长螺旋钻孔灌注桩在复杂地层中的应用研究

一、前言

CFG桩复合地基技术是20 世纪80 年代由中国建筑科学研究院立题进行试验研究,1992 年通过建设部部级鉴定,1994 年被建设部列为全国重点推广项目,1995 年被国家科委列为国家级全国重点推广项目,已在全国十几个省市尤其是北京、河北地区广泛应用,且已成功应用到20 层～30 层的高层建筑中,是一种较为成熟的地基处理工艺。长螺旋钻孔灌注桩工法是在水泥粉煤灰碎石桩(即CFG 桩) 的基础上改进的一种刚性桩，由日本的CIP工法演变而来的。它借鉴了CFG的施工工艺,将其运用到钢筋混凝土桩基中,既继承了CFG桩工艺具有的施工速度快、质量容易控制、没有振动和泥浆污染的优点,又发扬了钢筋混凝土钻孔灌注桩桩身强度高、单桩承载力大的特点。它与普通钻孔桩不同，利用长螺旋钻机钻孔至设计深度，在提钻的同时利用混凝土泵通过泵管、钻杆中心通道，从钻头活门向孔内以一定压力连续将超流态混凝土压至桩孔中，混凝土由桩底向上进行灌注，并随时清除桩周泥土，混凝土灌注到设定标高后，再借助钢筋笼自重或专用振动设备将钢筋笼插入混凝土中至设计标高，形成的钢筋混凝土灌注桩，是一种新型的桩基础施工手段。长螺旋钻孔灌注桩应用广泛，成孔不用泥浆或套管护壁，不受地下水位限制，所用混凝土流动性强，连续性好，骨料分散性好，所用螺旋钻机即可钻孔又可压灌混凝土，钻孔可入强风化岩，桩底无沉渣，操作简便，混凝土灌注速度快，成桩质量好，降低造价。是2005年建设部推广的十大技术之一。

二、长螺旋钻孔灌注桩的主要设备

采用CFG步履式系列或其他长螺旋钻

机，带硬质合金钻头。另配混凝土拌制、泵送

设备。

二、长螺旋钻孔灌注桩的特点

目前，灌注桩常用的施工工艺有振动沉管灌注桩、泥浆护壁钻(冲)孔灌注桩、人工挖孔灌注桩等。传统灌注桩施工工艺存在着效率低、成本高、振动及噪声大、泥浆或水泥浆污染、成桩质量不够稳定等因素。振动沉管灌注桩在密实的砂、砾石土层中难以穿越，在饱和软弱土层中成桩时，往往会因挤土造成土体隆起，单桩承载力下降，桩身也常出现缩径、断桩等现象，给工程造成一定隐患；泥浆护壁钻(冲)孔灌注桩由于采用泥浆护壁，在施工中会产生大量泥浆，造成现场的泥浆污染，采用正、反循环钻孔成孔效率低，由于采用泥浆护壁工艺，其桩周泥皮及桩底沉渣难以完全清除而影响单桩承载力；人工挖孔灌注桩施工受场地工程地质条件限制，且施工中存在着一定的安全隐患。

长螺旋钻孔灌注桩与普通沉管灌注桩及钻孔灌注桩不同，长螺旋钻孔法是用一种大扭矩动力头带动的长螺旋中空钻杆快速干钻法，钻孔中的土除一部分被挤压外大部分被输送到螺旋钻杆叶片上，土在上升时被挤压致密与钻杆形成一土柱，土柱与钻孔问隙仅几毫米，类似于一个长活塞，土柱使钻孔在提钻前不坍塌。即使在有地下水的地层，因土柱与钻孔间隙小，钻孔速度快，钻孔内渗出并积存的水很少，因此孔内不会坍塌。长螺旋钻孔灌注桩主要有以下的特点：

(1) 长螺旋钻孔灌注桩施工工艺属于环保型工艺。长螺旋钻孔灌注桩施工由于机械使用电力，依靠螺旋钻具切削土层干作业成孔,无振动,低噪音,低污染, 无需泥浆护壁，不排污，挤土效应小,对周围建设物基础无影响，可适用于市区施工。 (2)成桩速度快。长螺旋桩机是一种一机多能的新型钻机设备,底盘采用全液压步履式行走,液压马达驱动360°回转,移孔就位快捷准确,自动化程度高,操作简便,动力大(功率90kW 以上) , 成孔工艺简单，成孔速度快,长螺旋一天可成桩7—9根。正常情况下，每根桩成孔、灌混凝土只需45分钟左右，钢筋笼下放顺利的话前后总计成桩1根不会超过1个半小时。（3）成桩质量好，承载力高。钻具提升速度与混凝土泵送量相匹配,再加上振送钢筋笼过程中对混凝土的振密作用, 桩身混凝土与周围土层紧密结合，不会产生断桩、缩径、塌孔、桩壁泥皮和孔底沉渣等施工通病，并对桩孔周围土有渗透、挤密作用。因此桩身混凝土完整,同时还伴有局部膨胀扩径现象，桩身实测直径一般比设计直径大10 %以上，而连续压灌超流态混凝土护壁成孔, 对桩孔周围的土有渗透、挤密作用, 提高了桩周土的侧摩阻力, 大幅度提高了桩的承载能力，使桩体具有较强的承载力、抗拔力、抗水平力, 变型小, 稳定性好。。大量工程静载试验证明，其单桩承载力是普通泥浆护壁钻孔桩的1.5~2.0倍。（4）综合效益性好。机械投入少，钻机可直接吊入钢筋笼, 节省了吊车台班, 减少了大型机械的投入量；成桩速度快,工期短,而且,承载力高,桩径变化可大可小,一般为350mm ~600mm ,这样特别适合多层及小高层建设物,充分发挥桩基承台、土共同作用,有效控制桩基承台混凝土用量, 因此综合工程造价低, 与其他桩型相比比较低廉，有明显的经济效益和社会效益。

