CN112900425A - 一种水泥土搅拌桩智能化操作方法 - Google Patents

Abstract

一种水泥土搅拌桩智能化操作方法，首先通过静力触探法确定施工工地持力层深度，按确定的持力层的顶面高程和底面高程，最终给出准确的施工桩长，其中搅拌桩进入持力层的深度为0.5‑1.0m；然后确定搅拌桩机钻头进入持力层深度控制参数：最后将确认的进入持力层的电流值和拉力值，超过额定电流的拉力和电流极限值作为自动控制施工桩长参数，输入到智能化控制的程序中，进行水泥土搅拌桩智能化钻进施工。本发明主要是将双向搅拌、智能化操作、远程监控及管理技术应用到水泥土搅拌桩施工中，使其施工质量大幅度提高，降低工程造价。对现场施工控制参数进行实时监控，并可对违规操作和特殊情况进行远程操控。

Description

一种水泥土搅拌桩智能化操作方法

技术领域

本发明涉及一种软基处理技术，特别是一种水泥土搅拌桩智能化操作方法。

背景技术

我国沿海、江河流域经常分布软土地基，在荷载、循环、车辆等动力作用下，地基沉降是地基失效的主要形式，常导致高速公路、铁路、机场、码头的质量问题。处理软土地基的各种方法中应用最多的方法是选用复合地基，在复合地基的加固方法中，特别是在交通工程中的软土地基处理中，经常选用的是采用水泥土搅拌桩技术来加固地基。工程实践表明，水泥土搅拌桩法具有施工简单，快速，扰动小等优点，能有效地提高软土地基的稳定性，减少和控制沉降量。水泥土搅拌桩现已发展成一种常用的软土地基处理方法，根据土质含水量的不同，选择的加固料不同。这种方法是利用水泥粉、水泥浆或水泥砂浆等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械即搅拌的方式，在地基深处，就地将软土和加固料强制搅拌，由加固料和软土间产生一系列的物理和化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土搅拌桩。这种水泥土搅拌桩与桩周土一起组成复合地基，从而提高地基承载力，减少地基沉降。

通过大量工程实践，发现水泥土搅拌桩在软土地基处理中存在以下一些问题：

1、施工工艺不先进，存在以下问题：

a、搅拌不均匀，加固料与待加固土体没有得到完全混合，加固料的作用没有充分发挥作用，对水泥土搅拌桩桩体质量产生严重影响；

b、浪费材料。由于搅拌不均匀，在设计时只有加大加固料的用量，一般会增加20％-30％用量，工程造价提高；

c、由于工艺落后，施工过程中，在压力的作用下，加固料会顺着钻杆上冒到地面，造成材料浪费，一般在5％-10％；

d、加固料沿着桩体深度方向分布不均匀，通常表现为桩体上部加固料多，桩体下部加固料少，即桩体上部质量明显好于下部，易造成处理完的地基后期沉降量过多，满足不了设计要求，产生质量隐患；

e、造成施工桩长有局限性，限制了水泥土搅拌桩的应用范围和推广；

f、工艺落后，施工效率低；

2、智能化程度不够，存在以下问题：

a、人为因素多，偷工减料现象严重，经常出现桩长不够和少用加固料，造成严重质量隐患；

b、当地质条件复杂时，无法自动判别施工桩长，如桩长没有达到实际持力层，带来质量隐患，进入实际持力层过多，造成设备损坏；

c、人工操作，污染严重，同时造成材料浪费，一般在1.5％-2.5％；

d、人工操作，易造成加固料在桩体中分布不均匀，甚至出现断桩现象，造成质量隐患；

e、人工操作，配料不精确，无法精准实现设计意图；

f、由于人工操作，因此劳动强度大，用工多，施工成本较大；

3、监管及信息化处理措施不到位，存在以下问题：

a、消耗大量人员进行现场旁站，提高工程造价；

b、无法实时监控施工设备的施工参数；

c、无法对施工过程进行追溯；

d、施工统计不及时，消耗大量人员；

e、无法及时对现场违规操作进行控制和管理；

综上所述，由于在工艺、智能化控制、远程监控和管理方面存在问题，因而对施工质量产生严重影响，制约了水泥土搅拌桩技术的推广和使用；同时也限制了水泥土搅拌桩的应用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种大幅度提高施工质量、降低工程造价的水泥土搅拌桩智能化操作方法。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种水泥土搅拌桩智能化操作方法，其特点是：

(一)首先通过静力触探法确定施工工地持力层深度，按确定的持力层的顶面高程和底面高程，最终给出准确的施工桩长，其中搅拌桩进入持力层的深度为0.5-1.0m；

(二)确定搅拌桩机钻头进入持力层深度控制参数：

通过安装在搅拌桩机钻进和提升传动系统上的深度传感器，安装在上传动装置下侧传动链条上的拉力传感器，安装在电机上的电流传感器，电脑自动记录仪每隔一段距离采集一次驱动钻杆向下的拉力值和钻头钻进时的电流值；

