SDS桩新技术(培训资料)

二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
理论研究－钻头优化选型(ADINA数值仿真）
JCYC
京冶地基
对20多组不同型式的钻头进行了三维有限元计算分析
10Mpa
180
20Mpa
30Mpa
160
成孔 扭 矩/KN.m
140
120
100
80
200
250
300
350
400
450
500
螺距/mm
成孔扭矩－螺距变化曲线图
3 法国
Nesle地区Amylum-France 化工厂桩基础
1997
Ω桩
2300
CFA桩 16.5 500
170
4
澳大 利亚
Adelaide市Convention Centre 楼宇桩基工程
2001
V 桩 14.5 400
170
Mellansel地区高速铁路桥梁基础。桩
5 瑞典 为垂直桩与1/3 倾斜度倾斜桩，筋材 1996
的
工
程
¾替代或部分替代使用量最大的非挤土桩，开拓新的桩基市场
应 用
¾在四个环节上降低工程成本，与其他桩型（旋挖桩、冲孔桩、
经济效益 钻孔桩和CFA桩）相比，总直接成本可降低10－15%
¾国产钻头替代进口钻头可节约资金50%，国产钻机设备替代
进口钻机设备可节约投资20%左右
¾施工高效，成桩质量可控、可靠，降低造价和保障工期
21.3524
135
8
匈牙 利
Debrecen市超级市场桩基及地基处理工 程。桩基钢筋笼长5m，地基处理为素混 凝土桩，工期2个月，3台钻机施工
2006
FDP桩
10.5
360
1300
85
FDP桩
7
360 6300
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
JCYC
京冶地基
FUNDEX PILE
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述 螺旋挤土桩分类
JCYC
京冶地基
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
JCYC
京冶地基
SDS桩施工现场
CFA / CFG桩施工现场
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
螺旋挤土桩和非挤土桩成孔机理分析
JCYC
京冶地基
麻花钻钻入木介质 （有木屑被运送到表面）
木螺钉钻入木介质 （无木屑被运送到表面）
螺距/mm
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
JCYC
京冶地基
短螺旋挤扩钻头可钻性的理论分析成果DS桩关键技术
1.螺旋挤扩钻头所受阻力矩计算公式
dM = dT切 × r = dF1 × cos φ × r = p × f × dA × cos φ × r =p × f × rdrdθ × cosφ × r sinβ
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
JCYC
京冶地基
PFC3D颗粒流细观钻头成孔过程模拟分析
PFC3D模型建立过程
生成边界墙
在不同区域生成不同粒径颗粒
颗粒膨胀达到制定孔隙率
施加重力场进行颗粒沉积
在颗粒表面建立钻头模型
建立颗粒—墙接触模型
给钻头转速和下降速度掘土
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
JCYC
⎥ ⎦
+
2
⎛ ⎜⎝
V 2π
n
⎞2 ⎟⎠
⎡ ⎢
r12
⎣
+
⎛ ⎜⎝
V 2π
n
⎞2 ⎟⎠
⎤ ⎥ ⎦
1 2
⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭
P上 F上
F F
2
F 1
N F下
P下
2.螺旋挤扩钻头所受轴向阻力计算公式
T
=
∫∫ d T A
=
∫∫ p × A
f × [c o s β
sin φ
+
s in
β
]
r
d rd θ sin β
( ) T
JCYC
京冶地基
位移矢量分析结果（钻头钻尖处土层）
局部放大
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
JCYC
京冶地基
v/np =1 时土中深部下旋掘进阶段跟踪颗粒点位图
跟踪颗粒位置示意图
钻头掘进旋转速度比v/np=1时土中
深部下掘进阶段跟踪颗粒位置示意 图如左，分别跟踪钻头螺旋叶片附 近的颗粒。跟踪点point1为钻尖位 置的颗粒，跟踪点point3为距钻头 轴线1D距离的颗粒。下页图为各跟 踪点的位移轨迹发展线路图，从中 可以看到钻头下旋掘进对各跟踪点 颗粒的挤扩和竖向位移的影响。
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
SDS桩的国际工程应用
JCYC
京冶地基
近十多年来， SDS桩已在欧美澳日等经济发达国家得到广泛的工程应用， 已投入SDS桩工程应用的国家包括：荷兰、瑞典、比利时、卢森堡、德国、 法国、美国、匈牙利、波兰、澳大利亚、以色列、俄罗斯、日本、……
