长螺旋桩在上海的应用与研究--综合设计修2

2005 年国家推广应用建筑业 10 项新技术之一新型长螺旋钻（挤）孔灌注桩技术螺纹桩在上海的应用与研究（综合报告）上海世纪长江产业发展有限公司中国地质大学武汉丰达地质工程有限公司上海现代设计集团上海现代工程咨询有限公司二五年五月1目 录一、 前言二、 长螺旋钻（挤）孔灌注桩技术特点三、 长螺旋钻（挤）孔灌注桩适用范围四、 长螺旋钻（挤）孔灌注桩承载力机理五、 长螺旋钻（挤）孔灌注桩在上海的应用与实践六、 结论附件一、长螺旋钻（挤）孔灌注桩技术规定附件二、建设部 2005 年 2 月 23 日建质200526 号文2摘要：长螺旋钻(挤)孔灌注桩是一种新的桩型。是建设部 2005 年 2 月 23 日建质200526 号文要求进一步推广应用建筑业 10 项新技术中的一种，由于其造价低、施工方便、质量保证、代表了现阶段我国建筑业技术发展的最新成就。本次推广的是一种新的长螺旋钻(挤)孔灌注桩型螺纹桩，它在长螺旋钻(挤)孔灌注桩优势的基础上，更具有承载力高、节约材料、工期短和环保等特点。所以希望通过我们的努力，能使这一技术在上海得以研究和推广应用。一、长螺旋钻(挤)孔灌注桩螺纹桩技术产生和发展长螺旋钻(挤)孔灌注成桩技术, 在 国 外 ， 称 之 为 CFA 工 法 桩 (Continuous Flight Auger Pile)， 可 译 为 钻 孔 压 注 桩 ， 在 法 、 英 、 意 、 德 、 美 等 国 家 比 较 流行 。 在 国 内 是 广 泛 应 用 于 水泥粉煤灰碎石桩(CFG 桩)复合地基和混凝土灌注桩的一 种 施 工 新 技 术 。按其成桩过程对桩侧土体的影响程度,可分为非挤土型(普通长螺旋钻孔灌注桩)和挤土型(长螺旋挤孔灌注桩螺纹桩)。我们要在上海推广应用的是挤土型(长螺旋钻挤孔灌注桩螺纹桩)。 螺 纹 桩 是 由 长 螺 旋 钻 (挤 )机 、 混 凝 土 输 送 泵 和 强 制 式 混 凝 土 搅 拌 机 组 成 的完 整 的 施 工 体 系 。 成 桩 时 由带有自控装置的螺纹桩机，特制的螺纹钻杆钻进，钻到设计深度，在土体中形成螺纹，提钻过程中螺纹桩机自动控制系统严格控制螺纹钻杆提升速度和旋转速度，与此同时制备好的混凝土开始由高压砼泵输送，通过空心螺纹钻杆由钻头泵出，钻头泵出的高压细石混凝土迅速填充由于螺纹钻杆旋转提升所产生的带螺纹空间，形成螺纹，然后将钢筋笼压入或振入孔内砼中、成桩。在 合 适 的 地 层 和 深 度 ， 施 工 效 率 一 般 为 300 500 米 /天 ， 通 常钻 孔 直 径 为 300 800mm， 施 工 深 度 在 40m 以 内 。3CFA 工 法 桩 的 施 工 机 具 及 施 工 流 程 如 图 1、 图 2 所 示 。图 1、新型长螺旋钻(挤)孔灌注桩螺纹桩图 2 长螺旋钻(挤)孔灌注桩施工程序注 ： a.用 长 螺 旋 钻 (挤 )孔 机 钻 孔 至 预 定 深 度 ； b.用 混 凝 土 输 送 泵 将 混 凝 土 通 过 钻 杆 内 腔 压 灌 至 孔 底 ,边 灌 混 凝 土 边 提 升 钻 杆 ；c.将 钢 筋 笼 振 入 或 压 入 孔 内 混 凝 土 中 ; d.成 桩 。4长螺旋钻(挤)孔灌注桩技术实质上是 CFA 工法桩在中国的具体化和发展应用。1997 年国家投资立项研制开发长螺旋钻机和配套的施工工艺,并列入“九五”全国重点攻关项目，于 1999 年 12 月通过国家验收。近几年来长螺旋钻(挤)孔水下灌注技术也不断地改进和提高,经过多年实践证明技术是可靠的，经济效益十分显著。该技术已在全国 20 多个省、市广泛推广应用，既可用于水下混凝土灌注桩施工，也可用于 CFG 桩复合地基施工。目前该技术已列入建设部要求进一步推广应用建筑业 10 项新技术中(见 2005年 2 月 23 日建质200526 号文第 1.1.2 条“长螺旋水下灌注成桩技术”)。