作者：沈保汉   北京市建筑工程研究院

螺旋挤土灌注桩

国外短螺旋挤土灌注桩

非挤土干作业法和泥浆护壁法灌注桩具有低噪声、低振动、能按荷载与地基条件灵活选择桩径与桩长等特点。但存在桩端虚土的测定与处理、排土的处理(干作业灌注桩)、废弃泥浆的处理(泥浆护壁灌注桩)、防止孔壁坍塌方法及桩顶超打混凝土的处理等诸多问题。

随着对桩基础承载能力和环保要求的提高及降低成本的需要，螺旋挤土灌注桩(也可称为拧入式灌注桩)技术得到了广泛关注。在20世纪中后期，西欧开发出了Fundex桩和Atlas桩。到20世纪90年代，出现了新一代螺旋挤土灌注桩，这些新型挤土桩的工作性能更加优越，使用范围也逐渐扩大。其中，较为著名的有比利时的Omega桩和Dewaal桩，英国的TSD System桩，美国的DD桩，德国的FDP桩和澳大利亚的V桩等。经过十多年的发展，各类短螺旋挤土灌注桩技术日益成熟，并具有成本、承载力和环保优势，广泛应用于交通工程、工业与民用建筑工程领域。

短螺旋挤土灌注桩基本原理

在短螺旋挤土灌注桩施工过程中，短螺旋挤扩钻头在钻机扭矩和竖向压力作用下，通过下旋挤扩成孔将桩孔中的土体完全挤入孔周和孔底以下土体，成桩过程中没有土体被排出地表，其成桩机理与非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩完全不同，同时也有别于打入式桩和静压桩及沉管灌注桩和沉管扩底桩。

短螺旋挤土灌注桩三大优势

技术优势  成桩质量可控可靠，桩侧和桩端土体挤扩，桩间土体挤密效应，桩承载力高沉降量小。

成本优势  单方桩体积承载力高，成桩工效高，完全不排土，节省混凝土用量。

环保优势  无泥浆排放污染，无渣土外运，无施工扬尘，不需存土场地，成桩无噪声、无振动，节约混凝土原材料。

在国际上，短螺旋挤土灌注桩被认为是一种质量可靠、成本低廉、环保优良的先进桩型。

短螺旋挤土灌注桩适用范围

适用地层包括淤泥质黏土、黏性土、粉土、砂土、含小砾石黏性土、黄土和强风化土等。对于标贯击数N＞30和静力触探CPT＞10 MPa的地层则需要考虑采用特种成桩工艺。该类工法适用于地下水位埋深较浅的地层，但对于承压水地层和饱和软黏土地层中的施工须进行专门的分析论证。

短螺旋挤土灌注桩基的直径在250～800 mm范围内，为中等直径桩，其最大桩长为30 m。

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短螺旋挤土灌注桩成桩钻机设备

短螺旋挤土灌注桩成桩过程不要求钻机具备复杂的钻杆提升与旋转同步功能，所形成的挤土灌注桩呈圆柱形桩身，且桩身无螺纹。

施工短螺旋挤土灌注桩要求钻机设备具备三项基本性能：动力头能够提供足够大的扭矩；拉压卷扬能够提供足够大的下压力与提升力；主桅杆要有足够的长度。

在工程应用中，短螺旋挤土灌注桩施工钻机一般分为大、中、小3个档次，施工企业通常视工程情况，根据桩的设计直径、成桩深度、地层条件和施工工期参照附表选择适宜的钻机设备，即在满足施工需要的前提下达到节省成本的目的。

短螺旋挤土灌注桩的关键技术在于研发具有最优成孔扭矩的短螺旋挤扩钻头。目前，比利时、德国、意大利、英国、美国和澳大利亚等国家都拥有自己的短螺旋挤扩钻头专利技术。

短螺旋挤土灌注桩举例

Fundex桩  该桩由荷兰Fundex N.V公司研制开发，桩的成孔工艺类似用改锥拧螺丝钉的动作。其成桩原理如下：将下端设置有钢筋混凝土或铸铁或钢板焊制成的螺旋形钻头式桩尖的套管，用液压马达的动力将其拧入土中；在套管旋转过程中，在套管顶部施加轴向压力；将桩尖拧至设计标高，其后在套管内安放钢筋笼，灌注混凝土；当混凝土灌至桩顶，反向旋转套管，将桩尖留在桩端处，然后边拔套管边振动(或反插)，以捣实混凝土。

