智能化水泥攪拌樁監測系統在軟基處理中的應用實測

王雅寧 景澤濤 李保民

摘? 要：針對監測水泥攪拌樁施工數據、控制水泥攪拌樁施工質量無良好技術手段的現狀，研制了一套智能化水泥攪拌樁監測系統，并在監利至江陵高速公路東延段工程中驗證了應用實效。系統基于無線物聯網技術研制，分為施工參數實時采集裝置和在線監測分析軟件。工程試驗采用ZJ－50－120A單軸雙向高壓旋噴水泥攪拌樁機加裝系統進行實時監測，工程應用現場采用PH－5DA改良單軸雙向水泥攪拌樁機加裝系統對水泥攪拌樁施工參數進行實時監測。通過對比計量測試技術研究院出具的校準證書與建設工程檢測機構出具的鉆孔取芯檢測報告，結果表明：智能化水泥攪拌樁監測系統可以有效解決以往無法監測和記錄地下水泥樁注漿施工質量缺陷的問題，能為水泥攪拌樁施工提供檢測技術保障。

關鍵詞：道路工程；水泥攪拌樁監測系統；無線物聯網；軟基處理；施工參數；預警分析

中圖分類號：TP273.4；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）15-0166-09

Application and Actual Detection of Intelligent Cement Mixing Pile Monitoring System in Soft Foundation Treatment

WANG Yaning， JING Zetao， LI Baomin

（Hua Hang Environmental Development Co.， Ltd.， Beijing? 100071， China）

Abstract： Aiming at the present situation that there is no good technical means to monitor the construction data and control the construction quality of cement mixing pile， this paper develops an intelligent cement mixing pile monitoring system and the application actual effect is verified in the east extension of Jianli-Jiangling Expressway. The system is based on wireless Internet of Things technology， and it consists of a real-time acquisition device of construction parameters and an on-line monitoring and analysis software. In the engineering test， ZJ-50-120A single-axis two-way high-pressure rotary jet grouting cement mixing pile machine with the system is used for real-time monitoring. The PH-5DA improved single-axle two-way cement mixing pile machine with system is used to install in the engineering application site to monitor the construction parameters of cement mixing pile in real time. By comparing the calibration certificate issued by the Institute of Metrology and Testing Technology with the borehole coring inspection report issued by the construction engineering inspection institution， the results show that the intelligent cement mixing pile monitoring system can effectively solve the problem that the grouting quality defects of groundwater cement piles can not be monitored and recorded in the past， and provide detection technical guarantee for the construction of cement mixing piles.

Keywords： road engineering; cement mixing pile monitoring system; wireless Internet of Things; soft foundation treatment; construction parameter; early warning analysis

0? 引? 言

水泥攪拌樁是以水泥作為主要加固材料，通過專用的施工機械，將水泥粉或水泥漿噴入地基中，憑借鉆頭葉片的旋轉，使水泥與原位地基土強制攪拌并得到充分混合，地基土和加固劑之間會發生一系列的物理化學反應，從而使土體硬結，形成具有整體性強、水穩型好和足夠承載力的樁體[1]。水泥攪拌樁是用于加固飽和軟黏土地基的一種方法，是軟基處理的一種有效形式。

我國于1978年開始對水泥攪拌樁技術進行研究，20世紀80年代開始將該技術應用于處理軟土地基工程中。由于具有振動小、噪聲低、無污染、速度快、施工機械簡單、施工效率高和造價相對較低等優點，目前水泥攪拌樁技術在我國鐵路、公路、市政工程、港口碼頭、工業與民用建筑等軟弱地基加固[2]、止水帷幕[3]、地基液化防治[4]、以及污染地基處置[5]等方面得到了廣泛應用[6-8]。然而大量實際工程實踐表明，水泥攪拌樁在具備較多優越性的同時，也在應用過程中暴露出一些弊端，主要表現為：處理深度偏淺，深部成樁效果差，加固深度有限[9]；水泥輸漿/噴粉不連續或大小不均勻，造成樁身質量不均勻，影響樁身承載力[10]；施工過程中水泥輸漿量/噴粉量無法控制，輸漿量/噴粉量過大導致樁身強度不滿足要求，輸漿量/噴粉量過小則會延長施工時間，降低施工效率；單根樁施工時長無法監管，影響樁身承載力或樁身水泥土強度等。由此導致的施工質量事故也屢有發生[11-13]。

