广州地区螺杆挤压灌注桩技术的应用研究

邹恩葵，田小霞，陈放鸣

（1、广东省城乡规划设计研究院 广州510290；2、广州市柏辉基础工程有限公司 广州511400）

0 前言

螺杆挤压灌注桩作为一种新型的混凝土灌注桩，在成孔成桩时通过螺纹钻杆对桩周土体螺旋状挤压，能改善桩间土物理力学性能，有利于提高桩侧阻力。与传统的钻冲孔、旋挖灌注桩相比，桩侧摩阻力有较大提高，能有效地提高单桩极限承载力［1，2］。

螺杆挤压灌注桩成桩不需泥浆护壁，为干作业挤土灌注成桩。成桩质量受地层变化的影响小，施工可控性较高。该桩的施工桩机具有旋挖桩机同等的大扭力，全螺杆钻进，具有较强挤土及入岩能力。混凝土灌注采用高压泵，泵送量与螺杆拔起速度采用同步控制技术，成孔、混凝土灌料一次完成，后置震动送入钢筋笼到底。适应于地质结构复杂地层，能克服砾石地层施工钻入困难，又可避免砂层、淤泥层易塌方的问题［3］。特别是在一些不利旋挖桩、预应力管桩施工的复杂地层，具有成桩质量稳定，单桩承载力高的特点。螺杆挤压灌注桩的一般构造详如图1所示。

近年来，螺杆挤压灌注桩在海南［4］、福建［5］、重庆［6］等省市的建设工程项目中得到了较为广泛的应用，多省、市相继编著、出台了相应的地方技术规程。但在广东省范围应用案例少，亦缺乏相关的技术规程。

图1 螺杆灌注桩构造Fig.1 The Construction of the Screw Grout Pile

本文以广州市某高层住宅项目为依托，基础采用螺杆挤压灌注桩基础，通过对该项目螺杆挤压灌注桩基础承载力设计，试验桩的单桩承载破坏性试验与工程桩静载试验结果，桩施工技术要点等方面的阐述与分析研究，为螺杆挤压灌注桩在广州地区的应用提供参考与依据。

1 工程概况与地质情况

1.1 工程概况

本工程为广州市番禺区某住宅项目，设地下2层大底盘地下室，上部塔楼为5栋31层的高层建筑。总建筑面积约为93 802 m2，其中地下室面积约28 296 m2。塔楼上部结构形式为剪力墙结构，基础采用螺杆挤压灌注桩基础。

1.2 地质情况

本场地主要工程地质分层为:人工填土层（Qml）、冲积土层（Qal）、残积土层（Qel），基岩（K）是白垩系的沉积岩类，岩性主要为泥质粉砂岩、砂岩。

〈1〉填土层（Qml）:松散，土质均匀性一般。厚度1.10～2.80 m不等。

〈2〉冲积土层（Qal）:冲积土层按土性差异划分为:〈2-1〉层淤泥/淤泥质土、〈2-2〉层粉质粘土、〈2-3〉层中细砂等3个亚层。

〈3〉残积土层（Qel）:硬塑状为主，局部可塑状，具有遇水易软化的特征。层厚4.20～15.90 m，平均10.58 m。

〈4〉基岩（K）

〈4-1〉全风化泥质粉砂岩:本层局部缺失。岩芯呈坚硬土状，局部夹强风化夹层，具有遇水易软化的特征。顶面埋深12.60～23.00 m，平均14.34 m，厚度1.30～17.00 m，平均4.80 m。

〈4-2〉层强风化泥质粉砂岩:本层局部缺失。岩芯多呈半岩半土状及半岩状，局部夹较多中风化岩块，具有遇水易软化的特征。本层顶面埋深9.60～40.00 m，平均19.32 m；层厚为1.70～35.40 m，平均11.37 m。

〈4-3〉中风化泥质粉砂岩、砂岩:以泥质粉砂岩和泥岩为主，岩石裂隙较发育，岩芯碎块状、块状混短柱状为主，岩质稍硬，岩石具泡水软化、失水后开裂的特征。分布厚度不均匀，埋藏深度变化较大。本层顶面埋深15.50～56.10 m，平均29.34 m；揭露的层厚1.40（夹层）～13.00 m，平均5.11 m。

〈4-4〉微风化泥质粉砂岩、砂岩:泥质胶结，主要以泥质粉砂岩和砂岩为主，岩石具泡水软化、失水后开裂的特征。分布厚度不均匀，埋藏深度变化较大。揭露的层厚 2.00～7.70 m，平均4.32 m。

2 单桩承载力设计

因螺杆挤土灌注桩在广东省范围应用案例少，亦缺乏相关的技术规程，本文将根据《建筑桩基设计规范（广东省标准）:DBJ 15-31-2016》［7］第10.2.3 条中桩基承载力特征值估算公式，对公式中的桩侧摩阻力采用增强系数α 修正后，得到最终桩基承载力特征值的估算值。并通过对施工现场的2根试验桩进行单桩竖向承载力破坏试验，以验证桩基承载力特征值估算方法是否合理，由此最终确定该项目螺杆灌注桩基础的单桩承载力特征值。