该桩最大直径为520 mm，最大桩长为30 m。

Atlas桩  该桩由瑞典研制开发，其基本原理为短螺旋钻成孔，成孔过程实施挤密孔壁，故属于不排土桩。在成孔过程中，螺旋钻动力头以大功率带动中空钻杆，将带有短螺旋的单向钻头旋入土中至要求深度。钻杆需传递成孔所要求的大扭矩和向下的压力。成孔后通过中空钻杆将钢筋笼插入，而后从中空钻杆顶部的漏斗中灌入混凝土。当混凝土灌满后，钻杆停转并拔出孔外，形成螺旋挤密灌注桩。

该桩成孔直径为360～560 mm，最大成桩深度为22 m。

螺旋钻孔带锥形钻头挤压成孔法  该成孔工艺由前苏联第聂伯罗彼得罗夫斯克建筑工程学院研制开发，简称为ДИCИ工法。该工法采用螺旋钻机钻孔，钻进时利用螺旋钻机产生的径向力带动锥形钻头连续地挤压孔壁土而不排土，使孔壁周围形成密实土层。成孔后可采用不同方法对地基进行深层加固或挤密。在对地基深层挤密时，用粒状松散材料填入孔内后成桩；而对地基深层加固时，用可凝固硬化材料(如混凝土等)填入孔内后成桩。

FDP桩(Full Displacement Pile)  该桩是由德国宝峨公司研制开发的。其成桩原理是借助大型钻机的扭矩和给进力把挤土钻具先钻入土层中，然后再灌注混凝土。FDP工法的关键技术是应用双向螺旋封闭挤扩钻头在成孔过程中对桩孔实施两次有效挤扩，将桩孔中土体全部挤入桩周土体。两次桩孔挤扩工艺的主要特征是：钻进(土体被起始处的螺旋钻头破碎，被螺旋叶片向上输送)；挤密(中空的锥形体可以对螺旋叶片输送上来的土体产生水平方向的挤压力)；稳定(圆柱形的挤土体用于稳定挤过的土体)；起拔过程中二次挤压(位于锥形挤土体上的反向螺旋叶片在起拔钻具的时候二次挤密疏松的土体)。

中国京冶双向螺旋挤土灌注桩(中国京冶SDS桩)

中国京冶工程技术有限公司开展了双向螺旋挤土灌注桩新技术研发工作。通过理论研究、模型试验、数值仿真、钻具与钻机研制及现场载荷试验，掌握了这种新型桩基的核心技术，并开发出具有自主知识产权的双向螺旋挤土灌注桩及其工法(Soil Displacement Screw Pile，简称SDS桩，其工法称为SDSP工法)。

国外螺旋挤土灌注桩施工钻机设备性能与基本技术参数表

中国京冶SDS桩三项关键技术

双向螺旋封闭挤扩钻头  该钻头从下至上由钻尖、下螺旋挤扩体、封闭挤扩体和动密封挤扩体4部分构成，能够满足双向螺旋挤土灌注桩的基本施工要求。

双向螺旋挤土桩施工钻机  中联重科研制的ZR200A型钻机采用大三角支撑和变幅设计，并安装拉压卷扬系统，额定功率213 kW，最大输出扭矩200 kN·m，最大下压力200 kN，最大起拔力600 kN，最大钻深24 m，整机质量68 000 kg，采用履带行走方式。该钻机可钻性判断指标建议为：标准贯入击数N＜30，静力触探比贯入阻力CPT＜10 MPa。

山东卓力桩机有限公司研制了多种型号的螺旋挤土灌注桩施工钻机(90型、120型和180型)，该钻机采用大三角支撑设计，装备索式拉压卷扬系统，配备2×55 kW和2×75 kW动力头，最大输出扭矩为250～350 kN·m，最大钻深33 m，整机质量80 000～120 000 kg，采用履带行走方式。该钻机可钻性判断指标建议为：标准贯入击数N＜35，静力触探比贯入阻力CPT＜15 MPa。

