一种固化土桩施工质量控制装置及其施工方法与流程

本发明属于地基处理及深基坑支护技术领域，具体涉及一种固化土桩施工质量控制装置及其施工方法。

背景技术：

在软弱地基中拌入水泥或石灰固化剂，使之固化成具有一定强度的固化土是地基处理及深基坑支护的重要方法之一；主要施工工艺有深层搅拌法、高压喷射法以及灌浆法。目前最常用的形式是固化土在地基中形成柱状的桩体形式(如水泥搅拌桩、高压旋喷桩)，作为复合地基起承担上部荷载的作用。然而，目前水泥搅拌桩或高压旋喷桩普遍存在上下搅拌或喷射不充分、不均匀的问题，导致固化土桩身强度低且不均匀，部分固化土实际强度值仅0.3mpa左右，远远低于3～4mpa的设计值；现有水泥搅拌桩机械喷浆能力为0.6～0.8mpa，部分水泥搅拌桩机械喷浆能力弱、仅为0.5mpa。传统水泥搅拌桩或高压旋喷桩在施工过程中土层上部和下部喷射压力一样，下部土层由于约束大、导致喷浆影响范围有限，上部土层由于约束小、导致浆液冒出浪费且影响环境；此外，在硬土层钻进速度慢、喷浆量多，在软弱土层钻进速度快、喷浆量反而少的问题，这不符合地基加固需求，也更造成桩身搅拌不均、强度差异大的问题。

针对桩身固化土强度不高、固化剂与土体搅拌不均匀的问题，“一种护筒式水泥土搅拌桩的成桩操作方法”(专利号：zl201611014698.8)公开了一种先在地基土层中设置护筒、再在护筒内施工传统水泥搅拌桩，以确保水泥浆液在护筒内与土体搅拌，提高桩身固化土均匀程度和强度，避免固化剂浆液的扩散和流逝；该方法节省了水泥浆液材料、提高了桩身强度，但是传统水泥搅拌桩施工工艺与土体在上下土层中搅合不均匀的问题尚未有效克服。“基于物联网技术的搅拌桩施工质量自适应监控系统”(申请号：201810827324.0)公开了一种在水泥搅拌桩的桩机上加装传感器和自适应监控系统，通过计算机实时修正施工参数，控制喷浆量符合设计要求的施工方法；不同土层固化所需的喷浆量是土体固化施工的最重要环节之一，然而该方法仅以地勘报告中的土层分布为施工依据，实际成桩处的土层分布情况可能与地勘报告存在一定区别。针对固化土桩施工的隐蔽性和土层分布的不确定性，“劲性复合桩智能施工系统”(专利号：zl201710095673.3)公开了一种在水泥搅拌桩钻杆或钻头上设置静力触探头、取土装置，通过分析静力触探结果、取土结果和电机电流，及时掌握土层信息和成桩情况，通过云平台智能调节转速、喷浆压力施工参数的方法；但是静力触探头位于钻杆下端且紧靠喷浆口，易被浆液包裹而影响其测量的准确性，一定程度上影响了桩身强度。

技术实现要素：

本发明提供了一种，解决了桩身固化土强度不高、固化剂与土体拌合不均匀的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种固化土桩施工质量控制装置的施工方法，包括以下步骤：

s1、三通一平、测量放样，将桩机桩架移动到指定位置并对中、安装护筒；

s2、启动桩机，护筒在动力头作用下切削钻进；静力触探测量分析仪无线接收护筒底部静力触探头的测量数据，并将所述测量数据通过无线传输至变频控制主机的控制模块；

s3、控制模块向桩机的动力头发出指令，在动力头作用下钻杆和护筒下沉；施工中，变频控制主机根据土层变化、固化土桩截面压力和固化土桩截面温度的检测情况，向动力头和流量控制器发送调节指令，实时自动调节钻杆的下沉速度、搅拌或旋喷速度、喷浆量，以满足相应土层的施工要求；

s4、变频控制主机，根据护筒内壁压力传感器与温度传感器读取的数据，判断是否需要重复喷浆或搅拌下沉至相应深度，若需要则返回步骤s3，若不需要则将钻杆提升至预定的停浆面，直至形成拌合均匀、强度高的固化土；

