单向与多层互剪搅拌桩性能模型试验对比研究

葛春巍; 刘钟; 兰伟; 杨宁晔; 文磊; 周洁

doi:10.11779/CJGE20230791

单向与多层互剪搅拌桩性能模型试验对比研究 English Version

葛春巍^{1, 2,},
刘钟^{1, 2, 3, ,},
兰伟^{1, 2},
杨宁晔^{1, 2},
文磊^{1, 2},
周洁^{4, 5}

1.
浙江坤德创新岩土工程有限公司, 浙江宁波 315100
2.
坤德智慧岩土技术研究院, 浙江宁波 315100
3.
中冶集团中冶建筑研究总院有限公司, 北京 100088
4.
同济大学地下建筑与工程系, 上海 200092
5.
同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092

基金项目:

宁波市高新区重大科技专项 2023CX050004

详细信息

作者简介:
葛春巍(1988—)，男，博士，工程师，主要从事地基处理装备研发及工艺工法研究。Email: gexxx063@alum.mit.edu

通讯作者:
刘钟, E-mail: zzliu8@163.com

中图分类号: TU443
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2023-08-15
- 网络出版日期: 2024-03-24
- 刊出日期: 2024-10-31

Model tests on performances of DSM and CS-DSM piles

GE Chunwei^{1, 2,},
LIU Zhong^{1, 2, 3, ,},
LAN Wei^{1, 2},
YANG Ningye^{1, 2},
WEN Lei^{1, 2},
ZHOU Jie^{4, 5}

1.
ZheJiang Kunde Innovate Geotechnical Engineering Co., Ltd., Ningbo 315100, China
2.
Kunde Research Institute of Intelligent Geotechnical Technology, Ningbo 315100, China
3.
Central Research Institute of Building and Construction, MCC Group, Beijing 100088, China
4.
Department of Geotechnical Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
5.
Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering (Tongji University), Ministry of Education, Shanghai 200092, China

摘要

摘要: 利用自研单向与多层互剪搅拌桩模型钻机，对传统DSM桩与新型CS-DSM桩的工艺因素及成桩质量进行了模型试验对比研究，探索了水泥掺量和单位桩长搅拌次数T对两类搅拌桩成桩均匀性与桩身强度的影响。试验结果证实CS-DSM桩的表观均匀性和桩身连续性明显好于DSM桩，在T值相同条件下，两者平均桩身强度比R_s为1.41~6.4，且R_s随着搅拌次数T增加而呈指数趋势降低，24组模型试验结果还揭示出DSM桩与CS-DSM桩在UCS-T之间的本质联系。提出的DSM桩与CS-DSM桩的T值和UCS值的计算方法，可以指导搅拌桩施工参数合理选取以实现桩身设计强度目标。通过DSM工法与CS-DSM工法的试验对比研究获得的两类桩的桩身质量差异性结果，能够为高质量的CS-DSM桩工艺控制原则和质量保障体系提供试验依据。
- 搅拌桩 /
- 多层互剪搅拌桩 /
- CS-DSM工法 /
- 搅拌次数 /
- 桩身均匀性和抗压强度
Abstract: Using the small-scale model rig, a comparative experimental study is conducted to investigate the process control and quality control in the deep soil mixing (DSM) method and contra-rotational shear deep soil mixing (CS-DSM) method. The research emphasis is placed on the effects of cement content, blade rotation number T on the uniformity and unconfined compression strength (UCS) of mixing piles. A notably improved uniformity and continuity of the CS-DSM piles over the DSM piles is confirmed by the test results. The strength ratio R_s ranges from 1.41 to 6.4, and it shows an exponential decrease with the increasing T. Furthermore, the results from 24 model piles provide insights into the fundamental relationship and distinctions between UCS and T. On this basis, the construction parameters can be optimized to ensure the target design strength for both types of piles. The model test results clearly demonstrate the differences in the construction quality between the DSM method and the CS-DSM method. The technical basis established in this study serves as a cornerstone for the process control and quality assurance in installing high-quality CS-DSM piles.
- DSM pile /
- CS-DSM pile /
- CS-DSM method /
- blade rotation number /
- pile uniformity and strength