并认定所推广的技术既成熟可靠，又代表了现阶段我国建筑业技术发展的最新成就。进一步加速推广这项技术的条件已具备，应用前景是十分广阔的。二、长螺旋钻(挤)孔灌注桩螺纹桩的技术优势1新型:采用独创性式一 次 性 钻(挤)孔成桩,无振动,施工简便快捷，适用地层广泛。2高科技：螺纹桩机采 用 钻进导程同步跟踪自动控制系统，使螺纹钻头旋转速度与纵向钻进速度保持同步，形成精确并且完整的螺纹桩体，使其承载力及抗拔力大大提高。3高效率：能以每分 钟 2-4 米的恒定速度钻进粘土、砂(粉)土和卵砾石层，施工效率一般为 300-500 米/天。4高承载力：桩身质 量 可靠，改变了传统钻孔灌注桩圆柱形桩身为螺纹形桩身，从而大大提高了单桩承载力，工程实践证明，在相同地质和同桩长同桩径的条件下，螺纹桩承载力为传统钻孔灌注桩的 1.5-3 倍。5有效减少沉降量：螺纹桩桩侧螺牙与桩侧土体紧密咬合，形成了更高的摩擦力合多个端承支点，明显提高了桩侧土体对桩身向下位移的影响。56经济效益显著：由 于 单桩承载力较大，其单方混凝土承载力为相应普通灌注桩的 1.5-3 倍。即在同样承载力要求下，螺纹桩可比普通灌注桩节约材料 50%以上。在负荷相同的情况下，可缩短桩长、减少桩径或减少桩数。7应用方便：作为高层建筑及重要构筑物的桩基础，可供设计灵活使用，既可作柱下单桩方案以减少承台施工量，又可沿箱基墙下或筏基柱下布桩以减少底板厚度及配筋量。这不仅能节省投资，而且施工方便、工期短、造价低、质量优。8环保效益：螺纹桩施工时，无泥浆排放、无余土外运、低噪声。对保护环境、节能等方面也具有可观的社会效益。三、长螺旋钻(挤)孔灌注桩螺纹桩的适用范围1适用建筑类型：工业与民用建筑物、高层建筑、道路、桥梁、码头等桩基。如 18 层以下高楼、大型厂房、水塔、电厂冷却塔等。2适用桩基础类别：抗压桩、抗拔桩（污水处理厂水池、大型油罐） 、基坑及边坡支护桩、复合地基、高承载力锚杆，以及建筑物的地基加固，见图 3 所示。3适用土层：填土层、粘性土层、淤泥土层、粉土层、砂土层及卵（碎）石层（粒径小于 100mm，卵石含量小于 40%）等，采用特殊钻头可钻进入强风化岩层。特别适宜于钻（冲）孔桩、沉管桩和静压（或打入式）预应力管桩不适宜的坍塌、扩缩径、流砂、怕扰动的地层、湿陷性黄土、岩溶发育地区等复杂地质条件。工程实践证明，长螺旋钻(挤)孔灌注桩螺纹桩技术，适应地层广泛，能充分利用地基承载土层，工程造价低，可大量节省钢材和水泥，能有效减小桩直径和减少桩长，提高桩的承载力，有效控制沉降量，抗水平力和抗拔力好。6这项技术的出现扩大了桩基工程的适用范围，改善了桩基工程的使用条件。图 3 长螺旋钻(挤)孔灌注桩螺纹桩的适用情况四、长螺旋钻(挤)孔灌注桩螺纹桩承载力机理若将传统钻孔灌注桩比作圆铁钉，进入土中依靠端承力和圆铁钉四周摩擦力承载，而螺纹桩就像螺丝钉，螺纹的质量优良、稳定性好、耐震和抗拔性强，见图 4 所示。从图中对比明显可以看出根据螺纹桩身的受力机理，螺纹桩比传统钻孔灌注桩承载力大。7（a）传统钻孔灌注桩 （b）螺纹桩图 4 螺纹桩与传统钻孔灌注桩承载力机理对比1传统钻孔灌注桩承载力机理传统钻孔灌注桩桩侧阻力由 3 部分组成：（1）土中胶体与桩表面的粘聚力；（2）土与桩接触面间的摩擦力；（3）桩表面粗糙不平的机械咬合作用力；在滑动前主要取决于土中胶体与桩表面的粘聚力，发生滑动后则取决于土与桩接触面间的摩擦力和桩表面粗糙不平的机械咬合作用力，传统钻孔灌注桩承载力主要为摩擦阻力及机械咬合力的组合。82螺纹桩承载力机理螺纹桩桩桩侧阻力相对于传统钻孔灌注桩有以下 3 方面改善：（1）挤扩孔后桩周土体干密度提高，增强土中胶体与桩表面的粘聚力；（2）变截面多支点端承力、摩擦力；（3）桩侧螺牙与土的机械咬合作用力；长螺旋钻(挤)孔灌注桩是灌注桩的一种异形桩，属于变截面灌注桩，通过沿桩身形成的螺纹，变普通摩擦桩为变截面多支点的端承面，改变了桩的受力机理，极大地改善了桩侧阻力作用，虽然土中胶体与桩表面的粘聚力和土与桩接触面间的摩擦力仍然存在，但螺纹桩的桩侧阻力主要为螺纹桩的螺牙与土的机械咬合作用力，从而提高了桩的竖向承载力、水平抵抗力和抗拔力。