国内外螺纹式异型灌注桩简析
周国钧1；陈超鋆2 1-冶金工业部建筑研究总院地基及地下工程研究所； 2-卓典正业科技（北京）有限公司 摘 要：简述国内外螺纹式异型灌注桩技术的历史与发展现状，简述几种典型桩型的成桩工艺和特点，从附加应力分布和承载力匹配的角度分析螺纹式异型灌注桩的受力合理性，进一步分析螺杆桩（半螺丝灌注桩）桩身结构的合理性。 Abstrat:Introduce the history and development of screw-type-cast-in pile at home and abroad, illustrate the installation methods and characristics of some typical piling technique, analyze the rationality of screw-type-cast-in piles in the aspects of additional stress distribution and accordance of bearing capacities. Moreover, illustration of rationality of Half-Screw Pile is included. 1 引言
欧美各国对螺纹式异型桩的研究与应用由来已久，最早可追溯到19世纪末期英国人用于灯塔基础的单螺纹锚杆。此时的螺纹式异型桩以预制桩为主，桩身材料采用不锈钢或特种钢筋混凝土以抵抗成桩所需的扭矩。 为降低螺纹式异型桩的工程造价，20世纪60年代以来，欧美各国开始着力研究螺纹式灌注桩技术。1966年，法国科学家Gustave·Grimaud研发的全螺纹灌注桩（Screw Pile）获得美国专利[1]，揭开了螺纹式灌注桩技术的序幕。1971年，美国科学家Tomlinson提出了螺纹桩α理论，指出桩与土形成螺丝式咬合状态时，土体承载力可达传统直线型桩的1~5倍，成为螺纹式灌注桩的理论基础。 我国在螺纹式灌注桩技术方面的研究工作开展较晚， 20世纪90年代开始有系统的理论研究，如李波扬的灌注螺纹桩成桩工法、梁力关于桩身构造参数对全螺纹灌注桩承载力影响的研究等。2003年，彭桂皎提出“上部直杆、下部螺纹”的桩身结构，融合工业自动控制、灌注桩后插筋等技术，研发出螺杆桩（半螺丝桩）技术，形成具有我国自主知识产权的螺纹式灌注桩新技术。[6] 2 国外螺纹式异型灌注桩技术
2.1 Screw Pile[1]
1963年，法国科学家G·Grimaud在沉管灌注桩技术的基础上研发出了Screw Pile，其钻具由管壁带螺纹的钢套管和钻头组成，钢套管与钻头间可拆卸，另一根比钢套管略小的导管用于置入钢筋笼和混凝土。 图2.1 Screw Pile成桩工法示意图 Screw Pile的成桩工法如图2.1，具体如下： （1） 将管壁带螺纹的钢套管与钻头组合在一起，钻至设计深度后将钻头提出地面，也可采用钢或混凝土预制桩尖； （2）钢筋笼底部焊一块端板，将钢筋笼置入导管，再将导管置入钢套管至孔底，从导管内灌入混凝土； （3）导管内混凝土达到一定高度后，开始拔管，拔管时钢套管与导管同时振动并旋转提拔； （4）钢管提离地面，成桩完成。 从施工工艺上看，Screw pile是一种振动沉管灌注桩，因此它兼有振动沉管灌注桩的优点和缺点。此外，无论是钻孔过程中的正向旋转钻进，还是拔管过程中的反向旋转提升，都无法消除钻具对土体螺纹的扰动，拔管过程中的振动加剧了这种扰动。 2.2 ATLAS桩技术[2]
