长螺旋钻孔灌注桩在复杂地层中的应用研究

长螺旋钻孔灌注桩在复杂地层中的应用研究
一、前言
CFG桩复合地基技术是20 世纪80 年代由中国建筑科学研究院立题进行试验研究,1992 年
通过建设部部级鉴定,1994 年被建设部列为全国重点推广项目,1995 年被国家科委列为国家级全国重点推广项目,已在全国十几个省市尤其是北京、河北地区广泛应用,且已成功应用到20 层～30 层的高层建筑中,是一种较为成熟的地基处理工艺。

长螺旋钻孔灌注桩工法是在水泥粉煤灰碎石桩(即CFG 桩) 的基础上改进的一种刚性桩，由日本的CIP工法演变而来的。

它借鉴了CFG的施工工艺,将其运用到钢筋混凝土桩基中,既继承了CFG桩工艺具有的施工速度快、质量容易控制、没有振动和泥浆污染的优点,又发扬了钢筋混凝土钻孔灌注桩桩身强度高、单桩承载力大的特点。

它与普通钻孔桩不同，利用长螺旋钻机钻孔至设计深度，在提钻的同时利用混凝土泵通过泵管、钻杆中心通道，从钻头活门向孔内以一定压力连续将超流态混凝土压至桩孔中，混凝土由桩底向上进行灌注，并随时清除桩周泥土，混凝土灌注到设定标高后，再借助钢筋笼自重或专用振动设备将钢筋笼插入混凝土中至设计标高，形成的钢筋混凝土灌注桩，是一种新型的桩基础施工手段。

长螺旋钻孔灌注桩应用广泛，成孔不用泥浆或套管护壁，不受地下水位限制，所用混凝土流动性强，连续性好，骨料分散性好，所用螺旋钻机即可钻孔又可压灌混凝土，钻孔可入强风化岩，桩底无沉渣，操作简便，混凝土灌注速度快，成桩质量好，降低造价。

是2005年建设部推广的十大技术之一。

二、长螺旋钻孔灌注桩的主要设备
采用CFG步履式系列或其他长螺旋钻
机，带硬质合金钻头。

另配混凝土拌制、泵送
设备。

二、长螺旋钻孔灌注桩的特点
目前，灌注桩常用的施工工艺有振动沉管灌注桩、泥浆护壁钻(冲)孔灌注桩、人工挖孔灌注桩等。

传统灌注桩施工工艺存在着效率低、成本高、振动及噪声大、泥浆或水泥浆污染、成桩质量不够稳定等因素。

振动沉管灌注桩在密实的砂、砾石土层中难以穿越，在饱和软弱土层中成桩时，往往会因挤土造成土体隆起，单桩承载力下降，桩身也常出现缩径、断桩等现象，给工程造成一定隐患；泥浆护壁钻(冲)孔灌注桩由于采用泥浆护壁，在施工中会产生大量泥浆，造成现场的泥浆污染，采用正、反循环钻孔成孔效率低，由于采用泥浆护壁工艺，其桩周泥皮及桩底沉渣难以完全清除而影响单桩承载力；人工挖孔灌注桩施工受场地工程地质条件限制，且施工中存在着一定的安全隐患。

长螺旋钻孔灌注桩与普通沉管灌注桩及钻孔灌注桩不同，长螺旋钻孔法是用一种大扭矩动力头带动的长螺旋中空钻杆快速干钻法，钻孔中的土除一部分被挤压外大部分被输送到螺旋钻杆叶片上，土在上升时被挤压致密与钻杆形成一土柱，土柱与钻孔问隙仅几毫米，类似于一个长活塞，土柱使钻孔在提钻前不坍塌。

即使在有地下水的地层，因土柱与钻孔间隙小，钻孔速度快，钻孔内渗出并积存的水很少，因此孔内不会坍塌。

长螺旋钻孔灌注桩主要有以下的特点：
(1) 长螺旋钻孔灌注桩施工工艺属于环保型工艺。

长螺旋钻孔灌注桩施工由于机械使用电力，依靠螺旋钻具切削土层干作业成孔,无振动,低噪音,低污染, 无需泥浆护壁，不排污，挤土效应小,对周围建设物基础无影响，可适用于市区施工。

