螺旋桩基（锚）技术的发展与应用（一）

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螺旋桩简介

1.1螺旋桩的历史和国外发展状况

自从 1833 年 英国人亚历山大米歇尔发明了螺旋桩并首次应用在系船泊具以来, 在过去的近二百年中得到了不断 地 发展和完善。尤其是进入 20 世纪 80 年代以来, 随着液压安装设备技术的突破，螺旋桩在建筑工程领域， 包 括移动 房屋， 挡土墙， 基础托换，桩基等方面，得到了迅猛发展，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，螺旋桩被广泛地应用于电力塔架，油气管道，工业和民用建筑物，公路桥 梁，栈道平台， 路牌标识，临时和永久支撑，边坡支护改造等工程。

螺旋桩在日本，澳大利亚，和欧洲其他国家也得到了广泛应用。日本在１９９８年１月批准生产用于高层建筑基 础 工程的螺旋桩管桩，２００８年产量达到了５００００吨。澳大利亚在９９２年发明和使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螺旋桩的国内的发展历史状况

相比国外的高速发展，国内螺旋桩的生产，研究，安装，以及应用相对比较缓慢。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安装经验，对螺旋桩认可度不高；另一方面，螺旋桩对液压安装 设备 和螺旋叶片的成型要求很高，大扭矩重量轻的安装动力头设备需要进口，一定程度上制约了螺旋桩的推广和 应用。 虽然螺旋桩在许多领域具有独特的优势，但过去几十年在国内巨大的建筑市场中依然发展十分缓慢。

国内的螺旋桩的研究始于1999年，并于2007年湖南省工业设备公司首次将抗拔螺旋桩首次应用于基坑开 挖 支护结构，工程造价较传统的灌注桩支护方案节省５０％。2007年南京水利科学研究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年螺旋桩成功进入了北京 市和山 东省建筑市场。螺旋桩的使用地区多是经济相对发达领先的地方，这一分布规律从侧面反映了螺旋桩基础 的发展趋 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，生产出了真 正 符合国际标准的螺旋桩应用叶片。这种叶片在安装过程中最大程度地减小对土的扰动，从而大幅提高了螺旋桩 基础 的承载力。在螺旋桩工程领域，思创佳德拥有成套不同规格的动力安装设备和经验丰富的安装人员，在国 外结构和 岩土专业工程师团队的技术支持下，致力于市场开拓，在过去三年中对螺旋桩在国内的推广研究和应用 方面取得了 很大进展。２０１５年，思创佳德与北京建筑大学展开合作，对几种常用螺旋桩桩型在北京地区典 型土层的竖向承 载力进行了静力荷载试验和研究，为螺旋桩在北京地区的应用积累了经验。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安装工作，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，咨询和施工服务，其中包括城市河道改造的边坡 加固，高速公路加宽和边坡 处理，房屋纠偏，道路桥涵基础，和轻型建筑屋基础等等，扩大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， 安装， 应用和规范发展， 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 采纳了深基础机构(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，将有关螺旋桩的具体条文纳入了 IBC 2009。ICC 要求所 有用于建筑领域的螺 旋桩产品必须拥有评估报告，包括产品的性能，设计，以及安装指导。2012 年 ICC 采纳了 AC358 Acceptance Criteria, 为螺旋桩建立了作为建筑基础和支护的评估标准，不仅涉及材料强度，而且考虑了 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广泛的应用前 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安全稳定性要 求的时 候，往往需要安装挡土支护结构, 包括各种形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形式被大量的使用。

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广泛。这种挡土墙由现浇混凝土墙，墙底扩大基础，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获得，而土钉主要是 加固主动压力土体，从而达到土体稳定的目的。螺旋锚杆通常比螺旋土钉长, 具有更高的抗拔能力。

