智能化水泥搅拌桩监测系统在软基处理中的应用实测

王雅宁 景泽涛 李保民

摘  要：针对监测水泥搅拌桩施工数据、控制水泥搅拌桩施工质量无良好技术手段的现状，研制了一套智能化水泥搅拌桩监测系统，并在监利至江陵高速公路东延段工程中验证了应用实效。系统基于无线物联网技术研制，分为施工参数实时采集装置和在线监测分析软件。工程试验采用ZJ－50－120A单轴双向高压旋喷水泥搅拌桩机加装系统进行实时监测，工程应用现场采用PH－5DA改良单轴双向水泥搅拌桩机加装系统对水泥搅拌桩施工参数进行实时监测。通过对比计量测试技术研究院出具的校准证书与建设工程检测机构出具的钻孔取芯检测报告，结果表明：智能化水泥搅拌桩监测系统可以有效解决以往无法监测和记录地下水泥桩注浆施工质量缺陷的问题，能为水泥搅拌桩施工提供检测技术保障。

关键词：道路工程；水泥搅拌桩监测系统；无线物联网；软基处理；施工参数；预警分析

中图分类号：TP273.4；TP39 文献标识码：A 文章编号：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

水泥攪拌桩是以水泥作为主要加固材料，通过专用的施工机械，将水泥粉或水泥浆喷入地基中，凭借钻头叶片的旋转，使水泥与原位地基土强制搅拌并得到充分混合，地基土和加固剂之间会发生一系列的物理化学反应，从而使土体硬结，形成具有整体性强、水稳型好和足够承载力的桩体[1]。水泥搅拌桩是用于加固饱和软黏土地基的一种方法，是软基处理的一种有效形式。

我國于1978年开始对水泥搅拌桩技术进行研究，20世纪80年代开始将该技术应用于处理软土地基工程中。由于具有振动小、噪声低、无污染、速度快、施工机械简单、施工效率高和造价相对较低等优点，目前水泥搅拌桩技术在我国铁路、公路、市政工程、港口码头、工业与民用建筑等软弱地基加固[2]、止水帷幕[3]、地基液化防治[4]、以及污染地基处置[5]等方面得到了广泛应用[6-8]。然而大量实际工程实践表明，水泥搅拌桩在具备较多优越性的同时，也在应用过程中暴露出一些弊端，主要表现为：处理深度偏浅，深部成桩效果差，加固深度有限[9]；水泥输浆/喷粉不连续或大小不均匀，造成桩身质量不均匀，影响桩身承载力[10]；施工过程中水泥输浆量/喷粉量无法控制，输浆量/喷粉量过大导致桩身强度不满足要求，输浆量/喷粉量过小则会延长施工时间，降低施工效率；单根桩施工时长无法监管，影响桩身承载力或桩身水泥土强度等。由此导致的施工质量事故也屡有发生[11-13]。

水泥搅拌桩的施工质量是关系到基础设施建设成败的重要因素，对水泥搅拌桩施工参数进行监测、实现对水泥搅拌桩施工过程中质量的有效控制，是保证软基处理达到预期效果、确保基础设施建设质量的重要环节。然而现行工程标准及各种文献资料多涉及或关注水泥搅拌桩设计或检测技术[14-20]，对于水泥搅拌桩实时施工参数监测及施工质量控制的关注程度则相对偏低。目前为止没有良好的监测系统来实时监控水泥搅拌桩的施工参数，大部分水泥搅拌桩施工质量的判定仍将钻孔取芯、轻型触探、静载试验、静力触探试验、标准贯入、低应变动测等检测方法作为主要监测手段和重要依据：钻孔取芯是规范限定的主要检测方法，通过钻取芯样直接观察和试验确定桩体连续性、强度、桩身全长的质量信息等施工参数[21]，该法需待成桩龄期28天后才可抽芯检测，费时费工；轻型触探通过轻便触探器所带勺钻在桩体中心钻孔取样，检查小型土搅拌均匀程度、桩体强度等施工参数[22]，需待成桩7天后检验；静载试验通过在桩顶部逐级施加竖向压力、竖向上拔力或水平推力来确定相应的单桩竖向（抗压）极限承载力等施工参数[23]；静力触探试验通过探头贯入桩身时的锥尖阻力或贯入阻力评价桩体质量[24]。

