螺杆桩在绿地中央广场项目地下室抗浮中的应用

袁志仁，郭素菊

(1.长春工程学院，长春 130012； 2.长春绿地绿洋置业有限公司，长春 130021)

螺杆桩在绿地中央广场项目地下室抗浮中的应用

袁志仁1，郭素菊2

(1.长春工程学院，长春 130012； 2.长春绿地绿洋置业有限公司，长春 130021)

通过工程实例介绍了螺杆桩在地下室抗浮中的应用，螺杆桩在均匀的黏性土层内具有良好的抗拔承载力，在底板沉降较小的前提下，抗拔桩采用板跨中布置的方式可显著减小底板的内力和变形，具有较好的经济性。

螺杆桩；抗拔；地下室抗浮

螺杆桩是一种具有很高实用价值的桩型。现浇螺杆桩是在施工过程中采用桩机钻具旋转挤压土体，钻孔完成后不提钻，利用钻杆中空管泵压超流态砼，后插入钢筋笼成桩。螺杆桩采用了变截面的构造形状，成孔过程中桩侧土体受到钻具螺纹挤压、加密，成桩后部分土体形成螺纹，而桩侧土体形成螺母，压力灌注超流态混凝土工艺使桩体螺纹与桩侧土螺母紧密咬合。螺杆桩桩身螺纹段与土体的咬合作用，使得土体应力扩散角增大，桩端荷载分担比减小，整体承载力提高。桩机独有的同步控制技术形成螺纹桩身，钻具对桩周土体具有适当的挤密效应，提高了桩周土的侧摩阻力和端承力。桩身形状示意如图1。

图1 螺杆桩身形状示意

螺杆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；与泥浆护壁钻孔成桩的灌注桩相比，无泥浆污染和弃土问题。具有强度高、工期短、功效高、沉降小、不取土、无泥浆污染、施工及成桩质量不受地下水影响、适应多种土层等优势，应用范围较广。与其他类型桩相比，工程造价也有优势。螺杆桩多用于承担上部结构竖向压力，本文介绍了其在长春绿地·中央广场项目地下室抗浮中的应用。

1 工程简介

绿地·中央广场项目设2层地下室，平时为停车库，战时为核6级常6级人员掩蔽所，地上有多栋相互独立的3～4层的餐饮、商业用房。地下室顶部覆土厚度1.7 m，地下一、二层层高分别为4.2 m和3.5 m，地下室底板上皮标高为-9.850 m(相当于绝对标高228.8 m)，根据地勘提供条件，抗浮水位为236.80 m，略高于地下室顶板标高236.50 m。地下室剖面示意图如图2所示。底板以下土层性质及分层见表1。

图2 地下室剖面示意图

2 抗浮验算

抗浮验算时高出地下室顶板的水位可不计入水浮力(计算底板水压力时应计入)，则地下水浮力为 81.5 kPa，相应地顶板覆土在地下水位以下的部分应按浮重度计算抗浮荷载。考虑地下室结构自重及顶板覆土的抗浮荷载为57 kPa，地下室顶部有上部结构时无覆土荷载，实际计算两者自重相差不大，按无上部结构同等计算抗浮荷载。整体抗浮验算：0.95×57-81.5=-27.35 kPa<0，不满足整体抗浮验算的要求。需采取抗浮措施。

3 选择抗浮方案

由于自重与水浮力相差较大，压重抗浮因造价高在本工程中不适用。

根据工程经验，抗浮桩和抗浮锚杆均为可行的抗浮措施。抗浮锚杆一般锚固于坚硬的岩层中，当地下室底板临近坚硬岩层时较经济。本工程底板下仍有10多m的黏性土才能达到强风化—中风化泥岩，锚杆长度大，不经济。抗浮桩可利用其侧摩阻力，将桩身置于黏性土层中，桩长可根据需要的承载力及桩工机械等条件综合确定，能够达到合理的经济性，技术可行且施工方便。故抗浮桩方案成为首选。

