长螺旋钻孔压灌空心桩（夹芯桩）成桩技术研究

基桩的竖向承载能力主要取决于桩周岩土层侧阻力和桩端岩土层的端阻力，据此可设计出桩身直径、长度和桩端面积；一般设计的混凝土桩身竖向轴心受压承载力计算值往往远大于基桩的竖向承载力标准值。为了充分发挥桩身混凝土的承载力，节省桩体多余的混凝土，工程上出现了大直径现浇混凝土筒桩、管桩、预制桩壳空心桩等，取得了较好的效益。但目前仍极少见现浇混凝土中、小型空心桩。

若能在干、湿作业条件下，实现低成本现浇混凝土中、小型空心桩，不少成桩方法采取预埋钢管、待混凝土初凝后拔出钢管，或采取管内另套入筒模以便拔出钢管等。但是，待混凝土初凝后拔出钢管，需等待较长时间、拔管需较大动力，若时间过长则钢管无法拔出；对于管内另埋置筒模，筒模的费用也不凡；另由于桩径有限，埋管后桩筒壁厚度小且钢筋笼占位，浇灌混凝土将十分困难等。若这些方法的技术措施费多于节约商品混凝土的费用时，中、小型空心桩就不会得到推广应用。

总结前述经验和分析存在的问题后，初步研制出了低成本长螺旋钻孔压灌空心桩（夹芯桩）。其最大特点是采用后沉管扩大了原桩径、回灌混合泥浆取代了混凝土，施工成桩连续、快捷，提高了单桩承载力，综合效益显著。现将研发过程简述如下。

1??长螺旋钻孔压灌空心桩（夹芯桩）的可行性

1.1??3种灌注桩施工工艺的启示

（1）振动沉管灌注桩常伴有复打工艺，当采用同管径复打一次后，基桩的竖向承载力标准值提高估算值；可见复打就能提高单桩承载力值，其增值与复打沉入的钢管直径有关。另观察到复打时钢管的沉入和拔出均较轻松、快捷，其施工成桩过程具有连续性。

（2）泥浆护壁成孔灌注桩在成孔过程中，采用了合理密度的泥浆防止孔土壁坍塌，泥浆密度越高则护壁能力越强。引用该原理，采用合理密度的泥浆也可防止新浇混凝土筒壁坍塌。

（3）长螺旋钻孔压灌桩，在其钢筋笼超过12?m长时，常会采用送筋器（ ? 150左右钢管）辅助振沉钢筋笼。

1.2??长螺旋钻孔压灌空心桩工艺流程初步设计

对以上三种桩型的突出工艺特点进行有机组合，设计出长螺旋钻孔压灌空心桩（夹芯桩）的施工工艺主要流程：长螺旋钻孔桩机完成钻孔且压灌混凝土→对准原桩中点安放混凝土桩尖→振沉直径不大于原桩径250?mm的钢管→伴随沉管过程向管内泵入护壁夹芯料→振沉钢筋笼→拔管、令护壁夹芯料及时填充拔管留下的空间→拔管完成则形成挤土扩径空心桩（夹芯桩）。

2??护壁夹芯材料的选择

选择护壁夹芯材料时，无需全等同于泥浆成孔中的双作用，只需求对处于流塑状态的混凝土进行有效护壁。经初步分析要求夹芯材料的密度应不大于且接近新浇混凝土的密度。若密度相差太大，则极易发生相互渗透，影响桩身质量。选择夹芯材料，应考虑孔隙率小、廉价易取、便于施工等。

经对多种材料比较分析，建议选用以下2种。

（1）宜优先就地利用成孔余土制成砂石混合泥浆作为夹芯材料，当其坍落度约为200?mm时可泵送、易操作、价廉、环保。注意拔管过程不得振管。

（2）有条件场地也可采用砂、砂石混合料、山砾石等孔隙很小的散粒材料作为护壁夹芯材料，易操作、但价稍贵、不能泵送、拔管阻力比泥浆大，注意拔管过程不宜过分振动。

3??模拟夹芯桩试验

3.1??模拟夹芯桩的目的

夹芯桩能否成功，其关键环节是夹芯材料护壁的可靠性。本试验分别选用较不利的粒径20?mm的碎石和坍落度为200?mm的砂石混合泥浆，分别作为夹芯材料。模拟桩的试验目的，是为了观测夹芯材料处于桩内的成形状态，夹芯材料与混凝土相互渗透的影响程度。