确定搅拌桩机钻头进入持力层顶面高程时传动链条上拉力值及驱动搅拌钻头底部入土的驱动电机电流值，

在进入持力层顶面高程时采集的拉力值及电流值将作为搅拌桩机钻头进入持力层的判断值，超过额定电流且维持10秒时采集的拉力值和电流值作为极限值；

(三)水泥土搅拌桩智能化钻进施工

将确认的进入持力层的电流值和拉力值，超过额定电流的拉力和电流极限值作为自动控制施工桩长参数，输入到智能化控制的程序中，

开启搅拌桩机，启动加压装置，使搅拌钻头入土，按设计用量喷加固料，同时搅拌钻头上的搅拌叶片对加固料和原状土体进行充分的搅拌；

在搅拌钻头钻进时，要通过垂直度传感器采集所显示的数据，保证钻杆的垂直度，偏差控制在1.0％以内；

在搅拌钻头钻进时，钻进速度应控制在0.8-1.2m/min范围之内，并保持匀速；

当搅拌钻头钻进至持力层顶面以上1m时，开始启动自动判别桩长程序，通过安装在传动链条上的拉力传感器及安装在电机上的电流传感器采集的数据达到进入持力层顶面判断值时，钻进速度自动降低，当钻进速度降低时，拉力值和电流值也会随着降低，

当钻进到通过静力触探仪确定的持力层顶面高程时，固定一个钻进速度，控制在0.4- 0.6m/min范围内；

当钻进到通过静力触探仪确定的持力层底面高程时，继续下钻，直至电流值超过额定值且维持10s，停止喷加固料；

通过安装在搅拌桩机钻进和提升传动系统上的深度传感器采集到此时的深度作为施工桩长深度；

对加压装置进行换向，开始提升并搅拌，直至将搅拌钻头提升至离原地面；

完成搅拌桩施工。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述静力触探法确定持力层深度的具体操作如下：

①定位：移动静力触探仪，将探头对准放好的点位，用垂直度传感器采集的数据校正垂直度，并垂直度传感器固定在底座上；

②将已穿入到探杆内的传感器引线接到记录仪上，打开电源开关，预热并调试到正常工作状态；

③加压使探头入土，此时要校核探杆的垂直度，并保证在整个贯入过程中，垂直度偏差在1.0％以内；

④贯入速度应控制在0.015-0.025m/s范围内，并保持匀速；

⑤每灌入0.1m记录仪采集一次锥尖阻力和侧壁阻力；

⑥贯入深度应超过设计桩长深度2m；

⑦当达到预定深度后，及时拔杆，并记录采集数据的回零情况，保证数据的准确性；

⑧打印出静力触探曲线图，深度为纵坐标，锥尖阻力、侧壁阻力为横坐标，准确反映出深度与锥尖阻力、侧壁阻力之间对应数值关系；

⑨将静力触探得出的锥尖阻力、侧壁阻力数值与设计要求确定的进入持力层指标进行对应，在对应指标时，考虑进入持力层以后，不小于1.5m范围内土体的力学指标不能有衰减，然后确定持力层的顶面高程和底面高程，最终给出准确的施工桩长。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，水泥土搅拌桩智能化钻进施工中的自动送灰：

a.开钻前，绞笼自动启动，同时，储灰罐下部及输料罐上部阀门自动打开，绞笼将储灰罐中的水泥粉输送到输料罐中，安装在输料罐上的重量传感器对进入输料罐中的水泥粉重量进行称重，当水泥粉重量达到已设定值时，储灰罐下部阀门和绞笼自动关闭，输料罐上部阀门延迟3s自动关闭；

b.空压机自动启动，产生的高压空气经过冷干机进入储气罐；

c.当输料罐上部阀门关闭后，储气罐的出口阀门及输料罐上的进气阀门自动打开，高压空气进入输料罐与水泥粉形成混合料，安装在输料罐上的压力传感器显示压力达到设定值时，空压机自动关闭；

d.传动系统自动开启，链轮带动链条驱动内、外钻杆向下运动，内外钻杆起动；

e.当深度传感器显示内钻杆下叶片已开始入土时，输料罐出料口阀门自动打开，水泥粉与高压空气的混合料经送粉管、内钻杆从喷粉口喷出；

f.在下钻过程中，喷出的水泥粉重量应满足设置的单位体积值，自动控制空压机，使喷粉量保持不变；

g.当钻进至设计桩长，系统停止钻进后，输料罐上的出料口阀门自动关闭，停止送水泥粉，储气罐上与送粉管联通的阀门自动打开，开始送气；

h.传动系统自动换向，并提升，直至将搅拌钻头提升至离原地面前停止送气。

本发明主要是将双向搅拌、智能化操作、远程监控及管理技术应用到水泥土搅拌桩施工中，使其施工质量大幅度提高，降低工程造价。该方法体现了精细化设计的理念，设备高度自动化，降低了工程造价，其优点主要有：

