉矩不足，為了減小施工巖土對鉆桿的阻力，各生產廠商相應地減少了螺紋梯形截面的尺寸，最小的尺寸為梯形的上底為35mm，下底為70mm，由于混凝土中石子粒徑為5～25mm，此時所形成的螺牙是不飽和的，直接影響樁的承載力。同步技術是形成標準螺紋的關鍵環節，在原狀土擠壓成螺紋是螺桿樁的根本要求，同步技術的不穩定，造成原狀土的擾動，形成二次成螺紋現象，樁側土所形成的“螺母”抗剪切強度會明顯下降，從而影響樁的承載力。

圖2 螺桿樁結構

4 螺桿樁機的改進方向

滿足螺桿樁的成樁原理和施工質量控制要求，是應用和發展螺桿樁的根本所在。擴大螺桿樁的運用和推廣使用范圍，也是在提倡節能減排，是一件益事。這就要求對現有的螺桿樁機進行升級和改進，螺桿樁機的動力頭輸出轉矩需加大，加壓裝置的有效加壓能力需提高，同步控制技術精度需提高，主塔架和鉆桿的剛度要提高，螺紋牙要滿足螺桿樁要求。東煤地質局沈陽鉆探機械研制中心研制的第二代螺桿樁機通過現場施工實踐，滿足了螺桿樁在硬塑粘土、密實砂土、粒徑大于30mm，小于100mm的卵礫石層及強風化巖等地層成孔成樁。這種螺桿樁機的參數為：動力頭額定輸出轉矩為450kNm，有效加壓力為500kN，同步控制精度為±0.5mm/m，鉆具螺矩誤差不大于±1mm，主塔及斜支桿采用高強度BS700MC材料。

5 結 語

螺桿樁是一種新型節能減排樁，在同等承載力情況下可以節約材料30%～35%，螺桿樁的施工無噪聲、無振動、無排土、無泥漿，螺桿樁沉降量低，樁承載力高，施工效率高，生產和制造新型螺桿樁機是現代市場的需要。

[1]沈保漢.螺桿灌注樁施工技術[J].建筑技術，2010，(5)：417-419.

[2]CFG-LGZ-2006JG，螺桿樁設計與施工技術規定[S].