20世纪50年代初，美国Intrusion Prepakt公司率先开发出应用于软土地基的水泥搅拌桩技术[1]。70年代以来，经美、日、欧及中国的持续开发与应用，水泥搅拌桩技术在干湿法、新材料、钻机装备与钻具、测控技术等方面得到了快速发展[2]。目前，以单向搅拌桩（DSM桩）技术为主导的搅拌桩工程应用中[3-4]，存在着固有缺陷[5]:(1)在高塑性黏土中施工易产生糊钻抱钻，易使地基土与固化材料难以搅拌均匀及桩身强度不连续；(2)固化剂浆液易沿钻杆周围空隙冒浆造成场地污染、材料浪费[6];(3)钻具搅拌能力低，长桩深部桩段强度无法达到设计要求[7];(4)无法满足硬土层、大直径及大深度搅拌桩施工需求。为解决上述技术难题，自20世纪末，日本和德国相继开发出多层剪切搅拌技术[3,8]、工法和钻机装备，较著名的有日本青山机工的DCS装备与工法[9]、小野田ケミコ的Epocolumn装备与工法[10]、Raito,Inc.的RAS装备与工法[11]及あおみ建設的KSS装备与工法[12]；德国Bauer的SCM-DH装备与工法[3]。

中国东南大学于2004年开展了双向搅拌桩（DDM桩）技术研究与应用[13-15]。其钻头（图1(b））可在内外钻杆的上下搅拌叶片交接处实现一层土体剪切搅拌，与传统DSM桩（图1(a））相比能改善桩身质量。2022年，浙江坤德创新岩土工程有限公司提出了多层互剪搅拌桩工法（contra-rotational shear deep soil mixing method,即CS-DSM工法）、多层互剪搅拌桩（CS-DSM桩），申请了相关钻机与钻具专利[16-17]，并与福建厦兴重工机械有限公司合作生产出110 k W SXJ-110-D（图2）及250 k W SXJ-250-Y型钻机装备。该装备采用了同轴双层钻杆技术，利用框架式钻具上多层交错设置的搅拌翼板（图1(c）），能够实现对桩身固化土体的多层互剪搅拌。目前，CS-DSM桩和CS-DSM工法及其钻机与钻具已于2023年投入多项建筑工程与交通工程应用，并取得了阻断冒浆抱钻、提高桩身均匀性与强度及取芯率的效果，施工效率、施工质量及工程经济性也获得了大幅度提升。

图1 DSM桩、DDM桩、CS-DSM桩的施工钻头对比

由于CS-DSM工法及其工程装备投入工程应用时间较短，中国工程界对CS-DSM桩的优良性能尚缺乏了解。为此，针对这一新型搅拌桩进行了模型试验研究，重点探索了DSM桩与CS-DSM桩的力学性能差异，特别是水泥掺量和单位桩长搅拌次数T对搅拌桩均匀性与桩身强度的影响。为今后CS-DSM桩施工技术装备和CS-DSM工法的应用，特别是对CS-DSM桩的施工工艺因素优化提供试验依据。

图2 SXJ-110-D型多层互剪搅拌桩施工钻机装备

1、模型试验技术

1.1模拟地基制备

模型试验使用的模型箱长100 cm、宽60 cm、高120 cm，由分层角钢框架堆叠构成，每层之间采用卡扣连接。模型箱内每层填土高5 cm，共24层，箱底部采用钢板及工字钢支承。

模拟地基采用高岭土和中粗砂各50%混拌而成，地基制备采用分层填筑法，每5 cm土层填筑、压实并刮平后再填筑上一层土。模拟地基含水率为30%，平均塑性指数为13.6，属于粉质黏土。模型箱底部设有10 cm砂层并预埋了渗水管，引导排水。地基制备后，在模型箱顶面覆盖土工膜，静置2 d后进行试验。模拟地基的物理力学指标见表1。

表1 模拟地基的物理力学指标

1.2智能控制系统(ACS)

为在模型试验中模拟搅拌桩成桩工艺与实施效果、控制钻具升降速度与转速、量测施工扭矩、调节桩段水泥喷注量，实时记录施工参数信息，自主研制了搅拌桩智能控制系统（ACS系统），用于自动成桩和可控注浆，从而精准控制模型桩的成桩工艺过程[18]。

