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广州市城市规划勘测设计研究院 广东广州 51000
摘要：钉形水泥土双向搅拌桩技术已在铁路、高速公路、港口、码头、市政道路等多个领域百余项工程中得到应用，目前最大处理深度已达28m，最大桩径已达到1.3m；该技术的科学性、先进性和经济性已在工程中得到证明。本文主要介绍广州市番禺区化龙镇某市政工程软基处理方案。
关键词：软基处理；钉形水泥土双向搅拌桩；设计
一、工程概况
本次设计项目位于广州市番禺区化龙镇，为东西向市政道路。道路全长约775m，规划为城市次干路，标准路幅宽度为30m，按双向4车道布置，设计车速40 km/h。在K0+082.312处设置有一座梁桥，桥上部结构为2-13m预应力空心板梁，下部结构采用钻孔灌注桩接盖梁形式。
本项目场地范围地质情况：
在勘探深度范围内，沿线岩土层自上而下主要为第四系耕植土层（Qpd）、填土层（Qml），第四系全新冲积层（Qal）淤泥（淤泥质土）、淤泥质细砂（细砂）、淤泥质土（淤泥）、粉质粘土、砾砂、卵石等。
特点：①淤泥、淤泥质土等软土普遍存在，而且厚度较大、受扰动后强度降低明显，软弱层厚度多在28m左右，最大深度超过30m，处理难度很大。②场区地下水主要赋存于第四系全新统砂层、碎石层中的孔隙水和赋存于基岩裂隙中的基岩裂隙水。主要接受大气降水渗入补给，以侧向径流、地表蒸发为主要排泄方式。勘察期间，测量到的稳定地下水位埋深0.80～1.35m，水位标高5.33～6.24m。③场地软土层沉积时间短，其厚度较大，固结程度低，地基承载力低，孔隙比大，压缩性大，在附加应力作用下变形量大，渗透性低，固结处理强度增加缓慢，变形速率大且稳定时间长，灵敏度较高，具有触变性及流变性大的特点。
二、软基处理方案的选择
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。排水固结效果好，造价低，但需要施工工期长，路基要有一定的时间进行预压，鉴于本次工期紧张，设计推荐采用复合地基处理软土。与常规的水泥搅拌桩相比较，钉形水泥土双向搅拌桩在技术上有着诸多的优势：
技术性比较简表
桩形
项目 常规
水泥土搅拌桩 钉形
水泥土双向搅拌桩
施工工艺 单向单管旋转；易形成搅拌不均匀，成千层饼状；留有冒浆通道，产生冒浆现象；影响桩体的强度和质量 双向旋转；搅拌均匀；阻断冒浆通道，桩体的强度和质量有保证。
结构形式 圆柱状，结构单一 圆柱状、钉形等其它形式，改善了桩体的受力状况，受力更合理。
均匀性 搅拌不均匀，易成千层饼状，导致桩身强度降低 正反向旋转，搅拌均匀
浆液上冒 冒浆严重，施工环境差 无冒浆现象，施工环境好
受力合理性 受力不合理 受力合理，符合应力的分布
扰动性 对桩周土扰动性大，易引起钻杆的左右摇动，对施工安全也不利 对桩周土扰动性小，降低了钻杆的摇动，利于安全施工
工艺流程 采用四搅两喷（或四搅三喷）的方法，流程复杂 采用二搅一喷，流程简单，便于质量控制
施工管理 工艺流程复杂，人为影响较大，不利于施工管理。 工艺流程简单，利于施工管理。
桩径及施工深度 桩径小，处理深度浅，一般在15m以内 桩径大，处理深度可达28米
共享性 常用机械设备，广泛使用。 在常用机械设备的基础上稍作改装即可，大大加深处理深度，已大面积推广使用
经济效益 与常规桩相比虽然单价有所提高，但大大降低了处理每平方米的造价.其综合经济效益比常规水泥土搅拌桩节省投资15% ～ 35%，并且随着处理软土深度的增加，其经济效益越发明显。
本项目软土深度较深，对于这种大规模软土地基深层处理，在满足规范要求和完工后沉降和稳定性的前提下，还应充分考虑工程造价和工期要求。针对这种情况，本次设计采用了先进的钉形水泥土双向搅拌桩来处理软基。
三、钉形水泥土双向搅拌桩处理方案
1、基本原理
