螺旋桩基（锚）技术的展开与应用（一）

来源：思创佳德

作者：赵清洁、资深岩土工程师

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有一个古老的谚语说：“历史总是自动重演。”往常看起来，这个格言也顺应于在岩土工程和地基范畴。在19世纪中叶，螺旋桩基演化成了世界范围内最优秀的桩基类型之一。劳动力富余的时期让其他类型的桩基一度十分盛行，但螺旋桩基的简单高效特性正在使螺旋桩基的运用变得越来越盛行。

螺旋桩由一个或多个螺旋叶片焊接在一根中心轴上，一片螺旋叶片是阿基米德螺旋线的一个旋转周。在近乎世界的每一个角落，包含美国在内，螺旋桩被应用于浅水区域地基、沿海灯塔地基、沿海防洪堤和码头地基及桥梁方面，而且也在河岸加固和建筑物地基方面普遍应用。在那个时期，螺旋桩主要由铸铁或者铸钢制造，这两种资料在那个时期充足可用，特别是在英国和美国范围内。

不论是目前还是永世的未来，随着螺旋桩在新范畴内不时开发新用处，它的应用前景越来越光明。螺旋桩基是一个引人注目的现场浇铸桩基的换代产品。由于螺旋桩曾经被设计应用于维持轴向压力和拉力负荷，以及横向的张力负荷，它们或许也能够用于修复现存的建筑结构，例如那些被自然灾害，例如地震，洪水和台风等，损坏的建筑物。它们还能够被用于建筑施工用暂时房屋和移动房屋的暂时地基，或者赈灾用暂时房屋和暂时桥梁等。大规格大尺寸的螺旋桩也正变得越来越普遍地用于大负荷的地基。

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螺旋桩简介

1.1螺旋桩的历史和国外展开状况

自从 1833 年 英国人亚历山大米歇尔发明了螺旋桩并初次应用在系船泊具以来, 在过去的近二百年中得到了不时 地 展开和完善。特别是进入 20 世纪 80 年代以来, 随着液压装置设备技术的突破，螺旋桩在建筑工程范畴， 包 括移动 房屋， 挡土墙， 基础托换，桩基等方面，得到了迅猛展开，短短二十年间仅在美国就取得了 100 多项 专利技术。 在基础和支护应用方面，螺旋桩被普遍地应用于电力塔架，油气管道，工业和民用建筑物，公路桥 梁，栈道平台， 路牌标识，暂时和永世支撑，边坡支护改造等工程。

螺旋桩在日本，澳大利亚，和欧洲其他国度也得到了普遍应用。日本在１９９８年１月批准消费用于高层建筑基 础 工程的螺旋桩管桩，２００８年产量抵达了５００００吨。澳大利亚在９９２年发明和运用了用于基础工程的 钢管 螺旋灌注桩。比利时自爱高速铁路项目ＣＴＲＬ(Ｃｈａｎｎｅｌ Ｔｕｎｎｅｌ Ｒａｉｌ Ｌｉｎｋ)也使 用了 大量的混凝土灌注螺旋桩。

1.2螺旋桩的国内的展开历史状况

相比国外的高速展开，国内螺旋桩的消费，研讨，装置，以及应用相对比较迟缓。一方面，大多数工程技术人员 对 螺旋桩十分陌生，由于缺乏足够的了解和设计装置阅历，对螺旋桩认可度不高；另一方面，螺旋桩对液压装置 设备 和螺旋叶片的成型请求很高，大扭矩重量轻的装置动力头设备需求进口，一定水平上限制了螺旋桩的推行和 应用。 固然螺旋桩在许多范畴具有共同的优势，但过去几十年在国内庞大的建筑市场中依然展开十分迟缓。

国内的螺旋桩的研讨始于1999年，并于2007年湖南省工业设备公司初次将抗拔螺旋桩初次应用于基坑开 挖 支护结构，工程造价较传统的灌注桩支护计划俭省５０％。2007年南京水利科学研讨院开发了一种适用于 汛期 堤防和公路边坡快速加固的特种抢险车辆－螺旋桩加固滑坡抢险工程车。２０１０年螺旋桩胜利进入了北京 市和山 东省建筑市场。螺旋桩的运用地域多是经济相对兴隆抢先的中央，这一散布规律从侧面反映了螺旋桩基础 的展开趋 势。

