长螺旋压灌扩底桩新施工工艺特点及工程优势浅析

易忠俊武，梁海安，曾 浩，陈丽雯，曹开伟，王 雯

（1.东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；2.江西中恒地下空间科技有限公司，江西 南昌 330013）

0 引言

随着工业的发展以及人口的增长，高层建筑不断增加，其基础在抗震、形变、承载能力上的要求也越来越高［1］。为了克服建筑物基础建设中的困难，工程师通过掘井技术，研发了人工挖孔灌注钢筋混凝土的成桩技术，灌注桩工艺于 1893 年最早出现。在 1940 年前后，大功率钻机成功研制，使钻孔灌注桩最早出现在美国［2］。虽然钻孔灌注桩不受地层制约、无需接桩和截桩、抗压且抗拔、受力稳、振动小、噪音小、适应性强［3］，但它仍然还存在着工艺复杂、造价高、上部施工和基础偶尔不连续、工期较长、难以彻底清理桩底沉渣（虚土）的缺陷［4］。这些缺陷限制了其工程质量及承载能力的稳定性。因此为了克服这些问题，长螺旋压灌扩底桩新施工工艺也应运而生。为了使长螺旋压灌扩底桩新施工工艺能得到充分利用，有效地解决桩基施工出现的问题，本文对长螺旋压灌扩底桩新施工工艺及工程优势进行了详细的阐述，为长螺旋压灌扩底桩新工艺的推广提供参考。

1 普通钻孔灌注桩施工工艺

钻孔灌注桩的施工有准备工作、造孔、钢筋笼制作安装和混凝土的配置与灌注。

1.1 施工前的准备工作

施工前的准备工作包括布置施工现场、试桩、测量放样、护筒埋设和制备泥浆。

在布置施工现场时要注意：①对于场地干旱的施工现场要进行场地除杂与整平、置换软土和夯实的工作，对于坡度较大的场地要用木排架或者枕木来搭设工作的平台［5］；②当施工现场为有水的区域时施工现场要根据水的深度、流动速度和水底地质情况恰当地采用筑岛法、浮动式钻探船或固定平台。

1.2 造孔

冲击钻孔法、正循环钻孔法、冲抓钻孔法、冲击反循环钻进法和泵吸反循环钻进法是进行施工前准备工作常用的造孔方法。为了确保钻机周正、稳定和水平，并保证钻具能够对准测放的中心进行开孔钻进，造孔要敷设枕木和台板。为了严格地控制成孔的质量，在造孔时要经常查验孔斜、孔径和孔型。在造孔时还要注意清孔，减少孔底沉淀层的厚度，确保灌注混凝土的质量。

1.3 钢筋笼制作与安装

钢筋笼制作前需要进行除锈和调直的工作，并对焊接钢筋进行可焊性和焊接质量试验。根据设计的要求在钢筋笼制作时要确定箍筋的用料长度，并将备用钢筋切好。钢筋笼要用大型吊车安装，且要对准桩孔的中心垂直放入，避免碰撞孔壁。

1.4 混凝土的配置与灌注

配置混凝土要求桩身的混凝土在养护 4 周后凝结密实，不出现裂缝、蜂窝、空洞和夹层的现象，水泥和钢筋黏结紧密，无钢筋暴露。一般采用导管灌注法进行混凝土的灌注。

1.5 钻孔灌注桩的缺陷

虽然钻孔灌注桩能解决桩基施工中出现的部分问题，但它还具有成桩质量差、成本高、施工效率低、单桩承载力低等缺陷，且不适合在有大粒径的卵漂石的地层中施工。

1）钻孔灌注桩的成桩质量低，在成孔成桩过程中，会对残留的沉渣或者持力层产生扰动。钻孔灌注桩工艺复杂、施工工序多、技术标准高且施工较困难。在施工管理不完善或者发生突发事件时，很容易引发如桩底沉渣过厚、缩径、断桩、孔底虚土和混凝土分层的问题。这些都会影响成桩质量，造成成桩质量较差。

2）钻孔灌注桩不仅要遭受打击和吊装搬运，还需要大量的大型机械投入。考虑成桩时可能出现如缩径、桩底沉渣过厚、断桩和混凝土分层的问题，所以必须要做大量的质量检测工作，以确保桩的质量，但在这过程中要耗费大量人力和物力。

3）钻孔灌注桩一般桩径较小，单桩承载力低。在钻孔机械进行钻孔时，会受到地质条件的影响发生井孔缩径的现象，这将会对桩基承载性能造成决定性的影响，甚至使单桩承载力大大降低。

4）在灌注过程中，由于受到场地条件和器械的限制，钻孔灌注桩灌注的整个施工过程需要满足国家规范及地方相关标准的要求。例如，在灌注时，没有相应保护层的保护，钢筋笼会出现断桩。要想在实际工程避免这样的情况出现，对施工以及施工人员的要求都很高，从而降低了施工效率［6］。

