螺杆桩与管桩设计与施工对比

螺杆桩与管桩设计与施工对比螺杆桩和预应力管桩在四川地区都是这几年引进的新型桩型，预应力管桩相比螺杆桩则还要早几年，目前这两种桩型都是在全国范围内应用很广泛、很成熟的桩型，现就这两种桩型在发展历程、设计、施工等几方面的对比进行一个阐述。一、发展历程预应力管桩是从七十年代初期从日本引入我国后，在近十年内范围内得到了很大的发展。预应力管桩具有诸多优点，如强度高、承载力大、节约工程造价、施工无泥土污染、施工周期短等诸多优点。当用于静力压桩法，施工无噪音、无震动，满足文明施工的要求。螺杆桩则是一种创新型的变截面异形桩，其形状是上部为圆柱型，下部为螺丝型的组合式新型桩。它是在日本的高强度钢纤维混凝土预制螺纹桩的基础上创新而成的，达到了高强度钢纤维混凝土全螺纹预制桩的承载力水平，并在保持其优点的同时，更具有强度高，工期短，功效高，沉降小，抗震，不取土，不排浆，不污染，施工及成桩质量不受地下水影响，应用范围广，适应多种土层等优势。螺杆桩技术已于2006年获得国家发明专利（专利号ZL03128265.2），并荣获2007-2008年的国家级一级工法，其关键技术获得国内外同行的高度肯定，达到国际领先水平。二、设计管桩由于自身结构特点，它是一种竖向承载力和水平承载力相差较大的一种桩型，因为其为空心且箍筋、纵向钢筋配置较少，因而管桩抗弯、抗剪和抵抗水平能力较低，比如500直径桩竖向承载力可在2000KN以上，而水平承载力仅35KN左右。这是管桩的最大也是致命的缺陷。管桩大量使用十多年来，人们一直是利用优点多，注意缺点少，其配筋率低、水平承载能力不足，一直不为设计人员所关注，造成众多隐患。特别是在流塑状态的软土中使用管桩前，必须先将软土处理固化，否则，一旦软土层流动，必将推倒管桩，这是无数工程的教训，上海在建住宅楼倒塌事故就是个典型。所以对于采用预应力砼管桩基础的建筑，应验算桩基的水平承载力。螺杆桩为现浇混凝土灌注桩，在竖向承载力方面同等桩径同等地质条件下单桩竖向承载力基本和管桩相似，目前，四川地区桩径500mm螺杆桩极限承载力取值一般在300-400吨之间。另外，螺杆桩在配筋上按照规范要求，满足设计结构要求配筋，在设计充分考虑水平承载力的情况下，按照水平弯矩的影响深度进行配筋。三、施工目前，管桩施工主要有锺击沉桩和静压沉桩两种方式，四川地区普遍使用的是锤击沉桩方式，现就这两种沉桩方式和螺杆桩施工在几方面进行一个特征对比：1、施工场地要求及适用范围锤击法采用柴油锤重锤击法施工管桩，由于设备重量轻，对施工场地的土质的地耐力（承载力）的要求低，通过性能相对较好，运输方便容易，适应在软土地区施工，进出场费用低；静压法是机械的自重和机身上的配重通将桩压入地层中，故整体重量重，设备移动性差，运输非常麻烦，只适应于软土地基，进出场费用高；现浇螺杆桩是在施工过程中采用桩机钻具旋转挤压土体成孔并泵压砼成桩，施工及成桩质量不受地下水影响，应用范围广，适应于粉土、非饱和性粘土、各类砂层、卵石层、强风化岩等各种地质条件，且不受地下水的限制，但在流塑状淤泥质土中慎用，进出场费用介于锤击桩与静压桩之间；2、成桩能力及单桩承载力比较柴油锤施打管桩采取冲击载荷，管桩能穿透粗砂、圆砾和强风化泥岩层；但对密实程度较高的砂层、厚度较厚的卵石层穿透困难；单桩承载力高；静压桩成桩能力不如锤击桩，只适应于软土地基，不适用于贯穿厚度大于2m的中密以上的砂土夹层或进入中密以上的砂土持力层；单桩承载力不如锤击桩；螺杆桩能够穿透各种砂层，强风化泥岩，以及中密密实程度以下的卵石层，但对厚度较大的密实卵石层穿透困难，整体上成桩能力大于等于锤击桩，单桩承载力基本和锤击桩差不多；3、施工对周边环境影响对比锤击桩施工时有油烟，噪声大、震动大，不适合在市区人口稠密的地区施工；施工引起的土体隆起和水平挤动大，会使已施工桩浮桩、基础周边的建筑物发生变形，地下管道位移甚至毁坏；静压桩具有无震动、无噪声等优点，可以在人口密集的市区及建筑群中施工；施工引起的土体隆起和水平挤动比打入式桩小；螺杆桩施工无震动，低噪音，适合在人口密集的市区及建筑群中施工；由于在成孔工艺上与管桩两种成桩方式完全不同，所以螺杆桩施