李鹏飞

【摘要】本文通过介绍钉形双向搅拌桩的相关知识，并将其与传统搅拌桩进行比较，阐述了它的优势方面；接着讲述了钉形双向搅拌桩在实际中的应用，并提出了其具体的施工技术及步骤。

【关键词】钉形双向搅拌桩；软土地基；施工工艺；应用

前 言

目前，国内常见的深层软土处理方法主要分为排水固结和复合地基处理。采用排水固结法的比如真空预压法、堆载预压法等；常用复合地基处理的比如一般水泥搅拌桩、高压旋喷桩、预制管桩法、CFG桩等；上述几种软土处理方法均有优缺点，下面再一一陈述。现介绍一种逐渐推广使用的处理方法---钉形双向搅拌桩法。钉形双向搅拌桩由于其适用性广，施工质量稳定，施工周期短，复合地基承载力高，近年来在沿海、沿河等市政工程的软土路基处理中已逐渐推广。下面叙述一下钉形搅拌桩的相关知识及施工工艺。

第一章 钉形双向搅拌桩的介绍

钉形双向搅拌桩技术，它属于一种先进的水泥土搅拌桩技术。这样一种钉形双向搅拌桩其机械构造部分主要是由改造过的现行搅拌桩的传动系统、钻头以及钻杆等组合而成，主要分为两部分：一是使用同心双轴的钻杆，在其内钻杆部位安装顺时针旋转的叶片，在外钻杆部位安装逆时针旋转的叶片；二是再将用于搅拌的叶片改进成为能够伸缩的叶片，让它可以在地面以下任意的深度进行伸缩，形成两种不同的半径，并且扩大其桩体上部的截面，从而组合成钉子形状的双向搅拌桩。有关钉形双向搅拌桩的施工机械图及其搅拌效果图、剖面示意图如下所示：

钉形双向水泥土搅拌桩特点

东南大学与南京路鼎搅拌桩特种技术有限公司针对目前水泥土搅拌桩存在的问题，在充分研究水泥土搅拌桩的加固机理和影响水泥土搅拌桩成桩质量的基础上，经多年的探索与实践，联合开发的软土地基处理的新技术，它吸收了常规水泥土搅拌桩的优点，充分利用复合地基应力传递规律，在攻克了常规搅拌桩的严重缺陷后，发明的一种新桩型与一种全新的施工方法即钉形水泥土搅拌桩与双向水泥土搅拌桩，并获得了国家发明专利（专利号：200410065862，200410065861），两者有机结合成钉形双向水泥土搅拌桩。

如上面所述，钉形双向水泥土搅拌桩采用同心双轴钻杆，它通过在内钻杆上设置正向旋转叶片并设置喷浆口，在外钻杆上安装反向旋转叶片，通过外杆上叶片反向旋转过程中的压浆作用和正反向旋转叶片同时双向搅拌水泥土的作用，实现了正反向同时旋转的施工工艺。有关钉形双向搅拌桩的特点，主要表现在以下几个方面：

（1）具有搅拌均匀的特点。由于进行了顺时针逆时针方向的同时旋转，才使得水泥浆和土体之间得到了充分的搅拌，不会出现普通搅拌桩的层状局面。

（2）能够进行就地搅拌。经过上层叶片的正反旋转，从而阻止了水泥浆不断往上冒的趋势，且强制性地对水泥浆进行了就地搅拌，这样一来就彻底解决了冒浆的现象。

（3）具有受力合理的特点。设计并制作成“钉形”的截面结构，契合了地基中应力的传递规律，从而使得施加在桩体上的受力更加地合理。

（4）能有效地减小沉降。因为对钉形桩结构的设计十分合理，桩身的质量更加地匀称，且桩身的强度又高，从而将上部的荷载传送到地基深处，以此减少了地基下沉的现象。

（5）对周边土体的扰动较小。同心双轴顺时针逆时针的旋转，相互抵消了土体与叶片之间所产生的水平旋转力，钻杆也不再左右摇动，从而降低了对周边土体的扰动。

（6）具有很强的经济性。由于扩大头的作用，以及大幅度提高了樁身的强度，提高了复合地基的承载力，使得桩与桩之间的间距扩大，这就对软土地基进行处理的工程量相对减小，使得造价更低。

