一種適用于水泥土雙向攪拌樁的監(jiān)控系統(tǒng)

陳垚

（河北盛申路橋工程有限公司，河北 保定 071000）

一、水泥土雙向攪拌樁施工原理

水泥土攪拌樁是將水泥作為摻加劑通過其水化反應(yīng)后的加固作用，實(shí)現(xiàn)待加固土體的硬化成型，經(jīng)由攪拌樁機(jī)械的強(qiáng)制攪拌作用，使作為固化劑的水泥與土體充分混合反應(yīng)，最終形成具有一定強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性的水泥土結(jié)合體[1,3]。在實(shí)踐中，傳統(tǒng)的水泥土攪拌樁經(jīng)常因?yàn)閿嚢璨怀浞?、水泥粉上冒外溢等各種不可控因素而發(fā)生質(zhì)量事故，達(dá)不到預(yù)期的加固效果，因此，通過改進(jìn)后的水泥土雙向攪拌樁應(yīng)運(yùn)而生。具體而言，水泥土雙向攪拌樁的原理是通過設(shè)置兩套同心的內(nèi)外鉆桿，由雙軸實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，并通過相應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)共同帶動(dòng)嵌套在同心鉆桿上的攪拌葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)外鉆桿上的攪拌葉片在鉆進(jìn)攪拌過程為反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而能夠使土體與水泥實(shí)現(xiàn)更充分的復(fù)攪作用，并通過反向運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步阻礙水泥粉向上翻冒的趨勢[4-6]。與傳統(tǒng)水泥土攪拌樁相比，能夠有效解決冒漿問題，大幅度提高地基加固效果[7]，具體原理如圖1所示。目前，水泥土雙向攪拌樁憑借其良好的混合攪拌作用、較為合理的施工費(fèi)用、較好的施工工效，以及符合要求的加固效果等應(yīng)用特點(diǎn)[8,9]，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為當(dāng)前軟土地基加固處理的有效手段之一。

二、工程概況

某高速公路建設(shè)施工項(xiàng)目案例所處區(qū)域涉及不良地段，相應(yīng)施工區(qū)域大多位于地勢較為平坦的平原和丘陵中間地帶，其間分布有較大面積的軟土地區(qū)和松軟土地層，案例施工區(qū)段土層可見大范圍的粉質(zhì)黏土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，經(jīng)土體物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)和分析，認(rèn)為其具有孔隙比高、壓縮性好等不良特性，需要在施工前對其進(jìn)行加固處理。此次高速公路范圍的設(shè)計(jì)地基共分3層，不同層的土質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 不同路基土層軟土物理參數(shù)

根據(jù)工程現(xiàn)場的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，決定采用水泥攪拌樁對軟土地基進(jìn)行加固處理，攪拌樁均采用雙向水泥攪拌工藝。水泥土雙向攪拌樁的布樁為正三角形，樁間距1.5m，樁徑500mm，水泥固化劑采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，設(shè)計(jì)水泥用量為65kg/m，樁長17m。

三、新型質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的提出及其優(yōu)勢

在該案例高速公路工程項(xiàng)目的軟土地基加固應(yīng)用過程中，由于雙向水泥攪拌樁屬于隱蔽工程，存在較多的不可預(yù)見因素及人為因素，由此不可避免地發(fā)生了不少工程質(zhì)量問題，造成在實(shí)際應(yīng)用中對水泥土雙向攪拌樁的適用性和可靠性產(chǎn)生疑慮，同時(shí)，為保證背景案例中軟土地基的加固效果，必需采取進(jìn)一步的有效措施解決軟土地基加固效果達(dá)不到預(yù)期的問題，究其原因是原有施工工藝存在較多的不可見和不可控因素，實(shí)際操作中大多依賴于人工技術(shù)水平，信息化和智能化程度較低。

為此，有必要對常規(guī)的雙向水泥攪拌樁成樁機(jī)械進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，通過研發(fā)應(yīng)用新型監(jiān)控系統(tǒng)，可有效實(shí)現(xiàn)可視化、自動(dòng)化與智能化，消除樁體在地下施工時(shí)由于不可見因素而引發(fā)的各種質(zhì)量隱患，促進(jìn)綜合施工質(zhì)量的提升。

（一）可視化操作

在實(shí)際應(yīng)用中，樁機(jī)通過安裝CLJPZ深層攪拌（漿噴）樁監(jiān)控記錄儀，施工過程中下鉆深度、噴漿量、下鉆速度等技術(shù)參數(shù)一目了然，使樁機(jī)操作更規(guī)范、更標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)可視化操作，告別以往全憑“靠感覺”施工的現(xiàn)象。該新型監(jiān)控系統(tǒng)的可視化操作頁面如圖2所示。

