湿陷性黄土场地双向螺旋挤土灌注桩成孔挤密效应与极限承载力试验研究

马天忠，孙晨东，高玉广，王正振，苏天涛，高 虹

(1. 兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050； 2. 甘肃土木工程科学研究院有限公司，甘肃兰州 730050)

0引 言

随着一带一路经济枢纽带政策的提出，西部地区经济得到飞速发展。超高层建筑、高速公路等改扩建基础设施日益增多，桩基础的发展研究受到众多学者关注。20世纪末，双向螺旋挤土灌注桩(SDS桩)因无泥浆、噪声等污染问题率先在国外掀起应用热潮[1-4]，2011年中冶集团初步将该新型桩基础引入中国，并在河南、山东等诸多省份的实际工程中逐步应用，但对于双向螺旋挤土灌注桩的认识仍然处于经验层面。

挤密桩法处理湿陷性黄土地基已在中国西北地区推广使用已久，研究者开展的一系列关于采用挤密桩法处理的湿陷性黄土地基问题的现场测试试验和室内模型的试验研究已获得了丰硕成果。米海珍等[5]在甘肃天水开展现场试验，主要解决了考虑多种影响因素对湿陷性黄土地基的处理效果问题。米周林等[6]将不同挤密桩处理方法进行对比，认为在相同情况下采用水泥挤密桩对湿陷性黄土地基进行处理更具有优越性。李金奎等[7]在高填方湿陷性黄土地基现场试验研究发现，2.5D(D为桩径)范围内桩心距挤密桩可以完全消除湿陷性。朱彦鹏等[8-9]在大厚度湿陷性黄土地区进行挤密桩处理综合管廊复合地基现场试验，发现挤密桩复合地基干密度增长率、抗渗性能随处理深度增强。吉任等[10]结合京新高速公路扩建工程研究水泥挤密桩对盐渍化湿陷性黄土的处理效果，发现水泥挤密桩的经济效益相比传统换填法更高。刘明军等[11]对冀西地区湿陷性黄土场地素土挤密桩处理地基进行深入研究，结果表明素土挤密桩可以有效改善土体湿陷系数、压缩模量、挤密系数等主要物理指标。通过这些研究发现，挤密桩处理湿陷性黄土地基存在施工噪声大、地基处理深度较浅、经济效益低等问题。近年来，双向螺旋挤土灌注桩被用于处理湿陷性黄土地基，这种新桩型已经运用于软质黏土或砂土等地基处理，而有关大厚度湿陷性黄土地区双向螺旋挤土灌注桩的挤土成孔对桩周土体的挤密范围和挤密效果的研究还相对匮乏。

双向螺旋挤土灌注桩挤土成孔不仅可以处理桩周土体的湿陷性，还能提高这种桩型自身的承载性能。目前对于双向螺旋挤土灌注桩极限承载性能以及破坏模式的研究成果较少。李志毅等[12-13]依托实际工程进行现场试验，对SDS桩与长螺旋灌注桩的极限承载性能差异进行了对比。刘钟等[14]通过螺旋挤土成孔室内模型试验对SDS桩荷载传递模式、承载变形性状进行了初步研究，并结合太沙基土力学理论解释螺旋挤土成孔对SDS桩承载性能影响的原理。刘钟等[15]结合国外SDS桩现场足尺试验与中国现场试验对比，深入分析了两种桩型在承载性能上的差异，并验证SDS桩在各种场地地层的适用性。张豫川等[16]通过数值分析方法研究了非挤土成孔、挤土成孔以及螺旋挤土等不同成孔形式对灌注桩侧摩阻力分布以及极限侧摩阻力影响，发现螺旋挤土成孔对桩侧摩阻力提升有显著影响。针对西北大厚度湿陷性黄土场地，目前还未有对双向螺旋挤土灌注桩承载力的深入研究，现行国家《建筑桩基技术规范》和《建筑地基基础设计规范》对于SDS桩的极限承载力也未有明确说明。

综上，为揭示双向螺旋挤土成孔过程对大厚度湿陷性黄土地基处理效果与处理范围的影响，通过现场试验，按照不同桩心距范围将挤密区域挤土成孔对桩周土体物理力学特性的影响进行深入分析；揭示双向螺旋挤土灌注桩与长螺旋灌注桩成孔工艺对极限承载性能的影响；基于各地规范中双向螺旋挤土灌注桩桩侧极限阻力修正系数和兰州各典型地层现场实测数据，提出甘肃地区不同土类桩端极限阻力标准值。

