（地质工程专业论文）全螺旋灌注桩承载特性的研究.pdf

摘要 全螺旋灌注桩是近年来开发的一项专利技术，在我国部分省、区得 到应用。但该技术仍处于技术开发和推广应用阶段，缺乏系统的理论研 究，其抗压特性、抗拔特性及桩身的破坏机理等尚不清楚，同时缺乏可 靠实用的单桩竖向抗压承载力计算公式。 本文在总结竖向荷载下桩基的承载力确定方法和荷载传递理论的 基础上，进行了全螺旋灌注桩室内模型试验，并基于室内模型试验结果 和工程实测资料，系统地分析了全螺旋灌注桩在竖向荷载作用下的荷载 传递规律，同时利用f l a c 3 d 软件对全螺旋灌注桩的承载特性进行研究， 主要工作和研究成果如下： ( 1 ) 进行了全螺旋灌注桩的室内模型实验。对比分析了直线型桩和 全螺旋模型桩的荷载一沉降关系、桩身轴力分布规律、桩侧阻力的分布 和传递规律以及桩端阻力的发挥特征。研究表明，普通桩的桩侧摩阻力 沿桩长基本呈均匀分布，桩身轴力沿桩长逐渐衰减，在小荷载作用下， 荷载均由侧阻力承担，桩端阻力基本没有发挥作用。在加载初期，桩身 侧阻力增加较快，而在加载后期端阻力的增加速率大于桩身桩侧阻力的 增加速率，单桩桩侧摩阻力略先于桩端阻力达到极限。而全螺旋灌注桩 在加载初期，上部土层的侧阻力首先发挥，向下很快衰减，下部土层侧 阻力基本没有发挥；当外荷载逐渐增大时，上部土层侧阻力逐渐增大并 达到极限值，随后中上部土层的侧阻力增至极限值，而下半部分土的侧 阻力只发挥了极限值的4 0 6 0 ，其桩身轴力也衰减较快。 ( 2 ) 分析了全螺旋灌注桩桩侧阻力和桩端阻力的荷载传递模型特 点，发现双曲线函数更符合全螺旋灌注桩的桩侧阻力的传递机理。 ( 3 ) 通过对比分析直线型和全螺旋模型桩的实验结果，全螺旋灌注 桩的极限侧摩阻力约为直线型桩的极限侧摩阻力的1 8 2 2 倍。其主要 原因为：螺旋桩的桩侧阻力实际上是螺旋、桩身与土体共同作用的反映， 螺旋桩的破坏主要表现为螺旋外包面土体的剪切破坏，桩侧极限阻力可 用土的抗剪强度表示。全螺旋灌注桩桩端阻力在整个荷载传递过程中所 中南大学博士学位论文：全螺旋灌注桩承载特性的研究 占的比例比直线型的要少。 ( 4 ) 分析了全螺旋灌注桩在实际工程中的应用和极限承载力的试验 数据。通过分析发现，全螺旋灌注桩的竖向承载力一般为同直径传统直 线型桩的2 2 。5 倍，这与模型试验结果和理论分析相吻合。 ( 5 ) 结合室内模型，利用f l a c 3 d 软件分析了桩土体系应力场和位 移场的变化情况。认为：全螺旋灌注桩的桩侧阻力的发挥从上往下有一 个逐渐的衰减过程，表现出明显的时间效应；全螺旋灌注桩引起的土的 竖向位移从上到下是逐渐减小的，当达到极限荷载时，螺旋间的土呈剪 切破坏；同时得到螺距直径比与单桩承载力的关系，认为螺距为影响承 载力大小的重要因素，在进行螺距设计时，螺距值径比不宜在大于3 。 ( 6 ) 提出了全螺旋灌注桩的承载力经验估算公式。全螺旋灌注桩的 承载力估算可以火力发电厂支盘灌注桩暂行技术规定的支盘桩承载 力计算公式为基础进行修正。考虑到全螺旋灌注桩荷载传递过程中，从 上往下土体对螺旋的阻力发挥有一个逐渐的衰减过程，提出了深度修正 系数的观点，并引入深度修正系数玎。，同时建立了全螺旋灌注桩的承载 力经验预估公式。经比较，计算结果与桩的实际静载试验结果相近，因 而用该公式来计算全螺旋灌注桩的竖向极限承载力是合理的、可行的。 ( 7 ) 结合工程实例，对全螺旋灌注桩实测数据进行了分析，认为全 螺旋灌注桩是一种高效、环保、经济的桩型。同时提出用双曲线法预测 全螺旋灌注桩单桩极限承载力这一思想，通过与实测结果进行比较，证 明用该方法预测全螺旋灌注桩的极限承载力是可行的，取得的容许承载 力是可信的。 关键词：全螺旋灌注桩，单桩竖向承载力，桩侧阻力，桩端阻力，荷载 传递法，f l a c 3 d i l a b g n 执c t a b s t r a c t t h ec 船“n - p l a c ec o n c r e t e p i l e w i ms c r e w si sak i n do f n e w l y p a t e m e dt e c l l i l i q u ed e v e l o p e di i lr e c e n ty e a r s ，w i l i c h 、a su s e ds u c c e s s i v e l y i ns o m ep r o v i n c e so fo u rc o u n t r y b u to nn l ew h o l e ，t i l i st e c h n i q u ei sa tt t l e e a r l ys t a g eo fd e v e l o p m e n t ，r e s e a r c hw o f ki sn o ts y s t e m a t i c t h ef a i l u r e m e c h 觚i s ma n db e 撕n gb e h a v i o ro ft h ep i l eu n d e rc o m p r e s s i n g1 0 a d s 锄d p u l i i n gl