半螺桿樁在建筑中的應(yīng)用研究

汪海洋

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092

1 前言

半螺桿樁的主要構(gòu)造特征為上部為圓柱樁體、下部為螺旋狀樁體，與傳統(tǒng)樁型相比，在樁基的下半部增加了螺旋結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)形式的改變，樁土作用模式也隨之改變。由于螺旋體的存在，螺旋體與樁周巖土體緊密咬合、牢固粘聯(lián)，且鉆進(jìn)過程中還產(chǎn)生了擠密作用。半螺桿樁施工方式為鉆進(jìn)施工，混凝土灌注方式為通過中空鉆桿直接貫入、一次性成型，無需泥漿護(hù)壁，也不會(huì)發(fā)生塌孔事故。因此，半螺桿樁樁身與巖土體之間無泥皮，樁體與周邊巖土體直接接觸，可有效利用樁周巖土體的側(cè)阻力；樁底無沉渣，可有效利用樁底巖土層的端阻力；樁體質(zhì)量好，發(fā)生斷樁等事故的概率低，樁體自身強(qiáng)度高。由于上述優(yōu)勢(shì)，在同等混凝土用量下，該樁型可有效提高樁基承載能力。

該樁型施工時(shí)無噪音污染、排出渣土量少、無泥漿排放，環(huán)境效益好。

根據(jù)國內(nèi)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，除中～微風(fēng)化巖層外，該樁型能鉆入大部分巖土層，尤其擅長(zhǎng)鉆透土夾卵（碎）石層、橡皮泥等特殊土層，證明了該樁型地層適應(yīng)性強(qiáng)。

2 半螺桿樁的構(gòu)造和受力機(jī)理

2.1 構(gòu)造

半螺桿樁是采用帶有鉆孔與旋轉(zhuǎn)同步自控裝置的螺桿樁鉆機(jī)和特制的螺紋鉆桿設(shè)備成孔成樁［1］。其鉆桿結(jié)構(gòu)體系詳見圖1，鉆桿為特殊鋼管材料，螺紋由高強(qiáng)度金屬材料圍繞鉆桿焊接而成。由于半螺桿樁既有摩擦力，又有螺紋的端承力，因此螺桿樁穩(wěn)定性好、抗震性強(qiáng)、抗拔性能好、螺桿樁承載力比普通灌注樁大［2］。

圖1 鉆桿構(gòu)造示意圖

根據(jù)深圳地區(qū)同類工程經(jīng)驗(yàn)，半螺桿樁的直徑、螺旋體的螺紋高度、螺紋間距等均有一定的最佳范圍。其中樁徑以0.4～0.5m 為宜，螺紋高度以0.05m 左右為宜，螺紋間距以1.0～1.5D 為最佳。

2.2 受力機(jī)理

半螺桿樁樁體為變截面灌注樁，上部為圓柱體、下部為螺紋體，上下兩段在受力性狀不同。根據(jù)收集的試樁材料，該樁型的承載力由四部分組成，分別為：上部圓柱體的側(cè)摩阻力、下部螺紋體的側(cè)摩阻力、螺紋部分的端阻力和樁端阻力［3］。上述四種作用力的發(fā)揮時(shí)間與發(fā)揮比例與上部荷載的加載方式、荷載大小有關(guān)，一般不會(huì)同時(shí)發(fā)揮作用。在上部荷載的作用下，上部圓柱體側(cè)阻力先發(fā)揮作用；當(dāng)上部樁體與樁側(cè)巖土體產(chǎn)生一定的相對(duì)位移時(shí)，下部螺紋體的側(cè)摩阻力和螺紋端阻力開始發(fā)揮作用；等下部螺紋體與樁側(cè)巖土體的相對(duì)位移達(dá)到一定程度時(shí)，樁端阻力開始發(fā)揮作用。樁端阻力的發(fā)揮比例與上部荷載大小密切相關(guān)。

（1）上部圓柱體的受力機(jī)理

半螺桿樁上部圓柱體的構(gòu)造特征及受理機(jī)理與傳統(tǒng)灌注樁基本一致。但半螺桿樁成樁方式不同，其承載能力也有所改善。主要原因在于半螺桿樁采用螺旋鉆進(jìn)成孔，且通過鉆桿直接貫入混凝土成樁，無需泥漿護(hù)壁，也就不存在泥皮，樁體本身與樁周巖土層直接接觸。

半螺桿樁樁側(cè)摩阻力的傳遞順序?yàn)椋簶俄敽奢d-樁體-樁側(cè)巖土層［1］。具體表現(xiàn)為：當(dāng)樁頂受壓時(shí)，樁體上部產(chǎn)生彈性變形，樁體產(chǎn)生沉降，在這兩者的共同作用下，樁體與樁周巖土之間產(chǎn)生相對(duì)位移，相對(duì)位移越大，側(cè)摩阻力發(fā)揮的越充分。

需要指出的是，樁側(cè)阻力不是瞬間充分發(fā)揮的，樁頂加載初期，樁體的沉降及變形均較小，只有樁頂處的樁體產(chǎn)生相對(duì)位移，側(cè)摩阻力也只是在此處發(fā)揮，隨著樁頂荷載的不斷增大，樁側(cè)阻力不斷向深部傳遞。

