智能化雙向攪拌粉噴樁技術在公路軟土地基處理中的應用與研究

王懷才，鄒國春，鄒昕圻，鄧永坤

（1.湖北交投建設集團有限公司，湖北 武漢；2.江蘇盛泰建設工程有限公司，江蘇 連云港）

引言

水泥土攪拌樁技術從20 世紀70 年代開始逐漸在我國興起，歷經50 多年的發展創新，其適用范圍廣、施工工期短、造價成本低以及環境影響小等優勢愈加顯現，目前已成為國內應用廣泛的軟土地基處理技術之一[1-2]。水泥土攪拌樁在具備較多優越性的同時，也存在一些問題[3]：就常規（單向）粉噴樁施工而言，其采用“兩噴四攪”的工藝，無法充分利用設備的動力系統，只對設計用量水泥的50%～70%進行了二次單向攪拌，效率較低；另外，由于水泥土沒有得到充分攪拌，且由于順著鉆桿冒出水泥漿（粉），使得沿著樁身水泥用量分布不均勻；此外，水泥土攪拌樁的有效樁長和有效處理深度大大減小，限制了水泥土攪拌樁的應用。在改善常規水泥土攪拌樁加固軟土地基的效果的探索中，東南大學劉松玉教授提出了一套雙向水泥土攪拌樁的成樁操作方法[4-5]。本研究依托湖北石首長江公路大橋工程，采用研發的智能化雙向攪拌粉噴樁施工控制系統，進行了智能化雙向攪拌粉噴樁、常規雙向攪拌粉噴樁和單向攪拌粉噴樁施工的現場對比試驗，從成樁質量控制、樁的承載力等方面對該系統的應用效果進行分析，為大規模實施智能化雙向攪拌粉噴樁施工提供依據。

1 智能化粉噴樁技術概況

1.1 智能化粉噴樁施工控制系統組成

智能化粉噴樁施工控制系統由施工數據采集系統、智能控制系統、水泥粉監管系統、數據傳輸與存儲系統和遠程監控系統等部分組成。其中，施工數據采集系統主要由電流計、壓力傳感器、深度傳感器等構成；智能控制系統主要由監控主機構成，可進行一鍵施工；水泥粉監管系統主要為在線式自動加送料裝置；自動加送料裝置與監控主機都是通過網絡傳輸的方式上傳數據，所有的數據存儲于云端服務器。

1.2 智能化雙向攪拌粉噴樁施工裝備

基于雙向攪拌粉噴樁技術和物聯網技術，采用自動化裝置對目前雙向攪拌樁的機械設備及工藝進行進一步的改進升級，具體改進措施如下：將粉噴樁手動送料閥改為自動送料閥，并配備稱重傳感器、壓力傳感器及蝶閥等，能夠實現自動送灰、泄壓上料、噴灰量控制及數據上傳等功能；改進場地除塵設備：將排氣管連接到該除塵設備后，使得粉塵污染大幅度降低，同時排放出來的夾雜的水泥可以直接回收使用，減少了水泥材料的浪費；改進空壓機設備，將活塞式空壓機改進為螺桿式空壓機，提高了成樁效率，節省了施工成本，且施工噪音小，擾民現象降低；以雙向粉噴技術為基礎，開發了水泥土雙向攪拌樁機的注水氣鉆具，實現粉噴、漿噴一體化施工。

2 粉噴樁成樁質量對比現場試驗

2.1 工程概況

試驗場地位于湖北石首長江公路大橋接線停車區某一施工段，起訖里程K55+860～K55+920。根據巖土工程勘察報告，試驗區揭露地層為第四系全新統粉質黏土、黏土、淤泥質土、細砂層、局部人工填土和耕植土。試驗區內無明顯不良地質現象，特殊性巖土主要為軟土。軟弱土層為流塑狀淤泥質黏土，多呈層狀連續分布（其基本物理力學指標見表1），埋深1.0～3.0 m，層厚4.8～11.9 m。

表1 軟弱土層主要物理力學指標

2.2 試驗方案

試驗統一采用粉噴樁工藝施工，現場用樁共計18根，常規水泥土攪拌樁、雙向水泥土攪拌樁和智能化雙向水泥土攪拌樁各6 根。其中，再根據設計每延米噴灰量分為50 kg/m、55 kg/m 和60 kg/m 三種規格，每類樁型每種規格各2 根。試驗樁的樁長均為13 m，樁徑為500 mm，樁間距保持在1.2～1.5 m 左右。所用水泥為32.5R 早強型硅酸鹽水泥。

