注浆成型螺纹桩施工工艺及承载特性试验研究*

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

0 引 言

钻孔灌注桩由于承载力大、入土深度深，对周围环境影响小，施工设备简单轻便等优点而应用广泛。该桩型的缺点是桩土结合力小，桩身强度富余量大，材料利用效率低。为了提高钻孔灌注桩的承载力，目前常用的方法主要有两大类。一是改变桩身截面形状，如变截面桩；二是改变桩土接触面力学性质，如后注浆工法。常见的变截面桩有扩底桩和挤扩支盘桩（DX桩）、传统螺纹桩等。后注浆工法包括桩侧和桩端后注浆技术。

改变桩身截面需要大型的成桩设备，费用高，施工工艺复杂；且软土地区土质较差，很难在土层中形成变截面空间，导致该方法的适应性受到限制。

后注浆工法同样存在缺陷，在高地下水位的土中或者土层中存在渗流通道时，容易发生漏浆跑浆现象，浆液随地下水扩散、渗透或者沿渗流通道流失，这使得后注浆工法的可靠性相对较差。

本文在此研究背景基础上提出了一种新的桩型——注浆成型螺纹钻孔灌注桩，钱建固等人在试验室对该种桩型的接触面特性进行了试验研究，得出了许多有意义的结论[1]。本文重点探讨了该种新桩型工艺的可靠性和在工程现场的承载特性，通过两类工程的应用，对比了同桩径的普通工程桩和注浆成型螺纹桩的承载力大小。

1 施工工艺及流程[2]

注浆成型螺纹钻孔灌注桩施工工艺原理与钻孔灌注桩施工工艺原理基本相似，只是增加了注浆成型装置加工、安装以及注浆成型环节。注浆成型螺纹钻孔灌注桩施工是传统钻孔灌注桩工艺与注浆成型螺纹工艺相结合的新工艺，即首先利用传统钻孔灌注桩工艺施工钻孔灌注桩，然后将高压水泥浆注入预先布置在钢筋笼外的螺旋形土工布袋内，土工布袋扩张挤压钻孔灌注桩周围土体，最终在钻孔灌注桩周围形成水泥螺纹。注浆成型螺纹钻孔灌注桩施工总体工艺流程如下：

（a）利用钻孔灌注桩施工工艺成孔；

（b）在钢筋笼上螺旋缠绕浆体填充袋，浆体填充袋内部插入注浆管；

（c）将绑扎好螺旋填充袋的钢筋笼下放到成孔中，并往里灌注混凝土；

（d）进行混凝土养护后，对浆体填充袋注浆，使其在内部注浆的充填下形成饱满的螺旋形结构体，其露在灌注桩外围部分将嵌入到周围土体中，形成咬合作用。

注浆成型螺纹桩的施工工艺是在传统钻孔灌注桩的工艺基础上增加2 个环节，一是在下放钢筋笼之前安装注浆管路系统，即螺旋缠绕土工管袋；二是在混凝土浇筑完成后8～12 h，通过注浆管路系统对土工管袋进行注浆，使之膨胀扩充，产生附加螺旋体结构。

2 工艺试验

为了检验注浆成型螺纹桩注浆系统的稳定性和注浆后螺纹成形效果，进行了注浆成型螺纹桩的模拟试验。利用图1所示的钢套箱作为试验平台。

图1 钢套箱

试验采用大口径钢管模拟钢筋笼，钢管Φ450 mm。将钢管放置于钢套箱中，在钢管外侧缠绕土工管袋，土工袋Φ90 mm。土工袋内侧布置金属花管，花管Φ25 mm。在土工袋内布置花管的主要目的是在土工袋内形成一条刚性通道，由于土工袋是柔性材料，在实际工程桩施工时会被浇筑的混凝土压密，借助花管这条刚性通道可以使得浆液流通顺畅。采用中粗砂，对钢套箱内部进行土方回填。前期工作准备好以后，采用SYB50/50-I、II型液压注浆泵对土工袋进行加压注浆，注浆压力控制在0.2～0.4 MPa之间，注浆材料选择P.O 42.5水泥调配制成的净浆，水灰比0.5。

待出浆后，关闭出浆管，继续注浆，直到出现浆液回流，停止注浆，关闭进浆口。螺纹桩养护7 d后，挖开套箱中的砂土，检验桩侧螺旋体注浆成形后的效果。经现场观察，注浆后的土工袋螺旋体形状饱满，土工袋外侧无漏浆，桩身越往上，由于土体压力越小，饱满度越高，也即成形效果越好。经过注浆成型螺纹桩的前期试验研究，在注浆系统的可靠性、稳定性以及螺纹形成效果方面积累了宝贵的应用经验和工程数据，接下来进一步在工程中进行试桩试验，检验其承载力提高效果。

3 静载试验及结果分析[3-8]

3.1 工程一

3.1.1 工程概况

上海市吴中路51#地块，北临吴中路，东临古井路，西面、南面与其他用地相接。本工程总用地面积约24 098 m2，总建筑面积87 893 m2。

本工程主体建筑包括基地北区2 栋高60 m的高层办公楼及商业裙房，高层办公楼地上14 层，裙房地上2 层。南区5 栋高度分别为15.6 m和13.2 m的多层办公楼，分别为3 层和2 层。

本工程共采用357 根抗压工程桩和579 根抗拔工程桩。抗压工程桩桩径700 mm，桩长47 m，持力层为⑦层粉砂层。抗拔工程桩桩径600 mm，桩长35 m，持力层为⑤3-1层粉质黏土。