水泥攪拌樁的施工質量是關系到基礎設施建設成敗的重要因素，對水泥攪拌樁施工參數進行監測、實現對水泥攪拌樁施工過程中質量的有效控制，是保證軟基處理達到預期效果、確保基礎設施建設質量的重要環節。然而現行工程標準及各種文獻資料多涉及或關注水泥攪拌樁設計或檢測技術[14-20]，對于水泥攪拌樁實時施工參數監測及施工質量控制的關注程度則相對偏低。目前為止沒有良好的監測系統來實時監控水泥攪拌樁的施工參數，大部分水泥攪拌樁施工質量的判定仍將鉆孔取芯、輕型觸探、靜載試驗、靜力觸探試驗、標準貫入、低應變動測等檢測方法作為主要監測手段和重要依據：鉆孔取芯是規范限定的主要檢測方法，通過鉆取芯樣直接觀察和試驗確定樁體連續性、強度、樁身全長的質量信息等施工參數[21]，該法需待成樁齡期28天后才可抽芯檢測，費時費工；輕型觸探通過輕便觸探器所帶勺鉆在樁體中心鉆孔取樣，檢查小型土攪拌均勻程度、樁體強度等施工參數[22]，需待成樁7天后檢驗；靜載試驗通過在樁頂部逐級施加豎向壓力、豎向上拔力或水平推力來確定相應的單樁豎向（抗壓）極限承載力等施工參數[23]；靜力觸探試驗通過探頭貫入樁身時的錐尖阻力或貫入阻力評價樁體質量[24]。

針對水泥攪拌樁技術缺少即時有效的施工質量監測技術及方法、現有實際工程無法通過實時監控水泥攪拌樁施工參數保證施工質量的現狀，本文提出一種智能化水泥攪拌樁實時監測方案，并研制智能化水泥攪拌樁施工參數實時采集裝置及在線監測分析軟件，實現包含水泥攪拌樁施工參數自動采集、無線上傳、存儲歸檔、統計分析、預警監測等功能在內的水泥攪拌樁施工質量業務在線監測管理。本文以監利至江陵高速公路東延段為工程背景，分別采用ZJ-50-120A單軸雙向高壓旋噴水泥攪拌樁機及PH-5DA改良單軸雙向水泥攪拌樁機加裝智能化水泥攪拌樁監測系統進行工程試驗及工程應用，探究了智能化水泥攪拌樁監測系統的工程應用實效。實驗證明，智能化水泥攪拌樁監測系統可以有效監測水泥攪拌樁施工參數，解決以往無法監測和記錄地下水泥樁注漿施工質量缺陷的問題，能為水泥攪拌樁施工提供檢測技術保障。

1? 智能化水泥攪拌樁監測系統的研制

基于高速公路施工過程中水泥攪拌樁的工作線長、樁機分散、機動性高、不便于鋪設有線網絡等特點，智能化水泥攪拌樁監測系統使用現有的移動網絡運營商基站。系統基于無線物聯網技術研制，分為施工參數實時采集裝置和在線監測分析軟件：施工參數采集裝置監測系統長期高頻實時地采集水泥攪拌樁樁長、水泥灰量、施工時長、樁位錄入等數據；數據服務器將數據整理歸檔后，經在線監測分析軟件的分析處理，通過網絡傳輸給用戶，同時提供數據查詢、統計分析、預警監測等服務。智能化水泥攪拌樁監測系統結構如圖1所示。

1.1? 施工參數實時采集裝置

施工參數實時采集裝置——JTY智能噴灌記錄儀基于現有網絡運營商無線物聯網網絡研制，包含數據采集前端和無線數據傳輸。數據采集前端主要由采集主機、采集分機、深度傳感器、按壓式重量傳感器（粉噴樁）/電磁流量傳感器（漿噴樁）。JTY智能噴灌記錄儀設計結構如圖2所示。

