張懿丹，韓 偉，張信貴，謝卓言

（1.廣西大學(xué)設(shè)計院有限公司，廣西南寧 530004；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004）

螺紋擠土樁的螺紋樁身結(jié)構(gòu)，可以通過螺牙與樁周土體的咬合作用，改變傳統(tǒng)樁土摩擦接觸的方式，增大樁的側(cè)阻力，且成樁過程中鉆桿對樁周土體進(jìn)行擠壓，進(jìn)一步提高了樁的承載力［1］。目前，關(guān)于螺紋擠土灌注樁的研究圍繞承載機(jī)理與擠土效應(yīng)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(jié)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(tài)下的平均樁側(cè)阻力是普通直樁的3～4倍；鄧益兵等［4］結(jié)合模型試驗與數(shù)值分析方法，提出螺旋擠擴(kuò)鉆具在砂土下旋擠擴(kuò)過程中，土體的徑向位移主要產(chǎn)生在2.5倍鉆徑范圍內(nèi)。但螺紋擠土灌注樁承載力計算與區(qū)域工程地質(zhì)、成樁施工技術(shù)的相關(guān)性高，故其在南寧泥巖地區(qū)仍處于探索性應(yīng)用階段。

管樁樁身強(qiáng)度高，成樁質(zhì)量優(yōu)，其作為擠土樁型的一種，亦常用作樁基礎(chǔ)或復(fù)合地基中的豎向增強(qiáng)體［5］。李林等［6］基于靜壓管樁的擠土效應(yīng)和成樁后土體再固結(jié)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(jù)現(xiàn)場勘察報告制備試驗土樣，于自行設(shè)計的可視化模型箱中研究管樁在靜壓和復(fù)壓過程中樁身軸力、位移以及樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律。

南寧泥巖地區(qū)某建筑工程中采用螺紋擠土灌注樁作為樁基礎(chǔ)，事前設(shè)計中過高估算承載力，加之樁基檢測相對施工存在滯后，導(dǎo)致建設(shè)場地內(nèi)出現(xiàn)樁基承載力不滿足設(shè)計要求的工程問題。為利用原有螺紋擠土樁基礎(chǔ)，并考慮擬建項目的工期進(jìn)度，滿足建筑工程穩(wěn)定、安全及經(jīng)濟(jì)性的要求，采用管樁對螺紋擠土樁基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，形成管樁-螺紋擠土樁復(fù)合地基。而當(dāng)前關(guān)于多樁型復(fù)合地基的研究中多以無黏性的柔性樁與半剛性樁進(jìn)行組合［8-12］，以多種剛性樁復(fù)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(fù)合地基的承載性能進(jìn)行分析，以期可為類似樁基礎(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)、多樁型復(fù)合地基設(shè)計提供參考。

1 原螺紋擠土灌注樁基礎(chǔ)分析

1.1 工程概況

南寧某項目位于廣西南寧市五象新區(qū)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(jié)構(gòu)，設(shè)計基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，埋置深度為-10.5 m。根據(jù)現(xiàn)場勘察及鉆探結(jié)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(zhì)黏土（Q4el），厚度5.90～9.10 m，呈硬塑狀；④粉砂質(zhì)泥巖（E③），呈強(qiáng)風(fēng)化特征。其物理力學(xué)參數(shù)、樁基設(shè)計參數(shù)建議值如表1、2所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表2 樁基設(shè)計參數(shù)建議值

1.2 樁基選型

從螺紋擠土樁、傳統(tǒng)鉆孔灌注樁與管樁對于擬建場地的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面來看，螺紋擠土樁的優(yōu)勢如下所述。

（1）與螺紋擠土樁干作業(yè)的施工方式相比，采用泥漿護(hù)壁的傳統(tǒng)鉆孔灌注樁工藝會使泥巖發(fā)生水巖作用而軟化或崩解，導(dǎo)致樁基承載力降低。而同樣采用干作業(yè)的長螺旋鉆孔樁，于本場地中級配不均、組分復(fù)雜的填土層上的進(jìn)尺能力遠(yuǎn)低于采用高扭矩低轉(zhuǎn)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(fā)生樁體破損，導(dǎo)致承載力無法發(fā)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)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(chǔ)中的基樁。

1.3 螺紋擠土灌注樁設(shè)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(shè)計根據(jù)《螺紋樁技術(shù)規(guī)程》（JGJIT 379—2016）4.3.4節(jié)的經(jīng)驗參數(shù)法［13］，并綜合《螺桿灌注樁技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 780—2020）［14］進(jìn)行計算：

式中：Qsk為直桿段總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；u為樁身周長，m；qski為第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qpk為極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)，kPa；βsi為螺紋段第i層土的極限側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)，可根據(jù)工程經(jīng)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(shè)定為500mm，內(nèi)徑為377 mm，螺距為400 mm，螺牙高度為61.5 mm，內(nèi)側(cè)螺牙厚度為100 mm，外側(cè)螺牙厚度為50 mm。樁端持力層擬定為強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，入巖深度根據(jù)螺紋樁機(jī)的扭矩及以往工程經(jīng)驗擬定為2～4 m。

根據(jù)勘察中各個鉆孔揭露的土層分布進(jìn)行螺紋擠土樁的計算，粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖中設(shè)計為螺紋樁段，其中粉質(zhì)黏土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值增強(qiáng)系數(shù)βsi取1.7，強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值增強(qiáng)系數(shù)βs2取1.5。根據(jù)巖土物理學(xué)參數(shù)及樁基設(shè)計參數(shù)，以鉆孔ZK1為例進(jìn)行承載力計算可知，試驗螺紋擠土灌注樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)布置