钉形搅拌桩是通过对现有的常规水泥土搅拌桩成桩机械进行简单改造，配上专用的动力设备及多功能钻头，采用同心双轴钻杆，在内钻杆上设置正向旋转叶片并设置喷浆口，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，阻断水泥浆上冒途径，保证水泥浆在桩体中均匀分布和搅拌均匀，确保成桩质量。同时将搅拌叶片设置成可伸缩叶片（注：该叶片可以在地面以下的任意深度处伸缩），以方便施工水泥土搅拌桩的上、下不同截面的桩身。钉形水泥土双向搅拌桩即通过搅拌叶片的伸缩使桩身上部截面扩大而形成的类似钉子形状的水泥土搅拌桩。
2、设计要点
①钉形搅拌桩设计
钉形搅拌桩桩径：扩大头桩径110cm，下部桩径70cm，扩大头长5m，三角形布置，道路红线范围内的桥台过渡段桩间距1.8m，道路红线范围内的一般路段桩间距2.0m，道路路基作用范围（约红线外3m）桩间距2.2m。为分担桩体应力增加桩体间的横向联系，路堤基底全断面铺设一层50cm厚碎石墊层，垫层顶面铺设一层双向土工格栅，坡脚外的土工格栅要用土覆盖，不能暴露在空气中.筋带的铺设质量检验内容按<<公路土工合成材料应用技术规范>>的要求进行。
桩身设计无侧限抗压强度为R28=1.0Mpa，R90=2.0Mpa，复合地基承载力路基范围≥120Kpa。
钉形水泥土双向搅拌桩软基处理剖面图
②材料要求及水泥掺量的确定
A.材料要求
水泥采用42.5号普通硅酸盐水泥，所购置的水泥应是国家的免检产品，且在有效期内使用；严禁使用受潮、结块、变质的劣质水泥。对非免检厂生产的水泥，应分批提供有关标号、安定性等试验报告。 水灰比一般采用0.4～0.55。
为了增加搅拌桩水泥浆液的和易性和稳定性，提高早期强度，并考虑到本段软土的天然含水量较高，在制备水泥浆时可掺加减水剂，掺量由室内配合比试验确定。
B.水泥掺量的确定
搅拌桩的水泥掺量根据土样天然含水量、孔隙比的不同，水泥掺入量应相应变化，本项目参考水泥掺量为15%，实际掺量应由室内配合比试验确定，确保桩体28天无侧限抗压强度≧1.2MPa。
C.土工格栅
土工格栅应采用双向拉伸型，幅宽4.0m，横纵向设计抗拉强度>40KN/m，延伸率≤10%。
3、施工工艺
平整地面→机具进场进行水泥搅拌桩施工→待水泥搅拌桩达到强度→检测复合地基→合格后铺设土工格栅→填筑路基至设计标高处。
①搅拌机械运至工地后，先安装调试，待转速、空气压力及计量设施正常后，再开始就位。
②搅拌机就位：搅拌机到指定桩位并对中；
③喷浆下沉：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；
④施工下部桩体：改变内、外钻杆的旋转方向，将搅拌桩叶片收缩到下部桩体直径；喷浆切土下沉：两组叶片同时正反向旋转切割、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到设计深度，在桩端应就地持续喷浆搅拌10秒以上；
⑤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，直到扩大头底面标高；
⑥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以上50cm；
⑦切土下沉：使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；
⑧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以上50cm，完成单桩施工。
4、施工期间质量控制措施
⑴项目经理部指派专人负责搅拌桩的施工，全过程旁站水泥搅拌桩的施工过程。所有施工机械均应编号，应将现场技术员、钻机长、现场负责人、搅拌桩桩长、桩距等制成标牌悬挂于钻机明显处，确保人员到位，责任到人。
⑵搅拌桩开钻之前，应用水清洗整个管道并检验管道中有无堵塞现象，待水排尽后方可下钻。
⑶为保证搅拌桩桩体垂直度满足规范要求，在主机上悬挂一吊锤，通过控制吊锤与钻杆上、下、左、右距离相等来进行控制。
⑷对每根成型的搅拌桩质量检查重点是水泥用量、水泥浆拌制的罐数、压浆过程中是否有断浆现象、喷浆搅拌提升时间以及复搅次数。