3.1 抗拔桩型对比

可用的桩型有预应力高强混凝土管桩、螺杆桩和长螺旋钻孔压灌超流态混凝土桩。

预应力高强混凝土管桩因其桩身抗拉强度较低，且桩侧光滑，故一般抗拔承载力较低。多用于抗浮承载力要求不高，且施工方便(如主体为管桩而局部地库抗浮不足)的场合。本工程因底板下地基土承载力较高，而地上主体层数少，基底压力小，整个项目均无需桩基础承担竖向荷载，且地下室已经开挖完毕，管桩设备就位有一定难度，故管桩作为抗拔桩在本项目中施工并不方便。

螺杆桩作为抗拔桩，当桩顶受荷时，螺纹段的桩侧土“螺母”受到压缩，环状“螺母”的根部受到剪切，桩的承载力由直杆段的侧阻力(摩阻力)和螺纹段的抗剪强度组成，而螺纹段的抗剪承载力大于同等条件下的侧阻力，这一有利因素调整了土与桩之间的相互作用，桩侧土体应力分摊比及应力扩散度提高，桩下部荷载减少。该项目地下室底板以下桩侧土层均为黏性土，且均为可塑硬塑状态，易于实现螺杆桩挤压成型，使桩身受到的拉力快速扩散到周围土体中，在桩长不大时即可获得较大的抗拔承载力。

长螺旋钻孔压灌超流态混凝土桩施工工艺与螺杆桩差别不大，但桩身表面比较平整，与周围土体的侧摩阻力通过压灌工艺使混凝土嵌入或渗入土颗粒而提高，故在砂层内承载力较高。该项目地下土层均为黏性土，难以发挥其侧摩阻力提高的优势，故单桩抗拔承载力并不高。表1为长螺旋钻孔压灌桩与螺杆桩抗拔时的计算参数。

表1 土层分布及抗拔桩计算参数

3.2 经济性分析

整个地库所需抗浮设计的面积为11 000 m2，所需总抗浮力为10 600×27.35=289 910 kN。所有抗浮桩均以利用系数0.9折算，以螺杆桩为例，所需的总桩数为289 910/(0.9×550)=585根。根据各种桩型每延米的单价(估算值)以及桩数、桩长，可以得到每种方案的总价估算值，具体见表2。

从表2的数据来看，螺杆桩综合经济指标略占优势。实际工程采用螺杆桩方案抗浮，在桩身配筋方面为进一步节约工程造价，考虑桩身应力分布沿长度方向变化比较均匀，且实际土层上层承载力比较高，采取分段配筋方案，桩身配置16根HRB400级16 mm直径的纵筋(根数较多，采用双并筋方式布置)，分别在4 m，6.5 m处各切断4根纵筋，仅8根纵筋通长设置。做法如图3。

3.3 螺杆桩抗拔静载荷试验

对完成的工程桩随机选择6根，进行竖向抗拔承载力载荷试验，试验的结果全部满足，且竖向位移较小，抗拔刚度满足设计要求。各试验桩载荷试验的荷载—变形(Q-S)曲线图如图4，图4(a)为17号试验桩的数据，进行了完整的加载及卸载测试，最大加载至1 540 kN，竖向累计位移为21.4 mm，卸荷回弹15.9 mm，回弹率74%，整个曲线比较平缓，无明显陡降段。图4(b)为其余5根试验桩的数据，除549号桩在加载至910 kN后，因桩身受拉纵筋受力不均衡，导致纵筋断裂，试验终止以外，其余桩均加载至1 100 kN以上，27号、549号、495号试验桩的Q-S曲线有陡降段，但拐点均在650 kN以上，大于550 kN。59号、573号试验桩无明显拐点，最终试验结果表明单桩竖向抗拔承载力特征值满足设计要求的550 kN，且对应的变形平均值为3.04 mm，桩端竖向抗拔刚度在特征值之前可取1.75×105kN/mm。