工时对周边建筑、已施工桩基、地下管线几乎没有影响，适宜于危房、精密仪器房、岸边和地下管线多的地区内施工；此外，以上三种工艺都不存在泥浆护壁、泥土外运等其他混凝土灌注桩的问题，除螺杆桩部分出土外，预制管桩施工不出土；4、施工柴油锤施打管桩无边桩，在基坑中施工可减少土方开挖工作量；柴油锤施打管桩由于有冲击载荷，管桩的桩头容易打碎，管桩损耗较大；遂宁地区近期管桩桩身质量问题频发，主要原因就是由于地质情况过硬，野蛮施工导致桩头、桩身混凝土被破坏导致桩头打坏、桩身断裂，大面积出现短桩；静压桩机自重加配重总重量大，桩机基础如不平整坚硬，沉桩过程中，桩机容易产生不均匀沉降，桩身极易发生偏移。由于自身设备的特点，静压桩打不好边桩、角桩，需要对基坑周边进行大面积开挖；螺杆桩施工时采取钻杆成孔后管内泵送混凝土成桩，混凝土一次浇注到位，桩形完整，所以不存在预制桩在成桩过程中由于运输吊桩、焊接、锤击、夹桩等多方面原因导致的桩身质量问题，即使由于各方面导致成孔困难，磨损的也只是合金钻杆，对桩没有任何影响；还不得不提的一个问题，就是预制管桩施工中的法兰盘接桩情况。管桩的连接，目前常用的方法有焊接法、机械连接法，四川地区多用手工焊接法。焊接的自然冷却停歇时间，GB50202-2002《建筑地基基础工程质量验收规范》中规定为≥1min，而O3SG409《预应力混泥土管桩》图集中规定为8min，在实际施工中，施工操作人员为了片面地追求速度和利益，焊接往往是敷衍了事，焊接完，立马沉桩，停歇时间往往也就是1min，这样给施工质量带来隐患。因四川地区大部分预制管桩持力层为卵石层，卵石层本身为含水层，地下水丰富，高温焊缝遇水引起脆裂，导致焊缝漏水，而使管腔慢慢进水，桩尖附近土体遇水软化，加大桩基沉降量，引起桩基承载力达不到设计要求。此外，当预制管桩以强风化软岩特别是四川地区常见的强风化泥岩作为持力层时，存在诸多隐患，关于该问题，江苏省《预应力混凝土管桩基础技术规程》DGJ32/TJ109-2010有明确的阐述，描述如下：3.3.2桩端持力层为遇水易软化的风化岩等场地条件，尤其是强风化泥岩及含泥量较多的强风化、全风化花岗岩层作为持力层的管桩基础，沉桩后及时进行竖向静载试验，其单桩竖向抗压承载力能达到设计要求。2-3周后再进行静载试验，发现单桩竖向承载力降低，且沉降加大。究其原因，主要是桩尖附近的强风化泥岩遇水软化，含泥较多的强风化花岗岩发生崩解所致。采用桩端灌一定高度的微膨胀混凝土，有时虽能解决问题，但也存在不足之处，桩尖处土仍处于软化现象。因此，埋藏较浅的强风化泥岩层中应用管桩时要慎重，否则必须采取可靠措施并试验确定。类似情况在四川的遂宁地区也普遍存在，最初施工的桩基在2-3周后再进行复打时，往往还可以继续进尺高达1米左右，原因分析也可能是上述原因，而且这个隐患是没法通过静载试验验收来避免的。而螺杆桩则刚刚相反，根据最初在四川达州市渠县工地的试验结果表明，3个月后的单桩承载力明显高于规范规定28天时的承载力，分析原因可能有以下两点：1、现浇混凝土桩身和预制桩身和土体的结合形态，粗糙程度截然不同，随着土体（特别是粘土）应力的逐步恢复，摩擦力大大提升；2、当桩端进入卵石层时，现浇混凝土桩的混凝土和周边的卵石层通过砂浆的渗透侵入形成了一个扩大效应，卵石层中的卵石通过砂浆的渗透后形成板结，桩身与卵石层形成一个犬牙交错的咬合状态，随着时间延续，这种状态越加明显，故承载力逐步提高。四、施工效率和造价无论是锤击桩还是静压桩，都是经济性能非常高的桩，施工效率高，工程造价低，这是预制管桩与其他常规桩型相比的优势；但在这方面，螺杆桩也不落下风。螺杆桩单机单台班施工桩数为12-15根，另外还有个关键问题，就是锤击桩因为噪音和震动在很多工程夜间都不能施工，而螺杆桩由于自身的施工特点可以24小时不停歇作业，施工效率因此大为提升，单天正常施工桩数可达25-30根。在工程造价方面，预制管桩从管桩厂家生产、检验、运输至现场，再到施工单位进行施工，中间涉及到多个环节；而螺杆桩是采取施工本地商混供应，钢筋笼现场制作，中间环节少，基本上可以做到：凡管桩可以施工的项目价格低于管桩；凡管桩不可以施工的项目价格可高于管桩。