魯 治 趙威中 孫成飛

（1.南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210000；2.中建三局集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000）

水泥土攪拌樁施工簡(jiǎn)單、快捷、造價(jià)低，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外軟土地基處理工程中，但在長(zhǎng)期的應(yīng)用中暴露出了施工質(zhì)量難以控制的問(wèn)題，一直未能解決。其原因是水泥土攪拌樁施工部位隱蔽，現(xiàn)有樁機(jī)自動(dòng)化程度低，不能進(jìn)行精確施工，施工后檢測(cè)方法繁瑣，施工質(zhì)量主要取決于施工人員的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心。另外，目前水泥土攪拌樁施工時(shí)為均勻噴漿，而忽略了地基的成層性，在實(shí)際施工中往往不能根據(jù)地層條件實(shí)現(xiàn)水泥摻量沿樁身均勻分布，導(dǎo)致成樁質(zhì)量無(wú)法保證。水泥土攪拌樁樁身強(qiáng)度受水泥摻量、土層性質(zhì)、攪拌次數(shù)、施工設(shè)備等諸多因素的影響，何開勝建議施工過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)控制提高速度和噴漿量大小，使水泥摻量沿樁身改變配比。

本文將研發(fā)水泥土攪拌樁智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于江蘇某高速公路軟基處理工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行研究。

1 水泥土攪拌樁智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)

水泥土攪拌樁智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)）由施工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、在線式自動(dòng)制漿站、監(jiān)控主機(jī)、云端存儲(chǔ)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控端組成，如圖1所示。施工時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集、傳輸鉆桿電流、噴漿量、樁長(zhǎng)等關(guān)鍵施工參數(shù)；在線式自動(dòng)制漿站精確制備、供應(yīng)水泥漿，上傳制漿數(shù)據(jù)；監(jiān)控主機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，控制自動(dòng)制漿站變頻噴漿，同時(shí)上傳、存儲(chǔ)施工數(shù)據(jù)及分析結(jié)果至云端；業(yè)主、監(jiān)理、施工等項(xiàng)目相關(guān)方可隨時(shí)隨地登錄云端存儲(chǔ)系統(tǒng)，查看所有數(shù)據(jù)，掌握實(shí)時(shí)施工情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 水泥土攪拌樁智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)噴漿模式，實(shí)施變頻噴漿，即下鉆時(shí)根據(jù)內(nèi)、外鉆桿電流值隨深度的變化特征判別土層，根據(jù)實(shí)際土層條件調(diào)整噴漿量，在硬土層少噴漿，軟土層多噴漿，使各土層的實(shí)際水泥摻量符合土層條件；提鉆時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為少量均勻噴漿，以防止泥土堵塞送漿通道，影響施工。各土層對(duì)應(yīng)的水泥摻量通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試樁分析確定。變頻噴漿模式將絕大部分水泥漿在下鉆過(guò)程中噴入地基，極大地提高了水泥漿利用率，可保證處理后各土層水泥土滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求，經(jīng)濟(jì)合理。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

依據(jù)地勘資料，試驗(yàn)場(chǎng)地土層自上而下為：①1雜填土，層厚1.2～1.8m；②1黏土，層厚1.7～2.3m；②2粉質(zhì)黏土，層厚2.8～3.4m；②3淤泥，層厚5.4～6.2m；③1黏土，層厚>3.0m。各土層基本力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)段土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)段分為A、B兩個(gè)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)施工3根試驗(yàn)樁，A區(qū)按照常規(guī)方法定摻量噴漿施工1～3號(hào)樁，系統(tǒng)采集施工數(shù)據(jù)用于對(duì)比分析；B區(qū)由智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)控制施工4～6號(hào)樁。施工完成28d后，進(jìn)行樁身取芯檢測(cè)和芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)比分析A、B區(qū)試驗(yàn)樁的成樁質(zhì)量。取芯檢測(cè)和芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按《公路工程水泥攪拌樁成樁質(zhì)量檢測(cè)規(guī)程》（DB32/T 2283-2012）執(zhí)行。

試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)參數(shù)為：樁長(zhǎng)14m，樁徑600mm，樁間距1.5m，正方形布置，水灰比為0.5，水泥摻量為65kg/m，28d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.6MPa。

試驗(yàn)樁施工前，根據(jù)試樁確定的各土層水泥摻量和已有施工經(jīng)驗(yàn)，確定變頻噴漿程序中內(nèi)鉆桿電流與水泥摻量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 鉆桿電流與水泥摻量對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 變頻噴漿及施工效果分析