s5、在所述固化土初凝前拔出护筒，关闭桩机，完成一根固化土桩施工。

进一步地，所述步骤s3中，固化土桩截面压力均匀性监测：当喷浆量满足设计要求后，变频控制主机的分析模块根据护筒内径、喷浆量、浆液密度计算理论压力增加量，当所述的理论压力增加量与护筒内壁压力传感器读取的压力差的比值大于1.2～1.5时，分析模块判定固化土桩为局部截面过小，控制模块向桩机动力头和流量控制器发送指令，自动调节钻杆的下沉速度、搅拌或旋喷速度、喷浆量，直至满足相应要求。

进一步地，所述钻杆下沉至相应深度后，关闭动力头，持续拌合1～2min。

进一步地，所述步骤s3中，固化土桩截面温度均匀性监测：水泥水化作用放热引起固化土温度升高，变频控制主机的监测模块和分析模块根据护筒内壁温度传感器读取并分析径向温度的分布情况，当同一深度的最大温度差大于设计要求时，分析模块判定固化土中水泥浆分布不均匀，控制模块向动力头发送指令，自动调节钻杆的提升速度、搅拌或旋喷速度，以满足相应要求，直至钻杆提升至预定的停浆面。

进一步地，所述步骤s4中，固化土的抗压强度为5～6mpa。起到了保证承载力满足要求的作用。

进一步地，所述桩机为搅拌桩机或旋喷桩机。

进一步地，所述的固化土由护筒内的原位土与固化剂在搅或喷装置中充分拌合获得，当搅或喷至淤泥质土或软黏土层时，掺入5～10％的砂石子。

一种固化土桩施工质量控制装置，包括桩机，所述桩机包括桩架、动力头、钻杆、钻头、搅拌叶片、固化剂存储器和护筒，所述钻杆与固化剂存储器通过固化剂输送管连接，所述护筒底部设置静力触探头，所述护筒内壁上设置温度传感器和压力传感器；所述固化剂输送管上设置流量控制器和密度传感器；还包括变频控制主机和变频管理云平台，所述变频控制主机用于向动力头和流量控制器发送调节指令，实时自动调节钻杆的下沉或提升速度、搅拌或旋喷速度、喷浆量；所述变频管理云平台用于查看和控制所述变频控制主机；所述变频控制主机与静力触探测量分析仪、传感器数据记录仪无线连接；所述静力触探测量分析仪用于无线接收静力触探头的测量数据，所述传感器数据记录仪用于无线接收各个传感器的测量数据。

进一步地，所述变频控制主机包括监测模块、分析模块和控制模块；监测模块，监测不同的土层信息、固化土的温度和护筒内壁压力情况；分析模块，根据监测情况分析桩机和护筒的工作数据；控制模块，接收分析模块的分析数据并根据所述分析数据控制钻杆的下沉或上拔速度、搅拌或旋喷速度、喷浆量。

进一步地，所述变频管理云平台为一种信息管理软件，用于实时监控并记录现场的施工参数、进度和变更，且能够实时远程查看和控制变频施工情况。起到了利用该平台进行实时协作、实现降本增效、并提升固化土桩的施工质量的作用。