5）钻孔灌注桩在卵漂石层中钻进困难，不适合在此类地层中施工。钻孔灌注桩在类似的条件下施工时，会导致钻孔侧壁坍塌、钻进不进尺、卡钻、钻孔倾斜偏移和超挖的问题［7］。

2 长螺旋压灌扩底桩新施工工艺特点

与普通钻孔灌注桩施工过程相似，长螺旋压灌扩底桩施工过程包括：施工准备、测量放线、钻机等机械就位、钻孔到设计标高、高压旋喷注浆扩底、混凝土泵送压灌（提拔钻杆）、振动沉入钢筋笼和成桩检验。为了解决钻孔灌注桩的部分缺陷，长螺旋压灌扩底桩在施工过程中增加了同步技术、特制扩底钻头扩底技术、压力灌注、振捣插筋逆作法和钻孔成桩一体化的新施工工艺。

2.1 同步技术

同步技术是在长螺旋压灌扩底桩钻进施工时严格控制钻杆的转速和升降速度，保证钻杆每旋转一圈，钻杆下降或提起一个螺距的距离。

通过同步技术，能有效控制钻速，防止钻孔速度过快、空钻较多、孔中水压不够、土层压力挤压和孔壁平衡破坏的现象。与普通钻孔灌注桩施工工艺相比，同步技术能有效解决桩基施工中出现的倾斜过大、断桩、偏移和钻孔偏斜等问题。

2.2 特制扩底钻头扩底技术

当钻头下降到预定的位置时，采用最低档速度，甚至是时放时停的进钻状态，缓慢打开液压供油阀（打开液压阀供油时，不可一次性完成，可以分 5 次进行），直到钻头的扩孔器完全张开。然后保持低转速和扩孔器的张开状态来扩孔旋挖，形成扩大头。与普通钻孔灌注桩施工工艺相比，特制扩底钻头扩底技术能够减少对桩基周围土体的损伤，大大提高桩基的承载力。

2.3 压力灌注

钻孔施工完毕后，钻杆缓缓提升，同时通过中空的钻杆泵送混凝土拌合料，迅速填满因钻杆提升而产生的狭小空间。由于空间密闭，泵出压力通过流动的混凝土拌合料传递到钻孔内壁，会在桩周土产生一定的圆孔扩张，或泵出的水泥浆会胶结桩周的砂和卵石，使其桩土结合效果更好。与长螺旋压灌扩底桩的压力灌注相比，传统桩基灌注过程中未形成密闭空间，混凝土拌合料的围压为零。一般来讲，长螺旋压灌扩底桩的压力灌注的压灌压力大于长螺旋钻机的最大机体高度×混凝土的容重，根据工程经验，一般控制在 2 倍左右。

压力灌注对土体产生强力的挤密作用，泵送高压混凝土时对土体进行渗透扩散，扩大了桩侧接触面积，挤密作用提高了地基土的承载力并加固了桩周土。与普通钻孔灌注桩施工工艺相比，压力灌注能更好地解决桩基施工产生的塌孔问题。同时，压灌的泥浆有强大的携带桩底沉渣的能力，能够沿着螺旋结构将桩底沉渣快速排出。因此压力灌注能够有效解决因普通钻孔灌注桩施工工艺清孔不彻底、泥浆质量不好，比重小导致的桩底浮渣、难以将浮渣带出的问题。

2.4 振捣插筋逆作法

在灌注完毕后，将由钢管和振动器组成的插筋器插入钢筋笼内部，钢管须抵在同心锥状的钢筋笼底部以便传递振捣力。插筋时，振动器的振动荷载通过钢管传递到钢筋笼底部，钢筋笼以下拉的方式被插入到尚未凝结的混凝土桩体中。螺杆桩先灌注混凝土拌合料后振动插筋，传统的钻孔灌注桩先吊放钢筋笼再灌注混凝土拌合料。因此，振捣插筋逆作法相对普通钻孔灌注桩施工工艺而言能够大大提高桩的单桩承载力，解决桩承载力低和桩身混凝土分层的缺陷。

2.5 钻孔成桩一体化

螺杆桩机每次下钻时施工一个钻孔，提钻时立即对该钻孔灌注混凝土拌合料，将先钻孔后灌注成桩两步工艺变为钻孔成桩一体化。因此与普通钻孔灌注桩施工工艺相比，钻孔成桩一体化的施工速度更快，桩基施工质量更好。