ATLAS桩是德国于20世纪90年代开发的一种全螺纹现浇灌注桩技术，桩内径为360~560mm，螺纹宽度一般为50mm。其钻杆为等径钢管，钻杆底部有类似鼓槌的扩大头。扩大头侧面有一圈螺纹叶片，下部开口用于连接预制桩尖。 图2.2 带螺纹叶片的钻具扩大头 图2.3 ATLAS桩成桩工法示意图 ATLAS桩施工工法如图2.3，具体如下： （1）钻具扩大头与预制桩尖连接后，对准桩位顺时针旋转下钻； （2）钻至设计标高后，通过钻具内空腔置入钢筋笼； （3）钻具逆时针旋转提升，提升时利用料斗通过钻具内空腔灌入混凝土； （4）灌注完成，第二次置入钢筋笼，成桩完成。 图2.4 ATLAS桩 ATLAS桩在可塑到硬塑粘土中可形成间距100mm左右、形态较好的桩身螺纹，但其成桩工法存在以下问题： （1）土层适应性较差，钻具对桩孔无护壁作用，在砂石土中易塌孔； （2）钢制预制桩尖不符合我国国情，如改用混凝土桩尖，下钻遇硬夹层时桩尖易破损并卡在钻具内。 2.3 SDSP桩技术[3]
DSP（Discrepile Technology）桩是在CFA桩（长螺旋钻孔灌注桩）的基础上发展而来的一种挤土灌注桩，在荷兰、比利时等欧洲西北部国家得到广泛应用，有光面的CDSP（Cylindric Displacement Piles）和带螺纹的SDSP（Screw Displacement Piles）两种。 与ATLAS桩相比，SDSP桩改进了成桩工艺，主要体现在以下两点： （1）无需预制桩尖； （2）橄榄球式钻头，二次挤扩土体； 图2.5 橄榄球形钻具 （3）提钻时不再由料斗上料灌注，而是连续泵送混凝土。 图2.6 SDSP桩工法示意图 SDSP桩施工工法如图2.6，具体如下： （1）对准桩位，准备下钻； （2）钻具顺时针旋转下钻至设计深度； （3）钻具顺时针旋转提钻，同时通过钻具芯管连续泵送混凝土； （4）混凝土泵送结束后，将钢筋笼插入桩身，成桩完成。 SDSP桩工艺解决了ATLAS桩工艺中存在的塌孔、预制桩尖易破损等问题，连续泵送技术改善了桩身质量，所形成的SDSP桩桩身带有螺纹（如图2.7），桩侧阻力与直线型灌注桩相比有所提升。 图2.7 SDSP桩 SDSP桩的主要缺点是土层适应性较差，在砂石土中易塌孔而导致埋钻，遇到卵石、风化岩、硬夹层时难钻进，且承载性能并不突出，以内径为300mm的SDSP桩为例，受桩身强度的约束，其单桩承载力最大仅为700kN。[4] 3国内螺纹式异型灌注桩技术——灌注螺纹桩工艺
3.1 灌注螺纹桩工艺原理
1996年，李波扬对国外螺纹式灌注桩成桩工艺加以改进，消除了Screw Pile成桩过程中的振动，改ATLAS桩的料斗灌料为混凝土连续泵送，提出灌注螺纹桩成桩工艺[5]。 (1) (2) (3) (4) 图3.1 灌注螺纹桩施工工法示意图 图3.1为灌注螺纹桩成桩工法步骤，具体如下： （1）预成孔，孔径为灌注螺纹桩外径的30%~60%； （2）采用特殊的长螺纹钻杆顺时针旋转下钻至设计深度； （3）逆时针旋转并提钻，提钻的同时由钻杆内空芯高压泵入细石混凝土或砂浆； （4）钻杆提离地面后，将钢筋笼插入桩身，成桩完成。 3.2 灌注螺纹桩静载试验
2003年8月17日，国内首次进行了灌注螺纹桩、长螺旋灌注桩的破坏性静载试验，共试桩三条，其中1#和3#为螺纹桩，2#为长螺旋桩，混凝土标号C20，试验结果为： 1#桩当荷载加至840kN，5分钟后，桩已达到破坏状态，该桩极限承载力为720kN； 2#桩当荷载加至1200kN时，桩已达到破坏状态，该桩极限承载力为1100kN； 3#桩当荷载加至960kN时，桩已达到破坏状态，该桩极限承载力为840kN。 卸载后检查桩头，发现1#桩头破碎，2#桩头无明显缺陷，3#桩头有明显裂缝。 表3.1 试桩结果
图3.2 1#、3#灌注螺纹桩Q—S曲线 图3.3 2#长螺旋灌注桩Q—S曲线 图3.4 1#桩桩头在静载试验中被破坏 从静载试验可得出以下结果： （1）桩径400mm、桩长17m的螺纹桩试验极限荷载为840kN，仅为同等条件下长螺旋灌注桩的70%； （2）桩径400mm的螺纹桩，桩长从17m增加至22m，增加了29.4%，试验极限荷载相应地从840kN增加至960kN，仅增加了14.3%； （3）1#桩为陡降式破坏，3#桩破坏前一级沉降达18.91mm，有陡降式破坏的趋势。 3.3 灌注螺纹桩静载试验