优选地，根据设计需要在固化土桩中进一步设置加筋体，加筋体材料为土工格栅、土工布、钢筋笼或钢丝网，固化土桩中设置加筋体的具体操作方法为：

(1)将加筋体附挂在护筒的内壁，随护筒贯入钻孔中。

(2)当护筒拔出时，加筋体与护筒脱离、并留在钻孔中，完成加筋体的设置。

更进一步地，根据设计需要在固化土桩中设置换热管，形成基于固化土桩的能量桩施工，具体操作方法为：

(1)在加筋体内壁绑扎换热管。

(2)将带换热管的加筋体附挂在护筒的内壁，随护筒贯入钻孔中。

(3)当护筒拔出时，带换热管的加筋体与护筒脱离、并留在钻孔中，完成换热管的设置。

此外，需要对固化土桩进行取芯检测，检测成桩质量，具体操作方法为：

(1)待固化土桩施工完成后24小时内，在所述固化土桩顶面的任意位置钻孔取芯。

(2)检测芯样强度，并依据公式推算28天龄期的强度，完成成桩质量检测。

本发明所达到的有益效果：搅拌桩机或旋喷桩机的钻杆及护筒在变频控制装置的控制下，根据不同的土层信息、固化土的温度和护筒内壁压力情况，实时自动调整钻杆升降速度、搅拌或旋喷速度、喷浆量，将护筒内的原位土体与固化剂充分拌合均匀，在地基中形成固化土桩。通过变频控制装置自动优化施工参数，确保固化土桩成桩质量。可在复杂地层中，有效保证桩身的上部与下部固化土的拌合均匀程度，有效控制固化土桩的桩身强度和质量，且质量检测便捷。资源就地利用，无渣土环保；施工参数全程监测并自动变频优化，人机交互性强，保证施工质量的同时，也大大提高了便捷性。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明护筒的示意图；

图3为本发明变频控制系统的运行流程图。

图中：1-桩机；2-桩架；3-动力头；4-钻杆；5-护筒；6-钻头；7-搅拌叶片；8-固化剂输送管；9-流量控制器；10-密度传感器；11-固化剂存储器；12-静力触探头；13-温度传感器；14-压力传感器；15-静力触探测量分析仪；16-传感器数据记录仪；17-变频控制主机；18-变频管理云平台；19-监测模块；20-分析模块；21-控制模块。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1～3所示，一种固化土桩施工质量控制装置，包括桩机1，所述桩机1包括桩架2、动力头3、钻杆4、钻头6、搅拌叶片7、固化剂存储器11和护筒5，以上为现有技术。所述钻杆4与固化剂存储器11通过固化剂输送管8连接。护筒5底部设置静力触探头12，护筒5内壁上设置温度传感器13和压力传感器14；所述固化剂输送管8上设置流量控制器9和密度传感器10；还包括变频控制主机17和变频管理云平台18。

本实施例中，护筒5内壁均匀布置2～4列沿深度方向通长的温度传感器13与压力传感器14。固化剂存储器11内存储固化剂，所述固化剂为水泥、石灰或地聚物材料。

变频控制主机17用于向动力头3和流量控制器9发送调节指令，实时自动调节钻杆4。变频管理云平台18用于查看和控制所述变频控制主机17。所述变频控制主机17与静力触探测量分析仪15、传感器数据记录仪16通过无线连接。静力触探测量分析仪15用于无线接收静力触探头12的测量数据；传感器数据记录仪16用于无线接收各个传感器的测量数据。

变频控制主机17包括监测模块19、分析模块20和控制模块21。监测模块19，用于监测不同的土层信息、固化土的压力和温度情况；分析模块20，根据监测情况分析桩机1和护筒5的工作数据；控制模块21接收分析模块20的分析数据，并根据所述分析数据控制钻杆4的下沉速度、搅拌或旋喷速度、喷浆量。

本实施例中，变频管理云平台18为一种固化土桩施工质量变频控制的信息管理软件，用于实时监控并记录现场的施工参数、进度和变更，施工人员能够实时远程查看并控制变频施工情况。业主、施工和监理各方可利用该平台进行实时协作，实现降本增效，并提升固化土桩的施工质量。

实施例1、

本实施例提供一种固化土桩施工质量控制装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、三通一平、测量放样，桩机1、固化剂12、变频控制主机17及变频管理云平台18就位。桩架2移动到指定位置并对中，安装护筒5。本实施例中，桩机1为水泥搅拌桩机。

步骤二、启动水泥搅拌桩机，护筒5在动力头3作用下切削钻进，静力触探测量分析仪15无线接收护筒5底部静力触探头12的测量数据，静力触探测量分析仪15结合地勘报告判断土层性质，静力触探测量分析仪15将所述测量数据通过无线传输至变频控制主机17的控制模块21。

步骤三、控制模块21向桩机1的动力头3发出指令，在动力头3作用下钻杆4和护筒5下沉。施工中，变频控制主机17根据土层变化，向动力头3和流量控制器9发送调节指令，实时自动调节钻杆4的下沉速度、搅拌速度、喷浆量，以满足相应土层的施工要求。

