基于远程监控系统的搅拌桩施工工艺分析

陈 毅 胡伟东 徐 渊 叶观宝 沈鸿辉

(1. 杭州都市高速公路有限公司, 浙江杭州 310024；2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)

0 引言

水泥土搅拌桩是软土地区最常用的地基处理方法之一，能够有效提高地基承载力、减少工后沉降和提高边坡稳定性。然而，由于水泥搅拌桩大部分施工工序在地下进行，其施工质量问题一直难以较好解决[1-3]。杭州绕城西复线湖州段软基处理工程采用了基于物联网技术的搅拌桩施工在线实时监控系统，实现了每根搅拌桩施工全过程跟踪、可反馈和可追溯[4]。

本文基于该监测系统获得搅拌桩施工数据，选取有代表性的桩，通过对比分析施工数据(搅拌工艺、喷浆量和搅拌次数等)和现场标贯击数，探讨不同施工工艺的搅拌桩施工质量，为搅拌桩施工提供指导意见。

1 工程背景

1.1 远程监测系统

杭州绕城西复线湖州段软基处理工程位于杭嘉湖平原水网地区，软基处理施工量大、周期长、处理形式多[4]。为了保证搅拌桩施工质量，本项目采用基于物联网技术的搅拌桩施工全过程远程监测系统。

CL-M1型软基处理施工在线实时监控系统通过安装在施工设备上的传感器(转速传感器、流量传感器、深度传感器等)同时监测钻进深度、喷浆压力、喷浆量、提升速率等数据，并及时上传到信息化智慧云平台(见图1)。实现了水泥土搅拌桩的全过程跟踪、可反馈和可追溯。

图1 软基处理施工在线实时监控系统

远程监控平台(见图2)提供了各里程不同桩号的水泥土搅拌桩的详细施工情况，包括对应施工机械编号、施工时间、水灰质量比、水泥浆量、上提(下沉)速率等，并生成原始记录表(见图3)和曲线图(见图4、图5)。施工管理人员可以通过PC端和手机查看现场施工情况。

图2 远程监控平台

图3 施工现场实时数据记录表

图4 水泥土搅拌桩施工过程中时间--深度曲线

图5 水泥土搅拌桩施工过程时间--流量、速度曲线

1.2 搅拌桩施工要求

搅拌桩桩长不超过10 m时可用普通单向搅拌成桩工艺；桩长超过10 m时应采用双向搅拌成桩工艺。采用“四搅二喷”进行施工。采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰质量比为0.45～0.55。桩径0.5 m，设计水泥用量为55 kg/m。注浆压力不小于0.5 MPa，送浆管路不得大于50 m。搅拌头翼片的枚数、宽度与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、搅拌头的提升速度相匹配。加固深度范围内土体任何一点均应搅拌20次以上。桩身28 d无侧限抗压强度平均值应不小于0.8 MPa，最小值应不小于0.5 MPa；桩身90 d无侧限抗压强度平均值应不小于1.2 MPa。

2 水泥搅拌桩施工工艺分析

基于远程监测系统获得搅拌桩施工数据，根据是否达到施工要求，将搅拌桩的现场施工情况分为四类。类型Ⅰ：搅拌桩完全按照施工要求进行；类型Ⅱ：搅拌桩采用“四搅两喷”工艺，每点总搅拌次数满足要求，但灰量不达标；类型Ⅲ：局部不满足“四搅两喷”工艺，每点总搅拌次数和灰量均不达标；类型Ⅳ：完全未采用“四搅两喷”工艺。

根据以上四种类型，选出代表性的桩进行现场标贯试验，获得桩身标贯击数随深度变化。通过施工工艺和相应标贯击数曲线的对比分析，研究不同施工工艺对搅拌桩桩身质量的影响。

2.1 类型Ⅰ

选择 LTJ01标K10+972—K11+027里程桩号为A75-67-17的水泥土搅拌桩。该桩的施工监测数据如图6所示。搅拌桩A75-67-17满足“四搅两喷”工艺，提升(下降)速率在150 cm/min左右，每一点总搅拌次数在20次以上，且段灰量远超过55 kg/m(见图7)。现场试验得标贯击数在16～27之间，沿深度逐渐减小(见图8)。这可能与下部软土土性较差有关；同时，由于深部土体与空气缺乏联通，无法发挥水泥的气硬性效果，水泥土固化速率较慢。