(2)成桩速度快。

长螺旋桩机是一种一机多能的新型钻机设备,底盘采用全液压步履式行走,液压马达驱动360°回转,移孔就位快捷准确,自动化程度高,操作简便,动力大(功率90kW 以上) , 成孔工艺简单，成孔速度快,长螺旋一天可成桩7—9根。

正常情况下，每根桩成孔、灌混凝土只需45分钟左右，钢筋笼下放
顺利的话前后总计成桩1根不会超过1个半小时。

（3）成桩质量好，承载力高。

钻具提升速度与混凝土泵送量相匹配,再加上振送钢筋笼过程中对混凝土的振密作用, 桩身混凝土与周围土层紧密结合，不会产生断桩、缩径、塌孔、桩壁泥皮和孔底沉渣等施工通病，并对桩孔周围土有渗透、挤密作用。

因此桩身混凝土完整,同时还伴有局部膨胀扩径现象，桩身实测直径一般比设计直径大10 %以上，而连续压灌超流态混凝土护壁成孔, 对桩孔周围的土有渗透、挤密作用,提高了桩周土的侧摩阻力,大幅度提高了桩的承载能力，使桩体具有较强的承载力、抗拔力、抗水平力, 变型小, 稳定性好。

大量工程静载试验证明，其单桩承载力是普通泥浆护壁钻孔桩的1.5~2.0倍。

（4）综合效益性好。

机械投入少，钻机可直接吊入钢筋笼, 节省了吊车台班, 减少了大型机械的投入量；成桩速度快,工期短,而且,承载力高,桩径变化可大可小,一般为350mm ~600mm ,这样特别适合多层及小高层建设物,充分发挥桩基承台、土共同作用,有效控制桩基承台混凝土用量,因此综合工程造价低,与其他桩型相比比较低廉，有明显的经济效益和社会效益。

(3)施工中不需降水、泥浆制备和排污，综合效益较好。

(4)长螺旋钻孔桩下放钢筋笼使用送笼器，比夯扩桩钢筋笼标高容易控制。

(5)夯扩桩属于端承桩，易受长桩效应影响；长螺旋属于摩擦桩，不受长桩效应影响。

(6)由于高压注浆，对周围地层有渗透加同作用，可解决断桩、缩径、桩底虚土等问题，还有局部膨胀扩径作用，提高承载力。

(7)夯扩桩遇巾问有硬夹层，沉管困难；若遇承压水层，成桩也比较【土4难。

1．长螺旋灌注桩是一种新工艺，其施工优点也明显可
见，比如无需泥浆护壁，减少污染，成孔质量好。

相对传统水
钻施工工艺，施工速度快。

水钻法一天只能成桩3根左右，而
长螺旋一天可成桩7—9根。

正常情况下，每根桩成孔、灌混
凝土只需45分钟左右，钢筋笼下放顺利的话前后总计成桩1
根不会超过1个半小时，但下放不畅的话可能要2小时以上，
甚至导致废桩。

2．长螺旋灌注桩施工在我国北方地区比较普遍，优势明
显，因为北方地区土质情况较好，地下水位较低，长螺旋施工
中受地下水位影响不大。

而在南方地区由于砂层地质较多，
地下水位较高，长螺旋施工受砂层孔隙水压力影响较大，容易
产生缩径，造成钢筋笼下放困难，我个人认为在南方地区并不
是很适合。

3．长螺旋灌注桩在苏州地区也有使用，但基本上成功的
多用于基坑围护桩施工，相对而言，围护桩桩身不需要太长。

一般在20m以内，而且因为桩顶多在地表附近，其桩底深度
也不会太深，满足支护要求即可。

而工程桩则承载力较大，桩
身基本都在25m以上，且一般工程都有地下室，桩底标高较
深，势必要穿过多个砂层，由于砂层的孔隙水压力大，从而造
成钢筋笼下放困难，导致成桩质量问题。

笔者认为长螺旋在
多砂层孔隙水压力较大地区不宜作工程桩工艺使用。

4．长螺旋施工中，主要是钢筋笼下放问题，钢筋笼在混
凝土中沉放，就要求混凝土塌落度要大，基本上要在2O以上。

5．长螺旋施工中必须要有效控制充盈系数。

由于长螺
旋施工是边提钻，边灌混凝土，因此混凝土是有压力的，这是
因为确保孔径的需要。

要控制好充盈系数，就必须很好地掌
握混凝土泵送灌注压力。

6．由于每个地质土层的水压渗透系数及土的粘结力不
同，经过每个不同的土层时，压力要有所区别，如在砂层中，孔隙水压力较大，就必须有足够的混凝土压力防止缩径，因而会造成充盈系数过大。