步骤四、固化土桩截面压力均匀性监测，当喷浆量满足设计要求后，变频控制主机17的分析模块20根据护筒5内径、喷浆量、浆液密度计算理论压力增加量，当所述的理论压力增加量与护筒内壁压力传感器14读取的压力差的比值大于1.2～1.5时，分析模块20判定固化土桩为局部截面过小，控制模块21向动力头3和流量控制器9发送指令，自动调节钻杆4的下沉速度、搅拌速度和喷浆量，直至满足相应要求。钻杆4搅下沉至相应深度后，关闭动力头3，持续拌合1分钟。

固化土桩截面温度均匀性监测，水泥水化放热引起固化土温度升高，变频控制主机17的监测模块19和分析模块20根据护筒5内壁温度传感器13读取并分析径向温度的分布情况，当同一深度的最大温度差大于设计要求时，分析模块20判定固化土中水泥浆分布不均匀，控制模块21向动力头3发送指令，自动调节钻杆4的提升速度、搅拌速度，以满足相应要求，直至钻杆4提升至预定的停浆面。

步骤五、变频控制主机17根据护筒5内壁压力传感器14与温度传感器13读取的固化土桩拌合的均匀程度，判断是否需要重复喷浆或仅搅拌下沉至相应深度，若不需要则将钻杆提升至预定的停浆面，直至形成均匀性好、强度高的固化土。本实施例中，固化土抗压强度达5mpa，保证承载力满足要求。

步骤六、在固化土初凝前拔出护筒5，关闭水泥搅拌桩机，一根固化土桩施工完成，移位至下一根桩。

上述施工流程均可通过变频管理云平台18实现实时远程查看和控制。

实施例2、

本实施例提供一种固化土桩施工质量控制装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、三通一平、测量放样，桩机1、固化剂12、变频控制主机17及变频管理云平台18就位。桩架2移动到指定位置并对中，安装护筒5。本实施例中，桩机1为旋喷桩机。

步骤二、启动旋喷桩机，护筒5在动力头3作用下切削钻进，静力触探测量分析仪15无线接收护筒5底部静力触探头12的测量数据，静力触探测量分析仪15结合地勘报告判断土层性质，静力触探测量分析仪15将所述测量数据通过无线传输至变频控制主机17的控制模块21。

步骤三、控制模块21向桩机1的动力头3发出指令，在动力头3作用下钻杆4和护筒5下沉。施工中，变频控制主机17根据土层变化，向动力头3和流量控制器9发送调节指令，实时自动调节钻杆4的下沉速度、旋喷速度和喷浆量，以满足相应土层的施工要求。

步骤四、固化土桩截面压力均匀性监测，当喷浆量满足设计要求后，变频控制主机17的分析模块20根据护筒5内径、喷浆量、浆液密度计算理论压力增加量，当所述的理论压力增加量与护筒内壁压力传感器14读取的压力差的比值大于1.2～1.5时，分析模块20判定固化土桩为局部截面过小，控制模块21向动力头3和流量控制器9发送指令，自动调节钻杆4的下沉速度、旋喷速度和喷浆量，直至满足相应要求。钻杆4搅下沉至相应深度后，关闭动力头3，持续拌合2分钟。

固化土桩截面温度均匀性监测，水泥水化放热引起固化土温度升高，变频控制主机17的监测模块19和分析模块20根据护筒5内壁温度传感器13读取并分析径向温度的分布情况，当同一深度的最大温度差大于设计要求时，分析模块20判定固化土中水泥浆分布不均匀，控制模块21向动力头3发送指令，自动调节钻杆4的提升速度、旋喷速度，以满足相应要求，直至钻杆4提升至预定的停浆面。

步骤五、变频控制主机17根据护筒5内壁压力传感器14与温度传感器13读取的固化土桩拌合的均匀程度，判断是否需要重复仅喷浆或搅拌下沉至相应深度，若不需要则将钻杆提升至预定的停浆面，直至形成均匀的固化土。本实施例中，固化土抗压强度达6mpa，保证承载力满足要求。

