钉形水泥土搅拌桩技术经济分析工程案例

钉形水泥土搅拌桩技术经济分析一、 场地岩土工程特点拟建工程区域位于广东省东莞市 A 区，沿线主要为鱼塘、河沟、城区，通过现场踏勘工作和对勘察报告的分析，并结合道路、桥涵、管线的设计资料，本工程软土路基处理主要存在以下特点：、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 1020 之间，最大深度超过 25 米，处理难度很大。、地下水埋藏较浅，地下水埋藏深度在相对孔口标高-2.52.5m 之间，地下水位标高随地形而变化；拟建工程场地内水系较发育，大部分为鱼塘及河道；路基为过湿路基类型。、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。、部分路段为填筑河道修建路基，且外侧受新建河堤挡墙限制，填河路段的路基处理难度较大。、本项目定于 201X 年 5 月开工，次年底完工，工期短，且大部分路段为路堤合一段，考虑到路堤合一段外侧为堤防直墙或圬工实体护坡形式，堤防工程的施工与道路地基处理工法牵制较大，施工排序难度较大，不宜采用工期较长的软基处理方式。、城区路段已有现况路面，部分路段可以利用，进行路面加铺，拓宽路段需要处理新旧路基之间的差异沉降。、沿线无取土场地，土石方均需外运。二、 地基处理方案技术比选2.1 常见软基处理方法介绍软土路基的处理目的是为了控制沉降、保证稳定、抗液化和震陷。软基处理技术由来已久，随着现代工程技术的进步和不断发展已趋于完善。由于新的加固技术和新型材料的不断发展，软土地基处理的方法多种多样，许多软土地基处理方法同时兼有几种不同的处理效果。主要处理方法可以划分为两类：复合地基法和土性改善法，分述如下：（1）复合地基法复合地基法在高填方路基中应用的主要是竖向加强体(桩)和横向加强体(加筋)两种形式，本文主要研究桩体复合地基法。按照桩体材料的特征可以将桩体复合地基分为粘结材料桩和散体材料桩。对于粘结材料桩按照桩体刚度的不同可以分为刚性桩和柔性桩两类。分述如下：l)刚性桩复合地基刚性桩复合地基是指桩体材料的刚度远远大于土体材料的刚度，通过桩顶部分的桩帽和土体相互作用形成“土拱” ，承担上部土体的作用，其控制沉降效果好，侧向刚度大，可有效防止路面开裂，在工程实践中逐渐得到推广应用。常见的为由碎石、石屑、粉煤灰掺适量水泥加水拌合，用振动沉管打桩机或其他成桩机具制成的 CFG 桩和管桩复合地基形式。CFG 桩可在全长范围内受力，能充分发挥桩周摩阻力和端承力。通过置换和挤密作用，提高承载力，减小沉降量。管桩使用起源于国外，目前我国在高速公路软基处理方面应用还较少。管桩复合地基处理质量可靠、工期短、承载力高。目前公路路基以沉降控制为主，承载力一般都能满足实际要求，故一般采用疏桩结构。2)柔性桩复合地基柔性桩(也称半刚性桩) 是指无须桩周土的围箍即能自立，桩身刚度和强度较小、压缩量较大，单桩沉降以桩身压缩量法为主、受桩端持力层性状影响不大的复合地基竖向增强体。常见的有石灰桩、水泥土桩、灰土桩等。3)散体材料桩复合地基散体材料桩是指桩体材料不具有粘结性，常见的有碎石桩，砂桩等。砂桩是指用振动或冲击荷载在软弱地基中成孔后，将砂挤压入土中，形成大直径的密实柱体。在松散砂土中主要起挤密的作用，在软土中起到置换和排水的作用。（2）土性改善法强夯法又称为动力固结法或动力压密法，通过将 100400kN 的重锤，以640m 的落距落下给地基以冲击和振动，提高上体强度，降低压缩性，改善土体的振动液化条件，消除湿陷性黄土的湿陷性。其加固机理包括动力固结、动力夯实和动力置换。强夯法由法国梅纳(Menard)技术公司于 1969 年首创，这种方法是将重锤以一定的落距自由落下给地基以冲击和振动，使地基出现强大的应力波，引起土体内密度、应力、孔隙水压力等的变化，从而达到提高地基强度的目的。强夯法由于其具有加固效果显著，施工设备简单，施工迅速和工程造价低廉等优点，而受到广泛应用。目前，国内外强夯关键技术主要集中在大能级的强夯技术研究和饱和软土复合地基的强夯技术研究，而对于山区园砾土和卵石土高填方地基采用强夯技术应用较少，故有必要在这方面作进一步的研究。