(3)施工中不需降水、泥浆制备和排污，综合效益较好。(4)长螺旋钻孔桩下放钢筋笼使用送笼器，比夯扩桩钢筋笼标高容易控制。(5)夯扩桩属于端承桩，易受长桩效应影响；长螺旋属于摩擦桩，不受长桩效应影响。(6)由于高压注浆，对周围地层有渗透加同作用，可解决断桩、缩径、桩底虚土等问题，还有局部膨胀扩径作用，提高承载力。(7)夯扩桩遇巾问有硬夹层，沉管困难；若遇承压水层，成桩也比较【土4难。

1．长螺旋灌注桩是一种新工艺，其施工优点也明显可

见，比如无需泥浆护壁，减少污染，成孔质量好。相对传统水

钻施工工艺，施工速度快。水钻法一天只能成桩3根左右，而

长螺旋一天可成桩7—9根。正常情况下，每根桩成孔、灌混

凝土只需45分钟左右，钢筋笼下放顺利的话前后总计成桩1

根不会超过1个半小时，但下放不畅的话可能要2小时以上，

甚至导致废桩。

2．长螺旋灌注桩施工在我国北方地区比较普遍，优势明

显，因为北方地区土质情况较好，地下水位较低，长螺旋施工

中受地下水位影响不大。而在南方地区由于砂层地质较多，

地下水位较高，长螺旋施工受砂层孔隙水压力影响较大，容易

产生缩径，造成钢筋笼下放困难，我个人认为在南方地区并不

是很适合。

3．长螺旋灌注桩在苏州地区也有使用，但基本上成功的

多用于基坑围护桩施工，相对而言，围护桩桩身不需要太长。

一般在20m以内，而且因为桩顶多在地表附近，其桩底深度

也不会太深，满足支护要求即可。而工程桩则承载力较大，桩

身基本都在25m以上，且一般工程都有地下室，桩底标高较

深，势必要穿过多个砂层，由于砂层的孔隙水压力大，从而造

成钢筋笼下放困难，导致成桩质量问题。笔者认为长螺旋在

多砂层孔隙水压力较大地区不宜作工程桩工艺使用。

4．长螺旋施工中，主要是钢筋笼下放问题，钢筋笼在混

凝土中沉放，就要求混凝土塌落度要大，基本上要在2O以上。

5．长螺旋施工中必须要有效控制充盈系数。由于长螺

旋施工是边提钻，边灌混凝土，因此混凝土是有压力的，这是 因为确保孔径的需要。要控制好充盈系数，就必须很好地掌

握混凝土泵送灌注压力。

6． 由于每个地质土层的水压渗透系数及土的粘结力不

同，经过每个不同的土层时，压力要有所区别，如在砂层中，孔

隙水压力较大，就必须有足够的混凝土压力防止缩径，因而会

造成充盈系数过大。如果在粘土层中就好得多，这也是北方

地区使用比南方地区多的一个因素。

(1) 承载力高。该成桩工艺决定了其桩身类似

于糖葫芦状, 充盈系数比其他桩型大(均大于1.

30) 。可全桩长发挥桩侧摩阻力,同时有效地利用桩

身上下各部分土层。

(2) 桩身质量稳定。本桩型施工艺简单,钻具提

升速度与混凝土泵送量相匹配,再加上振送钢筋笼

过程中对混凝土的振密作用,因此桩身混凝土完整,

桩身实测直径一般比设计直径大10 %以上。

(3) 施工速度快。长螺旋桩机是一种一机多能

的新型钻机设备,底盘采用全液压步履式行走,液压

马达驱动360°回转,移孔就位快捷准确,自动化程

度高,操作简便,动力大(功率90kW 以上) ,成孔速

度快, 对于一般土层, 若孔深20. 0m 左右, 桩径

400mm ,那么每台桩机每天可施工20 —30 根桩。

(4) 环保型工艺。长螺旋钻孔压灌混凝土桩由

于依靠螺旋钻具切削土层干作业成孔,无振动,低噪

音,低污染,挤土效应小,对周围建设物基础无影响。

(5) 经济性。长螺旋钻孔压灌混凝土桩成桩速

度快,工期短,而且,承载力高,桩径变化可大可小,

一般为<350mm - <600mm ,这样特别适合多层及小

高层建设物,充分发挥桩基承台、土共同作用,有效

控制桩基承台混凝土用量,因此综合工程造价低,有

明显的经济效益和社会效益。

主要特点

(1)超流态混凝土流动性好，石子能

在混凝土中悬浮而不会下沉产生离析，放人

钢筋笼容易；

(2)桩尖无虚土，防止了钻(冲)孔

灌注桩往往清底不干净的缺点；

(3)桩身成桩质量较好，不会产生断

桩、缩径、塌孔等施工通病；

(4)穿越硬土层能力强，单桩承载力高；

(5)施工中不会产生挤土现象，且无

振动、噪音低，无需泥浆护壁，不排污，施

工现场文明。

(1) 适应性强: 如1 中所述, 特别是在有缩