图6 LTJ01标段A75-67-17号桩时间--深度、速度曲线

图7 LTJ01标段A75-67-17号桩深度--段灰量曲线

图8 LTJ01标段A75-67-17号桩深度--修正标贯击数曲线

2.2 类型Ⅱ

选择LTJ01标K7+425—K7+450里程桩号为A9-8-6的水泥土搅拌桩。该桩的施工监测数据如图9所示。从图中可知，该搅拌桩满足“四搅两喷”工艺，计算每点总搅拌次数在20次以上；但水泥用量在11～19 m深度处不满足要求，在45～50 kg/m范围内(见图10)。标贯击数随深度变化表明，10 m以下桩体质量较差，标贯击数小于5击(见图11)。现场取芯亦反映出该桩深部水泥土质量差，桩身甚至未成形(见图12)。这可能与软土特性、水泥土固化机理等有关[5]。由于下部软土埋深较深，土性较差，含水量高，水泥水化反应进行较慢。为了避免这种情况发生，可以通过改进工艺、提高水泥掺量，以及掺入外加剂等方法改善深部搅拌桩的加固效果[6]。

图9 LTJ01标段A9-8-6号桩时间--深度、速度曲线

图10 LTJ01标段A9-8-6号桩深度--段灰量曲线

图11 LTJ01标段A9-8-6号桩深度--修正标贯击数曲线

图12 LTJ01标段A9-8-6号桩取芯结果

2.3 类型Ⅲ

选择LTJ01标K9+316—K9+340里程桩号为A31-30-4的水泥土搅拌桩。监测数据如图13所示。该桩局部不满足“四搅两喷”工艺；0～12 m处段灰量均不满足要求，且低于50 kg/m，12 m以下段灰量较高(见图14)；每一点总搅拌次数甚至低于10次，以下搅拌次数高于上部(见图15)。

图13 LTJ01标段A31-30-4号桩时间--深度、速度曲线

图14 LTJ01标段A31-30-4号桩深度--段灰量曲线

现场标贯试验结果表明(见图16)，现场试验得标贯击数在17～30之间，沿深度逐渐减小。标贯试验结果与3.1节中的A75-67-17号桩基本一致。

由地勘资料可知，该桩所在线路浅部分布耕植土①0，上部主要分布粉质黏土②1和粉土②2，层厚为5～15 m，承载力容许值在100 kPa以上。下部主要分布淤泥质粉质黏土，土层为流塑状，含少量有机质及腐殖质，层底深度在20 m以上，承载力容许值为60 kPa左右。由于上部土性好于下部软土，虽然上部段灰量和搅拌次数未达到要求，桩身质量仍较好；相反，下部应多喷浆、多搅拌，保证搅拌桩在下部软土层中的搅拌效果。

图15 LTJ01标段A31-30-4号桩深度--每一点总搅拌次数曲线

图16 LTJ01标段A31-30-4号桩深度--修正标贯击数曲线

2.4 类型Ⅳ

选择LTJ01标K11+278—K11+357里程桩号为A37-97-10的水泥土搅拌桩和LTJ02标QK0+168—300里程桩号为Q30*4的搅拌桩。监测数据如图17所示。由图18可知，搅拌桩A37-97-10为“两搅一喷”，下部段灰量较上部大。搅拌桩Q30*4为“两搅一喷”，但上部复搅一次，上部段灰量和搅拌次数较下部大。在 6～20 m范围内，搅拌桩A37-97-10与搅拌桩Q30*4相比，段灰量高出10 kg左右，每一点搅拌次数高出5次左右(见图19)。

图17 时间--深度、速度曲线

图18 桩深度--段灰量曲线对比

图19 桩深度--搅拌次数曲线对比

图20为A37-97-10和Q30*4桩身标贯击数随深度变化曲线。两者对应的修正标贯击数总体随深度增加而逐渐递减，且搅拌桩A37-97-10击数比搅拌桩Q30*4大5～10不等。结果表明，上部硬土层土性较好，搅拌桩Q30*4在上部硬土层增加水泥浆量和搅拌次数对整体加固效果提升并不明显。为了显著提升施工效果，应在中下部软土层增大段灰量和搅拌次数。前述搅拌桩A31-30-4也支持这一结论。

图20 桩深度--修正标贯技术曲线对比

万 瑜等(2019)通过水泥土搅拌桩智能化施工控制系统外钻杆电流值判断土层软硬实时下调下钻喷浆量，硬土层少喷浆，软土层多喷浆，在保证成桩质量的同时节约水泥量[7]。CL-M1型软基处理施工在线实时监控系统能够监测到外钻杆电流，可借鉴该思路实现加固效果的最大化。

3 结论

依托杭州绕城西复线湖州段软基处理工程，开展了基于搅拌桩施工远程监测系统的应用研究，实现了搅拌桩的信息化施工和全过程管控。基于监测数据和现场标贯试验，对几种典型的搅拌桩施工工艺进行分析。研究表明，搅拌桩的成桩质量与施工工艺和地质条件有密切关系。对于上部土性好、深部土性差的地层，浅部可适当减少喷浆量和加快提升速率，而深部为保证桩身质量，应提高喷浆量和搅拌次数。