雙向螺旋擠土灌注樁(SDS)的技術(shù)優(yōu)勢與施工問題研究

肖光慶，袁桂華，張 勇，陳筱艷，蘇志東

(河南省有色工程勘察有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

隨著國家基建工作的迅猛發(fā)展，節(jié)能環(huán)保對建筑業(yè)的要求也隨之提升。在傳統(tǒng)的基礎施工中應用較廣泛的鉆孔灌注樁、CFG地基處理存在嚴重的泥漿污染和混凝土的浪費。雙向螺旋擠土灌注樁(SDS)技術(shù)是在CFG地基處理的基礎上通過對鉆頭的改進，減少出土量，充分發(fā)揮樁間土的承載力，進而減少混凝土用量。采用后插筋技術(shù)，克服了鉆孔灌注樁需出土或產(chǎn)生泥漿對環(huán)境的污染。SDS技術(shù)是國家住建部與國家財政部推廣的基礎施工的新技術(shù)項目，近3年來已經(jīng)在我國17個省份得到推廣和應用。因此，在廣闊的平原地區(qū)推廣SDS技術(shù)勢在必行。

本次研究以我公司在SDS技術(shù)應用上的實例進行分析對比，并簡單介紹了在施工過程中一些常見的問題及處理對策。

1 雙向螺旋鉆頭結(jié)構(gòu)及工作原理

雙向螺旋鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由接頭、反螺旋葉片、擠土擴大頭、正螺旋葉片、心管和鉆門等部分組成。

圖1 鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

接頭:主要連接上部鉆桿，目前市場上用得較多的是內(nèi)六方連接，用銷子固定。有部分廠家采用的是法蘭盤接頭，用螺母固定。

擠土擴大頭:往下施工過程中與正螺旋葉片一起將原先處于樁位的土擠壓到樁周。

反螺旋葉片:進一步將通過擠擴頭的土反壓到樁周圍，防止土往上流竄。

正螺旋葉片:將樁端土體傳送到擠土擴大頭。心管:混凝土輸送通道。

鉆門:往下施工時阻擋土進入心管內(nèi)。

2 SDS技術(shù)與傳統(tǒng)成樁技術(shù)的實例比較

目前我公司承攬的海爾(鄭州)空調(diào)基地廠房基礎工程、扶溝產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)公租房樁基工程、周口融輝城B區(qū)樁基工程等多個SDS樁基施工項目，均已順利完工并通過驗收，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。表1～3為SDS技術(shù)與傳統(tǒng)工藝經(jīng)濟比較。

表1 SDS樁與鉆孔灌注后壓漿樁基礎對比(海爾鄭州空調(diào)廠房樁基)

表2 SDS樁與CFG樁復合地基案例對比(洛陽正骨醫(yī)院豫東分院樁基)

表3 SDS樁與管樁案例對比(濮陽中原誠德信息物流園樁基)

與CFG樁、管樁、傳統(tǒng)方法施工的灌注樁相比，SDS樁可節(jié)約工程造價6% ～15%

3 SDS擠土技術(shù)與傳統(tǒng)擠土樁的成樁機理與優(yōu)缺點比較

市場上應用較多的擠土樁主要有兩種:靜壓預制樁和沉管灌注樁。SDS與這兩種擠土樁比較在成樁機理上有著明顯的區(qū)別。SDS是通過鉆頭的旋轉(zhuǎn)將原狀土破壞后，通過正旋葉片將土往上傳遞的過程中由擴大頭和反旋葉片將土擠密到周圍土體中，達到設計深度后灌注混凝土成樁。在正螺旋葉片范圍內(nèi)，空隙比大、強度低的土體擠入的土較多，反之較少。靜壓預制樁則是由樁體本身在設備施加豎直向下的壓力作用下，樁頭刺破原狀土體，將預制樁體在特定的壓力下壓到一定深度成樁。沉管灌注樁則是通過柴油錘或靜壓的方式，將帶尖的護筒管送到一定的深度后，灌注混凝土成樁。