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，来抵抗土体的水平压力。成排的螺旋桩以一定间距分布来提供所需的水平和扭转抗力。通常 采用有限元程序分析软件来进行土体，墙体，桩体相互作用变形分析，最终确定螺旋桩与挡土墙体设计所需的 剪力和弯距，然后根据传统的钢结构和混凝土设计方法来确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）一般采用扩大基础形式。但在软弱土地区或高地下水地区，扩大基础形式或受到条件限 制，这种情况下，螺旋桩基是一种十分有效的手段。一排螺旋桩安装于挡土墙下，在扶臂末端额外安装另外的 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，除了在挡土墙下安装一排螺旋桩，在前臂结构末端 额 外安装螺旋桩。

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广泛的应用，主要有四种开挖支护的结构形式，其中包括喷射混凝土墙支护，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． 喷射混凝土墙锚杆支护

射混凝土墙支护中一般需要紧贴于喷射混凝土墙面钢质横支撑梁或现浇水泥横支撑梁来均匀传递螺旋锚杆的水平 抗 力。这样不仅可以有效减小墙面厚度，而且提高锚杆位置的抗冲切能力。（图7）

２． 连续钢板桩墙锚杆支护

连续钢板桩安装后，需要使用氧气切割设备在锚杆位置穿透钢板，然后安装螺旋锚杆。用于传递锚杆抗力的钢质 横 支撑梁一般焊接于钢板桩上，锚杆有时需要后期再次紧固。设计时需要考虑钢板穿透处结构强度和钢横支撑 梁的增 强作用。（图 8）

图 7 ：喷射混凝土墙支护 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，先进行螺旋锚杆安装，然后安装挡土板。连接螺旋锚杆的钢质横支撑梁 通过焊接固定在支护桩，往往焊接成为整体，来加强墙体稳定性。（图 9）

４． 内斜支撑锚杆支护

内斜支撑可以用于以上讨论的各种开挖支护结构，通过在基坑内安装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，因为螺旋桩需要在开挖区域安装，从而影响工程施工。但是这种支护形式非常经济， 而且在一些无法或无条件安装锚杆的情况下是必须的，例如在锚固区域存在地下管物建筑等。（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

螺旋土钉在变形要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广泛。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，从而达到土体稳定的目的。螺旋土钉通过一系列相同间距的焊接在钢管上的螺旋叶片来加强墙后或边坡土体强度，墙面或坡面不需要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靠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 特点使螺旋桩基在高速公路经过的特殊土地段，包括膨胀土地区，冻土地区，和湿陷土地区，具有经济优势。

膨胀土的特性是随着含水量的增加而发生显著的体积变化，从而对基础产生膨胀压力。在这一区域的路段，桥涵 等 结构物和路基及边坡往往会因为土体的体积变化和膨胀压力造成的影响，而发生失稳和破坏。螺旋桩的构造特点使 得螺旋桩在膨胀土地区具有应用技术优势。当承载螺旋叶片穿过膨胀土层, 位于底部稳定的非膨胀持力土 层时, 由于 螺旋桩桩身直径相对于底部螺旋叶片直径来讲很小,螺旋叶片能够轻易地提供由于膨胀土层对桩身产生的上拔力, 从 而大大减小桩的长度。

在季节性冻土路段，随着温度下降，孔隙水形成冰体并不断变大，造成土体整体体积变大，对桩体产生冻张力。类 似前述的膨胀土作用原理，螺旋桩由于桩身相对叶片较细，螺旋叶片能够轻易地提供抗拔力，从而减少了为 克服冻 涨力所需要的桩身长度，降低了工程造价。

当湿陷性土受湿后，会发生较大的沉降和对桩产生负摩擦力。螺旋桩可以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

由于具有能够快速安装和立刻承载的特点，螺旋桩在时间要求紧迫的路桥及边坡的维护和抢修方面,成为一种十 分 有效的解决方案。螺旋桩的安装速度基本在每５分钟３米左右，一根１５米的螺旋桩从吊起到完成一般只需要３０到４０分钟，并且不受天气的影响。螺旋桩的安装不需要大型机械设备,在条件困难的抢修或维护现场，进场相对容易，进场费用低。螺旋桩的安装对设备要求低，带有动力液压设备的传统的施工机械都可以用 于安装设备， 较小的设备也能够安装大承载力的螺旋桩。一个机组只需要两到三个人，大大降低了人力费用。