3.2??模拟夹芯桩的制作过程简述

用长4.1?m的DN400 HDPE双壁波纹管立于平整的地面，其周边搭设可靠的操作架；塑管内插入外径为 ? 165（内径为 ? 160）、长为4.5?m的钢管，且垂直居中；先向塑管与钢管之间灌注坍落度180?mm的C25混凝土，后向钢筒内投入1?m高的碎石，且在碎石顶盖上一块 ? 155木胶板（用于隔离上部泥浆），再灌入砂石混合泥浆3?m高，然后立即不振动拔出钢管（图1）。

图1??模拟桩竖向剖面示意

3.3??观测、试压

3.3.1??观测

混凝土浇筑20?d后，放倒桩身，在桩底碎石段横截取一节600?mm长筒体，在泥浆段截取两节600?mm筒体。观测到碎石节基本成型，混凝土浆体浸入碎石周边孔隙，深度约3~4?mm，周边碎石被嵌固形成犬牙状。观测两个泥浆节，均成型良好，其孔径同钢管内径（图2~图4）。

图2??孔周碎石被嵌固

图3??孔内泥浆已收缩

图4??泥浆清洗后

从图2可看出孔隙较大的散粒材料不应作为夹芯料；从图3、4可看出混合泥浆作为夹芯料效果很好，且可转换成空心桩。

3.3.2??试压

浇筑后的第24日，对三节筒体和钻芯取样进行试压，其结论与留置的试块强度C25无差别。

4??后沉管夹芯桩的现场试制与承载力估算

4.1??试验桩位及相关地质情况

试验桩选址在常德市某小学食堂的地下室基坑内，邻近钻孔ZK49；ZK49相关参数见表1。

表1??长螺旋钻孔压灌桩的极限侧阻力和端阻力标准值

4.2??现场实体桩与扩径夹芯桩的施工概况

现场围绕ZK49位共施工了2根对比试验桩。2根桩的中心间距为7?m，其中1根为 600长螺旋钻孔压灌桩； 另1根为扩径后形成的夹芯桩。

以上试桩的混凝土为C30、坍落度为200?mm；配筋按构造要求为7 14、箍筋为 8@100~200； 夹芯材料是就地利用余土中的砂、石、泥浆混合拌制而成，其砂、石配比基本同混凝土砂、石配比，坍落度也基本同原桩混凝土； 后沉管使用的桩尖直径为 375。

长螺旋钻孔压灌桩按常规工艺施工完成；长螺旋压灌夹芯桩是长螺旋钻孔压灌混凝土后，在原桩中心安放预制桩尖，桩尖上铺设绳垫，对正桩尖振沉 350钢管至持力层下约400?mm，在此沉管过程采取了边沉管边校正措施。

紧后向管内灌入混合泥浆；拔管之前为了减少静摩擦力，稍进行了振动，在拔管过程停止振动，拔管过程顺利（图5）。

图5??试验桩竖向剖面示意

4.3??试验桩单桩竖向极限承载力标准值

经计算桩体夹芯挤土扩径后，承载力极限标准值提高率为26%。

5??试验桩的试压结果及与估算值的对比分析

在试验桩施工达到20?d后，做了小应变检测，其结论为混凝土均密实完整。事后劈桩做试压桩头，劈桩后观测到夹芯桩成形较规整，夹芯直径为350?mm即同原下沉钢管直径，但桩中的夹芯柱仍偏心约40?mm左右（图6、图7）。

图6??劈夹芯桩头露出夹芯柱（砂石混合泥浆已干缩）

图7??夹芯桩水平截面状况

试验桩达到28?d、混凝土达到C30后由湖南博联工程检测有限公司进行静载试验。静载试验方法：单桩竖向抗压、慢速维持荷载法；受检桩检测结果见 表2。

表2??受检桩检测结果

比对原估算值：1号扩径夹芯桩试压结果 N ₁ =2?880?kN＞估算值 Q _UK =2?674.59?kN； 2号扩径实心桩试压结果 N ₂ =1?980?kN＜估算值 Q ' _UK =2?162.71?kN。

