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1、钉形水泥土双向搅拌桩技术钉形水泥土双向搅拌桩技术加固软土地基的理论与应用加固软土地基的理论与应用东南大学岩土工程研究所东南大学岩土工程研究所南京路鼎搅拌桩特种技术有限公司南京路鼎搅拌桩特种技术有限公司二二 0 0 0 0 九九 年年岩土工程技术的重大突破岩土工程技术的重大突破目目 录录 钉形水泥土双向搅拌桩设计钉形水泥土双向搅拌桩设计1 钉形水泥土双向搅拌桩施工钉形水泥土双向搅拌桩施工2 钉形水泥土双向搅拌桩检测钉形水泥土双向搅拌桩检测钉形水泥土双向搅拌桩的材料钉形水泥土双向搅拌桩的材料 1.通常为硅酸盐类水泥，通常为硅酸盐类水泥，R32.5以上以上。 2.掺入量：掺入量： 8%20% ，一般
2、用，一般用12%18% 。 3.水灰比：水灰比：0.50 0.60 。固化剂固化剂3.对于腐蚀性土层等特殊性质土层，掺入添加剂改变其性状对于腐蚀性土层等特殊性质土层，掺入添加剂改变其性状 如如当当地地下下水水或或土土样样的的PH值值小小于于4时时，可可在在固固化化剂剂中中掺掺入入水水泥泥重重量量5%的的石石灰灰，可可使使水水泥泥周周围围的的环环境境变变成成碱碱性性，将将大大大大利利于于水水泥泥水水化化反反应的进行。应的进行。 钉形水泥土双向搅拌桩的材料钉形水泥土双向搅拌桩的材料外加剂外加剂 主主要要有有木木质质素素磺磺酸酸钙钙、石石膏膏、三三乙乙醇醇胺胺等等。应应通通过过试试验验确确定定选选用
3、用的的外外加加剂剂种种类类和和掺掺量量。不不同同的的外外加加剂剂对对水水泥泥土土有有着着不不同同的的影影响响，一一般般来说，添加剂按照所起的作用分为以下几种类型：来说，添加剂按照所起的作用分为以下几种类型：1.1.增加桩体强度增加桩体强度 如粒径不大于如粒径不大于0.25mm0.25mm的粉细砂、粉煤灰（二级干粉以上）、石膏的粉细砂、粉煤灰（二级干粉以上）、石膏等。等。2.2.不增加桩体强度不增加桩体强度 如高糖木质素磺酸盐、氯化锌、硼酸盐、各种磷酸盐等可以延缓如高糖木质素磺酸盐、氯化锌、硼酸盐、各种磷酸盐等可以延缓水泥土凝结时间而对后期强度无明显影响。水泥土凝结时间而对后期强度无明显影响。各
4、种设计参数确定的原则各种设计参数确定的原则1.桩桩 长长 钉形水泥土搅拌桩桩长的确定分为两部分：钉形水泥土搅拌桩桩长的确定分为两部分：扩大头长度；总桩长。扩大头长度；总桩长。（1）扩大头长度的确定扩大头长度的确定 扩大头按其作用形式可分别作为扩大头按其作用形式可分别作为盖板（桩帽）盖板（桩帽）与与桩体桩体。当作为盖板时，。当作为盖板时，高度一般为高度一般为0.81.5m。作为桩体时，。作为桩体时，h=(1/31/5)L，原则上不超过，原则上不超过6m。（如作为桩体等作用时应根据具体要求确定。）（如作为桩体等作用时应根据具体要求确定。）扩大头的形式扩大头的形式 一、作为桩帽一、作为桩帽( (盖板
5、盖板) ) 作为桩帽时，作为桩帽时，钉形桩扩大头的设计长度钉形桩扩大头的设计长度可设计为可设计为1.0m1.5m左右，左右，考虑到桩顶考虑到桩顶0.5m范围内，范围内，因上覆压力较小，桩身强因上覆压力较小，桩身强度较低而效果不佳，桩径度较低而效果不佳，桩径比（比（D/d）可达到）可达到23。 二二 、作为桩体、作为桩体 作作为为桩桩身身结结构构部部分分时时， 钉钉形形桩桩扩扩大大头头是是整整桩桩的的一一部部分分，扩扩大头高度宜大于大头高度宜大于2.5m。扩大头的形式扩大头的形式 三、处理特殊地层部分三、处理特殊地层部分 处处理理特特殊殊土土层层是是指指，在在某某一一深深度度范范围围内内，有有特