如果在粘土层中就好得多，这也是北方
地区使用比南方地区多的一个因素。

(1) 承载力高。

该成桩工艺决定了其桩身类似
于糖葫芦状, 充盈系数比其他桩型大(均大于1.
30) 。

可全桩长发挥桩侧摩阻力,同时有效地利用桩
身上下各部分土层。

(2) 桩身质量稳定。

本桩型施工艺简单,钻具提
升速度与混凝土泵送量相匹配,再加上振送钢筋笼
过程中对混凝土的振密作用,因此桩身混凝土完整,
桩身实测直径一般比设计直径大10 %以上。

(3) 施工速度快。

长螺旋桩机是一种一机多能
的新型钻机设备,底盘采用全液压步履式行走,液压
马达驱动360°回转,移孔就位快捷准确,自动化程
度高,操作简便,动力大(功率90kW 以上) ,成孔速
度快, 对于一般土层, 若孔深20. 0m 左右, 桩径
400mm ,那么每台桩机每天可施工20 —30 根桩。

(4) 环保型工艺。

长螺旋钻孔压灌混凝土桩由
于依靠螺旋钻具切削土层干作业成孔,无振动,低噪
音,低污染,挤土效应小,对周围建设物基础无影响。

(5) 经济性。

长螺旋钻孔压灌混凝土桩成桩速
度快,工期短,而且,承载力高,桩径变化可大可小,
一般为<350mm - <600mm ,这样特别适合多层及小
高层建设物,充分发挥桩基承台、土共同作用,有效
控制桩基承台混凝土用量,因此综合工程造价低,有
明显的经济效益和社会效益。

主要特点
(1)超流态混凝土流动性好，石子能
在混凝土中悬浮而不会下沉产生离析，放人
钢筋笼容易；
(2)桩尖无虚土，防止了钻(冲)孔
灌注桩往往清底不干净的缺点；
(3)桩身成桩质量较好，不会产生断
桩、缩径、塌孔等施工通病；
(4)穿越硬土层能力强，单桩承载力高；
(5)施工中不会产生挤土现象，且无
振动、噪音低，无需泥浆护壁，不排污，施
工现场文明。

(1) 适应性强: 如1 中所述, 特别是在有缩
颈的软土、流砂层、砂卵石层、有地下水等复杂地
质条件下成桩。

(2) 承载力高: 由于是连续压灌超流态混凝
土护壁成孔, 对桩孔周围的土有渗透、挤密作用,
提高了桩周土的侧摩阻力, 使桩体具有较强的承载
力、抗拔力、抗水平力, 变型小, 稳定性好。

(3) 桩身质量好: 由于混凝土是从钻杆中心
压入孔中, 混凝土具有密实、无断桩、无缩颈等特
点, 并对桩孔周围土有渗透、挤密作用。

(4) 机械投入少: 钻机直接吊入钢筋笼, 节
省了吊车台班, 减少了大型机械的投入量。

该工法可用于各种建(构)筑物基础桩基和基坑、深井支护的支护桩，适用于填土层、淤泥质土层、一般粘性土、粉土、砂类土，其最大优点是能穿越卵石、砾石等各种硬土层，亦适用于有地下水的各种土层情况，对承受竖向抗拔的桩，用此种工法成桩，效果更好。

地层的构造及其物理化学特性是地层固有的。

地层的破碎、松散、脆性，地层的层理、片理、节理，地层的裂隙及断层、洞隙、孔隙、溶洞及含水性，地层的遇水膨胀或溶解、遇水发生风化剥落或崩解现象，长期风化剥落或滑移崩塌形成的填方堆积体等是构成复杂地层的基本因素。

松散破碎地层
此类地层的基本性状是松散、破碎,无胶结物或胶结极差，例如第四系松散砂、淤泥地层、砂砾、鹅卵石、砾石层，强风化的坡积土、土夹石、风化堆积体,以上地层的混合地层.
水敏性地层
水溶分散性地层
此类地层遇水溶于水中或溶胀，并极易分散成胶体或类胶体溶液。