⑸为了确保桩体每米掺合量以及水泥浆用量达到设计要求，每台机械均应配备电脑记录仪。同时现场应配备水泥浆比重测定仪，以备监理工程师和项目经理部质检人员随时抽查检验水泥浆水灰比是否满足设计要求。
⑹施工时应严格控制喷浆时间和停浆时间。每根桩开钻后应连续作业，不得中断喷浆。严禁在尚未喷浆的情况下进行钻杆提升作业。储浆罐内的储浆应不小于一根桩的用量加50kg。若储浆量小于上述重量时，不得进行下一根桩的施工。
⑺施工中发现喷浆量不足，应按监理工程师要求整桩复搅，复喷的喷浆量不小于设计用量。如遇停电、机械故障原因，喷浆中断时应及时记录中断深度。在12小时内采取补喷处理措施，并将补喷情况填报于施工記录内。补喷重叠段应大于100cm，超过12小时应采取补桩措施。
⑻现场施工人员认真填写施工原始记录，记录内容应包括：1、施工桩号、施工日期、天气情况；2、喷浆深度、停浆标高；3、灰浆泵压力、管道压力；4、钻机转速；5、钻进速度、提升速度；6、浆液流量；7、每米喷浆量和外掺剂用量；8、复搅深度。
四、结语
与常规水泥土搅拌桩相比，钉形水泥土双向搅拌桩同样施工方便、操作简单，机械在现有的水泥土搅拌桩机械上改造即可，设备投入少。并且有效解决了传统水泥土搅拌桩由于施工过程中冒浆、搅拌不均匀引起的一系列桩身质量问题，保证水泥土搅拌桩桩体中的水泥掺入量，提高水泥浆分布的均匀性，桩身质量大大提高。从现有的工程实例看，其综合经济效益比常规水泥土搅拌桩节省投资约15% ～ 35%，并且随着处理软土深度的增加，其经济效益和社会效益越发明显。
参考文献：
[1]《钉形水泥土双向搅拌桩复合地基技术规程》（苏JG/T024-2007）
[2]《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002）
[3]许文斌，丁跃，袁和旭.钉形水泥土双向搅拌桩在某工程软基处理中的设计应用.地基与处理，2014.01-0096-03
[4]李仁民.钉形水泥土双向搅拌桩施工技术及应用.地基基础，2007.04-0230-03
摘要：钉形水泥土双向搅拌桩技术已在铁路、高速公路、港口、码头、市政道路等多个领域百余项工程中得到应用，目前最大处理深度已达28m，最大桩径已达到1.3m；该技术的科学性、先进性和经济性已在工程中得到证明。本文主要介绍广州市番禺区化龙镇某市政工程软基处理方案。
关键词：软基处理；钉形水泥土双向搅拌桩；设计
一、工程概况
本次设计项目位于广州市番禺区化龙镇，为东西向市政道路。道路全长约775m，规划为城市次干路，标准路幅宽度为30m，按双向4车道布置，设计车速40 km/h。在K0+082.312处设置有一座梁桥，桥上部结构为2-13m预应力空心板梁，下部结构采用钻孔灌注桩接盖梁形式。
本项目场地范围地质情况：
在勘探深度范围内，沿线岩土层自上而下主要为第四系耕植土层（Qpd）、填土层（Qml），第四系全新冲积层（Qal）淤泥（淤泥质土）、淤泥质细砂（细砂）、淤泥质土（淤泥）、粉质粘土、砾砂、卵石等。
特点：①淤泥、淤泥质土等软土普遍存在，而且厚度较大、受扰动后强度降低明显，软弱层厚度多在28m左右，最大深度超过30m，处理难度很大。②场区地下水主要赋存于第四系全新统砂层、碎石层中的孔隙水和赋存于基岩裂隙中的基岩裂隙水。主要接受大气降水渗入补给，以侧向径流、地表蒸发为主要排泄方式。勘察期间，测量到的稳定地下水位埋深0.80～1.35m，水位标高5.33～6.24m。③场地软土层沉积时间短，其厚度较大，固结程度低，地基承载力低，孔隙比大，压缩性大，在附加应力作用下变形量大，渗透性低，固结处理强度增加缓慢，变形速率大且稳定时间长，灵敏度较高，具有触变性及流变性大的特点。
二、软基处理方案的选择
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。排水固结效果好，造价低，但需要施工工期长，路基要有一定的时间进行预压，鉴于本次工期紧张，设计推荐采用复合地基处理软土。与常规的水泥搅拌桩相比较，钉形水泥土双向搅拌桩在技术上有着诸多的优势：