（2）下部螺旋體的受力機(jī)理

與常規(guī)灌注樁的成孔、成樁方式不同，半螺桿樁是通過螺紋鉆探鉆進(jìn)擠壓成孔，且在螺紋段形成螺紋，樁身混凝土也是通過鉆桿直接貫入［1］。因此，半螺桿樁的受理方式也存在差異，主要表現(xiàn)在新增了螺紋阻力及樁體的擠壓作用力。由于螺紋體分布于樁體下部，該部分的側(cè)阻力要滯后于上部圓柱體發(fā)揮。

①螺紋阻力。根據(jù)螺紋體的構(gòu)造，螺紋面為斜截面，樁體通過螺紋面作用在巖土體上的作用力可分解為平行于樁體的豎向力和垂直于樁體的法向力，相對(duì)應(yīng)的，巖土體對(duì)樁體螺紋面的支撐力也可分解為豎向力和法向力。由于螺紋面一般傾角一般較小，巖土體對(duì)樁體螺紋面的豎向作用力一般大于法向作用力。

②擠密作用力。由于半螺桿樁是通過螺紋鉆探鉆進(jìn)擠壓成孔，鉆進(jìn)過程中，鉆桿對(duì)周圍土體產(chǎn)生擠密作用，且由于樁身混凝土為通過鉆桿一次性成型，擠密作用力消散緩慢，能夠得到有效發(fā)揮。螺紋體螺紋面的的阻力可以當(dāng)做端阻力，而螺桿處的阻力則仍為側(cè)摩阻力。綜合分析，螺桿體的受力可理解為端承摩擦力。

3 半螺桿樁的承載力計(jì)算方法

半螺桿樁的單樁承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式如下：Quk=Qsk1+Qsk2+QPK=u∑αiqsiklI+u∑βiqsiklI+qpkAp［4］

式中：Qsk1-單樁上部直桿段總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Qsk2-單樁下部螺紋段總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

QPK-單樁總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

qsik-單樁直桿段第i 層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可按《福建省螺桿灌注樁技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T13-246-2016）取值；

qpk-單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可按《福建省螺桿灌注樁技術(shù)規(guī)程（DBJ/T13-246-2016）取值；

lI-樁周第i 層土的厚度（m）；

u-樁身周長(zhǎng)（計(jì)算直徑取螺桿灌注樁外徑D）；

Ap-樁端面積；

αi、βi-單樁上部直桿段第i 層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值的修正系數(shù)、單樁下部螺紋段第i 層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值的增強(qiáng)系數(shù)，可按《福建省螺桿灌注樁技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T13-246-2016）取值。

4 半螺桿樁的應(yīng)用案例分析

4.1 工程概況

深圳某建筑工程，為3棟10層住宅樓，框架結(jié)構(gòu)，無地下室，屬乙類建筑，抗震設(shè)防烈度為7 度。樁基設(shè)計(jì)參數(shù)詳見下表：

表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表

4.2 樁基設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述地質(zhì)條件及擬建建筑物荷載條件，本工程宜采用樁基礎(chǔ)，以④層粉質(zhì)黏土作為樁基持力層，樁型可比選半螺桿樁、管樁及沉管灌注樁。在同等條件下，分別計(jì)算3 種樁基礎(chǔ)單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算結(jié)果詳見下表：

表2 同等條件下單樁承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算表

注：以上結(jié)果按照樁徑為0.4m、樁尖進(jìn)入持力層1.2m 條件計(jì)算得出。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析可知：

（1）同等條件下，半螺桿樁的單樁承載力理論值可比管樁提高約70%；

（2）同等條件下，半螺桿樁的單樁承載力理論值可比沉管灌注樁提高約100%。

總體來看，半螺桿樁的承載能力理論值提高幅度較大，優(yōu)勢(shì)顯著。

4.3 樁基靜載試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證半螺桿樁的實(shí)際使用效果，對(duì)擬建場(chǎng)地進(jìn)行了樁基靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及與理論計(jì)算值的對(duì)比情況詳見下表：

表3 樁基靜載試驗(yàn)成果及其與理論值對(duì)比分析表

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析結(jié)論如下：

（1）半螺桿樁試驗(yàn)值與計(jì)算值基本相符，說明該樁型理論計(jì)算公式可靠，可滿足單樁承載力設(shè)計(jì)要求，樁身沉降可控；

（2）半螺桿樁的單樁承載力優(yōu)勢(shì)明顯，加上施工簡(jiǎn)單、施工速度快、成樁效果好等因素，在適用條件下，可優(yōu)先選用該樁型。

5 結(jié)論

通過分析半螺桿樁的構(gòu)造及作用機(jī)理，闡明了該樁型可改變傳統(tǒng)樁基與土體之間相互作用的模式，通過樁與土體構(gòu)成機(jī)械型咬合，使樁土緊密結(jié)合、牢固粘聯(lián)，充分發(fā)揮樁土的共同作用，提高樁的承載力。通過工程實(shí)例，分析對(duì)比了半螺桿樁、管樁及沉管灌注樁及承載能力，并通過靜載試驗(yàn)驗(yàn)證了半螺桿樁理論計(jì)算公式的可靠性，證明了該樁型的優(yōu)越性。說明該樁可有效降低工程建設(shè)成本，提高經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。