CN114908814B - 一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，包括：S1、组装模拟试验装置；S2、利用模拟试验装置模拟搅拌桩施工：采用模拟试验装置分别就多组试验组作模拟成桩，对搅拌桩进行切割并拍摄，得到每个每米搅拌切土次数对应的多张图片；S3、获取搅拌均匀的每米搅拌切土次数：对图片进行处理，得到每个每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数，然后作图得到每米搅拌切土次数与搅拌均匀网格数的关系曲线，由曲线得到搅拌均匀网格数为M时对应的每米搅拌切土次数。本发明通过室内搅拌均匀性试验可确定不同加固土体的适宜每米搅拌切土次数，减小水泥土搅拌桩的无效搅拌数，节省工期及成本。

Description

一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法

技术领域

本发明属于搅拌桩施工技术领域，尤其涉及一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法。

背景技术

由于水泥土搅拌桩搅拌均匀性对成桩质量起关键作用，现场施工时，当加固土体每米搅拌切土次数(BRN)不足时容易造成土层搅拌不均而出现质量问题，当每米搅拌切土次数过多时在土体搅拌均匀后会出现无效搅拌，会增加搅拌设备的损耗、降低施工效率，因此需要找到加固土体喷浆搅拌均匀时适宜的每米搅拌切土次数。现有对于水泥浆与土体搅拌均匀性的现有评价方法都是基于人眼观察的定性描述及评价，无法进行定量化地分析与评价，造成施工现场难以准确地确认加固土层适宜的每米搅拌切土次数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，通过室内搅拌均匀性试验可确定不同加固土体的适宜每米搅拌切土次数，减小水泥土搅拌桩的无效搅拌数，节省工期及成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，包括：

S1、组装模拟试验装置：模拟试验装置包括成桩模型箱、成桩系统、注浆系统、数据采集系统和控制系统，成桩系统架立在成桩模型箱的上方，注浆系统通过第一注浆管与成桩系统相连接，用于向成桩系统输送染色泥浆，数据采集系统对成桩系统和注浆系统的试验数据进行监测，控制系统分别与成桩模型箱、成桩系统和注浆系统连接；

S2、利用模拟试验装置模拟搅拌桩施工：

S21、根据试验要求设定多组试验组，各试验组选取不同的施工参数，施工参数包括每米搅拌切土次数和喷浆流速；然后采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩；

S22、对各试验组的搅拌桩，将搅拌桩沿其长度方向切割成若干份，对搅拌桩的各切割面进行拍摄，得到每个每米搅拌切土次数对应的多张图片；

S3、获取搅拌均匀的每米搅拌切土次数：

S31、根据第一处理规则对每米搅拌切土次数对应的多张图片进行处理，得到每米搅拌切土次数对应的灰度标准值；

S32、基于多个每米搅拌切土次数对应的灰度标准值，得到搅拌桩搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数，记为基准每米搅拌切土次数；

S33、对于每张图片，将图片中搅拌桩边界所围成图形划分为M个等面积的网格，根据预设公式计算网格内的灰度标准值，并判断网格内的灰度标准值与基准每米搅拌切土次数对应的灰度标准值之间的差值是否小于等于预设的第一阈值；

S34、若是，则将网格记为搅拌完全网格；

S35、统计每张图片上搅拌完全网格的数量，得到每张图片的搅拌均匀网格数；

S36、对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张图片的搅拌均匀网格数的平均值，以计算的平均值作为每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数；

S37、以多个每米搅拌切土次数为横坐标，对应多个每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数为纵坐标作图，得到每米搅拌切土次数与搅拌均匀网格数的关系曲线，由曲线得到搅拌均匀网格数为M时对应的每米搅拌切土次数。

进一步地，在根据第一处理规则对每米搅拌切土次数对应的多张图片进行处理，得到每米搅拌切土次数对应灰度标准值的步骤中，包括：

对于每张图片，将图片转化为灰度图，根据预设公式计算图片中搅拌桩边界所围成图形内的灰度标准值，得到每张图片对应的灰度标准值；

对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张图片的灰度标准值的平均值，以计算得到的平均值作为每米搅拌切土次数对应灰度标准值。