2010年，北京思创佳德桩工机械制造有限公司，引进了国外先进的单螺旋叶片冷轧设备和技术，消费出了真 正 契合国际规范的螺旋桩应用叶片。这种叶片在装置过程中最大水平地减小对土的扰动，从而大幅进步了螺旋桩 基础 的承载力。在螺旋桩工程范畴，思创佳德具有成套不同规格的动力装置设备和阅历丰厚的装置人员，在国 外结构和 岩土专业工程师团队的技术支持下，努力于市场开辟，在过去三年中对螺旋桩在国内的推行研讨和应用 方面取得了 很大停顿。２０１５年，思创佳德与北京建筑大学展开协作，对几种常用螺旋桩桩型在北京地域典 型土层的竖向承 载力中止了静力荷载实验和研讨，为螺旋桩在北京地域的应用积聚了阅历。２０１６年九月， 思创佳德承担了河南 省密云高速公路道路部分标识牌的设计与装置工作，成为该工程新技术创新的亮点。在过去 几年中，思创佳德还提 供了许多项目有关螺旋桩方面的设计，咨询和施工效劳，其中包含城市河道改造的边坡 加固，高速公路加宽和边坡 处置，房屋纠偏，道路桥涵基础，和轻型建筑屋基础等等，扩展了自身在螺旋桩基础 行业的影响力。

1.3国际相关规范

为了确保螺旋桩的设计， 装置， 应用和规范展开， 国际规范委员会（International Code Council 简称 ICC） 于 2006 年针对螺旋桩制定了相应的条文和规范(2006 国际建筑规范（2006 International Building Code 简称 IBC））。2008 年九月，ICC 采用了深基础机构(Deep Foundation Institute 简称 DFI)螺旋桩和锚支委员会 (Helical Piles and Tie-Backs Committee)递交的提议，将有关螺旋桩的细致条文归入了 IBC 2009。ICC 请求所 有用于建筑范畴的螺 旋桩产品必须具有评价讲演，包含产品的性能，设计，以及装置指导。2012 年 ICC 采用了 AC358 Acceptance Criteria, 为螺旋桩树立了作为建筑基础和支护的评价规范，不只触及资料强度，而且思索了 结构连结，防腐，弯曲 和土体相互作用。

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螺旋桩锚固在高速公路的应用

2.1 公路挡土结构的应用

螺旋桩，螺旋锚杆，(下图 1 和 2) 和螺旋土钉在高速公路边坡稳定和开挖支护的挡土结构中有着普遍的应用前 景。在高路堤高路堑和桥台陡边坡路段，当填土和地基土的力学性质不能满足维持设计边坡所需的保险稳定性要 求的时 候，常常需求装置挡土支护结构, 包含各种方式的挡土墙和锚固结构（锚杆和土钉等）。在挡土墙结构 中，螺旋桩 和螺旋锚杆基本上以四种结构方式被大量的运用。

图1：螺旋桩基图

图2: 螺旋锚杆

１． 螺旋锚杆挡土墙

螺旋锚杆挡土墙应用最为普遍。这种挡土墙由现浇混凝土墙，墙底扩展基础，和一排或几排螺旋锚杆组成。 螺旋锚杆（图 3）不同于螺旋土钉的作用原理，抗拔力基本上从远离主动压力土体的区域取得，而土钉主要是 加固主动压力土体，从而抵达土体稳定的目的。螺旋锚杆通常比螺旋土钉长, 具有更高的抗拔才干。

图 3: 螺旋锚杆挡土墙

２．斜支撑螺旋桩挡土墙(图4)

这种结构常用于桥台，有两排或多排螺旋桩在底部支撑上部的混凝土挡土墙体。其中一排或多排螺旋桩于竖直 方向成一定角度，来抵御土体的水平压力。成排的螺旋桩以一定间距散布来提供所需的水平和改动抗力。通常 采用有限元程序剖析软件来中止土体，墙体，桩体相互作用变形剖析，最终肯定螺旋桩与挡土墙体设计所需的 剪力和弯距，然后依据传统的钢结构和混凝土设计措施来肯定所需的螺旋桩的尺寸和混凝土墙体配筋。