根據(jù)云端下載的施工數(shù)據(jù)，繪制試驗(yàn)樁下鉆內(nèi)、外鉆桿電流值和每延米水泥摻量隨深度的變化曲線，如圖2～4所示。

圖2 下鉆鉆桿電流-深度曲線

從圖2可以看出，在0～2m深度內(nèi)，電流曲線呈左右波動(dòng)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)也觀察到在剛開始下鉆時(shí)出現(xiàn)鉆機(jī)抖動(dòng)、機(jī)架晃動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明在深度0～2m內(nèi)土層不均勻。深度2～14m內(nèi)，電流曲線不再左右波動(dòng)，而是分段分布，在深度2～3m、3～5m、5～11m和11～14m內(nèi)均出現(xiàn)短暫穩(wěn)定，但穩(wěn)定時(shí)的電流值有所區(qū)別。樁機(jī)工作時(shí)，土層越硬，鉆桿所受阻力越大，所需扭矩越大，鉆桿電流則隨之減小。由此可以確定，在深度2～14m內(nèi)分布有多個(gè)土層，且各土層土質(zhì)均勻。根據(jù)地勘資料，試驗(yàn)場(chǎng)地自上而下分布有①1雜填土、②1黏土、②2粉質(zhì)黏土、②3淤泥和③1黏土。

常規(guī)施工時(shí)定摻量噴漿，因此，按設(shè)計(jì)值下鉆和提鉆共應(yīng)噴入水泥65kg/m。從圖3可以看出，常規(guī)施工采用定摻量噴漿模式下鉆時(shí)，在較硬的②1黏土層、②2粉質(zhì)黏土層和③1黏土層的水泥摻量明顯高于設(shè)計(jì)值，而在最軟弱的②3淤泥層的水泥摻量則未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，平均低于設(shè)計(jì)值的23%。其原因在于，水泥土攪拌樁機(jī)使用卷?yè)P(yáng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)鋼纜牽引鉆桿沿滑軌下鉆和提鉆，當(dāng)下鉆遇到較硬土層時(shí)，鉆桿下鉆阻力增大，而柔軟的鋼纜不能強(qiáng)制性向下推動(dòng)鉆桿以維持其下鉆速度，導(dǎo)致下鉆速度在阻力作用下降低，鉆進(jìn)同樣深度所需時(shí)間則有所延長(zhǎng)，在常規(guī)施工均勻噴漿模式下，延長(zhǎng)的噴漿時(shí)間導(dǎo)致在該深度內(nèi)噴入過(guò)多的水泥漿，使該深度范圍內(nèi)水泥摻量提高。提鉆時(shí)每延米水泥摻量隨深度變化較為平穩(wěn)，即約一半的水泥在提鉆過(guò)程中噴入土層。

圖3 1～3號(hào)樁水泥摻量-深度曲線

從圖4可以看出，與常規(guī)施工相比，智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)控制施工時(shí)，除③1黏土外，下鉆時(shí)各土層水泥摻量偏差較小，實(shí)現(xiàn)了按照程序設(shè)定的電流與水泥摻量對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)施變頻噴漿，在硬土層噴入少量水泥漿，而在軟弱土層噴入足量的水泥漿，提鉆時(shí)自動(dòng)切換為少量均勻噴漿，有效防止送漿通道堵塞。③1黏土層為樁端土層，下鉆和提鉆切換時(shí)，樁機(jī)操作人員需要操作時(shí)間，因此，該土層實(shí)際水泥摻量高于設(shè)定值的53%，但由于該土層設(shè)定水泥摻量?jī)H為20kg/m，其實(shí)際值仍遠(yuǎn)低于常規(guī)施工。下鉆噴入的水泥漿超過(guò)單樁噴漿量的80%。

圖4 4～6號(hào)樁水泥摻量-深度曲線

常規(guī)施工的3根試驗(yàn)樁的監(jiān)控記錄深度分別為13.5m、13.8m和13.7m，智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)控制施工的3根試驗(yàn)樁監(jiān)控記錄深度分別為14.2m、14.2m和14.3m。