技术性比较简表
桩形
项目 常规
水泥土搅拌桩 钉形
水泥土双向搅拌桩
施工工艺 单向单管旋转；易形成搅拌不均匀，成千层饼状；留有冒浆通道，产生冒浆现象；影响桩体的强度和质量 双向旋转；搅拌均匀；阻断冒浆通道，桩体的强度和质量有保证。
结构形式 圆柱状，结构单一 圆柱状、钉形等其它形式，改善了桩体的受力状况，受力更合理。
均匀性 搅拌不均匀，易成千层饼状，导致桩身强度降低 正反向旋转，搅拌均匀
浆液上冒 冒浆严重，施工环境差 无冒浆现象，施工环境好
受力合理性 受力不合理 受力合理，符合应力的分布
扰动性 对桩周土扰动性大，易引起钻杆的左右摇动，对施工安全也不利 对桩周土扰动性小，降低了钻杆的摇动，利于安全施工
工艺流程 采用四搅两喷（或四搅三喷）的方法，流程复杂 采用二搅一喷，流程简单，便于质量控制
施工管理 工艺流程复杂，人为影响较大，不利于施工管理。 工艺流程简单，利于施工管理。
桩径及施工深度 桩径小，处理深度浅，一般在15m以内 桩径大，处理深度可达28米
共享性 常用机械设备，广泛使用。 在常用机械设备的基础上稍作改装即可，大大加深处理深度，已大面积推广使用
经济效益 与常规桩相比虽然单价有所提高，但大大降低了处理每平方米的造价.其综合经济效益比常规水泥土搅拌桩节省投资15% ～ 35%，并且随着处理软土深度的增加，其经济效益越发明显。
本项目软土深度较深，对于这种大规模软土地基深层处理，在满足规范要求和完工后沉降和稳定性的前提下，还应充分考虑工程造价和工期要求。针对这种情况，本次设计采用了先进的钉形水泥土双向搅拌桩来处理软基。
三、钉形水泥土双向搅拌桩处理方案
1、基本原理
钉形搅拌桩是通过对现有的常规水泥土搅拌桩成桩机械进行简单改造，配上专用的动力设备及多功能钻头，采用同心双轴钻杆，在内钻杆上设置正向旋转叶片并设置喷浆口，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，阻断水泥浆上冒途径，保证水泥浆在桩体中均匀分布和搅拌均匀，确保成桩质量。同时将搅拌叶片设置成可伸缩叶片（注：该叶片可以在地面以下的任意深度处伸缩），以方便施工水泥土搅拌桩的上、下不同截面的桩身。钉形水泥土双向搅拌桩即通过搅拌叶片的伸缩使桩身上部截面扩大而形成的类似钉子形状的水泥土搅拌桩。
2、设计要点
①钉形搅拌桩设计
钉形搅拌桩桩径：扩大头桩径110cm，下部桩径70cm，扩大头长5m，三角形布置，道路红线范围内的桥台过渡段桩间距1.8m，道路红线范围内的一般路段桩间距2.0m，道路路基作用范围（约红线外3m）桩间距2.2m。为分担桩体应力增加桩体间的横向联系，路堤基底全断面铺设一层50cm厚碎石墊层，垫层顶面铺设一层双向土工格栅，坡脚外的土工格栅要用土覆盖，不能暴露在空气中.筋带的铺设质量检验内容按<<公路土工合成材料应用技术规范>>的要求进行。
桩身设计无侧限抗压强度为R28=1.0Mpa，R90=2.0Mpa，复合地基承载力路基范围≥120Kpa。
钉形水泥土双向搅拌桩软基处理剖面图
②材料要求及水泥掺量的确定
A.材料要求
水泥采用42.5号普通硅酸盐水泥，所购置的水泥应是国家的免检产品，且在有效期内使用；严禁使用受潮、结块、变质的劣质水泥。对非免检厂生产的水泥，应分批提供有关标号、安定性等试验报告。 水灰比一般采用0.4～0.55。
为了增加搅拌桩水泥浆液的和易性和稳定性，提高早期强度，并考虑到本段软土的天然含水量较高，在制备水泥浆时可掺加减水剂，掺量由室内配合比试验确定。
B.水泥掺量的确定
搅拌桩的水泥掺量根据土样天然含水量、孔隙比的不同，水泥掺入量应相应变化，本项目参考水泥掺量为15%，实际掺量应由室内配合比试验确定，确保桩体28天无侧限抗压强度≧1.2MPa。
C.土工格栅
土工格栅应采用双向拉伸型，幅宽4.0m，横纵向设计抗拉强度>40KN/m，延伸率≤10%。
3、施工工艺