图 4：斜支撑螺旋桩挡土墙 图 5:双排螺旋桩后扶臂挡土墙 图 6: 双排螺旋桩前扶臂挡土墙

３．双排螺旋桩后扶臂挡土墙

后扶臂挡土墙（图5）普通采用扩展基础方式。但在脆弱土地域或高公开水地域，扩展基础方式或遭到条件限 制，这种状况下，螺旋桩基是一种十分有效的伎俩。一排螺旋桩装置于挡土墙下，在扶臂末端额外装置另外的 螺旋桩。

４．双排螺旋桩前扶臂挡土墙

螺旋桩在前扶臂挡土墙(图 6) 的应用和后臂挡土墙相似，除了在挡土墙下装置一排螺旋桩，在前臂结构末端 额 外装置螺旋桩。

2.2 公路开挖支护的锚杆应用

螺旋锚杆在开挖支护中也有着普遍的应用，主要有四种开挖支护的结构方式，其中包含放射混凝土墙支护，连续 钢 板桩墙支护，不连续桩与挡土板支护，和内斜支撑支护。

１． 放射混凝土墙锚杆支护

射混凝土墙支护中普通需求紧贴于放射混凝土墙面钢质横支撑梁或现浇水泥横支撑梁来平均传送螺旋锚杆的水平 抗 力。这样不只能够有效减小墙面厚度，而且进步锚杆位置的抗冲切才干。（图7）

２． 连续钢板桩墙锚杆支护

连续钢板桩装置后，需求运用氧气切割设备在锚杆位置穿透钢板，然后装置螺旋锚杆。用于传送锚杆抗力的钢质 横 支撑梁普通焊接于钢板桩上，锚杆有时需求后期再次紧固。设计时需求思索钢板穿透处结构强度和钢横支撑 梁的增 强作用。（图 8）

图 7 ：放射混凝土墙支护 图 8：连续桩板桩墙支护

３． 不连续桩与挡土板锚杆支护

不连续桩与挡土板支护在开挖到锚杆位置，先中止螺旋锚杆装置，然后装置挡土板。衔接螺旋锚杆的钢质横支撑梁 经过焊接固定在支护桩，常常焊接成为整体，来增强墙体稳定性。（图 9）

４． 内斜支撑锚杆支护

内斜支撑能够用于以上讨论的各种开挖支护结构，经过在基坑内装置螺旋桩和支撑连结件来提供墙体稳定所需的水 平抗力。这种支护结构有缺陷，由于螺旋桩需求在开挖区域装置，从而影响工程施工。但是这种支护方式十分经济， 而且在一些无法或无条件装置锚杆的状况下是必须的，例如在锚固区域存在公开管物建筑等。（图 10）

图 9：不连续桩与挡土板锚杆支护 图 10：内斜支撑锚杆支护

2.3 路堤桥台边坡土体加固的应用

螺旋土钉在变形请求相对不高的高速公路边坡稳定或桥台台前挡土结构应用普遍。不同于螺旋锚杆的作用机理，螺旋土钉主要用来加固挡土墙后或边坡土体，提供由土体变形移动而产生的被动抗力，从而抵达土体稳定的目的。螺旋土钉经过一系列相同间距的焊接在钢管上的螺旋叶片来增强墙后或边坡土体强度，墙面或坡面不需求强度很高的钢性结构面。

图11：螺旋土钉

2.4 公路特殊土路段的应用

螺旋桩的承载力主要依托焊接螺旋叶片的桩身部分，顶部叶片以上的桩身部分对桩的承载力影响很小。这样的构 造 特性使螺旋桩基在高速公路经过的特殊土地段，包含收缩土地域，冻土地域，和湿陷土地域，具有经济优势。

收缩土的特性是随着含水量的增加而发作显著的体积变更，从而对基础产生收缩压力。在这一区域的路段，桥涵 等 结构物和路基及边坡常常会由于土体的体积变更和收缩压力构成的影响，而发作失稳和破坏。螺旋桩的结构特性使 得螺旋桩在收缩土地域具有应用技术优势。当承载螺旋叶片穿过收缩土层, 位于底部稳定的非收缩持力土 层时, 由于 螺旋桩桩身直径相关于底部螺旋叶片直径来讲很小,螺旋叶片能够随意地提供由于收缩土层对桩身产生的上拔力, 从 而大大减小桩的长度。

