浅析螺杆桩机技术发展趋势

刘守进/LIU Shou-jin

（东北煤田地质局沈阳钻探机械研制中心，辽宁 沈阳 110122）

1 背 景

在现有的钢筋混凝土桩基础中，按成桩施工方法可分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩三大类。非挤土桩包括螺旋钻机灌注桩、人工挖孔（扩）灌注桩、旋挖钻孔灌注桩、潜水钻成孔灌注桩、正反循环回转灌注桩等；部分挤土桩包括多节挤扩灌注桩、预钻孔打入式预制桩等；挤土桩包括振动沉管桩、锤击沉管桩、静压沉管桩、夯扩桩、挤土预制桩、螺杆桩等。各种桩型都有自己的适用范围和特点，非挤土桩所需的成孔设备动力转矩偏小，转速偏高，在成孔过程中有残土或需泥浆护壁，污染环境，施工成本高，而人工挖孔桩施工安全性差，现已限制使用；部分挤土桩所需设备复杂，施工过程复杂，施工效率低，有残土需外运；挤土桩在施工中利用振动冲击类的施工方法，会产生噪声和振动，影响周围建筑物，利用静压的施工方法所需设备质量大，搬运不方便，费用高。现有的螺杆桩的施工设备动力头转矩偏小，同步控制性能不稳定，钻具螺纹牙截面尺寸不规范，挤孔成桩适用于淤泥质粘土、粉质粘土、粉土、砂性土层等软地质层，对较硬层，复杂地层施工有很大难度。

2 螺杆桩的特点

螺杆桩是一种由上部为圆柱形桩体，下部为螺纹形桩体组合而成的变截面异形灌注桩，其上下两段桩长度可以根据地质情况进行调整，下部螺纹桩体的外径与上部圆柱桩体直径相同，如图1所示。螺杆桩在成孔过程中，桩侧土体受到挤压和加密作用，成桩后部分桩体形成螺纹，而桩侧土体形成“螺母”。桩体螺纹与桩侧土“螺母”紧密咬合在一起，当螺杆桩受到竖直向下载荷时，螺纹段的桩侧土“螺母”受到压缩，环状“螺母”的根部受到剪切。桩的承载力是由直杆段的侧阻力（摩阻力）、螺纹段的抗剪强度和桩端的端承力组成。由于螺纹段的抗剪力远远大于同等条件下的侧阻力，螺杆桩与一般的柱体完全侧阻力（摩阻力）桩相比，承载力高很多。螺杆桩施工过程中是完全挤土桩，无残土排出，不需要泥浆护壁，桩底无虚土。螺杆桩上部的桩体段在荷载传递过程中，加大了受压面积，提高了桩身刚度和对螺纹段功能发挥起着承上启下的作用。

图1 螺杆桩剖面示意图

在成桩施工时，桩机钻杆的旋转速度与上升或下降速度同步与不同步的控制是形成螺杆桩上部圆柱型和下部螺纹型的关键技术。同步即钻杆上升或下降一个螺距，钻杆刚好旋转一圈实施挤压土体，从而形成螺纹形的孔或桩。不同步即钻杆每上升或下降一个螺距，钻杆旋转多圈并挤压土体，从而形成圆柱形的孔或桩。螺杆桩成桩的过程分为下钻和提钻两个过程。下钻时，螺杆桩机采用正向非同步技术挤压土体形成螺杆桩的圆柱段，随后钻杆采用正向同步技术挤压土体，形成螺杆桩的螺纹段。提钻时，螺杆桩机采用反向同步技术提升钻杆至出地表面，在提钻同时泵送混凝土，直至桩顶设计标高，后置钢筋笼至标高。

螺杆桩混凝土要求强度等级不应低于C25，塌落度控制在18～20cm，混凝土石子粒径宜在5～25mm范围内，针片状颗粒不大于10%，混凝土宜采用早强混凝土，确保一周内混凝土强度达到设计值的100%。螺杆桩质量检测标准，除了按《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB 50202-2002),《钢筋焊接及验收规程》(JGJ 18-2003)，《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204-2002）执行外，还应符合以下标：①桩体倾斜偏差不超过1%；②进入持力层深度应符合设计要求；③桩径偏差不超过50mm，桩径不允许出现负偏差。

