一种适用于水泥土双向搅拌桩的监控系统

2023-02-27 04:11陈垚
中国公路 2023年1期
关键词:成桩双向泥土

陈垚

(河北盛申路桥工程有限公司,河北 保定 071000)

一、水泥土双向搅拌桩施工原理

水泥土搅拌桩是将水泥作为掺加剂通过其水化反应后的加固作用,实现待加固土体的硬化成型,经由搅拌桩机械的强制搅拌作用,使作为固化剂的水泥与土体充分混合反应,最终形成具有一定强度、刚度与稳定性的水泥土结合体[1,3]。在实践中,传统的水泥土搅拌桩经常因为搅拌不充分、水泥粉上冒外溢等各种不可控因素而发生质量事故,达不到预期的加固效果,因此,通过改进后的水泥土双向搅拌桩应运而生。具体而言,水泥土双向搅拌桩的原理是通过设置两套同心的内外钻杆,由双轴实现协同运动,并通过相应的动力系统共同带动嵌套在同心钻杆上的搅拌叶片进行转动,内外钻杆上的搅拌叶片在钻进搅拌过程为反向转动,从而能够使土体与水泥实现更充分的复搅作用,并通过反向运动进一步阻碍水泥粉向上翻冒的趋势[4-6]。与传统水泥土搅拌桩相比,能够有效解决冒浆问题,大幅度提高地基加固效果[7],具体原理如图1所示。目前,水泥土双向搅拌桩凭借其良好的混合搅拌作用、较为合理的施工费用、较好的施工工效,以及符合要求的加固效果等应用特点[8,9],得到了越来越广泛的应用,并逐渐成为当前软土地基加固处理的有效手段之一。

二、工程概况

某高速公路建设施工项目案例所处区域涉及不良地段,相应施工区域大多位于地势较为平坦的平原和丘陵中间地带,其间分布有较大面积的软土地区和松软土地层,案例施工区段土层可见大范围的粉质黏土与淤泥质粉质黏土,经土体物理力学参数试验和分析,认为其具有孔隙比高、压缩性好等不良特性,需要在施工前对其进行加固处理。此次高速公路范围的设计地基共分3层,不同层的土质参数如表1所示。

表1 不同路基土层软土物理参数

根据工程现场的地质调查结果,决定采用水泥搅拌桩对软土地基进行加固处理,搅拌桩均采用双向水泥搅拌工艺。水泥土双向搅拌桩的布桩为正三角形,桩间距1.5m,桩径500mm,水泥固化剂采用42.5号普通硅酸盐水泥,设计水泥用量为65kg/m,桩长17m。

三、新型质量监控系统的提出及其优势

在该案例高速公路工程项目的软土地基加固应用过程中,由于双向水泥搅拌桩属于隐蔽工程,存在较多的不可预见因素及人为因素,由此不可避免地发生了不少工程质量问题,造成在实际应用中对水泥土双向搅拌桩的适用性和可靠性产生疑虑,同时,为保证背景案例中软土地基的加固效果,必需采取进一步的有效措施解决软土地基加固效果达不到预期的问题,究其原因是原有施工工艺存在较多的不可见和不可控因素,实际操作中大多依赖于人工技术水平,信息化和智能化程度较低。

为此,有必要对常规的双向水泥搅拌桩成桩机械进行改进优化,通过研发应用新型监控系统,可有效实现可视化、自动化与智能化,消除桩体在地下施工时由于不可见因素而引发的各种质量隐患,促进综合施工质量的提升。

(一)可视化操作

在实际应用中,桩机通过安装CLJPZ深层搅拌(浆喷)桩监控记录仪,施工过程中下钻深度、喷浆量、下钻速度等技术参数一目了然,使桩机操作更规范、更标准,实现可视化操作,告别以往全凭“靠感觉”施工的现象。该新型监控系统的可视化操作页面如图2所示。

图2 可视化操作页面

(二)时效性突出

施工过程中,采用基于物联网技术的双向水泥搅拌桩施工与质量分析系统,该系统可实时记录现场水泥搅拌桩施工数据,包括施工桩长、成桩起止时间、累计灰量、累计浆量、平均灰量、下钻速度、提钻速度、施工电流等参数,并将采集的数据通过无线网络上传至服务器。通过事先在系统中输入各级预警报警值,超过相应指标,及时向相应管理人员发送预警信息,出现问题能做到及时处理闭合。同时,施工管理人员和监理人员可以通过PC端和手机实时查看现场施工情况,做到全过程、全时段、多数据的真实、实时、有效监控,实时了解施工过程中的工艺参数的变化情况,以最快的速度采取相关措施进行调整,保证双向水泥搅拌桩的施工质量。该新型监控系统的实时监控画面如图3所示。

图3 实时监控画面

(三)经济性明显

该新型监控系统可以使分散的管理集成化,减少施工单位、监理单位旁站人员数量的投入,节省部分人工成本支出。对出现质量问题能够做到“及时发现、及时处理”,以事前、事中控制为主,减少因事后检测不合格,造成返工处理资源浪费的现象。