ACS系统[19]分为管理、协调和执行3个层级（图3），操作员通过显示模块及输入模块与中央控制平台交互。模型钻机运行由PLC逻辑控制，试验数据可实时采集和存储。ACS系统拥有预设施工参数功能，试验前可预设钻具转速、旋转方向、钻掘与提升速度及每5 cm桩段的喷浆量。试验中可对时间、扭矩、钻深、钻具转速与升降速度进行实时监控，数据采样频率为1 Hz。注浆系统的液压站工作压力为0.3 MPa，流量调节范围为0.3～1.0 L/min，实时浆液喷注量可通过变频器控制电机转速进行调节，并应用反馈控制技术达到桩体恒量或变量注浆的目的。

图3 智能控制ACS系统框图

1.3模型钻机

模型钻机设有主桅杆（图4），其一侧安装有滑道，动力头（图5）的上下运动由线性数控丝杆滑台控制，并带动钻具上下移动。滑台最大垂直负载为50 kg，最高垂直满载速度为0.4 m/s，行走位置精度为2 mm。

图4 模型箱、模型钻机与ACS系统

图5 模型钻机动力头

DSM桩钻机的单动力头由伺服电机和减速比为10︰1的减速机组成，额定扭矩为12.7 N·m，峰值扭矩为38.1 N·m，额定转速为300 rpm。伺服电机功率为400 W，满载传动效率>94%。CS-DSM桩钻机的动力头由伺服电机和减速比为35︰1的减速机组成。内钻杆与外钻杆额定扭矩分别为44.5,83.6 N·m，额定转速为86 rpm。智控注浆系统通过旋转接头与内钻杆连接向钻具输送浆液。

单向搅拌钻具由钻杆、搅拌翼板和钻掘翼板组成（图6(a））。搅拌翼板采用活动模块，便于对翼板的尺寸、立刃角度及上下翼板组的间距进行调节。搅拌翼板的数量可调节增减，本文中的DSM搅拌钻具设有钻掘翼板及搅拌翼板各2个。钻杆设有输浆通道，喷浆管位于一侧钻掘翼板的底部且设有5个出浆口，动力头下方的旋转接头与钻具连接可保障注浆管路连通。

图6 搅拌桩钻具

多层互剪搅拌钻具由内外钻杆、外框架、搅拌翼板和钻掘翼板组成（图6(b）），外框架和搅拌翼板采用活动模块，通过更换活动模块，可调整搅拌翼板和外框架的尺寸、角度、间距和钻具几何形式。钻具的外管的搅拌翼板数量为6个，内管的搅拌翼板为4个，钻掘翼板2个。内钻杆的输浆方式与DSM搅拌钻具的管路结构类似。

2、试验方案

2.1桩体表观均匀性试验方案

模型试验利用色砂搅拌混合试验方法[20-21]研究了DSM桩与CS-DSM桩的表观均匀性。试验用色砂分别为红、绿、蓝和白色，白色为天然石英砂，红绿蓝3种颜色的石英砂采用丙烯颜料以1︰40（颜料质量︰砂质量）的配比染色。将4色砂土在直径为36 cm的圆柱形桶中均匀填筑成地基，桶中彩色地基由4个等分的垂直扇形柱体构成，每一种色砂占圆柱体的1/4。

采用单向与多层互剪搅拌钻具在桶中的成桩过程如2.3节所述，但无胶凝材料注入桩体。试验中，两类搅拌桩的单位桩长搅拌次数T值均设定为400。钻掘搅拌试验结束后，使用吸尘器将彩色地基表面色砂分层吸走，并对不同深度的砂土水平面进行拍照分析。

2.2桩体强度对比试验方案

对比试验方案应用单因素分析方法，针对不同的水泥掺量和搅拌次数T，分别研究工艺参数变化对搅拌桩桩身强度的影响，探索工程应用中优化施工工艺与施工参数的可能性[22,5]。

水泥掺量对比试验参数汇总于表2，钻机施工参数包括升降速度及恒定搅拌次数。固化材料为P.O42.5级普通硅酸盐水泥，均按0.7水灰比搅拌备浆，水泥掺量选用了8%,13%,18%，两类桩分别进行了3种水泥掺量的试验。

表2 桩身强度与水泥掺量关系的试验方案

作为重要工艺参数的搅拌次数T对比研究，针对表3的13根DSM桩与表4的5根CS-DSM桩进行T值变化对桩身强度的影响试验。DSM桩的搅拌次数试验区间T为300～1000，而CS-DSM桩的搅拌次数变化区间T为429～1329。在对比方案中18根试验桩的水泥掺量为13%，水灰比为0.7，单桩用浆量均为1.73 L，水泥用量均为1.69 kg，但各桩的成桩时间有所不同。

2.3试验步骤

前期准备性试验发现模型搅拌桩施工对桩周土体的影响范围为100～150 mm，即（1.0～1.5)D[23](D为桩径）。图7展示了8根试验桩在模型箱中的位置，其最小桩中心距为220 mm。