3 长螺旋压灌扩底桩的工程优势

3.1 成桩质量好

长螺旋压灌扩底桩的混凝土是从钻杆中心向孔中压入，相对于普通钻孔灌注桩来说材料比较密实［8］，因此发生缩颈和断桩的情况较少；且由于桩孔周围的土体受到挤密，长螺旋压灌扩底桩不易引发坍孔、地表隆起、缩径的现象，与普通钻孔灌注桩相比，长螺旋压灌扩底桩成桩质量较好。

3.2 经济性好

长螺旋压灌扩底桩施工是由钻机直接调入钢筋笼。只需钢筋笼插入机械和长螺旋钻机作为主要设备，施工便捷，投入的大型机械少，且无需搬运吊装，因此配筋率要求相对较低。数据表明：配筋率约为 0.8 % 是预制锤击沉桩的最低要求，静力桩为 0.4 %，长螺旋压灌扩底桩配筋率可低至 0.2 %［9］。同时可根据建筑物的等级和荷载仅沿深度变截面配筋或在桩上部配筋。所以，在不包括因不致发生断桩和不需要承台的情况，桩预制桩的钢筋约为长螺旋压灌扩底 0.5～0.7 倍。如今我国每立方米预制桩约为灌注桩桩身混凝土造价的 1.5 倍。所以与普通钻孔灌注桩相比长螺旋压灌扩底桩具有更高的经济性。

3.3 单桩承载力高

长螺旋压灌扩底桩采用高压旋喷注浆扩底工艺，不但使孔底残渣被高压水泥浆旋喷处理后由长螺旋钻杆叶片带出地面的同时形成扩大头空腔，而且在随之泵压灌注混凝土中扩大了混凝土桩端直径，有效地提高了桩端阻力，也极大幅度地提高了单桩承载力特征值。由于采用压灌的方法成孔，长螺旋压灌扩底桩孔邻近的土侧摩阻力较高，其抗拔力和承载力也有所提高，稳定性和形变都比较理想。根据试验结果的数据表明，在桩顶沉降、桩径和桩长相同时，直桩的桩顶荷载是扩底桩的1/4～1/6；在桩顶荷载相同时，直桩桩顶沉降是扩底桩的15～25 倍。每多用 1 m3混凝土，扩底桩极限承载力就会增加 1 746 kN［10］。总的来说，与普通钻孔灌注桩相比，长螺旋压灌扩底桩承载力更大，沉降更小，且单桩承载力更高。

3.4 施工效率高

长螺旋压灌扩底桩钻孔强，成孔成桩无间断，操作简捷、施工快、工期短。长螺旋压灌扩底桩钻孔采用钻机，到达目标深度后提钻、灌注混凝土和放钢筋笼振捣成桩，成孔、成桩无间断完成。一般来说，20 m 长的孔桩每天约能完成 15 根。因此与普通钻孔灌注桩相比，长螺旋压灌扩底桩施工效率更高。

3.5 适用性好

长螺旋压灌扩底桩不但可以用于黏性土、填土和粉土的地层，还可以用于软土和地下水位高的地质条件［11］。普通钻孔灌注桩对于土质松软的土，会出现泥浆护壁效果不好、空钻多、孔壁平衡破坏、局部孔壁坍塌和夹泥的现象。且在存在众多粒径较大的漂石和卵石的地层条件下施工时，常会出现钻孔侧壁坍塌、钻进不进尺、卡钻、钻孔倾斜偏移和超挖的问题。因此与普通钻孔灌注桩相比，长螺旋压灌扩底桩适用性更好。

4 长螺旋压灌扩底桩新旧施工工艺对比

此次研究表明，长螺旋压灌扩底桩施工与普通钻孔灌注桩相比具有成桩质量好、施工效率高、经济性好、单桩承载力高、适用性好的工程优势，新施工工艺与普通钻孔灌注桩施工工艺相比可有效改进以下工程问题。

1）长螺旋压灌扩底桩的同步技术能更有效解决桩基施工中出现的倾斜过大、断桩、偏移、钻孔偏斜等问题；

2）特制扩底钻头扩底技术能够减少对桩基周围土体的损伤，大大提高桩基的承载力；

3）压力灌注能够更有效地解决清孔不彻底、泥浆质量不好、比重小导致桩底浮渣和难以将浮渣带出的缺陷；

4）振捣插筋逆作法能够大大提高桩的单桩承载力，解决桩基施工中出现的桩基承载力低和桩身混凝土分层的缺陷；

5）钻孔成桩一体化更加提升了施工速度，保证了桩基施工质量。

5 结语

本次研究主要论述和总结了长螺旋压灌扩底桩相比于普通钻孔灌注桩在工程应用中的优势，后期将主要以长螺旋压灌扩底桩的力学特性为研究核心，设计试验方案并展开室内模型试验，完善长螺旋压灌扩底桩技术，有助于长螺旋压灌扩底桩在工程中的应用与推广。Q