螺桿樁在京雄城際鐵路固安東站路基地基處理中的應用

高峰

（中鐵十九局集團有限公司，北京 102600）

1 工程概況

京雄城際鐵路固安東站區(qū)間路基DK57+949—DK58+366，DK58+526—DK58+557，DK58+570—DK58+916，DK60+380—DK60+625段原設計路基基底主加固區(qū)采用高強預應力混凝土管樁加固處理。樁體混凝土強度等級C80，管樁類型為PHC?AB?400（95），樁徑0.4 m，正方形布置，樁間距2.2 m，樁長為22，25，26，27 m。樁頂設0.4 m 厚C40 鋼筋混凝土樁帽，樁帽間回填碎石并碾壓密實，其上設0.5 m 厚碎石墊層，墊層內夾鋪一層雙向高強度土工格柵。

高強預應力混凝土管樁施工方法采用錘擊法或者靜壓法。現場試樁先采用錘擊法施工，在DK58+820 處共計試樁3 根，總錘數分別為486，453，384，共計用時分別為30，28，25 min，最后1 m 貫入度分別為75，70，63 擊。錘擊法可以成功施工，但是在試樁過程中由于錘擊噪聲、震動影響較大，周圍村莊村民多次反映影響其正常生活。為避免擾民，預應力管樁現場施工改用靜壓法。設備型號為ZYC700B，設備質量約170 t，配重180 t。

場地土層分布自上而下依次為粉土、黏土、粉質黏土、粉砂、粉質黏土。設計樁頂高程下約1∕3 樁長處遇到厚層粉砂層，采用靜壓法多次試樁（表1），無法穿透此粉砂層。在樁頭加焊開口式樁尖也難以達到設計樁長，造成有效樁長無法達到設計樁長。

表1 壓樁試驗結果

由于現場無法繼續(xù)采用原設計方案高強預應力混凝土管樁加固處理路基，經多方研究決定變更為螺桿樁，同時推廣應用新的施工工藝，提高施工效率。

螺桿灌注樁是一種新型的變截面異形樁，是在日本的高強度鋼纖維混凝土預制螺紋樁的基礎上創(chuàng)新而成的［1-2］。它的全稱為半螺旋鉆孔管內泵壓混凝土灌注樁，其形狀是上部為圓柱形，下部為螺絲形的組合式新型樁，如圖1［3］。具有承載力高、沉降小、工期短、施工方便、造價低、無污染、無噪聲等特點［4］。

圖1 螺桿樁

預應力混凝土管樁直徑為0.4 m，呈正方形布置。樁間距2.2 m，樁長分別為22，25，26，27 m。將鋼筋混凝土樁帽調整為可機械化施工的素混凝土圓臺形樁帽。本工程單樁實測承載力達到2 100 kN，達到設計和規(guī)范要求［5-6］。

2 螺桿樁施工技術

施工前進行室內配合比試驗，確定混凝土配比。選擇具有代表性地段進行成樁工藝性試驗（不少于3 根），確定各項施工工藝參數后，進行單樁或復合地基承載力試驗，確認設計參數。施工工藝流程見圖2。

圖2 螺桿樁施工工藝流程

2.1 施工要點

1）樁位應嚴格按照圖紙設計放樣，樁位偏差不得大于50 mm。

2）樁機就位后調平并穩(wěn)固，確保成孔垂直度，垂直度偏差不應大于1%。

3）下鉆過程中樁機自控系統(tǒng)嚴格控制鉆桿下降速度和旋轉速度，使二者匹配。要求鉆桿旋轉2 周以上下降1個螺距，鉆至螺桿樁直線段設計深度，在土體中形成圓柱狀段。此后鉆桿旋轉1 周下降1 個螺距，鉆至螺桿樁螺紋段設計深度，在土體中形成螺紋樁段。

4）鉆頭鉆至設計標高后，樁機反向旋轉提升鉆桿，提升過程中自控系統(tǒng)嚴格控制鉆桿提升速度和旋轉速度，保持同步和匹配。與此同時將制備好的混凝土采用泵送方式迅速填滿由鉆桿旋轉提升所產生的螺紋狀空間，提到螺紋部分的頂段設計深度時，螺桿鉆桿直接提升產生柱狀空間，并同時向鉆桿內繼續(xù)泵壓灌注混凝土。對于螺桿樁復合地基，根據承載力的情況本標段采用泵壓細石混凝土。