DSM桩与CS-DSM桩的桩身均匀性及桩身强度对比试验采用90 cm桩长、100 mm桩径的模型桩，模型试验实施步骤如下：

(1）采用分层法制备均匀性良好的模拟地基。

(2）成桩均采用两搅一喷、下钻喷浆工艺，试验前在ACS系统中预设水灰比、水泥掺量、钻掘深度、钻具转速、升降速度及每5 cm桩段喷浆量等施工参数。

表3 搅拌次数对比试验方案：DSM桩试验参数

表4 搅拌次数对比试验方案：CS-DSM桩试验参数

(3）启动ACS系统、钻机及注浆设备，每箱依序施工8根模型桩，并量测、存储全部施工参数信息；成桩后用土工膜封顶并养护7 d。

(4)7 d后拆箱取出搅拌桩，每根桩切割成10～12块边长为50 mm立方体试块，并进行试块拍照和无侧限抗压强度检测，取试块的抗压强度平均值为桩身抗压强度。

图7 模型桩位布置图

3、结果与分析

3.1不同工法对桩身表观均匀性的影响

通过两类搅拌桩的表观均匀性试验，可以从深层色砂搅拌痕迹及桩身试块照片分辨出DSM桩与CS-DSM桩在桩身均匀性方面存在的巨大差异。

观察图8(a）的单向搅拌钻具在5 cm深度位置的砂层彩色图像，发现单向搅拌钻具形成的水平面呈现清晰的旋涡状螺旋纹路，4条连续的弧形翼状单色条带围绕桩心旋转（图8(c））。在15 cm深度位置的砂层彩色图像也存在明显的独立色带（图8(e）），这两张照片显示出DSM桩的搅拌效果极不均匀。

作为对比，图8(b）多层互剪搅拌钻具在深度为0,5,15 cm平面的剪切搅拌混合效果良好、色彩较均匀，CS-DSM桩的不同深度水平面无明显的连续色块，也无旋涡状纹路。四种颜色均匀散布在桩周范围内，且圆形桩周边界清晰（图8(d),(f））。

在图9桩身试块照片中，两组编号为#1～#6试块的桩身深度位置为从上至下分布。观察表3的#10DSM桩试块（T=647）可见，图9(a）试块水平面上存在高水泥含量的深灰色水泥土与低水泥含量的浅色水泥土，且高水泥含量的螺旋状条带分布清晰；沿深度方向，试块也存在水泥含量变化不均匀的薄层水泥富集区。这些现象充分说明DSM桩在各深度的搅拌均匀性效果很差，桩体非均质特征明显。

检视图9(b）桩身试块照片，表4的#CS5桩(T=643)试块色彩均一，各深度水泥土中的土体与水泥搅拌混合得非常均匀，无薄层水泥富集条带，桩体可视为均匀连续介质。通过两类搅拌桩的表观均匀性对比试验结果可以认为，CS-DSM桩施工技术能够确保搅拌桩的更高品质。

图8 色砂试验的表观均匀性对比照片(T=400)

图9 两类搅拌桩的试块均匀性对比照片(T=640～650)

3.2水泥掺量对桩身强度的影响

水泥掺量是重要的搅拌桩设计施工参数，其掺量由工程要求和土质条件决定，常用范围为7%～25%[24]。模型试验选用的水泥掺量aw为8%,13%,18%，试验探索了DSM桩与CS-DSM桩在不同水泥掺量条件下，各自桩身强度以及溢浆量的变化情况。

由于多层互剪搅拌工艺可有效阻断浆液溢出路径，CS-DSM桩在水泥掺量变化下均未出现冒浆现象，提升了固化材料的利用率和施工质量。CS-DSM桩身强度随着水泥掺量提高呈线性增长，桩身强度由0.587MPa提升至1.240 MPa（图10），增幅达111%。

图1 0 水泥掺量与桩身强度的关系曲线

DSM桩身强度也随着水泥掺量增加而提高，当水泥掺量从13%提高到18%时，桩身强度由0.774 MPa增至0.874 MPa，增长了12.9%，在此区间其增长幅度约为CS-DSM桩身强度增幅的1/3。在DSM桩成桩过程中，当水泥浆注入量较高时，会出现孔口溢浆。如在aw=13%时，地基表面出现了水泥土稀浆，aw=18%时则产生大量冒浆，当注浆量达到2394 cm3时，溢出浆量高达406 cm3，实际固化材料的利用率只有83%。