螺纹桩在初加荷载时，和传统钻孔灌注桩一样在滑动前主要取决于粘聚力，随着荷载的加大，粘聚力破坏后桩体开始滑动，这时螺纹桩的螺牙与土的机械咬合作用力构成滑动阻力。滑动产生的主要原因为螺牙根部土的局部挤压变形，当荷载达到极限时，其破坏特征是以螺纹外的土体剪切强度耗尽及达到了土的抗剪强度为特征，螺纹桩与土沿螺牙外径圆柱面上发生剪切滑移。此外，螺纹桩机挤扩形成螺纹的同时，改善了地基土的工程性能，无泥浆护壁和桩底沉渣，使螺纹周围 0.5m 范围内的土的干密度提高 10%-30%；而传统灌注桩在施工过程中需泥浆护壁，而由于泥浆的比重小于土的天然重度，成孔后土体松弛，泥浆软化了孔壁土，造成泥皮作用和沉渣等不利于桩承载力的因素。9但螺纹桩是一种新的桩型，其成孔工艺特殊、受力机理复杂，有关它的试验和理论需要进一步积累和完善。3、传统钻孔灌注桩桩侧阻力 Qsk1的计算传统钻孔灌注桩是以桩-土之间的摩擦阻力确定单桩竖向极限承载力：Qsk1=uq sikli 式中：q sik为桩侧第 i 层土的极限侧摩阻力标准值；u 为桩身周长，其值为2r;l i为桩穿越第 i 层土的厚度。4、螺纹桩桩侧阻力 Qsk2 的计算螺纹灌注桩以土体的抗剪强度 si确定单桩竖向极限承载力： Qsk2= u sili 其中： si为桩侧第 i 层土的极限抗剪强度标准值。为方便计算，以饱和粘性土为例进行比较。饱和粘性土中： si=Csi其中，C si为土的不排水剪切强度。 根据汤姆利逊（Tomlinson.1971）由 78 根桩试验结果统计提出的 法理论：qsitk=C si其中， 为粘着力系数（0.21.0） 。为进一步简化比较，假定场地土质相同，桩长相同，直径相同，即 u1=u2，则有传统钻孔灌注桩：10Qsk1=uq sikli由 法理论 qsik=C si 得Qsk1=uC si li=uC si li=Q sk2=（0.21.0）Q sk2螺纹桩与传统钻孔灌注桩承载力关系为Qsk2=u C si li= Qsk1/ =（15）Q sk1 即螺纹桩在饱和粘性土场地土质相同，桩长相同，直径相同（u 1=u2）的条件下承载力是传统圆柱型灌注桩的 15 倍。5、螺纹桩承载力的计算方法1) 单桩竖向极限承载力标准值应按下列规定确定： 一级建筑螺纹桩应采用现场静载荷试验，并结合静力触探、标准贯入等原位测试方法综合确定； 二级建筑螺纹桩宜采用现场静载荷试验确定;当有地质条件类似的试桩资料或地质条件简单时,可参照静力触探、标准贯入、经验参数等综合确定。 三级建筑螺纹桩,宜根据原位测试资料，利用承载力经验参数估算。2) 采用现场静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值时,在同一条件下的试桩数量不宜小于总桩数的 1%,且不应小于 3 根,工程总桩数在 50 根以内时不应小于 2 根,并相应做动力测试。3) 根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系,估算单桩竖向极限承载力标准值时,宜按下式计算:Quk=Qsk+Qpk=uq sikli+ iqpikApi+qpkAp式中 Q uk单桩竖向极限承载力标准值(KN)；Qsk单桩总极限侧阻力标准值(KN)；11Qpk单桩总极限端阻力标准值(KN)；u主桩桩身周长(m)；qsik桩侧第 i 层土的极限侧阻力标准值，如无当地经验值时，可按建筑桩基技术规范(JGJ94-94)中表 5.2.8-1 取值；i桩穿越第 i 层土的厚度，计算时应减去螺纹盘根部累计长度(m)；qpik桩身上第 i 个螺纹盘处土层的极限端阻力标准值，如无当地经验值时，可按建筑桩基技术规范(JGJ94-94)中表 5.2.8-2 取值；qpk主桩底处土的极限端阻力标准值，如无当地经验值时，可按建筑桩基技术规范(JGJ94-94)中表 5.2.8-2 取值；Api扣除主桩桩身截面积的第 i 个螺纹盘的水平投影面积(m)；Ap主桩桩端截面积(m)； i第 i 个螺纹盘极限端阻力标准值的修正系数,对粘性土、粉土取0.7-1.0,砂土取 0.6-0.9。