水泥土攪拌樁智能化施工與監控系統現場試驗研究

魯 治 趙威中 孫成飛

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

水泥土攪拌樁施工簡單、快捷、造價低，廣泛應用于國內外軟土地基處理工程中，但在長期的應用中暴露出了施工質量難以控制的問題，一直未能解決。其原因是水泥土攪拌樁施工部位隱蔽，現有樁機自動化程度低，不能進行精確施工，施工后檢測方法繁瑣，施工質量主要取決于施工人員的經驗和責任心。另外，目前水泥土攪拌樁施工時為均勻噴漿，而忽略了地基的成層性，在實際施工中往往不能根據地層條件實現水泥摻量沿樁身均勻分布，導致成樁質量無法保證。水泥土攪拌樁樁身強度受水泥摻量、土層性質、攪拌次數、施工設備等諸多因素的影響，何開勝建議施工過程中應實時控制提高速度和噴漿量大小，使水泥摻量沿樁身改變配比。

本文將研發水泥土攪拌樁智能化施工與監控系統應用于江蘇某高速公路軟基處理工程，通過現場試驗對其應用效果進行研究。

1 水泥土攪拌樁智能化施工與監控系統

水泥土攪拌樁智能化施工與監控系統（以下簡稱智能化施工與監控系統）由施工數據采集系統、在線式自動制漿站、監控主機、云端存儲系統和遠程監控端組成，如圖1所示。施工時，數據采集系統負責采集、傳輸鉆桿電流、噴漿量、樁長等關鍵施工參數；在線式自動制漿站精確制備、供應水泥漿，上傳制漿數據；監控主機對采集的數據進行分析，控制自動制漿站變頻噴漿，同時上傳、存儲施工數據及分析結果至云端；業主、監理、施工等項目相關方可隨時隨地登錄云端存儲系統，查看所有數據，掌握實時施工情況，對現場進行遠程監控。

圖1 水泥土攪拌樁智能化施工與監控系統總體結構示意圖

智能化施工與監控系統改變了傳統噴漿模式，實施變頻噴漿，即下鉆時根據內、外鉆桿電流值隨深度的變化特征判別土層，根據實際土層條件調整噴漿量，在硬土層少噴漿，軟土層多噴漿，使各土層的實際水泥摻量符合土層條件；提鉆時自動轉換為少量均勻噴漿，以防止泥土堵塞送漿通道，影響施工。各土層對應的水泥摻量通過現場試樁分析確定。變頻噴漿模式將絕大部分水泥漿在下鉆過程中噴入地基，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際設計要求，經濟合理。

2 試驗概況

2.1 試驗場地工程地質條件

依據地勘資料，試驗場地土層自上而下為：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。各土層基本力學指標見表1。

表1 試驗段土層物理力學指標

2.2 現場試驗

試驗段分為A、B兩個區，每個試驗區施工3根試驗樁，A區按照常規方法定摻量噴漿施工1～3號樁，系統采集施工數據用于對比分析；B區由智能化施工與監控系統控制施工4～6號樁。施工完成28d后，進行樁身取芯檢測和芯樣無側限抗壓強度試驗，對比分析A、B區試驗樁的成樁質量。取芯檢測和芯樣無側限抗壓強度試驗按《公路工程水泥攪拌樁成樁質量檢測規程》（DB32/T 2283-2012）執行。

試驗樁設計參數為：樁長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齡期無側限抗壓強度設計值為0.6MPa。

試驗樁施工前，根據試樁確定的各土層水泥摻量和已有施工經驗，確定變頻噴漿程序中內鉆桿電流與水泥摻量之間的對應關系見表2。

表2 鉆桿電流與水泥摻量對應關系

3 試驗結果分析

3.1 變頻噴漿及施工效果分析

根據云端下載的施工數據，繪制試驗樁下鉆內、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，電流曲線呈左右波動，試驗現場也觀察到在剛開始下鉆時出現鉆機抖動、機架晃動現象，說明在深度0～2m內土層不均勻。深度2～14m內，電流曲線不再左右波動，而是分段分布，在深度2～3m、3～5m、5～11m和11～14m內均出現短暫穩定，但穩定時的電流值有所區別。樁機工作時，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內分布有多個土層，且各土層土質均勻。根據地勘資料，試驗場地自上而下分布有①1雜填土、②1黏土、②2粉質黏土、②3淤泥和③1黏土。

常規施工時定摻量噴漿，因此，按設計值下鉆和提鉆共應噴入水泥65kg/m。從圖3可以看出，常規施工采用定摻量噴漿模式下鉆時，在較硬的②1黏土層、②2粉質黏土層和③1黏土層的水泥摻量明顯高于設計值，而在最軟弱的②3淤泥層的水泥摻量則未達到設計要求，平均低于設計值的23%。其原因在于，水泥土攪拌樁機使用卷揚機作為驅動力，通過鋼纜牽引鉆桿沿滑軌下鉆和提鉆，當下鉆遇到較硬土層時，鉆桿下鉆阻力增大，而柔軟的鋼纜不能強制性向下推動鉆桿以維持其下鉆速度，導致下鉆速度在阻力作用下降低，鉆進同樣深度所需時間則有所延長，在常規施工均勻噴漿模式下，延長的噴漿時間導致在該深度內噴入過多的水泥漿，使該深度范圍內水泥摻量提高。提鉆時每延米水泥摻量隨深度變化較為平穩，即約一半的水泥在提鉆過程中噴入土層。