o a d sa r en o tc i e a lar e i i a b i e 锄dp r a c t i c a lf o m u l at oc a l c u l a t ct 1 1 e v e n i c a lb e 撕n gc 印a c i 哆o fas i l l g l ep i l ei sa l s ol a c k t h i sd i s s e r t a t i o nt r yt oc a r r y 也f o u g h 也ei n - s i n ls t a t i cl o a d i n gt e s to f 也e p i l e w i 廿1 s c r e 、猖，a n ds t i l d ys y s t e m a t i c a l i yt h a t 廿1 el o a d 打a 1 1 s f 酬n g r e g u l a t i o n so f l i sh n do fp i l eu n d e rm ec 伽p r e s s i l l gl o a db a s e do nt i l et e s t a i l ds t r e s sm e a s 耐n go f p i l es h a 踮， 锄d a n a l y z e t h a tm eb e a r i l l g c h 黜t e r i s t i co fm ep i l ew i 1s c r e w su n d e rt l l eh e l po ff l a c 3 d 1 1 1 e f o l l o w i n gi ss o m e c o n c l u s i o n s 1 w i t l lr e s u l t so ft l l em o d e lt e s t s ，廿l ec i r c u l a r - p i l ea i l dm ep i l ew i t l l s c r e w sw e r ec o m p a r e di nc h a r a c t e r ss u c ha sl o a d i n 分s e 位i e m e n t r e l a t i o n s h i p ， d i s t r i b u t i o nr e g u l a t i o n so ft l l ea 妇a if o r c e ，仔i c 廿o nr e s i s 伽c ea l l dm eb 船e r e s i s 伽c e t h e 咖d ys h o w st l l a tt h e 衔c t i o nr e s i s t a i l c eo f t l l ec i r c u l a r p i l ei s d i 蚓b u t e de q u a b l ya l o n g 戗l ep i l e ，也e 蕊a lf o r c eo f 也ep i l er e d u c e sw i 也m e d 印n 1 w i t ha 锄a l ls t r e s s ，t i l es h a nf o r c ei sa l m o s ta l lt a l ( e nb yt l l es 1 1 a 矗 衔c t i o n a ss t r s sb e c o m e sg r e a t e r ，廿l es h a f t 衔c t i o ni i l c r e a s e sm o r eq u i c | 【1 y b u ti i lt h el a t ep e r i o d ，m eb a s er e s i s 协n c ei n c 陀酷e sf 如t e rt 1 1 锄t 1 1 e 衔c t i o n r e s i s t a i l c e ，t h e 衔c t i o nr e s i s t a i l c ec o m et 0t l l em a x i m u mb e f o r ct l l eb a s e r e s i s t a i l c e i nt l l ec a s e so ft l l ep i l ew i t l ls c r e w s ，a tt l l ee a 订y 啦唱eo fl o a d i n g ， t 1 1 e 衔c t i o no f u p p e rp a r to f 廿1 es h a f ti n c r e a s e ss h a 印l y t l l el o w e rp a r to ft i l e h i 中南大学博士学位论文：全螺旋灌注桩承载特性的研究 s h a f th a v ea l m o s tn os t r e s s 姗t hm el o a di n c r e a s i n t h e 衔c t i o no fu p p e r s h a f tr e a c h e su l t i m a t es t a t e ，l em i d d l ep a r tt a k e sm o r e 锄dm o r