针对水泥搅拌桩技术缺少即时有效的施工质量监测技术及方法、现有实际工程无法通过实时监控水泥搅拌桩施工参数保证施工质量的现状，本文提出一种智能化水泥搅拌桩实时监测方案，并研制智能化水泥搅拌桩施工参数实时采集装置及在线监测分析软件，实现包含水泥搅拌桩施工参数自动采集、无线上传、存储归档、统计分析、预警监测等功能在内的水泥搅拌桩施工质量业务在线监测管理。本文以监利至江陵高速公路东延段为工程背景，分别采用ZJ-50-120A单轴双向高压旋喷水泥搅拌桩机及PH-5DA改良单轴双向水泥搅拌桩机加装智能化水泥搅拌桩监测系统进行工程试验及工程应用，探究了智能化水泥搅拌桩监测系统的工程应用实效。实验证明，智能化水泥搅拌桩监测系统可以有效监测水泥搅拌桩施工参数，解决以往无法监测和记录地下水泥桩注浆施工质量缺陷的问题，能为水泥搅拌桩施工提供检测技术保障。

1  智能化水泥搅拌桩监测系统的研制

基于高速公路施工过程中水泥搅拌桩的工作线长、桩机分散、机动性高、不便于铺设有线网络等特点，智能化水泥搅拌桩监测系统使用现有的移动网络运营商基站。系统基于无线物联网技术研制，分为施工参数实时采集装置和在线监测分析软件：施工参数采集装置监测系统长期高频实时地采集水泥搅拌桩桩长、水泥灰量、施工时长、桩位录入等数据；数据服务器将数据整理归档后，经在线监测分析软件的分析处理，通过网络传输给用户，同时提供数据查询、统计分析、预警监测等服务。智能化水泥搅拌桩监测系统结构如图1所示。

1.1  施工参数实时采集装置

施工参数实时采集装置——JTY智能喷灌记录仪基于现有网络运营商无线物联网网络研制，包含数据采集前端和无线数据传输。数据采集前端主要由采集主机、采集分机、深度传感器、按压式重量传感器（粉喷桩）/电磁流量传感器（浆喷桩）。JTY智能喷灌记录仪设计结构如图2所示。

深度传感器将水泥搅拌桩机齿轮转动角度转化为电磁脉冲信号，钻进深度H与电磁脉冲的计数x1之间的关系为：

H = 0.1 x1 / 1.6                         （1）

提钻时，深度传感器反向转动，电磁脉冲反向，钻进深度H与反向电磁脉冲的计数x2之间的关系为：

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

深度有效分辨率为0.1 m。

拉压式重量传感器称量封闭加压式的小灰罐总重，一组为3个，称重额定1 000 kg，灵敏度为2.0±0.01 mV/V，最小有效分辨率为1 kg，相互间互成120度夹角。重量信号为4～20 mV的电压信号，须在采集电路内先做滤波，再进行放大处理。拉压式重量传感器信号放大电路图如图3所示。

使用同向比例运算放大电路，放大倍数U01为：

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

其中R1为100 Ω，R2为30 kΩ可调电阻，U0为输出信号，计算调节的标准值为24.9 kΩ。激励电压Ui在10 V时，重量M与输出信号U0的关系为：

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

电磁流量传感器流量信号为4～20 mA电流信号，在采集电路中，先做滤波处理，再经集成运放处理将电流信号转化为电压信号，最小有效分辨率为1 L。电磁流量传感器电流-电压转换电路图如图4所示。

使用电流-电压转换，并使用电压跟随电路：

U0 = I0 R                             （5）

其中I0为输出电流，选取R为300 Ω可调电阻，标准取值为250 Ω。流量传感器检测流经管道的水泥浆流量，流量V（L）与输出电流I0 （mA）及时间T（min）的关系为：

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

主机电路主要包含脉冲信号处理模块、重量或流量A/D转换模块、外挂EEPROM、键入控制模块、显示及驱动模块和数据传输模块。

脉冲处理模块和重量或流量A/D转换模块将量化数字以数据流形式送至处理器I/O口，由处理器计时器根据钻井深度H变化记录钻进时间Δt，得到每0.1 m时间Δthn，同时获取每0.1 m重量变化量ΔM或流量变化量ΔV为：

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、流量分量对应表如表1、表2所示，并由无线输出至服务器。