2.1 单桩承载力特征值计算

2.1.1 试桩相近位置基本地质情况（见表1）

2.1.2 单桩承载力特征值估算

根据挤土桩成桩工艺、地层类别、物理指标、截面尺寸和桩的入土深度与承载力参数之间的经验关系，确定螺杆挤压灌注桩单桩竖向承载力特征值，按式⑴估算［7］:

式中:u 为桩身截面周长；αi为第i 层土的桩侧阻力特征值增强系数；qsia为第i层土层桩侧的摩阻力特征值；li为第i 层土的厚度；qpa为桩端持力层端阻力特征值；Ap为桩端面积。

桩端端阻力特征值按3 500 kPa取值。

桩侧阻力特征值增强系数αi根据土性特征取值［6，8］，初步确定，对黏土、粉土、密实砂土按可塑状态取α=1.0～1.2；对松散～中密的砂土、砾砂、砾石、碎石、卵石、全风化和强、中风化岩按风化程度取α =1.2～1.5。具体计算如表2所示。

经初步估算，试验桩S1、S2 的单桩承载力特征值估算值分别为3 018 kN与3 641 kN。

2.2 单桩竖向抗压静载试验

在拟建筑场地内施工2 根试验桩S1、S2，进行单桩承载力静载破坏性试验。采用慢速维持荷载法，预定最大试验荷载为8 000 kN。每级加载为预定最大试验荷载的1/16。

试验桩单桩竖向静载试验结果如表3 所示，试验桩的Q～s曲线和s～lgt曲线如图2所示。

表1 试桩位土层基本情况Tab.1 Basic Information of Soil Layer in Test Pile Position

由试验结果可知，试验桩S1 和S2 在分别加载到6 000 kN、7 000 kN时，累计沉降量分别为37.70 mm 与36.84 mm，沉降量稍大，但Q～s曲线平缓，无明显陡降段，s～lgt 曲线呈平缓规则排列，在各级荷载的作用下均能达到相对稳定标准。故根据静载试验结果，单桩承载力特征值:试验桩S1 为3 000 kN，试验桩S2为3 500 kN。

2.3 单桩竖向承载力特征值确定

比较试验前对单桩承载力特征值的估算值与试验结果值，根据静载试验得到的螺杆挤压灌注桩的单桩承载力特征值与通过考虑侧阻力增强系数的承载力特征值估算结果一致。因此，在无试桩结果的情况下，可按式⑴考虑侧阻力增强系数进行估算。

本工程最终确定单桩竖向抗压承载力特征值按2 800 kN取值。

表2 试桩承载力特征值计算Tab.2 Bearing Capacity Characteristic Value of the Test Pile

表3 单桩竖向抗压试验结果汇总Tab.3 Summary of Vertical Compression Test Result of Single Pile

图2 试验桩Q～s和s～lgt曲线Fig.2 Q～s and s～lgt Curves of the Pile

3 螺杆挤压灌注桩施工

螺杆挤压灌注桩的施工质量，主要取决于两个方面:①螺杆桩机的性能及现场操作施工技术；②灌注混凝土的质量。螺杆桩机与普通的长螺旋桩机在外观上很相似，实际有本质上区别:长螺旋桩机施工是以取土为主，螺杆桩机施工是以挤土为主；并且长螺旋机的钻杆与螺杆桩机钻杆也不同，动力头功率也相差很大［9］。

3.1 螺杆桩机技术要求

要实现螺杆挤压灌注机的挤土效应与入岩能力，螺杆桩机的扭矩应不少于42 kN·m，动力头要求配备90 kW 直流电机2 台，转速为0～10 转/min 可调，具备有可控制加压系统，操作台除正常操作键外，显示屏能显示动力头转速、动力头电流（扭力）、链轮转速（钻进速度）、链轮电流（加压力）、钻入深度等参数（见图3），所有参数具有储存、导出功能。

螺杆桩机要求能适应复杂环境的移动及不同地层的钻入；要求桩机自重＞90 t、钻入地层深＞25.0 m，钻杆芯管≥300 mm，螺齿厚＞30 mm，螺距＞250 mm，钻头具备底开门装置，并有较强的破岩能力。

图3 桩机施工参数Fig.3 Pile Construction Parameter

3.2 施工操作技术

桩机操作时应了解场地的地质情况与桩的设计要求。当螺杆钻入粘土或全风化岩层时，动力头扭力电流增大，钻进速度明显加快，说明螺杆钻进自攻向下。为防止抱死钻杆停机，要增加链轮拉力，控制钻进速度。粘土、全风化层很厚，当钻入一定深度时，要停止钻进，让动力头低速转动，目的是防止螺杆摩阻力大拔不起来。