ef o r c eu m i l r e a c h e su l t i m a t es t a t e ，t l l eb o 仕o mp a r to n l yu s e sa b o u t4 0 6 0 o fi t s c 印a c i 呗a n dm e a x i sf o r c e sa l s od e c r e a s e ss h a 平l y 2 t h el o a d t m s f e r r i n gr e g u l a t i o n so fu l e 衔c t i o nr e s i s t a l l c e 狮dt h e b a s er e s i s 切n c eo ft h ep i l ew 池s c r e w sa r ea n a l y z e d ，m el o a d 一仃a 【1 1 s f e r r i n g r e g u l a t i o n so f t h e 衔c t i o nc a nb ep r e s e m e d w i t hh y p e r b o l a 向n c t i o n 3 i ti sf o u i l di l lp r a c t i c a lc a s e st l l a tp i l e sw i t i ls c r e w sc a nu n d e r t a l c | e c a p a c i t i e s1 8 2 2t i m e so f t l l a to fc i r c u l a rp i l e s t h i si sm a i n l yc a u s e db y t 1 1 e i n t e r a c t i o n so fs c r e w s ，s o i l sa i l dp i l e t h eu l t i m a t e 衔c t i o no ft h ep i l ei s r e l a t i v et os h e a rs t r e n g 1o fs o i l s a l s o ，m eb a s er e s i s t a i l c eu n d e r t a k e sl e s s f o r c ei nt h ec a s eo f t i l ep i l ew i ms c r e w s 4 s o m ep r a c t i c a le x 锄p l e sw e r ei n t r o d u c e da n d l eu l t i m a t ec a p a c i t i e s w e r ea n a l y z e df o rt h ep i l ew i t hs c r e w s t h er e s tr e s u l t ss h o w sn l a tt l l e v e r t i c a lb e a r i n gc 印a c i 够i s2 2 5t i m e so fi t sc i r c u l a rc o u n t e r p a r t ，w h i c hi s i d e n t i c a lw i t l lr e s u l t so fe x p e r i m e n ta n dt h e o r ya n a l y s i s 5 f l a c 3 dw a s 印p l i e dt oa n a l y z en l es 吮s sa n dd i s p l a c e m e n tf i e l di n a c c o r d 锄c ew i t hm em o d e lt e s t s t h er e g u l a t i o ni sv e r yo b v i o u st h a tm es h a f t r e s i s t a n c ea t t e n u a t ef 晒mu pt od o w n t h ez - d i s p l a c e m e n to fm eg r o u n d c a u s e db ym e p i l ew i t l ls c r e w sd e c r e a s e s w i t l lt h ed e p t hi n c r e a s i n g w 1 l e nt 1 1 e l o a dr e a c h e du l t i m a t es t a t e m es o i l sa r o u n dt h es c f e w sr e a c h e ds h e a rf - a i l u r e s t a t e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm es c r e w _ p i t c l l d i 锄e t e rr a t i oa i i dt i l e b e 撕n gc 印a c i t yo fas i n g l ep i l e i sa l s oa 1 1 a l y z e