(1)能够根据不同的地质条件，自动识别施工桩长，既保证了施工质量，又降低了工程造价；

(2)彻底解决了粉喷桩搅拌不均匀，水泥掺量沿桩长分布不均现象，降低水泥掺量，节约成本，降低造价；

(3)采用自动化送料，解决粉喷桩单位体积工水泥掺量分布不均匀现象；

(4)工艺改变，极大提高了工效，减少人工操作，降低劳动强度，施工成本减低；

(5)大幅度提高施工桩长，扩大了粉喷桩的应用范围；

(6)采用智能化设备，解决了粉喷桩对周边环境的污染问题，节约了水泥材料；

(7)解决了人为干扰因素，杜绝偷工减料现象；

(8)可适当降低设计阶段的地质勘察工作量，降低工程造价。

(9)大幅度降低现场旁站及统计人员，提高工效，降低人力成本；

(10)解决对施工过程无法追溯问题；

(11)对现场施工控制参数进行实时监控，并可对违规操作和特殊情况进行远程操控。

附图说明

图1为桩机结构示意图；

图2为自动粉喷机构示意图；

图3为自动浆喷机构示意图；

图4为静力触探仪示意图；

图5为静力触探仪工艺流程图；

图6为试桩工艺流程图；

图7为双向搅拌钻头；

图8为云处理监控管理系统；

图9为云处理器模块图。

图中：1双搅桩机，2钻杆(包括内外钻杆)，3钻头，4输料罐，5储气罐，6冷干机，7空压机，8制浆桶，9浆泵，10压力传感器，11流量传感器，12储浆桶，13水泵， 14探杆，15底盘，16探头，17导线，18采集器，19电脑，20设计持力层顶面，21设计持力层底面，22超过持力层底面2米层，23搅拌桩机确定的持力层顶面，24搅拌桩机确定的持力层底面，25外钻杆，26内钻杆，27加固料喷口，28数据接收。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，而不构成对其权利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

双向搅拌粉喷桩智能化操作及远程监控管理系统由四部分组成：静力触探仪、智能化双向搅拌粉喷桩机、云处理器、监控及管理系统。

静力触探仪

该设备底盘、立架、摇把、链条、链轮、探杆、探头、地锚、导线、采集器、电脑等组成。

工作原理如下：

设备定位后，调整好垂直度，摇把通过链条和链轮带动探杆下钻，探头获得的锥尖阻力和侧壁阻力信号值通过导线传到采集器，采集器收到的信号值传输到电脑进行处理，电脑程序整理好的数据实时传送到云服务器。

具体操作方法如下：

a.定位：移动静力触探仪，将探头对准放好的点位，用垂直度传感器(精度：0.005°)采集的数据校正垂直度，并垂直度传感器固定在底座上；

b.将已穿入到探杆内的传感器引线接到电脑记录仪上，打开电源开关，预热并调试到正常工作状态；

c.加压使探头入土，此时要校核探杆的垂直度，并保证在整个贯入过程中，垂直度偏差在1.0％以内；

d.贯入速度应控制在0.015-0.025m/s范围内，并保持匀速；

e.每灌入0.1m记录仪采集一次锥尖阻力和侧壁阻力；

f.贯入深度应超过设计桩长深度2m；

g.当达到预定深度后，及时拔杆，并记录采集数据的回零情况，保证数据的准确性；

h.采集的数据经过电脑程序处理后，实时上传到云处理器；

i.监控中心接收到云处理器数据后，绘出静力触探曲线图，深度为纵坐标(精度为0.1m)，锥尖阻力、侧壁阻力为横坐标(精度为0.01Mpa)，准确反映出深度与锥尖阻力、侧壁阻力之间对应数值关系。

将静力触探得出的锥尖阻力、侧壁阻力数值与设计要求确定的进入持力层指标进行对应，在对应指标时，应考虑进入持力层以后，不小于1.5m范围内土体的力学指标不能有衰减，然后确定持力层的顶面高程和底面高程(搅拌桩进入持力层的深度一般在0.5-1.0m)，最终给出准确的施工桩长(精度为0.1m)。

(这部分在自动判别桩长的专利中已写，数据上传和处理是增加的)

智能化双向搅拌粉喷桩机

该设备由以下部分组成：智能化控制柜、立架、链轮、链条、上传动装置、内外钻杆、磨盘、双向搅拌钻头、底盘、送粉管、储灰罐、绞笼、空压机、冷干机、储气罐、输料罐、垂直度传感器、电流传感器、深度传感器、拉力传感器、压力传感器、重量传感器等组成。

工作原理如下：

开启搅拌桩机，启动加压装置，使搅拌钻头入土，按设计用量喷加固料，同时搅拌钻头上的搅拌叶片对加固料和原状土体进行充分的搅拌；

启动绞笼，将储灰罐中的水泥粉输送到输料罐中，输料罐上的重量传感器对水泥粉的用量进行称重，当达到一定值时，关闭绞笼，然后输料罐上进料进口上的阀门关闭，此动作要比关闭绞龙延迟2-3秒，原因是绞龙关闭后，其出料口尚有部分水泥粉，待这部分水泥粉落入输料罐后，再关闭输料罐进料口阀门，保证进入输料罐中水泥粉重量的准确性，同时也保护绞龙在下一次工作时，减少启动负荷，启动空压机，空压机产生的高压气体经过冷干机(考虑施工环境的湿度，去除高压空气中的水份，避免管路中的水泥粉受潮，产生堵管现象)，然后进入到储气罐中(储气罐底部的泄压阀应定时开启，将沉淀在底部的水份排出)，高压空气进入到输料罐中与水泥粉混合在一起，通过输料罐上的压力传感器，将输料罐中的压力稳定在一定值(根据地质条件及桩长，一般稳定在0.6-0.8Ma)；先启动上传动装置，转动内钻杆，再启动磨盘，转动外钻杆，然后启动传动系统，通过链轮、链条，使内、外钻杆共同下钻，双向搅拌钻头入土，开启输料罐出料口阀门，高压空气与水泥粉混合料经送粉管、内钻杆从双向搅拌钻头喷粉口喷出(图5)，水泥粉用量应按设计要求，在下钻过程中一次性喷出；内、外钻杆的旋转方向要与搅拌叶片设置的倾斜方向一致，内钻杆顺时针旋转(正转)，外钻杆逆时针旋转(反转)，其构造如下：内、外钻杆上分别设置两层搅拌叶片(每层叶片之间的距离一般为30-40cm，每块叶片长度根据设计桩径而定，宽度一般在8-10cm，厚底一般在2-3cm)，并分别呈十字交叉；

