PHC管桩在螺纹挤土桩基础的补强应用

张懿丹，韩 伟，张信贵，谢卓言

（1.广西大学设计院有限公司，广西南宁 530004；2.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004）

螺纹挤土桩的螺纹桩身结构，可以通过螺牙与桩周土体的咬合作用，改变传统桩土摩擦接触的方式，增大桩的侧阻力，且成桩过程中钻杆对桩周土体进行挤压，进一步提高了桩的承载力［1］。目前，关于螺纹挤土灌注桩的研究围绕承载机理与挤土效应两方面展开。李志毅等［2-3］通过模型试验研究螺纹桩在砂土中的承载特性，结果表明，在相同条件下螺纹桩的极限承载力约是普通直桩的1～4倍，在极限状态下的平均桩侧阻力是普通直桩的3～4倍；邓益兵等［4］结合模型试验与数值分析方法，提出螺旋挤扩钻具在砂土下旋挤扩过程中，土体的径向位移主要产生在2.5倍钻径范围内。但螺纹挤土灌注桩承载力计算与区域工程地质、成桩施工技术的相关性高，故其在南宁泥岩地区仍处于探索性应用阶段。

管桩桩身强度高，成桩质量优，其作为挤土桩型的一种，亦常用作桩基础或复合地基中的竖向增强体［5］。李林等［6］基于静压管桩的挤土效应和成桩后土体再固结的基本原理，提出了静压管桩在天然饱和黏土地基中时变承载力的理论计算公式。王家全等［7］以铝管制作模型桩，并根据现场勘察报告制备试验土样，于自行设计的可视化模型箱中研究管桩在静压和复压过程中桩身轴力、位移以及桩侧摩阻力的变化规律。

南宁泥岩地区某建筑工程中采用螺纹挤土灌注桩作为桩基础，事前设计中过高估算承载力，加之桩基检测相对施工存在滞后，导致建设场地内出现桩基承载力不满足设计要求的工程问题。为利用原有螺纹挤土桩基础，并考虑拟建项目的工期进度，满足建筑工程稳定、安全及经济性的要求，采用管桩对螺纹挤土桩基础进行补强，形成管桩-螺纹挤土桩复合地基。而当前关于多桩型复合地基的研究中多以无黏性的柔性桩与半刚性桩进行组合［8-12］，以多种刚性桩复合地基的研究尚未见报道。故本文基于此工程项目背景，对螺纹桩承载力不足的原因、螺纹挤土桩与管桩组合复合地基的承载性能进行分析，以期可为类似桩基础补强、多桩型复合地基设计提供参考。

1 原螺纹挤土灌注桩基础分析

1.1 工程概况

南宁某项目位于广西南宁市五象新区海晖和华威路交汇处附近，该项目拟建项目总建筑面积为61 440.28 m2，拟建建筑物有1#厂房（9层），高度为36 m，员工宿舍（12层），高度为44.6 m，框架剪力墙结构，设计基础形式为桩基础，埋置深度为-10.5 m。根据现场勘察及钻探结果，拟建场地覆土层主要有第四系人工填土层（Q4ml）、第四系残积层（Q4el）、下伏基岩为下第三系（E）沉积层。各岩土层自上而下依次为：①填土（Q4ml），厚度0.50～9.00 m，呈松散状；②黏土（Q4ml），厚度1.50～5.30m，呈可塑状；③粉质黏土（Q4el），厚度5.90～9.10 m，呈硬塑状；④粉砂质泥岩（E③），呈强风化特征。其物理力学参数、桩基设计参数建议值如表1、2所示。

表1 岩土物理力学参数

表2 桩基设计参数建议值

1.2 桩基选型

从螺纹挤土桩、传统钻孔灌注桩与管桩对于拟建场地的适应性和经济性两方面来看，螺纹挤土桩的优势如下所述。

（1）与螺纹挤土桩干作业的施工方式相比，采用泥浆护壁的传统钻孔灌注桩工艺会使泥岩发生水岩作用而软化或崩解，导致桩基承载力降低。而同样采用干作业的长螺旋钻孔桩，于本场地中级配不均、组分复杂的填土层上的进尺能力远低于采用高扭矩低转速的螺纹挤土桩工艺。

（2）采用锤击或静压压桩工艺的管桩，虽然相比灌注桩有较高的承载力，但填土层中存在孤块石等障碍物易使管桩在压桩过程中发生桩体破损，导致承载力无法发挥。

（3）螺纹挤土桩工艺采用螺纹钻杆向下旋压挤土成桩，且场地的土层均具有可挤密性，这使该工艺于本场地有更好的适用性。螺纹挤土桩本身具有特殊的螺纹结构，其通过与桩周土的咬合作用提高桩基承载力，使螺纹挤土桩相比于传统灌注桩有更高的承载力。

