0 引言

　　水泥土搅拌桩是软土地区最常用的地基处理方法之一，能够有效提高地基承载力、减少工后沉降和提高边坡稳定性^[1,2]。然而，由于水泥土搅拌桩大部分施工工序在地下进行，其施工质量的管控一直难以较好解决。水泥土搅拌桩常见的质量问题包括短桩、水泥掺量过少以及桩身强度不均匀^[2,3]。

　　如果采用常规方法对每根桩施工进行旁站监督，需要消耗大量人力、物力和财力。对于诸如高速公路软基处理等项目，在大规模施工的情况下，无实际操作意义。目前，保证水泥土搅拌桩施工质量的最重要环节为施工质量检测:采用静载试验、抽芯做无侧限抗压强度检测、现场标准贯入试验等方法，对搅拌桩的施工质量进行评价。从质量管控角度而言，该环节具有两个局限性:(1)属于事后检测，无法及时在施工过程中发现问题;(2)属于样品抽检，抽检频度低，无法全面评价。近年来，随着物联网技术的发展，将物联网技术应用到施工质量管控中已成为研究的热点。程义等^[4]开展了基于物联网技术的搅拌桩施工在线实时监控系统的应用研究。该系统实现了对水泥土搅拌桩施工过程的实时监控，实时掌握每根桩的施工情况，包括浆量、喷浆压力、钻进深度、提升速率等数据。然而，基于所获取的大数据，如何进行科学分析，从而对每根桩的施工质量进行评定，是目前亟待解决的问题。

　　本文以杭州绕城西复线湖州段软基处理工程为依托，开展基于搅拌桩施工远程监测系统的质量评定办法研究。提出了搅拌桩施工质量的关键控制因素，通过对监测数据的回归分析，制定了应用于搅拌桩施工远程监测系统的质量评定办法，可做到每根桩施工质量的快速评价。

　　1 工程概况

　　杭州绕城西复线湖州段项目位于杭嘉湖平原水网地区，全线软基段共计32.5km，主要分布在起点—LK2+300路段以及LK5+800—终点段。其中，起点—LK2+300段软土地层由上到下为粉质黏土(2～3m)、海积淤泥质黏土(2～5m)。LK5+800—终点段软土地层由上到下依次为粉质黏土(1～3m)、淤泥质黏土(2)₃层和(3)₃层(局部分布)。淤泥质黏土埋深变化较大，LK7+800—LK7+250段其厚度为4.1～12.9m。软基主要采用水泥土搅拌桩进行处理，总计近370万延米。搅拌桩设计参数如表1所示。

　　  

　　表1 水泥土搅拌桩设计参数 

　　 

　　 

　　

　　表1 水泥土搅拌桩设计参数

　　由于软基段里程长，软土厚度变化大，施工周期长，如何保证软基施工质量就成为本项目的突出难点。本项目采用基于物联网技术的搅拌桩施工全过程远程监测系统。

　　2 远程监测系统简介

　　CL-M1型软基处理施工在线实时监控系统通过安装在施工设备上的传感器(深度传感器、流量传感器、转速传感器等)同时监测喷浆量、喷浆压力、钻进深度、提升速率等数据，并及时上传到信息化智慧云平台(见图1)。实现了水泥土搅拌桩的全过程跟踪、可反馈和可追溯。

　　

　　图1 软基处理施工在线实时监控系统  

　　 

　　2.1 现场数据采集

　　在设备相应位置安装各类传感器，并进行施工时的数据采集。主要监控项目和所需传感器如表2所示。

　　  

　　表2 现场监测仪器 

　　 

　　 

　　

　　表2 现场监测仪器

　　2.2 远程监控平台

　　在线实时监控系统通过远程监控平台实现现场监测数据(深度、喷浆量、提升速率等)的实时上传，并生成原始记录表和曲线图。施工管理人员可以通过计算机和手机查看现场施工情况。

　　图2完整记录了桩号A9-6-8的现场施工数据。图3和图4分别为监测平台提供的搅拌桩施工过程中时间-深度曲线和时间-流量、速度曲线。通过施工记录可知，桩号A9-6-8水泥土搅拌桩在整个施工过程按照设计要求进行施工:采用“四搅两喷”工艺，共经过4次搅拌，提升时不喷浆，水泥段浆量、钻进和提升速率满足设计要求。同样，管理人员也可以及时发现水泥土搅拌桩施工过程中的问题，如施工时间过短、桩身土量较少、桩体水泥量不均匀、桩长短于设计桩长等，并及时进行整改。

　　

　　图2 施工现场实时数据记录表  

　　 