螺旋桩和螺旋桩锚固在安装后能够立即承载，这是需要等待水泥硬化和后期养护的混凝土基础和支撑结构无法比拟 的优势。动力贯入桩安装以后，施加荷载之前，往往需要等待超空隙水消散，而静力安装的螺旋桩却可以立即承载， 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：螺旋桩公路维修临时搭建桥梁

研究表明，螺旋桩的承载力和安装所需扭矩有关。通过安装扭矩测试装置，记录安装时的扭矩，螺旋桩的承载能力 和设计假定的土层情况能够立即验证，相比常用的荷载试验节省了大量的时间。

2.6 路基和边坡地下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，路基和路堤边坡的地下水往往会逐年上升，从 而软化路基和边坡土体强度， 造成路基和边坡失稳，影响公路使用和行车安全。通过在路基地基土和边坡土体内，安装由螺旋桩改良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，从而有效延长公路使用年限，提高行车安全。

思创佳德拥有具有专利技术的螺旋桩排水管及安装设备,能够在进场条件困难，作业空间狭窄的条件下， 快速安 装 排水钢管，提高经济效益。思创佳德的安装设备，可以直接在路堤路面的位置上开展作业，灵活地安装各种 角度排 水管，穿过各种坚硬地基土层（包括灰土层），无须护壁钻孔，满足各种设计要求。

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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。除了前面所说的安装快速，进场方便，立刻承载的特点，螺旋桩 还具有其他一些优势。

适于高地下水位和砂性土地区易于安装具有一定倾角的桩，灵活性高，通过调整桩的角度，来提高水平荷载能力易于现场调节桩的深度，来增加桩的承载能力使用于各种土层，满足各种荷载需求。单桩承载力达到２８９０ｋＮ低炭环保，对于临时性的支撑，可以反转取出重复使用定型成段生产，安装的时候，根据具体场地岩土性质，确定桩的长度 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， 最终的失稳形式与岩土性质 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方法来估算。第一种是最常用的理论设计方法（方法 1：柱状剪切 失 稳 ，方法 2：叶片失稳）通过使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 方法， 由静力触探的结果直接确定螺旋桩的极限承载力。第三种方法是使用安装扭矩，根据经验公式， 验 证螺旋桩的设计承载力。

通过对大量静力荷载试验结果的统计研究，下表总结了不同尺寸的螺旋桩在不同土层下的荷载试验结果与不同设计方法计算结果的对比。

4.2 螺旋锚杆

螺旋锚杆水平安装角度一般在１０到１５度之间，这样一方面相对于大水平安装角度，可以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可以提供更高的抗拔阻力。如果场地条件容许，螺旋锚杆可以 完全以绝对水平的方向安装， 在浅层可以通过增加锚杆长度和螺旋叶片数量，来获得需要的抗拔能力。而水泥灌浆锚杆必须以１０到１５度的角度安装，来确保水泥浆能够灌满钻孔。这是螺旋锚杆的一个安装设计 优势。

本质上来讲，锚杆需要刚性的挡土墙墙面来提供抵抗全部的土体的水平压力。挡土墙面设计可以通过简化的有限 元 板件来进行分析确定（常用软件，ＡｎａｌｙｓｉｓＧｒｏｕｐＴＭ，）也可以通过传统的冲剪切破坏分析，来确定锚杆帽承压钢板和水泥墙体的厚度。锚杆通过可以通过几种方式与水泥墙体的连结，最常用的一种是通过将承压钢板和末端的两个紧固螺帽放置于挡土墙墙内。楔型垫片一般用于承压钢板和紧固螺帽之间，来避免因角度引起的拉应力和力矩作用于连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非常重要的因素。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。如果锚杆螺旋叶片埋置深度距离地表太浅，土体的重量不足于提供所需的抗拔压力，锚杆将会发生浅层失稳，与螺旋桩基抗拔浅层失稳形式类似。因此锚杆需要嵌入足够的深度，也就是满足最小嵌入深度，来避 免浅层失稳。Ｇｈａｌｙ 和Ｈａｎｎａ在 1992 通过对实体模型的观察和测试，给出了螺旋桩在不 同土层的最小 嵌入深度的要求。见下表

