国内外带有螺纹桩身的异型桩简析（二）——带有螺纹桩身的型桩技术的发展与创新陈超鋆（卓典正业北京有限公司）摘要：本文列举了几种典型的带有螺纹桩身的异型桩技术，根据这些典型技术的特点介绍了带有螺纹桩身的异型桩技术的发展，另外还列举了几种计算带有螺纹桩身的异型桩竖向受压承载力的方法，论证了这些方法的合理性与可行性。
0 引言带有螺纹桩身的异型桩最早的应用记录，是英国人Alexander Mitchell于1833年设计的、用于泰晤士灯塔基础的一种带螺纹叶片的钢预制桩——单螺纹锚杆桩（Single Steel Screw Pile）。
单螺纹锚杆桩施工速度快、无污染，在英国、美国、澳大利亚等国家得到广泛的应用。
[1]日本于20世纪90年代研制出钢纤维全螺纹混凝土预制桩，桩身采用28天抗压强度超过100Mpa的混凝土制成，用来克服施工时桩身受到的扭矩。
[2]20世纪60年代开始，欧美各国将异型带有螺纹桩身的桩技术的发展重心由预制桩向灌注桩转移。
法国科学家G·Grimaud于1963年研发出灌注型Screw Pile，是最早的灌注桩带有螺纹桩身，同时代的还有德国A TLAS公司研发的A TLAS桩技术。
20世纪90年代以来，国外的FDP桩、SDS桩、APG桩等带有螺纹桩身的灌注桩新技术逐渐成为主流，国内也开始带有螺纹桩身的灌注桩的研究，并形成“灌注全螺纹桩成桩工艺”。
2003年，一种全新的带有螺纹和直杆的灌注桩—半螺丝桩，即螺杆桩技术问世。
螺杆桩改变了以往螺纹式异型桩的结构与工法，用普通混凝土实现了高承载力，目前外径为500mm的螺杆桩单桩极限承载力已突破5000kN，为国内外类似技术的数倍，且成桩速度快、无污染，是目前综合性能较高的一种带有螺纹桩身的异型桩新技术。
1 第一代带有螺纹桩身的异型桩技术1.1 螺纹锚杆桩（Steel Screw Pile）[3]图1.1.1 螺纹锚杆桩——单螺纹式与双螺纹式图1.1.2 双螺纹锚杆桩早期的螺纹锚杆桩为单螺纹锚杆桩（Single-Screw Steel Pile），桩身只有一圈螺纹叶片，在距桩尖大约为D（D为螺纹叶片外径）的位置与芯管焊接，后衍生出桩身有两圈螺纹叶片的双螺纹锚杆桩（Double-Screw Steel Pile）和多圈螺纹叶片的多螺纹锚杆桩（Multi-Screw Steel Pile，最常见为三个螺纹叶片）。
螺纹锚杆桩桩尖呈45度角开口状，桩头与打桩机连接后旋钻入土成桩，规格详表 1.1.1。
与传统直杆桩相比，螺纹锚杆桩的竖向受压、受拉承载力均有大幅提升，详表1.1.2。
表1.1.1 螺纹锚杆桩规格表表1.1.2 某工程螺纹锚杆桩承载力表注：桩径约400mm，螺纹叶片外径约750mm。
与当时应用较多的木桩相比，螺纹锚杆桩的承载力可达木桩的5~7倍，且竖向受压和受拉承载力相当，因此大量用于锚杆、风电基础等。
但螺纹锚杆桩缺点亦非常明显：(1)焊缝易受地下水腐蚀；(2)无法接桩，单桩承载力受到桩长限制；(3)硬粘土、密实砂土层、风化岩等土层中难以成桩；(4)造价昂贵。
1.2 Screw Pile[4]Screw Pile在沉管灌注桩技术的基础上研发而来，采用带有螺纹桩身的混凝土预制桩尖，钢筋笼底部锚固在桩尖内（如图1.2.1），另有一个外壁焊有数圈螺纹叶片的钢套管，其施工步骤如下：(1)将钢筋笼插入螺纹钢套管，吊装，对准桩位；(2)钻至设计深度后，在螺纹钢套管中灌入混凝土；(3)混凝土到达一定高度后开始拔管，同时反向旋转并振动，拔管过程中应保证混凝土高度，螺纹钢套管拔离地面后成桩结束。