4 抗拔桩设计

4.1 抗拔桩布置方式

本工程柱网尺寸为8.4 m，每柱网欠缺抗浮荷载为27.35×8.4×8.4=1 929.9 kN，单桩抗拔承载力特征值为550 kN，则每柱网需设4根抗拔桩，每根抗拔桩实际承受拉力482 kN，承载力利用率为87.8%。抗拔桩可集中布置在柱下，抗拔桩兼做柱下承台桩；另一种方式是抗拔桩布置在板下，柱下做独立墩基础。前者适合于地基承载力低、柱下荷载较大且抗拔桩抗压刚度大时；此种情况若将抗拔桩置于板下，将加大柱墩与底板的沉降差，可能导致底板因竖向沉降差而开裂；若抗浮桩数量较少，需增加柱下桩数以保证桩的抗压承载力。后者适合于地基承载力较好，或抗拔桩抗压刚度较小(如抗拔锚杆)时，将抗浮桩集中布置在板下可显著减小底板因水浮力而产生的内力，减小底板配筋；将抗浮桩布置于板下时需保证底板有足够的刚度以协调底板与抗浮桩的变形，若底板刚度过小，将导致底板下的抗浮桩因底板挠度过大而首先失效。本工程柱网下的抗浮桩布置方式如图5所示。

(a) 17号试验桩Q-S曲线

(b) 其余试验桩Q-S曲线图4 螺杆桩抗拔静载荷试验Q-S曲线

图5 抗浮桩布置示意图

4.2 底板内力对比

采用SAP2000对底板下抗浮桩布置的不同方式进行受力分析，分别考虑3种抗浮桩布置情况：柱下墩范围内集中布置，板跨中分散布置，板跨中集中布置(分别定义为布置方式1、2、3)。底板采用壳单元，板厚400 mm。抗浮桩按弹性支座输入，其刚度按桩抗拔检测结果输入(1.75×105kN/mm)。图4所示为板跨中分散布置，板跨中集中布置方式与之类似，只不过桩间距减小为2 m。水浮力按81.5 kPa输入。图6给出了底板在水浮力作用下，跨中的上拱变形量，图7为底板上部的最大主应力分布。表3为3种布置方式的变形及板跨中弯矩对比，板跨中弯矩通过截面切割获得弯矩总和。

图6 水浮力作用下板跨中上拱变形

通过对比可知，柱下集中布置抗拔桩不能减小底板内力，从底板内力来说是最不合理的布置方式；布置方式3的底板变形量最小，对减小底板内力效果也很显著；布置方式2的底板变形量也比较小，且底板应力分布比较均匀，方便桩基础施工，总体效果与方式3类似，最终采用方式2布桩。

图7 水浮力作用下板面最大主拉应力

表3 各布置方式下底板变形量及弯矩对比

5 结语

在底板下土质较好时，螺杆桩可用较短的桩长获得较高的抗拔承载力，用于底板抗浮有较好的经济性。

抗拔桩在底板沉降较小的前提下，可采用与抗拔锚杆相同的布置方式，在跨中相对分散布置以减小底板内力，降低地下室工程造价。

[1] 袁桂皎，虞锋，石庆华，等.CFG-LGZ-2006JG螺杆桩设计与施工技术规定[S].海南：海南卓典高科技开发有限公司，2006.

[2] 方崇，张信贵，彭桂皎.对新型螺杆灌注桩的受力特征与破坏形状的探讨[J].岩土工程技术，2006(6)：316-319.

[3] 中国建筑科学研究院.GB 50007—2001建筑地基基础设计规范[S].北京：中华人民共和国建设部，2011.

[4] 中华人民共和国建设部.JGJ94—2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

TheApplicationofScrewPileinBasementAnti-floatingofGreenlandCentralSquareProject

YUAN Zhi-ren，et al.

(ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In this paper，the application of screw pile in basement anti floating is introduced by an project engineering example.The screw pile has good uplift bearing capacity in the uniform clay strata.In the premise of small subsidence，the internal force and deformation of the basement foundation slab can be greatly reduced with the method of the uplift piles relatively dispersed arrangement in the mid-span of the slab，and it has better economical efficiency.

screw pile；uplift pile；anti-floating of basement

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.001

2017-09-04

袁志仁(1974-)，男(汉)，长春，硕士，讲师主要研究混凝土结构。

TU473

A

1009-8984(2017)03-0001-04