3.3 终孔技术指标

螺杆钻孔终孔深度须满足两个基本条件:①桩入岩深度要满足设计要求；②桩端持力层要满足设计要求。

当钻进速度明显减小，动力头扭力电流开始上升，螺杆钻进开始进入岩内。图4中，钻孔深度是某时间点的深度值。由S1试验桩附近钻探地质资料可知，0.0～8.3 m 为於泥，8.3～14.5 m为粘土，14.5 m以下为中风化泥质粉砂岩，存在部分软岩夹层。缺失全、强风化岩层。根据施工参数曲线中的钻孔深度判断桩入岩深度是否满足要求。

图4 S1试验桩施工参数曲线Fig.4 Curve of Test Pile Construction Parameter

设定螺杆钻进终孔最后1 min 钻入深度为贯入度，通过贯入度值的大小变化反应持力层岩石的风化程度，可初步确定桩端持力层是否满足设计要求。结合钻孔地质资料，不同风化地层的贯入度参考值如表4（适应软质岩体）所示。

动力头扭力电流I动是钢螺杆钻入时，螺杆侧阻力qsik与钻头端阻力qpk的综合反应。增加链轮电流I链时，链轮转速V链与动力头扭力电流I动变化。

表4 螺杆挤压灌注桩贯入度参数Tab.4 Parameter of Penetration of the Soil Displacement Screw Pile

I动i+1-I动i=△I动，V链i+1-V链i=△V链，△V链/I动=n

⑴当1＜n＜2时，链轮转度V链增加明显，动力头电流I动增加不明显，为强化风化岩；

⑵当0＜n＜1时，链轮转度V链增加不明显，动力头电流I动增加明显，为中风化岩；

⑶当n ∝0 时，链轮转度V链增加很小，趋于0，动力头电流I动增加明显，为微风化岩。

混凝土灌注成桩后，拔起螺杆，在钻头隙缝中取样识别，最终确定桩端持力层是否符合设计要求。

3.4 灌注混凝土材料的要求

混凝土材料须添加缓凝剂，确保6～7 h不凝固，石料粒径＜25 mm，检测混凝土材料塌落度≥230～250 mm，拓展度＞550 mm。混凝土料停放6 h 后，塌落度不小于230 mm。流动性与粘聚性要好，混凝土料倒在平地上，不得有明显石料堆积现象。

3.5 成桩质量控制

螺杆挤压灌注桩的主要成桩工艺流程为:螺杆钻入土中➝随拔钻随泵压混凝土➝放入钢筋笼➝成桩［10］。

为确保螺杆挤压灌注桩的成桩质量，需要控制好混凝土的泵送量与拔桩速度。若混凝土泵机打送一泵的混凝土量为0.05 m3，拔钻杆速度2.0 m/min，施工φ 600的桩，泵送混凝土量速度为12泵/min，确保灌注桩的连续性。

钻孔复打，消除桩底沉渣。钻孔灌注混凝土2.0 m后，停止灌注。再钻进到桩底，重新开始灌注混凝土直到桩顶面。

后置钢筋笼，钢筋笼吊起自然垂直，对准桩中心下放。钢筋笼下到桩底后，要注意观测钢筋笼是否桩中心，若有偏离，用协助工作挖机推震动杆，使钢筋笼回归中心位置。匀速慢拔震动杆，防止拔起震动杆时，杆端真空负压力影响，造成桩缩颈。

4 工程桩施工情况

4.1 工程桩设计要求

根据场地地质资料，单桩竖向承载力特征值按2 800 kN 取值，对工程桩有效桩长与桩端持力层做如下要求:①桩施工段存在全风化岩时，施工桩有效桩长约为29.0～30.0 m，桩端入持力层强风化不小于3.0 m。②桩施工段全风化岩层薄或缺失时，桩长约为18.0～25.0 m，桩端入持力层强风化岩不小于8.0 m 。③桩施工段强风化岩层薄或缺失时，桩长约为15.5～18.0 m，嵌入持力层中风化岩不小于2.0 m。

4.2 成桩质量验收

通过现场开挖检验，在电梯井基础开挖基坑深6.0 m，可见桩身完整，桩径均大于600 mm，如图5 所示。并通过静载试验检验，单桩承载力满足设计要求。

图5 桩基础成桩质量Fig.5 The Quality of Pile

5 结语

⑴螺杆挤压灌注桩挤土性强，桩侧摩阻力有较大提高，能有效地提高单桩极限承载力，单桩承载力大于同桩径的预应力管桩。

⑵对地质情况较为复杂或全、强风化岩层缺失的场地，螺杆挤压灌注桩具有较强挤土及入岩能力，能保证工程桩进入设计要求的稳定岩层。

⑶在广州地区对螺杆挤压灌注桩单桩竖向承载力特征值的估算，可通过对桩侧的摩阻力乘以增强系数对桩侧摩阻力进行提高，增强系数建议根据土层性状取值，对黏土按可塑状态取值1.0～1.2；岩层按风化程度取值1.2～1.5。

⑷螺杆挤压灌注桩的成桩质量可控性强。通过螺杆桩机的动力头扭力、钻进速度、钻杆加压力和钻入深度等施工参数的数字化显示，根据对终孔贯入度的控制，可有效判定桩基的入岩深度与桩端持力层性质，保证单桩竖向承载力满足要求。