进一步地，预设公式包括：

式中，

为灰度统计平均值，n为计算区域内提取的灰度值的个数，/>

为计算区域内提取的第i个灰度值，i＝1、2、……、n，σ_f为灰度统计标准差，δ为灰度变异系数，γ_s为统计修正系数，±按不利组合考虑，/>

为灰度标准值。

进一步地，在基于多个每米搅拌切土次数对应的灰度标准值，得到搅拌桩搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数的步骤中，包括：

在多个每米搅拌切土次数中依次选择一个目标每米搅拌切土次数，判断目标每米搅拌切土的灰度标准值与前一个每米搅拌切土次数的灰度标准值的差值是否小于预设的第二阈值，以及判断目标每米搅拌切土的灰度标准值与后一个每米搅拌切土次数的灰度标准值的差值是否小于预设的第二阈值；

若是，则以目标每米搅拌切土次数作为搅拌桩搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数。

进一步地，在对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张图片的搅拌均匀网格数的平均值，以计算的平均值作为每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数的步骤之后，方法还包括：

S35a、对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张图片的搅拌均匀网格数的极差，判断极差是否大于每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数的预设百分率；

若否，则执行步骤S36；

若是，则将选取该每米搅拌切土次数的试验组记为重新试验组，采用模拟试验装置就重新试验组作模拟成桩。

进一步地，成桩系统包括动力头、钻杆和钻头，动力头与钻杆的顶端连接，用于驱动钻杆旋转，钻头设置在钻杆的底端，钻头上设有多个叶片，钻头上开设有喷浆口；

根据试验要求设定多组试验组，各试验组选取不同的施工参数，施工参数包括每米搅拌切土次数和喷浆流速；然后采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩的步骤中，包括：

每米搅拌切土次数由以下公式计算：

BRN＝∑M·N_u/V_u (6)

式中，BRN为每米搅拌切土次数，∑M为叶片总数，N_u为钻头提升转动速度，V_u为钻头的提升速度；

在需要改变每米切土次数时，通过改变钻头的提升速度来改变每米切土次数。

进一步地，注浆系统包括储水容器、储浆容器和水泵，水泵的进水口分别通过第二注浆管与储水容器和储浆容器连接，其出水口与第一注浆管连接，第二注浆管上设有阀门，控制系统与水泵和阀门连接。

进一步地，模拟试验装置还包括行走系统，行走系统包括两条间隔设置的纵向导轨、两条分别滑动设置在两条纵向导轨上的竖向导轨、两端分别滑动设置在两条竖向导轨上的横向导轨和用于驱动横向导轨沿竖向导轨上下移动的驱动机构，驱动机构与控制系统连接，动力头滑动设置在横向导轨上。

进一步地，数据采集系统包括流量计、电流表和激光测距仪，流量计设置在水泵上，用于测量喷浆量，电流表与动力头连接，用于测量动力头的电流值，激光测距仪设置在任一竖向导轨的顶端，用于测量其与横向导轨之间的距离。

本发明还提供了一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，包括：

S1、组装模拟试验装置：模拟试验装置包括成桩模型箱、成桩系统、注浆系统、数据采集系统和控制系统，成桩系统架立在成桩模型箱的上方，注浆系统通过第一注浆管与成桩系统相连接，用于向成桩系统输送染色泥浆，数据采集系统对成桩系统和注浆系统的试验数据进行监测，控制系统分别与成桩模型箱、成桩系统和注浆系统连接；

S2、利用模拟试验装置模拟搅拌桩施工：根据试验要求设定多组试验组，各所述试验组选取不同的施工参数，所述施工参数包括每米搅拌切土次数和喷浆流速；然后采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩，并在成桩过程中对每米搅拌切土次数对应的搅拌桩的表面进行拍摄，得到每个每米搅拌切土次数对应的图片；