　　3 施工质量评定办法

　　3.1 评定指标

　　水泥土质量受多种因素影响，如水泥用量、土质、养护时间和混合均匀度、水泥土的养护环境和p H值等。在其他条件一致情况下，水泥土搅拌桩的施工质量主要受施工工艺、水泥用量和搅拌均匀程度的影响^[2,5,6,7]。程义等^[4]通过现场调查，总结了水泥土搅拌桩施工问题，包括钻进速度过快、桩身灰量不达标、叶片搅拌不均匀等问题。

　　

　　图3 水泥土搅拌桩施工过程中时间-深度曲线  

　　 

　　

　　图4 水泥土搅拌桩施工过程中时间-流量、速度曲线  

　　 

　　通过以上分析，将桩的尺寸、强度和均匀性作为施工质量的评定指标。桩的尺寸包括桩径和桩长，可以通过搅拌叶片尺寸和最大钻进深度来判定;桩身强度主要受段灰量的影响^[5];桩身均匀性主要受段灰量和每点搅拌次数影响。表3列出了实时监控系统的监测项目与评定指标的关系。

　　  

　　表3 监测项目与评定指标 

　　 

　　 

　　

　　表3 监测项目与评定指标

　　3.2 强度评分办法

　　桩身强度主要受段灰量(水泥土搅拌桩每米掺入的水泥量)的影响。监测平台提供了水泥浆密度、水灰比、段浆量等相关指标。段灰量可通过以上指标换算，换算公式为:

　　

　　 

　　式中:W_b为段灰量;W_slurry为段浆量;G_slurry为水泥浆密度;a_wb为水灰比。

　　汤怡新^[5]通过对水泥土的无侧限抗压试验，发现水泥土的抗压强度主要取决于水泥用量，并得出如下关系:

　　

　　 

　　式中:q_u为无侧限抗压强度;k为水泥土固化系数;C₀为最低水泥掺量。由式(2)可知，存在一个初始水泥含量，当试样中水泥土含量小于C₀时无固化效果。丁建文等^[7]研究疏浚淤泥的固化时，也得出了类似的关系曲线。此外，几位研究者在对海洋黏土研究时也得到了类似的关系^[8,9]。

　　何开胜^[3]认为水泥土标贯击数基本反映水泥土强度的高低。因此，本办法选取一批经检测搅拌均匀的水泥土搅拌桩，并将监测平台提供的某根桩每段(1m)水泥用量数据与监测得到的标贯击数建立对应关系。段灰量-标贯击数拟合曲线如图5所示。其中，拟合曲线公式如下:

　　

　　 

　　式中:N'为水泥土搅拌桩某段(1m)对应的修正标贯击数;C为该段的段灰量。从拟合公式可知，水泥土的修正标贯击数与强度基本呈线性关系。

　　

　　图5 段灰量与对应的标贯击数关系  

　　 

　　当段灰量大于等于设计要求的55kg/m时(对应水泥土搅拌桩桩径0.5m)，评分为100分。考虑到实际施工情况较为复杂，实际段灰量不小于设计用量的90%(即49.5kg/m)时，均评定为合格，即60分以上。由于段灰量与桩身强度为线性关系，中间值评分按线性内插求得。通过线性关系，求得当段灰量为41.25kg/m时，评分为0。评分如表4所示。

　　  

　　表4 平均灰量指标评分 

　　 

　　 

　　

　　注:中间值评分根据线性插值得到

　　表4 平均灰量指标评分

　　3.3 均匀性评分办法

　　桩身均匀性主要受段灰量和每点搅拌次数影响，段灰量按上一节进行评分。每一点的搅拌次数与施工工艺、搅拌机械以及搅拌机械的下沉(提升)速率、施工时间等因素有关，计算公式如下^[10]:

　　

　　 

　　式中:h为搅拌叶片的宽度(m);β为搅拌叶片与搅拌轴的垂直夹角(°);∑Z为搅拌叶片的总枚数;n为搅拌头的回转数(r/min);v为搅拌头的提升(下钻)速度(m/min)。现场搅拌设备参数如表5所示。搅拌桩施工采用双向搅拌成桩工艺，该工艺采用四搅两喷工序，钻进时喷浆，提升时不喷浆。当搅拌桩设备开始喷出泥浆并与周围土搅拌时，即可计入总的搅拌次数。

　　  

　　表5 搅拌设备参数  

　　 

　　 

　　

