螺纹成孔灌注一体成桩施工技术

黄煌，李月霞，段云峰，古思

（重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015）

0 引言

桩基础是工程中应用最为广泛的基础形式，常见的有上部圆柱形而下部螺纹形的“螺杆桩”，以及全桩身螺纹形且上部成桩可以根据承载力需要进行变截面直径调整的 “变径全螺纹灌注桩”[1]。螺纹桩的设计以螺钉受力原理为基础，借鉴了“高强度钢纤维混凝土全螺纹预制桩”的技术特点，在我国最早于2003年开始尝试使用[2]。

1 技术优势

与传统圆柱形灌注桩相比，螺纹成孔灌注一体桩具有很多技术优势[3]：

1）提高单桩承载力，减少桩身沉降。降低成本，节约基础工程造价。运用挤土密实效应，通过桩侧螺牙增大与地基的摩擦，提高桩侧摩阻力。通过大量的试验和观测记录，螺纹桩与同直径灌注桩相比，单桩承载力可以提高30%以上。螺纹成孔灌注一体成桩施工简单快捷，可单机完成，降低机械成本。同等条件下，螺纹桩与普通灌注桩相比可缩短桩长，减小桩直径和减少桩数，可节约基础工程造价20%～30%。

2）一体成桩，提高了成桩效果。螺纹成孔灌注一体成桩施工过程运用机械扭矩挤压成孔、钻杆中心压灌混凝土和后置钢筋笼，实现一体成桩，提高了成桩质量和效率。

3）绿色施工。螺纹成孔灌注一体成桩施工过程中，基本不排土不排浆，根本解决了余土外运、泥浆污染问题，并且无振动、低噪音、不扰民，节能节材，做到绿色施工。

4）适应性强。螺纹桩运用独特的施工工艺，不受地下水和淤泥、流砂层影响，对于不同土质有很强的适应性，能更好地应用在地质条件特殊的基础施工中。

2 技术原理

常见的螺纹桩成桩设备主要由螺纹桩机、混凝土输送系统和辅助自动化智能系统等部分组成（图1）。

图1 螺纹桩钻机

螺纹成孔灌注成桩施工利用钻杆作为护壁并通过钻杆中心压灌混凝土和后置钢筋笼，实现一体成桩，提高了成桩质量。利用桩机自动控制钻杆下降、提升速度与旋转速度同步，每旋转一周，钻杆下降或提升一个螺距，形成带螺纹的桩体；当钻机采用钻杆旋转速度与提升速度不同步而去掉桩侧螺牙，形成不带螺牙的桩身。

螺纹桩成桩方法属挤土桩，成孔过程中产生挤土效应，对土体挤压密实，使其产生螺纹段形成“螺母”，桩侧螺牙与土层“螺母”形成紧密的“机械咬合”，实现桩土共同作用，产生极大摩阻力，从而提高桩承载力和抗震能力。

3 螺纹桩的受力特点

螺纹桩在实际工程中的应用引起了学者的注意，方崇[2]根据螺杆桩的研究现状结合静载试验资料，介绍了螺纹桩的结构并分析了其受力和破坏特征。徐春华、张小冬等[4]通过ABAQUS有限元对螺纹桩受力特性进行了模拟，探究了螺纹桩周围土体应力情况及设备参数对其承载能力的影响。李红文[5]从成桩形态、破坏机理、受力模型方面对螺纹桩的承载力设计计算方法进行了初步探讨。

螺杆桩的承载力可以视为四个部分的叠加：上、下部桩身的侧摩阻力、下部螺纹的端阻力以及桩底端阻力。目前螺纹桩的承载力计算参考《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中普通灌注桩的计算方法。据学者研究[1]，杆与螺纹的分段存在一个“黄金分割点”，以保证其分段的比例应符合桩身附加应力的分布规律。桩土之间的相对位移对螺纹桩侧摩擦阻力的大小起主要影响，侧摩阻沿桩身分布，理想条件下均匀发挥作用。同时带螺纹部分的螺纹端阻力则由桩的中下部分开始发挥作用，螺纹端阻力的大小主要由桩的沉降量决定，两者近似成正比关系。桩顶荷载通过摩阻力传递到土层中，螺纹桩对周围的土体产生剪切应力。剪切应力对土体的作用使其发生相对桩身的沉降，土体在剪切应力的作用下持续变形并构成“土拱结构”，导致土体应力重分布。桩身螺纹与桩体之间存在一定角度，发生沉降时，螺纹齿沿斜下方挤压土体向更广的范围变形扩展，直到上层螺齿挤压的土体影响到了下层螺齿的周围土体，最终导致桩周土体连接成整个沉降滑移面出现沉降极限。此时螺纹桩底端阻力达到最大值并导致桩底出现张拉应力。综上可知，相同条件下的螺纹桩极限承载力远大于普通圆桩。而在一定范围内，螺纹桩的极限承载和控制沉降的能力随着螺距减小逐渐增强[6-7]。当桩周土的密实度增大时，螺纹桩极限承载力增大的幅度要比普通圆桩大得多[8-9]。