双向螺旋挤土桩施工工法(SDSP工法)  该工法与螺纹灌注桩和螺杆灌注桩(见本技术讲座第九讲)施工方法完全不同。在成桩过程中，SDSP新工法不要求施工钻机具备复杂的同步功能，该工法在钻头下旋钻进成孔与上旋提升灌注过程中，双向螺旋挤扩钻头保持单方向旋转，完全不排土，所形成的挤土灌注桩呈圆柱形，桩身无螺纹。

中国京冶SDS桩施工工艺

施工程序   SDS桩施工顺序见附图。

中国京冶SDS桩施工程序示意图

①钻机就位，钻头对准桩位，附图（a）。②启动钻机动力头和加压卷扬机，对钻杆和双向螺旋挤扩钻头施加顺时针方向的扭矩和竖向压力，将钻头下旋钻进成孔至设计深度，附图（b）。③通过钻机动力头和提升卷扬机，对钻杆和双向螺旋挤扩钻头施加顺时针方向的扭矩和竖向拉力，将钻头稳步上旋提升至地表，在此过程中启动混凝土泵，通过中空钻杆和钻头对桩孔进行桩材压灌至桩顶设计标高以上，附图（c）。④通过震动器将钢筋笼振入SDS桩中，完成SDS桩施工，附图（d）和（e）。

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施工特点  中国京冶SDSP新工法的关键工艺是应用双向螺旋封闭挤扩钻头在成孔与灌注过程中对桩孔实施3次有效挤扩，确保将桩孔中土体全部挤入桩周土体。SDSP新工法的三步桩孔挤扩工艺的主要特征是：①桩孔机械挤扩成孔：在钻头下旋钻进成孔过程中，下螺旋挤扩体和封闭挤扩体将桩孔中的土体挤压入桩孔侧壁土体中，按设计桩径完成挤土成孔。②桩孔机械挤压护孔：在钻头上旋提升过程中，动密封挤扩体和封闭挤扩体对已钻桩孔再次挤扩，使钻头上部少量坍落土体和局部缩径被重新挤压入桩孔侧壁土体中，使桩孔维持设计桩径。③桩孔压力灌注挤扩：在钻头上旋提升灌注过程中，利用混凝土泵的泵压，通过压灌桩材实施第三次桩孔挤扩，并同时完成桩身混凝土灌注。

施工要点

钻机使用要点  ①施工场地应平坦，地面坡度应小于3%，地面承载力应满足施工钻机接地压力的要求，如果不满足要求时应在施工场地铺设钢板、路基板或垫层。②施工钻机装备的动力等级、双向螺旋挤扩钻头的直径、钻杆长度和主动钻杆长度应根据桩基设计要求和施工场地工程、水文地质条件确定。③钻机使用前应认真检查制动、滑轮和钢丝绳是否安全可靠，防护装置是否齐全，各部螺钉、销栓有无松动、磨损或间隙过大情况，润滑是否良好，操作杆是否灵敏，发动机是否正常，仪表指针是否在正常范围内，经试运转合格后， 可正式进行钻机操作。

混凝土配合比要点  ①根据桩身混凝土的设计强度等级，通过试验确定混凝土配合比；混凝土坍落度以180～220mm为宜，且不得低于160 mm。②混凝土所用水泥、水、骨料、外加剂等原材料应符合桩基工程设计要求和相应技术标准规定，并具备原材料合格证书和检验报告。③混凝土配合比应使混凝土具有足够的和易性(包括内聚性、保水性和流动性)，易于在输送管道中流动，且不离析，混凝土配合比应根据设计要求通过试验确定。④水泥宜采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥宜用P.042.5强度等级，水泥用量不宜少于300 kg/m3。⑤细骨料应选用级配合理、质地坚硬、粒料洁净的中粗砂，含砂率应控制在40%～50%，也可掺加适量的粉煤灰，以使混凝土具有良好的流动性。⑥粗骨料宜选用洁净、坚硬的卵石或碎石，其最大粒径不得大于25 mm，且不得大于钢筋间最小净距的1/3。⑦为改善和易性和缓凝效果，混凝土宜掺入外加剂，常用外加剂为泵送剂和缓凝剂，缓凝时间宜控制在6～8 h。

