高速铁路路基螺杆桩加固地基机理及施工技术

高速铁路路基螺杆桩加固地基机理及施工技术

王恺

中铁上海工程局集团有限公司第四工程有限公司

摘要：随着我国铁路建设的发展，路基的稳定性对铁路的正常运行变得十分重要。作为一种新的地基加固方法适用于松软土及地震液化地基，螺旋桩地基加固方法具有成桩速度快、桩身强度高、不受水流的干扰等特点，该技术应用广泛，能够确保铁路运输的安全性。

关键词：螺杆桩；工艺原理；施工技术

引言：螺杆桩的完整名称是半螺旋钻孔管内泵压混凝土灌注桩，它是一种特殊的地基加固方法，其上部呈圆柱形，而下部则是螺丝形状[1]。这种桩基础具有施工速度快、工期短、造价低和质量可靠等优点。通过改变截面的设计形态，它调节了土壤与桩的互动，从而显著增强了地基的承载能力，并有效地减少了路基的沉降。

一、螺旋桩加固地基原理

（一）关于工艺的基本理念

螺杆桩施工过程中应用了“螺丝钉比钉子更稳固”的基本原理。由于螺杆具有承载力高、无噪音等优点，已成为桩基工程中新的发展方向之一[2]。螺杆的设计采纳了螺纹式的形态，当桩形成后，其后部的混凝土会产生螺纹，同时桩侧的土壤会形成螺帽，这些螺帽与桩侧的土螺母是紧密结合的。由于螺旋结构本身具有一定强度，所以当发生水平位移或弯矩等外力时能产生较大变形。在桩顶荷载的作用下，螺纹段的桩侧土“螺母”会受到压迫，而环状“螺母”的根部则会受到剪切力的影响。螺纹段的抗剪力明显高于在相同条件下不设置螺纹时的侧阻力，这满足了附加应力分布和应力分担比以及刚度变化的需求，从而更好地体现了桩与土之间的受力关系。由于螺纹段承受较大压力，使得螺纹段产生塑性变形，从而降低其承载能力。在荷载传递的过程中，螺杆桩的上部直杆段承受的压力面积较大，这增强了桩身的刚度，并在螺纹段的受力中起到了连接上下的关键角色。

（二）工艺改良技术

在施工过程中，桩机钻杆使用了一种与钻杆旋转速度同步的下降或上升技术，以满足螺杆桩上部呈圆柱形和下部为螺纹型的特定工艺和结构需求。在钻机设计时就考虑到这种新型钻具的钻进性能及使用条件，使其既能适应地层复杂又能保证安全生产，同时降低了设备成本。同步技术是一种将下钻速度与旋转速度同步匹配的方法。每当钻头上升或下降一个螺距时，钻杆会旋转一圈并挤压土壤，从而形成螺纹形状。非同步技术指的是钻头的下钻速度和旋转速度不同步，也就是说，每当钻头提升或下落一个螺距时，钻杆会旋转多圈并挤压土体，从而形成圆柱形状。本文针对螺杆桩机在水平方向上不同深度处分别采取不同方法来实现钻杆转速与扭矩之间的同步控制。在螺杆桩机的钻进过程中，我们使用了正向非同步钻进技术，通过挤压土壤来形成圆柱状的段落，然后钻杆也采用了正向同步钻进方法，从而形成了螺纹段。在进行提钻操作时，我们使用反向旋转的方式同步提升钻杆到螺纹段的设计高度，并在此过程中对混凝土进行泵压，从而形成螺杆桩的螺纹部分。当钻杆升至螺纹段的顶部设计高度时，可以选择正向旋转或直接提升，并在此过程中将混凝土泵压至桩顶的设计高度以形成桩。

（三）螺杆桩构造

螺杆桩是一种变截面异形桩，由上部和下部两个部分构成。其结构特点是在桩身中部钻孔，形成直径较小、深度较浅的圆形孔，并将钻孔内灌注水泥或砂浆后成桩。桩的顶部呈圆柱状，这与常规的灌注桩是一样的，而底部则是带有螺纹的桩体。由于在桩身设有可调节长短的螺杆，因此具有较大的承载和变形能力。根据不同的地质条件，上下两段的长度分配会有所不同，经过现场的工艺性试验，通常采用1：2的比例就可以满足承载力的要求。在工程实践中发现，该新型桩具有施工方便、造价低等优点。详细的参数如下：螺纹桩的内径范围是30mm，与之对应的螺纹桩的直径D是400mm，而螺纹的高度则是50-60mm。由于螺纹段是在钻孔后再加工而成，因此其强度比常规混凝土灌注时提高了一倍多，且不需二次振捣就能达到设计强度。螺杆桩的施工流程，请参考图1。