靜壓預制樁與SDS技術(shù)比較，最大的優(yōu)勢在于質(zhì)量較易控制和預知，不會存在擴徑、縮徑、夾泥等樁身缺陷。但其施工樁長在很大程度上取決于地層的軟硬程度，樁長因持力層的起伏而發(fā)生變化，在材料控制方面極易造成浪費。而且樁長超過一定深度需要接樁，隨著時間的推移焊接部位容易腐蝕、斷裂，給上部結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。而SDS技術(shù)卻不存在靜壓預制樁的這些缺陷，SDS技術(shù)可以通過調(diào)節(jié)正旋葉片的長度適應不同地層的擠土需要，樁長易控制。

沉管灌注樁與SDS技術(shù)比較，最大的優(yōu)勢在于施工速度快。但其因為施工噪聲大，易使飽和砂層、粉土層液化，對周圍環(huán)境產(chǎn)生很大的負面影響。目前在城區(qū)基本上已經(jīng)禁止使用。而且它的樁長受地層和設備本身的限制，一般施工樁長都在15 m范圍內(nèi)。

4 技術(shù)與經(jīng)濟優(yōu)勢

4.1 適用能力強

雙向螺旋擠土灌注樁適用于標準貫入試驗(SPT)擊數(shù)N＜60的填土、粘性土、粉土、砂土、角礫，且不受地下水位的限制。對于圓礫、碎石、卵石、全風化巖和強風化巖等可壓縮巖土地層，應根據(jù)試樁情況，確定其適宜性，黃土、膨脹土等特殊土應按相應規(guī)范執(zhí)行。

4.2 單樁承載力高

由于成樁過程中樁身部分土體被擠到樁周，對樁間土擠實壓密，改善了樁間土力學性質(zhì)，提高了樁的側(cè)摩阻力。通過河南省現(xiàn)有工程實例比較，提高系數(shù)約 1.2。

4.3 無需泥漿護壁

遇到砂層和軟土層無需泥漿循環(huán)護壁。在成孔提鉆的同時，通過心管泵送混凝土澆筑成樁。減少了因護壁形成泥皮從而減少樁身側(cè)壁阻力的負面影響，同時減少了因泥漿外運產(chǎn)生的費用及對環(huán)境的污染。

4.4 經(jīng)濟優(yōu)勢明顯

成樁過程中鉆進連續(xù)，且可根據(jù)巖土層堅硬程度的變化而調(diào)整鉆進速度。在粉土、粉質(zhì)粘土、砂層中鉆進速度是鉆孔灌注樁的5～10倍，大大節(jié)約了現(xiàn)場的機械成本、時間成本、管理成本?；炷晾眯矢撸?00 mm的SDS樁與450 mm的樁孔灌注樁承載力相當，大大節(jié)約了材料成本。

5 施工中常見問題與處理措施

在多個工程的實踐中，雙螺旋擠土灌注樁出現(xiàn)了一些問題?，F(xiàn)整理一些常見的問題和處理措施，供同行們參考和探討。

5.1 堵管

SDS樁成樁期間，混凝土阻塞于輸料管或鉆桿心管等部位，混凝土不能沿輸送管道運輸。發(fā)生堵管的原因主要有:

(1)混凝土泵送量與提鉆速度不協(xié)調(diào)，當提鉆速度小于泵送量時，造成鉆桿內(nèi)和輸送管路上混凝土輸送壓力增大，使混凝土發(fā)生泌水離析，導致混凝土擠壓密實而堵管。

處理措施:調(diào)節(jié)泵車泵送速率或調(diào)節(jié)提鉆速度，使混凝土保持在地面上2.0 m左右;保持透氣孔的暢通，能直觀的觀測混凝土在鉆桿內(nèi)的高度，嚴禁盲目的泵送混凝土。

(2)管道接口處密封不嚴漏水、漏漿，從而使混凝土失水、失漿而使輸送阻力增大，導致堵管。

處理措施:施工前，仔細檢查每根鐵管和軟管的表觀特征，發(fā)現(xiàn)鐵管有破損或軟管內(nèi)有漏筋現(xiàn)象應嚴禁使用;在施工過程中要經(jīng)常檢查管道連接處的密封情況，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。

(3)鉆桿在下行過程中軟管活動空間小，導致軟管彎折，管道不暢通而堵管。

處理措施:施工前，在上下活動部分的軟管接頭處涂上黃油，導管在下行過程中接頭處能旋轉(zhuǎn);施工過程中，指揮人員應認真細致觀察，發(fā)現(xiàn)有彎折現(xiàn)象應及時處理。

