螺杆型长短桩复合地基的应用
虞锋1彭桂皎2徐学军3赵思学4
(1铁道部第四勘测设计院软土地基研究所杭州310017,2武汉理工大学武汉430063,3海南中乘工程勘察设计有限公司海口570208,4海南大学海口570208)
[提要]螺杆型长短桩复合地基在工程地基处理中得到了成功应用。本文主要介绍了工程的概况、螺杆型长短桩复合地基的原理、设计、施工工艺和效果分析。
1，工程概况
海口市某项目场地原属海漫滩，人工填海造地，於2004年4月竣工。由10栋8层公寓楼和6栋2-3层豪华别墅群组成。
2003年初，由原管桩方案改为长短桩复合地基加固处理方案。其长桩首次应用了螺杆桩新技术，确保了质量，提前了工期，节省了投资。
建筑物总占地面积约为128亩，均采用筏板基础，基础埋深为1米，上部设计荷载（修正后的地基承载力特征值）分别为200KPa，160KPa，140Kpa。建筑物的绝对沉降不大于30mm。其中8号楼基底占地面积为1683.54平方米。
8号楼工程地质及设计参数值表1
2.地基处理方案的确定
本项目基础方案进行充分的论证，对原桩基础方案作了修改，采用螺杆型长短桩复合地基。
层数 名称 厚度 压缩模量 承载力 极限摩阻力标准值 极限端阻力标准值 1 人工填土 0.9~5.8m 18kPa 2 淤泥质粘土 4.6~9m 2.8MPa 70kPa 10kPa 3 粘土 0.4~6.1m 3.71MPa 170kPa 65kPa 4 粗砂 0.4~7.2m 10.58MPa 190kPa 46kPa 5 粉质粘土 最大12.2m 5.6MPa 180kPa 50kPa 500kPa 6 中砂 最大8.6m 12.88MPa 190kPa 70kPa 1700kPa 7 粉质粘土 最大15.7m 6.08MPa 190kPa 76kPa 900kPa 8 细砂 最大4.3m 7.67MPa 200kPa 60kPa 1200kPa 9 粉质粘土 最大10.3m 5.75MPa 200kPa 76kPa 900kPa
螺杆桩介绍
螺杆桩作为一项新型桩，是一种“上部为圆柱型，下部为螺丝型”组合式桩，该桩及成桩工法简称螺杆桩技术(该技术2003年申请了发明专利，名称为“半螺丝桩及其成桩工法”，2005年获得了专利)。该技术已被列为“2004年海南省建设科研项目”、“2005年建设部科学技术项目计划”、“2005年全国建设科技行业推广项目”。现浇螺杆桩是在施工过程中采用桩机钻具旋转挤压土体泵压混凝土成桩。与打入式预制桩相比，施工噪音低、无振动、对已施工的桩无影响；与全螺旋钻、普通泥浆护壁成孔的灌注桩相比，无泥浆污染和弃土问题。螺杆桩承载力高,质量易保证,施工工效快，日成桩（直径400—500mm）400—600延米.是一种具有很高实用价值的新型桩。
3.螺杆型长短桩复合地基原理
在荷载作用下，地基中的附加应力随着深度增加而减少，为了更有效地利用复合地基中桩体
图2长短桩复合地基位移等值线图和应力等值线图
的承载潜能，可以取不同长度的桩体以适应附加应力由上而下减小的特征,用于压缩土层较厚的地基。从复合地基应力场和位移特性分析可知，由于复合地基加固的存在，高应力区向地基深度移动，地基压缩土层变深。为了减少沉降，对较深的土层进行处理,采用沿深度变强度和变模量的长短桩复合地基可以有效减少沉降，降低加固成本。在长短桩复合地基中，加固区浅层地基中既有长桩、又有短桩，复合地基置换率高。不仅地基地基承载力高，而且加固区复合模量大，可以满足加固要求。在加固区深层地基中，附加应力相对较小，只有长桩，也可达到承载力要求，有效减小沉降的目的,更符合荷载作用下地基中应力场和位移场特性。
4，螺杆型长短桩复合地基的设计
地质资料显示本场地为软弱地基，上部存在人工填土及淤泥质土等较厚软弱层，其承载力较低（人工填土估算45Kpa，淤泥质土为70Kpa）。用短桩（柔性桩）对桩间土上部软弱层进行改善，增大桩间土的承载能力，减小刚性桩的应力集中。再与长桩（刚性桩既螺杆桩）共同作用形成长短桩复合地基来提高地基的承载能力。短桩除了参与提高地基承载力外，还能增大地基土竖向刚度，减小复合地基加固区变形。同时，刚性长桩对柔性短桩而言，还可起到护桩及参与抑制复合地基周围土体隆起的作用。
1）.承载力计算
（1）.短桩复合地基的承载力估算：