3.3搅拌次数T对桩身强度的影响

(1)DSM桩的桩身强度与搅拌次数的相关性

日本和美国的搅拌桩工程经验认为，单位桩长搅拌次数T可以综合反映多种施工因素对桩身强度的影响[2]，本节通过不同工艺选择研究了T值对搅拌桩的桩身强度UCS的影响。对于采用两搅一喷及钻掘搅拌阶段喷浆工艺的单位桩长搅拌次数T(rev/m）可按下式计算[6]:

式中：M为搅拌翼板总数；Nd,Nu为钻掘、提钻时的钻具转速(r.p.m);Vu,Vd为钻掘和提钻时的速度（m/min）。

图11为#4～#16DSM模型桩在水泥掺量和水灰比确定条件下，桩身平均抗压强度UCS与单位桩长搅拌次数T的关系曲线，可以看出桩身强度UCS与T值之间展现出三段式规律。当T值小于450，搅拌次数T增长对桩身强度增长的贡献不明显，当T值位于450～850时，桩身强度随T值增加呈现线性增长，大幅度提升了桩身强度，最大提高幅度接近4倍。当T值大于850后，桩身强度虽会继续增大，但增长幅度明显减缓。

经过试验数据拟合，可以获得下述桩身强度与T值的关系公式。

当450<T<850时：

当850<T<1000时：

图1 1 DSM桩的桩身强度与搅拌次数的关系曲线

通过桩身强度与搅拌次数T关系曲线分析，可以推论，在水泥掺量、水灰比确定条件下，DSM桩的质量、工时和成本与T值密切相关。因此，在搅拌桩工程中应针对设计桩身强度提出合理的最低搅拌次数T，这对工程质量和成本控制具有重大意义。

(2)CS-DSM桩的桩身强度与搅拌次数的相关性

搅拌桩的搅拌均匀性是控制桩身质量的核心因素。日本工程界曾指出单向搅拌桩工法的单位桩长搅拌次数T是评价搅拌桩均匀性的关键指标[6]。对于采用CS-DSM工法的多层互剪搅拌桩施工，单位桩长搅拌次数T值取决于内外钻杆的搅拌翼板个数、转速、钻具升降速度及升降搅拌次数，据此，笔者提出了两搅一喷、下钻喷浆工艺的T值计算公式：

式中：M1为内钻杆搅拌翼板个数；M2为外钻杆搅拌翼板个数；1v为钻具下钻速度（m/min);2v为钻具提钻速度（m/min);N1为下钻阶段内钻杆转速(r.p.m);N2为提钻阶段内钻杆转速(r.p.m);N3为下钻阶段外钻杆转速(r.p.m);N4为提钻阶段外钻杆转速(r.p.m)。

图12根据#CS4～#CS8桩试验组数据，绘制出桩身强度UCS与单位桩长搅拌次数T的关系曲线，当T值由429增至1329时，桩身强度由1.5 MPa增长到2.3 MPa，提高了53%。在水泥掺量不变条件下，桩身强度与搅拌次数T正相关，桩身强度呈现单调增长规律。地基土与水泥浆搅拌充分均匀，在微观上促进了水泥土中水泥水化产物分布的均匀性，大大减少了因水泥浆分布不均匀在水泥土中形成低强度区；在宏观上则体现为桩体强度的整体提高和良好连续性。因此，在CS-DSM桩的工程实践中也应该通过T值调整来确保搅拌桩的设计桩身强度。

通过拟合图12数据点发现桩身强度与搅拌次数T之间存在指数增长关系，在水泥掺量、水灰比及内外钻杆转速比为1.5确定条件下，桩身抗压强度与搅拌次数T的关系式为

由该拟合关系可见，随着搅拌次数T的增加，CS-DSM桩的桩身强度存在2.421 MPa上限。

利用式（4）能够根据桩身强度设计要求，估算施工所需要的“最优”T值，进而在保障搅拌桩施工质量基础上优化施工效率、降低工程成本。

图1 2 CS-DSM桩的桩身强度与搅拌次数的相关关系

(3）两类搅拌桩的桩身强度对比分析

两类搅拌桩在水泥掺量、水灰比及搅拌次数T相同条件下，比较#4～#16桩和#CS4～#CS8桩的桩身强度试验结果可以发现，CS-DSM桩比DSM桩的抗压强度更高。在搅拌次数T为400时，CS-DSM桩的抗压强度已达到1.4 MPa，且随着T值不断增加，桩身强度逐步增长到2.3 MPa，增长了64.3%;DSM桩虽在T为300～800显示出强度快速增长，但两者相比，CS-DSM桩在图13中的桩身强度优势极为显著。若要DSM桩的桩身强度达到1.4 MPa，其T值需要比CS-DSM桩所需的搅拌次数T增加一倍以上，但这会导致施工工期和成本增加。根据室内水泥土配合比的试验[25]结果，对于同等温度、龄期、水泥掺量且完全充分均匀搅拌的50 mm×50 mm×50 mm水泥土立方体试件，其无侧限抗压强度σmax为2.9 MPa。此时，8号CS-DSM桩的桩身强度可达到σmax的80%，而图13中DSM桩的桩身强度最高值小于1/2σmax。