d t h es c r e 、v - p i t c hi s 锄 i m p o r t a n tf a c t o rt ot h eb e 撕n gc a p 越t i e s ；i ts h o u l db en om o r e 也a l l3i n p r a c t i c a ld e s i g n 6 af o 珊u l ai sp r e s e n t e dt oc a l c u l a t et 1 1 ev e r t i c a lb e a r i n gc 印a c i 够o f t l l e p i l ew i t hs c r e 、) l ，sb 舔e do ne x p 嘶e n c e t i l r o u 曲m ea 1 1 a l y s i s0 nm ep m c t i c a l e x a n l p l e s ，af o r n l u l as u p p o s e dt 0c a l c u l a t et l l eb e a r i n gc 印a c i 够o f t l l ep i l e w i t he x p a 芏l d e db r a n c h e so rp l a t e si i l t e m p o r a 巧t e c h n i q u es p e c i f i c a t i o nf b r t h ep i l ew i t t le x p a n d e db 啪c h e so rp l a t e so ff i r e p o w e rp l a m i sm o d i f i e d c o n s i d e r i n gt h er e s i s t a n c e 蝴a t i o n 缸吼u pt od o w n ，ad 印t l lc o r r e c t e d c o e 伍c i e n t i sp u tf o 研a r d ，锄dam o d m e df o n n u l a i sg i v e no u t t h ed a t a 、e g o t 厅o mt i l e m o d i f i e df o m m l am a t c h e s l eo n e st l l a tc o m e 丘d m e x p e r i m e n t s oi t sr e a s o n a b l et 0u s em i sf o 姗u l at oc a l c u l a t et 1 1 ev e r t i c a l b e 撕n gc a p a c i t yo f 廿l ep i l ew i t hs c r e w s 7 b a s e d0 ne n g i n e 耐n ge x a n l p l e s ，w eg o tt h ed a t ao ft h ep i l ew i t h s c r e w so fa c t u a ls i t e s w i t l ls o m ea n a l y s i s ，i tc a n l eo u tt 1 1 a tt h ep i l ew n s c r e w si sm o r ee f f i c i e m ，m o r ee n v i r o m e m a l - 衔e n d l ya i l dm o r ee c o n o m i c a l t 1 1 a nt h e 仃a d i t i o n a l 锣p e 1 kd a t aa l s ob r i n gf o 懈耐也ei d e ao fu s i n g 也e h ) ，p e r b o l i cm 劬o dt 0p r e d i c t 廿l el i m i t e dv e n i c a lb e 撕n gc 印a c i 哆o f as i n g l e p i l e a f 【e rac o m p a r i s o nb e “v e e ns t a t i s t i c s 丘o mt l l ep r e d i c t e dd a t aa i l dt h e m e a s u r e dd a t a ，w eb e l i e v et 1 1 eh y p e r b o l i cm e m o di sa na v a i l a b l ea n dr e l i a b l e w a yt og e tt 1 1 el i m i t e db e a d n gc 印a c i 够o f t h ep i l ew i t l ls c r e w s k e yw o r d s ：t l l ep i l ew i ms c r e w s ，b e 耐n gc 印a c 时o fas m 酉e p i l e ，s h 娟 衔c t i o n ，b 勰er e s i s t a n c e ，l o a d 仃a n s f b r r i n gm e m o d ，f l a c 3 d v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的1 1 ，。