螺杆桩新技术及其运用（一） - 图文

螺杆桩新技术及其应用

彭桂皎1 虞锋2

（1武汉理工大学，2铁道部第四勘测设计院）

摘 要：螺杆桩技术的诞生，开创了变截面桩的新思路。本文扼要介绍了螺杆桩的构造、受力原理及工法，并创建了与之结

果相匹配的计算公式和相关的计算参数等。通过对实际工程的运用，取得了静载试验与计算结果的对比资料。并对公式的合理性、可行性进行了验证。

关键词：半螺丝桩、螺杆桩、现浇全螺纹灌注桩、法向应力

A Novel Screw Stake Technology and its Applications

Peng Gui-jiao1 Yu Feng2

Abstract： The screw stake is a new technology and a new concept of section-changed stake. This text introduces the structure of the screw stake and the principle of force suffered and the working methods in summary, and establishes the calculation formula and related calculation parameters etc. Compare the calculation results to the experimental results obtained from the actual usage of the engineering. And carry on the verification to the rationality and feasibility of the formula.

Key words：half screw stake; screw stake; the whole thread infused stake; radial stress

半螺丝桩作为一项新型桩，是一种“上部为圆柱型，下部为螺丝型”组合式桩，该桩及成桩工法简称螺杆桩技术(该技术2003年申请了发明专利，名称为“半螺丝桩及其成桩工法”，2006年5月获得了发明专利，专利号：ZL03128265.2)。该技术已被列为“2004年海南省建设科研项目”、“2005年建设部科学技术项目计划”、“2005年全国建设科技行业推广项目”。现浇螺杆桩是在施工过程中采用桩机钻具旋转挤压土体泵压砼成桩。与打入式预制桩相比，施工噪音低、无振动、对已施工的桩无影响；与全螺旋钻、普通泥浆护壁成孔的灌注桩相比，无泥浆污染和弃土问题。螺杆桩是一种具有很高实用价值的新型桩。现浇螺杆桩的成桩工艺实践及设备目前以广东、海南技术为研发重点。目前螺杆桩技术正在不断完善中，在海南省的数十项工程中得到了充分的肯定。该桩适用于粘性土、粉土、砂土及软土等土层，螺杆桩都被证明是一种适用广泛、安全、经济的桩基新技术。

1 螺杆桩技术

螺杆桩技术是在螺旋灌注桩、全螺纹灌注桩和高强度钢纤维混凝土全螺纹预制桩的基础上研制成功的。

螺杆桩是采用了变截面的构造形状，满足了附加应力的分布规律和应力分担比及刚度变化的要求，调整了土体与桩之间的作用，桩侧土体应力分担比及应力扩散度提高，桩端荷载减少，使桩身受力与土体受力协调一致[1]。

1

图1 螺杆桩在成桩中 图2螺杆桩螺纹部分

图3 桩螺杆部分

螺杆桩上下两部分的长度设计是弹性的。按照土质情况，以桩径400mm的螺杆桩为例：上部柱体部分直径为400mm；下部螺牙部分外径为400mm、内径为250mm~300mm、螺牙根部高度为80mm~100mm、螺牙叶片高度为50mm、螺牙片间距为400mm。如图4所示。

桩在竖向受力方面，其附加应力是遵循由上至下逐步减小的规律。因此，选择桩螺杆螺纹部分设计于何类土层是非常关键的。螺杆螺牙间的土体强度将直接影响整个桩的强度、刚度及承载力的发挥。而在软弱土体中，土的抗剪能力微乎其微。

目前，国内外学者对全螺纹桩承载力进行了初步探讨。在有关全螺纹桩的文献中，也提到以土体的抗剪强度

?[2]