因此长螺旋钻孔压灌空心桩（夹芯桩）试验应证了单桩竖向承载力得到了明显提高，满足预估效果；本试验夹芯桩中的夹芯柱出现了40?mm偏中现象，有待在今后的施工过程加强沉管和拔管的控制措施。

6??长螺旋钻孔压灌夹芯桩的适用范围

（1）适用场地上部土层较松软，持力层较深的岩土层；因过厚的坚硬夹层极易引起桩尖受损破坏，故不应用于上部有较厚的坚硬夹层的土层。

（2）适用作竖向受力的工程桩，不能用作基坑支护桩或受水平力较大的桩体。

7??设计注意事项

（1）对于不同的岩土层，新浇灌混凝土桩体内沉管扩径值也会各有较大差异，特别是对于坚硬的土层（如砾石夹层），几乎没有扩径，但其桩周岩土层因受到挤压而侧阻值仍能得到提高。结合这次试桩竖向轴心受压的结果，在初步估算单桩承载力时，建议引用效应扩径值进行计算：

式中： D 为效应扩径值； D ₁ 为原混凝土桩直径值； D ₂ 为桩尖直径值。

夹芯桩混凝土轴心受压截面积，建议按下式计算：

式中： D ₃ 为沉管直径值。

（2）为了求得较大的桩端承载力，其桩的夹芯段进入持力层不小于200?mm。

（3）夹芯桩的沉管直径宜比原混凝土桩直径不大于250mm，即 D ₂ 不大于 D ₁ –250?mm。

（4）钢筋笼直径仍设置为 D ₁ –100。

8??施工注意事项

（1）长螺旋钻孔压灌夹芯桩可按长螺旋钻孔压灌桩和振动沉管灌注桩的施工工艺和质量要求执行。

（2）对于沉管过程的垂直度控制十分重要，其施工方案中应有严格的可控措施。

（3）作为夹芯材料，宜优先选用余土制成的砂石混合泥浆，其重度和坍落度应与桩体混凝土相近；对于有条件的场地，也可采用砂、砂石混合料或山砾石作为夹芯材料。

（4）施工主要流程按以下方式进行：安放桩尖、十字居中器（十字端部焊船形板）、柔垫→钢管自沉→自沉停止则校正钢管、泵入夹芯料→振沉管至设计深度→顶、振管上部居中→沿原桩轴线不振动拔管成桩。

（5）成桩过程是连续的。全过程必须在原桩混凝土初凝之前完成。

9??综合效益分析

9.1??直接经济效益

该分析依据湖南省2014年建筑工程定额和常德市定额站发布的信息价，以试验桩的相关参数进行分析（混凝土C30、不含钢筋）。

（1）夹芯柱施工费用为354.26元/m3，折合??350夹芯柱费用为34.07元/m。

（2）长螺旋钻孔压灌桩信息价（C30）为1?143.83元/m3，折合 ? 600桩费用为323.25元/m。

（3）试验桩的预制桩尖为 ? 375，折合 ? 710桩费用为452.63元/m。

（4）预制桩尖和十字居中器费用为60元。

本试验桩总长11.21?m（包括劈桩头500?mm），??350夹芯柱长9.58?m，则节约总费用为1063.96元；节约率为21%。

（5）本地一般工程桩长约17?m，若某工程使用500根 ? 700桩，现按 ? 600桩进行夹芯桩施工，夹芯柱长16?m、夹芯柱 ? 350，则基桩节约费用可达79.7万余元。

因单桩承载力提高，原多桩受力承台下的桩数相应减少，原承台体量也会缩小，可进一步降低桩基工程成本。

综上所述，基桩成本可降低20%左右，其主要原因是扩大桩径提高了单桩承载力，就地利用余土制成砂石混合泥浆回灌替换了桩心混凝土。

9.2??社会效益

（1）后沉管夹芯可提高桩的承载力，减少桩数，使余土减少；又因就地利用部分余土回灌，减少了余土外运费用和环境污染。

（2）因桩基混凝土量减少，节省了资源，也减少了水泥生产带来的环境污染。

（3）施工连续且工程桩数量减少，可减少群桩承台体量，加快施工进度。

（4）现场余土回灌利用使余土堆积减少，可加速了设备移位。