注浆处理按照注浆压力的大小可以分为灌浆法和高压注浆法两类。灌浆法是将具有流动性和胶结性能的浆液，注入土体的孔隙，形成固结体。高压注浆法是采用较高的压强，进行渗透注浆或者是劈裂注浆，填充土体中的孔隙，可进行多次注浆。排水固结法，是指对天然地基或已设置竖向排水体的地基进行处理，加速固结，从而提高地基土强度。主要途径为缩短排水距离和增加孔隙水排出路径。排水固结系统通常包括排水系统和加压系统，两者经常联合使用。适用于处理饱和软粘土、吹填土、松散粉土、新近填土、有机质土及泥炭土地基等。2.2 处理方案技术比较针对该场地的岩土特点，我们将对软基处理的各种方案的进行比较，选择适合该场地的处理方案，以保证工程的质量，减少投资，提高工作效率，缩短工期。（1）土性改善法首先分析土性改善法在本工程的适用性。强夯法加固软基的范围比较小，它只适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土等地基，显然不适用于本工程高饱和度的淤泥地质。排水固结处理造价低，但是工期要求时间长，预压时间至少需要 6 个月的时间，本工程是不允许的，且在管线较多的市政道路，如果采用堆载预压法，后期管线施工非常繁杂，需要进行大量的土方反开挖，造成工程浪费。（2）复合地基法针对本工程地质情况差、工期要求紧、工后沉降控制严格的特点，复合地基处理是比较理想的处理方案，但桩体的选用需要进一步的论证。根据地区工程经验，我们把常用复合地基桩体以列表来说明其优缺点：常用软基加固方法比较表地基加固方法 适用范围 优点 缺点普通水泥土搅拌桩（干法和湿法）软土厚度较大的地段。粉喷桩处理的深度小于 12 米，浆喷桩处理的深度小于 15 米。机械和施工队伍较多，可以加快工期。冒浆、扰动大，均匀性差；当软弱土厚度超过 8m 时，施工质量不宜保证；质量监控手段不精密，桩身强度有所限制。旋喷桩法 深厚软弱土。桩身强度较高，施工机械高度在 3m 以内，易适应场地施工空间受限的环境。造价较高，表层泥浆不利于环保。管桩法 深厚软弱土。 质量易控制，工期短 造价高。CFG 桩法 深厚软弱土。 桩身强度高，质量较易控制。当软弱土为淤泥和淤泥质土时成桩效果不容易保证，且造价较高。钉形水泥土双向搅拌桩 深厚软弱土。桩身强度较高，质量较易控制。 为专利技术。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；工程造价低的特点，因而目前大多数道路工程采用最多的是水泥土搅拌桩复合地基技术加固软基。2.3 钉形与双向水泥土搅拌桩方法介绍及与常规水泥土搅拌桩的对比就水泥土搅拌桩而言，钉形与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和社会效益。(1)钉形与双向水泥土搅拌桩方法介绍水泥土搅拌桩系指利用水泥等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在软土地基深处，就地将软土和固化剂强制搅拌，由固化剂和软土之间产生一系列物理和化学反应，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。水泥土搅拌桩具有施工简便、工期短、振动小等优点，在软土地基处理工程中得到广泛应用；但在应用过程中也发生了水泥土搅拌桩存在均匀性差、浆液上冒、受力不合理、人为因素等影响工程质量等问题，造成对水泥土搅拌桩的成桩质量及其对软土地基的处理效果产生怀疑，许多地方对水泥土搅拌桩施工技术持慎用、限用的态度。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与双向水泥土搅拌桩。钉形与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（施工工艺） 。由于实现了正反向同时旋转：阻断水泥浆上冒途径，作业环境良好；把水泥浆控制在两组叶片之间，保证水泥浆在桩体中搅拌均匀；桩身强度大大提高；对桩周土的扰动影响范围小；施工安全。