新型全螺纹钻(挤)孔灌注桩技术的应用与研究

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  【摘 要】 新型全螺纹钻(挤)孔灌注桩是一种新的桩型。由于其造价低、施工方便、质量可靠、代表了现阶段建筑业技术发展的最新成就。它在建筑业10项新技术(2010年)之一长螺旋钻孔压灌桩优势的基础上,更具有承载力高、节约材料、工期短和环保等特点。本文通过分析新型全螺纹钻(挤)孔灌注桩承载受力机理并结合工程实例将其与常见桩基作技术经济分析比较,得出合理的结论,可为今后类似工程提供一些参考。
  【关键词】 全螺纹钻(挤)孔灌注桩;螺牙;承载机理;桩侧阻力;经济效益
  1.概述
  全螺纹钻(挤)孔灌注成桩技术,是由全螺纹钻(挤)孔桩机、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全螺纹钻(挤)孔桩机,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。
  近几年来新型全螺纹钻(挤)孔灌注桩技术也在不断地研究改进和提高,经实践证明技术是可靠的,经济效益十分显著。该技术已在全国数个省、市推广应用,2009年8月全螺纹钻(挤)孔灌注桩在上海《世博村I地块项目》的成功应用,获得了上海世博会重大工程建设建功立业劳动竞赛“世博杯”金点子优秀奖和智慧工程金奖。目前该技术成果已通过上海市城乡建设和交通委员会组织的专家评审和鉴定(技字2010-08-026),并认定所推广的技术具有新型、高科技、高效率、高承载力、节能环保、经济效益明显的特点,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。
  2.全螺纹钻(挤)孔灌注桩的适用范围
  2.1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。
  2.2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。
  2.3适用土层:填土层、粘性土层、淤泥土层、粉土层、砂土层等,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,新型全螺纹钻(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。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。
  3.全螺纹钻(挤)孔灌注桩承载受力机理
  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,而全螺纹钻(挤)孔灌注桩就像螺丝钉,螺纹的质量优良、稳定性好、耐震和抗拔性强。
  3.1传统钻孔灌注桩承载受力机理
  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。
  3.2全螺纹钻(挤)孔灌注桩承载受力机理
  全螺纹钻孔灌注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;
  新型全螺纹钻(挤)孔灌注樁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。
  全螺纹钻(挤)孔灌注桩在初加荷载时,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,全螺纹钻(挤)孔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。
  但全螺纹钻孔灌注桩是一种新的桩型,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。
  3.3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:
  式中:qsik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2лr;
  li为桩穿越第i层土的厚度。   3.4全螺纹钻(挤)孔灌注桩桩侧阻力Qsk2的计算
  螺纹灌注桩以土体的抗剪强度τsi确定单桩竖向极限承载力:
  其中:τsi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:
  其中,Csi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α法理论:
  其中,α为粘着力系数(0.2~1.0)。
  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:
  即螺纹桩在饱和粘性土场地土质相同,桩长相同,直径相同(u1=u2)的条件下承载力是传统圆柱型灌注桩的1~5倍。
  3.5全螺纹钻(挤)孔灌注桩承载力的计算方法
  3.5.1单桩竖向极限承载力标准值应按下列规定确定:
  3.5.1.1一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;
  3.5.1.2二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。
  3.5.1.3三级建筑螺纹桩,宜根据原位测试资料,利用承载力经验参数估算。
  3.5.2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。
  3.5.3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:
  3.5.4单桩承载力
  3.5.4.1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。
  3.5.4.2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。
  4.新型全螺纹钻(挤)孔灌注桩应用与实践
  4.1工程概况
  上海世紀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、设计和施工单位对全螺纹钻(挤)孔灌注桩、预应力管桩、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全螺纹钻(挤)孔灌注桩试桩方案。
  4.2几种桩基技术经济分析比较
  全螺纹钻(挤)孔灌注桩与其他桩型性能对比表
  方案一:采用φ500mm的预应力管桩,以⑧-2层作桩端持力层,设计桩长40m,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φ500mm预应力管桩单价175元/m计算,单根桩造价为175×40=7000元。每10KN承载力造价为:7400元/3100KN=22.58元/10KN。
  方案二:采用等效桩径φ500mm(主桩径φ460mm,螺纹外径φ600mm)的全螺纹钻(挤)孔灌注桩,以⑦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φ500mm全螺纹钻(挤)孔灌注桩单价约1080元/m?,单根桩造价为4980.82元,每10KN承载力造价为:3877.50元/3500KN=14.23元/10KN。
  可见,该项目预应力管桩的造价是全螺纹钻(挤)孔灌注桩的1.58倍。
  5.结语
  新型全螺纹钻(挤)孔灌注桩由于其造价低、施工速度快、质量保证、符合环保要求,技术优势明显。
  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:全螺纹钻孔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,全螺纹钻(挤)孔灌注桩承载力为传统钻孔灌注桩的1.5-2倍。
  ⑤有效减少沉降量:全螺纹钻(挤)孔灌注桩桩侧螺牙与土体紧密咬合,形成了更高的摩擦力合多个端承支点,明显降低了桩侧土体对桩身向下位移的影响。
  ⑥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1.5-2倍。在同样承载力要求下,全螺纹钻(挤)孔灌注桩可比普通灌注桩节约材料30%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,全螺纹钻(挤)孔灌注桩可供设计灵活使用,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:全螺纹钻(挤)孔灌注桩施工时,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。
  参考文献:
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