在时节性冻土路段，随着温度降落，孔隙水构成冰体并不时变大，构成土体整体体积变大，对桩体产生冻张力。类 似前述的收缩土作用原理，螺旋桩由于桩身相对叶片较细，螺旋叶片能够随意地提供抗拔力，从而减少了为 抑止冻 涨力所需求的桩身长度，降低了工程造价。

当湿陷性土受湿后，会发作较大的沉降和对桩产生负摩擦力。螺旋桩能够有效的穿过湿陷深度，将叶片置于底部 稳 定的土层。由于上部桩身相对较细，湿陷产生的负摩擦阻力对桩的影响较小，从而减小了桩身的长度和成本。

2.5 路桥维护和抢修的应用

由于具有能够快速装置和立刻承载的特性，螺旋桩在时间请求紧迫的路桥及边坡的维护和抢修方面,成为一种十 分 有效的处置计划。螺旋桩的装置速度基本在每５分钟３米左右，一根１５米的螺旋桩从吊起到完成普通只需求３０到４０分钟，并且不受天气的影响。螺旋桩的装置不需求大型机械设备,在条件艰难的抢修或维护现场，进场相对容易，进场费用低。螺旋桩的装置对设备请求低，带有动力液压设备的传统的施工机械都能够用 于装置设备， 较小的设备也能够装置大承载力的螺旋桩。一个机组只需求两到三个人，大大降低了人力费用。

螺旋桩和螺旋桩锚固在装置后能够立刻承载，这是需求等候水泥硬化和后期养护的混凝土基础和支撑结构无法比较 的优势。动力贯入桩装置以后，施加荷载之前，常常需求等候超空隙水消散，而静力装置的螺旋桩却能够立刻承载， 而且承载力会随着时间进一步增加。

图 12：螺旋桩桥墩托换 图 12：螺旋桩公路维修暂时搭建桥梁

研讨表明，螺旋桩的承载力和装置所需扭矩有关。经过装置扭矩测试装置，记载装置时的扭矩，螺旋桩的承载才干 和设计假定的土层状况能够立刻考证，相比常用的荷载实验俭省了大量的时间。

2.6 路基和边坡公开水条件改善方面的应用

由于设计，施工，维护方面的缺陷，以及地质岩土渗透性质的影响，路基和路堤边坡的公开水常常会逐年上升，从 而软化路基和边坡土体强度， 构成路基和边坡失稳，影响公路运用和行车保险。经过在路基地基土和边坡土体内，装置由螺旋桩改进设计的横向排水管道，能够有效地改善地基和边坡土体的排水条件，降低土体水位及其不利影响，从而有效延长公路运用年限，进步行车保险。

思创佳德具有具有专利技术的螺旋桩排水管及装置设备,能够在进场条件艰难，作业空间狭窄的条件下， 快速安 装 排水钢管，进步经济效益。思创佳德的装置设备，能够直接在路堤路面的位置上展开作业，灵活地装置各种 角度排 水管，穿过各种坚硬地基土层（包含灰土层），无须护壁钻孔，满足各种设计请求。

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高速公路螺旋桩的应用优势

螺旋桩在高速公路工程项目中具有许多应用优势。除了前面所说的装置快速，进场方便，立刻承载的特性，螺旋桩 还具有其他一些优势。

适于高公开水位和砂性土地域易于装置具有一定倾角的桩，灵活性高，经过调整桩的角度，来进步水平荷载才干易于现场调理桩的深度，来增加桩的承载才干运用于各种土层，满足各种荷载需求。单桩承载力抵达２８９０ｋＮ低炭环保，关于暂时性的支撑，能够反转取出重复运用定型成段消费，装置的时分，依据细致场地岩土性质，肯定桩的长度 无噪音，无震动

