智能化双向搅拌粉喷桩技术在公路软土地基处理中的应用与研究

2023-11-20王怀才邹国春邹昕圻邓永坤

科学技术创新 2023年25期

王怀才，邹国春，邹昕圻，邓永坤

（1.湖北交投建设集团有限公司，湖北武汉；2.江苏盛泰建设工程有限公司，江苏连云港）

引言

水泥土搅拌桩技术从20 世纪70 年代开始逐渐在我国兴起，历经50 多年的发展创新，其适用范围广、施工工期短、造价成本低以及环境影响小等优势愈加显现，目前已成为国内应用广泛的软土地基处理技术之一[1-2]。水泥土搅拌桩在具备较多优越性的同时，也存在一些问题[3]：就常规（单向）粉喷桩施工而言，其采用“两喷四搅”的工艺，无法充分利用设备的动力系统，只对设计用量水泥的50%～70%进行了二次单向搅拌，效率较低；另外，由于水泥土没有得到充分搅拌，且由于顺着钻杆冒出水泥浆（粉），使得沿着桩身水泥用量分布不均匀；此外，水泥土搅拌桩的有效桩长和有效处理深度大大减小，限制了水泥土搅拌桩的应用。在改善常规水泥土搅拌桩加固软土地基的效果的探索中，东南大学刘松玉教授提出了一套双向水泥土搅拌桩的成桩操作方法[4-5]。本研究依托湖北石首长江公路大桥工程，采用研发的智能化双向搅拌粉喷桩施工控制系统，进行了智能化双向搅拌粉喷桩、常规双向搅拌粉喷桩和单向搅拌粉喷桩施工的现场对比试验，从成桩质量控制、桩的承载力等方面对该系统的应用效果进行分析，为大规模实施智能化双向搅拌粉喷桩施工提供依据。

1 智能化粉喷桩技术概况

1.1 智能化粉喷桩施工控制系统组成

智能化粉喷桩施工控制系统由施工数据采集系统、智能控制系统、水泥粉监管系统、数据传输与存储系统和远程监控系统等部分组成。其中，施工数据采集系统主要由电流计、压力传感器、深度传感器等构成；智能控制系统主要由监控主机构成，可进行一键施工；水泥粉监管系统主要为在线式自动加送料装置；自动加送料装置与监控主机都是通过网络传输的方式上传数据，所有的数据存储于云端服务器。

1.2 智能化双向搅拌粉喷桩施工装备

基于双向搅拌粉喷桩技术和物联网技术，采用自动化装置对目前双向搅拌桩的机械设备及工艺进行进一步的改进升级，具体改进措施如下：将粉喷桩手动送料阀改为自动送料阀，并配备称重传感器、压力传感器及蝶阀等，能够实现自动送灰、泄压上料、喷灰量控制及数据上传等功能；改进场地除尘设备：将排气管连接到该除尘设备后，使得粉尘污染大幅度降低，同时排放出来的夹杂的水泥可以直接回收使用，减少了水泥材料的浪费；改进空压机设备，将活塞式空压机改进为螺杆式空压机，提高了成桩效率，节省了施工成本，且施工噪音小，扰民现象降低；以双向粉喷技术为基础，开发了水泥土双向搅拌桩机的注水气钻具，实现粉喷、浆喷一体化施工。

2 粉喷桩成桩质量对比现场试验

2.1 工程概况

试验场地位于湖北石首长江公路大桥接线停车区某一施工段，起讫里程K55+860～K55+920。根据岩土工程勘察报告，试验区揭露地层为第四系全新统粉质黏土、黏土、淤泥质土、细砂层、局部人工填土和耕植土。试验区内无明显不良地质现象，特殊性岩土主要为软土。软弱土层为流塑状淤泥质黏土，多呈层状连续分布（其基本物理力学指标见表1），埋深1.0～3.0 m，层厚4.8～11.9 m。

表1 软弱土层主要物理力学指标

2.2 试验方案

试验统一采用粉喷桩工艺施工，现场用桩共计18根，常规水泥土搅拌桩、双向水泥土搅拌桩和智能化双向水泥土搅拌桩各6 根。其中，再根据设计每延米喷灰量分为50 kg/m、55 kg/m 和60 kg/m 三种规格，每类桩型每种规格各2 根。试验桩的桩长均为13 m，桩径为500 mm，桩间距保持在1.2～1.5 m 左右。所用水泥为32.5R 早强型硅酸盐水泥。