3 螺杆桩机的现状

现国内生产制造螺杆桩机的企业主要有山东卓力桩工机械有限公司、山东方圆集团、山东探矿机械厂、武汉武船机电设备有限公司、东煤地质局沈阳钻探机械研制中心等几家。这几家生产的螺杆桩机在不同地区、不同地质条件施工，本人经过多次到各地现场调研，发现现有的螺杆桩机存在共同的特点：①动力头的输出转矩偏小；②桩机主塔架抗扭刚度不足；③同步技术不稳定；④加压力不足；⑤钻杆螺牙截面不规范；⑥只能适用于淤泥质粘土、粉质粘土、粉土、砂性 土等软地质层。分析其原因，是螺杆桩机生产制造时关键环节缺乏系统的理论设计依据，从而影响施工速度和成桩质量。

螺杆桩检测标准中要求桩体倾斜度偏差不大于1%，桩径偏差不超过50mm，这就要求螺杆桩机的主塔架抗扭刚度满足动力头的输出转矩要求，同时也要求钻杆的压杆稳定满足加压后载荷的要求。现场设备施工过程中，遇到较硬层或接近持力层时，所需转矩很大，此时主塔架容易发生摆动甚至出现扭转变形。加压力与动力头转矩不协调，导致钻杆弯曲影响成孔直径，钻杆螺牙截面尺寸不规范。按规定螺杆桩（图2）的桩芯直径为∅250～400mm，螺纹高度为50mm，螺纹为梯形截面，梯形的上底为50mm，下底为100mm，螺纹间距为螺杆桩径的1.0～1.5倍。由于动力头输出转矩不足，为了减小施工岩土对钻杆的阻力，各生产厂商相应地减少了螺纹梯形截面的尺寸，最小的尺寸为梯形的上底为35mm，下底为70mm，由于混凝土中石子粒径为5～25mm，此时所形成的螺牙是不饱和的，直接影响桩的承载力。同步技术是形成标准螺纹的关键环节，在原状土挤压成螺纹是螺杆桩的根本要求，同步技术的不稳定，造成原状土的扰动，形成二次成螺纹现象，桩侧土所形成的“螺母”抗剪切强度会明显下降，从而影响桩的承载力。

图2 螺杆桩结构

4 螺杆桩机的改进方向

满足螺杆桩的成桩原理和施工质量控制要求，是应用和发展螺杆桩的根本所在。扩大螺杆桩的运用和推广使用范围，也是在提倡节能减排，是一件益事。这就要求对现有的螺杆桩机进行升级和改进，螺杆桩机的动力头输出转矩需加大，加压装置的有效加压能力需提高，同步控制技术精度需提高，主塔架和钻杆的刚度要提高，螺纹牙要满足螺杆桩要求。东煤地质局沈阳钻探机械研制中心研制的第二代螺杆桩机通过现场施工实践，满足了螺杆桩在硬塑粘土、密实砂土、粒径大于30mm，小于100mm的卵砾石层及强风化岩等地层成孔成桩。这种螺杆桩机的参数为：动力头额定输出转矩为450kNm，有效加压力为500kN，同步控制精度为±0.5mm/m，钻具螺矩误差不大于±1mm，主塔及斜支杆采用高强度BS700MC材料。

5 结 语

螺杆桩是一种新型节能减排桩，在同等承载力情况下可以节约材料30%～35%，螺杆桩的施工无噪声、无振动、无排土、无泥浆，螺杆桩沉降量低，桩承载力高，施工效率高，生产和制造新型螺杆桩机是现代市场的需要。

[1]沈保汉.螺杆灌注桩施工技术[J].建筑技术，2010，(5)：417-419.

[2]CFG-LGZ-2006JG，螺杆桩设计与施工技术规定[S].