探讨钢螺杆锚桩法在桩基础检测的应用
陈家喜
广州珠江工程建设监理有限公司
摘要：本文介绍了一种基于钢螺杆桩的新型锚桩静载试验系统，并通过工程案例介绍钢螺杆锚桩用于基桩静载试验的原理。同时通过案例具体分析，对比钢螺杆桩锚桩法与传统工艺的优缺点。分析结构表明，钢螺杆桩能在各类土层完成桩基础的静载实验，能显著提高桩基础实验的安全性，节省桩基础试验成本，在有限的区域内完成堆载试验难以完成的试验，还能有效地配合项目流水施工为项目进度提供了有力的保证。
关键词：钢螺杆锚桩法 桩基础 安全管理 静载试验
前言：桩基础的承载能力高，能承受竖直荷载，也能承受水平荷载，能抵抗上拔荷载也能承受振动荷载，是应用最广泛的深基础形式。桩基静载试验是确定桩基础承载力最可靠的试验方法，其中以堆载法和锚桩法应用最广。堆载试验法需采用大量砼块，其堆载和运输过程受场地影响较大，需要大量的人材机配合，不利于项目工程流水作业，不符合国家节能减排的要求。大吨位堆载还存在堆载平台失稳倒塌的风险，对于作业空间要求高。锚桩法则采用现场浇筑的混凝土桩作为锚桩，需制作桩帽，龄期较长且成本高昂。
1、项目工程概况
项目名称为广州白云国际机场扩建工程噪音区治理白云区治理项目安置区，位于广州市白云区人和镇新联村，广花二路以东，机场高速及方华公路以西，北二环高速以南，江人一路以北的区域。总建筑面积 159 万㎡，我司监理部分约80万㎡，主要包括46栋住宅楼及配套的政务中心、小学、幼儿园、村委会、养老院及小区市政道路等。
广州白云国际机场扩建工程噪音区治理白云区治理项目是广州市的重点民生工程项目，整个项目的桩基础检测全部都由广州市市政工程试验检测有限公司进行，共计439条桩需要完成静载试验和抗拔试验。为了在3个月的时间内全部完成桩基础检测已成为项目重要的里程碑事件，项目监理部工程师陈家喜会同代建单位、设计代表，多次组织召开桩基础专题会，与广州市市政工程试验检测有限公司项目负责人叶东昌、封其坚共同探讨。如何在规定的时间内安全有效的完成项目的桩基础检测。最后共同商定设计6、7标的桩基础检测采用钢螺杆桩锚桩法，其他标段仍然采用传统堆载法进行检测。
设计7标桩基础采用大直径旋挖钻孔灌注桩，共1627条，桩径为800~1200mm，有效桩长为15~40m。本项目灌注桩采用钢螺杆锚桩法进行单桩竖向抗压静载试验，共检测18根。承载力特征值（KN）分别为4400、6600、9400，试验最大荷载值（KN）为承载力特征值的两倍，分别为8800、13200、18800。
2、钢螺杆锚桩静载试验装置系统
2.1钢螺杆锚桩
钢螺杆桩是一种桩身强度高、施工快捷、适合于狭小的区域作业且无污染的新型变截面桩。螺杆桩是采用了变截面的构造形状，成孔过程中桩侧土体受到挤压，加密作用，成桩后部分土体形成螺纹，而桩侧土体形成螺母，桩体螺纹与桩侧土螺母紧密咬合，当桩顶受荷时，螺纹段的桩侧土受到压缩，环状的根部受到剪切，桩的承载力受到土体的侧阻力（摩阻力）。近年来，一些工程采用钢螺杆做锚桩，将钢螺杆和钢梁等结构组合成装配式系统，为基桩静载试验提供反力。如图1所示。
.png)
图1 钢螺杆桩旋转掘进施工照片
螺纹钻杆是螺杆灌注桩成桩的重要构件主要用于钻孔挤土形成螺纹桩孔位不仅施工速度快，且可重复使用的新型锚桩反力系统，并将其应用于实际桩基静载试验。如图2所示。
.png)
图2 钢螺杆桩
钢螺杆反锚装置，有钢梁、钢绞线、锚具等。起着受力传递的作用同时还决定了静载试验的准确性和安全性。仪器设备，有静载荷测试仪JC088、5000KN千斤顶、位移传感器。如图3所示。.png)
图3现场静载试验照片
2.2钢螺杆桩锚桩法检测原理
钢螺杆桩锚桩法静载试验是通过千斤顶给试桩施加垂直向下的竖向荷载，同时反向作用力通过钢梁给各锚桩施加垂直向上的荷载，土体通过摩擦给锚桩提供垂直向下的摩擦力。最终通过力的传递，检测试桩在各级荷载下的沉降量和受力特点，从而分析出桩基础的地基承载力。
3、钢螺杆锚桩静载试验流程及监理管控要点
3.1桩静载检测流程
