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摘要：大直径钉形双向水泥土搅拌桩是一种新的地基处理方法。它针对传统水泥土搅拌桩存在的诸多弊端进行了相应的改进,具有良好的处理效果。简要介绍大直径钉形双向水泥土搅拌桩实际应用情况,并通过实例对其施工机械和施工工艺进行说明; 通过试验检测数据和相关分析, 分别从施工工艺、承载力、沉降变形及经济效益等方面,说明其优越性。
关键词：双向水泥土搅拌桩 对比分析
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
一、双向水泥搅拌桩软基处理工艺
该技术将水泥土搅拌桩成桩机械的钻杆改进为同心双轴钻杆。内钻杆上安装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，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。
二、双向水泥搅拌桩施工工艺方法
对于双向水泥搅拌桩施工而言，其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，形成具有一定整体性和一定强度的水泥土复合地基。
其主要的施工步骤分为：
（1）平整场地、定位放线。搅拌机就位：起重机悬吊搅拌机到指定桩位并对中：
（2）切土下沉：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射水泥浆，两组叶片同时正反向旋转切割、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到设计深度，桩端应就地持续喷浆搅拌10秒以上；
（3）提升搅拌：关闭送浆泵，搅拌机提升，两组叶片同时正方向旋转搅拌水泥土，直到地表或设计桩顶标高以上50cm。
下图1为向水泥搅拌桩施工流程示意图：
图1：水泥搅拌桩施工流程示意图
三、几种常见的地基处理技术分析
注：表中造价一栏是指在同等条件下的比较。
（一）常规水泥土搅拌桩存在的问题
（1）水泥土在垂直方向和水平方向都难以搅拌均匀；
（2）在土压力、孔隙水压力、喷浆压力的相互作用下，水泥浆沿钻杆上行，普遍存在地面冒浆现象，影响水泥浆掺入量；
（3）桩土共同作用难以协调，需在桩顶部设置垫层或土工织物加筋层；
（4）桩间距较小，造价较高。
（二）钉型双向水泥搅拌桩施工工艺优点分析
（1）利用常规设备加工改进，易于推广；
（2）扩大头部分与桩一次施工完成，操作方便；
（3）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和桩周土协调变形，达到更佳的复合地基效果；
（4）充分利用土中應力传递规律，加强土体上部复合地基强度；
（5）搅拌桩类似钉子形状，上部扩大头起到类似承台的作用，可以降低对上部褥垫层的要求；
（6）扩大头作用以及环形对称边载效应，可成倍增大桩间距，同时褥垫层的造价也大幅下降，大大节省工程造价。
四、钉形水泥土双向搅拌桩的设计
（一）适用范围分析
适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、软粘性土及无流动地下水的松散砂土等地基；对于Ip≥25的粘性土应通过现场试验确定其适用性；对于含水量小于25%的粘性土，N63.5≥15的砂性土及处 理深度超过35m的，施工难度较大。
（二）钉形水泥土双向搅拌桩的材料
主要有木质素磺酸钙、石膏、三乙醇胺等。应通过试验确定选用的外加剂种类和掺量。不同的外加剂对水泥土有着不同的影响，一般来说，添加剂按照所起的作用分为以下几种类型：
（1）增加桩体强度：如粒径不大于0.25mm的粉细砂、粉煤灰（二级干粉以上）、石膏等。
（2）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水泥土凝结时间而对后期强度无明显影响。