深度傳感器將水泥攪拌樁機齒輪轉動角度轉化為電磁脈沖信號，鉆進深度H與電磁脈沖的計數x1之間的關系為：

H = 0.1 x1 / 1.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

提鉆時，深度傳感器反向轉動，電磁脈沖反向，鉆進深度H與反向電磁脈沖的計數x2之間的關系為：

H = 0.1 （x1 - x2） / 1.6；（x1＞x2）? ? ? ? ? ?（2）

深度有效分辨率為0.1 m。

拉壓式重量傳感器稱量封閉加壓式的小灰罐總重，一組為3個，稱重額定1 000 kg，靈敏度為2.0±0.01 mV/V，最小有效分辨率為1 kg，相互間互成120度夾角。重量信號為4～20 mV的電壓信號，須在采集電路內先做濾波，再進行放大處理。拉壓式重量傳感器信號放大電路圖如圖3所示。

使用同向比例運算放大電路，放大倍數U01為：

U01 = （1 + R2 / R1） U0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中R1為100 Ω，R2為30 kΩ可調電阻，U0為輸出信號，計算調節的標準值為24.9 kΩ。激勵電壓Ui在10 V時，重量M與輸出信號U0的關系為：

M = 750 [（1 + 24 900 / 100） U0 - 1]? ? ? ? ? （4）

電磁流量傳感器流量信號為4～20 mA電流信號，在采集電路中，先做濾波處理，再經集成運放處理將電流信號轉化為電壓信號，最小有效分辨率為1 L。電磁流量傳感器電流-電壓轉換電路圖如圖4所示。

使用電流-電壓轉換，并使用電壓跟隨電路：

U0 = I0 R? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中I0為輸出電流，選取R為300 Ω可調電阻，標準取值為250 Ω。流量傳感器檢測流經管道的水泥漿流量，流量V（L）與輸出電流I0 （mA）及時間T（min）的關系為：

V = T （12.5×250 I0 - 12.5）? ? ? ? ? ? ? （6）

主機電路主要包含脈沖信號處理模塊、重量或流量A/D轉換模塊、外掛EEPROM、鍵入控制模塊、顯示及驅動模塊和數據傳輸模塊。

脈沖處理模塊和重量或流量A/D轉換模塊將量化數字以數據流形式送至處理器I/O口，由處理器計時器根據鉆井深度H變化記錄鉆進時間Δt，得到每0.1 m時間Δthn，同時獲取每0.1 m重量變化量ΔM或流量變化量ΔV為：

ΔM = 750 （1 + R2 / 100） （U0n - U0n-1）? ? ? ? （7）

ΔV = Δthn （12.5×250 I0 - 12.5）? ? ? ? ? ?（8）

因此得到深度灰量、流量分量對應表如表1、表2所示，并由無線輸出至服務器。

累加表格中的H、T、M、V得到成樁的鉆進時間TD，提升時間TU，單位深度灰量ΔM或漿量ΔV。

記錄所得的數據表格TD、TU、T、H、M、V由處理器轉化為數據流，存入板載RAM，同時將數據流送至無線傳輸模塊，發往指定IP。

1.2? 在線監測分析軟件

施工參數實時采集裝置將采集到的水泥攪拌樁機加固土樁成樁數據，通過公共無線網絡傳送至服務器，后臺服務器將數據處理、歸類、統計后，將數據信息展示在監測平臺，用戶使用PC端網頁或手機APP訪問查詢數據。在線監測分析軟件架構圖如圖5所示。

在線監測分析軟件應用效果如圖6所示。

2? 工程試驗

2.1? 試驗工程概況

監利至江陵高速公路東延段路線起點接赤壁長江公路大橋，后向北跨G351，于烏林鎮水府村設烏林樞紐互通與洪監高速公路交叉，然后一路向北過小港管理區至汊河鎮設汊河互通，之后向西北展布，途經萬全鎮設萬全互通接S214，戴家場鎮設瞿家灣互通接新建瞿家灣連接線，最后向西南進入監利縣分鹽鎮，直至路線終點接隨岳高速公路，路線主線全長62.5 km。項目區內地形地貌為沖積平原區，主要是經過河湖長期堆積而形成的平緩開闊地形。該區基巖埋藏較深，表層堆積有大量的巨厚層的第四系沉積物，以細顆粒為主，地下水位較淺，在地勢低洼或者水草茂盛的地方，多為過去的河漫灘胡或牛軛湖。該區多分布有一層或者多層較厚的條帶狀或透鏡體狀的軟土，為軟基路段，具有含水量大、壓縮性高、強度低等特征，易使路基產生不均勻沉降，樁基礎施工時易縮孔，不易滿足地基設計要求，如處理不當，會給公路的施工和使用造成很大影響。

