袁志仁，郭素菊

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.長(zhǎng)春綠地綠洋置業(yè)有限公司，長(zhǎng)春 130021)

螺桿樁在綠地中央廣場(chǎng)項(xiàng)目地下室抗浮中的應(yīng)用

袁志仁1，郭素菊2

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.長(zhǎng)春綠地綠洋置業(yè)有限公司，長(zhǎng)春 130021)

通過工程實(shí)例介紹了螺桿樁在地下室抗浮中的應(yīng)用，螺桿樁在均勻的黏性土層內(nèi)具有良好的抗拔承載力，在底板沉降較小的前提下，抗拔樁采用板跨中布置的方式可顯著減小底板的內(nèi)力和變形，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

螺桿樁；抗拔；地下室抗浮

螺桿樁是一種具有很高實(shí)用價(jià)值的樁型。現(xiàn)澆螺桿樁是在施工過程中采用樁機(jī)鉆具旋轉(zhuǎn)擠壓土體，鉆孔完成后不提鉆，利用鉆桿中空管泵壓超流態(tài)砼，后插入鋼筋籠成樁。螺桿樁采用了變截面的構(gòu)造形狀，成孔過程中樁側(cè)土體受到鉆具螺紋擠壓、加密，成樁后部分土體形成螺紋，而樁側(cè)土體形成螺母，壓力灌注超流態(tài)混凝土工藝使樁體螺紋與樁側(cè)土螺母緊密咬合。螺桿樁樁身螺紋段與土體的咬合作用，使得土體應(yīng)力擴(kuò)散角增大，樁端荷載分擔(dān)比減小，整體承載力提高。樁機(jī)獨(dú)有的同步控制技術(shù)形成螺紋樁身，鉆具對(duì)樁周土體具有適當(dāng)?shù)臄D密效應(yīng)，提高了樁周土的側(cè)摩阻力和端承力。樁身形狀示意如圖1。

圖1 螺桿樁身形狀示意

螺桿樁與打入式預(yù)制樁相比，施工噪音低，無振動(dòng)，對(duì)已施工的樁無影響；與泥漿護(hù)壁鉆孔成樁的灌注樁相比，無泥漿污染和棄土問題。具有強(qiáng)度高、工期短、功效高、沉降小、不取土、無泥漿污染、施工及成樁質(zhì)量不受地下水影響、適應(yīng)多種土層等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍較廣。與其他類型樁相比，工程造價(jià)也有優(yōu)勢(shì)。螺桿樁多用于承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)豎向壓力，本文介紹了其在長(zhǎng)春綠地·中央廣場(chǎng)項(xiàng)目地下室抗浮中的應(yīng)用。

1 工程簡(jiǎn)介

綠地·中央廣場(chǎng)項(xiàng)目設(shè)2層地下室，平時(shí)為停車庫(kù)，戰(zhàn)時(shí)為核6級(jí)常6級(jí)人員掩蔽所，地上有多棟相互獨(dú)立的3～4層的餐飲、商業(yè)用房。地下室頂部覆土厚度1.7 m，地下一、二層層高分別為4.2 m和3.5 m，地下室底板上皮標(biāo)高為-9.850 m(相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高228.8 m)，根據(jù)地勘提供條件，抗浮水位為236.80 m，略高于地下室頂板標(biāo)高236.50 m。地下室剖面示意圖如圖2所示。底板以下土層性質(zhì)及分層見表1。

圖2 地下室剖面示意圖

2 抗浮驗(yàn)算

抗浮驗(yàn)算時(shí)高出地下室頂板的水位可不計(jì)入水浮力(計(jì)算底板水壓力時(shí)應(yīng)計(jì)入)，則地下水浮力為 81.5 kPa，相應(yīng)地頂板覆土在地下水位以下的部分應(yīng)按浮重度計(jì)算抗浮荷載?？紤]地下室結(jié)構(gòu)自重及頂板覆土的抗浮荷載為57 kPa，地下室頂部有上部結(jié)構(gòu)時(shí)無覆土荷載，實(shí)際計(jì)算兩者自重相差不大，按無上部結(jié)構(gòu)同等計(jì)算抗浮荷載。整體抗浮驗(yàn)算：0.95×57-81.5=-27.35 kPa<0，不滿足整體抗浮驗(yàn)算的要求。需采取抗浮措施。

3 選擇抗浮方案

由于自重與水浮力相差較大，壓重抗浮因造價(jià)高在本工程中不適用。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，抗浮樁和抗浮錨桿均為可行的抗浮措施。抗浮錨桿一般錨固于堅(jiān)硬的巖層中，當(dāng)?shù)叵率业装迮R近堅(jiān)硬巖層時(shí)較經(jīng)濟(jì)。本工程底板下仍有10多m的黏性土才能達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化—中風(fēng)化泥巖，錨桿長(zhǎng)度大，不經(jīng)濟(jì)?？垢犊衫闷鋫?cè)摩阻力，將樁身置于黏性土層中，樁長(zhǎng)可根據(jù)需要的承載力及樁工機(jī)械等條件綜合確定，能夠達(dá)到合理的經(jīng)濟(jì)性，技術(shù)可行且施工方便。故抗浮樁方案成為首選。

