浅谈智能监控系统在预应力管桩施工质量管控中的应用

王雅馨

（甘肃路桥公路投资有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 工程概况

安临一级公路项目区内沟壑纵横，地形地貌复杂，沿线特殊性岩土主要为湿陷性黄土、湿软黄土、软土、松软土、膨胀性岩土及人工填土。其中K9+327-K9+382段路线跨越堰塞湖形成的软基，经调查主要为巨型山体滑坡堆积体堵塞原始沟道形成，成分主要为全新统冲湖洪积淤泥质土，该层含水量高，多呈软塑，承载力低，压缩性高，路基填筑后面临工后过量沉降、高填路堤稳定性、不均匀沉降问题。该层上部主要为黄土状土，为硬壳层，下伏基岩为新近系砂质泥岩，为隔水层。此外，根据设计文件可知，K9+327-K9+382段厚层湿软黄土地基采用预应力混凝土管桩处理，外径为40 cm，内径21 cm，桩间距2 m，呈等边三角形布置，设计平均处理深度达24 m，（实际施工中以到达持力层为准），桩身强度为C80，单桩承载力特征值为550 kN。为了确保该段路基地基处理施工质量，从工程技术可行性及经济性方面考虑，采用预应力管桩施工智能监控系统对施工过程中的锤击数、桩长、贯入度等参数进行实时监控，重点监控最后10次锤击数的总沉降量，确保其桩端进入持力层。

2 研究意义

预应力管桩作为一种较为成熟的地基处理方法，具有施工简单、快速等优点，能有效提高软土地基的稳定性，减少和控制沉降量，使得其常作为软土地基加固处理的方案之一[1]。然而，由于受机械设备、施工工艺以及施工人员素质等诸多因素的影响，预应力管桩施工完成后的承载力并不稳定。目前，我国相关地基处理规范中对预应力管桩施工质量的评价一般采用静载试验，由于静载试验耗时较长，在大规模施工条件下，检测工作量极其繁重，且耗费大量人力物力。再加传统预应力管桩施工过程质量管理，主要为现场监理使用水准仪进行检测，当10次锤击数沉降小于20 mm时，即认为桩端已进入持力层。预应力管桩地基处理方法为地下隐蔽工程，施工完成后处于路基之下，因此施工过程的智能监控及成桩检测尤为重要。现有的预应力管桩地基处理施工过程监控手段较少，主要依靠监理旁站监督及成桩检测来控制各类成桩质量，存在效率较低，人为因素影响较大的问题，无法全面、真实地反映特殊路基处理的整体质量状况。业内普遍将预应力管桩地基处理称为“良心工程”，实际施工完成的根数、桩长、沉降量等关键指标无法保障，可以说预应力管桩地基处理的质量完全掌控在工程队手中。因此，如何实现预应力管桩地基处理施工过程的智能化监测，是保证施工质量的重要技术手段，也成为亟须解决的问题。

3 预应力管桩智能监控系统的原理

预应力管桩智能监控系统是运用物联网技术，通过深度记录仪可以实时记录施工过程中每次锤击时桩身下沉深度，可精确到1 mm，同时将数据实时上传至智能手机、PC端等设备上，实现对施工过程的远程、实时、多终端监控。

3.1 监控信息全面性

现阶段行业内对预应力管桩施工过程监控主要采用监理旁站监督，而预应力管桩作为一种端承桩，其承载力大小与桩端土层软硬直接相关。实际施工中，当10次锤击数沉降小于20 mm时，即认为桩端已进入持力层，施工过程中由监理使用水准仪进行监测，施工完成后通过单桩静载试验检测地基承载力[2]。

如果预应力管桩没有深入到坚硬持力层，后期填筑的路基必然会产生沉降。因此，设计对于预应力管桩法施工的关键指标为“最后贯入度10击不宜小于2 cm”。在预应力管桩施工过程中需要重点监测落锤次数、每一击的沉降量等参数。因此，预应力管桩在施工过程中需要监控的指标（采用的传感器）为：锤击数（光电传感器）、沉降量（激光位移传感器）。深度传感器是利用紧贴在预应力管桩上的滚轮记录每次锤击时桩身的下沉深度，如图1所示；施工记录仪用于分析处理传感器的监控数据，当满足设计要求时提示现场人员预应力管桩已到达持力层，如图2所示；数据传输仪主要是将采集到的数据实时发送至项目管理平台，实现远程监控，如图3所示。

图1 深度传感器

图2 施工记录仪

图3 数据传输仪

预应力管桩智能监控系统可以实时记录施工过程中每次锤击时桩身下沉深度，当10次锤击数沉降小于20 mm时，施工过程记录仪便会提示到达持力层[3]。安装预应力管桩施工过程检测仪，可以对施工过程中的锤击数、桩长、贯入度等参数进行实时监控，重点监控最后10次锤击数的总沉降量，确保其桩端进入持力层。并同步上传数据至项目信息化综合管理平台，便于实现全程施工过程质量的有效监控。将具体的施工过程参数实时地录入到智能监控平台中，提供数据的录入、存储、维护、检索等功能，使项目参建各方能方便、及时、准确地从数据库中获得所需的工程信息[4]。

3.2 监控信息时效性

预应力管桩智能监控系统利用物联网技术将安装在施工机械上的监测单元采集的数据，处理转化为可视化信息上传至终端，施工管理人员可实时了解施工过程中预应力管桩的施工质量情况，如果出现预警值，可以迅速采取相关措施，保证预应力管桩施工质量。同时，预应力管桩智能监控系统的监测数据通过电信基站实时上传至数据存储服务器内，建设单位、监理单位、施工单位及检测单位管理人员通过安装在智能手机、PC设备上的App获得数据，随时随地查看现场预应力管桩的施工数据，对预应力管桩施工质量可以做出有效分析判断，极大地提高了预应力管桩现场施工质量管控的时效性，如图4所示。

图4 信号传输示意图

4 预应力管桩施工质量智能监控效果评价

安临一级公路项目全线预应力管桩共计约1 760根，所有预应力管桩均安装了预应力管桩施工智能监控设备，目前均已施工完成，在整个施工过程中监测数据均正常，均无触发预警值。为了验证预应力管桩智能监控系统的可靠性，安临一级公路项目随机选取了编号为313#、547#、633#、728#预应力管桩进行单桩承载力试验，对4组静载试验现场监测数据结果进行汇总整理，试验检测结果对应的Q-S曲线如图5—图8所示。依据规范《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》及设计文件，检测结果均满足要求，智能监控系统数据可以作为预应力管桩现场施工过程监控的主要手段[5]。

图5 313#单桩承载力Q-S曲线

图6 547#单桩承载力Q-S曲线

图7 633#单桩承载力Q-S曲线

图8 728#单桩承载力Q-S曲线

5 结语

通过安临一级公路预应力管桩质量过程管控安装智能监控设备，得出以下结论：

（1）经与第三方检测单位检测结果对比，预应力管桩施工监控系统的监控数据准确、真实，可以作为预应力管桩施工管控的重要技术手段；

（2）通过对已安装监控设备的成桩质量检测，成桩的完整性、承载力等重要指标明显提高，由此可见，本系统的使用，对有效控制预应力管桩施工质量有着明显效果；

（3）预应力管桩路基施工智能系统监控数据的实时上传，实现了对预应力管桩路基施工远程监控，对施工过程中偷工减料等行为进行了有效遏制，为项目预应力管桩路基处理施工质量控制奠定了良好的基础。