锚杆满足最小嵌入深度的要求，抗拔力可以按螺旋桩基抗拉承载力的计算方法来确定。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：首先进行挡土墙各种计算，其中包括螺旋锚杆的抗拔力，水平土压力， 墙体内部稳定（倾翻，滑动，竖向承载），然后通过使用常用边坡稳定性分析软件Slope/W对挡土墙进行整体稳定性的计算 （图 14），评价深部穿过挡土墙基底的边坡失稳的安全性。

图 14：锚杆支护边坡的整体稳定分析

4.3 螺旋土钉

相对于螺旋锚杆，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。螺旋叶片间距一般是 2 到 3 倍螺旋叶片的直径。土钉墙面厚度较薄，一般使用喷 射混 凝土或 Chain-link 钢丝网。

思创佳德使用美国联邦高速公路部门推荐的土钉设计软件SNAP进行螺旋土钉的设计，在设计中将土钉的直径假定为承拉螺旋叶片的直径。SNAP可以对土钉墙的内部和外部稳定安全系数进行计算，通过反复试算，进行设计优化。下图是思创佳德做过的一个螺旋土钉墙的设计截图 （图 15）

思创佳德一般使用手算的方法，来对SNAP的计算结果进行验证。简单的说，就是将螺旋土钉加固的土体假定为一个块体，通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，来确定土钉墙的安全系数。

图 15：SNAP螺旋土钉分析

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螺旋桩的防腐设计

5.1 钢桩腐蚀性评价标准

由天然铁矿石制造成钢，需要大量的能量将其从氧化物转化成可延展的，延性的，可塑的和可焊接的形式，使钢 能 够抵抗压缩，拉伸和扭转力。从被冶炼的那一天起，钢铁将总是试图恢复其天然的低能（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生氧化而导致生锈，这就是电化学腐蚀的一个众所周知的例子。这种反应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应而导致的 损耗。

土的酸碱度和电阻率对钢的腐蚀速率有显著影响。酸性土壤一般（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。因此土的腐蚀性评价对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标准（ＲＲｅｖｉｅＵｈｌｉｇ’ｓＣｏｒｒｏｓｉｏｎＨａ ｎ ｄｂｏｏｋ, Ｓｅｃｔｉｏｎ ２０）土的腐蚀性评价

下表列出了西方一些国家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 不利的环境条件考虑的，如果土的电阻率和ＰＨ值测试值足够的可靠,螺旋桩的腐蚀性设计不必完全基于最不 利的 环境条件去考虑。

螺旋桩设计腐蚀速率－最不利的环境条件

EurocodeEN 1993-Part5 -2007

5.2 防腐设计方法

增加钢材桩的厚度是最常用的螺旋桩防腐设计的方法。螺旋桩的钢材厚度由两部分来确定，一个是螺旋桩结构 本 身稳定所需要的厚度，另一个是桩在设计使用年限内发生的腐蚀厚度。根据土的腐蚀性和相应的钢桩年腐蚀速 率， 腐蚀厚度由最终的使用年限乘以年腐蚀速率来确定。

螺旋桩常采用热浸镀锌和其他的降低腐蚀速率的方法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采用下表来确定防腐方案。

5.3 思创佳德螺旋桩的防腐考虑

思创佳德所有生产设计的螺旋桩全部具有对防腐要求的考虑。在了解土壤环境的腐蚀性的基础上，对于土壤腐蚀 性 高的地区，基本上采用热浸镀锌的防腐方案。所有螺旋桩的镀锌都是委托成熟和丰富经验的具有热浸镀锌工艺的专业公司完成，大大提高了防腐蚀的安全性。对于无法获取环境腐蚀性信息的项目，防腐方案一般按地区性最不利的条件来确定。虽然这样增加了公司的制造成本，但安全质量第一是思创佳德最优先考虑的产品设计要素。

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