检测流程：随机选取桩放线确定锚桩位置浇筑桩帽钻孔设置千斤顶设置反锚装置施加压力、测量沉降值
3.2监理管控要点
本次静载试验前，监理单位组织相关参建单位，并要求检测单位针对检测事项和需要配合的工作，向参建单位介绍。同时监理人员认真熟悉图纸内容，查翻监理旁站记录，根据灌注桩浇筑记录，并结合桩基检测的选取原则，挑选出浇筑过程中出现异常桩和有特殊要求的桩，剩下的桩均匀随机选取。最后选取了A-6、B-15、B-35、C-32、D-44、E-42、F-21、G-52、H-65、H-112、J-61、K-18、L-49、M-2、M-8、N-10、P-4、Z-41这18条桩。
要求总包单位配合开挖这18条桩，桩帽配筋如图4所示，为配合项目进度推进，减少混凝土龄期对项目进度的影响，监理部建议提高混凝土强度等级，使用了C45混凝土。
.png)
图4现场试桩桩帽尺寸及配筋大样图
检测人员随机选取该场地某区域进行钢螺杆桩试钻和极限抗拔试验，综合钻机最大扭力和抗拔试验结果确定单桩最大抗拔力，如图5所示。检测单位在监理单位的见证下记录以下数据，本项目施工选取一根直径 400 mm 钢螺杆，入土深度 11.5 m。螺杆穿过 2m 厚粉质粘土，进入厚度 13.7 m，含粘粒、稍密实的中砂层。由图6可知，抗拔试验加载至2000 kN 时，桩顶上拔量 39.3 mm，单桩抗拔荷载可取 1750 kN。该荷载值将用作静载试验反锚结构设计抗拔力。
.png)
图5现场锚桩试装照片
.png)
图6钢螺杆桩抗拔试验曲线
3.3钢螺杆桩布置方式
钢螺杆桩布置方式需根据试桩竖向承载力试验值确定，详细内容如表1所示，常用的几种布置形式参见图7。根据桩基础检测方案的内容，检查验收钢螺杆锚桩的转孔深度和设置位置是否满足方案要求。
表1钢螺杆锚桩布置方式及锚杆数量
|
单桩静载试验值/KN
|
锚桩数量
|
锚桩布置方式
|
备注
|
|
＜3000
|
2
|
对称布置
|
|
|
3000~6000
|
4
|
对称布置
|
图3（a）
|
|
6000~10000
|
8
|
对称布置
|
图3（b）
|
|
10000~20000
|
16
|
对称布置
|
图3（c）
|
|
＞20000
|
16
|
对称布置
|
图3（c）且入土深度＞15m
|
.png)
（a）4 根锚桩反力示意图
.png)
（b）8 根锚桩反力示意图
.png)
（c）16 根锚桩反力示意图
图 7 钢螺杆锚桩布置方式示意图
以设计7标G-52号桩为例，该桩单桩抗压承载力（KN）为9400，最大试验荷载（KN）为18800。为典型的16根钢螺杆锚桩布置方式，如图8所示。监理人员检测混凝土同条件养护试块报告满足35MPA后，才能同意检测人员安装检测仪器和反锚装置。
.png)
图8 G-52号桩现场静载试验照片
.png)
图8 G-52号桩钢螺杆锚桩反力结构布置示意图
4、试验加载方法和沉降观测
（1）试验加载：加载分十级，试验加载方式为逐级等量加载方法，其中第一级荷载和第二级荷载取分级荷载的2倍。施加每级荷载后按第5、15、30min测读桩顶沉降量，以后每隔15min测读一次，当沉降量达到相对收敛标准后施加下一级荷载。受检桩沉降相对收敛标准：加载时每级荷载维持时间不应少于一小时，最后15min时间间隔的桩顶沉降量小于相邻15min时间间隔的桩顶沉降增量。
（2）试验卸载：卸载分级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍，逐级等量卸载。卸载时，每级荷载维持15min，按第5、15min测读桩顶沉降量；卸载至零后，测读桩顶残余沉降量，维持时间为2h，测读时间为第5、15、30min，以后每隔30min测读一次。
（3）当出现下列现象之一时，可终止加载：
a.某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍；
注：当桩顶沉降能稳定且总沉降量小于40mm时，宜加载至桩顶总沉降量超过40mm。