图1.2.1 预制桩尖式Screw Pile施工过程中容易因混凝土预制桩尖破碎、堵住钢套管而形成“吊脚桩”，Screw Pile技术逐渐用钻头代替预制桩尖，钢套管相应改变为双层钢套管，其施工步骤如下（如图1.2.2）：(1)将钻头插入螺纹钢套管，整体旋钻入土，钻至设计深度后将钻头提出螺纹钢套管；(2)另备一根直径略小于螺纹钢套管内径的内套管，在内套管中预先置入钢筋笼，钢筋笼底部焊有一块端板卡住套管口，将内套管伸入螺纹钢套管直至桩端，灌注混凝土；(3)混凝土到达一定高度后开始振动拔内套管，将混凝土振捣密实直至内套管提离地面；(4)拔螺纹钢套管，同时反向旋转并振动，拔管过程中应保证混凝土高度，螺纹钢套管拔离地面后成桩结束。
图1.2.2 钻头型Screw Pile成桩工法示意图Screw Pile从理论上解决了螺纹锚杆桩的多数缺点：(1)用混凝土包裹钢筋笼，不易受地下水腐蚀；(2)无需接桩；(3)造价相对低廉。
但Screw Pile没有解决螺纹锚杆桩的土层适应性问题，在硬土层、岩层中难以成桩，Screw Pile还具备沉管灌注桩的缺点：振动明显、噪音大、易缩径或断桩等，因此Screw Pile 并未得到广泛应用。
1.3 ATLAS桩[5]ATLAS桩是德国于20世纪90年代开发的一种全螺纹现浇灌注桩技术，桩内径为360~560mm，螺纹宽度一般为50mm。
钻杆为等径钢管，底部有类似鼓槌的扩大头。
扩大头侧面有一圈螺纹叶片，下部开口用于连接预制桩尖。
ATLAS桩施工工法如下（如图1.3.2）：(1)钻具扩大头与预制桩尖连接后，对准桩位顺时针旋转下钻；(2)钻至设计标高后，通过钻具内空腔置入钢筋笼；(3)钻具逆时针旋转提升，提升时利用料斗通过钻具内空腔灌入混凝土；(4)灌注完成，第二次置入钢筋笼，成桩完成。
图1.3.1 带螺纹叶片的钻具扩大头图1.3.2 ATLAS桩成桩工法示意图图1.3.3 ATLAS桩ATLAS桩在可塑到硬塑粘土中可形成间距约100mm、端部较尖的桩身螺纹。
与Screw Pile相比，ATLAS桩振动和噪音较小，缩径和断桩可能性降低，但仍存在以下问题：(1)土层适应性较差，钻具对桩孔无护壁作用，在砂石土中易塌孔、埋钻；(2)钢制预制桩尖不符合我国国情，如改用混凝土桩尖，下钻遇硬夹层时桩尖易破损并卡在钻具内。
ATLAS桩的钻杆与扩大头1.4 技术小结螺纹锚杆桩、Screw Pile和A TLAS桩是第一代带有螺纹桩身的异型桩技术的三种典型技术，其共同点可归纳为两点：(1)土层适应性较差，一般只适用于软塑到硬塑粘土；(2) 桩身部分或全部为预制式。
表1.4.1 第一代异型桩典型技术异同2 第二代带有螺纹桩身的异型桩技术2.1 APGD 桩APG 桩（Auger Pressure Grouted Pile ，即螺旋压力灌注桩）是一种钻孔取土灌注桩，在20世纪40年代开始在欧洲得到应用。
20世纪80年代，在APG 桩的基础上衍生出挤土灌注桩技术——APGD 桩（Auger Pressure Grouted Displacement Pile ，即螺旋压力挤土灌注桩），其钻具带有纺锤状扩大头的光壁钢管，扩大头最大直径处以下为正向螺纹叶片，以上为反向螺纹叶片。
其施工工法如下（如图2.1.1）： (1) 正向旋转并加压钻进；(2) 钻至设计深度后，由钻头处的灌浆口或阀门进行压力灌注，灌注料可以是水泥浆或细骨料混凝土；(3) 正向旋转提钻，提钻的同时连续泵送； (4) 置入钢筋笼，成桩结束。