4) 单桩承载力 为确保实际单桩竖向极限承载力标准值达到设计要求,应根据工程重要性、地质条件、设计要求及施工情况进行单桩静载荷试验或可靠的动力试验。 在进行单桩承载力试验时，应满足桩身混凝土养护所需要的时间及桩周土强度恢复所需要的时间，宜为成桩后 28d。5) 单桩完整性检测 长螺旋钻(挤)孔灌注桩(螺纹桩)的完整性检测，可采用低应变法、高应变法等，经综合分析后，按建筑基桩检测技术规范(JGJ106-2003)规定12进行完整性分类，对每根被检桩的完整性作出评价。五、长螺旋钻（挤）孔灌注桩螺纹桩在上海的应用与实践1、工程概况上海世纪长江苑位于上海市宝山区顾村镇电台路，该项目由上海世纪长江产业发展有限公司兴建开发，设计单位为上海三益建筑设计事务所，其中拟建的 8 栋 18 层高层住宅楼，一层地下室，结构类型为剪力墙，基底埋深 3.5m, 设计最大基地荷载标准值 300kPa。根据该工程项目场地的工程地质条件、拟建物的性质特征、场地的环境条件、基础投入的经济性和施工的可行性。经勘察、设计、施工和现代工程咨询有限公司对长螺旋钻（挤）孔灌注桩、预应力管桩、预制方桩、钻孔灌注桩等桩型进行综合技术和经济分析，最后确定采用较经济的预应力管桩和长螺旋钻（挤）孔灌注桩螺纹桩试桩方案。2、桩基分析比较根据该工程项目场地的工程地质条件、拟建物的性质特征、场地的环境条件、基础投入的经济性和施工的可行性。经勘察、设计、施工和现代工程咨询有限公司对长螺旋钻（挤）孔灌注桩、预应力管桩、预制方桩、钻孔灌注桩等桩型进行综合技术和经济分析，最后确定采用较经济的预应力管桩和长螺旋钻（挤）孔灌注桩螺纹桩试桩方案。13图 5 上海世纪长江苑螺纹桩施工照片图 6 上海世纪长江苑螺纹桩施工照片14长螺旋钻（挤）孔灌注桩与其他桩型性能对比表桩 型 性 能 特 点 缺 点预应力管桩适用于土层较软弱,有较好的持力土层,对桩周土产生挤密作用,施工质量较稳定，钢筋、混凝土用量较少，承载力较大工厂预制高标号混凝土，锤击产生噪音污染,单价高。有大面积挤土效应，遇硬塑土层、砂层成桩困难。施工时对场地要求高。钻孔灌注桩 施工方法较简单；适应性各种土层和建筑类型，施工无嘈声、挤土造价高；钢筋、水泥用量多；施工速度慢，有泥浆排放问题；有泥皮、沉渣，承载力相对较低长螺旋钻(挤)孔灌注桩钻进成桩时也对地层进行了加固挤密，形成螺纹，能以桩径小、缩短桩长，满足承载力大的要求。具有施工简便、快速，造价低，承载力高的优点不能钻进硬质岩石方案一、采用 500mm 的预应力管桩，以-2 层作桩端持力层，设计桩长40mm，设计单桩极限承载力为 2884KN 。经静载荷试验，实测单桩竖向极限承载力为 3100KN。按市场造价 500mm 预应力管桩单价 145 元/m 计算，单根桩造价为 14540=5800 元。每 10KN 承载力造价为：5800 元/3100KN=18.71 元/10KN。方案二、采用等效桩径 500mm（主桩径 460,螺纹外径 600）的长螺旋钻（挤）孔灌注桩，以层作桩端持力层，设计桩长 23.5m，桩身混凝土强度为 C30，设计单桩竖向极限承载力为 3367KN 。经静载荷试验，实测单桩竖向极限承载力大于 3500KN，按市场造价 500mm 长螺旋钻（挤）孔灌注桩单价约 750 元/m3，单根桩造价为 3877.50 元，每 10KN 承载力造价为：3877.50 元/3500KN=11.08 元/10KN。可见,该项目预应力管桩的造价是螺纹桩的 1.69 倍。15六、结论近年来，