SDS桩已投入使用 的工程项目类型
京冶地基
理论研究－短螺旋挤扩钻头成孔颗粒流细观机理研究
模型
位移矢量
颗粒运动轨迹 颗粒流（PFC3D）细观分析研究
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
入土下旋掘进阶段
JCYC
京冶地基
位移场
土中深部下旋掘进阶段
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
JCYC
京冶地基
v/np = 1 时土中深部下旋掘进阶段径向位移
大型工厂厂房与仓储建筑 高层、超高层民用住宅楼 大型商业建筑与公用设施 高速铁路与高速公路 大型环境与能源工程建筑
SDS桩采用形式
桩基础 复合地基
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述－工程应用 JCYC 京冶地基
国家
项目概况
时间
桩型
桩长 (m)
桩径 桩数 工作荷 (mm) （根） 载（t）
Brussels-Vorst 地区 水处理厂桩基工程
ATLAS桩 12
560/ 810
189
460/ 670
345
176 100
Tampa地区 Bayside Plant 发电厂桩基
工程。采用Φ460 Dewaal 桩 替代混凝 土预制桩后，为业主节省建设费用100
2006
DD桩
460
多万美元，提前两个月完成桩基施工。
7
Orlando市35层商住楼桩基工程，柱荷 载900-2200t 美国
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
JCYC
京冶地基
SDS桩工程应用的效果 (技术,环保,成本优势)
SDS
¾节约建筑原材料资源（包括水泥、砂、石子）
桩
社会效益 ¾节能减排显著、节约国土资源（无需弃土场地）
新
¾推动环境保护，减少和避免噪声、振动、泥浆污染、
技 术
建筑扬尘、渣土运输、渣土排放、排污等不良环境灾害
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
SDS桩地层适用范围
适用地层：粘土、粉土、黄土、砂土、砂砾土、 残积土和强风化岩层
SPT N ＜ 35
(标准贯入)
JCYC
京冶地基
CPT qc ＜ 15 Mpa (静力触探)
SDS桩的桩径与单桩承载力设计值
桩径范围：350mm — 600mm （属于中型桩）
单桩承载力设计值：100 t — 300t
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
桩基础分类
桩基础的一般性分类
1. 摩擦桩 2. 端承桩 3. 摩擦端承桩
JCYC
京冶地基
根据成桩方法对地层的 影响，桩基础可分为
1. 非挤土桩 2. 部分挤土桩 3. 挤土桩
SDS 桩
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
SDS桩的发展历史
JCYC
京冶地基
SDS桩是由欧洲国家所研发并率先在欧洲地区 投入工程使用的，其中较为著名的SDS桩包括：
2005
DD桩
24.4
400460
134-151
加州 Orange County县 OCAWTF水处理 厂桩基工程
DEWAAL 桩
13.714.4
460
3500
＞100
SANTA ANA地区，Lake Site Towers， 27层双塔写字楼，每各核心筒区采用 300根Φ410 DD桩
2006 DD桩
报告人：刘钟
2011.04.27.
JCYC
京冶地基
汇报内容
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述 二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究 三、螺旋挤土桩（SDS桩）室内模型试验研究 四、螺旋挤土桩（SDS桩）施工装备开发研制 五、螺旋挤土桩（SDS桩）施工技术研究 六、螺旋挤土桩（SDS桩）现场足尺试验研究 七、螺旋挤土桩（SDS桩）计算方法开发 八、科研项目关键技术及主要创新点
China International Piling and Deep Foundations Summit 2011
JCYC
京冶地基
短螺旋挤土灌注桩（SDS桩）新技术
国家财政部与住建部资助的新技术科研项目
研发单位：中国京冶工程技术有限公司 中冶建筑研究总院有限公司 中联重科 同济大学 中国地质大学
T. PILE
JCYC
京冶地基
欧洲螺纹挤土桩
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
FDP PILE
Ω PILE
JCYC
京冶地基
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
JCYC
京冶地基