下钻过程：内钻杆下叶片设置成与水平面向下A角度(根据地质条件，一般为10-15度)，其作用是起到减小阻力、破土作用，喷粉口设置在内钻杆下叶片上方，其作用是防止堵管，并能使上面三层叶片对喷出的水泥粉与土体进行搅拌，内钻杆上叶片设置成与水平面向上B 角度(根据地质条件，一般为10-15度)，其作用是压灰、阻断水泥粉上冒(因其在下钻旋转时形成的螺纹线与内钻杆下叶片不同)，并对内钻杆下叶片形成的水泥土进行压缩性搅拌，外钻杆的下叶片设置成与水平面向下C角度(根据地质条件，一般为10-15度)，其作用是压灰、阻断水泥粉上冒(因其反向旋转，在下钻旋转时形成的螺纹线与内钻杆上叶片不同)，并将内钻杆上叶片形成的水泥土进行粉碎性搅拌，外钻杆上叶片设置成水平方向，其作用是压灰、阻断水泥粉上冒(因其在下钻旋转时形成的螺纹线与外钻杆下叶片不同)，并对外钻杆下叶片形成的水泥土进行压缩性搅拌；四层搅拌叶片(从下往上)在下钻过程中起到的作用分别是：破土；压灰、阻断水泥粉上冒，压缩性搅拌；压灰、阻断水泥粉上冒，粉碎性搅拌；压灰，阻断水泥粉上冒，压缩性搅拌；

提升过程：当双向搅拌钻头钻进至设计桩长底标高时，停止喷水泥粉(输料罐出料口阀门关闭)，储气罐与送粉管连通的阀门打开，开始送气(气压一般在0.2-0.4Mpa)，送气的作用是：防止在提升过程中喷粉口堵塞，同时气体在上冒的过程中对搅拌钻头有托举作用，降低搅拌负荷，气体在水泥土中运动，有利于搅拌均匀性提高；双向搅拌钻头在提升过程时，外钻杆上叶片的作用是对已形成的水泥土进行压缩性搅拌，外钻杆下叶片的作用是对外钻杆上叶片形成的水泥土进行粉碎性搅拌，内钻杆上叶片对外钻杆下叶片形成的水泥土进行压缩性搅拌，内钻杆下叶片对内钻杆上叶片形成的水泥土进行压缩性搅拌，内钻杆上叶片对外钻杆下叶片形成的水泥土进行粉碎性搅拌，内钻杆下叶片对内钻杆上叶片形成的水泥土进行压缩性搅拌；当双向搅拌钻头提升至距离地面一定范围时(一般距离地面1-1.5m)，停止送气 (关闭储气罐与送粉管连通的阀门)，因为管路里的空气余压还在，不会造成堵管，同时防止高压空气将部分形成的水泥土带出地面，当外钻杆下叶片冒出地面时，关闭磨盘，外钻杆停止旋转，当内钻杆下叶片冒出地面时，关闭上传动装置，内钻杆停止旋喷，当双向搅拌钻头底部提出地面时，(一般距离地面20-30cm)，关闭传动系统，内、外钻杆停止上、下运动。

双向搅拌钻头内、外钻杆的旋转速度应设置不一样(要有速度差)，这样就可以起到压灰、阻断水泥粉上冒的途径；

粉喷桩通过双向搅拌钻头多次压缩性和粉碎性搅拌，彻底解决了搅拌不均匀，水泥粉上冒，沿着桩长方向水泥粉分布不均匀现象，无需增加材料补充，降低造价；水泥土的强度与水泥用量有关，同时水泥在水泥土中分布的均匀性对水泥土强度有很大影响(水泥在水泥土中占的比表面积越大，效果越好)，该方法与常规方法相比可降低水泥用量20-30％；由于施工工艺为一下一上，施工周期短，水泥土尚未发生初凝，因此水泥土附着在钻杆上的摩擦力大幅度降低，可以使施工桩长增加50％，同提高工效；

双向搅拌粉喷桩智能化操作：在进行智能化操作前，要依据静力触探仪得出的粉喷桩进入持力层顶面和底面高程，通过工艺性试桩，找出双向搅拌钻头进入持力层顶面和底面时所对应的内钻杆电流值和链条上的拉力值。