圖3 1～3號樁水泥摻量-深度曲線

從圖4可以看出，與常規施工相比，智能化施工與監控系統控制施工時，除③1黏土外，下鉆時各土層水泥摻量偏差較小，實現了按照程序設定的電流與水泥摻量對應關系實施變頻噴漿，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，提鉆時自動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，樁機操作人員需要操作時間，因此，該土層實際水泥摻量高于設定值的53%，但由于該土層設定水泥摻量僅為20kg/m，其實際值仍遠低于常規施工。下鉆噴入的水泥漿超過單樁噴漿量的80%。

圖4 4～6號樁水泥摻量-深度曲線

常規施工的3根試驗樁的監控記錄深度分別為13.5m、13.8m和13.7m，智能化施工與監控系統控制施工的3根試驗樁監控記錄深度分別為14.2m、14.2m和14.3m。

根據上述對監控數據的分析，智能化施工與監控系統實現了對噴漿量、樁長和內、外鉆桿電流值、水灰比四項關鍵施工參數的全程及遠程監控，根據鉆桿電流判別土層實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80%的水泥漿在下鉆過程中噴入土層后充分攪拌，最大限度發揮水泥漿的補強作用。施工時，定摻量噴漿模式常導致水泥漿聚集在硬土層，而軟弱土層水泥漿量明顯不足。常規施工時，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，對提高樁身強度幾乎沒有意義。

3.2 樁身強度分析

成樁28d后，通過取芯檢測和芯樣無側限抗壓強度試驗，對1～6號試驗樁的成樁質量進行評價。圖5為6根試驗樁芯樣28d齡期無側限抗壓強度試驗結果。

圖5 芯樣28d無側限抗壓強度試驗結果

取芯試驗表明，常規施工的3根試驗樁樁長分別為13.6m、13.7m和13.7m，智能化施工與監控系統控制施工的3根試驗樁樁長分別為14.1m、14.2m和14.3m，與監控數據基本一致，說明智能化施工與監控系統監控樁長可以真實反映實際施工樁長。

從圖5可以看出，常規施工的1～3號試驗樁28d無側限抗壓強度沿樁長波動變化比較明顯，在②3淤泥層對應的5～10m深度內樁體無側限抗壓強度明顯小于樁身其他部位。智能化施工與監控系統控制施工的4～6號樁28d無側限抗壓強度沿樁身分布比較均勻，在②3淤泥層的無側限抗壓強度與樁身其他部位沒有明顯差異，且4～6號樁的無側限抗壓強度高于1～3號樁。

從不同土層的強度看，1～3號試驗樁在②3淤泥層的28d無側限抗壓強度普遍低于設計要求的0.6MPa，最小值僅為0.23MPa；在③1黏土層則基本滿足設計要求，介于0.6～0.7MPa之間；而其他土層則高出設計值較多，最大值達0.77MPa。4～6號試驗樁在②3淤泥層將強度值提高到了0.6MPa左右，在其他土層并未超過設計要求太多，介于0.6～0.7MPa之間。可見，智能化施工與監控系統有效保證了各土層的水泥摻量與其實際土層性質相適應，有針對性地提高了軟弱土層強度，同時，避免了水泥漿聚集在硬土層；在下鉆時，將大部分水泥漿噴入土層并充分攪拌，提高了水泥利用率，進一步保證了各土層樁身強度和均勻性。

4 結語

針對目前國內水泥土攪拌樁施工自動化程度低、質量監測方法落后等問題，將研發的水泥土攪拌樁智能化施工與監控系統應用于江蘇某高速公路軟基處理工程。通過現場施工試驗和施工質量檢測，從施工控制、質量監控和樁身強度三個方面對該系統的應用效果進行了分析，得出以下結論：

（1）水泥土攪拌樁智能化施工與監控系統將物聯網技術應用于水泥土攪拌樁施工，該系統由施工數據采集系統、在線式自動制漿站、監控主機、云端存儲系統和遠程監控端組成，可實現全自動變頻噴漿和遠程監控。

（2）水泥土攪拌樁智能化施工與監控系統通過內、外鉆桿電流值的變化特征判別鉆頭所在深度的實際土層性質，通過實時調整噴漿速度的方式實現針對不同土層的變頻噴漿，使各土層實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控系統對噴漿量、水灰比、樁長和內、外鉆桿電流值四項關鍵的施工參數進行全程及遠程監控，所有監控數據及分析結果第一時間經監控主機上傳、存儲至云端，無法人為修改，不易丟失，安全可靠。

（4）水泥土攪拌樁智能化施工與監控系統的監控結果與質量檢測結果相一致，真實反映成樁質量。