累加表格中的H、T、M、V得到成桩的钻进时间TD，提升时间TU，单位深度灰量ΔM或浆量ΔV。

记录所得的数据表格TD、TU、T、H、M、V由处理器转化为数据流，存入板载RAM，同时将数据流送至无线传输模块，发往指定IP。

1.2  在线监测分析软件

施工参数实时采集装置将采集到的水泥搅拌桩机加固土桩成桩数据，通过公共无线网络传送至服务器，后台服务器将数据处理、归类、统计后，将数据信息展示在监测平台，用户使用PC端网页或手机APP访问查询数据。在线监测分析软件架构图如图5所示。

在线监测分析软件应用效果如图6所示。

2  工程试验

2.1  试验工程概况

监利至江陵高速公路东延段路线起点接赤壁长江公路大桥，后向北跨G351，于乌林镇水府村设乌林枢纽互通与洪监高速公路交叉，然后一路向北过小港管理区至汊河镇设汊河互通，之后向西北展布，途经万全镇设万全互通接S214，戴家场镇设瞿家湾互通接新建瞿家湾连接线，最后向西南进入监利县分盐镇，直至路线终点接随岳高速公路，路线主线全长62.5 km。项目区内地形地貌为冲积平原区，主要是经过河湖长期堆积而形成的平缓开阔地形。该区基岩埋藏较深，表层堆积有大量的巨厚层的第四系沉积物，以细颗粒为主，地下水位较浅，在地势低洼或者水草茂盛的地方，多为过去的河漫滩胡或牛轭湖。该区多分布有一层或者多层较厚的条带状或透镜体状的软土，为软基路段，具有含水量大、压缩性高、强度低等特征，易使路基产生不均匀沉降，桩基础施工时易缩孔，不易满足地基设计要求，如处理不当，会给公路的施工和使用造成很大影响。

根据本路段软土地基发育特征，并借鉴邻近地区高速公路建设中成熟的软基处理经验，经计算、分析，设计单位决定对软土深度大于3 m、小于12 m，地基稳定性不足或因沉降过大而影响路基及构造物的稳定和使用功能的软土路段，采用水泥搅拌桩加固地基，使桩与原软土地基构成复合地基，提高地基承载力及稳定性。设计采用42.5普通硅酸盐水泥，设计掺量范围50～70 kg/m。水泥搅拌桩固定施工技术参数如表3所示。

2.2  试验过程

深度采集试验采用20 m卷尺对比深度数据；喷粉量采集试验采用4个50 kg标准砝码，以增减砝码的办法作为喷粉重量参数修正依据；注浆量采集试验采用100 L标准容器作为注浆流量修正依据，以标准秒表作为时间对比。智能化水泥搅拌桩监测试验系统结构如图7、图8所示。

深度采集试验：以20 m卷尺作为标准标高，钻头在地面时钻杆最高点作为0起始点，使用白色油漆以0.1 m为最小精度在钻杆机架上分划标高刻度作为深度标准标尺；安装深度传感器，在进钻轴端面焊接拨杆用以带动深度传感器转动；启动水泥搅拌桩机，进钻提钻随机停止，记录进钻标高数据和设备主机读数。

喷粉量采集试验：悬挂小灰罐，将同一水平面互成120°夹角的3个拉压式重量传感器通过悬挂螺杆焊接至悬架和小灰罐之间；将小灰罐充入水泥干灰至约灰罐一半，接重量传感器数据进入主机，读取起始重量并记录；逐个在灰罐顶端增加砝码，记录砝码总重量和主机重量读数；重复试验3次。

注浆量采集试验：将电磁流量传感器通过法兰连接接入水泥浆泵机与钻杆管道之间（电磁流量传感器入口端接水泥浆泵机方向，出口接钻杆管道方向）；启动泵机，压送水泥浆，标准容器满时读取容器容积数据及系统采集数据并记录；更换标准容器，继续测试，装满标准容器时，读取容器容积数据及系统采集数据，重复5个100 L标准容器为一次实验；重复试验3次。

试验过程如图9所示。

2.3  施工参数实时采集装置传感器参数修正

2.3.1  深度傳感器参数修正

经工程试验得到施工参数实时采集装置所测深度及卷尺所测深度对比图如图10所示。

采集深度与标准深度的差值分别为：{0；0；0.1；0；-0.1；0；-0.1；0；0.1；0.1；0}，计算得平均误差为：

采集数据与标准数据的标准差为：

平均误差与标准差均小于深度传感器最小精度0.1 m，因此，深度传感器无需调整。

2.3.2  重量及流量传感器参数修正

工程试验得到的施工参数实时采集装置所测重量增量与砝码增量对比图如图11所示。采集重量增量与标准砝码增量的差值分别为（单位：kg）{0；1；2；2；0；0；-1；2；1；1；0；-1；1；0；1}，计算得平均误差为：