b.某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到稳定（收敛）标准；
c.当达不到极限荷载，已达到最大试验荷载，桩顶沉降速率达到相对稳定（收敛）标准；
d.当荷载-沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60～80mm；在特殊情况下，可根据具体要求加载至桩顶累计沉降量超过80mm。
5、8#测桩G-52号桩试验结果
该桩（桩径1.2m，有效桩长19.11m）在试验过程中，随着桩顶荷载逐级增加，沉降量也逐渐增大，各级荷载下沉降均能达到相对稳定标准。在最大荷载值18800kN下达到相对稳定标准时，累计沉降为 14.51 mm（s＜60mm），桩基尚未进入极限承载状态。全部卸载后，试验桩残余沉降量为6.65mm，最大回弹量为7.86mm；沉降回弹率为54.17%。从测桩的 Q~s 曲线可知，无明显陡降段的起始点，Q~s 曲线上没有明确的比例界限，该桩竖向抗压极限承载力可取最大试验荷载所对应的荷载值，即Qu=18800KN，竖向抗压承载力特征值可取9400kN。根据检测数据分析与判断，G-52号桩单桩竖向承载力符合设计要求。如图9所示。.png)
图9（a）G-52号桩单桩竖向抗压静载试验汇总
.png)
图9（b）G-52号桩Q-S及s-lgt曲线
6、钢螺杆锚桩法与堆载法的对比
6.1安全管理方面
大吨位堆载法在加荷过程中，容易出现偏心问题，常常因加载量把控不当的误差，出现堆载平台偏心失稳现象，造成严重的安全事故。有时因地基承载力不足，导致支墩局部悬空，造成堆载平台失稳垮塌的严重安全事故。钢螺杆桩锚桩法避免搭建大型堆载试验平台，显著提高了桩基静载试验的安全性。
6.2进度管理方面
大吨位堆载法试验周边，严禁土体扰动作业，特别是土方开挖作业，容易引起试验过程土体滑移而造成安全事故，必须等到堆载平台卸载完成才能进入下一道工序，制约着项目的流水施工。钢螺杆桩锚桩法试验范围小，难以影响周边其他工序的施工。如图10所示。
.png)
图10 钢螺杆桩锚桩法周边可以进行承台施工作业
6.3经济效益方面
在广州地区降雨频繁，降雨量大，且本项目地处珠江三角洲冲积平原，场地含泥沙量大。使用大吨位堆载法，需要对道路和施工平台进行大规模的处理，使用大量的钢板和砖渣，挖机长时间配合铺路，检测完成后的砖渣还要再次转运出场外，同时还要配置板车和吊车转运堆载设备。钢螺杆桩锚桩法的施工机械移动便捷，其他反锚装置只需挖机配合转运即可，通常不需对试验场地进行加固处理，需要配合的人材机将大大减少，相比传统堆载法能节省70%以上试验成本。
6.4作业环境方面
大吨位堆载法需要平整10*10m的作业区域，同时还要设置试验材料堆载区域，对现场作业区域要求高。钢螺杆桩锚桩法设备较少，不需要设置过大的作业区域，在狭小且靠近基坑边缘区域也能检测，其中Z-41号装就处于基坑边难以使用大吨位堆载法。
7、结束语
本项目试桩检测历时3个半月，圆满完成了设计7标静载试验，取得了满意的成果，为该项目桩基础检测提供了有效的桩基础检测报告，解决了项目进度推进的一大难题，参建各方充分肯定了钢螺杆桩锚桩法在桩基础检测上的应用。为深基坑桩基础检测积累了宝贵的经验。
参考文献：
《建筑地基检测技术规范》JGJ340-2015；
《广东省标准建筑地基基础检测规范》DBJ 15-60-2018；
《地基基础工程质量检测技术指引》穗建质【2016】926号；
《基于钢螺杆锚桩法的桩基静载试验系统应用研究》杨军、陈放鸣、叶东昌；
《某工程几种基桩检测方法的对比分析》周炳祥；
《锚桩对静载荷试验成果的影响分析》卢坤林，杨扬；
《广州白云国际机场扩建工程噪音区治理白云区治理项目桩基础检测报告》B01920-000139；
《地基基础静载试验检测方案》
本工程设计文件和技术资料；
桩基础检测合同及施工监理合同；
作者简介：陈家喜，男，中级工程师，一级建造师