(4)鉆頭閥門設計不合理或類型選擇不當，主要有鉆頭處閥門密封不嚴，鉆頭閥門的長度和開啟角度設計不合理，閥門不能打開到正常位置，或漏水漏砂導致堵管。

處理措施:施工前，應檢查鉆頭閥門與鉆桿的密封性、靈活性和閥門的開啟角度的合理性，必要時進行打磨處理和焊上限位鋼筋;施工時，在鉆門和鉆桿處墊塑料袋保證鉆桿的密封性，下鉆之前將鉆門處的土清理干凈，保證閥門的靈活性和開啟角度。

(5)混凝土的和易性、塌落度、骨料大小含量、等待時間過長導致混凝土的流動性和可泵性存在差異導致堵管。

處理措施:根據(jù)成樁速度計算混凝土用量，盡量采用少量多次的方式供應混凝土，在規(guī)定時間內(nèi)用完(見表4);混凝土的塌落度應控制在180～220 mm之間，塌落度過大、過小都不宜使用，必要時應增加外加劑來調(diào)節(jié)混凝土的塌落度;控制粗骨料的最大直徑，最大骨料直徑不宜大于輸送管道直徑的0.3倍，建議當混凝土的最大粒徑＞3.0 cm時，應與商混站溝通，調(diào)整骨料大小。

表4 混凝土運輸、澆筑和間隙時間 /min

(6)因故中途停鉆時間過長，導致輸送管道內(nèi)的混凝土流動性減弱而堵管。

處理措施:每隔0.5 h泵送一次混凝土，確保管道內(nèi)混凝土的流動性。

5.2 竄孔

在施工完一根樁后，在鄰近施工另一根樁的過程中，隨著鉆具的鉆進，已施工完的樁頂突然出現(xiàn)下沉而隨著新施工樁灌注混凝土的過程中下沉樁又有所回升的現(xiàn)象。在飽和粉土、軟塑至流塑狀粉質(zhì)粘土、稍密的粉細砂層中容易出現(xiàn)竄孔現(xiàn)象。

竄孔可能形成的原因有:(1)飽和粉土和粉細砂在樁機施工過程中產(chǎn)生液化現(xiàn)象，或流塑狀粉質(zhì)粘土自穩(wěn)性不夠，土體往正在施工的樁孔內(nèi)流動;(2)鉆具在提升過程中，由于提拔的吸力，導致孔內(nèi)出現(xiàn)短暫的真空狀態(tài)，在大氣壓的作用下土體往正在施工的樁孔內(nèi)流動。

竄孔的處理措施:(1)增大施工樁間距，進行跳打，減少對樁間土的擾動;(2)檢查排氣孔的情況，保持排氣孔的貫通，減少真空抽吸現(xiàn)象;(3)施工過程中，關(guān)注鄰近孔的情況，發(fā)現(xiàn)有下沉情況應停止提鉆連續(xù)泵送混凝土至下沉樁頂標高恢復到設計高度，如不能恢復到設計標高則需要回鉆補料，補料時應將鉆頭上土清洗干凈鉆頭沒入混凝土面≮1.5 m。

5.3 樁身上部夾泥或有氣泡

SDS成樁后在保護樁頭和保護樁頭下出現(xiàn)夾泥、混凝土不密實有氣泡的情況。

夾泥或混凝土不密實可能形成的原因:(1)在樁身上部鉆頭提升過快，泵送混凝土沒有跟上孔壁周圍的土混入混凝土中;(2)排氣孔堵塞，輸送管道中的空氣排出不暢，混入混凝土中不能及時排出;(3)最后2 m時鉆管內(nèi)混凝土多而停止泵送，讓混凝土在重力下成樁而沒有振搗密實;(4)插筋樁，在插筋前土掉入樁孔中或鋼筋籠在運輸工程中帶土至混凝土中;(5)施工過程中，出現(xiàn)反鉆現(xiàn)象。

施工時的控制措施:(1)調(diào)整提鉆速度;(2)檢查排氣孔暢通情況，發(fā)現(xiàn)情況及時處理;(3)下籠樁應及時清理孔口虛土，防止鉆頭離地后，虛土倒流入樁孔內(nèi)，清理鋼筋籠籠尖內(nèi)的土后下震成樁;(4)嚴禁在成樁過程中出現(xiàn)反鉆現(xiàn)象。