确定螺纹桩的单桩竖向极限承载力： siQ式中，?sisk2?u??sili （1）

为桩侧第i层土的极限桩抗剪强度特征值。

根据上述公式，以饱和粘性土进行比较。饱和粘性土中，

?=csisi，式中

csi为的土不

排水剪切强度；并引用汤姆逊（Tomlinson,1971）的α法理论：

qsik=α csi，式中，α为粘

着力系数（0.2-1.0），提出了全螺纹桩与传统直线型灌注桩承载力关系为

Q式中Qsk1sk2?u?Cl?sii1Q?(1?5)Q （2）

sk1ask1—螺纹直线型灌注桩侧阻力。以上说明，在一定程度上反映了在饱和粘性土中螺

纹桩竖向承载力大于传统灌注桩的现象和用抗剪强度计算螺纹桩侧阻力的思路。问题是，抗

剪强度指标的边界条件如何界定？库仑公式中的法向应力如何取值？在已有文献中没得到

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解决。

桩在竖向受力方面，附加应力是遵循由上至下逐步减小的规律，桩身应力逐步分担，约为10:1，螺杆桩的上大下小的分段设计满足了附加应力的分布规律。桩的竖向承载力与桩的长细比有着密切的关系，刚度的大小在制约桩的受力变形方面起决定性作用。螺杆桩上部的柱体段在荷载传递过程中，提高了桩身刚度和加大了受压面积，对螺纹段功能发挥起到了保证性作用。

螺杆桩设计上利用一般土层上软下硬的特点，在承载力大于120kPa的土层中设计成桩螺牙，承载力小于120kPa的土层中设计成圆柱体桩，同时螺杆桩成桩呈螺旋状挤压土体，属于挤土灌注桩，对桩周土进行了挤密加固，提高了地基土的承载力和桩侧摩阻力。

因此，把满足桩身强度和刚度条件作为全螺纹桩研究的先决条件，这一点应尤其重要;其次，软土对桩的螺牙负作用不可忽视。

400

不基 本 置 于 承 载 力 得小 于 等 于 120 KPa 土层 小该 段 植 于 较 硬 土 层于 大 于 等 于 1-2 米L/3

50

50L 400100

300基 本 置 于 大 于

120 KPa 土 层

500

图4 螺杆桩剖面图

2 螺杆桩的力学计算

基于满足上述基本条件，螺杆桩的单桩竖向极限承载力还需要针对其受力机理建立自己的公式。

（1） 关于抗剪强度指标的边界条件

作为螺杆桩螺纹段叶片间的螺纹形环状土体，当桩顶受荷时，先是受压后受剪。一般无排水环境，受力方向与剪切滑动面沿伸方向平行。因此，土的抗剪强度指标粘聚力C和内摩擦角φ应选择固结不排水直剪方法测定值。

3

τfτf=C+σtanφτf3τf2τf1φCOσ1σ2σ3σ 图 5 抗 剪 强 度τf与 法向应力σ的关系

（2） 关于库仑公式中法向应力σ的取值问题

由土力学原理和大量试验结果分析表明：砂性土抗剪强度与法向应力之间的关系是一条通过原点的直线，直线方程可用库仑公式法向应力之间也基本成直线关系：

?f??tan? 表示。对于粘性土，抗剪强度与

?f?c??tan? (3)

它们的共同点是都遵循抗剪强度和法向应力成正比关系的规律。根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）剪切试验中的垂直压力（法向应力）划为100kPa、200kPa、300kPa和400kPa四档。试验时根据工程实际和土的软硬程度施加各级垂直压力。

在竖向荷载作用下，螺杆桩桩周土上的法向应力主要是来自成孔时挤土的水 平力和成桩过程中泵压混凝土的水平挤压力而且是长期存在的实际法向应力。

鉴于以上分析，在螺杆桩侧阻力剪切强度计算中，根据土性，按《土工试验方法标准》（GB/T S0123-1999）划为100kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四档确定法向应力σ值，详见表1。

（3） 螺杆桩桩侧阻力计算

由于螺杆桩是由直杆段和螺纹段两部分构成。因此，侧阻力的计算需分段进行。

直杆段侧阻力Qsk1计算。螺杆桩直杆段侧阻力Qskl是由桩土之间的摩阻力实现的。所以，计算方法与传统直线型灌注桩相同。即

Q?u?ql ( 4 )

sk1siki1式中：q——螺杆桩直杆段极限侧阻力特征值（kPa）；可按表2取值；

sik u——桩身周长（m）；

li1——螺杆桩直杆段穿越第i层土的厚度（m）。

Qsi?u??l ( 5 )

sii2螺杆段侧阻力Qsk2计算。螺杆桩螺纹段的侧阻力Qsk2是由桩的螺牙与土的机械咬合作用力通过桩孔侧壁土的抗剪强度体现的，与直杆段桩的受力机理截然不同，建议按下式计算：

sk2式中：?——螺杆桩螺纹段第i层土抗剪强度值（kPa）；

（4） 土层抗剪强度的确定方法（c, φ）

4

根据室内土工试验抗剪强度指标xk强度按下式计算

???tan? （砂类土） ( 6 )

siii?si?ci??tan?i（粘性土） ( 7 )