6、特别别软软弱弱的的土土层层、滑滑动动面面的的范范围围较较大大，为为更更经经济济合合理理地地利利用用钉钉形形桩桩而而增增大大桩桩身身的的强强度度，其其扩扩大大头头高高度度可可据据特特殊殊土土层层厚厚度度适适度度加加长长；扩扩大大头头的的位位置置也可根据土层条件随意变化。也可根据土层条件随意变化。扩大头的形式扩大头的形式（2）总桩长的确定）总桩长的确定 最最大大入入土土深深度度应应通通过过试试桩桩的的结结果果确确定定，具具体体根根据据电电流流值值以以及及标标贯贯击击数数确确定定，标标贯贯击击数数大大于于15击击，电电流流值值超超过过60A时时，为为极极限入土深度。限入土深度。 钉钉形形水水泥泥土土
7、双双向向搅搅拌拌桩桩最最大大处处理理深深度度可可达达35m。由由于于目目前前的的水水泥泥土土搅搅拌拌桩桩施施工工机机械械结结构构单单薄薄，稳稳定定性性较较差差，使使钉钉形形桩桩的的处处理理深深度度大大大大受受到到限限制制，水水泥泥土土搅搅拌拌桩桩施施工工施施工工机机械械处处理理深深度度一一般般的的不不超超过过25m，因因此此软软土土地地基基处处理理深深度度越越过过25m时时，就就需需要要增大动力，提高桩机机架的稳定性增大动力，提高桩机机架的稳定性。 原则上桩长应进入原则上桩长应进入持力层持力层，尽量避免，尽量避免悬浮悬浮于软弱土体中。于软弱土体中。各种设计参数确定的原则各种设计参数确定的原则2
8、.桩桩 径径 桩径分为桩径分为扩大头桩径扩大头桩径D与与下部桩径下部桩径d。 （2）对于扩大头桩径）对于扩大头桩径D： D=1.82.4d（作为桩体时）（作为桩体时）； D=2.02.8d（作为桩帽时）（作为桩帽时）。 （1）对于下部桩径）对于下部桩径d： 处理深度小于处理深度小于12m，一般取，一般取500mm； 处理深度处理深度1218m，一般取，一般取600mm； 处理深度于处理深度于18m，一般取，一般取700mm。扩大头高度：对称边载效应系数： 钉形水泥土双向搅拌桩的钉形水泥土双向搅拌桩的下部桩径不下部桩径不 宜小于宜小于500mm，上、下桩径，上、下桩径比（比（D/d）宜在）宜在1
9、.82.4之间，桩径大时取小值。也可由下式确定：之间，桩径大时取小值。也可由下式确定：( (3) )上下桩径比上下桩径比各种设计参数确定的原则各种设计参数确定的原则3.桩间距桩间距 等间距，不等间距。等间距，不等间距。 在路堤荷载作用下，在路堤荷载作用下，随桩间距的增大，作用在桩顶的荷载随桩间距的增大，作用在桩顶的荷载也有增大，增大幅度有减缓的趋势；随桩间距的增大，桩身荷也有增大，增大幅度有减缓的趋势；随桩间距的增大，桩身荷载也增大载也增大，但当桩间距达到一定值以后桩身轴力变化不大，趋，但当桩间距达到一定值以后桩身轴力变化不大，趋于稳定，说明当桩间距增大到一定值以后，桩体承担的荷载已于稳定，说
10、明当桩间距增大到一定值以后，桩体承担的荷载已接近其极限承载力。接近其极限承载力。 根据土拱效应，可将桩的成拱土体平面分为三个根据土拱效应，可将桩的成拱土体平面分为三个区域，即：区域，即：拱上稳定区、土拱区、及拱下自由区拱上稳定区、土拱区、及拱下自由区。若。若桩截面的几何及强度参数设计合理，则该土拱稳定存桩截面的几何及强度参数设计合理，则该土拱稳定存在并将拱顶压力传递至拱脚及周围土体。此时，危险在并将拱顶压力传递至拱脚及周围土体。此时，危险区域应是土拱与相邻桩包围的自由区，该部分土体仅区域应是土拱与相邻桩包围的自由区，该部分土体仅靠自身的强度保持稳定。靠自身的强度保持稳定。 通过通过土拱截面强