理论研究1 - 钻头ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ化研究
利用ADINA有限元程序,采用分段钻进动态 数值模拟手段和物理模型试验研究方法，分析 了不同钻型、钻头几何参数和地层参数对短螺 旋挤扩钻头成孔扭矩大小的影响。基本上摸清 了钻型、螺距、叶片截面形式、土性等多种因 素对短螺旋挤扩钻头优化性能的影响程度。为 短螺旋挤扩钻头的开发、设计与研制提供了理 论基础。
=
2π pf
⎧⎪ 1
⎨ ⎪⎩
2
r
2 2
−
r
2 1
+
V
⎡ ctg β ⎢
2π n
⎢⎣
r
2 2
+
⎛H ⎜⎝ 2 π
⎞2 ⎟⎠
−
r12
+
⎛ ⎜⎝
H 2π
⎞2 ⎟⎠
⎤ ⎥ ⎥⎦
⎫⎪ ⎬ ⎪⎭
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
JCYC
京冶地基
短螺旋挤扩钻头可钻性理论分析的试验验证
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
瑞典/荷兰 ATLAS PILE
比利时 FUNDEX PILE
日本AJ PILE 钢纤维预制螺纹桩
德国EUROPILE 预制预应力钢筋 混凝土螺纹桩
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述
JCYC
京冶地基
SDS桩发展历史 (Soil Displacement Screw Pile)
¾ 欧洲钢制螺旋锚桩（1833年） ¾ 欧洲ATLAS桩 & FUNDEX桩（上世纪60年代） ¾ 欧洲DEWAAL桩& OLIVIER桩（上世纪80年代中期） ¾ 欧洲螺纹灌注桩（上世纪80年代） ¾ EUROPILE & AJ桩（上世纪90年代） ¾ 欧洲OMEGA桩（上世纪90年代） ¾ 法国T桩（本世纪初） ¾ 美国DD桩（本世纪初） ¾ 澳大利亚V桩（本世纪初） ¾ 螺纹桩/螺杆桩（国内2002/2005年） ¾ 中国京冶SDS桩（国内2007年）
采用I-beam
Ω桩
17.520.5
400
70
一、螺旋挤土桩（SDS桩）综述－工程应用（续）JCYC 京冶地基
国家
项 目 概况
时间 桩型
桩长 (m)
桩径 桩数 工作荷载 (mm) （根） （t）
1995 ATLAS桩 16
6
波兰
Elblag市 Shopping-Office Center桩 基工程。7层办公楼，3层商业中心大厦
800
b
a
600
c
(扭 矩 /KN.m)
400
200
有限元计算简化模型
0
0
2
4
6
8
10
钻 深 /m
成孔扭矩－钻深曲线图
a
b
c
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
木介质
水泥土介质
JCYC
京冶地基
扭矩/N.m
140 130 120 110 100
90 80
8
扭矩
扭矩 10
14
18
16
10
14
16
18
20
JCYC
京冶地基
理论研究2 - PFC3D三维颗粒流细观机理研究
应用PFC3D三维颗粒流细观动态分析方法，对短 螺旋挤扩钻头钻进成孔过程中桩周土体所产生的各种 物理、力学性质变化特征进行了探讨，研究了短螺旋
挤扩钻头按不同掘进下旋速度比v/np(p为螺旋叶片螺
距)下旋成孔过程中的土体位移模式，探索了短螺旋 挤扩钻头下旋成孔的机理和孔壁土体颗粒空间接触形 态的演化规律。发现了孔周土体呈现完全不同的两种 位移发展模式，并掌握了短螺旋挤扩钻头在入土阶段 与深层阶段钻进成孔过程中孔周土体的挤土效应、孔 隙率变化、土中应力变化与分布、颗粒接触形态演化 过程，以及钻孔中与钻孔周围土颗粒的运动轨迹和特 征。
point6 point4
M
=
2π
×p×f
⎧ ⎪ ⎪⎪
1 3
⎡
⎢
r
2 2
⎣
+
3
⎛ V ⎞2 ⎤ 2
⎜⎝ 2 π n ⎟⎠
⎥ ⎦
−
2
⎛ ⎜⎝
V 2π
n
⎞2 ⎟⎠
⎡
⎢
r
2 2
⎣
+
1
⎛ V ⎞2 ⎤ 2
⎜⎝ 2 π n ⎟⎠
⎥ ⎦
⎫ ⎪ ⎪⎪
sin β
⎨ ⎪ ⎪− ⎪⎩
1 3
⎡ ⎢
r12
⎣
+
3
⎛ V ⎞2 ⎤ 2
⎜⎝ 2 π n ⎟⎠
钻头下旋掘进计算模型 Dmax=17.6mm
不同位移的球颜色示意图 Dmax=18.2mm
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
位移矢量分析结果（近地表土层处）
局部放大
JCYC
京冶地基
位移矢量分析结果（钻头中部处土层）
局部放大
二、螺旋挤土桩（SDS桩）理论研究
位移矢量分析结果（近钻头钻尖处土层）
局部放大
1997
Ω桩
1700
比
1利
时
Lot-beerest 区间欧洲 高速铁路路基工程
1997
Ω桩
2300
Buzingen 地区欧洲高速铁路路基工程， 要求复合地基承载力WL=9.6 t/m2
1997
Ω桩
12
310 650
39
2 意大利
Milan-Bologna 区间 欧洲高速铁路路基工程
2006 FDP桩 30 510 3500