1现场试验

为研究双向螺旋挤土成孔对桩周湿陷性黄土挤密范围与挤密效果的影响。选择典型场地进行现场试验，通过布设竖向地表位移观测点与径向水平位移观测点，实时监测螺旋挤土成孔引起的距离成孔中心不同位置处地表隆起量与桩周土体径向水平位移，在不同位置处取土样进行室内土工试验，分析挤土成孔对桩周土体物理特性的影响特征。

1.1工程地质条件

1.2桩周地表土体竖向隆起

为测得成孔过程对地表隆起量的作用效果，本试验共设置4个竖向位移观测点，桩心距分别为1D、2D、2.5D、3D(桩径D为500 mm)，布置如图1、2所示。

表1黄土状粉土层物理力学指标Table 1Physical Indexes of Loss Like Silt Layer

图1位移观测点与测斜孔现场埋设Fig.1Displacement Observation Points and Inclinometer Holes Buried on Site

图2位移观测点与测斜孔平面布置Fig.2Plane Layout of Displacement Observation Points and Inclinometer Holes

图3地表隆起量与桩心距关系Fig.3Relation of Surface Heave and Pile Spacing

图3为地表竖向隆起量与桩心距关系。分析可知，钻机施工至不同深度时地表隆起量与桩心距的变化趋势是相似的，均呈三折线分布。1D范围内，钻机在成孔过程中导致的地表隆起量最为显著，最大可达300 mm，随钻机施工深度的增加，地表隆起量呈增大趋势。1D～2.5D范围内，地表隆起量迅速减小，但仍然还有少量因钻机成孔造成的地表隆起，地表隆起量相比1D范围内减小80%，因此在1D～2.5D范围内，SDS桩成孔过程对桩周土体有一定挤密。在距离成孔中心3D以外，地表隆起量几乎接近于0，基本上可以认为水平向3D范围以外钻机成孔对桩周土体无影响。

钻机成孔深度对地表竖向隆起量具有明显影响，随着成孔深度增加，地表隆起量呈增大趋势。图4为钻机施工深度与地表隆起量的变化曲线。从图4可以看出，增大趋势并非均为线性，在成孔深度0～3 m内，地表隆起量增大趋势接近线性增长，而3 m深度以下，地表隆起量不再随成孔深度增加而显著变化。分析原因是SDS桩钻机成孔时钻头采用锥形特征，钻门和反向螺旋叶片相距约3 m，钻头和中空钻杆相连接，因此挤土钻头全部钻入土层之前，地表竖向隆起量会线性显著增长，挤土钻头进入土体后，中空钻杆因孔径小于成孔孔径，与地表土体没有直接接触。

图4钻机施工深度与地表隆起量的变化曲线Fig.4Variation Curves of Drilling Depth and Surface Heave

1.3桩周土体径向水平位移

双向螺旋挤土成孔过程中桩周土体不仅产生竖向地表隆起量还会产生径向的水平位移，为深入揭示挤土成孔对径向水平位移的影响范围，在距离成孔中心1D、2D、2.5D、3D位置处设置测斜管。测斜管现场布设如图5所示。

图5测斜管现场埋设Fig.5Inclinometer Pipes Buried on Site

图6不同深度时测斜管径向水平位移的变化曲线Fig.6Variation Curves of Radial and Lateral Displacement of Inclinometer Pipes at Different Depths

图6为不同深度时测斜管径向水平位移的变化曲线。分析可知，同一测斜管深度处土体距离桩心越远，径向水平位移越不明显，在距离成孔中心3D范围处，桩周土体水平位移在0.8～4 mm之间变化，基本上可以认为3D范围以外成孔过程对土体不产生水平侧向作用。同一径向距离处，随着成孔深度增加，桩周土体水平位移同样呈减小趋势，25 m深度是变化幅度的临界点。这是因为随着成孔深度增加，埋设深度较深的土层受到上层土体自重荷载作用，下层土体的密实度与压缩模量会随埋设深度越来越大，钻机成孔作业对孔侧桩周土体产生的水平侧向压力不随深度发生改变，因此在同等侧向压力作用下土体埋设深度越大，径向水平位移会越小。25 m深度以下不再产生明显变化趋势，说明25 m深度是双向螺旋挤土成孔对桩周湿陷性黄土产生挤土效应的最大竖向深度。