　　表5 搅拌设备参数

　　Terashi等^[11]研究发现，当搅拌时间较短时，水泥土的无侧限抗压强度增长较快;而搅拌时间达到某一值时，水泥土强度增长缓慢。水泥土搅拌较为充分后，继续搅拌对其强度的增长效果不明显。设计要求加固深度范围内土体中任何一点均应搅拌20次以上。本文通过建立水泥土搅拌桩每段平均一点搅拌次数与归一化标贯击数的关系，分析搅拌次数的影响。归一化标贯击数指在同一灰量下每点搅拌次数对应的标贯击数与每点搅拌次数20次时的标贯击数的比值。由图6可知，归一化标贯击数前期增加较快，而后增长速率逐渐变缓。采用ax/(b+cx)函数形式拟合，能得到较好的拟合效果。根据拟合函数制订平均每一点搅拌次数评分表(见表6)。

　　

　　图6 搅拌次数与对应的归一化标贯击数的关系  

　　 

　　  

　　表6 每一点搅拌次数评分  下载原图

　　 

　　 

　　

　　注:中间值评分根据线性插值得到

　　表6 每一点搅拌次数评分

　　3.4 桩长评分办法

　　桩长采用监测系统测得的钻进深度进行评价。由于桩长这一要素的重要性，评定办法在评定水泥土搅拌桩施工质量时应首先考虑桩长，即认为某根桩桩长没达到设计桩长要求时，直接认定该桩不合格。如果该桩桩长达到设计桩长要求(允许偏差±0.5m)，再进一步对其他评分指标记分。

　　3.5 评定标准建立

　　3.5.1 评分标准

　　1)当桩长没达到设计桩长要求时，即判定该桩不合格。

　　2)当桩长达到要求时，计算每层(建议分层厚度为1m)段灰量和每层平均一点搅拌总次数，按表4和表6得到每层段灰量和每层平均一点搅拌次数得分。

　　3)段灰量和每层平均一点搅拌次数指标在中间值时，采取线性插值法记分。

　　3.5.2 计分办法

　　1)桩长合格时，水泥土搅拌桩每层按照段灰量和平均一点搅拌总次数两指标计分，段灰量占权重的60%，每层平均一点搅拌总次数按权重的40%。

　　2)将各层得分总和除以各层总厚度(取整数)即可得到该桩的综合评分。

　　3)段灰量指标和每一点搅拌次数指标其中任意一项评分不合格，该桩即为不合格。

　　3.5.3 总体评定

　　各监测桩根据综合得分按以下标准分为四级:80～100为优，70～79为良，60～69为合格，<60为不合格。

　　4 评定办法实施情况

　　4.1 案例分析

　　选取杭州二绕联络一标K7+425—K7+450段桩号为A9-28-8的搅拌桩和K9+316—K9+340段桩号为A31-14-3的搅拌桩，采用本文提出的施工质量评定办法进行评价。

　　桩号为A9-28-8的搅拌桩，设计深度为20m，实际总桩长为20.17m，桩长满足要求。按1m作为分层厚度，计算每层段灰量和每层平均一点搅拌次数得分，并计算综合得分。该搅拌桩监测等级判别为优，具体评分如表7所示。该桩对应检测结果也判别为良(根据计分结果结合现场工况综合评定)。

　　A31-14-3的搅拌桩，设计深度为20m，实际总桩长为18.08m，桩长不满足要求，具体评分如表8所示。其时间-深度曲线以及时间-流量、速度曲线如图7,8所示。按评定标准进行评分，监测等级判定为不合格，具体评分如表8所示。该桩对应检测结果也判别为不合格。

　　4.2 综合评定结果

　　采用建立的施工质量评定办法对杭州绕城西复线湖州段项目试验段的水泥土搅拌桩施工质量进行评定，并与检测结果进行对比分析。图9为水泥土搅拌桩施工质量评定结果与检测结果对比直方图。结果表明本文制订的施工质量评定办法能较好地反映搅拌桩的施工质量，为搅拌桩施工质量管控提供了有利工具。

　　  

　　表7 段桩号A9-28-8的搅拌桩计分 

　　 

　　 

　　

　　表7 段桩号A9-28-8的搅拌桩计分

　　  

　　表8 段桩号A31-14-3的搅拌桩计分 

　　 

　　 

　　

　　表8 段桩号A31-14-3的搅拌桩计分

　　

　　图7 水泥土搅拌桩施工过程中时间-深度曲线  

　　 

　　5 结语

　　本文以杭州绕城西复线湖州段软基处理工程为依托，开展基于搅拌桩施工远程监测系统的质量评定办法研究。以段灰量、搅拌次数和桩长3个指标建立了搅拌桩施工质量评定办法，并通过现场数据回归分析，制定了相应评判标准。通过与检测结果的对比分析，验证了该办法的可靠性。

　　

　　图8 水泥土搅拌桩施工过程中时间-流量、速度曲线  

　　 

　　

　　图9 水泥土搅拌桩施工质量评定结果与检测结果对比直方图