具体操作如下：

a.放样：在静力触探放样点位的周边，根据搅拌桩成桩直径不同，与该点位的距离满足 0.4m≤L≤0.8m；

b.定位：移动搅拌桩机，将钻头对准放好的桩位，并通过垂直度传感器(精度：0.005°)采集显示的数据，调整好垂直度；

c.开启搅拌桩机，启动传动系统，使搅拌钻头入土，下钻时将设计用量的水泥粉一次性喷完，同时搅拌钻头上的搅拌叶片对形成的水泥土进行多次压缩性和粉碎性搅拌；

d.通过安装在搅拌桩机钻进和提升传动系统上的深度传感器(精度：0.01m以上)，安装在上传动装置下侧传动链条上的拉力传感器(精度：0.1KN以上)，安装在电机上的电流传感器(精度：0.01A以上，采集的电流值应为上传动装置的电机电流值)，电脑自动记录仪每0.1m采集一次驱动钻杆向下的拉力值和钻头钻进时的电流值；

e.在搅拌钻头钻进时，要通过垂直度传感器采集所显示的数据，保证钻杆的垂直度，偏差控制在1.0％以内；

f.在搅拌钻头钻进时，钻进速度应控制在0.8-1.2m/min范围之内，并保持匀速；

g.当钻进到通过静力触探仪确定的持力层顶面高程时，固定一个钻进速度，控制在0.4- 0.6m/min范围内(设备功率越小，钻进速度越慢，以不损坏施工设备为原则)；

h.当钻进到通过静力触探仪确定的持力层底面高程时(搅拌钻头在确定的持力层深度范围内钻进时，拉力值和电流值不能有衰减)，继续下钻，直至电流值超过额定值且维持 10s，停止喷加固料；

i.对传动系统进行换向，开始提升并搅拌，直至将搅拌钻头提升至离原地面0.3m；

j.完成搅拌桩施工。

确定搅拌桩机钻头进入持力层顶面高程时传动链条上拉力值及驱动搅拌钻头底部入土的驱动电机电流值，在进入持力层顶面高程时采集的拉力值及电流值将作为搅拌桩机钻头进入持力层的判断值，超过额定电流且维持10秒时采集的拉力值和电流值作为极限值；在完成上述工作后，将确认的进入持力层的电流值和拉力值，超过额定电流的拉力和电流极限值作为自动控制施工桩长参数，以及在工艺性试桩中得出的其他施工控制参数，将所有施工参数输入到智能化控制柜的程序中，输入的控制参数如下：

(1)参照搅拌叶片斜角方向，固定内、外钻杆钻进时的旋转方向，内钻杆顺时针旋转(正转)，外钻杆逆时针旋转(反转)；

(2)双向搅拌钻头底部距整平后地面距离L,叶片之间距离H；

(3)内钻杆转速(N)，外转杆转速(n)，N≠n；

(4)桩长范围内的分段钻进速度(V)、提升速度(v)；

(5)设计要求的单位体积喷粉量(w)，以及保证单位体积喷粉量的高压空气压力控制值 K(Mpa)；

(6)进入持力层电流E(A)和拉力F(KN)判断值、极限值，以及设计要求的进入持力层深度值h(m)；

(7)设计要求的垂直度偏差值；

(8)施工的单位体积喷粉量及桩长所需总的喷粉量；

双向搅拌粉喷桩智能化操作如下(图4、图5、图7)：

a.清理场地，整平至设计标高；

b.放样：依据施工区域轴线和边线，采用钢尺对桩位逐点放样；

c.定位：移动搅拌桩机，将钻头对准放好的桩位，通过安装在搅拌桩机钻进和提升传动系统上的深度传感器(精度：0.01m以上)，控制双向搅拌钻头底部距离整平地面为L(此时对深度传感器校零)，通过垂直度传感器(精度：0.005°)采集显示的数据，调整好垂直度；

d.点击智能化控制柜开始按钮，绞笼自动启动，同时，储灰罐下部及输料罐上部阀门自动打开，绞笼将储灰罐中的水泥粉输送到输料罐中，安装在输料罐上的重量传感器(精度： 0.1kg以上)对进入输料罐中的水泥粉重量进行称重，当水泥粉重量达到已设定值时(设定值＝设计桩长总量+≥100kg)，储灰罐下部阀门和绞笼自动关闭，输料罐上部阀门延迟3s自动关闭(延迟目的是便于绞笼出料口的余量可以落入输料罐中，降低绞龙再次启动时的负荷及称重的准确性)；

e.在点击智能化控制柜开始按钮时，空压机自动启动，产生的高压空气经过冷干机(考虑施工环境的湿度，去除高压空气中的水份，避免管路中的水泥粉受潮，产生堵管现象)进入储气罐(储气罐底部的泄压阀应定时开启，将沉淀在底部的水份排出)；

f.当输料罐上部阀门关闭后，储气罐的出口阀门及输料罐上的进气阀门自动打开，高压空气进入输料罐与水泥粉形成混合料，安装在输料罐上的压力传感器(精度：0.01Mpa以上)显示压力达到设定值时(根据地质条件、桩长、单位体积喷粉量，压力值一般设定在0.6-0.8Mpa)，空压机自动关闭；

g.传动系统自动开启，链轮带动链条驱动内、外钻杆向下运动，下钻速度为设置好的V₁值(一般设置为1-1.2m/min，此速度为整平后地面至持力层之间距离的下钻速度)，当深度传感器显示达到L值时，上传动装置电机自动启动使内钻杆旋转(按设置好的旋转方向转动，顺时针正转)，旋转速度为N值，当深度传感器显示达到L+2H值时，磨盘电机自动启动使外钻杆旋转(按设置好的旋转方向转动，逆时针反转)旋转速度为n值，内钻杆旋转速度N值与外钻杆旋转速度n值不能相同，要有速度差，起到压灰和阻断水泥粉上冒途径；