成孔要点  ①钻机就位后，应将钻杆调整竖直，并将双向螺旋挤扩钻具中心对准桩位木桩，再利用4个桩位控制点校核桩位，钻头中心与桩位点偏差不得大于20 mm。②钻机就位后必须平正、稳固，确保在成孔施工过程中不发生倾斜、移动。③在钻机钻进成孔过程中，钻机操作手应根据钻机主桅杆倾斜信息及时修正钻杆垂直度。④在钻机钻进成孔过程中，须对双向螺旋挤扩钻具施加单方向扭矩(如顺时针方向)和轴向压力。⑤在钻机钻进成孔过程中，如遇到卡钻、钻机摇晃、偏斜或发生异常声响时，必须立即停钻，在查明原因，采取相应措施后方可继续钻进成孔作业。

混凝土灌注要点  ①混凝土泵型号应根据桩径大小进行选择，且泵送能力不宜小于40 m3/h，混凝土输送泵管布设宜减少弯道，保持水平，并将泵管下面垫实，混凝土泵与钻机的距离不宜超过60 m。②混凝土泵送开始前，必须检查泵送混凝土的塌落度，塌落度宜采用180～220 mm，且不得低于160 mm。③钻机成孔至设计深度后，应先将混凝土泵入钻具混凝土芯管中，当泵管最高端泵压达到100～150 kPa时，开始缓慢旋转提升钻具，同时压灌混凝土，桩身混凝土上的泵送压灌要求连续进行，提钻速度应根据地层条件进行调整，对于淤泥或淤泥质土地层以及具有承压水地层，应适当放慢提钻速度，遇到具有承压水的粉细砂地层时，混凝土压灌必须采取多泵少提的措施，并保持钻杆内充满混凝土。④在混凝土连续压灌过程中，必须对螺旋挤扩钻具施加与钻进成孔过程中同方向扭矩(如顺时针方向)和轴向提拉力，双向螺旋挤扩钻具宜以10～15 r/min转速和1.0～2.5 m/min的上提速度逐渐旋转上提，并须与混凝土泵送量相匹配，在混凝土泵送过程中，泵管最高端泵压应保持在50～100 kPa，当钻尖距地表1.5 m左右时可以停止混凝土压灌，并由钻具混凝土芯管中剩余混凝土继续进行桩孔灌注。⑤在混凝土中心压灌开始后，混凝土必须保持连续有压灌注，直至完成整根桩的混凝土灌注。⑥桩顶混凝土超灌高度不宜小于0.3 m，桩的混凝土充盈系数宜为1.05～1.10。⑦在混凝土压灌工作完成后，应及时清除钻具、钻杆及泵管内的残留混凝土，长时间停置时，应采用清水将钻具、钻杆、泵管和混凝土泵清洗干净。

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钢筋笼插放要点  ①桩身混凝土压灌工序结束后，应立即插放钢筋笼。②钢筋笼的插放工作可以利用钻机副卷扬机、起重机与钢筋笼振动插放装置配合进行。③钢筋笼振动插放装置可由低频率、大能量振动锤和传力导杆组成，传力导杆的直径和长度应根据钢筋笼的长度确定，振动插放工艺应进行试验以保证钢筋笼能够插放到设计深度且混凝土不离析。④如遇特殊情况，在采取相关施工措施后钢筋笼仍不能沉放至底部设计标高时，应经设计人员同意后采取其他措施。⑤钢筋笼插放工作完成后，宜对桩身顶部混凝土进行振捣。

施工注意事项

钻机施工注意事项  ①钻机安装拆卸时，主机必须停放在坚实平坦的场地上，不得倾斜。②钻机和钻具安装拆卸前，应仔细检查发动机、卷扬机、制动装置、钢丝绳、牵引绳、滑轮及各部轴销、螺栓和管路接头是否完好可靠，钻杆和钻头是否有弯曲损伤。③各部卷扬钢丝绳应处于油膜状态，防止硬性摩擦，钢丝绳的使用及报废标准须按国家有关规定执行。④钻机行走移动时，应将钻头提离地面200 mm以上，并注意清除地面障碍物。⑤钻机就位后，必须平正、稳固，确保在成孔过程中不发生倾斜和偏移。⑥当钻机需要在施工场区长时间停机时，应将钻头钻入土中至少1 m，并切断全部动力源和电源。⑦遇有大雨、大雪、大雾和6级以上大风等恶劣天气时，钻机应停止作业，当风力超过7级时，应将钻机顺风向停置，将钻头钻入土中至少2 m，使其制动良好，并切断全部动力源和电源。⑧在雷电天气条件下，钻机须停止作业。