综上所述，大厚度湿陷性黄土场地因含水量较低，SDS桩在挤土成孔过程中地表隆起量最大可达320 mm，径向最大水平位移可达85 mm，与前人在软质黏土场地所做挤密效应试验对比，软质黏土场地较湿陷性黄土场地含水率更大，塑液限更高，双向螺旋挤土成孔桩周土体地表竖向隆起量最大为30 mm，径向最大水平位移为25 mm，两者差异非常明显，说明双向螺旋挤土成孔对不同土质挤土效应不同，大厚度湿陷性黄土地区SDS桩挤土成孔必须考虑对桩周土体的挤土作用影响。

1.4桩周土性的变化

在钻土成孔后，分别在距离桩心0.75D、1D、1.25D、1.5D、2D距离处取土样进行土工试验，取样沿着地表往下每间隔1 m采集一组，每一距离处共采集5组，取样至10 m深处。现场取样见图7、8，表2为不同桩心距土体的物理力学指标。

根据浙江省大气环境质量改善和污染物减排要求，通过对已实施超低排放火电机组的实际排放绩效分析、“十三五”火电行业总量控制排放绩效的宏观测算以及基于热能动力学的火电机组超低排放限值下的排放绩效理论计算研究，可以得出以下结论：

图7探槽取样位置示意图Fig.7Schematic Diagram of Sampling Position of Probe Slot

图8土样采集Fig.8Soil Sample Collection

表2不同桩心距的土样物理力学指标Table 2Physical and Mechanical Indexes of Soil Samples with Different Pile Center Distances

依据试验结果与《湿陷性黄土地区建筑标准》不难发现：0.75D桩心距范围内土体平均湿陷系数最大为0.007，而该规范中对于湿陷性评价的起始湿陷系数为0.015，因此该范围内土体不具备湿陷性；土体平均孔隙比为0.757，平均干密度与原状土相比增幅为0.252倍。在0.75D～1.25D桩心距范围内土体平均湿陷系数在0.007～0.013，平均干密度增长幅度在0.1倍～0.25倍之间，因此可判断此范围内土体仍基本不具备较强湿陷性，因为与孔心距离增大，双向螺旋挤土成孔对于桩周土体物理特性影响减弱，但仍有明显改善效果。1.25D～1.5D桩心距范围内，土体平均湿陷系数在0.013～0.038之间，湿陷程度为轻度湿陷，平均干密度、压缩模量增长不足0.1倍，由此可得1.25D～1.5D桩心距范围内土体已初步具备轻微湿陷特征，挤密效应不明显，物理力学特性改善较小。1.5D～2D范围内，桩周土体平均湿陷系数为0.038～0.048，平均孔隙比为1.005～1.093，湿陷系数大于0.030，但整体属于中度湿陷，平均干密度与原状土相近，桩周土体挤密效应不明显。距离桩心2D范围以外，物理力学特性与平均湿陷系数和原状土几无差异，SDS桩挤土成孔对2D范围外土体的物理力学特性影响不大。

参考前人研究[8]，SDS桩挤土效应挤密区划分为：平均干密度增长率25%以上为重度挤密区，10%～25%为中度挤密区，10%以下为轻度挤密区。结合本试验数据可得，大厚度湿陷性黄土场地SDS桩挤土成孔可以将桩周土体挤密区分为0.5D～0.75D、0.75D～1.25D、1.25D～2D，如图9所示。

图9挤密区平面划分Fig.9Plane Division of Compaction Area

2成孔挤密机理分析

双向螺旋挤土灌注桩成孔前后会对桩侧土体产生挤密作用，分别体现在成孔前后的3个阶段[13]：第1次挤密作用是双向螺旋挤扩钻机在钻头扭矩和竖向压力作用下将桩孔中的土体挤压至桩孔侧壁；第2次挤密作用在成孔后钻机提升过程时螺旋叶片机械挤压护孔，将钻头上部和孔内塌落的土体重新挤压至侧壁；第3次挤密作用同样是在钻机提升至自然地面标高时，泵送桩身混凝土会有一定的侧向压力，产生挤密作用。

