CN109914400A - 一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置及其使用方法，装置包括：送浆泵、三通接头、变频水泵、送浆软管、水泥土搅拌桩机、监控主机、桩机控制机柜和电流传感器；方法包括如下步骤：使用前需根据施工场地地勘资料和当地施工经验分析总结电流与土层对应关系，确定各土层达到设计强度所需水泥掺量，并输入电流分析程序；经试桩调试确认装置可正常运行后，即可启动桩机施工；施工时，装置一直保持开机状态，直到施工结束时关闭。本发明根据实际土层软硬程度调整水泥浆的浓度，使其在软弱土层喷射浓度较大的水泥浆，在坚硬土层喷射浓度较低的水泥浆，提高软弱土层水泥土强度和坚硬土层施工效率，提高水泥土搅拌桩复合地基应用效果。

Description

一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置及其使用方法。

背景技术

水泥土搅拌桩技术是国内外广泛应用的软土地基加固方法，其原理是通过特制的深层搅拌机械边钻进边往土层中喷射浆液，并就地将软土和固化剂强制搅拌，通过固化剂和软土之间一系列物理–化学作用，形成强度较高、整体性、水稳性好的水泥土柱体。工程实践中，所需处理场地的土层大多成层分布，土层软硬不均。软弱土层通常具有高含水率，要达到加固的目的，需要较多的水泥浆量；而在坚硬土层中施工时，由于其含水量低，施工时常出现卡钻、钻头无法下钻、冒浆等不良现象，相应的处理方法除调整内、外钻杆钻速外，还应提高喷浆压力，此时水泥浆不再起补强作用，而是润滑作用，其中的水起到钻头降温、软化硬土层的作用。因此，在软弱土层所喷水泥浆，在保证其流动性的前提下应尽可能降低其水灰比，即提高水泥浆浓度，降低水泥浆中的水量，以充分利用软弱土层中的水进行水泥水化反应，提高水泥土强度；而在坚硬土层应尽可能提高水泥浆的水灰比，即降低水泥浆浓度，提高水泥浆中的水量，以提高水的降温、软化效果，且浓度较低的水泥浆粘滞度低，输送时可获得较高的出浆压力，更有助于在硬土层顺利下钻，同时减少不必要的水泥浪费。

目前使用的水泥土搅拌桩完全依靠人工控制施工，操作人员在桩机上无法感知土层的软硬程度变化，桩机下钻时无法判别土层软硬程度的实际情况。此外，水泥土搅拌桩施工所用水泥浆按照设计要求的水灰比分批拌制，操作人员即使通过施工经验、电流表等判断出土层变化，也无法立即对水泥浆浓度做出调整。因而水泥土搅拌桩施工时常出现软弱土层水泥土强度无法保证，硬土层下钻不畅、水泥浪费严重等现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置及其使用方法，能够根据实际土层软硬程度调整水泥浆的浓度，使其在软弱土层喷射浓度较大的水泥浆，在坚硬土层喷射浓度较低的水泥浆，提高软弱土层水泥土强度和坚硬土层施工效率，提高水泥土搅拌桩复合地基应用效果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置，包括：送浆泵1、三通接头2、变频水泵3、送浆软管4、水泥土搅拌桩机5、监控主机6、桩机控制机柜7和电流传感器12；电流传感器12安装在水泥土搅拌桩机5的桩机控制机柜7内，采集内、外钻杆电流值并通过数据线传输至监控主机6，监控主机6核心为工业级计算机，安装在水泥土搅拌桩机5上，与变频水泵3通过电信网络连接，送浆泵1与变频水泵3设置于制浆站，变频水泵3接收到监控主机6的调整指令后立即调整喷水量，与送浆泵1所喷水泥浓浆在三通接头2处混合均匀后，通过送浆软管4输送至水泥土搅拌桩机5，实现根据实际土层条件调整水泥浆浓度。

优选的，送浆泵1泵送的水泥浆水灰比为0.7，浓度较高且保持不变，只应用于场地软弱土层。

优选的，监控主机6安装电流分析程序，分析电流传感器12采集的内、外钻杆电流值及其变化特征，分析得出钻头所在深度处土层软硬程度及该土层达到设计强度所需水泥掺量和水泥浆水灰比，发送喷水速度调整指令至变频水泵3。

优选的，监控主机6安装电流分析程序，分析电流传感器12采集的内、外钻杆电流值及其变化特征，分析得出钻头所在深度处土层软硬程度及该土层达到设计强度所需水泥掺量和水泥浆水灰比，发送喷水速度调整指令至变频水泵3具体为：施工时，钻杆下钻速度为v₁，送浆泵喷浆速度为v₂，所泵浓水泥浆水灰比为n，密度为ρ_c，变频送水泵实际泵水速度为v₃，密度为ρ_w，各土层设定的水灰比为n_实，其中，v₁、v₂和n是定值，施工过程中，监控主机6根据电流传感器12采集的内、外钻杆电流值判别土层及其对应的水灰比，并计算变频水泵3所需调整的喷水速度v₃，计算过程如下式(1)～(4)所示：