h.当深度传感器显示L值时(内钻杆下叶片已开始入土)，输料罐出料口阀门自动打开，水泥粉与高压空气的混合料经送粉管、内钻杆从喷粉口喷出；

i.在下钻过程中，喷出的水泥粉重量应满足设置的单位体积w值(单位一般采用kg/m)值，按以下方法操作：以1m为单位，同时将1m分为10个分单位，控制程序通过深度传感器和重量传感器，每钻进一个分单位(0.1m)采集一次重量，并与前一个分单位重量进行加权平均(采用累计加权平均，采集到的分单位重量均进行加权平均)；当每次计算得到的平均值与w相匹配(误差值在2％以内)时，保持钻进速度V₁和压力值K不变，继续钻进；当计算得到的平均值大于w相匹配值(误差值大于2％)时，自动控制空压机，降低压力值K，使喷粉量减少，直至误差值在2％以内；当计算得到的平均值小于于w相匹配值 (误差值小于2％)时，自动控制空压机，升高压力值K，使喷粉量增加，直至误差值在2％以内；在整平后地面至持力层之间距离的钻进速度V₁保持不变；

j.双向搅拌钻头在下钻过程中，四层搅拌叶片(从下往上)起到的作用分别是：破土；压灰、阻断水泥粉上冒，压缩性搅拌；压灰、阻断水泥粉上冒，粉碎性搅拌；压灰，阻断水泥粉上冒，压缩性搅拌；

k.当双向搅拌钻头钻进至距离持力层顶面高程一定距离时(一般设置为1-1.5m)，开启自动判别桩长程序，通过安装在传动链条上的拉力传感器(精度：0.1KN以上)及安装在电机上的(上传动装置电机)电流传感器(精度：0.01A以上)采集的数据达到输入的进入持力层顶面判断值E和F时(拉力值和电流值必须都达到判断值)，钻进速度自动降低，当钻进速度降低时，拉力值和电流值也会随着降低，直至钻进速度降到设置好的V₂值(一般设置在0.4-0.6m/min范围内，设备功率越小，钻进速度越慢，以不损坏施工设备为原则)，在拉力值和电流值没有衰减的前提下(拉力值容许偏差值10KN，电流值容许偏差1A)，钻进深度达到设计规定的进入持力层深度h值(搅拌桩一般规定为:0.5m-1.0m，在此深度范围内，如拉力值和电流值低于容许偏差值，但未低于判断值的80％，且钻进深度持续不超过10cm，或拉力值和电流值均达到极限值)时,传动系统自动停止钻进；如采集的电流E和拉力值F出现极限值时，保持10s后，传动系统自动停止钻进；

l.双向搅拌钻头在钻进时，如拉力值和电流值满足不了k中规定的条件，将重复k工序；

m.传动系统自动停止钻进时，深度传感器采集到的深度作为施工桩长的底标高，重量传感器采集到的重量为施工桩长的总重量；

n.当传动系统停止钻进后，输料罐上的出料口阀门自动关闭，停止送水泥粉，储气罐上与送粉管联通的阀门自动打开，开始送气(送气的作用是：防止在提升过程中喷粉口堵塞，同时气体在上冒的过程中对搅拌钻头有托举作用，降低搅拌负荷，气体在水泥土中运动，有利于搅拌均匀性提高)；

o.当传动系统自动停止钻进时，传动系统自动换向，开始提升，提升速度自动调整为设置好的v(一般设置为0.8-1.0m/min)；

p.双向搅拌钻头在提升过程时，外钻杆上叶片的作用是对已形成的水泥土进行压缩性搅拌，外钻杆下叶片的作用是对外钻杆上叶片形成的水泥土进行粉碎性搅拌，内钻杆上叶片对外钻杆下叶片形成的水泥土进行压缩性搅拌，内钻杆下叶片对内钻杆上叶片形成的水泥土进行压缩性搅拌，内钻杆上叶片对外钻杆下叶片形成的水泥土进行粉碎性搅拌，内钻杆下叶片对内钻杆上叶片形成的水泥土进行压缩性搅拌；

q.当双向搅拌钻头提升至距离地面一定范围时(一般距离地面1-1.5m)，停止送气(自动关闭储气罐与送粉管连通的阀门)，因为管路里的空气余压还在，不会造成堵管，同时防止高压空气将部分形成的水泥土带出地面，当外钻杆下叶片冒出地面时(深度传感器出现设置好的H值时)，磨盘电机自动关闭，外钻杆停止旋转，当内钻杆下叶片冒出地面时(深度传感器出现设置好的3H值时)，上传动装置电机自动关闭，内钻杆停止旋转，当双向搅拌钻头底部提出地面时，(深度传感器出现设置好的L+3H值时)，传动系统自动关闭，内、外钻杆停止向上运动。