(四)记录自动化

传统施工记录通过小票机进行打印,存在不易保存,弄虚作假的现象,而通过该新型监控系统的应用,可以随时从电脑上直接导出数据,确保了数据的准确性、真实性和可溯源性。

四、常见质量问题的解决途径

(一)短桩

该项目通过引进监控系统,桩机操作人员在监控记录仪可以实时看到进尺深度,确保能够保证设计桩长要求。

当实际施工桩长小于设计桩长,会发生二级预警,实际施工桩长小于设计桩长0.2m时,会发生一级预警。其中二级预警短信通知到项目部和监理办,一级预警短信通知到监理办、项目办和质安中心。必须经过重新施工后,处理人上传相关凭证,经闭合人检查通过,才能闭合完成,否则无法进行验收工作。因此,短桩现象已被消除。

(二)成桩强度低

成桩强度低的主要原因是水泥用量不足。该项目设计水泥用量55kg/m,平均灰量小于52.25kg时,会发生二级预警,而当平均灰量小于50kg时,会发生一级预警,对于该新型监控系统而言,必须进行返工后及时处理,才能使预警信息实现闭合。这样可以有效避免最终成桩后出现桩体强度不满足设计和规范要求的不利情况。

(三)成桩均匀性差

成桩均匀性差的主要原因为喷浆不均匀所造成,每个桩机施工前进行试桩,得到喷浆量与下钻速度相匹配的喷浆压力。正常施工时,喷浆压力不做调整。施工过程中监控记录仪中可显示具体的下钻、提钻速度,可以做到实时控制。平均下钻速度大于0.85m/min,平均提钻速率大于1m/min时,也会发生预警信息短信并通知管理人员,通过现场督促,合理调整下钻、提钻速度,从而保证成桩的均匀性。

五、监控系统应用成效与桩体质量控制

(一)水泥土双向搅拌桩的成桩质量检测

在所述案例高速公路工程项目的软土地基加固中,所成型的双向搅拌桩成桩28d后,都按要求进行了标准贯入试验和现场取芯检测。根据设计文件的相关要求,对于桩身无侧限抗压强度,其28d龄期的数值应不低于0.7MPa,而养护90d龄期后的数值不低于1.2MPa。在检测实践中,施工单位自检频率为2‰,且每个被检段落不少于2根,强检频率为5‰,且每个被检段落不少于3根。

图4 现场芯样照片

图5 搅拌桩质量检测报告

经委托检测情况来看,芯样均完整、桩长满足设计要求,质量综合评定优良率100%。可见,监控系统在水泥搅拌桩中的应用,能够解决诸多质量问题,同时操作方面,数据真实可靠,能够大幅提升搅拌桩的施工质量。

(二)质量控制存在的不足与改进方向

与常规的水泥土搅拌桩相比,水泥土双向搅拌桩具有以下优点:一是内外钻杆上的搅拌叶片实现了正、反向同时搅拌,能有效保证水泥与土体的充分混合,并阻断水泥粉上升通道。成型桩身的匀质性更好,水泥与土体充分嵌补反应,黏结效果佳,整体性强。二是双向搅拌桩的操作过程简单,机械经改进后作用原理清晰,自动化程度提升,避免人工复搅施工质量不稳定的弊端。三是搅拌叶片正反向转动,对环境的作用力相互抵消,对周边环境的扰动小。四是施工的桩长增长,且因减少复搅次数,单根桩成桩时间缩短。五是水泥土双向搅拌桩桩体强度得到有效保证,促使桩间距得以扩大,相应的软土地基加固处理工程量减少,降低工程实施费用。

然而,在具体施工实践中,相比以往的普通水泥土搅拌桩形式,双向搅拌桩尽管具备着众多优异的应用特性,如降低水泥冒粉概率、更有利于保证桩身成型均匀性等,但在具体地层的适应性方面仍存在明显劣势,比如当桩身标高位于地下水位上方区域,该范围内的水泥土尚不能够得到充分的化学反应,由此导致水泥土互相嵌补不密实,较多的颗粒状游离于桩体内部,造成一定程度的桩身质量缺陷。尤其是对于距离地面较近的1.5m区间的桩体,桩身质量得不到保障,相应的标贯试验不达标,难以获得预期的桩身质量评价等级。

因此,就上述不足而言,水泥土双向搅拌桩钻机尽管减少了搅拌桩成型的时间,以及简化了软基处理难度,但仍有进一步的改进空间。在未来,主要的研究和发展方向提出如下:

根据搅拌桩干法施工与湿法施工的特点,扬长补短,实现干湿法一体的器械研发。鉴于双向搅拌桩钻机对地下水之上部位成型质量的不足,未来若能实现上部湿法工艺开展施工,则更有利于桩身整体质量的提升。

在水泥土双向搅拌桩钻机操作实践过程中,目前的送粉环节和钻进环节分别由不同操作人员进行,实际控制中存在时间节点的不同,受人员水平影响程度大,因此未来应当考虑计算机进行同步操作,以信息化手段开展喷粉和钻进施工。

六、结语

水泥土双向搅拌桩施工具有隐蔽性,在以往的实施过程中依赖于人为的控制与操作。其在质量管控和信息化施工水平等方面相对来讲比较落后。在该项目水泥土双向搅拌桩施工过程中,通过监控系统的应用,使整个施工过程更加清晰透明,通过画面、数据形式更直观地展现出来;对施工过程中潜在质量隐患和突发情况能够采取更及时、有效的处理措施,使水泥土双向搅拌桩施工质量得到很大幅度提升。通过监控系统在水泥土双向搅拌桩施工质量管控中的应用,充分推行“智慧工地”建设,提升项目管理信息化水平,全力实现本项目示范工程的建设目标。

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