PHC管樁在螺紋擠土樁基礎的補強應用

張懿丹，韓 偉，張信貴，謝卓言

（1.廣西大學設計院有限公司，廣西南寧 530004；2.廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧 530004）

螺紋擠土樁的螺紋樁身結構，可以通過螺牙與樁周土體的咬合作用，改變傳統樁土摩擦接觸的方式，增大樁的側阻力，且成樁過程中鉆桿對樁周土體進行擠壓，進一步提高了樁的承載力［1］。目前，關于螺紋擠土灌注樁的研究圍繞承載機理與擠土效應兩方面展開。李志毅等［2-3］通過模型試驗研究螺紋樁在砂土中的承載特性，結果表明，在相同條件下螺紋樁的極限承載力約是普通直樁的1～4倍，在極限狀態下的平均樁側阻力是普通直樁的3～4倍；鄧益兵等［4］結合模型試驗與數值分析方法，提出螺旋擠擴鉆具在砂土下旋擠擴過程中，土體的徑向位移主要產生在2.5倍鉆徑范圍內。但螺紋擠土灌注樁承載力計算與區域工程地質、成樁施工技術的相關性高，故其在南寧泥巖地區仍處于探索性應用階段。

管樁樁身強度高，成樁質量優，其作為擠土樁型的一種，亦常用作樁基礎或復合地基中的豎向增強體［5］。李林等［6］基于靜壓管樁的擠土效應和成樁后土體再固結的基本原理，提出了靜壓管樁在天然飽和黏土地基中時變承載力的理論計算公式。王家全等［7］以鋁管制作模型樁，并根據現場勘察報告制備試驗土樣，于自行設計的可視化模型箱中研究管樁在靜壓和復壓過程中樁身軸力、位移以及樁側摩阻力的變化規律。

南寧泥巖地區某建筑工程中采用螺紋擠土灌注樁作為樁基礎，事前設計中過高估算承載力，加之樁基檢測相對施工存在滯后，導致建設場地內出現樁基承載力不滿足設計要求的工程問題。為利用原有螺紋擠土樁基礎，并考慮擬建項目的工期進度，滿足建筑工程穩定、安全及經濟性的要求，采用管樁對螺紋擠土樁基礎進行補強，形成管樁-螺紋擠土樁復合地基。而當前關于多樁型復合地基的研究中多以無黏性的柔性樁與半剛性樁進行組合［8-12］，以多種剛性樁復合地基的研究尚未見報道。故本文基于此工程項目背景，對螺紋樁承載力不足的原因、螺紋擠土樁與管樁組合復合地基的承載性能進行分析，以期可為類似樁基礎補強、多樁型復合地基設計提供參考。

1 原螺紋擠土灌注樁基礎分析

1.1 工程概況

南寧某項目位于廣西南寧市五象新區海暉和華威路交匯處附近，該項目擬建項目總建筑面積為61 440.28 m2，擬建建筑物有1#廠房（9層），高度為36 m，員工宿舍（12層），高度為44.6 m，框架剪力墻結構，設計基礎形式為樁基礎，埋置深度為-10.5 m。根據現場勘察及鉆探結果，擬建場地覆土層主要有第四系人工填土層（Q4ml）、第四系殘積層（Q4el）、下伏基巖為下第三系（E）沉積層。各巖土層自上而下依次為：①填土（Q4ml），厚度0.50～9.00 m，呈松散狀；②黏土（Q4ml），厚度1.50～5.30m，呈可塑狀；③粉質黏土（Q4el），厚度5.90～9.10 m，呈硬塑狀；④粉砂質泥巖（E③），呈強風化特征。其物理力學參數、樁基設計參數建議值如表1、2所示。

表1 巖土物理力學參數

表2 樁基設計參數建議值

1.2 樁基選型

從螺紋擠土樁、傳統鉆孔灌注樁與管樁對于擬建場地的適應性和經濟性兩方面來看，螺紋擠土樁的優勢如下所述。

（1）與螺紋擠土樁干作業的施工方式相比，采用泥漿護壁的傳統鉆孔灌注樁工藝會使泥巖發生水巖作用而軟化或崩解，導致樁基承載力降低。而同樣采用干作業的長螺旋鉆孔樁，于本場地中級配不均、組分復雜的填土層上的進尺能力遠低于采用高扭矩低轉速的螺紋擠土樁工藝。

（2）采用錘擊或靜壓壓樁工藝的管樁，雖然相比灌注樁有較高的承載力，但填土層中存在孤塊石等障礙物易使管樁在壓樁過程中發生樁體破損，導致承載力無法發揮。

（3）螺紋擠土樁工藝采用螺紋鉆桿向下旋壓擠土成樁，且場地的土層均具有可擠密性，這使該工藝于本場地有更好的適用性。螺紋擠土樁本身具有特殊的螺紋結構，其通過與樁周土的咬合作用提高樁基承載力，使螺紋擠土樁相比于傳統灌注樁有更高的承載力。