，工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校 可以根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：弭裎月尘 第一章绪论 1 1 桩基础概述 1 1 1 桩基础概述 第一章绪论 桩基础是一种古老、传统的基础型式，又是一种应用广泛、发展迅速的基础型 式【l 】【2 l 。和别的基础结构相比，桩基础具有承载力高、沉降小而均匀、用料较省、机 械化程度高而且能够广泛适用于各类地层条件的突出优点。因为如此，桩基础在各 类建筑工程中得到了极为广泛的应用，特别是当上部结构的荷载复杂而巨大，而浅 部土层不能满足承载力要求时，桩基础更成为结构设计工程师的首要考虑对象。桩 基的发展过程主要体现在采用新型桩材料和改进成桩工艺。 早在有文字记载之前人类就懂得在地基条件不良的河谷和洪积地带采用木桩来 支承房屋。1 9 8 2 年在智利发掘的文化遗址所见到的桩距今大约一万二千年至一万四 千年，我国7 0 年代在钱塘江南岸发现的河姆渡文化遗址中，可见到7 0 0 0 年前打入 沼泽地带木构建筑下土中排列成行的、以石器砍削成形的木质圆桩、方桩和板桩【3 】。 桩基不仅历史悠久、应用广泛，而且经久耐用。我国古代许多建造于软弱地基上的 重型，高耸建筑以及历史名桥都是成功地运用了桩基础。我国秦代的渭桥、隋朝郑 州超华寺、五代的杭州湾大海堤，南京的石头城、上海的龙华塔、北京的御河桥、 西安的坝桥、山西太原的晋祠圣母殿等，都是我国古代桩基应用的典范。在英国也 保存有一些罗马时代修建的以木桩为基础的桥和居民点【4 】【5 】【6 】【7 l 嘲。 1 9 世纪2 0 年代铸铁板桩开始用来修筑围堰和码头。2 0 世纪初，美国出现了各 种形式的型钢，特别是h 型钢桩被广泛的采用，如美国密西西比河上的钢桥大量采 用了钢桩基础。3 0 年代开始广泛应用于欧洲。二次大战后，随着冶炼技术的发展， 各种直径的无缝钢管也被作为桩材而用于基础工程。郑州黄河大桥( 老桥) 采用的就 是铸钢管桩基础。我国上海宝钢工程就使用过直径9 0 0 唧，长约6 0 m 的钢管桩。上 海的金茂大厦等超高层建筑，已经采用了8 0 多米长的钢管桩。2 0 世纪初，开始出 现钢筋混凝土预制桩。我国5 0 年代开始生产钢筋混凝土预制桩，多为方桩。1 9 4 9 年，美国雷蒙德混凝土桩公司最早用离心机生产了中空预应力钢筋混凝土管桩。我 国铁路系统于5 0 年代也生产使用了预应力钢筋混凝土桩。1 9 6 6 年丰台桥梁厂开始 研制先张法预应力离心混凝土管桩，并于1 9 7 0 年正式投入成批生产棚。2 0 世纪2 0 年代出现了沉管灌注桩。我国上海3 0 年代修建的一些高层建筑的基础就采用了沉管 灌注桩，如f r a n k i 桩和v i b r o 桩。到了5 0 年代，随着大型钻孔机械的发展，出现 中南大学博士学位论文：全螺旋灌注桩承载特性的研究 了钢筋混凝土或混凝土钻孔灌注桩，我国的铁路和公路桥梁大量采用钻孔灌注桩和 挖孔灌注桩，如松花江大桥、长沙湘江大桥、郑州黄河大桥等等。随着桩基工程施 工技术的发展，桩径、桩长均得到大大的提高。目前我国桥梁工程中最大桩径已逾 5 m ，基桩入土深度最深己达1 2 0 田【l o l 。 从成桩工艺发展过程来看，最早采用的桩基础施工方法是打入法。其工艺从手 锤到自由落锤，然后发展到蒸汽锤、柴油锤和压缩空气为动力的各种打桩机。另外 还发展了电动的震动打桩机和静力压桩机。灌注桩不下几十个品种，大体可归纳为 沉管灌注桩和钻( 冲、磨、挖) 孔灌注桩两大类。其中沉管灌注桩一般可分为单打法、 复打法和反插法。沉管的方法有锤击沉管、振动沉管和内击式沉管。钻孔灌注桩的 工艺也在不断改进和发展，出现了长短螺旋钻孔机、各种正反循环钻孔机、旋转套 管机。为提高灌注桩的承载力，还出现了扩大桩端直径的各种扩孔机，出现了孔底 和周边压浆的新工艺。在2 l 世纪的今天，桩基的施工技术仍在不断地更新和改进， 正朝着低公害工法桩方向、扩孔桩方向、异型桩方向、埋入式桩方向、组合式工艺 桩方向、高强度桩方向以及多种桩身材料等方向发展，总之，在近代由于新的材料 和旄工机械的出现，为桩基础的飞跃发展创造了条件。今天它己成为高层建筑、大 桥、码头和石油海洋平台等最常用的基础形式。在埯工技术进步，桩型开发应用和 设计理论研究等各方面至今仍然异常活跃，显示出桩基础强大的生命力和广阔的发 展前景f 1 】1 1 叩l 】f 1 2 j f l 3 i 。 1 ，1 2 桩的技术特点 自从大直径挖孔桩和钻孔桩相继在美国问世以后，小直径灌注桩于2 0 世纪5 0 年代初在意大利脱颖而出。从此，灌注桩一方面向大直径发展，另一方面向小直径 发展。而中等直径混凝土桩也由单一的预制打人式向多种型式发展，比如出现了沉 管灌注的型式。一般来说，灌注桩具有以下优点： ( 1 ) 灌注桩属于非挤土或少量挤土桩，施工时基本元噪音，无振动，无地面隆起 或侧移，也无浓烟排放，因而对环境影响小，对周围建筑物、路面或地下设施等危 害小。 ( 2 ) 大直径灌注桩直径大，入土深。迄今挖孔桩的最大直径已达8 m ，钻孔桩已 达9 m ；挖孔桩的人土深度逾6 0 m ，钻孔桩逾1 2 0 m 。 ( 3 ) 可采取扩大底部的型式，更好地发挥桩端土的作用，这是其他任何桩型所不 能做到的。沉管灌注桩之所以能扩底，首先也是由于采取了就地灌注的工艺。 ( 4 ) 单桩承载力高，视地质条件、桩身尺寸和混凝土强度等级不同，一般可达数 2 第一章绪论 千至数万千牛，因此，常可设计一柱一桩，不需桩顶承台，简化了基础结构。 ( 5 ) 其桩身刚度大，除能承受较大的竖向荷载外，还能承受较大的横向荷载，增 强建筑物的抗震能力，并能有效地充当坡地抗滑桩、堤岸支护桩以及地铁或建筑物 基坑开挖的支护桩，还可在基坑开挖后继续作为地下室的承重墙等永久性结构使用。 ( 6 ) 灌注桩通常布桩间距大，群桩效应小，设计中无需为此而进行繁琐的计算。 对桩的沉降及其对邻桩和周围地面的影响，其估算也较常规中等直径桩更为简便。 ( 7 ) 不需要搬运吊装，不必承受打击，因而可采用较低的配筋率，并可视建筑物 的重要性和荷载条件仅在桩身上段配筋或沿深度作变截面配筋。 ( 8 ) 灌注桩不论采用挖孔法或钻孔法施工，对桩所穿越土层的性质均可从桩孔排 出的土进行鉴别验证，当用挖孔法时，工程技术人员更可以下孔直接检查桩端土的 性质，或作必要的原位试验。 ( 9 ) 桩身配筋可根据荷载大小与性质及荷载沿深度的传递特征以及土层的变化 配置，无需像预制那样配置起吊、运输、打桩应力筋，其配筋率远低于预制桩，其 造价约为预制桩的4 0 ，7 0 。 a 西施工设备比较简单、轻便，可用简单设备施工出单桩承载力极大桩。 但是也存在以下不足： ( 1 ) 灌注桩由于是在地下或水下开孔灌注成桩，故桩身质量毕竟不可能象预制桩 那样稳定而可靠，混凝土强度也较难保证；桩侧阻力和桩端阻力的发挥常随工艺而 有变化，且又在较大程度上受施工操作影响。 ( 2 ) 灌注桩施工的现场作业太多，影响桩的质量的人为因素也较多，质量不够稳 定。有时会发生桩缩径、断桩，桩身局部夹泥、桩身混凝土离析、桩顶段混凝土疏 松、混凝土强度较难保证质量等事故产生。 ( 3 ) 灌注桩由于其承载力高，进行的常规的静载试验常因荷载较大难以测定其极 限荷载，因此对在各种工艺条件下形成的桩受力、变形和破坏机理至今犹未完全弄 清，系统的试验研究还不够多，设计计算理论与方法有待进一步完善 “) 灌注桩施工过程中，当用泥浆护壁时，排污问题也令人困扰，这也是灌注桩 迫切需要解决的问题。 灌注桩施工工艺种类多而且日新月异这主要是由于各国工程技术人员为了保 证这类桩的成桩质量、施工安全和提高工效，长期来针对不同的地质条件和环境条 件，研制了各种适用机具和旌工方法，从而形成了种种各具一定特色的工艺。也可 根据建筑的荷载分布与土层情况采用不同桩径，对于承受横向荷载的桩可设计成有 利于提高承载力的异形桩，比如设计成变截面的全螺旋灌注桩，充分发挥高承载力 土层。 中南大学博士学位论文：全螺旋灌注桩承载特性的研究 全螺旋灌注桩技术于2 0 世纪9 0 年代未阎世以来，在基础工程界反响较大，近 几年国内应用发展较快，国外还没有见到应用实例，国内也仅于本世纪初才真正开 始试验，第一根桩是在武汉元辰大厦试验成功，2 0 0 2 年5 月2 4 日 长江日报和6 月6 日楚天都市报报道了全螺旋灌注桩制做成功的消息。从全螺旋灌注桩第一 根成功完成开始，工程界就密切关注，认为这种桩的发展前景极好。 图卜1 武汉元展大厦试验场景及报道 巧蛋l - lt ke 邛e r i m 朗瞳跳唧o r i 嘲_ 哪h 姐y 咖c h 蛐gm a 璐o - 1 2 全螺旋灌注桩发展简况 全螺旋灌注桩是一种成桩后桩身带有螺纹的灌注桩，全螺旋灌注桩是通过带有 自动控制装置的全螺旋灌注桩桩机，特制的螺纹钻杆钻进，钻至设计深度，在土体 中形成螺纹。提钻过程中全螺旋灌注桩桩机自控系统严格控制钻杆的提升速度和旋 转速度，与此同时制备好的细石混凝土或砂浆开始由高压泵输送通过空心螺纹钻杆 由钻头泵出，通过钻头泵出的高压细石混凝土或砂浆迅速充填由于螺纹钻杆旋转提 升所产生的带螺纹的空问，在桩身周围形成螺纹。全螺旋灌注桩成桩工艺根据桩身 形状及材料变化可制做出长螺旋( 带螺纹) 、c f g 桩( 带螺纹) 、钻孔压浆桩( 带螺 纹) 、以及相应带全螺旋灌注桩组合的多元复合地基【1 4 1 1 1 5 i 。 4 第一章绪论 1 2 1 全螺旋灌注桩国内外概况 全螺旋灌注桩的出现和发展经历了以下几个阶 段：第一阶段是旋转挤压灌注桩，旋转挤压灌注桩是 由比利时f u n d e xn v 公司研究出来的，其成桩原理 是将下端安设有混凝土或铁铸制成的螺旋形桩靴( 如 图卜2 所示) 的套管( 钢管) 用液压马达拧入土中， 在桩管旋转过程中，于项部施加轴向压力。当桩端拧 至设计标高，于管中安放钢筋笼，浇灌混凝土。当混 ! 