平整地面→机具进场进行水泥搅拌桩施工→待水泥搅拌桩达到强度→检测复合地基→合格后铺设土工格栅→填筑路基至设计标高处。
①搅拌机械运至工地后，先安装调试，待转速、空气压力及计量设施正常后，再开始就位。
②搅拌机就位：搅拌机到指定桩位并对中；
③喷浆下沉：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；
④施工下部桩体：改变内、外钻杆的旋转方向，将搅拌桩叶片收缩到下部桩体直径；喷浆切土下沉：两组叶片同时正反向旋转切割、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到设计深度，在桩端应就地持续喷浆搅拌10秒以上；
⑤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，直到扩大头底面标高；
⑥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以上50cm；
⑦切土下沉：使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；
⑧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以上50cm，完成单桩施工。
4、施工期间质量控制措施
⑴项目经理部指派专人负责搅拌桩的施工，全过程旁站水泥搅拌桩的施工过程。所有施工机械均应编号，应将现场技术员、钻机长、现场负责人、搅拌桩桩长、桩距等制成标牌悬挂于钻机明显处，确保人员到位，责任到人。
⑵搅拌桩开钻之前，应用水清洗整个管道并检验管道中有无堵塞现象，待水排尽后方可下钻。
⑶为保证搅拌桩桩体垂直度满足规范要求，在主机上悬挂一吊锤，通过控制吊锤与钻杆上、下、左、右距离相等来进行控制。
⑷对每根成型的搅拌桩质量检查重点是水泥用量、水泥浆拌制的罐数、压浆过程中是否有断浆现象、喷浆搅拌提升时间以及复搅次数。
⑸为了确保桩体每米掺合量以及水泥浆用量达到设计要求，每台机械均应配备电脑记录仪。同时现场应配备水泥浆比重测定仪，以备监理工程师和项目经理部质检人员随时抽查检验水泥浆水灰比是否满足设计要求。
⑹施工时应严格控制喷浆时间和停浆时间。每根桩开钻后应连续作业，不得中断喷浆。严禁在尚未喷浆的情况下进行钻杆提升作业。储浆罐内的储浆应不小于一根桩的用量加50kg。若储浆量小于上述重量时，不得进行下一根桩的施工。
⑺施工中发现喷浆量不足，应按监理工程师要求整桩复搅，复喷的喷浆量不小于设计用量。如遇停电、机械故障原因，喷浆中断时应及时记录中断深度。在12小时内采取补喷处理措施，并将补喷情况填报于施工記录内。补喷重叠段应大于100cm，超过12小时应采取补桩措施。
⑻现场施工人员认真填写施工原始记录，记录内容应包括：1、施工桩号、施工日期、天气情况；2、喷浆深度、停浆标高；3、灰浆泵压力、管道压力；4、钻机转速；5、钻进速度、提升速度；6、浆液流量；7、每米喷浆量和外掺剂用量；8、复搅深度。
四、结语
与常规水泥土搅拌桩相比，钉形水泥土双向搅拌桩同样施工方便、操作简单，机械在现有的水泥土搅拌桩机械上改造即可，设备投入少。并且有效解决了传统水泥土搅拌桩由于施工过程中冒浆、搅拌不均匀引起的一系列桩身质量问题，保证水泥土搅拌桩桩体中的水泥掺入量，提高水泥浆分布的均匀性，桩身质量大大提高。从现有的工程实例看，其综合经济效益比常规水泥土搅拌桩节省投资约15% ～ 35%，并且随着处理软土深度的增加，其经济效益和社会效益越发明显。
参考文献：
[1]《钉形水泥土双向搅拌桩复合地基技术规程》（苏JG/T024-2007）
[2]《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002）
[3]许文斌，丁跃，袁和旭.钉形水泥土双向搅拌桩在某工程软基处理中的设计应用.地基与处理，2014.01-0096-03
[4]李仁民.钉形水泥土双向搅拌桩施工技术及应用.地基基础，2007.04-0230-03