实际泵送水泥质量m_c：

实际泵送水的质量m_w：

则经三通接头2混合泵送至桩机的水泥浆水灰比n_实为：

n_实＝m_w/m_c (3)

将式(1)和(2)代入式(3)得变频水泵实时的喷水速度v₃：

优选的，三通接头2在接头中部为圆柱形腔室，横截面半径5cm，长15cm，水泥浆和水在泵送压力的作用下，在此腔室内迅速混合均匀后输出至送浆软管4。

相应的，一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)使用前需根据施工场地地勘资料和当地施工经验分析总结电流与土层对应关系，确定各土层达到设计强度所需水泥掺量，并输入电流分析程序；

(2)经试桩调试确认水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置可正常运行后，即可启动桩机施工；施工时，水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置一直保持开机状态，直到施工结束时方可关闭。

本发明的有益效果为：(1)根据实际土层软硬程度调节水泥浆浓度，较当前水泥土搅拌桩施工，进一步提高软弱土层水泥土强度，保证在坚硬土层顺利下钻施工，提高水泥土搅拌桩复合地基应用效果；(2)合理利用水泥，减少水泥浪费，提高施工效率，降低工程造价。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明所使用的三通接头示意图。

其中，1、送浆泵；2、三通接头；3、变频水泵；4、送浆软管；5、水泥土搅拌桩机；6、监控主机；7、桩机控制机柜；8、进浆口；9、进水口；10、出浆口；11、水泥浆与水混合腔室；12、电流传感器。

具体实施方式

一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置及其使用方法，包括电流传感器、监控主机、送浆泵、变频水泵和三通接头。监控主机根据内、外钻杆电流值分析钻头所在土层的实际情况，计算该土层所需水泥掺量及对应需要添加的水量，并发送喷水指令至变频水泵，实现根据实际土层情况实时调控水泥浆浓度。

本发明为实现实时调控水泥浆浓度，提出一种水泥土搅拌桩水泥浆实时调控装置及其使用方法。该系统在制浆站处与送浆泵并列设置一个变频水泵，送浆泵输送的水泥浓浆和变频水泵输送的水在一个三通接头处混合均匀后进入送浆管，输送至水泥土搅拌桩机。

所使用的监控主机为工业级计算机，安装在水泥土搅拌桩机上，与内、外钻杆电流传感器通过数据线连接，与变频送浆泵和变频送水泵通过电信网络连接。

所使用的电流分析程序，在施工前根据地勘资料及当地施工经验分析编写。下钻时，监控主机根据电流传感器采集的内、外钻杆电流值判别搅拌钻头所在土层的软硬程度，计算得出此土层所需水泥浆浓度及对应的喷水量，并发送喷水指令至变频送浆泵和变频送水泵，实现水泥浆浓度的实时调整。

所使用的三通接头在接头中部为圆柱形腔室，水泥浆和水在泵送压力的作用下，在此腔室内迅速混合均匀后进入送浆软管。

实施例1：

如图1所示，一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置包括电流传感器、监控主机6、送浆泵1、变频水泵3和三通接头2，电流传感器安装在桩机控制电柜7内。使用前，根据施工场地地勘资料和当地施工经验调整监控主机内原有的电流分析程序，经试桩调试确认可正常运行后，即可开始水泥土搅拌桩施工。施工时，电流传感器采集桩机内、外钻杆电流值并传输至监控主机，监控主机分析电流值大小及变化特征，得出钻头所在深度处土层软硬程度，计算该土层达到设计强度所需水泥掺量，由此确定所喷水泥浆水灰比，发送调整指令至变频水泵。变频水泵按照接收到的喷水指令喷水，稀释送浆泵泵送的用于软弱土层的高浓度水泥浆。水与水泥浆在三通接头处混合均匀后由送浆软管输送到水泥土搅拌桩机，喷入土层中搅拌均匀后形成水泥土。

整个施工过程中未出现无法下钻伴随冒浆的现象，经检测，所施工水泥土搅拌桩强度完全符合设计要求，且水泥用量有所下降。

实施例2：

某城市道路地基处理工程，设计采用双向水泥土搅拌桩进行加固，设计桩长为12m，桩径600mm，桩间距1.5m，复合地基承载力特征值为85kPa。地勘资料显示场地土层自上而下为：②-1层：淤泥，层厚2.2～3.5m；③-1层：粘土，层厚3.5～4.8m；④-1层：淤泥，层厚约3.0m；④-2b层：粘土，层厚2.0～3.0m。上述四个土层的天然地基承载力特征值分别为40kPa、120kPa、40kPa和130kPa。

对现场的双向水泥土搅拌桩机加装水泥浆浓度实时调控装置，根据地勘资料编制电流分析程序，安装在监控主机6内，经试桩调试确认无误后开始施工。施工时，钻杆下钻速度为v₁，送浆泵喷浆速度为v₂，所泵浓水泥浆水灰比为n，密度为ρ_c，变频送水泵实际泵水速度为v₃，密度为ρ_w，各土层设定的水灰比为n_实。其中，v₁、v₂和n是定值，施工过程中，监控主机6根据电流传感器12采集的内、外钻杆电流值判别土层及其对应的水灰比，并计算变频水泵3所需调整的喷水速度v₃，计算过程如下式1～4所示：