5.4 斷樁、縮徑和擴徑

SDS樁在成樁后樁身混凝土出現(xiàn)部分缺失、直徑變小或擴大的情況。在軟塑至流塑狀粉質(zhì)粘土、飽和粉土中容易形成斷樁和擴徑，在可塑至硬塑狀粉質(zhì)粘土中容易縮徑。

斷樁、擴徑的可能原因:(1)飽和粉土在樁機施工過程中產(chǎn)生液化現(xiàn)象，或流塑狀粉質(zhì)粘土自穩(wěn)性不夠，土體朝軟弱處移動(土體和已灌注的混凝土移向鄰近正成孔的樁孔內(nèi)形成斷樁或在混凝土的自重和沖擊力的作用下，產(chǎn)生向外的擠壓力，當擠壓力大于土體的約束力的情況下形成擴徑;(2)樁身范圍內(nèi)的土體在鉆頭的擠壓下向樁間土擴散，當樁間土側(cè)向壓縮模量較大時，土體在壓力撤銷后回彈量就大，或孔隙中的水在擠壓過程中不能及時排出(如可塑至硬塑狀粉質(zhì)粘土、粘土中滲透性較差)在擠壓過程中形成較大的孔隙水壓力，擠壓力撤銷后，在孔隙水壓力的作用下土體回彈，且回彈量較大。

施工時的控制措施:(1)施工時進行跳打，減少對樁間土的擾動作用，增加孔隙水壓力消散的時間;(2)增加鉆進速度，減緩提鉆速度，使灌注更加充分;(3)增加鉆頭直徑，抵消回彈量;(4)在擠擴鉆頭上接同直徑的螺旋鉆桿，在提升過程中帶走因回彈產(chǎn)生的土體。

5.5 偏籠、露筋和鋼筋籠下放高度偏差大

鋼筋籠下放過程中如控制不好容易出現(xiàn)保護層厚度不夠、露出或鋼筋籠頂標高高出或低于設計標高的情況。

可能原因分析:(1)鉆塔垂直度不夠，孔斜;(2)鋼筋籠制作時，鋼筋籠引尖過短或不對稱，下放過程中在震動力的作用下偏心;(3)下放過程中導管不夠垂直，特別是用小卷揚下籠時，放繩速度控制不好;(4)技術(shù)人員粗心大意，忽略了特殊標高的控制，指揮人員與操作手之間溝通滯后;(5)振動器振動功率過大或過小;(6)保護塊焊接不牢，在振動下籠過程中，保護塊掉落;(7)混凝土的塌落度過小，或下籠不及時，導致下籠困難。

施工時的控制措施:(1)加強現(xiàn)場施工管理，強調(diào)指揮人員的責任，嚴格技術(shù)交底;(2)加強鋼筋籠的驗收與檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正;(3)鋼筋籠下放到距設計標高100 cm的時候，應提醒操作手減慢下籠速度，鋼筋籠下放到高于設計標高10 cm時應示意操作手停止下放;(4)選擇合適的振動器，調(diào)節(jié)振動器功率。

6 結(jié)語

雙螺旋擠土灌注樁(SDS)技術(shù)與目前市場上常用的基礎施工技術(shù)相比有較大的經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)勢。但作為一種新型的施工技術(shù)，也有其需要改進的方面。現(xiàn)代建筑對樁基礎承載力的要求越來越高，地下室也越來越深。而該樁型施工樁長受塔高的限制，且施工空樁的能力完全取決于土的自穩(wěn)能力。這在某種程度上限制了該技術(shù)的推廣應用，如果設備在這兩方面加以設計和改進，SDS技術(shù)的應用會更加廣泛。

[1] DBJ 41/T 132—2014，雙向螺旋擠土灌注樁技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 編寫組.建筑施工手冊(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3] 王功勛.CFG樁施工常見問題及處理措施[J].科技創(chuàng)新與應用，2012，(13).

[4] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 李江.回填碾壓地基的CFG樁加固工程[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(1):82 －84.

[6] 宋鴻，歐陽繼勝.鉆孔壓漿樁基礎質(zhì)量事故處理實踐[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(8):50 －53.

[7] 許厚材.復雜地質(zhì)條件下基坑支護灌注樁施工技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(11):54 －57.

[8] 李志毅，劉鐘，趙琰飛，等.新型螺旋擠土灌注樁現(xiàn)場試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30(2).