根據本路段軟土地基發育特征，并借鑒鄰近地區高速公路建設中成熟的軟基處理經驗，經計算、分析，設計單位決定對軟土深度大于3 m、小于12 m，地基穩定性不足或因沉降過大而影響路基及構造物的穩定和使用功能的軟土路段，采用水泥攪拌樁加固地基，使樁與原軟土地基構成復合地基，提高地基承載力及穩定性。設計采用42.5普通硅酸鹽水泥，設計摻量范圍50～70 kg/m。水泥攪拌樁固定施工技術參數如表3所示。

2.2? 試驗過程

深度采集試驗采用20 m卷尺對比深度數據；噴粉量采集試驗采用4個50 kg標準砝碼，以增減砝碼的辦法作為噴粉重量參數修正依據；注漿量采集試驗采用100 L標準容器作為注漿流量修正依據，以標準秒表作為時間對比。智能化水泥攪拌樁監測試驗系統結構如圖7、圖8所示。

深度采集試驗：以20 m卷尺作為標準標高，鉆頭在地面時鉆桿最高點作為0起始點，使用白色油漆以0.1 m為最小精度在鉆桿機架上分劃標高刻度作為深度標準標尺；安裝深度傳感器，在進鉆軸端面焊接撥桿用以帶動深度傳感器轉動；啟動水泥攪拌樁機，進鉆提鉆隨機停止，記錄進鉆標高數據和設備主機讀數。

噴粉量采集試驗：懸掛小灰罐，將同一水平面互成120°夾角的3個拉壓式重量傳感器通過懸掛螺桿焊接至懸架和小灰罐之間；將小灰罐充入水泥干灰至約灰罐一半，接重量傳感器數據進入主機，讀取起始重量并記錄；逐個在灰罐頂端增加砝碼，記錄砝碼總重量和主機重量讀數；重復試驗3次。

注漿量采集試驗：將電磁流量傳感器通過法蘭連接接入水泥漿泵機與鉆桿管道之間（電磁流量傳感器入口端接水泥漿泵機方向，出口接鉆桿管道方向）；啟動泵機，壓送水泥漿，標準容器滿時讀取容器容積數據及系統采集數據并記錄；更換標準容器，繼續測試，裝滿標準容器時，讀取容器容積數據及系統采集數據，重復5個100 L標準容器為一次實驗；重復試驗3次。

試驗過程如圖9所示。

2.3? 施工參數實時采集裝置傳感器參數修正

2.3.1? 深度傳感器參數修正

經工程試驗得到施工參數實時采集裝置所測深度及卷尺所測深度對比圖如圖10所示。

采集深度與標準深度的差值分別為：{0；0；0.1；0；-0.1；0；-0.1；0；0.1；0.1；0}，計算得平均誤差為：

采集數據與標準數據的標準差為：

平均誤差與標準差均小于深度傳感器最小精度0.1 m，因此，深度傳感器無需調整。

2.3.2? 重量及流量傳感器參數修正

工程試驗得到的施工參數實時采集裝置所測重量增量與砝碼增量對比圖如圖11所示。采集重量增量與標準砝碼增量的差值分別為（單位：kg）{0；1；2；2；0；0；-1；2；1；1；0；-1；1；0；1}，計算得平均誤差為：

采集數據與標準數據的標準差為：

將M為1和M為1.125 5帶入式（19）：

M = 750 [（1 + 249 00 / 100）U0 - 1]? ? ? ?（19）

需要調整的電阻Rx與重量的關系為：

1 = 750 [（1 + 249 00 / 100）Ui - 1]? ? ? ? ?（20）

1.125 5 = 750 [（1 + Rx / 100）Ux - 1]? ? ? ?（21）

得到：

751.125 5 / 751 = （1 + 249 00 / 100） / （1 + Rx / 100）（22）

計算得出Rx = 248 96，因此R2修正為24 896 Ω。

工程試驗得到的施工參數實時采集裝置所測流量與標準容器所得的容量對比圖如圖12所示。采集的水泥漿流量和標準容器測得的水泥漿流量差為（單位：L）{0；-2；-1；0；-1；-1；0；-5；-3；-2；-1；-3；0；-4；0；-2；-3；-4}，計算得平均誤差為：