（7）更加容易推广。使用的是常规的固化剂材料，只需要加工改进现行的泥土搅拌机即可。这样一来，只需对施工人员进行短暂的指导就能施工建造，更容易被人接受。

第二章 钉形双向搅拌桩的加固机理

钉形双向搅拌桩是软土地基处理的方法之一，原理就是通过同轴双向转动的转杆以及可自动伸缩的叶片，沿深度方向将软土与固化剂（水泥浆，可掺入一定量的外加剂）就地进行强制搅拌，使土体与固化剂发生物理化学反应，与桩间土形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土加固体，从而提高软土地基的承载力，减少地基沉降。钉形搅拌桩由于其形似“钉子”结构，充分利用了土中应力传递逐渐衰减的规律；其次在路基上覆荷载的作用下，充分利用土拱作用，扩大头部分确保桩体与桩间土的协调变形，达到更佳的复合地基效果；同时上部扩大头起到类似承台作用，降低了应力集中作用，对上部褥垫层起到保护作用。

第三章 钉形双向搅拌桩的适用范围及优点

1.钉形双向搅拌桩的适用范围

⑴适用的工程范围

钉形双向搅拌桩不仅在路基软基处理方面广泛应用，在其他工程中也同样采用到该技术：

①复合地基：作为多层住宅，办公楼，工业厂房，高速公路、铁道和机场场道以及高填方路堤等的复合地基；

②支挡结构：可用于软土层中的基坑开挖、管沟开挖、码头加固或河道开挖的边坡支护和防止底部管涌、隆起；

③防渗帷幕：由于水泥土结构致密，可用于软土地基基坑开挖和其他水利工程的防渗帷幕；

⑵适用的地质条件范围

钉形水泥土双向搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、软粘性、松散砂土等软弱地基。

2.钉形双向搅拌桩的优点

⑴常用软基加固方法比选

根据工程经验，我们把常用软基加固方法以列表来说明其优缺点：

从以上分析比较明显看出：水泥土搅拌桩同时具有施工速度快，工期短的特点，因而目前大多数道路工程采用的是水泥土搅拌桩复合地基技术。

⑵钉形双向水泥土搅拌桩与常规水泥土搅拌桩的对比

就水泥土搅拌桩而言，钉形双向水泥土搅拌桩是在常规水泥土搅拌桩基础上发展而成的一种新工艺和结构形式，不光在处理软基技术上领先，工程质量更容易保证；同样在经济上也更能加快施工速度，节省投资，具有良好的经济效益（见第七章实例）。

钉形与双向水泥土搅拌桩与常规水泥土搅拌桩相比，从技术上具有以下优势：

第四章 钉形双向水泥土搅拌桩设计简介

1、设计一般规定

钉形双向水泥土搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质地、粉土、软粘性土及无流动地下水的松散砂土等软弱地基。其桩长应根据变形要求确定，宜穿透软土层。钉形双向水泥土搅拌桩设计前应具备岩土勘察资料、工程场地和环境条件的相关资料、建（构）筑物的相关资料、施工条件的相关资料。

2、材料

钉形双向水泥土搅拌桩所用水泥种类需要和加固的土质相适应，一般情况下，桩体强度大于1.5MPa时，应选用强度等级在42.5以上的水泥；桩体强度小于1.5MPa时，应选用强度等级在32.5以上的水泥；当需要桩体有较高的早期强度时，宜选用普通硅酸盐水泥和波特兰水泥。外加剂的种类和掺量应根据不同土质条件和工程要求通过试验确定选用。钉形双向水泥土搅拌水泥土强度标准值宜采用90天龄期的无侧限抗压强度平均值。

3、设计计算

钉形双向水泥土搅拌桩设计计算按照复合地基要求计算，并进行地基变形验算。钉形双向水泥土搅拌桩的扩大头高度宜大于桩长的1/3。钉形双向水泥土搅拌桩的下部桩径不宜小于500mm，上下桩径比宜在1.8～2.4之间；其桩间距应根据复合地基承载力、建（构）筑物允许沉降量、土性、施工工艺等确定，宜取1.8～2.4m。钉形双向水泥土搅拌桩桩身水泥掺入比应根据单桩承载力，通过室内配比确定，水泥掺入量宜为被加固湿土质量的12%～18%，水灰比可选用0.50～0.60，地基含水量高者取小值。钉形双向水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值应通过现场地基载荷试验确定。