步骤六、在固化土初凝前拔出护筒5，关闭旋喷桩机，一根固化土桩施工完成，移位至下一根桩。

上述施工流程均可通过变频管理云平台18实现实时远程查看和控制。

实施例3、

步骤一、三通一平、测量放样，桩机1、固化剂12、变频控制主机17及变频管理云平台18就位。桩架2移动到指定位置并对中，安装护筒5。

步骤二、启动桩机，护筒5在动力头3作用下切削钻进，静力触探测量分析仪15无线接收护筒5底部静力触探头12的测量数据，静力触探测量分析仪15结合地勘报告判断土层性质，静力触探测量分析仪15将所述测量数据通过无线传输至变频控制主机17的控制模块21。

步骤三、控制模块21向桩机1的动力头3发出指令，在动力头3作用下钻杆4和护筒5下沉。施工中，变频控制主机17根据土层变化，向动力头3和流量控制器9发送调节指令，实时自动调节钻杆4的下沉速度、搅拌或旋喷速度和喷浆量，以满足相应土层的施工要求。

步骤四、固化土桩截面压力均匀性监测，当喷浆量满足设计要求后，变频控制主机17的分析模块20根据护筒5内径、喷浆量、浆液密度计算理论压力增加量，当所述的理论压力增加量与护筒内壁压力传感器14读取的压力差的比值大于1.2～1.5时，分析模块20判定固化土桩为局部截面过小，控制模块21向动力头3和流量控制器9发送指令，自动调节钻杆4的下沉速度、搅拌或旋喷速度和喷浆量，直至满足相应要求。钻杆4搅下沉至相应深度后，关闭动力头3，持续拌合1分钟。

固化土桩截面温度均匀性监测，水泥水化放热引起固化土温度升高，变频控制主机17的监测模块19和分析模块20根据护筒5内壁温度传感器13读取并分析径向温度的分布情况，当同一深度的最大温度差大于设计要求时，分析模块20判定固化土中水泥浆分布不均匀，控制模块21向动力头3发送指令，自动调节钻杆4的提升速度、搅拌或旋喷速度，以满足相应要求，直至钻杆4提升至预定的停浆面。

步骤五、变频控制主机17根据护筒5内壁压力传感器14与温度传感器13读取的固化土桩拌合的均匀程度，判断是否需要重复喷浆或搅拌下沉至相应深度，若不需要则将钻杆提升至预定的停浆面，直至形成均匀的固化土。本实施例中，固化土抗压强度达5～6mpa，保证承载力满足要求。

所述的固化土，由护筒内的原位土与固化剂在搅或喷装置中充分拌合获得，当搅或喷至淤泥质土或软黏土层时，掺入5～10％的砂石子或破碎后的建筑垃圾。

步骤六、在固化土初凝前拔出护筒5，关闭桩机1，一根固化土桩施工完成，移位至下一根桩。

上述施工流程均可通过变频管理云平台18实现实时远程查看和控制。

特别地，根据设计需要在固化土桩中进一步设置加筋体，加筋体材料为土工格栅、土工布、钢筋笼或钢丝网，固化土桩中设置加筋体的具体操作方法为：

(1)将加筋体附挂在护筒的内壁，随护筒贯入钻孔中。

(2)当护筒5拔出时，加筋体与护筒5脱离、并留在钻孔中，完成加筋体的设置。

更进一步地，根据设计需要在固化土桩中设置换热管，形成基于固化土桩的能量桩施工。

具体操作方法为：

(1)在加筋体内壁绑扎换热管。

(2)将带换热管的加筋体附挂在护筒5的内壁，随护筒5贯入钻孔中。

(3)当护筒5拔出时，带换热管的加筋体与护筒5脱离、并留在钻孔中，完成换热管的设置。

此外，需要对固化土桩进行取芯检测，检测成桩质量。具体操作方法为：

(1)待固化土桩施工完成后24小时内，在所述固化土桩顶面的任意位置钻孔取芯。

(2)检测芯样强度，并依据公式推算28天龄期的强度，完成成桩质量检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。