螺紋成孔灌注一體成樁施工技術

黃煌，李月霞，段云峰，古思

（重慶建工住宅建設有限公司，重慶 400015）

0 引言

樁基礎是工程中應用最為廣泛的基礎形式，常見的有上部圓柱形而下部螺紋形的“螺桿樁”，以及全樁身螺紋形且上部成樁可以根據承載力需要進行變截面直徑調整的 “變徑全螺紋灌注樁”[1]。螺紋樁的設計以螺釘受力原理為基礎，借鑒了“高強度鋼纖維混凝土全螺紋預制樁”的技術特點，在我國最早于2003年開始嘗試使用[2]。

1 技術優勢

與傳統圓柱形灌注樁相比，螺紋成孔灌注一體樁具有很多技術優勢[3]：

1）提高單樁承載力，減少樁身沉降。降低成本，節約基礎工程造價。運用擠土密實效應，通過樁側螺牙增大與地基的摩擦，提高樁側摩阻力。通過大量的試驗和觀測記錄，螺紋樁與同直徑灌注樁相比，單樁承載力可以提高30%以上。螺紋成孔灌注一體成樁施工簡單快捷，可單機完成，降低機械成本。同等條件下，螺紋樁與普通灌注樁相比可縮短樁長，減小樁直徑和減少樁數，可節約基礎工程造價20%～30%。

2）一體成樁，提高了成樁效果。螺紋成孔灌注一體成樁施工過程運用機械扭矩擠壓成孔、鉆桿中心壓灌混凝土和后置鋼筋籠，實現一體成樁，提高了成樁質量和效率。

3）綠色施工。螺紋成孔灌注一體成樁施工過程中，基本不排土不排漿，根本解決了余土外運、泥漿污染問題，并且無振動、低噪音、不擾民，節能節材，做到綠色施工。

4）適應性強。螺紋樁運用獨特的施工工藝，不受地下水和淤泥、流砂層影響，對于不同土質有很強的適應性，能更好地應用在地質條件特殊的基礎施工中。

2 技術原理

常見的螺紋樁成樁設備主要由螺紋樁機、混凝土輸送系統和輔助自動化智能系統等部分組成（圖1）。

圖1 螺紋樁鉆機

螺紋成孔灌注成樁施工利用鉆桿作為護壁并通過鉆桿中心壓灌混凝土和后置鋼筋籠，實現一體成樁，提高了成樁質量。利用樁機自動控制鉆桿下降、提升速度與旋轉速度同步，每旋轉一周，鉆桿下降或提升一個螺距，形成帶螺紋的樁體；當鉆機采用鉆桿旋轉速度與提升速度不同步而去掉樁側螺牙，形成不帶螺牙的樁身。

螺紋樁成樁方法屬擠土樁，成孔過程中產生擠土效應，對土體擠壓密實，使其產生螺紋段形成“螺母”，樁側螺牙與土層“螺母”形成緊密的“機械咬合”，實現樁土共同作用，產生極大摩阻力，從而提高樁承載力和抗震能力。

3 螺紋樁的受力特點

螺紋樁在實際工程中的應用引起了學者的注意，方崇[2]根據螺桿樁的研究現狀結合靜載試驗資料，介紹了螺紋樁的結構并分析了其受力和破壞特征。徐春華、張小冬等[4]通過ABAQUS有限元對螺紋樁受力特性進行了模擬，探究了螺紋樁周圍土體應力情況及設備參數對其承載能力的影響。李紅文[5]從成樁形態、破壞機理、受力模型方面對螺紋樁的承載力設計計算方法進行了初步探討。

螺桿樁的承載力可以視為四個部分的疊加：上、下部樁身的側摩阻力、下部螺紋的端阻力以及樁底端阻力。目前螺紋樁的承載力計算參考《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）中普通灌注樁的計算方法。據學者研究[1]，桿與螺紋的分段存在一個“黃金分割點”，以保證其分段的比例應符合樁身附加應力的分布規律。樁土之間的相對位移對螺紋樁側摩擦阻力的大小起主要影響，側摩阻沿樁身分布，理想條件下均勻發揮作用。同時帶螺紋部分的螺紋端阻力則由樁的中下部分開始發揮作用，螺紋端阻力的大小主要由樁的沉降量決定，兩者近似成正比關系。樁頂荷載通過摩阻力傳遞到土層中，螺紋樁對周圍的土體產生剪切應力。剪切應力對土體的作用使其發生相對樁身的沉降，土體在剪切應力的作用下持續變形并構成“土拱結構”，導致土體應力重分布。樁身螺紋與樁體之間存在一定角度，發生沉降時，螺紋齒沿斜下方擠壓土體向更廣的范圍變形擴展，直到上層螺齒擠壓的土體影響到了下層螺齒的周圍土體，最終導致樁周土體連接成整個沉降滑移面出現沉降極限。此時螺紋樁底端阻力達到最大值并導致樁底出現張拉應力。綜上可知，相同條件下的螺紋樁極限承載力遠大于普通圓樁。而在一定范圍內，螺紋樁的極限承載和控制沉降的能力隨著螺距減小逐漸增強[6-7]。當樁周土的密實度增大時，螺紋樁極限承載力增大的幅度要比普通圓樁大得多[8-9]。