r.完成双向搅拌粉喷桩智能化操作施工；

在进行智能化控制搅拌桩施工桩长的施工中，应满足以下规定；

1)当设计桩长、桩径和水泥掺量发生变化时；

2)当搅拌桩机停用时间超过10天或施工时间超过30天；

3)当设备经过维修，主要是指更换或维修电机及更换链条；

4)当输电线路变化及电压波动对电流产生影响时(电压波动值≤380±10V)；

云处理器

该设备由以下部分组成：应用服务器集群、数据库服务器集群、附件服务器、分布式缓存服务器集群、负载均衡调度服务器等组成(图8、图9)。

双向搅拌粉喷桩机上的智能化控制柜中可编程逻辑控制器(PLC)对施工过程中的参数进行采集，采集的数据如下：

a.施工开始时间、钻进至持力层顶面标高时间、钻进至持力层底面标高时间、提升开始时间，施工结束时间；

b.内钻杆旋转速度、外钻杆旋转速度、钻进速度、提升速度；

c.深度传感器显示的深度，特别是双向搅拌钻头至整平后地面高度、钻进至持力层顶面标高深度、钻进至持力层底面标高深度、提升至整平后地面高度；

d.称重传感器显示的重量、垂直度传感器显示的垂直度偏差值、电流传感器显示的电流值、拉力传感器显示的拉力值、压力传感器显示的压力值；

(1)PLC中采集来的数据，直接传输给物联网模块；

(2)物联网模块对接收的数据进行解码；

(3)模块通过互联网(4G、WIFI等)，将解码后的数据传输到指定的调度服务器

(4)调度服务器做为负载均衡服务器，用Nginx搭建应用服务器的负载均衡集群，为了避免单独一个服务器压力过大，将来自模块数据的请求转发给不同的应用服务器。

(5)数据传输到应用服务器后，应用服务器根据过来的数据，进行数据解析，并将对应的模块指令翻译为json格式的数据源

(6)对json格式数据源和数据库服务器中对应的模块设备进行匹配(读数据库)，匹配成功后，将传过来的数据进行数据库落地(写数据库)

(7)数据库服务器(主)写入成功后，通过数据库主从复制技术，将新的结果集补充到数据库服务器(从)，并同步更新对应缓存服务器中的缓存数据

监控及管理系统

该设备由以下部分组成：现场巡查、现场监控管理、监控中心组成。

(1)手机、平板、PC电脑、平台监控中心、现场巡查设备等互联网终端设备获取数据时，通过调度服务器到应用服务器，应用服务器直接从缓存数据库读取数据，可大大减轻数据库服务器的读取压力，更能快速返回数据结果。

(2)因模块传输数据的频率是1-3秒一次，数量较多，数据量庞大。我们将采集的实时数据，写入至文件，并存入附件服务器，附件服务器在条件允许的情况下，可以采用多台进行集群。附件服务器中存储的文件，包含了所有打桩机的打桩过程数据。因此在应用系统中，可以调用这个存储数据，对原始作业动态过程进行模拟。

(3)数据页面展示平台中，集成了摄像头视频监控系统，视频流数据通过在线直播的方式，实时展示施工作业现场情况；同时，从物联网模块传输过来的数据归集后，集成websocket技术，实时同步至各个终端设备，动态展示施工作业进度。

(4)现场监控管理和监控中心通过接收到的现场施工参数，自动生成现场原始施工记录，并生成统计表格，杜绝人为因素，保证了数据的真实性，并大幅度降低人力成本。

(5)对已完成粉喷桩，经检测有争议，可以回放施工过程，找出问题所在。

(6)现场监控管理和监控中心可依据调整的施工参数对现场双向搅拌粉喷桩桩机的智能控制柜控制参数进行更改。

(7)对现场不规范操作以及特殊情况，可以发出指令至双向搅拌粉喷桩桩机的智能控制柜，终止现场施工，减小损失。

本发明同样适用于智能化双向搅拌浆喷桩机

该设备由以下部分组成：智能化控制柜、立架、链轮、链条、上传动装置、内外钻杆、磨盘、双向搅拌钻头、底盘、送浆管、储灰罐、绞笼、水泵、制浆桶、储浆桶、浆泵、垂直度传感器、电流传感器、深度传感器、拉力传感器、压力传感器、流量传感器、重量传感器等组成。

工作原理如下：

启动水泵，将水输送到制浆桶中，通过安装在制浆桶上的称重传感器对进入制浆桶中的水进行称重，当水的重量达到规定值时，水泵自动关闭；绞笼自动启动，将储灰罐中的水泥粉输送到制浆桶中，安装在制浆桶上的称重传感器对进入制浆桶中的水泥粉进行称重，当水泥粉达到规定值时，绞笼自动关闭，如需要添加外掺剂，此时应加入制浆桶中，并进行称重；当绞笼启动时，制浆桶上的搅拌电机自动启动，边进水泥，边搅拌，当绞笼停止输送水泥粉或外掺剂添加完毕时，开始对搅拌时间进行计时(一般设置1-1.5min)，当制浆桶里的水泥浆达到设定的搅拌时间后，制浆桶下部的阀门自动打开，水泥浆流入储浆桶中，同时，储浆桶上的搅拌电机自动启动，对进入储浆桶的水泥浆进行搅拌。

钻进过程与粉喷桩机相同。

Claims (3)