（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：如当地下水或土样的PH值小于4时，可在固化剂中掺入水泥重量5%的石灰，可使水泥周围的环境变成碱性，将大大利于水泥水化反应的进行
（三）各种设计参数确定的原则
（1）桩 长：若持力层不深，到达持力层。
（2）桩 径：处理深度小于12m，一般取500mm；处理深度12～18m，一般取600mm；处理深度于18m，一般取700mm。（3）桩间距：等间距，不等间距。（4）布置形式：三角形，矩形。
（5）上下桩径比
钉形水泥土双向搅拌桩的下部桩径不 宜小于500mm，上、下桩径比（D/d）宜在1.8～2.4之间，桩径大时取小值。也可由下式确定：
扩大头高度：
对称边载效应系数：
（四）单桩承载力计算
（1）刺入性破坏模式
如果桩身强度满足：
并且：
单桩极限承载力应由下式确定:
（2）扩大头“翼缘”下部桩体屈服破坏模式
如果桩身强度满足：
并且：
单桩极限承载力应由下式确定:
综合上述两种破坏模式，变截面水泥土双向搅拌桩单桩极限承载力可采用下式计算：
钉形水泥土双向搅拌桩复合地基极限承载力可采用下式计算：
在上面的式子中，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》。
五、工程实例分析
（一）工程概况
金昌路地处杭州市拱墅区北部康桥镇内，呈NEE走向，西起莫干山路，东止于320国道，其中西端与三墩金渡北路相接，全长约7.8km。规划道路性质为城市主干路，红线宽度42m，两侧各控制30m的绿化带。
根据本工程勘察报告，工程区属冲海相沉积平原区，在金昌路运河桥西引桥，东引桥与道路衔接段，地质条件较差，有较厚的塘泥+淤泥质粘土存在，且填高较高，本工程拟采用钉形水泥土双向搅拌桩复合地基处理工艺处理。
根据本工程地质报告，工程场区表层为近期人工杂填土及耕土（素填土），淤泥质粘土、粉质粘土、粉砂等。土层自上而下分述如下：
1层：素填土，灰黄色为主，部分灰色，松散～稍密，以粘性土、粉性土为主，夹有碎石含有机质、腐殖质、腐殖物及少量砖瓦碎粒，主在分布于沿线村庄、道路、低洼回填地段，层厚0～3.10m。
2层：淤泥质粉质粘土，全新统滨海、浅海相沉积层（mQ42）。灰色，流塑，厚层状，含有机质、腐殖质等，高压缩性，低强度。干强度中等，中等韧性，摇振反应无。静力触探锥尖阻力qc=0.25～0.70MPa，平均值0.41MPa，沿线局部地段缺失，层厚5～8.30m。
3层：粉质粘土，浅灰、青灰夹灰黄色斑点，软塑～可塑，干强度高，中等韧性，摇振反应无，切面光滑，韧性和干强度高。实测标贯击数3～14击，平均值9击。静力触探锥尖阻力qc=0.50～0.86MPa，平均值为0.74MPa，属中等压缩性土。沿线局部地段分布，层厚2～12.70m。
4层：粉砂灰色，稍密，饱和，含云母。实测标贯击数17～25击，平均值21击。属中等压缩性土。呈透境体分布，层厚3～7.70m。
（二）实验设计参数
为进行对比分析，试验段分A、B两个区，具体设计参数如下表：
（三）钉形水泥土双向搅拌桩与常规桩对比分析
（1）钉形水泥土双向搅拌桩与常规桩工期对比分析
采用钉形水泥土双向搅拌桩较采用常规水泥土搅拌桩可大大缩短工期，能够为后期施工和预压赢得更长时间，具有明显的社会效益。
（2）双搅桩与常规桩经济对比分析
①双搅桩与常规桩单价经济对比分析
②钉形水泥土双向双搅桩各试验段经济对比分析
③钉形桩与其他几种处理方法比较
综上所述：刚性桩复合地基，在桩顶需设置刚性盖板，每块刚性盖板的价格在200～350元/块，在刚性盖板上还可能设置水平加筋体。总之，刚性桩复合地基的地基处理费用较钉形水泥土双向搅拌桩的处理费用约高出50%以上。
参考文献：
1.李兵.水泥土双向搅拌桩在上海S32高速公路软基加固中的应用研究[J].公路工程，2010，35(4)：108-111.