綜上比選，擬建工程采用螺紋擠土樁作為樁基礎中的基樁。

1.3 螺紋擠土灌注樁設計

擬建工程的螺紋擠土灌注樁單樁豎向極限承載力的初步設計根據《螺紋樁技術規程》（JGJIT 379—2016）4.3.4節的經驗參數法［13］，并綜合《螺桿灌注樁技術規程》（T/CECS 780—2020）［14］進行計算：

式中：Qsk為直桿段總極限側阻力標準值，kN；Qpk為極限端阻力標準值，kN；u為樁身周長，m；qski為第i層土的極限側阻力標準值，kPa；qpk為極限側阻力標準，kPa；βsi為螺紋段第i層土的極限側阻力增強系數，可根據工程經驗確定；li為直桿段穿過第i層土的土層厚度，m；Ap為螺紋樁外徑在樁端的投影面積，m2。

螺紋擠土灌注樁的直桿段直徑定500 mm的圓截面樁，螺紋段樁身外徑初始設定為500mm，內徑為377 mm，螺距為400 mm，螺牙高度為61.5 mm，內側螺牙厚度為100 mm，外側螺牙厚度為50 mm。樁端持力層擬定為強風化粉砂質泥巖，入巖深度根據螺紋樁機的扭矩及以往工程經驗擬定為2～4 m。

根據勘察中各個鉆孔揭露的土層分布進行螺紋擠土樁的計算，粉質黏土及強風化粉砂質泥巖中設計為螺紋樁段，其中粉質黏土的極限側阻力標準值增強系數βsi取1.7，強風化粉砂質泥巖的極限側阻力標準值增強系數βs2取1.5。根據巖土物理學參數及樁基設計參數，以鉆孔ZK1為例進行承載力計算可知，試驗螺紋擠土灌注樁豎向承載力標準值Rk取為3 400 kN，特征值Ra取為1 700 kN。局部樁基布置如圖1所示。

圖1 螺紋擠土灌注樁基礎布置

1.4 螺紋擠土灌注樁承載力檢測

根據樁基檢測規范，對現場的6根螺紋擠土灌注樁進行靜力載荷試驗（圖2）。各試驗樁的荷載-沉降曲線如圖3所示。

圖2 現場靜載試驗

圖3 試驗樁Q-S曲線

由圖3可知：1#、2#，5#試驗樁的荷載位移曲線為陡降型曲線，取陡降起止點作為單樁豎向極限承載力，分別為1 360、1 360、1 020 kN；3#、4#、6#試樁的荷載位移曲線為緩變型曲線，取S=40 mm對應的荷載值為單樁豎向極限承載力，分別為1 020、1 640、1 091 kN。故試驗樁承載力均不滿足承載力設計要求。

1.5 螺紋擠土灌注樁承載力分析

根據試驗，螺紋擠土灌注樁的實際承載力僅達到設計值的29.41%～47.06%，其原因如下。

1.5.1 經驗參數與工法不符

標準［13］、［14］中的單樁豎向極限承載力計算模型，將螺紋擠土灌注樁的側阻力標準值與樁端阻力標準值均對應取為《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）［15］5.3.5中混凝土預制樁的側阻力標準值與端阻力標準值參數，即認為螺紋擠土灌注樁的擠土效應與靜壓管樁或錘擊管樁的擠土效應等效。而事實上，螺紋擠土樁與管樁在黏性土中的擠土效應是有區別的，管樁壓樁過程中樁側土的位移以向下的位移為主，而螺紋擠土樁樁側土在螺紋鉆桿旋壓過程中主要以水平徑向位移為主。

1.5.2 鉆進對螺紋形態的影響

螺紋段在同步鉆進過程中，鉆桿由剛度較小的粉質黏土層進入剛度較大的強風化泥巖層時，螺紋樁機主泵壓力機主泵電流顯著增大，在強風化泥巖層進尺困難，鉆桿每旋轉一周，鉆桿下降深度小于一個螺距，在同步鉆進階段出現非同步鉆進，即前一階段螺紋樁機正常形成的螺紋段隨著鉆桿不能同步鉆進而出現掃螺現象。而此時鉆機仍處于進尺工作狀態，鉆桿進一步加大了對螺牙間地基土的擾動，從而導致鉆進成螺質量不佳，使螺紋擠土樁的樁側螺牙咬合作用無法發揮，降低了樁基的承載力。