嘞茴 图1 - 2 钻头式桩靴 凝土浇至桩顶，反向旋转套管，将桩靴留在原处，边 历导1 2p t 舢矗i g u i l b 拔套管边振动( 或反插) ，以捣实混凝土；第二阶段卜套管；2 一桩靴 是全螺旋预制桩，全螺旋预制桩在日本应用( 如图l _ 3 所示) 已有二十多年的历史， 其螺旋形桩身通过施加扭矩旋转置入土中，避免了冲击沉桩产生的噪声和振动污染， s 鲥 1 3 m 、 6 i 、l a 4 l 器 曷2 一i 4 i l 曼 量量 ，_ j 图卜3 全螺旋预制桩 f g 1 _ 3 p r e c 矗n p 弛耐恤r 哪 “) 巾2 3 0 一母3 7 0 桩；( b ) 咖3 0 0 一由5 0 0 桩 螺旋形可提高桩侧阻力和桩端阻力。日本研制的“全螺旋预制桩”为了保证在扭进 土体中不被破坏，“全螺旋预制桩”桩身要求有很高的强度，故采用钢纤维混凝土制 作，相应也提高了成本；第三阶段是螺旋钻杆中空管内泵压灌注桩( 简称长螺旋灌 中南大学博士学位论文：全螵旋灌注桩承载特性的研究 注桩) ，长螺旋灌注桩是利用长螺旋或短螺旋钻机成孔，当钻至设计标高后，将细石 混凝土或砂浆通过钻杆中空管经螺旋钻头压入孔底，同时藉卷扬提升钻杆，混凝土 由上而下形成桩体。长螺旋灌注桩具有如下优点： ( 1 ) 低噪音，无泥浆污染；( 2 ) 成孔制桩时不产生振动；( 3 ) 成孔穿透力强；( 4 ) 施 工效率高。因此，长螺旋灌注桩目前已被广泛地应用于桩基础施工中。全螺旋灌注 桩正是在继承和综合了长螺旋灌注桩和日本研制的全螺旋钢纤维混凝土预制桩的优 点发展而来。它利用桩身螺纹改变了桩与土的相互作用的方式，极大地提高了单桩 的承载力。同时，利用螺旋钻机成孔，提高了施工效率，比其他桩基更环保、更经 济。在国内，武汉中地全螺旋灌注桩技术有限公司等多家单位经过多年的研究与开 发，于1 9 9 6 年提出了灌注全螺旋灌注桩成桩工艺并申请了专利，目前，全螺旋灌注 桩的成桩工艺及设备已获多项国家专利授权1 4 5 1 吲1 1 钥【1 删1 1 4 9 1 删1 1 5 1 5 2 l 。 同样，全螺旋灌注桩的旋工机械全螺旋灌注桩机经过多年的开发。中铁工 程机械研究院、方圆集团等多家单位己完成设备的制造，并通过了项目验收。利用 该设备打出了带有清晰螺纹的全螺旋灌注桩，见图卜4 所示。全螺旋灌注桩在外形 上同“全螺旋预制桩”一样，但在保持“全螺旋预捌桩”有效提高承载力优点的同 时，桩身材料用常规混凝土制作，成本大幅降低。目前，利用该技术和设备，部分 地区进行了全螺旋灌注桩基的试用，如武汉元辰大厦，海口阳光经典等，均取得了 较好的效果。近几年全螺旋灌注桩的工程业绩见表卜l 所示。 图卜4 全螺旋灌注桩示意图 秭g 1 4t h ec 嬲“n p i a 眦r e t ep i l e 训t h c r e 懈 全螺旋灌注桩代表项目：海口市“阳光经典”，国家a 从智能小区，海口市政 府重点工程； 6 第一章绪论 开发商：海南第一投资招商股份有限公司( 上市代码：6 0 0 5 1 5 ) 工程简介：海口市“阳光经典”是一项“a a a ”级高级住宅楼，楼高十二层， 场地位于海边填海区。设计采用全螺旋灌注桩的基础形式，全螺旋灌注桩设计尺寸 为直径4 0 0 舢，桩深1 7 m 。项目竣工验收时整楼下沉不足l 厘米，施工现场如图卜5 所示。 表卜1 全螺旋灌注桩主要工程业绩一览表 t a b k l lp r o j e c tk s t0 f p 订ew 曲s c r e 嗍 图卜5 全螺旋灌注桩施工现场图 f 培1 - 5 啪，t 眦t i n g 位埘o f t k p 抛w 油 旧暇 7 中南大学博士学位论文：全螺旋灌注桩承载特性的研究 1 2 2 全螺旋灌注桩承载性状研究概况 全螺旋灌注桩是一种全新桩型，国内外相关的研究几乎空白。在国外，全螺旋 预制桩虽然在日本应用已有二十多年的历史，但其承载力主要是通过现场静荷载试 验确定，在理论上没有进行承载力的研究；在国内，武汉大学的吴敏等对全螺旋灌 注桩的承载力进行过初步的探讨，她认为，全螺旋灌注桩由于桩身带有螺纹，改变 了桩与土之间的相互作用关系，其侧阻力主要为全螺旋灌注桩的螺牙与土的机械咬 合作用力。其破坏应是以螺纹外的土体剪切强度达到了土的抗剪强度为特钳”】。根 据建筑桩基技术规范( j a 9 4 9 4 ) ，全螺旋灌注桩单桩竖向极限承载力建议按下 式估算： ! 如= q _ t + q 一= ”g m 几+ g 一4 ( 1 一1 ) 式中：q 0 为单桩竖向极限承载力标准值；q 。为单桩竖向总极限侧阻力标准值； q 。为单桩竖向总极限端阻力标准值；靠为桩身周长；为桩穿越第f 层土的厚度；彳。 为桩端面积；g 。为桩侧第f 层土的极限侧阻力标准值，可以按地区经验确定或按钻 孔灌注桩的有关规定确定；g 。为极限端阻力标准值，可以按地区经验确定或按钻孔 灌注桩的有关规定确定；p 一为单桩第f 层土的极限侧阻力标准值增强系数， 尻= l 口，参数岱为粘着力系数，口= o 2 1 o ，取决于土的不排水剪切强度c 0 和桩 进入粘土层的深度与桩径之比吃肛，因此，经粗略估算，同相同直接的直线型桩相 比，全螺旋灌注桩的桩侧阻力相应提高了l 5 倍。 