2.孙鹤.双向水泥土搅拌桩在软土地基加固中的应用[J].现代交通技术，2010(1)：31-34.
3.李跃斌.双向水泥土搅拌桩在公路软基加固中的应用[J].山西建筑，2009，35(9)：286-287.
关键词：双向水泥土搅拌桩 对比分析
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
一、双向水泥搅拌桩软基处理工艺
该技术将水泥土搅拌桩成桩机械的钻杆改进为同心双轴钻杆。内钻杆上安装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，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。
二、双向水泥搅拌桩施工工艺方法
对于双向水泥搅拌桩施工而言，其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，形成具有一定整体性和一定强度的水泥土复合地基。
其主要的施工步骤分为：
（1）平整场地、定位放线。搅拌机就位：起重机悬吊搅拌机到指定桩位并对中：
（2）切土下沉：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射水泥浆，两组叶片同时正反向旋转切割、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到设计深度，桩端应就地持续喷浆搅拌10秒以上；
（3）提升搅拌：关闭送浆泵，搅拌机提升，两组叶片同时正方向旋转搅拌水泥土，直到地表或设计桩顶标高以上50cm。
下图1为向水泥搅拌桩施工流程示意图：
图1：水泥搅拌桩施工流程示意图
三、几种常见的地基处理技术分析
注：表中造价一栏是指在同等条件下的比较。
（一）常规水泥土搅拌桩存在的问题
（1）水泥土在垂直方向和水平方向都难以搅拌均匀；
（2）在土压力、孔隙水压力、喷浆压力的相互作用下，水泥浆沿钻杆上行，普遍存在地面冒浆现象，影响水泥浆掺入量；
（3）桩土共同作用难以协调，需在桩顶部设置垫层或土工织物加筋层；
（4）桩间距较小，造价较高。
（二）钉型双向水泥搅拌桩施工工艺优点分析
（1）利用常规设备加工改进，易于推广；
（2）扩大头部分与桩一次施工完成，操作方便；
（3）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和桩周土协调变形，达到更佳的复合地基效果；
（4）充分利用土中應力传递规律，加强土体上部复合地基强度；
（5）搅拌桩类似钉子形状，上部扩大头起到类似承台的作用，可以降低对上部褥垫层的要求；
（6）扩大头作用以及环形对称边载效应，可成倍增大桩间距，同时褥垫层的造价也大幅下降，大大节省工程造价。
四、钉形水泥土双向搅拌桩的设计
（一）适用范围分析
适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、软粘性土及无流动地下水的松散砂土等地基；对于Ip≥25的粘性土应通过现场试验确定其适用性；对于含水量小于25%的粘性土，N63.5≥15的砂性土及处 理深度超过35m的，施工难度较大。
（二）钉形水泥土双向搅拌桩的材料
主要有木质素磺酸钙、石膏、三乙醇胺等。应通过试验确定选用的外加剂种类和掺量。不同的外加剂对水泥土有着不同的影响，一般来说，添加剂按照所起的作用分为以下几种类型：
（1）增加桩体强度：如粒径不大于0.25mm的粉细砂、粉煤灰（二级干粉以上）、石膏等。
（2）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水泥土凝结时间而对后期强度无明显影响。
（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：如当地下水或土样的PH值小于4时，可在固化剂中掺入水泥重量5%的石灰，可使水泥周围的环境变成碱性，将大大利于水泥水化反应的进行