第五章 钉形双向搅拌桩的施工工艺

⑴施工的材料

①所采用的材料一般为普通硅酸型盐水泥（R32.5级），且应在保质期内；定期地提供有关其强度性、安定性等方面的试验报告。

②用于搅拌水泥浆的用水必须合格。

⑵施工前的准备

①在施工之前，依据被加固土的性质及其所能承担的承载力的要求，来配比掺入搅拌桩的水泥量。

②在对大面积的地基施工之前，应进行工艺性的试桩，以确定施工中所需的技术参数，从而达到试验桩能与工程桩相一致的效果。

③依据设计的要求及试桩时所获取的资料来选择适宜的施工机械，还要实地勘测满足施工机械所要求的地基承载力，当不满足其要求时再采取相应的措施解决。

④按照施工的设计图表的要求来确定桩的位置，并平整施工场地，清除一些地上及地下的障碍物。

⑶对施工参数的要求

钉形双向搅拌桩选用的设计参数根据不同项目及地质，是不一样的。搅拌桩的机械参数：下沉速度一般控制在0.5-0.8米/每分钟，提升的速度控制在0.7-1米/每分钟。

⑷具体的施工步骤（以两搅两喷为例）

① 桩机定位

搅拌机到达指定桩位后对中，调整机身，使设备保持水平，钻杆呈铅直状态，对中允许误差为20mm。

② 喷浆搅拌下沉

在事先挖好的浆池中按设计确定的配合比配制好水泥浆，旁边安置好输浆泵，用输浆胶管将储料灌浆泵与搅拌桩机接通。启动搅拌机，使搅拌机沿导向架向下切土，同时开启送浆泵向土體喷送水泥浆，两组叶片同时正、反向旋转（外钻杆逆时针旋转，内钻杆顺时针旋转）切割、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到扩大头设计深度。

③ 施工下部桩体

将外部搅拌叶片收缩到下部桩体直径，两组叶片继续同时正、反向旋转切割、喷浆、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到设计深度，在桩端应就地持续喷浆搅拌 10 秒以上。

④ 提升搅拌：搅拌机提升，关闭送浆泵，两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土，直至扩大头底面标高。

⑤ 伸展叶片：改变内外钻杆的旋转方向，将搅拌叶片伸展至扩大头直径；提升搅拌：提升钻杆，两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土，直到地表或设计桩顶标高。

⑥切土下沉：搅拌机沿导向架向下切土，同时开启送浆泵，向土体喷水泥浆，两组叶片同时正、反向旋转切割、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到扩大头设计深度；将外部搅拌叶片收缩到下部桩体直径，两组叶片继续同时正、反向旋转切割、喷浆、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到设计深度，在桩端应就地持续喷浆搅拌 10 秒以上。

⑦ 提升搅拌：关闭送浆泵，两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土，直到地表或设计桩顶标高，完成单桩施工。

⑧ 送浆量控制。在施工中，应根据桩顶返浆的情况，合理地调整送浆的泵量，既要防止材料的浪费，也要保证桩身质量。当发现某桩的耗浆量与设计有明显的差异时，应立即向当班的施工员或技术员反映，及时找出原因，采取合理的解决方法。

⑨ 成桩。成桩时，清理搅拌叶片上包裹的土块及喷浆口。另外，若暂不施工，需准备一个桶或贮料罐注入清水，开启灰浆泵，抽清水清洗全部管路中残存的水泥浆，直到基本干净。

⑩ 移机到下一根桩，重复以上工序，完成下一根桩施工。

其具体的施工流程如下图所示：

钉形双向搅拌桩施工步骤图

第六章 钉形双向搅拌桩施工注意事项

钉形双向水泥土搅拌桩的施工与常规水泥土搅拌桩的施工在水泥掺入量、场地要求、地质适用范围等许多方面是一致的，但在桩身受力、搅拌均匀、施工工艺流程等方面存在一定的差别。现将有关钉型与双向水泥泥土搅拌桩施工中注意事项及常见问题作一说明。