灌注螺纹桩未实现承载力大幅提升的预期目标，单桩承载力小于同等条件下的长螺旋灌注桩，且桩头被破坏，可以得出一个结论：本试验中灌注螺纹桩的破坏属于桩身强度不足引起的破坏。 我们知道，桩的破坏模式分为桩破坏（单桩承载力由桩身承载力控制）和土破坏（单桩承载力由土体承载力控制）。摩擦桩一般为土破坏模式，传统直线型摩擦桩承载力不高的原因，正是因为土体承载力不高。灌注螺纹桩采用桩与土体形成螺纹式咬合的办法提高了土体承载力，但由于仍采用普通混凝土成桩，桩身截面积减小导致桩身承载力降低，破坏模式由土破坏变成了桩破坏，承载力自然无法提高。以本试验为例，设计桩径为400mm的灌注螺纹桩桩芯直径为273mm，其桩头强度对应的极限承载力约为748kN，与1#和3#桩分别在840kN和960kN时桩破坏的结果相吻合。 4国内螺纹式异型灌注桩技术——螺杆桩（半螺丝灌注桩）[6]
4.1 螺杆桩技术
图4.1 螺杆桩示意图 图4.2 螺杆桩直杆段（左）和螺纹段（右） 螺杆桩（原称半螺丝桩，2005年在《地基处理》将半螺丝桩更名为螺杆桩[7]），是一种“上部为圆柱形，下部为螺丝形”的组合式桩，如图4.1和4.2。 在施工过程中，采用特制螺杆桩机旋转挤压土体成孔、同步控制技术使土体螺纹成型且不受扰动、瞬间大扭矩技术扫螺形成直杆段，提钻同时连续泵送混凝土成桩。 螺杆桩吸取国内外螺纹式灌注桩的优点，自主创新，形成具有自主知识产权和创新意义的新技术，其特点可概括如下： （1）下部为螺纹段，大大提高了桩周土体承载力； （2）上部为直杆段，加大了受力面积，提高了桩身承载力和刚度； （3）桩身上大下小的特点满足附加应力变化规律； （4）桩土接触面粗糙，摩擦系数大； （5）可按结构钢筋，抗震效果好； （6）桩端无虚土； （7）螺牙的存在使桩身不会因出现临空面而丧失粘聚力。[8] 需要指出的是，在英国等国家也有一种名为“螺杆桩”的螺纹锚杆桩，是由一根不锈钢管和底部的一圈螺纹叶片焊接而成（如图4.3）。笔者认为将螺杆桩称为“半螺丝桩”更为直观，可避免与这种螺纹锚杆桩区混淆。 图4.3 螺纹锚杆桩 4.2 螺杆桩成桩设备
螺杆桩机是螺杆桩技术中不可或缺的重要组成部分，由动力、自控、行走、液压四大系统构成，具有以下特点： （1）实现了旋转速度与钻进（提升）速度的同步控制； 图4.4 同步控制系统 （2）钻具对土体整体护壁，微取土、半挤土、不塌孔，一次性挤扩成孔； 图4.5 螺杆桩机钻具 （3）实现了瞬间大扭矩输出，不易埋钻； （4）通过钻进电流预估单桩承载力，解决了现浇混凝土桩的承载力预估难题。 4.3 螺杆桩成桩工法
图4.6 螺杆桩成桩工法 图4.6为施工工艺，具体如下： （1）对准桩位，开始下钻； （2）正转同步下钻，钻具对桩周土体挤扩成孔，同时形成螺纹形桩孔； （3）下钻至设计深度后，反转同步提钻，同时连续泵送混凝土，形成螺纹形桩段； （4）提钻至直杆段与螺纹段变径截面深度，改为正转提钻，将上部桩孔螺纹扫掉，同时连续泵送混凝土，形成圆柱形桩段，提离地面后成桩完成。 钻具提离地面后，如需配筋，采用对准器和平板振动器将钢筋笼振动置入至设计深度。 4.4 螺杆桩静载试验
在同场地进行的螺杆桩静载试验中，设计桩长23.5m，其中直杆段不少于7m，桩端持力层为第⑤层粉质粘土，设计桩径400mm，设计混凝土标号为C35，单桩承载力设计值1200kN，静载最大荷载2400kN。试桩Q—S曲线及S—lgQ曲线如图4.7和4.8。 图4.7 Q—S曲线 图4.8 S—lgQ曲线 静载试验结果显示，螺杆桩试验极限荷载为2400kN，且未达破坏。将螺杆桩静载试验与灌注螺纹桩静载试验结果比较如下： 表4.1 螺杆桩与灌注螺纹桩静载结果
5从附加应力分布规律分析桩的承载力匹配问题