图2.1.1APGD 桩施工工法示意图从成桩工法来看，APGD桩是ATLAS桩的改进桩型，主要为以下几个方面：(1)取消了预制桩尖；(2)扩大头改为阶梯式变化，并在扩大头上部增加了反向螺纹叶片，埋钻的可能性低于ATLAS桩；(3)引入了连续泵送技术，成桩质量更稳定。
APGD桩存在以下几个缺点：(1)没有解决第一代带有螺纹桩身的异型桩的土层适应性问题；(2)钻具扩大头以下部分没有护壁作用，桩端以上部分成桩效果较差，一般采用降低提钻速度、提高充盈系数的方式改善成桩质量，桩端以上桩段的充盈系数可达上部桩段的 1.5倍；(3)承载力不高，成桩质量较不稳定，在Los Angeles对9根APGD（内径约450mm）进行了静载试验，承载力最高为540kip（约合2403kN），最低仅为215kip（约合957kN）。
APGD桩桩身并没有螺纹，但APGD成桩工法是之后的多种带有螺纹桩身的灌注桩工法的雏形。
2.2 SDSP桩SDSP（Screw Discrepile）桩是在荷兰、比利时等欧洲西北部国家广泛应用的一种浅螺纹灌注桩。
SDSP桩成桩工法与APGD桩基本相同，采用的钻具也是带扩大头的钻具，但与APGD桩相比有以下改变，如图2.2.1：(1)扩大头由阶梯式改为橄榄球式；(2)下部正向螺纹叶片的直径略大于扩大头直径。
图2.2.1 SDSP桩钻具橄榄球形扩大头SDSP桩施工工法如图2.2.2，具体如下：(1)对准桩位，准备下钻；(2)钻具顺时针旋转下钻至设计深度；(3)钻具顺时针旋转提钻，同时通过钻具芯管连续泵送混凝土；(4)混凝土泵送结束后，将钢筋笼插入桩身，成桩完成。
图2.2.2 SDSP桩工法步骤图2.2.3 SDSP桩钻具的改变降低了钻进过程中的成孔阻力，所成的SDSP桩桩身带有螺纹，如图2.2.3。
SDSP桩的单桩承载力受限于桩身强度，以内径300mm、外径600mm的SDSP为例，其单桩承载力不超过700kN。
2.3 技术小结APGD桩技术是第二代带有螺纹桩身的异型桩的雏形，SDSP桩是第二代带有螺纹桩身的异型桩的典型技术，其共同点在于：(1)钻具上带有纺锤或橄榄球状扩大头，扩大头下部为正旋螺纹叶片，上部为反旋螺纹叶片；(2)采用连续泵送技术；(3)适用于软塑到硬塑粘土；(4)采用阀门式钻头，取消了预制桩尖。
OMEGA、DE W AAL桩等技术具备上述第1、2点特征，但钻头仍采用预制桩尖，不归入第二代。
国内研发的双向螺旋挤土桩与SDSP桩技术特点和工法步骤相似，在此不予赘述。
表2.3.1 第二代带有螺纹桩身的异型桩典型技术异同3 第三代带有螺纹桩身的异型桩技术3.1 过渡性技术——灌注螺纹桩成桩工艺李波扬在国外螺纹型灌注桩技术的基础上，采用预引孔、再钻孔灌注成桩的技术，提出了一种螺纹型灌注桩的施工方法——灌注全螺纹桩成桩工艺，改良了国外类似技术的护壁效果和土层适应性，由此工艺形成的全螺纹桩其承载力与国外类似桩没有明显区别。
本质上应归类于第二代和第三代技术之间的过渡性技术。
其成桩工艺如图3.1.1，具体如下：(1)预成孔，孔径为灌注螺纹桩外径的30%~60%；(2)采用特殊的长螺纹钻杆顺时针旋转下钻至设计深度；(3)逆时针旋转并提钻，提钻的同时由钻杆内空芯高压泵入细石混凝土或砂浆；(4)钻杆提离地面后，将钢筋笼插入桩身，成桩完成。
[6]图3.1.1 灌注全螺纹桩成桩工艺与国外类似技术相比，灌注螺纹桩成桩工艺有以下特点：(1)钻具护壁并挤扩土体；(2)可在地下水位以上的填土、砂土、粉土、粘土中成孔成桩；(3)二次成桩，即预成孔、后成桩；(4)以螺纹外径为设计直径。