2.3 試驗過程

常規單向攪拌樁按照“兩噴四攪”的施工工藝進行施工，雙向攪拌粉噴樁則采用“一噴兩攪”的施工工藝，可在第一次下鉆提升時實現反向攪拌，相比單向粉噴樁施工工藝減少了復攪工序。智能化雙向攪拌粉噴樁施工工藝與普通雙向攪拌粉噴樁大致相同，不同的是實現了水泥粉全自動加送料，并綜合考慮了環保施工以及粉噴、漿噴一體化施工技術，其施工工藝具體如下：智能樁機定位：攪拌機移動，將鉆頭對準樁位，并調整垂直度；打開監控主機，將內鉆桿電流- 土層- 噴粉量的定量關系輸入監控主機；攪拌下鉆：輸入樁號，點擊監控主機上的“開始”按鈕；噴灰、攪拌；提升、攪拌；成樁：提升到地表上或設計標高以上50 cm，完成粉噴樁的施工；點擊監控主機上的“完成”按鈕，結束一根樁的施工。

3 智能化雙向粉噴樁施工技術應用分析

3.1 芯樣完整性對比分析

根據施工后28 天的粉噴樁芯樣情況，常規單向粉噴樁的芯樣完整性較差，常規雙向攪拌粉噴樁的芯樣在淺層（0～4 m）區域的完整性較差，但在4～13 m有所改善。相比較而言，智能化雙向攪拌粉噴樁芯樣的完整性整體較高，且在深部土層區域仍能保持較好的完整性。

3.2 樁身強度對比分析

圖1 所示為不同噴灰量條件下三種樁型沿樁深方向的無側限抗壓強度結果。可以看出，智能化雙向攪拌粉噴樁的樁身強度在一定程度上高于雙向粉噴樁的強度，并且遠高于常規單向粉噴樁的強度。智能化雙向水泥土攪拌樁試樣的無側限抗壓強度均值集中在0.8～1.0 MPa，局部深度試樣的無側限抗壓強度可達到2.0 MPa 以上；雙向水泥土攪拌樁試樣的無側限抗壓強度略低，在0.6～0.9 MPa 之間；而單向粉噴樁試樣的無側限抗壓強度較低，集中在0.3～0.8 MPa 之間，偶爾會有較大數值出現，但離散性較大。由此可見，智能化雙向攪拌粉噴樁的樁身整體上具有更高的強度，且無論是深層還是淺層區域，都能保持良好的完整性和加固效果。此外，由于智能化施工技術使得噴灰更加均勻，樁身強度的離散性較小。

3.3 樁身強度的離散性分析

水泥土攪拌樁樁身強度的離散性通常采用變異系數COV（樣本標準差σ與均值μ的比值）來表征。為了對比三種樁型樁身強度的離散情況，除整體樁0～13 m 外，還需要將樁身沿土層深度分層為0～6 m、6～13 m 上下兩部分，求出三種深度情況、不同噴灰量下對應的均值和標準差，最后得到變異系數。計算結果見圖2。

圖2 三種攪拌樁變異系數對比

智能化雙向攪拌樁的樁身強度變異系數相對較小，且在不同深度處的樁身強度均值變化不大，由此可見智能化雙向攪拌樁的樁身強度沿深度分布較為均勻。單向攪拌樁的樁身強度變異系數相對較大，樁身強度離散性較高。雙向攪拌樁的樁身強度變異系數處于上述兩者之間，且更接近于智能化雙向攪拌樁。由不同噴灰量以及不同深度的情況下三種樁型的攪拌樁的強度離散性對比可以看出，智能化施工技術提高了雙向攪拌樁的質量，其樁身強度及樁身均勻性都有一定程度的提升。

3.4 樁的承載力分析

根據《建筑地基處理技術規范》，采用堆載法對智能化雙向攪拌粉噴樁進行單樁和單樁復合地基豎向靜載試驗。粉噴樁的單樁承載力特征值均在100 kN左右，變形約為6 mm，滿足設計要求；其單樁復合地基承載力特征值均在180 kN 左右，變形在7 mm 左右，同樣滿足設計要求。因此，智能化雙向攪拌粉噴樁在該工程中是適用的，值得推廣和應用。

4 技術效益評估

智能化施工控制系統的應用，可顯著提高雙向攪拌粉噴樁施工效率和施工質量，杜絕了“偷工減料”現象，因此得到了業主、監理及行業內其他單位的認可，提升了企業知名度，開拓了后續施工市場。采取全自動供灰的方式替代了原來的手動加灰，減少了揚塵污染，大幅降低了環境污染；對周邊的農作物生長也未產生影響；對空排放的高壓空氣得到了有效利用，起到了節能效果。原先的手動操作采用半自動上料、手動送灰、噴灰，每臺設備每班需要2～3 人才能完成整個施工作業，智能化雙向攪拌粉噴樁自動化施工采用自動上料、送灰、噴灰的工作方式，每臺設備每班只需1 人即可完成全部施工操作。自動化施工降低了人工成本，同時也降低了勞動強度。另外，水泥材料的回收利用，也在一定程度上降低了工程造價。

5 結論

智能化雙向攪拌粉噴樁的單樁承載力特征值和單樁復合地基承載力特征值分別為100 kN 和180 kN，均滿足設計要求。智能化施工控制技術可顯著提高雙向攪拌粉噴樁的施工效率和施工質量，降低工程造價，減小環境污染，具有顯著的經濟效益、環境效益和社會效益。