钉形与双向水泥土搅拌桩在水泥土搅拌桩成桩过程中，由动力系统分别带动安装在同心钻杆上的内、外两组搅拌叶片同时正、反向旋转搅拌，既可以为同一个直径，形成圆柱体桩体；又可以通过搅拌叶片的伸缩（利用土体的主被动土压力差，使钻杆上叶片打开或收缩， ）桩径随之变大或变小，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；形成钉形与双向水泥土搅拌桩。采用了钉形这种桩的新的结构形式，更好地确保桩体和桩间土协调变形，调整桩和土的分担作用，特别是桩身强度提高后，减少了桩土应力比，充分发挥桩间土的作用，减少基础底面的应力集中，降低了变形沉降，达到更佳的复合地基效果。在施工过程中，根据工程的实际情况可以在桩体的任何地方变化其直径，形成扩大头（体）。桩体桩 间距 S下 部桩径d扩大头直径 D扩大头高度H桩长h钉形与双向水泥土搅拌桩示意图施工质量的好坏直接关系到水泥土搅拌桩地基处理的效果，施工的质量和人的素质、技能等有着密切的联系；为了消除人为因素，工艺流程越简单越好；钉形与双向水泥土搅拌桩采用的是二搅一喷的工艺流程，扩大头部分与桩一次施工完成，工艺流程简单，更能消除人为因素，提高搅拌桩的质量；施工管理也同样简单明了，针对性和目的性较强。钉形水泥土双向搅拌桩技术已在铁路、高速公路、港口、码头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 26 米，最大桩径已达到 1.3 米；该技术的科学性、先进性和经济性已在工程中得到证明。(2)技术性比较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：技 术 性 比 较 简 表桩 形项 目常规水泥土搅拌桩钉形与双向水泥土搅拌桩施工工艺 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； 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，对施工安全也不利对桩周土扰动性小，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 桩径大，处理深度深达 26 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。(3)经济性比较就水泥土搅拌桩而言，钉形与双向水泥土搅拌桩和常规水泥土搅拌桩相比，不光在处理软基技术上领先，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和社会效益。（1）施工效率 钉 形 水 泥 土 搅 拌 桩 与 常 规 搅 拌 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 。0204060801001201.6 2 2.4上 下 桩 径 比工期率/%（工期/常规桩工期）常 规 桩钉 形 桩由于改进了工艺及流程，采用了双向搅拌工艺，钉形的结构，二搅一喷的施工方法，工艺流程简单，操作方便，施工管理简单，不但桩身质量有保证，施工效率也大幅提高，缩短工期、节约成本，为后期施工赢得时间，对业主、设计方、施工单位是一举三得的好事，具有良好的经济效益和社会效益。（2）工程造价在现有的各省定额当中只有湖北省定额有双向钉型搅拌桩的相关内容，目前广东省在做此类桩的综合单价时只有借鉴湖北省定额。通过对湖北省双向钉型搅拌桩消耗定额及湖北省普通水泥搅拌桩消耗定额的分析得到：双向钉型搅拌桩的水泥桩机台班是普通搅拌桩水泥桩机台班的 1.5倍。在此基础上对广东省普通水泥搅拌桩机械台班进行调整可以得到广东省双向钉型搅拌桩的综合单价。综合单价机械费是按照东莞市 11 年 6 月主要材料价格计算，电 0.85 元/千瓦时，汽油 9.7 元/kg，柴油 8.7 元/kg。人工费按照东建价【2011】2 号文的规定按 83 元/工日计算。广东省其他地区可以根据本地区的