钻进成孔注意事项  ①双向螺旋挤扩钻头主体与螺旋叶片的表面应采用高硬度焊条焊出网状或条形耐磨条纹，也可以在双向螺旋挤扩钻头主体与螺旋叶片外侧边镶焊合金条或合金块；②双向螺旋挤扩钻头的钻尖与钻齿的选择应根据设计桩径、土层分布与种类、软硬程度以及钻进成孔程序选用，钻尖可以采用连接式钻尖或分离式钻尖；③双向螺旋挤扩钻头的钻齿宜选用合金钢钻齿.④双向螺旋挤扩钻头的连接式钻尖底部活门应设有防止进水的构造措施。

混凝土灌注注意事项  ①螺旋挤扩钻具提至孔口时，应采取措施防止在沉放钢筋笼之前有土体掉入桩体混凝土内。②当钻机移位时，混凝土泵料斗内的混凝土应连续搅拌，泵送混凝土时，料斗内混凝土的高度不得低于400 mm。③夏季施工气温高于30 ℃时，应在输送泵管上方覆盖隔热材料，每隔一段时间应洒水降温。④冬季施工时，应在输送泵管周围包裹保温材料。⑤在混凝土压灌成桩施工过程中，应控制成桩顺序与速度，并应观测正在施工的桩对已完成桩的影响，防止窜孔现象以及负面挤土效应发生。

钢筋笼插放注意事项  ①在钢筋笼搬运、吊装和插放过程中，应采取措施防止钢筋笼弯曲、扭转变形。②在吊放钢筋笼时，应将振动插放装置的传力导杆穿入钢筋笼内一同吊放，钢筋笼沉入桩身混凝土后先依靠自重下沉，如钢筋笼下沉缓慢或停顿时，可启动振动锤通过传力导杆振动插放，并用水准仪监控钢筋笼顶部设计标高。

成桩保护及桩头剔凿的注意事项  ①成桩工作完成后，桩顶应覆盖草帘或编织袋对混凝土进行养护，待桩身混凝土强度达到40%之后，方可开槽并剔除桩头混凝土至桩顶设计标高。②在冬季施工中，桩头须用水泥袋和岩棉被覆盖，待桩身混凝土接近终凝时，在其上覆盖400～500 mm厚松土保温防冻。③用钢钎或风镐凿除高于桩顶设计标高的桩头混凝土时应从四周向中间逐步均匀剔除，避免造成桩体损伤。④在桩头剔凿施工过程中，应设专人监测并做好施工记录，记录要求准确、及时并真实反映实际施工情况。⑤桩头剔凿至桩顶设计标高后，应将桩头修凿平整、凿毛并清理干净。

中国京冶SDSP工法在含饱和软弱黏土地基处理中的应用

问题的提出

由于SDS桩属于完全挤土型桩，在饱和软弱黏土地层成桩过程中，其侧向挤土效应引发的侧向挤压力，会使桩周超孔隙压力陡然增加，因此，在饱和软弱黏土地层的施工过程中可能会出现下列问题：在已有建、构筑物附近施工时，可能会引起地面开裂，地面隆起，周边管线开裂，建、构筑物受损；当桩间距较小时，施工产生的负面挤土效应会导致已经施工结束的工程桩发生偏移及倾斜，甚至出现上浮和断桩现象。

主要思路是：将排水固结传统方法和SDSP工法相结合，发挥这两种技术各自的优势，从而形成一种新型的适用于含饱和软弱软黏土地层的复合地基处理方法。

解决方案的主要思路与目的

方案的目的在于提供一种增加SDS桩桩周饱和黏性土的排水固结速率，快速提高桩周及桩下土体的强度，大幅度减少工后沉降和工后沉降差，增加SDS桩的有效性和使用范围，较大幅度地加大SDS桩间距、减少SDS桩数、节省工程投资、加快施工进度，在饱和软弱黏土地层宜采用SDS桩的地基处理新方法。

责任编辑：Eason