S3、获取搅拌均匀的每米搅拌切土次数：

S31、根据第一处理规则对图片进行处理，得到每米搅拌切土次数对应的灰度标准值；

S32、基于多个每米搅拌切土次数对应的灰度标准值，得到搅拌桩搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数，记为基准每米搅拌切土次数；

S33、对于每张图片，将图片中搅拌桩边界所围成图形划分为M个等面积的网格，根据预设公式计算网格内的灰度标准值，并判断网格内的灰度标准值与基准每米搅拌切土次数对应的灰度标准值之间的差值是否小于等于预设的第一阈值；

S34、若是，则将网格记为搅拌完全网格；

S35、统计每张图片上搅拌完全网格的数量，得到每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数；

S36、以多个每米搅拌切土次数为横坐标，对应多个每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数为纵坐标作图，得到每米搅拌切土次数与搅拌均匀网格数的关系曲线，由曲线得到搅拌均匀网格数为M时对应的每米搅拌切土次数。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)模拟试验装置能够模拟现场水泥土搅拌桩的施工搅拌过程，可记录各施工工艺参数，可对影响水泥土搅拌桩成桩质量的喷浆量、每米搅拌切土次数等施工参数进行监测与智能控制，提高了试验效率；

(2)通过模拟试验装置在室内进行模拟成桩，借助模拟成桩，提出了水泥土搅拌桩基于染色泥浆的搅拌均匀性定量评价方法，可评价不同加固土体在不同的每米搅拌切土次数下的搅拌均匀性，从而确定不同加固土体的适宜每米搅拌切土次数，减小水泥土搅拌桩的无效搅拌数，节省工期及项目成本，同时可知道现场不同土层的施工工艺参数优化，提高成桩的搅拌均匀性。

附图说明

图1为本发明水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法的步骤流程图；

图2为本发明水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法中步骤S2的步骤流程图；

图3为本发明水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法中步骤S3的步骤流程图；

图4为本发明水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法中每米搅拌切土次数与搅拌均匀网格数的关系曲线；

图5为本发明水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法中模拟试验装置的结构示意图。

图中，1-成桩模型箱，2动力头，3-钻杆，4-钻头，5-叶片，6-储水容器，7-储浆容器，8-水泵，9-第一注浆管，10-第二注浆管，11-纵向导轨，12-竖向导轨，13-横向导轨，14-流量计，15-电流表，16-激光测距仪，17-控制系统，18-试样土样，19-搅拌桩。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

请参阅图1至图5，图1为本发明水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法的步骤流程图，图2为本发明水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法中步骤S2的步骤流程图，图3为本发明水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法中步骤S3的步骤流程图，图4为本发明水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法中每米搅拌切土次数与搅拌均匀网格数的关系曲线，图5为本发明水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法中模拟试验装置的结构示意图。一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，包括：

S1、组装模拟试验装置：模拟试验装置包括成桩模型箱1、成桩系统、注浆系统、数据采集系统和控制系统17，成桩系统架立在成桩模型箱1的上方，注浆系统通过第一注浆管与成桩系统相连接，用于向成桩系统输送染色泥浆，数据采集系统对成桩系统和注浆系统的试验数据进行监测，控制系统17分别与成桩模型箱1、成桩系统和注浆系统连接；

S2、利用模拟试验装置模拟搅拌桩施工：

S21、根据试验要求设定多组试验组，各试验组选取不同的施工参数，施工参数包括每米搅拌切土次数和喷浆流速；然后采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩；

S22、对各试验组的搅拌桩19，将搅拌桩19沿其长度方向切割成若干份，对搅拌桩19的各切割面进行拍摄，得到每个每米搅拌切土次数对应的多张图片；

S3、获取搅拌均匀的每米搅拌切土次数：

S31、根据第一处理规则对每米搅拌切土次数对应的多张图片进行处理，得到每米搅拌切土次数对应的灰度标准值；

S32、基于多个每米搅拌切土次数对应的灰度标准值，得到搅拌桩19搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数，记为基准每米搅拌切土次数；

