水泥土搅拌桩智能化施工与监控系统现场试验研究

鲁 治 赵威中 孙成飞

（1.南京市公共工程建设中心，江苏 南京 210000；2.中建三局集团有限公司，江苏 南京 210000）

水泥土搅拌桩施工简单、快捷、造价低，广泛应用于国内外软土地基处理工程中，但在长期的应用中暴露出了施工质量难以控制的问题，一直未能解决。其原因是水泥土搅拌桩施工部位隐蔽，现有桩机自动化程度低，不能进行精确施工，施工后检测方法繁琐，施工质量主要取决于施工人员的经验和责任心。另外，目前水泥土搅拌桩施工时为均匀喷浆，而忽略了地基的成层性，在实际施工中往往不能根据地层条件实现水泥掺量沿桩身均匀分布，导致成桩质量无法保证。水泥土搅拌桩桩身强度受水泥掺量、土层性质、搅拌次数、施工设备等诸多因素的影响，何开胜建议施工过程中应实时控制提高速度和喷浆量大小，使水泥掺量沿桩身改变配比。

本文将研发水泥土搅拌桩智能化施工与监控系统应用于江苏某高速公路软基处理工程，通过现场试验对其应用效果进行研究。

1 水泥土搅拌桩智能化施工与监控系统

水泥土搅拌桩智能化施工与监控系统（以下简称智能化施工与监控系统）由施工数据采集系统、在线式自动制浆站、监控主机、云端存储系统和远程监控端组成，如图1所示。施工时，数据采集系统负责采集、传输钻杆电流、喷浆量、桩长等关键施工参数；在线式自动制浆站精确制备、供应水泥浆，上传制浆数据；监控主机对采集的数据进行分析，控制自动制浆站变频喷浆，同时上传、存储施工数据及分析结果至云端；业主、监理、施工等项目相关方可随时随地登录云端存储系统，查看所有数据，掌握实时施工情况，对现场进行远程监控。

图1 水泥土搅拌桩智能化施工与监控系统总体结构示意图

智能化施工与监控系统改变了传统喷浆模式，实施变频喷浆，即下钻时根据内、外钻杆电流值随深度的变化特征判别土层，根据实际土层条件调整喷浆量，在硬土层少喷浆，软土层多喷浆，使各土层的实际水泥掺量符合土层条件；提钻时自动转换为少量均匀喷浆，以防止泥土堵塞送浆通道，影响施工。各土层对应的水泥掺量通过现场试桩分析确定。变频喷浆模式将绝大部分水泥浆在下钻过程中喷入地基，极大地提高了水泥浆利用率，可保证处理后各土层水泥土满足实际设计要求，经济合理。

2 试验概况

2.1 试验场地工程地质条件

依据地勘资料，试验场地土层自上而下为：①1杂填土，层厚1.2～1.8m；②1黏土，层厚1.7～2.3m；②2粉质黏土，层厚2.8～3.4m；②3淤泥，层厚5.4～6.2m；③1黏土，层厚>3.0m。各土层基本力学指标见表1。

表1 试验段土层物理力学指标

2.2 现场试验

试验段分为A、B两个区，每个试验区施工3根试验桩，A区按照常规方法定掺量喷浆施工1～3号桩，系统采集施工数据用于对比分析；B区由智能化施工与监控系统控制施工4～6号桩。施工完成28d后，进行桩身取芯检测和芯样无侧限抗压强度试验，对比分析A、B区试验桩的成桩质量。取芯检测和芯样无侧限抗压强度试验按《公路工程水泥搅拌桩成桩质量检测规程》（DB32/T 2283-2012）执行。

试验桩设计参数为：桩长14m，桩径600mm，桩间距1.5m，正方形布置，水灰比为0.5，水泥掺量为65kg/m，28d龄期无侧限抗压强度设计值为0.6MPa。

试验桩施工前，根据试桩确定的各土层水泥掺量和已有施工经验，确定变频喷浆程序中内钻杆电流与水泥掺量之间的对应关系见表2。

表2 钻杆电流与水泥掺量对应关系

3 试验结果分析

3.1 变频喷浆及施工效果分析

根据云端下载的施工数据，绘制试验桩下钻内、外钻杆电流值和每延米水泥掺量随深度的变化曲线，如图2～4所示。

图2 下钻钻杆电流-深度曲线

从图2可以看出，在0～2m深度内，电流曲线呈左右波动，试验现场也观察到在刚开始下钻时出现钻机抖动、机架晃动现象，说明在深度0～2m内土层不均匀。深度2～14m内，电流曲线不再左右波动，而是分段分布，在深度2～3m、3～5m、5～11m和11～14m内均出现短暂稳定，但稳定时的电流值有所区别。桩机工作时，土层越硬，钻杆所受阻力越大，所需扭矩越大，钻杆电流则随之减小。由此可以确定，在深度2～14m内分布有多个土层，且各土层土质均匀。根据地勘资料，试验场地自上而下分布有①1杂填土、②1黏土、②2粉质黏土、②3淤泥和③1黏土。

常规施工时定掺量喷浆，因此，按设计值下钻和提钻共应喷入水泥65kg/m。从图3可以看出，常规施工采用定掺量喷浆模式下钻时，在较硬的②1黏土层、②2粉质黏土层和③1黏土层的水泥掺量明显高于设计值，而在最软弱的②3淤泥层的水泥掺量则未达到设计要求，平均低于设计值的23%。其原因在于，水泥土搅拌桩机使用卷扬机作为驱动力，通过钢缆牵引钻杆沿滑轨下钻和提钻，当下钻遇到较硬土层时，钻杆下钻阻力增大，而柔软的钢缆不能强制性向下推动钻杆以维持其下钻速度，导致下钻速度在阻力作用下降低，钻进同样深度所需时间则有所延长，在常规施工均匀喷浆模式下，延长的喷浆时间导致在该深度内喷入过多的水泥浆，使该深度范围内水泥掺量提高。提钻时每延米水泥掺量随深度变化较为平稳，即约一半的水泥在提钻过程中喷入土层。

