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钉形水泥土双向搅拌桩技术 加固软土地基的理论与应用,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 二 0 0 九 年,岩土工程技术的重大突破,,目 录,,钉形水泥土双向搅拌桩的材料,1.通常为硅酸盐类水泥，R32.5以上。 2.掺入量： 8%20% ，一般用12%18% 。 3.水灰比：0.50 0.60 。,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 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。,钉形水泥土双向搅拌桩的材料,外加剂,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。,,各种设计参数确定的原则,1.桩 长 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。,（1）扩大头长度的确定 扩大头按其作用形式可分别作为盖板（桩帽）与桩体。当作为盖板时，高度一般为0.81.5m。作为桩体时，h=(1/31/5)L，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。）,,扩大头的形式,一、作为桩帽(盖板) 作为桩帽时，钉形桩扩大头的设计长度可设计为1.0m1.5m左右，考虑到桩顶0.5m范围内，因上覆压力较小，桩身强度较低而效果不佳，桩径比（D/d）可达到23。,,二 、作为桩体 作为桩身结构部分时， 钉形桩扩大头是整桩的一部分，扩大头高度宜大于2.5m。,扩大头的形式,,三、处理特殊地层部分 处理特殊土层是指，在某一深度范围内，有特别软弱的土层、滑动面的范围较大，为更经济合理地利用钉形桩而增大桩身的强度，其扩大头高度可据特殊土层厚度适度加长；扩大头的位置也可根据土层条件随意变化。,扩大头的形式,,（2）总桩长的确定,最大入土深度应通过试桩的结果确定，具体根据电流值以及标贯击数确定，标贯击数大于15击，电流值超过60A时，为极限入土深度。,钉形水泥土双向搅拌桩最大处理深度可达35m。由于目前的水泥土搅拌桩施工机械结构单薄，稳定性较差，使钉形桩的处理深度大大受到限制，水泥土搅拌桩施工施工机械处理深度一般的不超过25m，因此软土地基处理深度越过25m时，就需要增大动力，提高桩机机架的稳定性。,原则上桩长应进入持力层，尽量避免悬浮于软弱土体中。,,各种设计参数确定的原则,2.桩 径 桩径分为扩大头桩径D与下部桩径d。,（2）对于扩大头桩径D： D=1.82.4d（作为桩体时）； D=2.02.8d（作为桩帽时）。,（1）对于下部桩径d： 处理深度小于12m，一般取500mm； 处理深度1218m，一般取600mm； 处理深度于18m，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下部桩径不 宜小于500mm，上、下桩径比（D/d）宜在1.82.4之间，桩径大时取小值。也可由下式确定：,(3)上下桩径比,,各种设计参数确定的原则,3.桩间距 等间距，不等间距。,在路堤荷载作用下，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区域，即：拱上稳定区、土拱区、及拱下自由区。若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。 通过土拱截面强度验算可以得出考虑土拱效应时的合理桩间距的控制公式。,合理桩间距的确定,合理桩间距,,拱顶强度验算,拱脚强度验算,式中，c为土体的粘聚力，为土体的内摩擦角，D为扩大头直径，q为桩顶荷载。,,即 ，因此取最大桩间距 。取 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： =g(q,D,c, ),比较上述截面强度分析的拱跨与可得：,桩间距与各影响因素的关系,,各种设计参数确定的原则,4.布置形式 三角形，矩形以及各种组合形式,根据不同的功能要求确定。,其他形式：,,各种设计参数确定的原则,水泥土的强度随龄期的增长而增大，在龄期28d后，强度仍有明显增长，因此，对于承重搅拌桩试块取90d龄期为标准龄期，对起支撑作用受水平荷载的搅拌桩，水泥土强度取28d龄期为标准龄期。室内配比试验90d标准养护的水泥土试块抗压强度可根据上部荷载大小、结构形式等确定。,5.桩身强度,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： R现=KR室 （K=0.60.8仅供参考）,,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，建筑地基处理技术规范提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fcu7、fcu14、fcu28、fcu60、fcu90分别为7d、14d、28d、60d、90d龄期的水泥土抗压强度。,,单桩承载力的组成,单桩承载力的计算,,单桩承载力的组成,一、扩大头部分： 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。,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： 当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大于桩身强度与下部桩体面积的乘积，取桩身强度与下部桩体面积的乘积； 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。,,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： 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； 当无单桩载荷试验资料时，初步设计时可按下式进行估算。,(一)刺入性破坏模式：,(二)扩大头“翼缘”下部桩体屈服破坏模式：,(三)桩顶屈服破坏模式。,单桩承载力计算分三种情况：,,一、刺入性破坏模式,如果桩身强度满足：,且:,单桩极限承载力应由下式确定:,,二、扩大头“翼缘”下部桩体屈服破坏模式,如果桩身强度满足：,且:,单桩极限承载力应由下式确定:,,三、桩顶屈服破坏模式,如果桩身强度满足：,且:,单桩极限承载力应由下式确定:,,综合三种破坏模式，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：,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 （苏JG/T024-2007 ）,,S1扩大头深度范围内复合土层平均压缩变形量,S2下部桩体深度范围内复合土层平均压缩变形量,S3桩端下部未加固土层平均压缩变形量,S= S1+ S2+ S3,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照现行国家标准建筑地基基础设计规范GB50007-2002的有关规定执行。 复合土层的分层与天然地基相同（在变截面处应分层计算），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面积置换率加权平均，即：,,目 录,,施工机械与设备,动力箱体,双向桩与钉形桩的施工机架与常规搅拌桩相同，不同的是配备了专用的钻头、叶片以及动力箱体。,,可伸缩叶片,三种钻头,,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桩质量更好，搅拌更加均匀，可以使用强制式搅拌钻头。,,试 桩,1.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。 试桩的目的是：,（1）进一步确定所选桩型的施工可行性，避免桩机全面进场后发现该桩型不适合本场地施工或发现桩承载力远小于地质报告提供的计算值，此时再改桩型就会拖工期且增加费用。,（2）根据单桩竖向静载荷试验确定单桩竖向承载力特征值。由于地质报告提供的数值往往偏于保守，所以可以根据静载报告提高桩承载力，减少桩数。,,（5）确定进入持力层的判别方法。,2.满足施工要求的试桩,不同地段具有不同的地质条件，为了克服盲目性，确保收到预期的效果，在施工前必须进行工艺试桩，试桩数量不少于5根。 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、钻进速度、搅