fsp,k1=m1Ra1/Ap1+β(1-m1)fsk1(1)
式中：fsp,k1——短桩复合地基承载力标准值（kPa），参照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002）中复合地基承载力的计算；
Fsk1——经短桩加固后桩间土的承载力特征值（kPa），
Fsk1=kf1fk1＝1.145kPa=49.5kPa；
Kf1——桩间土承载力提高系数，取1.1；
Fk1——地基处理前天然地基的地基承载力值，
本工程fk1=45kPa
m1——复合地基的桩土置换率，m1=Ap1/A
=0.1589625m2/2.25m2=0.07065
Ap1——短桩截面积（m2），Ap1=лd2/4
=3.140.452/4=0.1589625m2
D1——短桩直径，本工程450mm；
A1——对应的加固面积（m2），
A1=dx1dy1=1.51.5=2.25m2
Dx1——水平桩间距（m），本工程1.5m
Dy1——竖向桩间距（m），本工程1.5m
β——桩间土强度发挥度，一般取0.9~1.0，本例取1；
Ra1——短桩承载力特征值（KN），地质报告，短桩穿过淤泥质土，桩长应不小于10米，参照本工程其他工程资料短桩承载力特征值不小于130KN。
因此，根据式（1）计算可得短桩复合
地基的承载力：
fsp,k1=m1Ra1/Ap1+β(1-m1)fsk1
=0.07065130/0.1589625+1（1-0.07065）49.5=57.78+46=103.78kPa；
（2）长短桩复合地基的承载力特征值估算fsp,k2=m2Ra2/Ap2+β(1-m2)fsk22(2)
式中：fsp,k2——长短桩复合地基承载力特征值（kPa）；
Fsk2——经长桩加固后桩间土的承载力特征值（kPa），
Fsk2=kf2fk2＝1.1103.78kPa=114kPa；
Kf2——桩间土承载力提高系数，取1.1；
Fk2——经短桩处理后的复合地基承载力特征值，本工程fk2=103.78kPa
m2——长桩复合地基的桩土置换率，m2=Ap2/A2=0.1256m2/4.5m2=0.028
Ap2——长桩截面积（m2），Ap2=лd2/4=3.140.402/4=0.1256m2
D——长桩直径，本工程400mm；
A2——对应的加固面积（m2），
A2=dxdy=2.1212.121=4.5m2
dx——水平桩间距（m），本工程2.121m
dy——竖向桩间距（m），本工程2.121m
β——桩间土强度发挥度，一般取0.9~1.0，本例取1；
Ra2——长桩承载力特征值（KN），地质报告，参照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002）中CFG桩单桩承载力特征值的计算方法：
Ra2=up∑qsili+qpAp2(3)式中up——桩的周长，up=2лr=1.256；
n——桩长范围内所划分的土层数，桩长15米；
qsi、qp——桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值（KPa）；
li——第i层土的厚度（m）；
以式（3）Ra2=up∑qsili+qpAp2
=1.256(0.89+7.45+1.1532.5+1.6523+425)+9000.1256
=275.7+113
=388.74KN
长桩单桩承载力特征值取380KN；
因此，根据式（2）计算可得长短桩复合地基承载力特征值：
fsp,k2=m2Ra2/Ap2+β(1-m2)fsk2
=0.028380/0.1256+1（1-0.028）114
=84.71+110.8
=195.5kPa
（3）长短桩复合地基修正后的地基承载力特征值估算：
fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)(4)式中：fa——修正后的地基承载力特征值（kPa）；
fak——地基承载力特征值（kPa），fak=183.48kPa；
ηb、ηd——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，
ηb=0，ηd=1；