3.1.2 试桩方案

本工程选取1 根Φ700 mm抗压工程桩和6 根Φ600 mm抗拔工程桩作为螺纹桩的试桩对象。为了验证螺纹抗压桩和螺纹抗拔桩的承载力提高效果，选择4 根Φ700 mm普通抗压桩和6 根Φ600 mm普通抗拔桩进行对比，加载值分别取5 100 kN和2 200 kN（该加载值为计算得到的抗压和抗拔承载力极限值。）螺纹抗压桩和螺纹抗拔桩的加载取值为预估承载力极限值。试验方案如表1所示。

表1 吴中路51#号地块试桩方案

螺纹桩和普通钻孔灌注桩的具体桩位布置如图2所示。螺纹桩桩位布置原则是：尽量靠近普通钻孔灌注桩试桩位置，目的是充分利用原有锚桩，减少锚桩加工数量，同时和普通钻孔灌注桩地理位置相近，有相似的土层地质条件，有利于试验结果相互对比。

图2 吴中路51#地块试桩平面布置

根据螺纹的受力特点，我们主要考虑在靠近桩身下1/3的土层中来设置螺纹，即在第⑤层土（抗拔桩桩端位置）和第⑦层土（抗压桩桩端位置）中设置螺纹，以尽可能地提高承载效率。抗压螺纹桩螺纹缠绕范围为桩底以上22 m，即沿第⑦层土中（粉砂）布置；抗拔螺纹桩螺纹缠绕范围为桩底以上17.7 m，即沿第⑤1-2和⑤3-1土层中（粉质黏土）布置。不论抗压桩还是抗拔桩，缠绕螺距统一选用1.2 m，土工管袋Φ200 mm。

抗压螺纹桩试桩和锚桩Φ700 mm，全长47 m，抗压螺纹桩桩身混凝土采用水下C40，锚桩混凝土采用水下C30。待沉桩28 d后方可进行静载荷试验，加载按慢速维持荷载法进行。试桩中的分级、变形观测、相对稳定标准、终止加载条件、荷载分级等要求详见《地基基础规范》（DGJ 08—11—2010）。抗压螺纹桩试桩试验加载至7 300 kN，对应的普通抗压桩试桩试验加载至5 100 kN。

抗拔螺纹桩试桩和锚桩Φ600 mm，全长35 m，抗拔螺纹桩及其锚桩桩身混凝土采用水下C30。待沉桩28 d后方可进行静载荷试验，加载按慢速维持荷载法进行。试桩中的分级、变形观测、相对稳定标准、终止加载条件、荷载分级等要求详见《地基基础规范》（DGJ 08—11—2010）。抗拔螺纹桩试桩试验加载至3 200 kN，对应的普通抗拔桩试桩试验加载至2 200 kN。

从图3中可以看出，普通工程桩压桩加载值为5 100 kN，螺纹桩加载值为7 300 kN，两者达到加载值时沉降值相近，都在12 mm左右。对于试验加载值而言，抗压螺纹桩承载力相应提高了43%。

图3 抗压桩静载试验曲线

从图4中可以看出，普通工程桩拔桩加载值为2 200 kN，螺纹桩加载值为3 200 kN，两者达到加载值时沉降值在6～8 mm之间。对于试验加载值而言，抗拔螺纹桩承载力相应提高了45%。

图4 抗拔桩静载试验曲线

3.2 工程二

3.2.1 工程概况

上海万科铜山街项目位于浦东新区洋泾街道昌邑路以南、浦东大道以北、民生路以西，拟建工程主要由4 幢28 层、2 幢27 层、1 幢26 层、 1 幢25 层住宅和1 幢34 层酒店及2～3 层商业、1 层公共服务设施配套、外扩地下车库等组成。

3.2.2 试桩方案

本工程中只选择抗拔桩进行对比试验。选择ZH-3型抗拔桩缠绕土工管袋，全长布置。该抗拔桩Φ600 mm，桩长24 m，桩端入持力层⑦1层3 m，如表2所示。工程抗拔桩的理论极限承载力为2 500 kN。为了使试验的对比结果更有说服力，对普通工程抗拔桩和螺纹抗拔桩进行了破坏试验。不论是工程抗拔桩，还是螺纹抗拔桩，加载值在原有基础上都进行了较大幅度的提高。普通工程抗拔桩加载值提高到3 500 kN，试验数量为2 根；螺纹抗拔桩加载值提高到4 700 kN，试验数量为3 根。

表2 铜山街旧改南块项目试桩方案

3.2.3 试验结果

当试桩达到28 d养护龄期以后，开始进行静载试验。试验方法同上文。

从现场的静载试验结果来看，2 根工程试桩做到3 500 kN全部破坏。3 根螺纹抗拔桩分别做到3 800 kN、4 200 kN、4 700 kN，钢筋分别拉断4 根、7 根和5 根，桩体上拔量平均在2 cm，远未达到破坏。从图5中试验结果来看，也说明了这一点。同样的荷载情况下，螺纹抗拔桩的变形量也比普通的工程抗拔桩小很多。

图5 抗拔桩静载试验曲线

4 结语

本文通过工艺试验和现场静载试验，验证了注浆成型螺纹桩不仅工艺可靠，施工简单方便，且在软土地区适应性强，承载特性较之普通的工程桩提高至少30%～40%。