圖2 可視化操作頁面

（二）時(shí)效性突出

施工過程中，采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雙向水泥攪拌樁施工與質(zhì)量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)記錄現(xiàn)場水泥攪拌樁施工數(shù)據(jù)，包括施工樁長、成樁起止時(shí)間、累計(jì)灰量、累計(jì)漿量、平均灰量、下鉆速度、提鉆速度、施工電流等參數(shù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器。通過事先在系統(tǒng)中輸入各級(jí)預(yù)警報(bào)警值，超過相應(yīng)指標(biāo)，及時(shí)向相應(yīng)管理人員發(fā)送預(yù)警信息，出現(xiàn)問題能做到及時(shí)處理閉合。同時(shí)，施工管理人員和監(jiān)理人員可以通過PC端和手機(jī)實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場施工情況，做到全過程、全時(shí)段、多數(shù)據(jù)的真實(shí)、實(shí)時(shí)、有效監(jiān)控，實(shí)時(shí)了解施工過程中的工藝參數(shù)的變化情況，以最快的速度采取相關(guān)措施進(jìn)行調(diào)整，保證雙向水泥攪拌樁的施工質(zhì)量。該新型監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

（三）經(jīng)濟(jì)性明顯

該新型監(jiān)控系統(tǒng)可以使分散的管理集成化，減少施工單位、監(jiān)理單位旁站人員數(shù)量的投入，節(jié)省部分人工成本支出。對出現(xiàn)質(zhì)量問題能夠做到“及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理”，以事前、事中控制為主，減少因事后檢測不合格，造成返工處理資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。

（四）記錄自動(dòng)化

傳統(tǒng)施工記錄通過小票機(jī)進(jìn)行打印，存在不易保存，弄虛作假的現(xiàn)象，而通過該新型監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，可以隨時(shí)從電腦上直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和可溯源性。

四、常見質(zhì)量問題的解決途徑

（一）短樁

該項(xiàng)目通過引進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)，樁機(jī)操作人員在監(jiān)控記錄儀可以實(shí)時(shí)看到進(jìn)尺深度，確保能夠保證設(shè)計(jì)樁長要求。

當(dāng)實(shí)際施工樁長小于設(shè)計(jì)樁長，會(huì)發(fā)生二級(jí)預(yù)警，實(shí)際施工樁長小于設(shè)計(jì)樁長0.2m時(shí)，會(huì)發(fā)生一級(jí)預(yù)警。其中二級(jí)預(yù)警短信通知到項(xiàng)目部和監(jiān)理辦，一級(jí)預(yù)警短信通知到監(jiān)理辦、項(xiàng)目辦和質(zhì)安中心。必須經(jīng)過重新施工后，處理人上傳相關(guān)憑證，經(jīng)閉合人檢查通過，才能閉合完成，否則無法進(jìn)行驗(yàn)收工作。因此，短樁現(xiàn)象已被消除。

（二）成樁強(qiáng)度低

成樁強(qiáng)度低的主要原因是水泥用量不足。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)水泥用量55kg/m，平均灰量小于52.25kg時(shí)，會(huì)發(fā)生二級(jí)預(yù)警，而當(dāng)平均灰量小于50kg時(shí)，會(huì)發(fā)生一級(jí)預(yù)警，對于該新型監(jiān)控系統(tǒng)而言，必須進(jìn)行返工后及時(shí)處理，才能使預(yù)警信息實(shí)現(xiàn)閉合。這樣可以有效避免最終成樁后出現(xiàn)樁體強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的不利情況。

（三）成樁均勻性差

成樁均勻性差的主要原因?yàn)閲姖{不均勻所造成，每個(gè)樁機(jī)施工前進(jìn)行試樁，得到噴漿量與下鉆速度相匹配的噴漿壓力。正常施工時(shí)，噴漿壓力不做調(diào)整。施工過程中監(jiān)控記錄儀中可顯示具體的下鉆、提鉆速度，可以做到實(shí)時(shí)控制。平均下鉆速度大于0.85m/min，平均提鉆速率大于1m/min時(shí)，也會(huì)發(fā)生預(yù)警信息短信并通知管理人員，通過現(xiàn)場督促，合理調(diào)整下鉆、提鉆速度，從而保證成樁的均勻性。

五、監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用成效與樁體質(zhì)量控制

（一）水泥土雙向攪拌樁的成樁質(zhì)量檢測

在所述案例高速公路工程項(xiàng)目的軟土地基加固中，所成型的雙向攪拌樁成樁28d后，都按要求進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和現(xiàn)場取芯檢測。根據(jù)設(shè)計(jì)文件的相關(guān)要求，對于樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，其28d齡期的數(shù)值應(yīng)不低于0.7MPa，而養(yǎng)護(hù)90d齡期后的數(shù)值不低于1.2MPa。在檢測實(shí)踐中，施工單位自檢頻率為2‰，且每個(gè)被檢段落不少于2根，強(qiáng)檢頻率為5‰，且每個(gè)被檢段落不少于3根。

