王懷才，鄒國春，鄒昕圻，鄧永坤

（1.湖北交投建設(shè)集團有限公司，湖北 武漢；2.江蘇盛泰建設(shè)工程有限公司，江蘇 連云港）

引言

水泥土攪拌樁技術(shù)從20 世紀(jì)70 年代開始逐漸在我國興起，歷經(jīng)50 多年的發(fā)展創(chuàng)新，其適用范圍廣、施工工期短、造價成本低以及環(huán)境影響小等優(yōu)勢愈加顯現(xiàn)，目前已成為國內(nèi)應(yīng)用廣泛的軟土地基處理技術(shù)之一[1-2]。水泥土攪拌樁在具備較多優(yōu)越性的同時，也存在一些問題[3]：就常規(guī)（單向）粉噴樁施工而言，其采用“兩噴四攪”的工藝，無法充分利用設(shè)備的動力系統(tǒng)，只對設(shè)計用量水泥的50%～70%進(jìn)行了二次單向攪拌，效率較低；另外，由于水泥土沒有得到充分?jǐn)嚢瑁矣捎陧樦@桿冒出水泥漿（粉），使得沿著樁身水泥用量分布不均勻；此外，水泥土攪拌樁的有效樁長和有效處理深度大大減小，限制了水泥土攪拌樁的應(yīng)用。在改善常規(guī)水泥土攪拌樁加固軟土地基的效果的探索中，東南大學(xué)劉松玉教授提出了一套雙向水泥土攪拌樁的成樁操作方法[4-5]。本研究依托湖北石首長江公路大橋工程，采用研發(fā)的智能化雙向攪拌粉噴樁施工控制系統(tǒng)，進(jìn)行了智能化雙向攪拌粉噴樁、常規(guī)雙向攪拌粉噴樁和單向攪拌粉噴樁施工的現(xiàn)場對比試驗，從成樁質(zhì)量控制、樁的承載力等方面對該系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，為大規(guī)模實施智能化雙向攪拌粉噴樁施工提供依據(jù)。

1 智能化粉噴樁技術(shù)概況

1.1 智能化粉噴樁施工控制系統(tǒng)組成

智能化粉噴樁施工控制系統(tǒng)由施工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、水泥粉監(jiān)管系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸與存儲系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。其中，施工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由電流計、壓力傳感器、深度傳感器等構(gòu)成；智能控制系統(tǒng)主要由監(jiān)控主機構(gòu)成，可進(jìn)行一鍵施工；水泥粉監(jiān)管系統(tǒng)主要為在線式自動加送料裝置；自動加送料裝置與監(jiān)控主機都是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞缴蟼鲾?shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)存儲于云端服務(wù)器。

1.2 智能化雙向攪拌粉噴樁施工裝備

基于雙向攪拌粉噴樁技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用自動化裝置對目前雙向攪拌樁的機械設(shè)備及工藝進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)升級，具體改進(jìn)措施如下：將粉噴樁手動送料閥改為自動送料閥，并配備稱重傳感器、壓力傳感器及蝶閥等，能夠?qū)崿F(xiàn)自動送灰、泄壓上料、噴灰量控制及數(shù)據(jù)上傳等功能；改進(jìn)場地除塵設(shè)備：將排氣管連接到該除塵設(shè)備后，使得粉塵污染大幅度降低，同時排放出來的夾雜的水泥可以直接回收使用，減少了水泥材料的浪費；改進(jìn)空壓機設(shè)備，將活塞式空壓機改進(jìn)為螺桿式空壓機，提高了成樁效率，節(jié)省了施工成本，且施工噪音小，擾民現(xiàn)象降低；以雙向粉噴技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了水泥土雙向攪拌樁機的注水氣鉆具，實現(xiàn)粉噴、漿噴一體化施工。

2 粉噴樁成樁質(zhì)量對比現(xiàn)場試驗

2.1 工程概況

試驗場地位于湖北石首長江公路大橋接線停車區(qū)某一施工段，起訖里程K55+860～K55+920。根據(jù)巖土工程勘察報告，試驗區(qū)揭露地層為第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)土、細(xì)砂層、局部人工填土和耕植土。試驗區(qū)內(nèi)無明顯不良地質(zhì)現(xiàn)象，特殊性巖土主要為軟土。軟弱土層為流塑狀淤泥質(zhì)黏土，多呈層狀連續(xù)分布（其基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1），埋深1.0～3.0 m，層厚4.8～11.9 m。

表1 軟弱土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 試驗方案

試驗統(tǒng)一采用粉噴樁工藝施工，現(xiàn)場用樁共計18根，常規(guī)水泥土攪拌樁、雙向水泥土攪拌樁和智能化雙向水泥土攪拌樁各6 根。其中，再根據(jù)設(shè)計每延米噴灰量分為50 kg/m、55 kg/m 和60 kg/m 三種規(guī)格，每類樁型每種規(guī)格各2 根。試驗樁的樁長均為13 m，樁徑為500 mm，樁間距保持在1.2～1.5 m 左右。所用水泥為32.5R 早強型硅酸鹽水泥。