实际泵送水泥质量m_c：

实际泵送水的质量m_w：

则经三通接头2混合泵送至桩机的水泥浆水灰比n_实为：

n_实＝m_w/m_c (3)

将式(1)和(2)代入式(3)得变频水泵实时的喷水速度v₃：

实施例3：

如图2所示，三通接头2在接头中部为圆柱形腔室，横截面半径5cm，长15cm，水泥浆和水分别从进浆口8和进水口9进入三通接头，并在泵送压力的作用下，在水泥浆与水混合腔室11内迅速混合均匀后，从出浆口10喷出三通接头2，经由送浆软管4输送至水泥土搅拌桩机5。

本发明的目的是提供一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置及其使用方法，以根据钻头所在深度实际土层软硬程度实时调整水泥浆浓度，保证在软弱土层最大限度利用土层中的水，提高软弱土层水泥土强度；在坚硬土层则降低水泥浆浓度，主要利用水泥浆的润滑作用以及水的降低钻头温度、浸泡软化硬土层的作用，保证钻头顺利下钻，避免下钻受阻、伴随冒浆的现象，提高施工效率。

本发明的意义在于，根据实际土层软硬程度调节水泥浆浓度，较当前水泥土搅拌桩施工，进一步提高软弱土层水泥土强度，保证在坚硬土层顺利下钻施工，提高水泥土搅拌桩复合地基处理效果，且合理利用水泥，减少水泥浪费，提高施工效率，降低工程造价。

Claims (6)

1.一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置，其特征在于，包括：送浆泵(1)、三通接头(2)、变频水泵(3)、送浆软管(4)、水泥土搅拌桩机(5)、监控主机(6)、桩机控制机柜(7)和电流传感器(12)；电流传感器(12)安装在水泥土搅拌桩机(5)的桩机控制机柜(7)内，采集内、外钻杆电流值并通过数据线传输至监控主机(6)，监控主机(6)核心为工业级计算机，安装在水泥土搅拌桩机(5)上，与变频水泵(3)通过电信网络连接，送浆泵(1)与变频水泵(3)设置于制浆站，变频水泵(3)接收到监控主机(6)的调整指令后立即调整喷水量，与送浆泵(1)所喷水泥浓浆在三通接头(2)处混合均匀后，通过送浆软管(4)输送至水泥土搅拌桩机(5)，实现根据实际土层条件调整水泥浆浓度。

2.如权利要求1所述的水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置，其特征在于，送浆泵(1)泵送的水泥浆水灰比为0.7，浓度较高且保持不变。

3.如权利要求1所述的水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置，其特征在于，监控主机(6)安装电流分析程序，分析电流传感器(12)采集的内、外钻杆电流值及其变化特征，分析得出钻头所在深度处土层软硬程度及该土层达到设计强度所需水泥掺量和水泥浆水灰比，发送喷水速度调整指令至变频水泵(3)。

4.如权利要求3所述的水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置，其特征在于，监控主机(6)安装电流分析程序，分析电流传感器(12)采集的内、外钻杆电流值及其变化特征，分析得出钻头所在深度处土层软硬程度及该土层达到设计强度所需水泥掺量和水泥浆水灰比，发送喷水速度调整指令至变频水泵(3)具体为：施工时，钻杆下钻速度为v₁，送浆泵喷浆速度为v₂，所泵浓水泥浆水灰比为n，密度为ρ_c，变频送水泵实际泵水速度为v₃，密度为ρ_w，各土层设定的水灰比为n_实，其中，v₁、v₂和n是定值，施工过程中，监控主机(6)根据电流传感器(12)采集的内、外钻杆电流值判别土层及其对应的水灰比，并计算变频水泵(3)所需调整的喷水速度v₃，计算过程如下式(1)～(4)所示：

实际泵送水泥质量m_c：

实际泵送水的质量m_w：

则经三通接头2混合泵送至桩机的水泥浆水灰比n_实为：

n_实＝m_w/m_c (3)

将式(1)和(2)代入式(3)得变频水泵实时的喷水速度v₃：

5.如权利要求1所述的水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置，其特征在于，三通接头(2)在接头中部为圆柱形腔室，横截面半径5cm，长15cm，水泥浆和水在泵送压力的作用下，在此腔室内迅速混合均匀后输出至送浆软管(4)。

6.一种水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使用前需根据施工场地地勘资料和当地施工经验分析总结电流与土层对应关系，确定各土层达到设计强度所需水泥掺量，并输入电流分析程序；

(2)经试桩调试确认水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置可正常运行后，即可启动桩机施工；施工时，水泥土搅拌桩水泥浆浓度实时调控装置一直保持开机状态，直到施工结束时方可关闭。