采集數據與標準容器測得數據標準差為：

將標準差值2.357與1代入式（25）：

V = T（12.5×250 I0 - 12.5）? ? ? ? ? ? （25）

得到Rx = 250 + （2.357 - 1） / （12.5 I0），Rx = 275，因此流量傳感器的可變電阻R修正為275 Ω。

2.3.3? 計量測試校準

圖13為計量測試技術研究院校準數據及監測系統采集數據對比。對于重量值，顯示儀表初始值為66.4 kg，進程示值以此為零點進行計算，結果顯示重復性R為0.10%，示值誤差δ為-0.98%，擴展不確定度Urel = 1.0%，k = 2；對于流量校準，校準介質為水，流量范圍為50～500 L/h。

3? 施工數據分析

智能化水泥攪拌樁監測系統經施工參數實時采集裝置傳感器參數修正后正式投入工程應用。工程現場采用PH-5DA改良單軸雙向水泥攪拌樁機加裝智能化水泥攪拌樁監測系統，對水泥攪拌樁施工過程中的施工時間、施工深度、單位深度噴粉量等施工參數進行實時監測。

水泥攪拌樁加固土樁作為一種隱蔽工程，現階段其主要的檢測方法是抽樣鉆孔取芯檢測實際樁長、取芯狀態以及芯樣強度。對于安裝有智能化水泥攪拌樁監測系統的水泥攪拌樁機，為檢測實際應用效果，主要的手段為選取安裝有智能監測系統的水泥攪拌樁機完成的成樁段面，隨機抽取加固土樁，檢測芯樣強度，并與系統采集到的施工數據進行對比。

檢測機構對試驗工程：（K39 + 270 - K39 + 312）2根，（K39 + 328 - K39 + 498）5根，（K39 + 512 - K39 + 620）3根等共計38根水泥土攪拌樁進行了鉆芯法檢測。通過對比監測系統采集樁長與取樣樁長、監測系統采集灰量與取樣區間灰量等數據并計算，結果顯示38根隨機樁的深度監測準確率為99.53%、重量監測準確率為99.58%。使用智能化水泥攪拌樁監測系統采集的施工數據能較為準確地反映實際施工數據，以此系統監管的施工過程更加符合設計的要求，可以有效協助解決以往無法監測和記錄地下水泥樁注漿施工質量缺陷的問題，能為水泥攪拌樁施工提供檢測技術保障，在很大程度上改善水泥攪拌樁的施工質量。

4? 結? 論

本文針對水泥攪拌樁技術缺少即時有效的施工質量監測技術及方法、現有實際工程無法通過實時監控水泥攪拌樁施工參數保證施工質量的現狀，基于無線物聯網技術研制了智能化水泥攪拌樁監測系統。工程試驗證明系統的施工參數實時采集裝置能夠實時、準確地對水泥攪拌樁施工深度、噴粉量、注漿量、成樁時長、均勻度等過程數據進行采集，數據經互聯網上傳至在線監測分析軟件后，管理人員只需通過Internet登錄數據中心的綜合查詢平臺即可實時掌握各個工程的水泥攪拌樁施工進度及施工質量，極大提高了深層攪拌法質量控制的便利性和準確性，主要體現在：

1）提高工程質量，通過實時的監測減少不合規范的施工過程，自動篩選不合格水泥攪拌樁，及時通知復攪，提高成樁質量。

2）提高管理效率，通過配套平臺的數據處理，直觀展示成樁數據，形成報表，減少管理流程，提高管理效率。

3）避免原材料浪費，通過一體化的監測，自動統計原材料用量，避免原材料浪費，減少工程成本。

4）留存過程數據，提供決策依據，配套平臺對數據統計處理，留存過程數據，便于回溯，統計分析，形成決策依據。

由于工程應用現場主要采用粉噴工藝，因此施工數據主要針對深度監測及重量監測的準確率進行分析，且本文所涉及的地質條件有限，下一步將開展更多的試驗工況，豐富研究成果。

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