1、注意事项

（1）钉形双向水泥土搅拌桩在处理泥炭土、有机质土、塑性指数大于25的粘性土和地下水具有腐蚀性时必须通过现场试验确定其实用性后，方可采用。

（2）搅拌的均匀性

搅拌的均匀性是影响桩身质量的一个重要因素。它主要指两个方面：一是机械在桩身任意一点的搅拌次数；二是固化剂在任意点的掺入量。搅拌次数一定要按设计进行施工。固化剂在桩身任意一点的掺入量除应满足设计的要求外，还应依据地质条件调整每一段的掺入量，以保证桩身强度和桩体受力的一致性（此项工作根据试桩的上下两部分强度进行分析确定）。

（3）桩顶部位的处理

搅拌桩施工完毕，桩的顶部0.3～0.5m范围内，因上覆土压力较小，使土层变成蜂窝状，应对桩顶质量较差的部分人工挖除。

2、质量检验

钉形双向搅拌桩施工中质量检验主要包括以下几个方面：

（1）一般要求

钉形双向搅拌桩要求桩径、桩长、扩大头高度、水泥掺入量、桩身强度、承载力不小于设计值；

（2）固化劑要求

质检员在固化剂进场时，要检查材料的三证是否齐全；在配制时，有没有严格按设计的配合比拌制，泵送过程中有没有离析现象，如停置时间过长，要用搅拌机进行不停的搅动。

（3）桩垂直度要求

桩机移到位时，要注意桩机的平整度及导向架与地面的垂直度，主要依靠水平尺进行实测，允许偏差在1.5%以内。

（4）桩位的准确度要求

测量放桩位时，做好标记。标记和设计允许偏差不得大于2cm，成桩桩位不得超过5cm。

（5）材料用量要求

根据流量计反映的一根桩的用量，是否和理论计算值有偏差。

（6）钻杆的钻速要求

根据成桩资料反映的成桩时间，来估算钻杆的转速与理论参数比较，允许偏差在0.5m/min以内。

（7）桩的直径要求

桩体施工完成后用钢卷尺进行丈量，允许偏差在2cm以内。

（8）桩的承载力检测

钉形双向水泥土搅拌桩复合地基承载力检验应采用复合地基静载试验和单桩载荷试验。载荷试验必须在桩身强度满足荷载试验条件，并宜在成桩28天后进行。检验数量为总桩数的 1‰～2‰，且每个单项工程不少于 3 点。

第七章 施工实例

以东莞虎门长堤路K2+690-K2+840段软基处理为例来说明。该段原设计为水泥土搅拌桩设计参数桩间距1.2m，三角形布置，桩长15m，桩径50cm，要求桩体无侧限抗压强度：28d 不小于1.2MPa，复合地基承载力大于110kPa。该段地质为淤泥及淤泥质地，深度为11～15m，由于普通水泥土搅拌桩试验桩28天强度达不到设计要求，经比选，考虑到复合地基承载力、工期要求及不均匀沉降，决定由钉形双向水泥搅拌桩代替水泥搅拌桩，经试桩后者满足要求。下面是两种方案的比较：

钉形双向搅拌桩与传统搅拌桩的比较

钉形双向水泥土搅拌桩由于桩身强度的大幅度提高及柱身结构的更趋合理，与常规桩相比复合地基的承载力大幅度提高，工后沉降小，桩间距加大，虽然单价有所提高，但大大降低了处理每平方米的造价。

结束语

由普通水泥土搅拌桩改进而成的钉形双向水泥土搅拌桩，由于内外叶片同时反向旋转，阻断了水泥浆上冒途径，强制对水泥浆就地搅拌，冒浆现象彻底解决，加上对土体搅拌均匀，其桩身强度得到大幅度提高以及桩身结构更趋合理；其施工时对桩周土体扰动小，受力合理，能将上部荷载传到地基深处，减小复合地基沉降，与常规水泥土搅拌桩相比效果更佳；再者因为桩与桩之间的距离加大，使得软土处理中的总桩数大大减少，这不但缩短了工期，还为人们带来了巨大的经济效益。

参考文献：

[1]徐超，董天林，叶观宝.水泥土搅拌桩变掺量施工工艺研究[J].2005.

[2]徐学文，杨媛. 钉形水泥土双向搅拌桩在软土地基处理中的应用[J]. 工程建设与设计，2013.

[3]钉形水泥土双向搅拌桩复合地基技术规程 苏JG/T024-2007