为了能够更清晰地阐述DSM桩与CS-DSM桩的桩身强度差异性，在450<T<1200提取出两者的桩身强度比Rs散点，并绘制图14，两类桩的强度比Rs与搅拌次数T的函数关系能用指数型曲线表示：

由图可见，在T为450～663时Rs值从6.4大幅度降低到2，随着T值逐步增加Rs值逐渐趋近于1.410，并在T>900时达到平台期。强度比曲线拟合度R2为0.995，表明Rs值与T值之间具有极高的相关性。

图1 3 DSM桩与CS-DSM桩的桩身强度对比

图1 4 强度比Rs与单位桩长搅拌次数T的相关性

通过上述对比分析可知，对于相同的搅拌次数T,CS-DSM桩的桩身强度总体高于DSM桩；特别在低搅拌次数区间（T<663)CS-DSM的强度优势极为明显，其最大强度比Rs可达到6.4。当T值大于900时，两类桩的强度比Rs将趋于1.410。因此，CS-DSM桩仅需要较低的搅拌次数T即可达到DSM桩在较高搅拌次数T时的施工质量。

为了更加系统地衡量两类桩的桩身平均强度的均匀性，笔者采用了桩身强度变异系数（COV）分析法。较小的COV值代表模型桩的桩芯样本的平均强度变异程度低，即桩身搅拌均匀性和桩身强度均匀性高。图15依据模型桩的试验数据给出了模型桩身各位置试块平均强度变异系数与搅拌次数T的关系曲线。CS-DSM桩的实测桩身强度变异系数均小于10%，且平均COV仅为8%，反映其桩身强度均匀性良好。对比表3中搅拌次数T大于400的DSM桩，其COV值介于10%～20%，离散性远高于CS-DSM桩。分析结果再次表明，CS-DSM桩身强度不但更高而且强度连续性更好。

实际工程记录曾指出，DSM工法施工的单向搅拌桩的桩身强度COV高达30%～60%[26]；采用RAS工法施工直径2 m的DDM桩的桩身强度COV介于20%～30%[11]；而DCS工法施工的多层互剪搅拌桩的桩身强度COV变化范围介于10%～30%[4]。模型试验数据和工程统计数据都证实了采用多层互剪搅拌钻具施工的CS-DSM桩较DSM桩的桩身均匀性与连续性更好，且桩身强度连续性与稳定性也更可靠。

图1 5 两类桩身强度变异系数与搅拌次数的相关关系

4、结论

(1）利用色砂搅拌试验，观察两类搅拌桩从表面到深部的表观均匀性，CS-DSM桩在均匀性以及连续性方面远优于DSM桩。

(2）针对CS-DSM工法，提出用于CS-DSM桩施工的单位桩长搅拌次数T计算公式：

(3）在13%水泥掺量和0.7水灰比的条件下，提高单位桩长搅拌次数T能够大幅度提高搅拌桩的桩身强度；基于DSM桩模型试验结果，在450<T<850区间，UCS值的计算公式为

基于CS-DSM桩模型试验结果，在400<T<1200区间，UCS值的计算公式为

以上强度与搅拌次数关系可借鉴用于工程应用，需要通过现场试验合理选取最优T值来保证搅拌桩身设计强度。

(4）应用CS-DSM桩施工技术，可阻隔地表冒浆、防止抱钻，并可显著提升桩体的纵横向均匀性和强度连续性。CS-DSM桩施工过程无明显溢浆，桩身强度随着水泥掺量提高而增长；但是DSM桩在高水泥掺量时溢浆严重，水泥掺量由13%增长至18%，其桩身强度增幅仅为CS-DSM桩增幅的1/3。在同等固化材料用量条件下，CS-DSM工法的施工质量更具优势。

(5）由桩身强度比Rs与T值的关系式（5）得出，在低搅拌次数区间，CS-DSM模型桩的强度优势明显，可达到DSM模型桩的桩身强度的2倍以上。

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文章来源:葛春巍,刘钟,兰伟,等.单向与多层互剪搅拌桩性能模型试验对比研究[J].岩土工程学报,2024,46(11):2420-2428.