11、度验算土拱截面强度验算可以得出考虑土拱效应时可以得出考虑土拱效应时的合理桩间距的控制公式。的合理桩间距的控制公式。合理桩间距的确定合理桩间距的确定合理桩间距合理桩间距拱顶强度验算拱顶强度验算拱脚强度验算拱脚强度验算式中，式中，c为土体的粘聚力，为土体的内摩擦角，为土体的粘聚力，为土体的内摩擦角，D为扩大头直径，为扩大头直径，q为桩顶荷载。为桩顶荷载。即即 ，因此取最大桩间距，因此取最大桩间距 。取。取 为合理桩间距，为合理桩间距，可以将合理桩间距与几个参变量的函数关系写为：可以将合理桩间距与几个参变量的函数关系写为： =g(q,D,c, ) 比较上述截面强度分析的拱跨与可得：比较上述截面强度分
12、析的拱跨与可得： 桩间距与各影响因素的关系桩间距与各影响因素的关系各种设计参数确定的原则各种设计参数确定的原则4.布置形式布置形式 三角形，矩形三角形，矩形以及各种组合形以及各种组合形式式,根据不同的功能要求确定。根据不同的功能要求确定。其他形式：其他形式：各种设计参数确定的原则各种设计参数确定的原则 水水泥泥土土的的强强度度随随龄龄期期的的增增长长而而增增大大，在在龄龄期期28d后后，强强度度仍仍有有明明显显增增长长，因因此此，对对于于承承重重搅搅拌拌桩桩试试块块取取90d龄龄期期为为标标准准龄龄期期，对对起起支支撑撑作作用用受受水水平平荷荷载载的的搅搅拌拌桩桩，水水泥泥土土强强度度取取28
13、d龄龄期期为为标标准准龄龄期期。室室内内配配比比试试验验90d标标准准养养护护的的水水泥泥土土试试块块抗抗压压强度强度可根据可根据上部荷载大小、结构形式上部荷载大小、结构形式等确定。等确定。5.桩身强度桩身强度 桩身强度应根据现场试验与室内配比试验确定，桩身强度应根据现场试验与室内配比试验确定，一般来说，现场强度与室内强度的关系为：一般来说，现场强度与室内强度的关系为： R现现=KR室室 （K=0.60.8仅供参考）仅供参考） 水泥土强度随着龄期的增长而增大，一般在龄期水泥土强度随着龄期的增长而增大，一般在龄期28d后仍有明显的增加后仍有明显的增加，建筑地基处理技术规范建筑地基处理技术规范提提
14、供了不同龄期水泥土抗压强度之间的线性关系：供了不同龄期水泥土抗压强度之间的线性关系： fcu7=(0.470.63) fcu28 fcu14= (0.620.80) fcu28 fcu60= (1.151.46) fcu28 fcu90= (1.431.80) fcu28 fcu90= (2.37 3.73) fcu7 fcu90= (1.732.82) fcu14式中式中fcu7、fcu14、fcu28、fcu60、fcu90分别为分别为7d、14d、28d、60d、90d龄期的水泥土抗压强度。龄期的水泥土抗压强度。单桩承载力的组成单桩承载力的组成土体对扩大头侧壁提供的摩阻力扩大头翼缘下部土
15、体支撑力 桩端土体支撑力 土体对下部桩体侧壁提供的摩阻力单桩承载力的计算单桩承载力的计算单桩承载力的组成单桩承载力的组成一、扩大头部分：一、扩大头部分：v桩周土对扩大头侧壁提供的摩阻力：桩周土对扩大头侧壁提供的摩阻力： 扩大头侧壁面积乘以相应土层的摩擦力扩大头侧壁面积乘以相应土层的摩擦力；v扩大头翼缘下部土体提供的支撑力：扩大头翼缘下部土体提供的支撑力： 翼缘面积乘以土层的不排水抗剪强度翼缘面积乘以土层的不排水抗剪强度。二、下部桩体部分二、下部桩体部分: 下部桩体提供的单桩承载力计算分两种情况：下部桩体提供的单桩承载力计算分两种情况：v当桩周土对下部桩体侧壁提供的当桩周土对下部桩体侧壁提供的摩