1.一种水泥土搅拌桩智能化操作方法，其特征在于：

（一）首先通过静力触探法确定施工工地持力层深度，按确定的持力层的顶面高程和底面高程，最终给出准确的施工桩长，其中搅拌桩进入持力层的深度为0.5-1.0m；

（二）确定搅拌桩机钻头进入持力层深度控制参数：

通过安装在搅拌桩机钻进和提升传动系统上的深度传感器，安装在上传动装置下侧传动链条上的拉力传感器，安装在电机上的电流传感器，电脑自动记录仪每隔一段距离采集一次驱动钻杆向下的拉力值和钻头钻进时的电流值；

确定搅拌桩机钻头进入持力层顶面高程时传动链条上拉力值及驱动搅拌钻头底部入土的驱动电机电流值，

在进入持力层顶面高程时采集的拉力值及电流值将作为搅拌桩机钻头进入持力层的判断值，超过额定电流且维持10秒时采集的拉力值和电流值作为极限值；

（三）水泥土搅拌桩智能化钻进施工

将确认的进入持力层的电流值和拉力值，超过额定电流的拉力和电流极限值作为自动控制施工桩长参数，输入到智能化控制的程序中，

开启搅拌桩机，启动加压装置，使搅拌钻头入土，按设计用量喷加固料，同时搅拌钻头上的搅拌叶片对加固料和原状土体进行充分的搅拌；

在搅拌钻头钻进时，要通过垂直度传感器采集所显示的数据，保证钻杆的垂直度，偏差控制在1.0%以内；

在搅拌钻头钻进时，钻进速度应控制在0.8-1.2m/min范围之内，并保持匀速；

当搅拌钻头钻进至持力层顶面以上1m时，开始启动自动判别桩长程序，通过安装在传动链条上的拉力传感器及安装在电机上的电流传感器采集的数据达到进入持力层顶面判断值时，钻进速度自动降低，当钻进速度降低时，拉力值和电流值也会随着降低，

当钻进到通过静力触探仪确定的持力层顶面高程时，固定一个钻进速度，控制在0.4-0.6m/min范围内；

当钻进到通过静力触探仪确定的持力层底面高程时，继续下钻，直至电流值超过额定值且维持10s，停止喷加固料；

通过安装在搅拌桩机钻进和提升传动系统上的深度传感器采集到此时的深度作为施工桩长深度；

对加压装置进行换向，开始提升并搅拌，直至将搅拌钻头提升至离原地面；

完成搅拌桩施工。

2.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩智能化操作方法，其特征在于所述静力触探法确定持力层深度的具体操作如下：

①定位：移动静力触探仪，将探头对准放好的点位，用垂直度传感器采集的数据校正垂直度，并垂直度传感器固定在底座上；

②将已穿入到探杆内的传感器引线接到记录仪上，打开电源开关，预热并调试到正常工作状态；

③加压使探头入土，此时要校核探杆的垂直度，并保证在整个贯入过程中，垂直度偏差在1.0%以内；

④贯入速度应控制在0.015-0.025m/s范围内，并保持匀速；

⑤每灌入0.1m记录仪采集一次锥尖阻力和侧壁阻力；

⑥贯入深度应超过设计桩长深度2m；

⑦当达到预定深度后，及时拔杆，并记录采集数据的回零情况，保证数据的准确性；

⑧打印出静力触探曲线图，深度为纵坐标，锥尖阻力、侧壁阻力为横坐标，准确反映出深度与锥尖阻力、侧壁阻力之间对应数值关系；

⑨将静力触探得出的锥尖阻力、侧壁阻力数值与设计要求确定的进入持力层指标进行对应，在对应指标时，考虑进入持力层以后，不小于1.5m范围内土体的力学指标不能有衰减，然后确定持力层的顶面高程和底面高程，最终给出准确的施工桩长。

3.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩智能化操作方法，其特征在于，水泥土搅拌桩智能化钻进施工中的自动喷加固料方法：

a.开钻前，绞笼自动启动，同时，储灰罐下部及输料罐上部阀门自动打开，绞笼将储灰罐中的水泥粉输送到输料罐中，安装在输料罐上的重量传感器对进入输料罐中的水泥粉重量进行称重，当水泥粉重量达到已设定值时，储灰罐下部阀门和绞笼自动关闭，输料罐上部阀门延迟3s自动关闭；

b.空压机自动启动，产生的高压空气经过冷干机进入储气罐；

c.当输料罐上部阀门关闭后，储气罐的出口阀门及输料罐上的进气阀门自动打开，高压空气进入输料罐与水泥粉形成混合料，安装在输料罐上的压力传感器显示压力达到设定值时，空压机自动关闭；

d.传动系统自动开启，链轮带动链条驱动内、外钻杆向下运动，内外钻杆起动；

e.当深度传感器显示内钻杆下叶片已开始入土时，输料罐出料口阀门自动打开，水泥粉与高压空气的混合料经送粉管、内钻杆从喷粉口喷出；

f.在下钻过程中，喷出的水泥粉重量应满足设置的单位体积值，自动控制空压机，使喷粉量保持不变；

g.当钻进至设计桩长，系统停止钻进后，输料罐上的出料口阀门自动关闭，停止送水泥粉，储气罐上与送粉管联通的阀门自动打开，开始送气；

h.传动系统自动换向，并提升，直至将搅拌钻头提升至离原地面前停止送气。

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