例如岩盐、石膏、芒硝、水云母、高岭土等矿物质地层。

溶胀性地层
此类地层遇水溶胀，并缓慢分散成胶体或类胶体或悬浮液。

例如：软页岩、泥岩、黄土、绿泥石等
水化剥落地层
此类地层构造极不均匀，有内应力，遇水时表层片状剥落，或胶结物溶胀，使地层散落。

例如：硬页岩,粘土胶结的地层，水溶性矿物胶结的地层
堆积体地层
此类地层的组成成分及构造极其不稳定，岩层卸荷作用强烈，分布有陡倾张拉裂隙和顺坡倾角剪切裂隙。

往往还伴有松散、破碎、断层面、孤石及水化剥落,大或特大洞隙等。

例如风化及崩塌堆积体、滑动堆积体，各类工程填方等。

在我国地质钻探部门,习惯上把地层分为复杂和非复杂(简单)两大类。

在复杂地层中钻进,极易发生坍塌、掉块、剥落、探头石、溶解、水化分散、溶胀缩径、漏水、涌水等一系列复杂现象。

复杂地层分类
地层是由各种造岩矿物以不同集合形式组成，矿物的成分、性质和结构构造决定了各种类型岩层的物理、力学性质，如岩石的强度、硬度、弹塑性、脆性、水溶性和水化性等。

钻进过程中出现的各种复杂情况与岩石性质密切相关。

另外，岩层在形成过程中或形成以后，在扭转、挤压、风化、搬运、沉积、溶蚀等内、外动力地质作用下，形成松散层、破碎带、孔隙环境、裂隙环境以及溶隙性环境，也是钻进过程中经常遇到的各种复杂情况。

根据复杂地层的成因类型、性质和状态及其在钻进过程中可能出现的情况，可将复杂地层分类如表 7-1 所示。

表 7-1 复杂地层综合分类表 地 层 分 类
成 因 类 型 典 型 地 层 复 杂 情 况 各种盐类地层 水溶性地层 盐岩、钾盐、光卤石、芒硝、天然碱、石膏 钻孔超径，污染泥浆，孔壁掉块，坍塌
各种粘土、泥岩、页岩 水敏性地层（溶胀分散地层、水化剥落地层） 松散粘土层、各种泥岩、软页岩，有裂隙的硬页岩，粘土胶结及水溶矿物胶结的地层 膨胀缩径，泥浆增稠，钻头泥包，孔壁表面剥落，崩解垮塌超径
流砂、砂砾、松散破碎地层 松散的孔隙性地层，风化裂隙发育地层，未胶结的构造破碎带
流砂层，砂砾石层，基岩风化层，断层破碎带 漏水，涌水，涌砂，孔壁垮塌，钻孔超径 裂隙地层 构造裂隙地层，成岩裂隙地层 节理、断层发育地层 漏水，涌水，掉块，坍塌
岩溶地层 溶隙地层 溶隙、溶洞发育地层（石
膏，石灰岩，白云岩，大理岩）
漏水，涌水，坍塌
高压油、气、水地层 封闭的储油、气、水的孔隙型地层，裂隙及溶隙地层
储油、气、水的背斜构造，逆掩断层的封闭构造 井喷及其带来的一切不良后果 高温地层 岩浆活动带与放射性矿物有关地层 地热井、超深井所遇到的地层 泥浆处理剂失效，地层不稳定， H 2 S 造成危害
上述复杂地层，一些主要表现为井壁直接松散、破碎；一些主要表现为遇水后水化、水溶；另一些则主要表现为漏失、涌水；还有一些主要表现为
压力温度异常。

许多情况下，地层的多种复杂表现兼而有之，或以一种为主，其他为辅；或是先有一种表现，继而再出现其他复杂状况。

红层、花岗岩地层、灰岩地层、混合岩地层、淤泥砂层、溶洞、断裂带。

广州的地质层不仅复杂多样，被称为“地质博物馆”，而且变化很大，有时候相隔两米，岩石的起伏方向就不一样。

地铁技术人员对于单独某一种地层的性质，例如压力、抗压强度等都比较清楚，但是有时需要临时应变。