3.1 抗拔樁型對(duì)比

可用的樁型有預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁、螺桿樁和長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)混凝土樁。

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁因其樁身抗拉強(qiáng)度較低，且樁側(cè)光滑，故一般抗拔承載力較低。多用于抗浮承載力要求不高，且施工方便(如主體為管樁而局部地庫(kù)抗浮不足)的場(chǎng)合。本工程因底板下地基土承載力較高，而地上主體層數(shù)少，基底壓力小，整個(gè)項(xiàng)目均無需樁基礎(chǔ)承擔(dān)豎向荷載，且地下室已經(jīng)開挖完畢，管樁設(shè)備就位有一定難度，故管樁作為抗拔樁在本項(xiàng)目中施工并不方便。

螺桿樁作為抗拔樁，當(dāng)樁頂受荷時(shí)，螺紋段的樁側(cè)土“螺母”受到壓縮，環(huán)狀“螺母”的根部受到剪切，樁的承載力由直桿段的側(cè)阻力(摩阻力)和螺紋段的抗剪強(qiáng)度組成，而螺紋段的抗剪承載力大于同等條件下的側(cè)阻力，這一有利因素調(diào)整了土與樁之間的相互作用，樁側(cè)土體應(yīng)力分?jǐn)偙燃皯?yīng)力擴(kuò)散度提高，樁下部荷載減少。該項(xiàng)目地下室底板以下樁側(cè)土層均為黏性土，且均為可塑硬塑狀態(tài)，易于實(shí)現(xiàn)螺桿樁擠壓成型，使樁身受到的拉力快速擴(kuò)散到周圍土體中，在樁長(zhǎng)不大時(shí)即可獲得較大的抗拔承載力。

長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)混凝土樁施工工藝與螺桿樁差別不大，但樁身表面比較平整，與周圍土體的側(cè)摩阻力通過壓灌工藝使混凝土嵌入或滲入土顆粒而提高，故在砂層內(nèi)承載力較高。該項(xiàng)目地下土層均為黏性土，難以發(fā)揮其側(cè)摩阻力提高的優(yōu)勢(shì)，故單樁抗拔承載力并不高。表1為長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁與螺桿樁抗拔時(shí)的計(jì)算參數(shù)。

表1 土層分布及抗拔樁計(jì)算參數(shù)

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

整個(gè)地庫(kù)所需抗浮設(shè)計(jì)的面積為11 000 m2，所需總抗浮力為10 600×27.35=289 910 kN。所有抗浮樁均以利用系數(shù)0.9折算，以螺桿樁為例，所需的總樁數(shù)為289 910/(0.9×550)=585根。根據(jù)各種樁型每延米的單價(jià)(估算值)以及樁數(shù)、樁長(zhǎng)，可以得到每種方案的總價(jià)估算值，具體見表2。

從表2的數(shù)據(jù)來看，螺桿樁綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)略占優(yōu)勢(shì)。實(shí)際工程采用螺桿樁方案抗浮，在樁身配筋方面為進(jìn)一步節(jié)約工程造價(jià)，考慮樁身應(yīng)力分布沿長(zhǎng)度方向變化比較均勻，且實(shí)際土層上層承載力比較高，采取分段配筋方案，樁身配置16根HRB400級(jí)16 mm直徑的縱筋(根數(shù)較多，采用雙并筋方式布置)，分別在4 m，6.5 m處各切斷4根縱筋，僅8根縱筋通長(zhǎng)設(shè)置。做法如圖3。

3.3 螺桿樁抗拔靜載荷試驗(yàn)

對(duì)完成的工程樁隨機(jī)選擇6根，進(jìn)行豎向抗拔承載力載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果全部滿足，且豎向位移較小，抗拔剛度滿足設(shè)計(jì)要求。各試驗(yàn)樁載荷試驗(yàn)的荷載—變形(Q-S)曲線圖如圖4，圖4(a)為17號(hào)試驗(yàn)樁的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了完整的加載及卸載測(cè)試，最大加載至1 540 kN，豎向累計(jì)位移為21.4 mm，卸荷回彈15.9 mm，回彈率74%，整個(gè)曲線比較平緩，無明顯陡降段。圖4(b)為其余5根試驗(yàn)樁的數(shù)據(jù)，除549號(hào)樁在加載至910 kN后，因樁身受拉縱筋受力不均衡，導(dǎo)致縱筋斷裂，試驗(yàn)終止以外，其余樁均加載至1 100 kN以上，27號(hào)、549號(hào)、495號(hào)試驗(yàn)樁的Q-S曲線有陡降段，但拐點(diǎn)均在650 kN以上，大于550 kN。59號(hào)、573號(hào)試驗(yàn)樁無明顯拐點(diǎn)，最終試驗(yàn)結(jié)果表明單樁豎向抗拔承載力特征值滿足設(shè)計(jì)要求的550 kN，且對(duì)應(yīng)的變形平均值為3.04 mm，樁端豎向抗拔剛度在特征值之前可取1.75×105kN/mm。

