智能桩基质量控制系统在CFG 桩基施工中的应用

2020-02-16王国梁

江西建材 2020年2期

王国梁

中钢集团工程设计研究院有限公司，辽宁大连 116021

0 引言

随着我国基建技术的高速发展，建筑物楼层的不断增高，使得对建筑物基础的要求变的越来越高。越来越多的软弱地基加固处理方法顺应这个时代的要求被提出来，水泥粉煤灰碎石桩（CFG 桩）作为软弱地基加固处理方法中较为经济高效的一种施工方法被广泛的应用于高层、超高层建筑以及道路施工当中。CFG 桩是英文Cement Fly-ash Gravel的缩写，意为水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的具有一定强度的可变强度桩。有时候可以用低强度的素混凝土作为原料。CFG桩与桩间土、褥垫层共同作用形成刚性桩复合地基。适用于沙土、粉土、粘性土、淤泥质土和已自重固结的素填土等地基［1］，具有承载力强、时间效应佳、后期沉降较小、适用范围广等特点［2］。

1 施工现状

以长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩施工为例，桩基施工过程中需要对各项施工参数进行严格的控制，包括桩位、桩长、持力层电流值、垂直度、拔管速率、桩身混合料充盈度等。否则就会导致施工过程中以及及成桩后的各种问题：桩位偏移、桩长不足、断桩、桩身夹泥等严重的桩身质量问题。由于CFG 桩施工后禁止一切大型设备进入的特殊性，造成了断桩、问题桩处理难度大，处理费用高，处理工时长等问题。传统的控制措施是增加项目管理人员全程监督指导施工并手工记录各项施工参数，现场施工指挥人员和钻机操作手相互配合，这就大大地增加了施工难度和施工成本，并且施工参数的控制更偏向于施工人员的施工经验，并不是每一根桩基的成桩质量都得到十足的保证。智能桩基质量控制系统通过互联网和传感器技术很好的解决了这些难题。

2 智能桩基质量控制系统

智能桩基质量控制系统由北斗卫星定位模块、桩身垂直度控制模块、桩长控制模块、钻机动力电流控制模块、泵送流量控制模块、施工信息传输模块、电子显示屏终端和互联网桩基数字化施工平台组成。各个模块通过安装在CFG 钻机上的各种传感器和定位装置，收集整理各种相关的施工参数，并通过电子显示屏将这些施工参数实时的展现给钻机操作手，指导操作手的钻进作业，当施工参数与设计要求的出现偏差时，就会触发系统内置的报警装置，提醒钻机操作手及时纠正。同时施工信息传输模块会将施工完成的每一根桩的施工信息实时上传到互联网桩基数字化施工平台上，项目管理人员只需登录桩基数字化施工平台，就可以不用到施工现场就能实时的获得每一根桩的施工参数，保证施工质量。

在正式的CFG 桩施工正式开始前，需要对一定数量的具有代表性的CFG 桩进行试桩，并进行相应的低应变检测和单桩承载力检测，试桩成功，并且得到钻机钻进速度、拔管速度、混合料各项指标，泵送速度，持力层电流值等施工参数，修改完善施工工艺后就可以按照得到的施工参数指导大面积的桩基施工作业。使用智能桩基质量控制系统能够直观准确的获得施工参数，对后续的施工具有指导性意义。

3 施工参数控制

3.1 桩位偏差

普通CFG 钻机施工时为了确保桩位准确，需要测量人员使用测量仪器精准的定位出每一根桩基坐标桩，施工人员用钢钎子在坐标桩位上打出垂直地面的空腔，并灌入石灰粉，以此标记桩位，当钻机钻进时，由钻杆带出的泥土在地面上形成一个个土堆，容易造成相近桩位标记被掩盖，使得测量人员和施工人员工作量巨大，而且容易造成桩位偏差。智能桩基质量控制系统通过装在钻机钻杆上方的定位天线，实现对桩位信息的监控。施工前，测量人员只需将每根桩位坐标输入，北斗卫星定位系统就能通过安置在空旷位置的基准站获取天线位置信息，通过计算钻机钻杆位置与设计桩位坐标的相对坐标，就可以获得钻机的实时位置偏差，引导钻机操作手对桩位信息的精准定位。

3.2 桩基深度

在桩基施工过程中，施工人员通过标记在钻机上的刻度信息来获得桩长深度信息。但因为施工条件恶劣，钻机刻度常常模糊不不清，清理又费时费力。随着传感器技术的发展，出现了安装在钻机卷扬机内的位移传感器，通过计算卷扬机转数计算成桩深度，但后期投入使用发现因为误转以及卷扬机半径变化等影响导致误差较大，智能桩基质量控制系统通过钻杆顶部的天线获得钻头标高信息，实现实时监控成桩深度变化。

3.3 桩身垂直度

因为CFG 桩基主要承受竖向荷载，所以控制好桩基的垂直度是桩基良好受力状态的重要保证，同时，因为CFG 桩长度较长，桩基垂直度不好在施工中容易导致桩基“串孔”的状况，影响成桩质量。最常用的手段是通过安装在钻机上的重力锤进行控制。本系统安装在钻机桅杆两侧的双倾角传感器，将成桩垂直度信息实时的显示在电子显示屏上。更加直观准确的将垂直度信息反馈给钻机操作手。

3.4 提管速度

在桩基施工中提管的速度至关重要，需要混凝土泵操作手和钻机操作手的密切配合。当钻机钻进完成后，现场指挥通知钻机操作手，将钻杆稍稍提起，以便为钻头下的阀门打开腾出空间，随后通知泵车操作手开始泵送混凝土，现场根据经验当桩内混凝土埋过钻头0.5 米左右，钻机手开始提钻，并且提钻速度与混凝土泵送的速度相配合，始终保持混凝土埋过钻头的状态，以保证混合料充盈度。如果提钻速度太快，钻头提离开混凝土面就会造成桩内夹泥，断桩的严重质量问题。如果提钻速度过慢，就会造成提不起钻杆，甚至导致泵车故障泵管堵塞等问题，会严重影响施工进度。智能桩基质量监控系统通过安装在泵车内的传感器，记录泵送次数，单次混凝土泵送量，就能得到泵送混凝土速度，天线记录深度信息得到钻机提钻速度。并都直观的反应在电子显示屏上，便于操作手控制桩基施工。

3.5 持力层电流值

在现阶段的桩基施工中，大多数还是依靠现场施工人员的施工经验来判断桩基是否已经进入了持力层，判断方法是：当钻头进入持力层时，钻机钻进较慢甚至没有进尺，钻机机身出现轻微抖动，卷扬机的钢丝绳处于松弛状态。这就是钻头进入持力层的信号［3］。智能桩基质量控制系统通过安装在钻机配电系统的电流表测得钻机动力系统的电流值，实现对钻进过程的监控。当钻头钻进到软弱地层时，钻机动力系统受到的阻力较小，记录的电流值较小。当钻头进入持力层时，动力系统突然间受到较大的阻力，电流明显增大，就可以确定钻头进入了持力层。实时的电流值直接在电子显示屏上显示出来。让钻机操作手更直观的判断钻机的钻进状态。