综上比选，拟建工程采用螺纹挤土桩作为桩基础中的基桩。

1.3 螺纹挤土灌注桩设计

拟建工程的螺纹挤土灌注桩单桩竖向极限承载力的初步设计根据《螺纹桩技术规程》（JGJIT 379—2016）4.3.4节的经验参数法［13］，并综合《螺杆灌注桩技术规程》（T/CECS 780—2020）［14］进行计算：

式中：Qsk为直杆段总极限侧阻力标准值，kN；Qpk为极限端阻力标准值，kN；u为桩身周长，m；qski为第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；qpk为极限侧阻力标准，kPa；βsi为螺纹段第i层土的极限侧阻力增强系数，可根据工程经验确定；li为直杆段穿过第i层土的土层厚度，m；Ap为螺纹桩外径在桩端的投影面积，m2。

螺纹挤土灌注桩的直杆段直径定500 mm的圆截面桩，螺纹段桩身外径初始设定为500mm，内径为377 mm，螺距为400 mm，螺牙高度为61.5 mm，内侧螺牙厚度为100 mm，外侧螺牙厚度为50 mm。桩端持力层拟定为强风化粉砂质泥岩，入岩深度根据螺纹桩机的扭矩及以往工程经验拟定为2～4 m。

根据勘察中各个钻孔揭露的土层分布进行螺纹挤土桩的计算，粉质黏土及强风化粉砂质泥岩中设计为螺纹桩段，其中粉质黏土的极限侧阻力标准值增强系数βsi取1.7，强风化粉砂质泥岩的极限侧阻力标准值增强系数βs2取1.5。根据岩土物理学参数及桩基设计参数，以钻孔ZK1为例进行承载力计算可知，试验螺纹挤土灌注桩竖向承载力标准值Rk取为3 400 kN，特征值Ra取为1 700 kN。局部桩基布置如图1所示。

图1 螺纹挤土灌注桩基础布置

1.4 螺纹挤土灌注桩承载力检测

根据桩基检测规范，对现场的6根螺纹挤土灌注桩进行静力载荷试验（图2）。各试验桩的荷载-沉降曲线如图3所示。

图2 现场静载试验

图3 试验桩Q-S曲线

由图3可知：1#、2#，5#试验桩的荷载位移曲线为陡降型曲线，取陡降起止点作为单桩竖向极限承载力，分别为1 360、1 360、1 020 kN；3#、4#、6#试桩的荷载位移曲线为缓变型曲线，取S=40 mm对应的荷载值为单桩竖向极限承载力，分别为1 020、1 640、1 091 kN。故试验桩承载力均不满足承载力设计要求。

1.5 螺纹挤土灌注桩承载力分析

根据试验，螺纹挤土灌注桩的实际承载力仅达到设计值的29.41%～47.06%，其原因如下。

1.5.1 经验参数与工法不符

标准［13］、［14］中的单桩竖向极限承载力计算模型，将螺纹挤土灌注桩的侧阻力标准值与桩端阻力标准值均对应取为《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）［15］5.3.5中混凝土预制桩的侧阻力标准值与端阻力标准值参数，即认为螺纹挤土灌注桩的挤土效应与静压管桩或锤击管桩的挤土效应等效。而事实上，螺纹挤土桩与管桩在黏性土中的挤土效应是有区别的，管桩压桩过程中桩侧土的位移以向下的位移为主，而螺纹挤土桩桩侧土在螺纹钻杆旋压过程中主要以水平径向位移为主。

1.5.2 钻进对螺纹形态的影响

螺纹段在同步钻进过程中，钻杆由刚度较小的粉质黏土层进入刚度较大的强风化泥岩层时，螺纹桩机主泵压力机主泵电流显著增大，在强风化泥岩层进尺困难，钻杆每旋转一周，钻杆下降深度小于一个螺距，在同步钻进阶段出现非同步钻进，即前一阶段螺纹桩机正常形成的螺纹段随着钻杆不能同步钻进而出现扫螺现象。而此时钻机仍处于进尺工作状态，钻杆进一步加大了对螺牙间地基土的扰动，从而导致钻进成螺质量不佳，使螺纹挤土桩的桩侧螺牙咬合作用无法发挥，降低了桩基的承载力。