4 施工步驟

1）樁機就位，對準樁芯雙向控制垂直度。

2）下鉆時對準樁位，樁機控制鉆桿下降速度、提升速度與旋轉速度，每旋轉一周，鉆桿下降或提升一個螺距，擠壓土體形成螺紋段直至設計深度，完成樁孔。

3）當螺紋樁設計為全部帶螺牙時，鉆桿順著螺紋軌跡反向旋轉提升，提升速度與反向旋轉速度同步；當螺紋樁設計為部分帶螺牙時，提鉆時正向旋轉或直接提升（除去螺牙）產生圓柱空間。提鉆的同時泵機利用鉆桿管芯為通道，泵壓混凝土至鉆桿頂高，從鉆頭閥門高壓泵出。

4）混凝土澆筑完畢，采用后置方式將套入振動管的鋼筋籠沉入樁身混凝土中，形成鋼筋混凝土螺紋樁。

5 施工質量控制關鍵點

1）施工過程，利用鉆機控制系統，控制鉆桿下降、提升速度與旋轉速度同步，每旋轉一周，鉆桿下降或提升一個螺距，形成帶螺紋的樁體。

2）由于螺紋樁是擠土樁，施工過程中產生擠土效應。施工順序應考慮樁間距、地質和周圍建筑物的情況，按流水法分區施工；較密集的布樁宜采取從中間向四周成排推進；當靠近既有建筑物時，宜從毗鄰建筑物的一側開始由近及遠施工；宜先長后短、先低后高施工；當樁距小于1.5m且地下有松散砂層時，應采取跳躍式施工，或采用凝固時間間隔施工，減少螺紋樁施工成孔的擠土效應。

3）嚴格控制混凝土原材料級配，保證具有良好的和易性，坍落度控制在160～220mm，確保混凝土在初凝前鋼筋籠能順利沉入樁體內。每根樁的實際灌入量不得小于理論計算量，充盈系數一般在1.0～1.2之間為宜。

4）鋼筋籠采用后置式安裝，應保證鋼筋籠具有足夠的剛度，在搬運、吊裝和振動下沉時，防止變形。為保證鋼筋籠保護層的厚度和安裝時位于樁中心，沿鋼筋籠的延長米每隔2m分別設置一道耳筋，每道耳筋的數量不少于4個，且沿環向均勻布置。

6 工程實例

某工程在基礎施工中采用該施工技術。在施工中利用鉆桿作為護壁并通過鉆桿中心壓灌混凝土和后置鋼筋籠，實現一體成樁，提高了成樁效果。利用同步原理形成帶螺紋的樁體；而非同步原理形成不帶螺牙的樁身，提高了單樁承載力。采用一臺螺紋樁基作業，使樁基施工作業周期控制在20天左右，相比傳統施工技術可提前約20天完成。

該技術具有適應多種土層、單樁承載力高、成樁質量穩定、施工效率高、造價低，無泥漿污染，對周邊環境干擾小的特點，促進了施工管理水平，推動了行業進步。

7 結論

螺紋成孔灌注一體樁以其自身獨特的結構和施工工藝，具有承載能力大、沉降小、抗震性能好的力學特點；設計上可以應用于常見的多種地質地層以及復雜地質條件；對于一定的承載力要求，可以縮短樁長、減少單位樁數、節省配筋、節約工期，經濟效益明顯；施工過程簡潔高效，一方面節省了勞動力，另一方面提高了施工質量；在環保方面，螺紋樁施工無震動、不排泥漿、噪音小，符合綠色施工的要求。螺紋樁相比普通圓樁具有多方面的優勢，值得大力推廣使用。