4 施工步骤

1）桩机就位，对准桩芯双向控制垂直度。

2）下钻时对准桩位，桩机控制钻杆下降速度、提升速度与旋转速度，每旋转一周，钻杆下降或提升一个螺距，挤压土体形成螺纹段直至设计深度，完成桩孔。

3）当螺纹桩设计为全部带螺牙时，钻杆顺着螺纹轨迹反向旋转提升，提升速度与反向旋转速度同步；当螺纹桩设计为部分带螺牙时，提钻时正向旋转或直接提升（除去螺牙）产生圆柱空间。提钻的同时泵机利用钻杆管芯为通道，泵压混凝土至钻杆顶高，从钻头阀门高压泵出。

4）混凝土浇筑完毕，采用后置方式将套入振动管的钢筋笼沉入桩身混凝土中，形成钢筋混凝土螺纹桩。

5 施工质量控制关键点

1）施工过程，利用钻机控制系统，控制钻杆下降、提升速度与旋转速度同步，每旋转一周，钻杆下降或提升一个螺距，形成带螺纹的桩体。

2）由于螺纹桩是挤土桩，施工过程中产生挤土效应。施工顺序应考虑桩间距、地质和周围建筑物的情况，按流水法分区施工；较密集的布桩宜采取从中间向四周成排推进；当靠近既有建筑物时，宜从毗邻建筑物的一侧开始由近及远施工；宜先长后短、先低后高施工；当桩距小于1.5m且地下有松散砂层时，应采取跳跃式施工，或采用凝固时间间隔施工，减少螺纹桩施工成孔的挤土效应。

3）严格控制混凝土原材料级配，保证具有良好的和易性，坍落度控制在160～220mm，确保混凝土在初凝前钢筋笼能顺利沉入桩体内。每根桩的实际灌入量不得小于理论计算量，充盈系数一般在1.0～1.2之间为宜。

4）钢筋笼采用后置式安装，应保证钢筋笼具有足够的刚度，在搬运、吊装和振动下沉时，防止变形。为保证钢筋笼保护层的厚度和安装时位于桩中心，沿钢筋笼的延长米每隔2m分别设置一道耳筋，每道耳筋的数量不少于4个，且沿环向均匀布置。

6 工程实例

某工程在基础施工中采用该施工技术。在施工中利用钻杆作为护壁并通过钻杆中心压灌混凝土和后置钢筋笼，实现一体成桩，提高了成桩效果。利用同步原理形成带螺纹的桩体；而非同步原理形成不带螺牙的桩身，提高了单桩承载力。采用一台螺纹桩基作业，使桩基施工作业周期控制在20天左右，相比传统施工技术可提前约20天完成。

该技术具有适应多种土层、单桩承载力高、成桩质量稳定、施工效率高、造价低，无泥浆污染，对周边环境干扰小的特点，促进了施工管理水平，推动了行业进步。

7 结论

螺纹成孔灌注一体桩以其自身独特的结构和施工工艺，具有承载能力大、沉降小、抗震性能好的力学特点；设计上可以应用于常见的多种地质地层以及复杂地质条件；对于一定的承载力要求，可以缩短桩长、减少单位桩数、节省配筋、节约工期，经济效益明显；施工过程简洁高效，一方面节省了劳动力，另一方面提高了施工质量；在环保方面，螺纹桩施工无震动、不排泥浆、噪音小，符合绿色施工的要求。螺纹桩相比普通圆桩具有多方面的优势，值得大力推广使用。