这3个阶段的挤密作用关键在于双向螺旋挤扩钻机所采用的封闭式挤扩钻头，其在钻入土体下旋过程中会将土颗粒通过螺旋式叶片向上运送至挤扩区域，但挤扩区域直径与成孔直径相同，而双向螺旋挤扩机封闭式钻头动力扭矩非常大，因此土颗粒在动力扭矩驱动下被挤入桩孔侧壁，不会有任何土渣被运送至地表上，孔壁外围土体在不断挤压作用下密实度大幅提高，因此双向螺旋挤土成孔的挤密作用可以改善桩周土体的物理力学性质，有效降低湿陷程度。长螺旋灌注桩[17]钻机成孔时钻头纹路等效于麻花钻，向下钻入过程中也会将土渣运送至地表，不会对孔壁产生径向的挤扩作用，虽然两种钻头对桩侧土体挤密作用各不相同(图10)，但是桩端以下的土体在钻头钻进过程中产生的压实挤密作用是相同的。

图10两种螺旋灌注桩成孔机理示意图Fig.10Schematic Diagram of Pore Forming Mechanism of Two Kinds of Spiral Cast-in-place Piles

3两种螺旋灌注桩极限承载力对比

为对比双向螺旋挤土灌注桩和长螺旋灌注桩极限承载性能差异，现场制作双螺旋挤土灌注桩和长螺旋灌注桩试桩，并按照规范要求进行静载试验，试桩与锚桩的平面布置如图11所示，静载试验的现场见图12。本试验采用JZU-180型号液压步履式双向螺旋挤扩钻机，各项主要性能参数见表3。

图11试桩与锚桩的平面布置(单位:mm)Fig.11Plane Layout of Test Piles and Anchor Piles (Unit:mm)

图12两种螺旋灌注桩静载试验现场Fig.12Site Static Load Test of Two Kinds of Spiral Cast-in-place Piles

两种螺旋灌注桩除成孔工艺不同外其余参数均相同，具体指标如表4所示。锚桩桩端嵌入角砾层不小于0.5 m。

表3试验钻机参数Table 3Parameters of Test Pile Driver

表4试桩、锚桩参数Table 4Parameters of Test Pile and Anchor Pile

本次现场试验加载设备使用钢梁锚桩反力系统，采用慢速维持荷载法进行分级加载。桩顶加载总共分11级。第1级为600 kN，其余每一级均为300 kN，停止加载节点参照《建筑桩基技术规范》的要求进行。

图13为SDS桩与长螺旋灌注桩在大厚度湿陷性黄土地区的荷载-沉降量(Q-S)曲线。可以看出，两种螺旋灌注桩均无明显的骤降区间，呈缓变型变化趋势。桩顶荷载在1 200 kN以内，两种螺旋灌注桩桩顶沉降变形相差不大，1 200 kN以上随桩顶荷载的不断增加，两种螺旋灌注桩的承载性能差异显著体现出来。

图13长螺旋灌注桩与双向螺旋挤土灌注桩Q-S曲线Fig.13Q-S Curves of Long Spiral Cast-in-place Pile and Bidirectional Soil Displacement Screw Pile

因Q-S曲线不具有明显拐点，《建筑桩基技术规范》规定桩顶下沉量为40 mm时所对应的负荷为最大承载，由此可见，长螺旋灌注桩极限承载力为2 800 kN，双向螺旋挤土灌注桩极限承载力为3 400 kN， 在各项参数技术指标均相同条件下，SDS桩极限承载力较长螺旋灌注桩提高近25%。究其原因是SDS桩挤土成孔过程中，挤密作用主要施加在桩侧孔壁以外的桩侧土体上，桩端以下土体双向螺旋挤土成孔与长螺旋灌注桩钻孔两种不同成孔工艺所引起的变形特征是类似的，因此极限承载性能区别主要表现在桩侧摩阻力上。由于SDS桩挤土成孔在0.75D桩心距范围内重度挤密，桩周土体密实度很高，桩侧与土体的接触面摩擦因数固然也会提高，故SDS桩极限承载性能要优于长螺旋灌注桩。

4极限承载力设计参数

4.1桩侧极限阻力

根据山东、河南、安徽、甘肃[18-19]等省份对于SDS桩的地方规范标准，双向螺旋挤土灌注桩极限承载力计算公式为

Qu=Qsu+Qpu=u∑asiqsiuli+qpuAp

(1)

式中：Qu为桩基极限承载力；Qsu为桩总极限侧摩阻力；Qpu为桩端总极限阻力；u为桩身横截面周长；qsiu为桩侧极限摩阻力标准值；qpu为桩端极限阻力标准值；li、Ap分别为桩身穿越不同土层i的深度和桩身横截面面积；asi为桩侧极限摩阻力修正系数。