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螺旋桩基础和锚杆工程设计

4.1 螺旋桩基础设计

螺旋桩单桩基础有两种可能失败机理（图13），一种是由多叶片相成的柱状剪切失稳，另一种是叶片承载失稳， 最终的失稳方式与岩土性质 以及叶片间距 S 和叶片的直径 D 比率S/D 有密切关系。当 S/D< 2 时，柱状剪切失稳的 可能性高， 当 S/D> 2 时，则叶片失稳的可能性高。

图 13 ：螺旋桩两种失败机理

在设计螺旋桩基础时，其竖向承载力有三种常用措施来预算。第一种是最常用的理论设计措施（措施 1：柱状剪切 失 稳 ，措施 2：叶片失稳）经过运用相关岩土力学参数和理论承载力公式，计算出螺旋桩的极限承载力。第二种方 法 是 lCPC 措施， 由静力触探的结果直接肯定螺旋桩的极限承载力。第三种措施是运用装置扭矩，依据阅历公式， 验 证螺旋桩的设计承载力。

经过对大量静力荷载实验结果的统计研讨，下表总结了不同尺寸的螺旋桩在不同土层下的荷载实验结果与不同设计措施计算结果的对比。

4.2 螺旋锚杆

螺旋锚杆水平装置角度普通在１０到１５度之间，这样一方面相关于大水平装置角度，能够缩短锚杆越过主动压 力 土体所需的长度；另一方面，由于土体通常随着埋深能够提供更高的抗拔阻力。假如场地条件允许，螺旋锚杆能够 完整以绝对水平的方向装置， 在浅层能够经过增加锚杆长度和螺旋叶片数量，来取得需求的抗拔才干。而水泥灌浆锚杆必须以１０到１５度的角度装置，来确保水泥浆能够灌满钻孔。这是螺旋锚杆的一个装置设计 优势。

实质上来讲，锚杆需求刚性的挡土墙墙面来提供抵御全部的土体的水平压力。挡土墙面设计能够经过简化的有限 元 板件来中止剖析肯定（常用软件，ＡｎａｌｙｓｉｓＧｒｏｕｐＴＭ，）也能够经过传统的冲剪切破坏剖析，来肯定锚杆帽承压钢板和水泥墙体的厚度。锚杆经过能够经过几种方式与水泥墙体的连结，最常用的一种是经过将承压钢板和末端的两个紧固螺帽放置于挡土墙墙内。楔型垫片普通用于承压钢板和紧固螺帽之间，来避免因角度惹起的拉应力和力矩作用于衔接锚杆的带丝扣的钢杆。

嵌入土体的深度是影响锚杆锚固效果的一个十分重要的要素。锚杆的嵌入深度是指主动压力土体滑动面到最顶端 的 螺旋叶片的距离。假如锚杆螺旋叶片埋置深度距离地表太浅，土体的重量缺乏于提供所需的抗拔压力，锚杆将会发作浅层失稳，与螺旋桩基抗拔浅层失稳方式相似。因而锚杆需求嵌入足够的深度，也就是满足最小嵌入深度，来避 免浅层失稳。Ｇｈａｌｙ 和Ｈａｎｎａ在 1992 经过对实体模型的察看和测试，给出了螺旋桩在不 同土层的最小 嵌入深度的请求。见下表

锚杆满足最小嵌入深度的请求，抗拔力能够按螺旋桩基抗拉承载力的计算措施来肯定。见下式：

Ｐｕ ＝ ｑｕｌｔ(πＤ２ )

Ｐｕ － 螺旋桩极限抗拔力

ｑｕｌｔ－ 土的极限承 载压力

ＤＴ － 顶部 叶片的直径

思创佳德的设计程序：首先中止挡土墙各种计算，其中包含螺旋锚杆的抗拔力，水平土压力， 墙体内部稳定（倾翻，滑动，竖向承载），然后经过运用常用边坡稳定性剖析软件Slope/W对挡土墙中止整体稳定性的计算 （图 14），评价深部穿过挡土墙基底的边坡失稳的保险性。

图 14：锚杆支护边坡的整体稳定剖析

4.3 螺旋土钉

相关于螺旋锚杆，螺旋土钉的数量多和密度高，水平和竖向间距通常采用１.２米到１.８米。螺旋土钉的杆长也 比 螺旋锚杆短得多，荷载较小。螺旋叶片间距普通是 2 到 3 倍螺旋叶片的直径。土钉墙面厚度较薄，普通运用喷 射混 凝土或 Chain-link 钢丝网。