根據(jù)上述對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析，智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴漿量、樁長(zhǎng)和內(nèi)、外鉆桿電流值、水灰比四項(xiàng)關(guān)鍵施工參數(shù)的全程及遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)鉆桿電流判別土層實(shí)施的變頻噴漿使不同土層的水泥摻量符合其所在土層的軟硬程度，將超過(guò)80%的水泥漿在下鉆過(guò)程中噴入土層后充分?jǐn)嚢瑁畲笙薅劝l(fā)揮水泥漿的補(bǔ)強(qiáng)作用。施工時(shí)，定摻量噴漿模式常導(dǎo)致水泥漿聚集在硬土層，而軟弱土層水泥漿量明顯不足。常規(guī)施工時(shí)，提鉆所噴水泥漿約占總噴漿量的一半，由于噴漿口位于攪拌葉片下方，這近一半的水泥漿在噴入土層后并未被攪拌，只能靠微弱的噴漿壓力向下鉆攪拌形成空隙滲透，對(duì)提高樁身強(qiáng)度幾乎沒有意義。

3.2 樁身強(qiáng)度分析

成樁28d后，通過(guò)取芯檢測(cè)和芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)1～6號(hào)試驗(yàn)樁的成樁質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖5為6根試驗(yàn)樁芯樣28d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 芯樣28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

取芯試驗(yàn)表明，常規(guī)施工的3根試驗(yàn)樁樁長(zhǎng)分別為13.6m、13.7m和13.7m，智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)控制施工的3根試驗(yàn)樁樁長(zhǎng)分別為14.1m、14.2m和14.3m，與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控樁長(zhǎng)可以真實(shí)反映實(shí)際施工樁長(zhǎng)。

從圖5可以看出，常規(guī)施工的1～3號(hào)試驗(yàn)樁28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度沿樁長(zhǎng)波動(dòng)變化比較明顯，在②3淤泥層對(duì)應(yīng)的5～10m深度內(nèi)樁體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯小于樁身其他部位。智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)控制施工的4～6號(hào)樁28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度沿樁身分布比較均勻，在②3淤泥層的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與樁身其他部位沒有明顯差異，且4～6號(hào)樁的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于1～3號(hào)樁。

從不同土層的強(qiáng)度看，1～3號(hào)試驗(yàn)樁在②3淤泥層的28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度普遍低于設(shè)計(jì)要求的0.6MPa，最小值僅為0.23MPa；在③1黏土層則基本滿足設(shè)計(jì)要求，介于0.6～0.7MPa之間；而其他土層則高出設(shè)計(jì)值較多，最大值達(dá)0.77MPa。4～6號(hào)試驗(yàn)樁在②3淤泥層將強(qiáng)度值提高到了0.6MPa左右，在其他土層并未超過(guò)設(shè)計(jì)要求太多，介于0.6～0.7MPa之間。可見，智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)有效保證了各土層的水泥摻量與其實(shí)際土層性質(zhì)相適應(yīng)，有針對(duì)性地提高了軟弱土層強(qiáng)度，同時(shí)，避免了水泥漿聚集在硬土層；在下鉆時(shí)，將大部分水泥漿噴入土層并充分?jǐn)嚢瑁岣吡怂嗬寐?，進(jìn)一步保證了各土層樁身強(qiáng)度和均勻性。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)水泥土攪拌樁施工自動(dòng)化程度低、質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法落后等問(wèn)題，將研發(fā)的水泥土攪拌樁智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于江蘇某高速公路軟基處理工程。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)和施工質(zhì)量檢測(cè)，從施工控制、質(zhì)量監(jiān)控和樁身強(qiáng)度三個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）水泥土攪拌樁智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于水泥土攪拌樁施工，該系統(tǒng)由施工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、在線式自動(dòng)制漿站、監(jiān)控主機(jī)、云端存儲(chǔ)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控端組成，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)變頻噴漿和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（2）水泥土攪拌樁智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)、外鉆桿電流值的變化特征判別鉆頭所在深度的實(shí)際土層性質(zhì)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整噴漿速度的方式實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同土層的變頻噴漿，使各土層實(shí)際水泥摻量符合其土層條件，尤其是保證了軟弱土層水泥摻量充足，提高了水泥漿利用率。

（3）水泥土攪拌樁智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)噴漿量、水灰比、樁長(zhǎng)和內(nèi)、外鉆桿電流值四項(xiàng)關(guān)鍵的施工參數(shù)進(jìn)行全程及遠(yuǎn)程監(jiān)控，所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及分析結(jié)果第一時(shí)間經(jīng)監(jiān)控主機(jī)上傳、存儲(chǔ)至云端，無(wú)法人為修改，不易丟失，安全可靠。

（4）水泥土攪拌樁智能化施工與監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控結(jié)果與質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果相一致，真實(shí)反映成樁質(zhì)量。