16、阻力与桩端土体支撑力摩阻力与桩端土体支撑力之和之和大于大于桩身强度与下部桩体面积的乘积桩身强度与下部桩体面积的乘积，取桩身强度与，取桩身强度与下部桩体面积的乘积；下部桩体面积的乘积；v否则，取桩周土对下部桩体侧壁提供的摩阻力与桩端土体否则，取桩周土对下部桩体侧壁提供的摩阻力与桩端土体支撑力之和。支撑力之和。单桩承载力的计算单桩承载力的计算钉形水泥土双向搅拌桩单桩承载力特征值的取值，应按照以下要求确定：钉形水泥土双向搅拌桩单桩承载力特征值的取值，应按照以下要求确定： 当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2； 当无单桩载荷
17、试验资料时，初步设计时可按下式进行估算当无单桩载荷试验资料时，初步设计时可按下式进行估算。(一一)刺入性破坏模式：刺入性破坏模式： (二二)扩大头扩大头“翼缘翼缘”下部桩体屈服破坏模下部桩体屈服破坏模式：式： (三三)桩顶屈服破坏模式。桩顶屈服破坏模式。单桩承载力计算分三种情况：单桩承载力计算分三种情况：一、刺入性破坏模式一、刺入性破坏模式如果桩身强度满足：如果桩身强度满足：且且:单桩极限承载力应由下式确定单桩极限承载力应由下式确定:二、扩大头二、扩大头“翼缘翼缘”下部桩体屈服破坏模式下部桩体屈服破坏模式如果桩身强度满足：如果桩身强度满足：且且:单桩极限承载力应由下式确定单桩极限承载力应由下式
18、确定:三、桩顶屈服破坏模式三、桩顶屈服破坏模式如果桩身强度满足：如果桩身强度满足：且且:单桩极限承载力应由下式确定单桩极限承载力应由下式确定: 综合三种破坏模式，综合三种破坏模式，变截面水泥土双向搅拌桩变截面水泥土双向搅拌桩单桩极限承载力单桩极限承载力可采用下式计算：可采用下式计算： 钉形水泥土双向搅拌桩复合地基极限承载力钉形水泥土双向搅拌桩复合地基极限承载力可采用下式计算：可采用下式计算：注：以上各式中各符号含义可参见注：以上各式中各符号含义可参见钉形水泥土双向搅拌桩复合地基技术规程钉形水泥土双向搅拌桩复合地基技术规程 （苏（苏JG/T024-2007 ）S1扩大头深度范围内复合土层扩大头深
19、度范围内复合土层平均压缩变形量平均压缩变形量 S2下部桩体深度范围内复合土下部桩体深度范围内复合土层平均压缩变形量层平均压缩变形量 S3桩端下部未加固土层平均压缩桩端下部未加固土层平均压缩变形量变形量 S= S1+ S2+ S3变形沉降计算变形沉降计算 钉形水泥土双向搅拌桩复合地基变形计算地基处理后的变形计算应按钉形水泥土双向搅拌桩复合地基变形计算地基处理后的变形计算应按照现行国家标准照现行国家标准建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范GB50007-2002的有关规定执行。的有关规定执行。 复合土层的分层与天然地基相同复合土层的分层与天然地基相同（在变截面处应分层计算）（在变截面处应分层计
20、算），各复合，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量与桩体压缩模量按照土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量与桩体压缩模量按照面积置换面积置换率率加权平均，即：加权平均，即： 目目 录录 钉形水泥土双向搅拌桩设计钉形水泥土双向搅拌桩设计1 钉形水泥土双向搅拌桩施工钉形水泥土双向搅拌桩施工2 钉形水泥土双向搅拌桩检测钉形水泥土双向搅拌桩检测施工机械与设备施工机械与设备 动力箱体动力箱体动力箱体动力箱体 双向桩与钉形桩的施工机架与常规搅拌桩相同，不双向桩与钉形桩的施工机架与常规搅拌桩相同，不同的是配备了专用的同的是配备了专用的钻头、叶片钻头、叶片以及以及动力箱体动力箱体。可伸缩叶片可伸缩叶片