1.5.3 桩端形式对承载的影响

根据现场试验静力载荷所得Q-S曲线可知，试验桩加载至极限承载力设计值的40% ～70%时单级加载引起的沉降突增，各试验桩沉降量统计如表3所示。由此可认为，螺纹钻杆成孔过程采用破岩钻头，下钻过程使桩端泥岩层发生一定的破碎扰动，形成一定厚度的虚土，导致桩端承载力无法完全发挥，从而引起承载力试验值远低于设计值。

表3 试验桩沉降值

2 管桩-螺纹挤土灌注桩复合地基分析

2.1 复合地基设计方案

补强方案总体设计为管桩-螺纹挤土灌注桩多桩型复合地基，管桩采用PHC-400-AB-95-C80先张法预应力混凝土管桩。管桩与螺纹挤土灌注桩均采用正方形布桩，由于螺纹挤土灌注桩已经施工其桩心间距为1 750 mm，面积置换率为m1=0.064；管桩桩心间距为2 300 mm，面积置换率为m2=0.024。复合地基的布置方案如图4、5、6所示（以部分基础为例）。

图4 螺纹挤土灌注桩基布置

图5 管桩-螺纹挤土灌注桩复合地基布置

图6 管桩-螺纹挤土灌注桩现场成桩

经现场试桩，管桩的Q-S曲线如图7所示，3根管桩的Q-S曲线均未出现明显陡降起始点（即第二拐点），均属于缓变型曲线。经综合分析，1#、2#、3#竖向增强体抗压极限承载力均不小于3 000 kN。故管桩单桩承载力极限取为3 000 kN，单桩承载力特征值取为1 500 kN。

图7 管桩Q-S曲线

根据 《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2012）［16］中多桩型复合地基成承载力计算如下。

式中：fspk为螺纹桩与管桩的多桩型复合地基承载力特征值，kPa；λ1、λ2分别为螺纹桩、管桩的单桩承载力发挥系数；m1、m2分别为螺纹桩、管桩的面积置换率；Ra1、Ra2分别为螺纹桩、管桩的单桩承载力特征值，kN；Ap1、Ap2分别为螺纹桩、管桩的截面面积，m2；β为桩间土承载力发挥系数；fsk为处理后复合地基桩间土承载力特征值，kPa。计算得出fspk=425.23 kPa，故本拟建工程复合地基承载力取为425 kPa。

2.2 复合地基承载力检测及分析

根据《建筑地基检测技术规范》（JGJ 340—2015）［17］对现场的3个管桩-螺纹挤土灌注桩复合地基进行静力载荷试验，各试验桩的荷载-沉降曲线如下图所示。3个复合地基静载荷试验点的荷载-沉降（Q-S）曲线均未出现明显陡降起始点（即第二拐点）的现象，各抽检复合地基静载荷试验点的曲线属于缓变型曲线。经综合分析，复合地基试验点承载力特征值均为520 kPa，满足设计承载要求。

由现场静载数据及图8中的Q-S曲线可知，3个试验点的最大位移量分别为17.88、12.96、11.57 mm，沉降量小；桩间土回弹率分别为66.28%、70.99%、78.22%，可说明桩间土经挤密后，压缩量变小，桩间土承载力得到提高，承载力和变形可以满足设计要求。

图8 复合地基Q-S曲线

3 结 论

本文通过对南宁泥岩地区的多桩型复合地基现场试验，结合区域工程地质及施工工法分析承载结果，可得结论如下。

（1）螺纹钻杆由黏土层进尺过渡到泥岩层时，由于黏土与泥岩存在较大的刚度差异，使钻杆在钻进过程中由同步钻进向非同步钻进过渡出现扫螺现象而无法成螺，这是螺纹挤土桩承载力不足的主要原因。

（2）采用标准T/CECS 780—2020的承载力模型中计算参数对螺纹挤土桩进行承载力计算具有不适应性，需要综合考虑钻进施工及区域地质对计算模型进行修正。

（3）管桩、螺纹挤土桩两种挤土桩型，对桩间土具有挤密效果，可提高桩间土体的地基承载力，并进一步提高管桩-螺纹挤土桩复合地基的承载力。现场静力载荷试验结果表明，管桩-螺纹挤土桩组合复合地基能满足建筑工程的承载力和变形的要求，可以进一步指导建筑工程地基基础的设计与施工，为类似工程项目提供参考。

（4）作为地基处理中的竖向增强体，管桩、螺纹挤土桩两种刚性挤土桩型有良好的适用性。