5）提鉆時鉆頭達到樁頂設計標高時停止泵壓混凝土，但應考慮灌注余量。待鉆孔中心泵壓混凝土形成樁體后，緩慢提出鉆頭。

2.2 質量控制（表2）

表2 螺桿樁施工的允許偏差、檢驗數量及檢驗方法

3 數值模擬

選取的模型尺寸為20 m × 20 m × 40 m。由于樁為截面形式特殊的螺桿樁，因此樁體采用實體單元，根據現場實際情況建樁，樁長25 m，螺紋段長20 m，樁徑0.4 m。計算中固定模型側面以及底面的法向位移，模型頂面為自由面，模擬地表。

由于樁身剛度比較大，在一般荷載作用下，樁身不會發(fā)生破壞，樁體仍然處于線彈性階段，因此采用線彈性模型。自然界土體屬于非彈性體并且各向異性，相比樁的本構關系，土體的本構關系復雜得多。本次數值模擬采用Mohr?Coulomb 彈塑性模型及對應的Mohr?Coulomb 屈服準則。樁土之間的相互作用采用接觸面進行模擬，接觸面單元服從庫侖剪切破壞屈服準則和拉應力破壞準則。計算參數見表3。

表3 樁土計算參數

依據現場螺桿樁靜載試驗對數值模型進行分級加載，得到樁基荷載-沉降曲線（Q-s曲線），見圖3。

圖3 樁基Q-s曲線對比

從圖3 可以看出，數值模擬結果與現場實測結果整體上吻合較好。與現場試驗得到的Q-s曲線變化規(guī)律一樣，數值模擬得到的Q-s曲線也呈現出彈性階段、彈塑性階段以及極限階段這3個階段。

4 螺桿樁的優(yōu)勢

螺桿樁在固安東站站場路基地基處理工程得到成功應用，施工過程中發(fā)現其具有多項優(yōu)勢，值得推廣應用［7］。

1）豎向承載力高。螺桿樁的螺紋部分使樁土之間的受力方式由傳統(tǒng)的摩擦變?yōu)闃逗蜆吨芡恋南嗷ヒШ?，成孔過程中樁側土體受到擠壓加密，提高了樁側土體的力學性能。螺桿樁直桿段表面粗糙度非常高，常常帶有5～10 mm 的淺螺紋，使得單樁的承載力得到進一步提高。

2）環(huán)保效果好。桿樁屬于擠土或半擠土樁，成樁過程中不會造成大量的棄土污染，沒有泥漿污染。施工采用旋轉式鉆桿鉆進，振動和噪聲均較小，對周邊建筑物的影響也較小，可以夜間施工，極大地縮短了工期。

3）樁身質量可靠。樁體與周圍土緊密結合，不留縫隙，有效解決了樁體變形問題，另外同步泵送混凝土還使得樁底不含沉渣，解決了樁底的虛土問題。勻速提鉆并同步泵送混凝土的施工工藝有效解決了塌孔、縮徑、斷樁等普通灌注樁常出現的問題。

4）施工速度快，綜合費用低。在地形變化較小的場地，螺桿樁的施工速度能達到每2 h 施工完1 根樁，有效縮短了工期，同時節(jié)約了場地處理費及人工費用。

5）適用范圍廣。用于一般黏性土、粉土、粉質黏土、黃土、回填土、砂性土、碎石土等土層。螺桿樁采用旋入式螺旋鉆機施工，即使遇到一些強度較高的土層和巖石地層也具有很好的成樁能力，因此也可用于高強度高黏度的黏土層、密實砂層、全風化巖以及強風化巖等巖層，同時螺桿樁在軟硬交替土層中也有較好的適應性。螺桿樁的使用不受地下水的限制［8-9］。

5 結語

螺桿樁施工過程中不取土，對樁間土有明顯的擠密效果。通過對天然地基的擠密，降低了地基土的壓縮性，從而提高了天然地基的承載力，減小了地基的沉降，具有施工快、環(huán)保的優(yōu)點。

京雄城際鐵路四標站場路基工程地基處理改為螺桿樁后，提高了施工效率。單樁承載力達到2 100 kN，樁長達到設計樁長，施工無噪聲，滿足了地基處理加固的各項要求。