图3 1～3号桩水泥掺量-深度曲线

从图4可以看出，与常规施工相比，智能化施工与监控系统控制施工时，除③1黏土外，下钻时各土层水泥掺量偏差较小，实现了按照程序设定的电流与水泥掺量对应关系实施变频喷浆，在硬土层喷入少量水泥浆，而在软弱土层喷入足量的水泥浆，提钻时自动切换为少量均匀喷浆，有效防止送浆通道堵塞。③1黏土层为桩端土层，下钻和提钻切换时，桩机操作人员需要操作时间，因此，该土层实际水泥掺量高于设定值的53%，但由于该土层设定水泥掺量仅为20kg/m，其实际值仍远低于常规施工。下钻喷入的水泥浆超过单桩喷浆量的80%。

图4 4～6号桩水泥掺量-深度曲线

常规施工的3根试验桩的监控记录深度分别为13.5m、13.8m和13.7m，智能化施工与监控系统控制施工的3根试验桩监控记录深度分别为14.2m、14.2m和14.3m。

根据上述对监控数据的分析，智能化施工与监控系统实现了对喷浆量、桩长和内、外钻杆电流值、水灰比四项关键施工参数的全程及远程监控，根据钻杆电流判别土层实施的变频喷浆使不同土层的水泥掺量符合其所在土层的软硬程度，将超过80%的水泥浆在下钻过程中喷入土层后充分搅拌，最大限度发挥水泥浆的补强作用。施工时，定掺量喷浆模式常导致水泥浆聚集在硬土层，而软弱土层水泥浆量明显不足。常规施工时，提钻所喷水泥浆约占总喷浆量的一半，由于喷浆口位于搅拌叶片下方，这近一半的水泥浆在喷入土层后并未被搅拌，只能靠微弱的喷浆压力向下钻搅拌形成空隙渗透，对提高桩身强度几乎没有意义。

3.2 桩身强度分析

成桩28d后，通过取芯检测和芯样无侧限抗压强度试验，对1～6号试验桩的成桩质量进行评价。图5为6根试验桩芯样28d龄期无侧限抗压强度试验结果。

图5 芯样28d无侧限抗压强度试验结果

取芯试验表明，常规施工的3根试验桩桩长分别为13.6m、13.7m和13.7m，智能化施工与监控系统控制施工的3根试验桩桩长分别为14.1m、14.2m和14.3m，与监控数据基本一致，说明智能化施工与监控系统监控桩长可以真实反映实际施工桩长。

从图5可以看出，常规施工的1～3号试验桩28d无侧限抗压强度沿桩长波动变化比较明显，在②3淤泥层对应的5～10m深度内桩体无侧限抗压强度明显小于桩身其他部位。智能化施工与监控系统控制施工的4～6号桩28d无侧限抗压强度沿桩身分布比较均匀，在②3淤泥层的无侧限抗压强度与桩身其他部位没有明显差异，且4～6号桩的无侧限抗压强度高于1～3号桩。

从不同土层的强度看，1～3号试验桩在②3淤泥层的28d无侧限抗压强度普遍低于设计要求的0.6MPa，最小值仅为0.23MPa；在③1黏土层则基本满足设计要求，介于0.6～0.7MPa之间；而其他土层则高出设计值较多，最大值达0.77MPa。4～6号试验桩在②3淤泥层将强度值提高到了0.6MPa左右，在其他土层并未超过设计要求太多，介于0.6～0.7MPa之间。可见，智能化施工与监控系统有效保证了各土层的水泥掺量与其实际土层性质相适应，有针对性地提高了软弱土层强度，同时，避免了水泥浆聚集在硬土层；在下钻时，将大部分水泥浆喷入土层并充分搅拌，提高了水泥利用率，进一步保证了各土层桩身强度和均匀性。

4 结语

针对目前国内水泥土搅拌桩施工自动化程度低、质量监测方法落后等问题，将研发的水泥土搅拌桩智能化施工与监控系统应用于江苏某高速公路软基处理工程。通过现场施工试验和施工质量检测，从施工控制、质量监控和桩身强度三个方面对该系统的应用效果进行了分析，得出以下结论：

（1）水泥土搅拌桩智能化施工与监控系统将物联网技术应用于水泥土搅拌桩施工，该系统由施工数据采集系统、在线式自动制浆站、监控主机、云端存储系统和远程监控端组成，可实现全自动变频喷浆和远程监控。

（2）水泥土搅拌桩智能化施工与监控系统通过内、外钻杆电流值的变化特征判别钻头所在深度的实际土层性质，通过实时调整喷浆速度的方式实现针对不同土层的变频喷浆，使各土层实际水泥掺量符合其土层条件，尤其是保证了软弱土层水泥掺量充足，提高了水泥浆利用率。

（3）水泥土搅拌桩智能化施工与监控系统对喷浆量、水灰比、桩长和内、外钻杆电流值四项关键的施工参数进行全程及远程监控，所有监控数据及分析结果第一时间经监控主机上传、存储至云端，无法人为修改，不易丢失，安全可靠。

（4）水泥土搅拌桩智能化施工与监控系统的监控结果与质量检测结果相一致，真实反映成桩质量。