笔者在2 0 0 3 年中国金属学会冶金地质岩士钻掘学术委员会四届二次会议的论 文交流中曾介绍全螺旋灌注桩技术在某场地中的施工试验一文，对武汉元辰大 厦场地全螺旋灌注桩施工及试验情况迸行介绍，并对静载试验结果进行分析，得到 如下结论：全螺旋灌注桩施工工艺是可行的，且承载力比较稳定，其单桩竖向极限 承载力是同直径常规钻孔灌注桩的1 5 2 倍，但所用混凝土量是同直径常规钻孔灌注 桩的6 0 ，并认为该种桩型可望是一种充满生命力的钻孔灌注桩新技术。同时笔者 对部分全螺旋灌注桩工程实测结果进行分析认为【1 1 ：( 1 ) 双曲线函数符合全螺旋灌注 桩的桩侧阻力的传递机理，双曲线法是一种较为简单的单桩极限承载力的预测方法， 用此法预测全螺旋灌注桩的极限承载力，与实测曲线比较符合。( 2 ) 在桩顶加载量 与实际极限承载力相差过大时，拟合曲线与实测曲线出现一定程度上的偏差；在接 近或者达到极限承载力的点上，用双曲线方法预测的承载力的值较实测值小；在设 计荷载范围内用双曲线法可以很好拟合全螺旋灌注桩的q s 曲线。用该方法预测桩 的极限承载力是可行的，取得的容许承载力是可信的，可以运用于工程实际。( 3 ) 第一章绪论 用双曲线法预测全螺旋灌注桩的荷载沉降曲线，总的预测的结果偏于安全。 1 2 3 全螺旋灌注桩的特点 全螺旋灌注桩是在长螺旋钻孔桩的基础上发展起来的，长螺旋钻孔灌注桩属于 半挤土半取土摩擦型桩，其承载力大部分由桩侧阻力提供，单位成本提供承载力较 高，工效也极高。全螺旋灌注桩在长螺旋钻孔灌注桩的基础上，改半挤土半取土为 全挤土，改光面圆柱桩侧形式为全螺旋灌注桩侧形式，从而大大提高了桩侧摩阻力。 全螺旋灌注桩成桩时不存在清底、护壁、塌孔、掉块、断桩、缩颈等吨题，桩 身质量可靠。全螺旋灌注桩能大幅度降低混凝土用量，降低成本，这是因为全螺旋 灌注桩单桩承载力同传统直线型灌注桩相比有了较大的提高，同时承载力同桩直径 呈线性关系，混凝土用量( 体积) 同桩直径呈平方关系，全螺旋灌注桩由于有效的 提高了承载力，呈平方关系减少混凝土用量。另外全螺旋灌注桩钻杆螺牙间的泥土 取代了部分混凝土，同桩径全螺旋灌注桩混凝土用量只有传统直线型灌注桩的6 0 7 0 ，节约混凝土用量3 0 4 0 ，如表l _ 2 所示。在承载力要求一定，场地 土质相同的条件下，使用全螺旋灌注桩显然可以减少桩长，缩小直径，从而降低工 程造价。由于全螺旋灌注桩采用螺纹钻杆钻进成孔，施工现场嗓音、振动和泥浆污 表卜2 全螺旋灌注桩与直线型桩比较 1 曲k l - 2 咖p 响g r i 山p i k 硫h k 姗触p 染很小，从以上比较可以看出，全螺旋灌注桩是一项先进的地基工程技术，具有其 他桩型不可比拟的优越性，采用全螺旋灌注桩可以大大的提高经济和环保效益，应 用前景相当广阔，其优点小节如下： ( 1 ) 可大幅度节省投资 与同类型其他桩比较，由于桩的侧摩阻力远大于其他类型桩，在承载力要求一 定，场地土质相同的条件下，使用全螺旋灌注桩显然可以减少桩长，缩小直径，可 9 中南大学博士学位论文：全螺旋瑾注桩承载特性的研究 节约混凝土用量，另全螺旋灌注桩螺牙间的泥土取代了部分混凝土，再次减少了混 凝土的用量，从而可以降低造价； ( 2 ) 单桩承载力可大幅度提高 由于桩身螺纹的存在，改变了桩的承载机理，与同直径的其他类型桩比较，桩 的承载力大幅度提高了，同时由于该桩型为全挤土桩型，因此桩周土的承载力也有 不同程度的提高并导致单桩承载力大幅度提高； ( 3 ) 施工污染小，环保效益高 由于全螺旋灌注桩采用螺纹钻杆成孔，旌工现场噪音污染和环境污染很小；与 打入式预制桩相比，施工噪声低、无振动；与普通泥浆护壁直孔桩完成等值承载力 相比，泥浆排放量显著减少； ( 4 ) 适用多种土层，桩身质量可靠 适用于需要采用摩擦桩基础或需要地基处理的土层。由于全螺旋灌注桩成桩时 不存在清底、护壁、垮孔、掉块、断桩、缩颈等问题，因此桩身质量非常可靠； ( 5 ) 适用范围广 可用于工业与民用高层建筑、多层建筑、桥梁基础、堆场、路基、机场等多种 建设工程的地基与基础工程处理。由于单桩承载力较大，在负荷相同的情况下，可 比普通直孔桩缩短桩长，减少桩径或减少桩数，作为高层建筑及重要构筑物的基础， 可供设计灵活使用，既可作桩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，而且膪工方便、工期短、 造价低、质量优。 1 2 4 目前存在的问题 由于全螺旋灌注桩是一种全新桩型，其研究应用和工程实践较少，目前主要存 在以下一些问题。 ( 1 ) 理论研究不完善 国内外研究几乎是一片空白，对全螺旋灌注桩的承载性状及机理认识不够，全 螺旋灌注桩的设计也只是机械地引用直线型灌注桩的设计，不能体现出全螺旋灌注 桩的优势。 ( 2 ) 施工设备限制 目前所生产的螺纹钻杆在全螺旋灌注桩成桩时的桩深和桩径上有一定的限制， 其桩身直径目前最大只能达到6 0 0 哪，而且桩深因施工设备能力缘故一般最大只能 达到2 0 一2 6 m ，这就使全螺旋灌注桩在多种工程应用中具有定的局限性。 l o 第一章绪论 ( 3 ) 缺乏生产实践经验 由于理论研究和施工工艺的不够完善，以及施工设备的限制，全螺旋灌注桩只 在少数工程中予以应用，不能大范围的推广。 全螺旋灌注桩是一种新桩型，同长螺旋桩，钻孔压浆桩，多支盘桩，d x 桩等新 桩型一样，有一个长期经验积累，推广，被逐步接受，认可