思创佳德运用美国联邦高速公路部门引荐的土钉设计软件SNAP中止螺旋土钉的设计，在设计中将土钉的直径假定为承拉螺旋叶片的直径。SNAP能够对土钉墙的内部和外部稳定保险系数中止计算，经过重复试算，中止设计优化。下图是思创佳德做过的一个螺旋土钉墙的设计截图 （图 15）

思创佳德普通运用手算的措施，来对SNAP的计算结果中止考证。简单的说，就是将螺旋土钉加固的土体假定为一个块体，经过计算块体后的静止土压力总与块体底部的摩擦力总和比率，来肯定土钉墙的保险系数。

图 15：SNAP螺旋土钉剖析

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螺旋桩的防腐设计

5.1 钢桩腐蚀性评价规范

由自然铁矿石制构成钢，需求大量的能量将其从氧化物转化成可延展的，延性的，可塑的和可焊接的方式，使钢 能 够抵御紧缩，拉伸和改动力。从被冶炼的那一天起，钢铁将总是试图恢复其自然的低能（氧化物） 形 式。这种自发过程被称为腐蚀。由于铁原子在固体溶剂中发作氧化而招致生锈，这就是电化学腐蚀的一个众所周知的例子。这种反响通常会产生对应金属的氧化物，也可能产生盐。换句话说，腐蚀指的是金属物质因化学反响而招致的 损耗。

土的酸碱度和电阻率对钢的腐蚀速率有显著影响。酸性土壤普通（低ＰＨ值）会加快腐蚀过程，而碱性土壤（高 Ｐ Ｈ值）会降低腐蚀过程。土体的电阻率越低，腐蚀过程会越快。因而土的腐蚀性评价关于螺旋桩防腐设计十分重要。下表是广为接受的土的腐蚀性评价规范（ＲＲｅｖｉｅＵｈｌｉｇ’ｓＣｏｒｒｏｓｉｏｎＨａ ｎ ｄｂｏｏｋ, Ｓｅｃｔｉｏｎ ２０）土的腐蚀性评价

下表列出了西方一些国度和著名的螺旋桩公司对螺旋桩的腐蚀速率有自己的设计评价，这些设计腐蚀速率是基于 最 不利的环境条件思索的，假如土的电阻率和ＰＨ值测试值足够的牢靠,螺旋桩的腐蚀性设计不用完整基于最不 利的 环境条件去思索。

螺旋桩设计腐蚀速率－最不利的环境条件

EurocodeEN 1993-Part5 -2007

5.2 防腐设计措施

增加钢材桩的厚度是最常用的螺旋桩防腐设计的措施。螺旋桩的钢材厚度由两部分来肯定，一个是螺旋桩结构 本 身稳定所需求的厚度，另一个是桩在设计运用年限内发作的腐蚀厚度。依据土的腐蚀性和相应的钢桩年腐蚀速 率， 腐蚀厚度由最终的运用年限乘以年腐蚀速率来肯定。

螺旋桩常采用热浸镀锌和其他的降低腐蚀速率的措施来减少钢材的厚度和造价。美国联邦高速公路协会（ＦＨＷＡ）列出了镀锌钢材的腐蚀速率，最初两年的腐蚀速率为１５μｍ／年，随后每年的腐蚀速率降低为４μｍ／ 年。最近， 英国公司ＳｒｅｗｆｓｔＴＭ采用下表来肯定防腐计划。

5.3 思创佳德螺旋桩的防腐思索

思创佳德一切消费设计的螺旋桩全部具有对防腐请求的思索。在了解土壤环境的腐蚀性的基础上，关于土壤腐蚀 性 高的地域，基本上采用热浸镀锌的防腐计划。一切螺旋桩的镀锌都是委托成熟和丰厚阅历的具有热浸镀锌工艺的专业公司完成，大大进步了防腐蚀的保险性。关于无法获取环境腐蚀性信息的项目，防腐计划普通按地域性最不利的条件来肯定。固然这样增加了公司的制造成本，但保险质量第一是思创佳德最优先思索的产品设计要素。

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