采集数据与标准数据的标准差为：

将M为1和M为1.125 5带入式（19）：

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

需要调整的电阻Rx与重量的关系为：

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）

计算得出Rx = 248 96，因此R2修正为24 896 Ω。

工程试验得到的施工参数实时采集装置所测流量与标准容器所得的容量对比图如图12所示。采集的水泥浆流量和标准容器测得的水泥浆流量差为（单位：L）{0；-2；-1；0；-1；-1；0；-5；-3；-2；-1；-3；0；-4；0；-2；-3；-4}，计算得平均误差为：

采集数据与标准容器测得数据标准差为：

将标准差值2.357与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，因此流量传感器的可变电阻R修正为275 Ω。

2.3.3  计量测试校准

图13为计量测试技术研究院校准数据及监测系统采集数据对比。对于重量值，显示仪表初始值为66.4 kg，进程示值以此为零点进行计算，结果显示重复性R为0.10%，示值误差δ为-0.98%，扩展不确定度Urel = 1.0%，k = 2；对于流量校准，校准介质为水，流量范围为50～500 L/h。

3  施工数据分析

智能化水泥搅拌桩监测系统经施工参数实时采集装置传感器参数修正后正式投入工程应用。工程现场采用PH-5DA改良单轴双向水泥搅拌桩机加装智能化水泥搅拌桩监测系统，对水泥搅拌桩施工过程中的施工时间、施工深度、单位深度喷粉量等施工参数进行实时监测。

水泥搅拌桩加固土桩作为一种隐蔽工程，现阶段其主要的检测方法是抽样钻孔取芯检测实际桩长、取芯状态以及芯样强度。对于安装有智能化水泥搅拌桩监测系统的水泥搅拌桩机，为检测实际应用效果，主要的手段为选取安装有智能监测系统的水泥搅拌桩机完成的成桩段面，随机抽取加固土桩，检测芯样强度，并与系统采集到的施工数据进行对比。

检测机构对试验工程：（K39 + 270 - K39 + 312）2根，（K39 + 328 - K39 + 498）5根，（K39 + 512 - K39 + 620）3根等共计38根水泥土搅拌桩进行了钻芯法检测。通过对比监测系统采集桩长与取样桩长、监测系统采集灰量与取样区间灰量等数据并计算，结果显示38根随机桩的深度监测准确率为99.53%、重量监测准确率为99.58%。使用智能化水泥搅拌桩监测系统采集的施工数据能较为准确地反映实际施工数据，以此系统监管的施工过程更加符合设计的要求，可以有效协助解决以往无法监测和记录地下水泥桩注浆施工质量缺陷的问题，能为水泥搅拌桩施工提供检测技术保障，在很大程度上改善水泥搅拌桩的施工质量。

4  结  论

本文针对水泥搅拌桩技术缺少即时有效的施工质量监测技术及方法、现有实际工程无法通过实时监控水泥搅拌桩施工参数保证施工质量的现状，基于无线物联网技术研制了智能化水泥搅拌桩监测系统。工程试验证明系统的施工参数实时采集装置能够实时、准確地对水泥搅拌桩施工深度、喷粉量、注浆量、成桩时长、均匀度等过程数据进行采集，数据经互联网上传至在线监测分析软件后，管理人员只需通过Internet登录数据中心的综合查询平台即可实时掌握各个工程的水泥搅拌桩施工进度及施工质量，极大提高了深层搅拌法质量控制的便利性和准确性，主要体现在：

1）提高工程质量，通过实时的监测减少不合规范的施工过程，自动筛选不合格水泥搅拌桩，及时通知复搅，提高成桩质量。

2）提高管理效率，通过配套平台的数据处理，直观展示成桩数据，形成报表，减少管理流程，提高管理效率。

3）避免原材料浪费，通过一体化的监测，自动统计原材料用量，避免原材料浪费，减少工程成本。

4）留存过程数据，提供决策依据，配套平台对数据统计处理，留存过程数据，便于回溯，统计分析，形成决策依据。

由于工程应用现场主要采用粉喷工艺，因此施工数据主要针对深度监测及重量监测的准确率进行分析，且本文所涉及的地质条件有限，下一步将开展更多的试验工况，丰富研究成果。

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