圖4 現(xiàn)場芯樣照片

圖5 攪拌樁質(zhì)量檢測報(bào)告

經(jīng)委托檢測情況來看，芯樣均完整、樁長滿足設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量綜合評(píng)定優(yōu)良率100%?？梢?，監(jiān)控系統(tǒng)在水泥攪拌樁中的應(yīng)用，能夠解決諸多質(zhì)量問題，同時(shí)操作方面，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，能夠大幅提升攪拌樁的施工質(zhì)量。

（二）質(zhì)量控制存在的不足與改進(jìn)方向

與常規(guī)的水泥土攪拌樁相比，水泥土雙向攪拌樁具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是內(nèi)外鉆桿上的攪拌葉片實(shí)現(xiàn)了正、反向同時(shí)攪拌，能有效保證水泥與土體的充分混合，并阻斷水泥粉上升通道。成型樁身的勻質(zhì)性更好，水泥與土體充分嵌補(bǔ)反應(yīng)，黏結(jié)效果佳，整體性強(qiáng)。二是雙向攪拌樁的操作過程簡單，機(jī)械經(jīng)改進(jìn)后作用原理清晰，自動(dòng)化程度提升，避免人工復(fù)攪施工質(zhì)量不穩(wěn)定的弊端。三是攪拌葉片正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，對環(huán)境的作用力相互抵消，對周邊環(huán)境的擾動(dòng)小。四是施工的樁長增長，且因減少復(fù)攪次數(shù)，單根樁成樁時(shí)間縮短。五是水泥土雙向攪拌樁樁體強(qiáng)度得到有效保證，促使樁間距得以擴(kuò)大，相應(yīng)的軟土地基加固處理工程量減少，降低工程實(shí)施費(fèi)用。

然而，在具體施工實(shí)踐中，相比以往的普通水泥土攪拌樁形式，雙向攪拌樁盡管具備著眾多優(yōu)異的應(yīng)用特性，如降低水泥冒粉概率、更有利于保證樁身成型均勻性等，但在具體地層的適應(yīng)性方面仍存在明顯劣勢，比如當(dāng)樁身標(biāo)高位于地下水位上方區(qū)域，該范圍內(nèi)的水泥土尚不能夠得到充分的化學(xué)反應(yīng)，由此導(dǎo)致水泥土互相嵌補(bǔ)不密實(shí)，較多的顆粒狀游離于樁體內(nèi)部，造成一定程度的樁身質(zhì)量缺陷。尤其是對于距離地面較近的1.5m區(qū)間的樁體，樁身質(zhì)量得不到保障，相應(yīng)的標(biāo)貫試驗(yàn)不達(dá)標(biāo)，難以獲得預(yù)期的樁身質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)。

因此，就上述不足而言，水泥土雙向攪拌樁鉆機(jī)盡管減少了攪拌樁成型的時(shí)間，以及簡化了軟基處理難度，但仍有進(jìn)一步的改進(jìn)空間。在未來，主要的研究和發(fā)展方向提出如下：

根據(jù)攪拌樁干法施工與濕法施工的特點(diǎn)，揚(yáng)長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)干濕法一體的器械研發(fā)。鑒于雙向攪拌樁鉆機(jī)對地下水之上部位成型質(zhì)量的不足，未來若能實(shí)現(xiàn)上部濕法工藝開展施工，則更有利于樁身整體質(zhì)量的提升。

在水泥土雙向攪拌樁鉆機(jī)操作實(shí)踐過程中，目前的送粉環(huán)節(jié)和鉆進(jìn)環(huán)節(jié)分別由不同操作人員進(jìn)行，實(shí)際控制中存在時(shí)間節(jié)點(diǎn)的不同，受人員水平影響程度大，因此未來應(yīng)當(dāng)考慮計(jì)算機(jī)進(jìn)行同步操作，以信息化手段開展噴粉和鉆進(jìn)施工。

六、結(jié)語

水泥土雙向攪拌樁施工具有隱蔽性，在以往的實(shí)施過程中依賴于人為的控制與操作。其在質(zhì)量管控和信息化施工水平等方面相對來講比較落后。在該項(xiàng)目水泥土雙向攪拌樁施工過程中，通過監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，使整個(gè)施工過程更加清晰透明，通過畫面、數(shù)據(jù)形式更直觀地展現(xiàn)出來；對施工過程中潛在質(zhì)量隱患和突發(fā)情況能夠采取更及時(shí)、有效的處理措施，使水泥土雙向攪拌樁施工質(zhì)量得到很大幅度提升。通過監(jiān)控系統(tǒng)在水泥土雙向攪拌樁施工質(zhì)量管控中的應(yīng)用，充分推行“智慧工地”建設(shè)，提升項(xiàng)目管理信息化水平，全力實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目示范工程的建設(shè)目標(biāo)。