2.3 試驗過程

常規(guī)單向攪拌樁按照“兩噴四攪”的施工工藝進(jìn)行施工，雙向攪拌粉噴樁則采用“一噴兩攪”的施工工藝，可在第一次下鉆提升時實現(xiàn)反向攪拌，相比單向粉噴樁施工工藝減少了復(fù)攪工序。智能化雙向攪拌粉噴樁施工工藝與普通雙向攪拌粉噴樁大致相同，不同的是實現(xiàn)了水泥粉全自動加送料，并綜合考慮了環(huán)保施工以及粉噴、漿噴一體化施工技術(shù)，其施工工藝具體如下：智能樁機定位：攪拌機移動，將鉆頭對準(zhǔn)樁位，并調(diào)整垂直度；打開監(jiān)控主機，將內(nèi)鉆桿電流- 土層- 噴粉量的定量關(guān)系輸入監(jiān)控主機；攪拌下鉆：輸入樁號，點擊監(jiān)控主機上的“開始”按鈕；噴灰、攪拌；提升、攪拌；成樁：提升到地表上或設(shè)計標(biāo)高以上50 cm，完成粉噴樁的施工；點擊監(jiān)控主機上的“完成”按鈕，結(jié)束一根樁的施工。

3 智能化雙向粉噴樁施工技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 芯樣完整性對比分析

根據(jù)施工后28 天的粉噴樁芯樣情況，常規(guī)單向粉噴樁的芯樣完整性較差，常規(guī)雙向攪拌粉噴樁的芯樣在淺層（0～4 m）區(qū)域的完整性較差，但在4～13 m有所改善。相比較而言，智能化雙向攪拌粉噴樁芯樣的完整性整體較高，且在深部土層區(qū)域仍能保持較好的完整性。

3.2 樁身強度對比分析

圖1 所示為不同噴灰量條件下三種樁型沿樁深方向的無側(cè)限抗壓強度結(jié)果?？梢钥闯?，智能化雙向攪拌粉噴樁的樁身強度在一定程度上高于雙向粉噴樁的強度，并且遠(yuǎn)高于常規(guī)單向粉噴樁的強度。智能化雙向水泥土攪拌樁試樣的無側(cè)限抗壓強度均值集中在0.8～1.0 MPa，局部深度試樣的無側(cè)限抗壓強度可達(dá)到2.0 MPa 以上；雙向水泥土攪拌樁試樣的無側(cè)限抗壓強度略低，在0.6～0.9 MPa 之間；而單向粉噴樁試樣的無側(cè)限抗壓強度較低，集中在0.3～0.8 MPa 之間，偶爾會有較大數(shù)值出現(xiàn)，但離散性較大。由此可見，智能化雙向攪拌粉噴樁的樁身整體上具有更高的強度，且無論是深層還是淺層區(qū)域，都能保持良好的完整性和加固效果。此外，由于智能化施工技術(shù)使得噴灰更加均勻，樁身強度的離散性較小。

3.3 樁身強度的離散性分析

水泥土攪拌樁樁身強度的離散性通常采用變異系數(shù)COV（樣本標(biāo)準(zhǔn)差σ與均值μ的比值）來表征。為了對比三種樁型樁身強度的離散情況，除整體樁0～13 m 外，還需要將樁身沿土層深度分層為0～6 m、6～13 m 上下兩部分，求出三種深度情況、不同噴灰量下對應(yīng)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，最后得到變異系數(shù)。計算結(jié)果見圖2。

圖2 三種攪拌樁變異系數(shù)對比

智能化雙向攪拌樁的樁身強度變異系數(shù)相對較小，且在不同深度處的樁身強度均值變化不大，由此可見智能化雙向攪拌樁的樁身強度沿深度分布較為均勻。單向攪拌樁的樁身強度變異系數(shù)相對較大，樁身強度離散性較高。雙向攪拌樁的樁身強度變異系數(shù)處于上述兩者之間，且更接近于智能化雙向攪拌樁。由不同噴灰量以及不同深度的情況下三種樁型的攪拌樁的強度離散性對比可以看出，智能化施工技術(shù)提高了雙向攪拌樁的質(zhì)量，其樁身強度及樁身均勻性都有一定程度的提升。

3.4 樁的承載力分析

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，采用堆載法對智能化雙向攪拌粉噴樁進(jìn)行單樁和單樁復(fù)合地基豎向靜載試驗。粉噴樁的單樁承載力特征值均在100 kN左右，變形約為6 mm，滿足設(shè)計要求；其單樁復(fù)合地基承載力特征值均在180 kN 左右，變形在7 mm 左右，同樣滿足設(shè)計要求。因此，智能化雙向攪拌粉噴樁在該工程中是適用的，值得推廣和應(yīng)用。

4 技術(shù)效益評估

智能化施工控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可顯著提高雙向攪拌粉噴樁施工效率和施工質(zhì)量，杜絕了“偷工減料”現(xiàn)象，因此得到了業(yè)主、監(jiān)理及行業(yè)內(nèi)其他單位的認(rèn)可，提升了企業(yè)知名度，開拓了后續(xù)施工市場。采取全自動供灰的方式替代了原來的手動加灰，減少了揚塵污染，大幅降低了環(huán)境污染；對周邊的農(nóng)作物生長也未產(chǎn)生影響；對空排放的高壓空氣得到了有效利用，起到了節(jié)能效果。原先的手動操作采用半自動上料、手動送灰、噴灰，每臺設(shè)備每班需要2～3 人才能完成整個施工作業(yè)，智能化雙向攪拌粉噴樁自動化施工采用自動上料、送灰、噴灰的工作方式，每臺設(shè)備每班只需1 人即可完成全部施工操作。自動化施工降低了人工成本，同時也降低了勞動強度。另外，水泥材料的回收利用，也在一定程度上降低了工程造價。

5 結(jié)論

智能化雙向攪拌粉噴樁的單樁承載力特征值和單樁復(fù)合地基承載力特征值分別為100 kN 和180 kN，均滿足設(shè)計要求。智能化施工控制技術(shù)可顯著提高雙向攪拌粉噴樁的施工效率和施工質(zhì)量，降低工程造價，減小環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。