以上述螺杆桩工程为例，设计桩径为400mm的桩，直杆段直径为400mm，螺纹段内径为300mm，形成“上大下小”的结构特点，符合摩擦桩附加应力分布规律。 我们知道，摩擦桩的桩身附加应力是随深度不断衰减的，要保证不发生桩破坏，前提条件就是桩身强度要在任一截面均大于该截面深度处的桩身附加应力。 将附加应力和桩身强度与深度的关系绘制成荷载（强度）—深度坐标系（如图5.1），可将土破坏解析地描述为：桩身强度曲线将附加应力曲线完全包络于坐标轴左上方。 (1) (2) (3) 图5.1 桩身强度与附加应力关系图 (1)传统直线型桩；(2)灌注螺纹桩；(3)螺杆桩 长螺旋钻孔灌注桩等传统直线型桩为等截面桩（假设桩身处处混凝土强度相同，下同），桩身强度曲线为平行于深度轴的直线，设计承载力不大，因此附加应力较小，桩身强度曲线完全包络附加应力曲线，如图5.1-(1)，静载试验中体现为土破坏； 灌注螺纹桩也为等截面桩，在同等条件下，截面积小于直线型桩，桩身强度曲线向左平移，桩设计承载力大于传统直线型桩，因此附加应力设计值较大，桩身强度曲线上部无法包络附加应力曲线，如图5.1-(2)，静载试验中体现为桩身浅部破坏； 螺杆桩为变截面桩，在同等条件下，上部截面积等于直线型桩，下部截面积等于灌注螺纹桩，桩身强度曲线为两段平行于深度轴的分段直线，由于附加应力随深度衰减，合理设计的螺杆桩桩身强度曲线完全包络附加应力曲线，如图5.1-(3)，静载试验中体现为土破坏。 不难看出，灌注螺纹桩承载力不高的根本原因，是其桩身结构不符合附加应力规律，这也是国外螺纹式灌注桩（如ATLAS桩、SDSP桩等）的通病。螺杆桩“上大下小”的桩身结构，符合附加应力分布规律，桩身螺纹可提高土体承载力，减少上部桩身螺纹的设计，看似牺牲了承载力，实际提升了承载力，使桩和土体的承载力更加匹配。 6结语
（1）国外自20世纪60年代以来，大力发展螺纹式灌注桩，比较有代表性的有ATLAS桩、SDSP桩等，但承载力普遍不高，最高仅为700kN； （2）国内螺纹式灌注桩起步较晚，1996年形成第一项螺纹式灌注桩技术——灌注螺纹桩成桩工艺，在国内进行的灌注螺纹桩和长螺旋桩的静载比较试验中，400mm灌注螺纹桩的承载力极限值分别为720kN(17m)和840kN(22m)，同桩径长螺旋灌注桩承载力极限值为1100kN(17m)； （3）螺杆桩采用“上大下小”的桩身结构，解决了使用普通混凝土的螺纹式灌注桩桩身承载力不足的问题，使桩身承载力符合附加应力分布规律，承载力高于同等条件下的灌注全螺纹桩。 参考文献： [1]-Screw Pile, United States Patent Office, 1966； [2]-www.ecn.； [4]-《Screw Displacement Piles》，Cementation Skanska，skanska.co.uk/cementation； [5]-《灌注螺纹桩成桩工艺》（专利号96119602.5，已失效），李波扬、吴敏，1997； 《螺纹桩桩机》（专利号01240059.9，已失效），吴敏、戚茂平、李波扬，2002； 《螺纹钻杆》（专利号01250189.1，已失效），吴敏、戚茂平、李波扬，2002； 《螺纹钻杆》（专利号01250190.5，已失效），吴敏、戚茂平、李波扬，2002； 《螺纹桩桩机联动机构》（专利号02138738.9，已失效），吴敏、戚茂平、李波扬，2003； 《螺纹桩桩机卷扬牵引机构》（专利号200410013038.9，已失效），吴敏、戚茂平、李波扬，2005。 [6]-《半螺丝桩及其成桩工法》（专利号03128265.2），彭桂皎，2004； 《螺杆桩、螺纹桩成桩设备及成桩工法》（专利号200610019756.6），彭桂皎，2007。 [7]-《螺杆桩新技术及其应用》，虞锋、彭桂皎、石庆华等，《地基处理》第16卷第4期，2005； [8]-《螺杆桩螺纹段承载力计算方法与直杆段作用的探讨》，《地基处理》第20卷第2期，2009。 |
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