1.5.3 樁端形式對承載的影響

根據現場試驗靜力載荷所得Q-S曲線可知，試驗樁加載至極限承載力設計值的40% ～70%時單級加載引起的沉降突增，各試驗樁沉降量統計如表3所示。由此可認為，螺紋鉆桿成孔過程采用破巖鉆頭，下鉆過程使樁端泥巖層發生一定的破碎擾動，形成一定厚度的虛土，導致樁端承載力無法完全發揮，從而引起承載力試驗值遠低于設計值。

表3 試驗樁沉降值

2 管樁-螺紋擠土灌注樁復合地基分析

2.1 復合地基設計方案

補強方案總體設計為管樁-螺紋擠土灌注樁多樁型復合地基，管樁采用PHC-400-AB-95-C80先張法預應力混凝土管樁。管樁與螺紋擠土灌注樁均采用正方形布樁，由于螺紋擠土灌注樁已經施工其樁心間距為1 750 mm，面積置換率為m1=0.064；管樁樁心間距為2 300 mm，面積置換率為m2=0.024。復合地基的布置方案如圖4、5、6所示（以部分基礎為例）。

圖4 螺紋擠土灌注樁基布置

圖5 管樁-螺紋擠土灌注樁復合地基布置

圖6 管樁-螺紋擠土灌注樁現場成樁

經現場試樁，管樁的Q-S曲線如圖7所示，3根管樁的Q-S曲線均未出現明顯陡降起始點（即第二拐點），均屬于緩變型曲線。經綜合分析，1#、2#、3#豎向增強體抗壓極限承載力均不小于3 000 kN。故管樁單樁承載力極限取為3 000 kN，單樁承載力特征值取為1 500 kN。

圖7 管樁Q-S曲線

根據 《建筑地基處理技術規范》（JGJ79—2012）［16］中多樁型復合地基成承載力計算如下。

式中：fspk為螺紋樁與管樁的多樁型復合地基承載力特征值，kPa；λ1、λ2分別為螺紋樁、管樁的單樁承載力發揮系數；m1、m2分別為螺紋樁、管樁的面積置換率；Ra1、Ra2分別為螺紋樁、管樁的單樁承載力特征值，kN；Ap1、Ap2分別為螺紋樁、管樁的截面面積，m2；β為樁間土承載力發揮系數；fsk為處理后復合地基樁間土承載力特征值，kPa。計算得出fspk=425.23 kPa，故本擬建工程復合地基承載力取為425 kPa。

2.2 復合地基承載力檢測及分析

根據《建筑地基檢測技術規范》（JGJ 340—2015）［17］對現場的3個管樁-螺紋擠土灌注樁復合地基進行靜力載荷試驗，各試驗樁的荷載-沉降曲線如下圖所示。3個復合地基靜載荷試驗點的荷載-沉降（Q-S）曲線均未出現明顯陡降起始點（即第二拐點）的現象，各抽檢復合地基靜載荷試驗點的曲線屬于緩變型曲線。經綜合分析，復合地基試驗點承載力特征值均為520 kPa，滿足設計承載要求。

由現場靜載數據及圖8中的Q-S曲線可知，3個試驗點的最大位移量分別為17.88、12.96、11.57 mm，沉降量??；樁間土回彈率分別為66.28%、70.99%、78.22%，可說明樁間土經擠密后，壓縮量變小，樁間土承載力得到提高，承載力和變形可以滿足設計要求。

圖8 復合地基Q-S曲線

3 結 論

本文通過對南寧泥巖地區的多樁型復合地基現場試驗，結合區域工程地質及施工工法分析承載結果，可得結論如下。

（1）螺紋鉆桿由黏土層進尺過渡到泥巖層時，由于黏土與泥巖存在較大的剛度差異，使鉆桿在鉆進過程中由同步鉆進向非同步鉆進過渡出現掃螺現象而無法成螺，這是螺紋擠土樁承載力不足的主要原因。

（2）采用標準T/CECS 780—2020的承載力模型中計算參數對螺紋擠土樁進行承載力計算具有不適應性，需要綜合考慮鉆進施工及區域地質對計算模型進行修正。

（3）管樁、螺紋擠土樁兩種擠土樁型，對樁間土具有擠密效果，可提高樁間土體的地基承載力，并進一步提高管樁-螺紋擠土樁復合地基的承載力?，F場靜力載荷試驗結果表明，管樁-螺紋擠土樁組合復合地基能滿足建筑工程的承載力和變形的要求，可以進一步指導建筑工程地基基礎的設計與施工，為類似工程項目提供參考。

（4）作為地基處理中的豎向增強體，管樁、螺紋擠土樁兩種剛性擠土樁型有良好的適用性。