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图 1 DSM桩、DDM桩、CS-DSM桩的施工钻头对比

Figure 1. Comparison between three different drill bits

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图 2 SXJ-110-D型多层互剪搅拌桩施工钻机装备

Figure 2. CS-DSM drilling rig model No. SXJ-110-D

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图 3 智能控制ACS系统框图

Figure 3. Layout of autonomous control system

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图 4 模型箱、模型钻机与ACS系统

Figure 4. Model case, drilling rig and ACS

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图 5 模型钻机动力头

Figure 5. Rotary power heads for drilling rig

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图 6 搅拌桩钻具

Figure 6. Illustration of drill bits for DSM and CS-DSM piles

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图 7 模型桩位布置图

Figure 7. Position of piles in model foundation

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图 8 色砂试验的表观均匀性对比照片(T = 400)

Figure 8. Results of uniformity tests for DSM and CS-DSM piles

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图 9 两类搅拌桩的试块均匀性对比照片(T = 640~650)

Figure 9. Pictures of soilcrete cubes for DSM and CS-DSM piles

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图 10 水泥掺量与桩身强度的关系曲线

Figure 10. Relationship between UCS and cement content

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图 11 DSM桩的桩身强度与搅拌次数的关系曲线

Figure 11. Relationship between UCS and T for DSM piles

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图 12 CS-DSM桩的桩身强度与搅拌次数的相关关系

Figure 12. Relationship between UCS and T for CS-DSM piles

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图 13 DSM桩与CS-DSM桩的桩身强度对比

Figure 13. Comparison of UCS between DSM and CS-DSM piles

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图 14 强度比R_s与单位桩长搅拌次数T的相关性

Figure 14. Strength ratios between DSM and CS-DSM piles

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图 15 两类桩身强度变异系数与搅拌次数的相关关系

Figure 15. Relationship between COV and T

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表 1 模拟地基的物理力学指标

Table 1 Physico-mechanical parameters of model soil

密度/(g·cm^-3)	含水率/%	液限/%	塑限/%	黏聚力/kPa	内摩擦角/(°)	塑性指数
1.84	30	34.1	20.5	8.4	13.7	13.6

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表 2 桩身强度与水泥掺量关系的试验方案

Table 2 Test plans for studying cement content and UCS

桩号	水泥掺量/%	阶段	转速/ rpm		升降速度/(m·min^-1)	浆液流量/(L·min^-1)	搅拌次数/(rev·m^-1)
桩号	水泥掺量/%	阶段	内杆	外杆	升降速度/(m·min^-1)	浆液流量/(L·min^-1)	搅拌次数/(rev·m^-1)
1	8	下/上	单向	24	0.28/0.28	0.33/ —	686
2	13	下/上	单向	24	0.28/0.28	0.54/ —	686
3	18	下/上	单向	24	0.28/0.28	0.75/ —	686
CS1	8	下/上	10	6	0.28/0.28	0.33/ —	686
CS2	13	下/上	10	6	0.28/0.28	0.54/ —	686
CS3	18	下/上	10	6	0.28/0.28	0.75/ —	686
注：平均养护温度为17℃。

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表 3 搅拌次数对比试验方案：DSM桩试验参数

Table 3 Test plans for studying blade rotation number for DSM piles

桩号	阶段	转速/ rpm		升降速度/（m·min^-1）	浆液流量/（L·min^-1）	搅拌次数/（rev·m^-1）
桩号	阶段	下钻	提钻	升降速度/（m·min^-1）	浆液流量/（L·min^-1）	搅拌次数/（rev·m^-1）
4	下/上	9	14	0.25/0.36	0.48/ —	300
5	下/上	11	20	0.25/0.36	0.48/ —	398
6	下/上	13	22	0.25/0.36	0.48/ —	452
7	下/上	15	23	0.25/0.36	0.48/ —	496
8	下/上	17	25	0.25/0.36	0.48/ —	550
9	下/上	18	28	0.25/0.36	0.48/ —	599
10	下/上	21	28	0.25/0.36	0.48/ —	647
11	下/上	22	31	0.25/0.36	0.48/ —	696
12	下/上	22	32	0.25/0.32	0.48/ —	752
13	下/上	23	33	0.25/0.30	0.48/ —	808
14	下/上	25	33	0.25/0.30	0.48/ —	853
15	下/上	25	35	0.25/0.28	0.48/ —	900
16	下/上	25	36	0.25/0.24	0.48/ —	1000
注：平均养护温度为32 ℃。