式中：?——第i层土剪切滑动面上的法向应力（kPa）；可按表1取值

i； ci——第i层土的粘聚力（kPa）） ?——第i层土的内摩擦角（。

i（5） 螺杆桩桩端阻力计算

由于螺杆桩在成孔过程中对孔底有挤土作用，加之管内泵压混凝土有较高的压力，

作用机理相似预制桩。计算式如下：

Q?qA ( 8 )

pkpkp式中：q

pk

—极限端阻力特征值（kPa），可按表2取值；A—桩端面积。

p（6） 螺杆桩单桩竖向极限承载力计算

将螺杆桩直杆段侧阻力、螺纹段侧阻力和端阻力公式合拼即得螺杆桩单桩竖向极限

承载力计算公式：

u?q式中：Quk?siklil??(Ci??itan?i)li2?q?pkAp ( 9 )

—直杆段桩第i层土极限侧阻力特

i2—单桩竖向极限承载力特征值，（kN）；qilkis征值,（kPa）,可按表2取值；u—桩身周长（m）；l—直杆段穿越第i层土的厚（m）；l—螺纹段穿越第i层土的厚（m）；

i；?c—第i层土的粘聚力（kPa）

i—第i层土的内摩擦

i角；?—第i层土的抗剪强度对应的法向应力（kPa）。可按表1取值（kPa）。

表1 土层抗剪强度计算对应的法向应力 土名称 土的状态 0.75

5

表2 螺杆桩极限侧阻力、极限端阻力特征值

直杆段极限土名称 土的状态 侧阻力特征值qsik (kPa) 填土 淤泥 淤泥质土 IL>1 0.750.9 粉土 0.75≤e≤.09 e<0.75 稍密 粉细砂 中密 密实 中砂 中密 密实 中密 密实 中密、密实 20-28 11-17 20-28 21-36 36-50 50-66 66-82 82-91 91-101 22-44 42-64 64-85 22-42 42-63 63-85 54-74 74-95 74-95 95-116 116-138 210-840 840-1700 1500-2300 2500-3800 3800-5100 640-1500 840-1700 1500-2300 800-1600 1400-2200 1600-2400 3600-5100 3800-5300 5700-7400 5900-7600

表3 土层物理指标统计

内摩擦角 （） 20.0 18.0 20.0 25.0 o桩的极限端阻力特征值qp kPa h≤9 9

20.9 20.4 20.3 20.8 6

表4 单桩竖向极限承载力试验值与计算值对比

建筑物 编号 桩径 mm 桩长 m 12.6 (8.6) 9.0 （6.0） 8.5 (5.5) 9.4 (6.4) 2880.00 2640.00 单桩竖向极限承载力（kN） 静载试验值 公式计算值 试验值与计算值的比值 桩型 B1 B2 A1 A2 400 400 400 400 2577.51 2189.11 2089.58 2117.84 1.11 1.20 注：括号（）中的数安为螺杆桩螺纹段段桩长。

3 工程应用实例

拟建的建筑物位于三亚市，场地呈长方形。共建住宅楼4连套，框架结构，6~12层，无地下室。规划总用地面积77957.56 m2 ，抗震设防类别为丙类建筑。

从表4不难看出，计算值略抵于试验值，差值0.12~0.20之间，由此可知，本文中建立公式是比较接近工程实际的，因此可用于工程计算。

4 结论

（1）螺杆桩以外型独特，受力机理及工法科学为基础，利用了土的抗剪强度大幅度提高桩侧阻力，实现了在相同条件下比传统灌注桩提高单桩竖向极限承载力的新方法; （2）螺杆桩施工工艺简单、不取土、不振动、不排浆、无污染，利于环保； （3）适用范围广泛，可用于CFG桩复合地基，亦可用于基桩。

参考文献

[1] 刘金砺。序。新型桩挤扩支盘灌注桩设计与工程应用[M]，北京：机械工业出版社2003，

1－。

[2] 吴 敏，李波扬。全螺旋灌注桩—螺纹桩竖向承载力初探[J]。武汉大学学报（工学版），

2002，10：109－112。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/155w.html