γ——基础底面以下土的重度（kN/m3），γ=19kN/m3；
b——基础底面宽度（m），b=6m（以8号楼为例）；
d——基础埋置深度（m），d=1m；
γm——基础底面以上土的加权平均重度（kN/m3），
地下水位以下取浮重度γ=19kN/m3；
因此，根据式（4）计算可得长短桩复合地基修正后的
地基承载力特征值：
fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)
=195.5+0+119(1-0.5)
=195.5+9.5
=205Kpa
处理后的复合地基承载力满足设计承载力（设计为200kPa）要求。
（4）以上公式采用了发挥度或提高系数等概念，理解和掌握难度大。为了便于理解和掌握，我们在计算中采用了再处理概念，即首先采用规范计算短桩复合地基承载力，将计算的承载力特征值作为长桩复合地基的基本参数之一，将短桩复合地基相应土层的压缩模量按照规范调整成复合压缩模量，然后对长桩复合地基进行计算.计算出修正后复合地基承载力特征值，既为长短桩复合地基承载力，并求出最终沉降量。以上计算参数运用,符合规范，概念明确，简单易懂，容易掌握。成果可靠。2003年我们与北京理正软件公司合作编制本课题地基处理软件仅十分钟左右完成全部计算。
2）桩位布置
5，施工工艺
1）螺杆桩施工工艺：
螺杆桩是采用螺杆钻机旋转挤压成孔，起钻同时用管内泵压灌注细石混凝土至孔底的一种成桩工艺。该桩型具有成桩速度快，桩身强度高，且无噪音等优点，其具体施工工艺如下：
测量放线—钻机就位调平—钻进成孔—至设计标高停钻—泵送混凝土、提钻—至设计标高停泵—提钻至孔口——成桩
钻进过程中随时观察仪表电流不得超过额定电流值。在钻至设计深度后，对于螺杆桩下段螺纹部分而言：反转动力头随之提钻是同时进行的，而且每旋转出的高度等于提升装置提升的高度同步。
图3螺杆桩成桩工艺图
注:1-动力头,2-混凝土输送泵,3-高压管,4-自然地面,5-钻杆,6-成桩后螺纹段,7-成桩后直线段,8-上部软土层,9-下部硬土层,10-螺杆桩全断面,11-钢筋笼.
2）水泥搅拌桩施工工艺：（略）
2）桩位布置
6，成桩质量与加固效果分析
1）复合地基静载试验数量每幢为3组，压板尺寸为：3.166m1.07m,其中1根螺杆桩,2根粉喷桩,长短桩复合地基试验值(1600KN)由业主邀请的有关专家审定。
每幢基础抽检三组进行静荷载试验,8号楼试验结果见表2。
静荷载试验结果表表2
其荷载与沉降（P-S）关系曲线如图5所示：
根据静载试验结果及Q-S关系曲线,依据复合地基承载力基本值的确定方法,各组复合地基承载力均满足设计要求.
2）检查成桩质量，掌握地基加固效果情况，进行了无损检测，抽检率为10%，。检测结果表明，本工程桩身完整性合格。
7，结束语
1）经螺杆型长短桩复合地基处理后，其强度和承载力均有明显提高，参数及计算方案符合设计要求和工程处理目的。
2）选择刚性的长桩时，选用了螺杆桩。该桩型主要技术特征表现为“上部为直线型，下部为螺丝型”，因此更加符合在荷载作用下应力场由上而下减小的分布规律。上部直线型在软弱土层中桩体刚度好；下部螺丝型桩体处理在较好土层中，受力特征变为剪切作用，可提高承载力。螺丝部分可节省混凝土材料。
3）长桩置换率设置为0.028，比常规的0.06~0.1大大减少，用长桩与短桩交叉布置，使加固地基形成有整体效果的长短桩复合地基。
4）现螺杆型长短桩复合地基工程费用仅为原方案的62%，取得了较好的经济效益。
5）螺杆桩新技术一诞生，我们就非常重视螺杆桩机的研制和开发，走一条岩土技术与桩工机械相结合的光明大道，目前深圳和上海已成功研制出高效、强劲的环保型螺杆桩新桩机,必将推进该项新技术得以更快发展。
参考文献
[1]龚晓南，复合地基设计和施工指南（第1版），北京，人民交通出版社，2003.9，296-311页。
[2]阎明礼，张东刚，CFG桩复合地基技术及工程实践（M），北京，中国水力电出版社，2001
4
荷载与沉降关系曲线图（P-S图）图5
C10混凝土垫层
基础
图1螺杆桩图示
桩
静载实验平面图
褥垫层
复合地基与基础关系示意图
图4螺杆型长短桩复合地基桩位设计图布置图
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