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表 4 搅拌次数对比试验方案：CS-DSM桩试验参数

Table 4 Test plans for studying blade rotation number for CS-DSM piles

桩号	阶段	转速/ rpm		升降速度/(m·min^-1)	浆液流量/(L·min^-1)	搅拌次数/(rev·m^-1)
桩号	阶段	内杆	外杆	升降速度/(m·min^-1)	浆液流量/(L·min^-1)	搅拌次数/(rev·m^-1)
CS4	下/上	6	4	0.28/0.28	0.54/ —	429
CS5	下/上	9	6	0.28/0.28	0.54/ —	643
CS6	下/上	11	7	0.28/0.28	0.54/ —	771
CS7	下/上	13	9	0.28/0.28	0.54/ —	943
CS8	下/上	19	12	0.28/0.28	0.54/ —	1329
注：平均养护温度为32℃。

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参考文献(26)

[1]	COLLE E R. Mixed in place pile: USA, US3270511[P]. 1966-09-06.
[2]	PORBAHA A. State of the art in deep mixing technology: part Ⅰ Basic concepts and overview[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Ground Improvement, 1998, 2(2): 81-92. doi: 10.1680/gi.1998.020204
[3]	DENIES N, HUYBRECHTS N. Deep Mixing Method[M]// Ground Improvement Case Histories. Amsterdam: Elsevier, 2015: 311-350.
[4]	FILZ G, BRUCE D. Innovation and collaboration in deep mixing[C]// Grouting 2017. Honolulu, 2017: 336-353.
[5]	PORBAHA A, SHIBUYA S, KISHIDA T. State of the art in deep mixing technology. Part Ⅲ: geomaterial characterization[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Ground Improvement, 2000, 4(3): 91-110. doi: 10.1680/grim.2000.4.3.91
[6]	KITAZUME M. Quality Control and Assurance of the Deep Mixing Method[M]. London: CRC Press, 2021.
[7]	O'ROURKE T D, MCGINN A J. Case history of deep mixing soil stabilization for Boston central artery[C]//Geotechnical Engineering for Transportation Projects. Los Angeles, 2004: 77-136.
[8]	SEIJI M, SHUBUYA S, TETSUJI M, et al. Soil improvement device: Japan, JP08-199556[P]. 1996-08-06.
[9]	木付拓磨, 澤口宏, 今井正, など. 大口径大深度深層混合処理工法の適用におけるリアルタイム管理システムの導入[J]. 日本材料科学学会雑誌, 2018, 67(1): 93-98. KIZUKI T, SAWAGUCHI H, IMAI T, et al. An introduction of real-time management system for applying deep-mixing method with large diameter and improvement depth (DCS method)[J]. Journal of the Society of Materials Science, Japan, 2018, 67(1): 93-98. (in Japanese)
[10]	鈴木孝, 齋藤邦夫, 原満生, など. 複合相対攪拌翼を用いた深層混合処理工法の改良原理と適用事例[J]. 日本材料科学学会雑誌, 2010, 59(1): 32-37. SUZUKI K, SAITOH K, HARA M, et al. Mixing mechanism and case study of deep stabilization method using contra-rotational mixing head[J]. Journal of the Society of Materials Science, 2010, 59(1): 32-37. (in Japanese)
[11]	MORI K, UKAJI N, MIYAKAWA M. Invited Lecture: recent trends in the development of deep mixing methods in Japan[C]// Geotechnics for Sustainable Infrastructure Development. Singapore, 2020: 541-554.
[12]	島野嵐. 大口径相対攪拌工法の概要と施工事例: KS-S·MIX工法(特集基礎工, 地盤改良)建設機械施工一般社団法人[J]. 日本建設機械施工協会誌, 2017, 69(7): 59-63. SHIMANO A. Case study: large diameter contra-rotational soil mixing pils using KS-S MIX method[J]. JCMA, 2017, 69(7): 59-63. (in Japanese)
[13]	刘松玉, 宫能和, 冯锦林, 等. 双向水泥土搅拌桩机: CN1632232A[P]. 2005-06-29. LIU Songyu, GONG Nenghe, FEN Jinling, et al. Bi-directional cement soil mixing pile machine: CN1632232A[P]. 2005-06-29. (in Chinese)