图1

二、螺旋桩施工技术

勘察与设计： 在施工前，需要进行勘察和设计工作。勘察阶段包括地质勘察和地形勘察，以确定地质条件和地形特征。设计阶段则根据勘察结果，结合工程要求和标准，确定螺旋桩的尺寸、间距、深度等参数。

机械设备准备： 在确定了施工方案后，需要准备相应的机械设备。这些设备通常包括螺旋桩施工机、搅拌机（如需要）、输送设备等。确保机械设备的正常运转对于施工的顺利进行至关重要。

现场准备工作： 在施工现场进行必要的准备工作，包括清理施工区域、标记桩位、设置施工临时设施（如施工平台、通道等）、确保施工场地的安全。

钻孔： 使用螺旋桩施工机进行钻孔。根据设计要求和实际情况，控制好钻孔的深度和直径，确保钻孔的质量符合要求。

桩身沉桩： 将螺旋桩逐步沉入土层中。通过旋转桩体，利用螺旋桩的自身扭矩，将桩体逐渐下沉到设计要求的深度。在这一过程中，需要控制沉桩速度和桩身的竖直度。

固结灌浆（如需要）： 在沉桩的过程中，根据需要，在桩孔中进行灌浆。灌浆可以填充孔隙、加固土体、提高桩体承载力等。灌浆材料为C35混凝土。

验收和记录： 在施工完成后，对螺旋桩的质量进行验收。通过测量、观察等方式，确认桩体的尺寸、深度、竖直度等是否符合设计要求，并进行记录和归档。

三、对螺杆桩的质量进行严格控制

①在进行混凝土灌注之前，必须严格遵循验收准则，对已经形成的桩的中心位置、孔的深度、孔的直径以及垂直度进行全面检查，并据此完成相应的质量检查记录。在施工前要做好准备工作，确保钻孔质量达到设计要求。②钻进的过程中，我们对钻杆的垂直度进行了三个关键点的校验，这三个关键点分别是：下钻前；下钻时将钻头置于孔内一定位置上，以保证钻孔与基岩面平行。钻下的深度在3~4米之间；上钻到设计标高时。在达到预定的深度之后。其中下管阶段要严格按操作规程执行。如果成孔后的垂直度未达到设计标准，那么不应进行泵送混凝土，并应重新进行回填以完成成桩工作。③提钻泵压混凝土的操作时，必须确保钻杆的提升速度维持在1+0.2m/min的范围内，并与速度保持同步，严格禁止先进行提钻再进行泵送。当成孔后发现有较大下沉或倾斜现象时均需及时进行纠斜处理，否则会造成塌孔和断管事故。④在施工过程中，每一根桩的实际灌注量与其理论体积之间的比率，也就是混凝土的充盈系数，应不低于1.2。⑤在施工完毕之后，为了保证桩头的混凝土品质，灌注过程中的顶部超灌深度必须不低于50cm。

四、总结

螺杆桩施工因其不受地下水干扰、高承载能力、低沉降、短工期、施工简便、成本低廉、环境友好和无噪音等优点，特别适用于中密~密实砂层、砂砾石层等地质条件下的地基加固处理，并在客运专线铁路路基施工中得到了广泛的推广和应用。

参考文献：

[1]刘鹏涛.公路路基边坡加固中螺杆桩技术的应用[J].交通世界,2022,(23):72-74.

[2]胡晓军,何玉先.浅析螺杆桩在铁路路基工程施工中的应用[J].高速铁路技术,2020,11(04):100-104.

[3]马新辉.铁路路基施工中螺杆桩加固地基机理及施工工艺[J].安徽建筑,2019,26(05):51-52.

[4]《包银包惠施路通01-22.24-35通用图》