21、可伸缩叶片可伸缩叶片三种钻头三种钻头三种钻头三种钻头强制性搅拌模拟动画强制性搅拌模拟动画强制性搅拌模拟动画强制性搅拌模拟动画 当遇到相对较硬土层，钻头搅拌困难时或为使搅拌桩成当遇到相对较硬土层，钻头搅拌困难时或为使搅拌桩成桩质量更好，搅拌更加均匀，可以使用桩质量更好，搅拌更加均匀，可以使用强制式搅拌钻头强制式搅拌钻头。试试 桩桩1.满足设计要求的试桩满足设计要求的试桩根据地质报告及当地经验，选定桩型及单桩竖向承载力特征值。根据地质报告及当地经验，选定桩型及单桩竖向承载力特征值。试桩的目的是：试桩的目的是：（1）进进一一步步确确定定所所选选桩桩型型的的施施工工可可行行性性，避避免免桩桩机机全全面
22、面进进场场后后发发现现该该桩桩型型不不适适合合本本场场地地施施工工或或发发现现桩桩承承载载力力远远小小于于地地质质报报告告提提供供的的计计算算值，此时再改桩型就会拖工期且增加费用。值，此时再改桩型就会拖工期且增加费用。（2）根根据据单单桩桩竖竖向向静静载载荷荷试试验验确确定定单单桩桩竖竖向向承承载载力力特特征征值值。由由于于地地质质报报告告提提供供的的数数值值往往往往偏偏于于保保守守，所所以以可可以以根根据据静静载载报报告告提提高高桩桩承承载载力，减少桩数。力，减少桩数。 （5）确定进入持力层的判别方法。确定进入持力层的判别方法。2.满足施工要求的试桩满足施工要求的试桩 不不同同地地段段具具有
23、有不不同同的的地地质质条条件件，为为了了克克服服盲盲目目性性，确确保保收收到到预预期期的效果，在施工前必须进行工艺试桩，试桩数量不少于的效果，在施工前必须进行工艺试桩，试桩数量不少于5根。根。试桩的目的是：试桩的目的是：（1）提供满足设计的各种操作参数。如管道压力、钻机提升速度、提供满足设计的各种操作参数。如管道压力、钻机提升速度、钻进速度、搅拌速度等。钻进速度、搅拌速度等。（2）验证搅拌均匀程度及成桩直径。验证搅拌均匀程度及成桩直径。（3）确定该地质条件下，符合质量要求的合理掺灰量。确定该地质条件下，符合质量要求的合理掺灰量。（4）确定该地质条件下，合理的工艺流程。确定该地质条件下，合理的工
24、艺流程。目目 录录 钉形水泥土双向搅拌桩设计钉形水泥土双向搅拌桩设计1 钉形水泥土双向搅拌桩施工钉形水泥土双向搅拌桩施工2 钉形水泥土双向搅拌桩检测钉形水泥土双向搅拌桩检测轻便触探轻便触探 常规方法常规方法 其他方法其他方法钻孔取芯钻孔取芯 载荷试验载荷试验 开挖目测开挖目测 抗压强度试验抗压强度试验 现场标贯试验现场标贯试验 单桩复合单桩复合 群桩复合群桩复合 检检测测方方法法 桩身质量检测方法桩身质量检测方法检测方法检测方法检检 测测 手手 段段检检 测测 内内 容容检检 测测 频频 率率开挖目测开挖目测成桩成桩7天后，浅部开挖天后，浅部开挖观察桩体成型情况及观察桩体成型情况及搅拌均匀程序搅拌均匀程序1，且不少于，且不少于3根根钻孔取芯钻孔取芯现场标贯及室内抗压试验现场标贯及室内抗压试验检验桩身强度、桩检验桩身强度、桩长、扩大头长度等长、扩大头长度等5，且不少于，且不少于3根根载荷试验载荷试验承压板上逐级加荷承压板上逐级加荷评定地基的承载力、评定地基的承载力、确定地基的变形模量确定地基的变形模量12，且每单，且每单项工程不少于项工程不少于3点。点。轻便触探轻便触探结合钻孔，穿心锤自由下结合钻孔，穿心锤自由下落落50cm，记录打入，记录打入30cm的锤击数的锤击数确定地基承载力、确定地基承载力、检验桩的质量检验桩的质量1桩身质量检测标准桩身质量检测标准