[14]	刘松玉, 易耀林, 朱志铎. 双向搅拌桩加固高速公路软土地基现场对比试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(11): 2272-2280. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2008.11.014 LIU Songyu, YI Yaolin, ZHU Zhiduo. Comparison tests on field bidirectional mixing column for soft ground improvement in expressway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(11): 2272-2280. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2008.11.014
[15]	刘松玉. 新型搅拌桩复合地基理论与技术[M]. 南京: 东南大学出版社, 2014. LIU Songyu. Innovative Deep Mixing Method-Theory and Technology[M]. Nanjing: Southeast University Press, 2014. (in Chinese)
[16]	刘钟, 陈天雄, 杨宁晔, 等. 一种具有双向旋搅机构的智能钻机装备: CN218405399U[P]. 2023-01-31. LIU Zhong, CHEN Tianxiong, YANG Ningye, et al. Intelligent drilling machine equipment with bidirectional rotary stirring mechanism: CN218405399U[P]. 2023-01-31. (in Chinese)
[17]	刘钟, 李国民, 王占丑, 等. 一种搅拌桩机用同心三管三通道钻杆结构和组合注浆钻具: CN114319334A[P]. 2022-04-12. LIU Zhong, LI Guomin, WANG Zhanchou, et al. Concentric three-pipe three-channel drill rod structure for mixing pile machine and combined grouting drilling tool: CN114319334A[P]. 2022-04-12. (in Chinese)
[18]	陈湘生, 洪成雨, 苏栋. 智能岩土工程初探[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(12): 2151-2159. doi: 10.11779/CJGE202212001 CHEN Xiangsheng, HONG Chengyu, SU Dong. Intelligent geotechnical engineering[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(12): 2151-2159. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE202212001
[19]	ANTSAKLIS P J, PASSINO K M, WANG S J. An introduction to autonomous control systems[J]. IEEE Control Systems Magazine, 1991, 11(4): 5-13. doi: 10.1109/37.88585
[20]	NAKAO K, INAZUMI S, TAKAUE T, et al. Visual evaluation of relative deep mixing method type of ground-improvement method[J]. Results in Engineering, 2021, 10: 100233. doi: 10.1016/j.rineng.2021.100233
[21]	NAKAO K, INAZUMI S, TAKAUE T, et al. Evaluation of discharging surplus soils for relative stirred deep mixing methods by MPS-CAE analysis[J]. Sustainability, 2021, 14(1): 58. doi: 10.3390/su14010058
[22]	ANDROMALOS K B, BAHNER E W. The application of various deep mixing methods for excavation support systems[C]// Grouting and Ground Treatment, New Orleans, 2003: 515-526.
[23]	SHEN S L, MIURA N, KOGA H. Interaction mechanism between deep mixing column and surrounding clay during installation[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2003, 40(2): 293-307.
[24]	深层搅拌法地基处理技术规范: DL/T5425—2018[S]. 北京: 中国电力出版社, 2018. Technical Specification for Deep Mixing Ground Treatment: DL/T5425—2018[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2018. (in Chinese)
[25]	水泥土配合比设计规程: JGJ/T 233—2011[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011. Specification for Mix Proportion Design of Cement Soil: JGJ/T 233—2011[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2011. (in Chinese)
[26]	NAVIN M P, FILZ G M. Statistical analysis of strength data from ground improved with DMM columns[C]//Deep Mixing '05: Proc Int Conf on Deep Mixing Best Practice and Recent Advances, Stockholm, 2005.