（三）各种设计参数确定的原则
（1）桩 长：若持力层不深，到达持力层。
（2）桩 径：处理深度小于12m，一般取500mm；处理深度12～18m，一般取600mm；处理深度于18m，一般取700mm。（3）桩间距：等间距，不等间距。（4）布置形式：三角形，矩形。
（5）上下桩径比
钉形水泥土双向搅拌桩的下部桩径不 宜小于500mm，上、下桩径比（D/d）宜在1.8～2.4之间，桩径大时取小值。也可由下式确定：
扩大头高度：
对称边载效应系数：
（四）单桩承载力计算
（1）刺入性破坏模式
如果桩身强度满足：
并且：
单桩极限承载力应由下式确定:
（2）扩大头“翼缘”下部桩体屈服破坏模式
如果桩身强度满足：
并且：
单桩极限承载力应由下式确定:
综合上述两种破坏模式，变截面水泥土双向搅拌桩单桩极限承载力可采用下式计算：
钉形水泥土双向搅拌桩复合地基极限承载力可采用下式计算：
在上面的式子中，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》。
五、工程实例分析
（一）工程概况
金昌路地处杭州市拱墅区北部康桥镇内，呈NEE走向，西起莫干山路，东止于320国道，其中西端与三墩金渡北路相接，全长约7.8km。规划道路性质为城市主干路，红线宽度42m，两侧各控制30m的绿化带。
根据本工程勘察报告，工程区属冲海相沉积平原区，在金昌路运河桥西引桥，东引桥与道路衔接段，地质条件较差，有较厚的塘泥+淤泥质粘土存在，且填高较高，本工程拟采用钉形水泥土双向搅拌桩复合地基处理工艺处理。
根据本工程地质报告，工程场区表层为近期人工杂填土及耕土（素填土），淤泥质粘土、粉质粘土、粉砂等。土层自上而下分述如下：
1层：素填土，灰黄色为主，部分灰色，松散～稍密，以粘性土、粉性土为主，夹有碎石含有机质、腐殖质、腐殖物及少量砖瓦碎粒，主在分布于沿线村庄、道路、低洼回填地段，层厚0～3.10m。
2层：淤泥质粉质粘土，全新统滨海、浅海相沉积层（mQ42）。灰色，流塑，厚层状，含有机质、腐殖质等，高压缩性，低强度。干强度中等，中等韧性，摇振反应无。静力触探锥尖阻力qc=0.25～0.70MPa，平均值0.41MPa，沿线局部地段缺失，层厚5～8.30m。
3层：粉质粘土，浅灰、青灰夹灰黄色斑点，软塑～可塑，干强度高，中等韧性，摇振反应无，切面光滑，韧性和干强度高。实测标贯击数3～14击，平均值9击。静力触探锥尖阻力qc=0.50～0.86MPa，平均值为0.74MPa，属中等压缩性土。沿线局部地段分布，层厚2～12.70m。
4层：粉砂灰色，稍密，饱和，含云母。实测标贯击数17～25击，平均值21击。属中等压缩性土。呈透境体分布，层厚3～7.70m。
（二）实验设计参数
为进行对比分析，试验段分A、B两个区，具体设计参数如下表：
（三）钉形水泥土双向搅拌桩与常规桩对比分析
（1）钉形水泥土双向搅拌桩与常规桩工期对比分析
采用钉形水泥土双向搅拌桩较采用常规水泥土搅拌桩可大大缩短工期，能够为后期施工和预压赢得更长时间，具有明显的社会效益。
（2）双搅桩与常规桩经济对比分析
①双搅桩与常规桩单价经济对比分析
②钉形水泥土双向双搅桩各试验段经济对比分析
③钉形桩与其他几种处理方法比较
综上所述：刚性桩复合地基，在桩顶需设置刚性盖板，每块刚性盖板的价格在200～350元/块，在刚性盖板上还可能设置水平加筋体。总之，刚性桩复合地基的地基处理费用较钉形水泥土双向搅拌桩的处理费用约高出50%以上。
参考文献：
1.李兵.水泥土双向搅拌桩在上海S32高速公路软基加固中的应用研究[J].公路工程，2010，35(4)：108-111.
2.孙鹤.双向水泥土搅拌桩在软土地基加固中的应用[J].现代交通技术，2010(1)：31-34.
3.李跃斌.双向水泥土搅拌桩在公路软基加固中的应用[J].山西建筑，2009，35(9)：286-287.