4 抗拔樁設(shè)計(jì)

4.1 抗拔樁布置方式

本工程柱網(wǎng)尺寸為8.4 m，每柱網(wǎng)欠缺抗浮荷載為27.35×8.4×8.4=1 929.9 kN，單樁抗拔承載力特征值為550 kN，則每柱網(wǎng)需設(shè)4根抗拔樁，每根抗拔樁實(shí)際承受拉力482 kN，承載力利用率為87.8%?？拱螛犊杉胁贾迷谥?，抗拔樁兼做柱下承臺(tái)樁；另一種方式是抗拔樁布置在板下，柱下做獨(dú)立墩基礎(chǔ)。前者適合于地基承載力低、柱下荷載較大且抗拔樁抗壓剛度大時(shí)；此種情況若將抗拔樁置于板下，將加大柱墩與底板的沉降差，可能導(dǎo)致底板因豎向沉降差而開裂；若抗浮樁數(shù)量較少，需增加柱下樁數(shù)以保證樁的抗壓承載力。后者適合于地基承載力較好，或抗拔樁抗壓剛度較小(如抗拔錨桿)時(shí)，將抗浮樁集中布置在板下可顯著減小底板因水浮力而產(chǎn)生的內(nèi)力，減小底板配筋；將抗浮樁布置于板下時(shí)需保證底板有足夠的剛度以協(xié)調(diào)底板與抗浮樁的變形，若底板剛度過小，將導(dǎo)致底板下的抗浮樁因底板撓度過大而首先失效。本工程柱網(wǎng)下的抗浮樁布置方式如圖5所示。

(a) 17號(hào)試驗(yàn)樁Q-S曲線

(b) 其余試驗(yàn)樁Q-S曲線圖4 螺桿樁抗拔靜載荷試驗(yàn)Q-S曲線

圖5 抗浮樁布置示意圖

4.2 底板內(nèi)力對(duì)比

采用SAP2000對(duì)底板下抗浮樁布置的不同方式進(jìn)行受力分析，分別考慮3種抗浮樁布置情況：柱下墩范圍內(nèi)集中布置，板跨中分散布置，板跨中集中布置(分別定義為布置方式1、2、3)。底板采用殼單元，板厚400 mm?？垢栋磸椥灾ё斎?，其剛度按樁抗拔檢測(cè)結(jié)果輸入(1.75×105kN/mm)。圖4所示為板跨中分散布置，板跨中集中布置方式與之類似，只不過樁間距減小為2 m。水浮力按81.5 kPa輸入。圖6給出了底板在水浮力作用下，跨中的上拱變形量，圖7為底板上部的最大主應(yīng)力分布。表3為3種布置方式的變形及板跨中彎矩對(duì)比，板跨中彎矩通過截面切割獲得彎矩總和。

圖6 水浮力作用下板跨中上拱變形

通過對(duì)比可知，柱下集中布置抗拔樁不能減小底板內(nèi)力，從底板內(nèi)力來說是最不合理的布置方式；布置方式3的底板變形量最小，對(duì)減小底板內(nèi)力效果也很顯著；布置方式2的底板變形量也比較小，且底板應(yīng)力分布比較均勻，方便樁基礎(chǔ)施工，總體效果與方式3類似，最終采用方式2布樁。

圖7 水浮力作用下板面最大主拉應(yīng)力

表3 各布置方式下底板變形量及彎矩對(duì)比

5 結(jié)語

在底板下土質(zhì)較好時(shí)，螺桿樁可用較短的樁長(zhǎng)獲得較高的抗拔承載力，用于底板抗浮有較好的經(jīng)濟(jì)性。

抗拔樁在底板沉降較小的前提下，可采用與抗拔錨桿相同的布置方式，在跨中相對(duì)分散布置以減小底板內(nèi)力，降低地下室工程造價(jià)。

[1] 袁桂皎，虞鋒，石慶華，等.CFG-LGZ-2006JG螺桿樁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)定[S].海南：海南卓典高科技開發(fā)有限公司，2006.

[2] 方崇，張信貴，彭桂皎.對(duì)新型螺桿灌注樁的受力特征與破壞形狀的探討[J].巖土工程技術(shù)，2006(6)：316-319.

[3] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB 50007—2001建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2011.

[4] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

TheApplicationofScrewPileinBasementAnti-floatingofGreenlandCentralSquareProject

YUAN Zhi-ren，et al.

(ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In this paper，the application of screw pile in basement anti floating is introduced by an project engineering example.The screw pile has good uplift bearing capacity in the uniform clay strata.In the premise of small subsidence，the internal force and deformation of the basement foundation slab can be greatly reduced with the method of the uplift piles relatively dispersed arrangement in the mid-span of the slab，and it has better economical efficiency.

screw pile；uplift pile；anti-floating of basement

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.001

2017-09-04

袁志仁(1974-)，男(漢)，長(zhǎng)春，碩士，講師主要研究混凝土結(jié)構(gòu)。

TU473

A

1009-8984(2017)03-0001-04