1.4 螺紋擠土灌注樁承載力檢測

根據(jù)樁基檢測規(guī)范，對現(xiàn)場的6根螺紋擠土灌注樁進(jìn)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(xiàn)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(diǎn)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(yīng)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(shè)計要求。

1.5 螺紋擠土灌注樁承載力分析

根據(jù)試驗，螺紋擠土灌注樁的實際承載力僅達(dá)到設(shè)計值的29.41%～47.06%，其原因如下。

1.5.1 經(jīng)驗參數(shù)與工法不符

標(biāo)準(zhǔn)［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(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值與樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值均對應(yīng)取為《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）［15］5.3.5中混凝土預(yù)制樁的側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值與端阻力標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù)，即認(rèn)為螺紋擠土灌注樁的擠土效應(yīng)與靜壓管樁或錘擊管樁的擠土效應(yīng)等效。而事實上，螺紋擠土樁與管樁在黏性土中的擠土效應(yīng)是有區(qū)別的，管樁壓樁過程中樁側(cè)土的位移以向下的位移為主，而螺紋擠土樁樁側(cè)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(jìn)對螺紋形態(tài)的影響

螺紋段在同步鉆進(jìn)過程中，鉆桿由剛度較小的粉質(zhì)黏土層進(jìn)入剛度較大的強(qiáng)風(fēng)化泥巖層時，螺紋樁機(jī)主泵壓力機(jī)主泵電流顯著增大，在強(qiáng)風(fēng)化泥巖層進(jìn)尺困難，鉆桿每旋轉(zhuǎn)一周，鉆桿下降深度小于一個螺距，在同步鉆進(jìn)階段出現(xiàn)非同步鉆進(jìn)，即前一階段螺紋樁機(jī)正常形成的螺紋段隨著鉆桿不能同步鉆進(jìn)而出現(xiàn)掃螺現(xiàn)象。而此時鉆機(jī)仍處于進(jìn)尺工作狀態(tài)，鉆桿進(jìn)一步加大了對螺牙間地基土的擾動，從而導(dǎo)致鉆進(jìn)成螺質(zhì)量不佳，使螺紋擠土樁的樁側(cè)螺牙咬合作用無法發(fā)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(jù)現(xiàn)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(shè)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(tǒng)計如表3所示。由此可認(rèn)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(fā)生一定的破碎擾動，形成一定厚度的虛土，導(dǎo)致樁端承載力無法完全發(fā)揮，從而引起承載力試驗值遠(yuǎn)低于設(shè)計值。

表3 試驗樁沉降值

2 管樁-螺紋擠土灌注樁復(fù)合地基分析

2.1 復(fù)合地基設(shè)計方案

補(bǔ)強(qiáng)方案總體設(shè)計為管樁-螺紋擠土灌注樁多樁型復(fù)合地基，管樁采用PHC-400-AB-95-C80先張法預(yù)應(yīng)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(jīng)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(fù)合地基的布置方案如圖4、5、6所示（以部分基礎(chǔ)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(fù)合地基布置

圖6 管樁-螺紋擠土灌注樁現(xiàn)場成樁

經(jīng)現(xiàn)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(xiàn)明顯陡降起始點(diǎn)（即第二拐點(diǎn)），均屬于緩變型曲線。經(jīng)綜合分析，1#、2#、3#豎向增強(qiáng)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(jù) 《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79—2012）［16］中多樁型復(fù)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(fù)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(fā)揮系數(shù)；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(fā)揮系數(shù)；fsk為處理后復(fù)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(fù)合地基承載力取為425 kPa。

2.2 復(fù)合地基承載力檢測及分析

根據(jù)《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 340—2015）［17］對現(xiàn)場的3個管樁-螺紋擠土灌注樁復(fù)合地基進(jìn)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(fù)合地基靜載荷試驗點(diǎn)的荷載-沉降（Q-S）曲線均未出現(xiàn)明顯陡降起始點(diǎn)（即第二拐點(diǎn)）的現(xiàn)象，各抽檢復(fù)合地基靜載荷試驗點(diǎn)的曲線屬于緩變型曲線。經(jīng)綜合分析，復(fù)合地基試驗點(diǎn)承載力特征值均為520 kPa，滿足設(shè)計承載要求。

由現(xiàn)場靜載數(shù)據(jù)及圖8中的Q-S曲線可知，3個試驗點(diǎn)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(jīng)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(shè)計要求。

圖8 復(fù)合地基Q-S曲線

3 結(jié) 論

本文通過對南寧泥巖地區(qū)的多樁型復(fù)合地基現(xiàn)場試驗，結(jié)合區(qū)域工程地質(zhì)及施工工法分析承載結(jié)果，可得結(jié)論如下。

（1）螺紋鉆桿由黏土層進(jìn)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(jìn)過程中由同步鉆進(jìn)向非同步鉆進(jìn)過渡出現(xiàn)掃螺現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)T/CECS 780—2020的承載力模型中計算參數(shù)對螺紋擠土樁進(jìn)行承載力計算具有不適應(yīng)性，需要綜合考慮鉆進(jìn)施工及區(qū)域地質(zhì)對計算模型進(jìn)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(jìn)一步提高管樁-螺紋擠土樁復(fù)合地基的承載力。現(xiàn)場靜力載荷試驗結(jié)果表明，管樁-螺紋擠土樁組合復(fù)合地基能滿足建筑工程的承載力和變形的要求，可以進(jìn)一步指導(dǎo)建筑工程地基基礎(chǔ)的設(shè)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(qiáng)體，管樁、螺紋擠土樁兩種剛性擠土樁型有良好的適用性。