施引文献(29)

期刊类型引用(21)

1.	魏永杰，陈伟利. 纤维增强水泥土搅拌桩芯样的强度特征与本构模型. 水电能源科学. 2024(04): 103-106 . 百度学术
2.	朱彬，裴华富，杨庆，卢萌盟，王涛. 基于随机有限元法的波致海床响应概率分析. 岩土力学. 2023(05): 1545-1556 . 百度学术
3.	周文辉，肖宁，占辉，贺佐跃. 广州南沙某桥头路基处理方案对比及其工后沉降分析. 科技和产业. 2022(03): 370-376 . 百度学术
4.	陈利宏，杜军，唐灵敏，熊勃，姚嘉敏. 不同养护龄期下水泥掺入比对水泥土直剪特性的影响. 广东土木与建筑. 2022(05): 35-39 . 百度学术
5.	于晓夫. 公路施工质量控制与软土地基处理技术. 工程技术研究. 2022(10): 158-160 . 百度学术
6.	王涛，马骏，周国庆，许大晴，季雨坤. 冻土地层三维空间变异性表征及冻结帷幕温度特征值演化过程研究. 岩石力学与工程学报. 2022(10): 2094-2108 . 百度学术
7.	黄毫春，昌郑，吴春鹏，姚嘉敏，熊勃，刘飞禹. 纤维长度与掺量对加筋水泥土直剪特性的影响研究. 施工技术(中英文). 2022(21): 54-59 . 百度学术
8.	马冬冬，马芹永，黄坤，张蓉蓉. 基于NMR的地聚合物水泥土孔隙结构与动态力学特性研究. 岩土工程学报. 2021(03): 572-578 . 本站查看
9.	郑永胜，田盎然，尹鹏，范韬，刘浩宇，居俊，唐强. 复杂环境下超宽深大基坑设计与施工技术分析——以X352县道改扩建工程项目为例. 盐城工学院学报(自然科学版). 2021(01): 60-65 . 百度学术
10.	周禹暄，胡俊，林小淇，李珂，王志鑫. X型与圆形冻结管单管冻结温度场数值对比分析. 海南大学学报(自然科学版). 2021(02): 198-203 . 百度学术
11.	张新建，唐昌意，刘智. 淤泥水泥土室内配合比试验及成桩效果分析. 公路. 2021(06): 81-84 . 百度学术
12.	秦堃. 深厚软土地基联合加固技术模型试验研究. 粉煤灰综合利用. 2021(04): 35-39 . 百度学术
13.	张卫中，闫少峰，黄学军，何进江，康钦容. 有机粉质粘土灌注桩孔壁垮塌机理及控制研究. 武汉理工大学学报. 2021(05): 80-84+91 . 百度学术
14.	刘海桃，徐志豪，邵朝阳. 有机质对水泥改良红黏土的力学特性影响及微观机理分析. 土工基础. 2021(05): 645-648 . 百度学术
15.	周文辉，肖宁，贺佐跃. 广州南沙某路基桩帽下脱空机理分析. 河南科学. 2021(11): 1783-1789 . 百度学术
16.	马子鹏. 临江富水环境大型过江通道基坑降水施工关键技术研究. 居舍. 2020(29): 63-66+72 . 百度学术
17.	吴雨薇，胡俊，王志鑫，曾东灵，汪树成. 水下清淤人工冻结板温度场数值分析. 煤田地质与勘探. 2019(02): 168-176 . 百度学术
18.	黄磊，刘文博，吴雨薇，陈璐，胡俊. 南宁地铁东滨区间联络通道冻结法加固施工监测分析研究. 森林工程. 2019(06): 77-85 . 百度学术
19.	吴雨薇，刘文博，胡俊，王志鑫，曾东灵. 基于温度场分析的新型水下清淤装置数值研究. 水利水电技术. 2019(11): 103-109 . 百度学术
20.	胡俊，张皖湘，汪磊，刘文博，王志鑫. 防护网与液氮冻土墙复合基坑支护技术研究. 海南大学学报(自然科学版). 2019(04): 359-367 . 百度学术
21.	郑俊杰，乔雅晴，章荣军. 被动加固区参数变异性对软土深基坑变形行为的影响. 土木与环境工程学报(中英文). 2019(06): 1-8 . 百度学术