通过式(1)可知，确定SDS桩的极限承载力需要明确3个设计参数，即qsiu、qpu、asi。与各类规范对比，SDS桩桩侧极限摩阻力标准值取值范围都是按照《建筑桩基技术规范》中对于干作业钻孔桩的桩侧极限摩阻力标准值定义。从试验中可以明显发现SDS桩的侧摩阻力因挤土成孔会有明显改变，因此需对系数进行修正。查阅各地规范将SDS桩极限侧摩阻力修正系数根据土体的不同进行归纳，asi取值见表5。

表5asi取值范围Table 5Selection Range of asi

4.2桩端极限阻力

表6为各省规范对于SDS桩桩端极限阻力标准值的经验范围。分析可知各地桩端极限阻力标准值差异较大，没有较为统一的标准，山东、宁夏两省的经验值接近于《建筑桩基技术规范》中对于混凝土预制桩的桩端极限阻力标准值的规定，而安徽、河南两省设计参数取值较小，取值范围接近干作业钻孔桩，甘肃地区标准与安徽、河南两省取值范围相似，与实际工程现场试验有较大偏差。

通过对表6分析可以发现，各省对于SDS桩桩端极限阻力标准值的取值仍是参考国家标准[20-21]，这是由于现有此类新型桩基础研究成果较少，未能形成统一认识。为了解决SDS桩桩端极限阻力标准值的取值问题，梳理兰州各典型地层现场试验资料，反算得出甘肃地区不同土质桩端极限阻力标准值，见表7。

从表7反算结果与实际规范值对比发现，甘肃地区现行地方标准对于SDS桩桩端极限阻力标准值规定过于保守，这势必会造成不必要的资源浪费。

表6双向螺旋挤土灌注桩桩端极限阻力标准值Table 6Standard Value of Ultimate End Resistance of Bidirectional Soil Displacement Screw Pile

表7甘肃地区双向螺旋挤土灌注桩桩端极限阻力标准值Table 7Standard Value of Ultimate End Resistance of Bidirectional Soil Displacement Screw Pile in Gansu Province

同时，山东、宁夏等省份对于SDS桩极限承载力的设计偏大，如若用于实际工程设计难免会产生安全隐患。因此，提出SDS桩甘肃地区极限端阻力标准值(表8)，供相关标准修订参考。

表9为本次试验场地地层基桩极限摩阻力标准值，将表9中数据代入式(1)中进行计算，与本试验SDS桩实际所测极限承载力进行对比，实测SDS桩极限承载力为3 400 kN，而计算值为3 489.4 kN，相对误差约为3%，由此说明，通过本文提出的设计参数判断SDS桩的极限承载力是合理的。

表8甘肃地区不同土类桩端极限阻力标准值Table 8Standard Value of Pile End Ultimate Resistance of Different Soil Types in Gansu Province

表9双向螺旋挤土灌注桩极限侧阻力标准值Table 9Standard Value of Ultimate Lateral Resistance of Bidirectional Spiral Compaction Cast-in-place Pile

5结语

(1)双向螺旋挤土成孔对桩周湿陷性黄土的地表竖向隆起和径向水平位移的影响区域为2D范围，在该区域里，随着与成孔中心距离的增大，影响效果愈来愈弱；竖向影响范围在地表以下25 m内，25 m以下双向螺旋挤土成孔对土体不产生明显影响。

(2)双向螺旋挤土成孔对桩周湿陷性黄土物理特性挤密范围为2D，桩心距0.75D范围内重度挤密，无湿陷性，土体物理特性明显改善；桩心距0.75D～1.25D范围内基本不具备湿陷性，中度挤密，土体物理特性指标改善较强；桩心距1.25D～2D范围内轻度挤密，有湿陷性，土体物理特性增幅不足10%；桩心距2D范围外与原状土物理指标相同，无挤密效果。

(3)同等工况下SDS桩单桩极限承载性能优于长螺旋灌注桩，极限承载力提升25%，且两种桩型均属缓变型强度破坏特征。双向螺旋挤土成孔产生的挤密效应是造成二者受力特性不同的最主要因素。

(4)基于各地规范中双向螺旋挤土灌注桩桩侧极限阻力修正系数和兰州各典型地层现场实测数据，反算了桩端极限阻力标准值，并将其与既有规范进行对比，提出了甘肃地区不同土类桩端极限阻力标准值。