2.3 试验过程

常规单向搅拌桩按照“两喷四搅”的施工工艺进行施工，双向搅拌粉喷桩则采用“一喷两搅”的施工工艺，可在第一次下钻提升时实现反向搅拌，相比单向粉喷桩施工工艺减少了复搅工序。智能化双向搅拌粉喷桩施工工艺与普通双向搅拌粉喷桩大致相同，不同的是实现了水泥粉全自动加送料，并综合考虑了环保施工以及粉喷、浆喷一体化施工技术，其施工工艺具体如下：智能桩机定位：搅拌机移动，将钻头对准桩位，并调整垂直度；打开监控主机，将内钻杆电流- 土层- 喷粉量的定量关系输入监控主机；搅拌下钻：输入桩号，点击监控主机上的“开始”按钮；喷灰、搅拌；提升、搅拌；成桩：提升到地表上或设计标高以上50 cm，完成粉喷桩的施工；点击监控主机上的“完成”按钮，结束一根桩的施工。

3 智能化双向粉喷桩施工技术应用分析

3.1 芯样完整性对比分析

根据施工后28 天的粉喷桩芯样情况，常规单向粉喷桩的芯样完整性较差，常规双向搅拌粉喷桩的芯样在浅层（0～4 m）区域的完整性较差，但在4～13 m有所改善。相比较而言，智能化双向搅拌粉喷桩芯样的完整性整体较高，且在深部土层区域仍能保持较好的完整性。

3.2 桩身强度对比分析

图1 所示为不同喷灰量条件下三种桩型沿桩深方向的无侧限抗压强度结果。可以看出，智能化双向搅拌粉喷桩的桩身强度在一定程度上高于双向粉喷桩的强度，并且远高于常规单向粉喷桩的强度。智能化双向水泥土搅拌桩试样的无侧限抗压强度均值集中在0.8～1.0 MPa，局部深度试样的无侧限抗压强度可达到2.0 MPa 以上；双向水泥土搅拌桩试样的无侧限抗压强度略低，在0.6～0.9 MPa 之间；而单向粉喷桩试样的无侧限抗压强度较低，集中在0.3～0.8 MPa 之间，偶尔会有较大数值出现，但离散性较大。由此可见，智能化双向搅拌粉喷桩的桩身整体上具有更高的强度，且无论是深层还是浅层区域，都能保持良好的完整性和加固效果。此外，由于智能化施工技术使得喷灰更加均匀，桩身强度的离散性较小。

3.3 桩身强度的离散性分析

水泥土搅拌桩桩身强度的离散性通常采用变异系数COV（样本标准差σ与均值μ的比值）来表征。为了对比三种桩型桩身强度的离散情况，除整体桩0～13 m 外，还需要将桩身沿土层深度分层为0～6 m、6～13 m 上下两部分，求出三种深度情况、不同喷灰量下对应的均值和标准差，最后得到变异系数。计算结果见图2。

图2 三种搅拌桩变异系数对比

智能化双向搅拌桩的桩身强度变异系数相对较小，且在不同深度处的桩身强度均值变化不大，由此可见智能化双向搅拌桩的桩身强度沿深度分布较为均匀。单向搅拌桩的桩身强度变异系数相对较大，桩身强度离散性较高。双向搅拌桩的桩身强度变异系数处于上述两者之间，且更接近于智能化双向搅拌桩。由不同喷灰量以及不同深度的情况下三种桩型的搅拌桩的强度离散性对比可以看出，智能化施工技术提高了双向搅拌桩的质量，其桩身强度及桩身均匀性都有一定程度的提升。

3.4 桩的承载力分析

根据《建筑地基处理技术规范》，采用堆载法对智能化双向搅拌粉喷桩进行单桩和单桩复合地基竖向静载试验。粉喷桩的单桩承载力特征值均在100 kN左右，变形约为6 mm，满足设计要求；其单桩复合地基承载力特征值均在180 kN 左右，变形在7 mm 左右，同样满足设计要求。因此，智能化双向搅拌粉喷桩在该工程中是适用的，值得推广和应用。

4 技术效益评估

智能化施工控制系统的应用，可显著提高双向搅拌粉喷桩施工效率和施工质量，杜绝了“偷工减料”现象，因此得到了业主、监理及行业内其他单位的认可，提升了企业知名度，开拓了后续施工市场。采取全自动供灰的方式替代了原来的手动加灰，减少了扬尘污染，大幅降低了环境污染；对周边的农作物生长也未产生影响；对空排放的高压空气得到了有效利用，起到了节能效果。原先的手动操作采用半自动上料、手动送灰、喷灰，每台设备每班需要2～3 人才能完成整个施工作业，智能化双向搅拌粉喷桩自动化施工采用自动上料、送灰、喷灰的工作方式，每台设备每班只需1 人即可完成全部施工操作。自动化施工降低了人工成本，同时也降低了劳动强度。另外，水泥材料的回收利用，也在一定程度上降低了工程造价。