S33、对于每张图片，将图片中搅拌桩19边界所围成图形划分为M个等面积的网格，根据预设公式计算网格内的灰度标准值，并判断网格内的灰度标准值与基准每米搅拌切土次数对应的灰度标准值之间的差值是否小于等于预设的第一阈值；

S34、若是，则将网格记为搅拌完全网格；

S35、统计每张图片上搅拌完全网格的数量，得到每张图片的搅拌均匀网格数；

S36、对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张图片的搅拌均匀网格数的平均值，以计算的平均值作为每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数；

S37、以多个每米搅拌切土次数为横坐标，对应多个每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数为纵坐标作图，得到每米搅拌切土次数与搅拌均匀网格数的关系曲线，由曲线得到搅拌均匀网格数为M时对应的每米搅拌切土次数。

在上述步骤S1中，根据拟加固土层情况，确定拟加固的试验土样18，在成桩模型箱1中装入相应的试验土样18，并将土体压实在符合要求，从而在成桩模型箱1形成拟加固土层。数据采集系统对成桩系统的转速、下贯速度和提升速度进行监测，以及对所述注浆系统的喷浆流速进行监测。从而通过通过成桩系统在成桩模型箱1中原位搅拌成桩，能模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工过程，符合水泥土搅拌桩施工工艺，并且能最大程序模拟现场成桩的搅拌均匀性，解决了室内水泥土配合比试验与实际施工工艺存在严重偏离、室内试验结果指导性不强的难题，可操作性强，能够更好的指导现场水泥土搅拌桩成桩质量控制，为确定满足设计要求的水泥土搅拌桩现场施工工艺参数提供重要依据。进一步地，成桩系统包括动力头2、钻杆3和钻头4，动力头2与钻杆3的顶端连接，用于驱动钻杆3旋转，钻头4设置在钻杆3的底端，钻头4上设有多个叶片5，钻头4上开设有喷浆口。

进一步地，注浆系统包括储水容器6、储浆容器7和水泵8，水泵8的进水口分别通过第二注浆管10与储水容器6和储浆容器7连接，其出水口与第一注浆管9连接，第二注浆管10上设有阀门，控制系统17与水泵8和阀门连接。注浆系统能够模拟钻头4下贯切割土体时喷水以及成桩时喷泥浆，储水容器6和储浆容器7分别采用塑料箱或玻璃向作为存储容器，储水容器6内储存水，储浆容器7内储存染色泥浆，利用水泵8将储水容器6内的水或者将储浆容器7内的泥浆泵出，通过第一注浆管9泵送到钻杆3，并经过钻杆3内部的中空容腔泵送至钻头4处的喷浆口。在需要水泵8泵送水时，将与储水容器6连接的第二注浆管10上的阀门打开，将与储浆容器7连接的第二注浆管10上的阀门关闭；而需要水泵8泵送泥浆时，将与储水容器6连接的第二注浆管10上的阀门关闭，将与储浆容器7连接的第二注浆管10上的阀门打开即可。

进一步地，模拟试验装置还包括行走系统，行走系统包括两条间隔设置的纵向导轨11、两条分别滑动设置在两条纵向导轨11上的竖向导轨12、两端分别滑动设置在两条竖向导轨12上的横向导轨13和用于驱动横向导轨13沿竖向导轨12上下移动的驱动机构，驱动机构与控制系统17连接，动力头2滑动设置在横向导轨13上。行走系统用于实现动力头2在空间上移动，也即用于带动动力头2在竖直方向和水平方向的移动，以模拟搅拌桩19施工时钻头4在同一桩位的竖向下贯及提升、不同桩位的水平移位，从而便于进行多组搅拌桩19试验。控制系统17通过驱动机构控制横向导轨13沿竖向导轨12上下移动的速度，以得到钻头4下贯或提升的速度，驱动机构可以采用现有的丝杆传动机构，竖向导轨12在纵向导轨11上移动以及动力头2在横向导轨13上移动可采用现有的丝杆传动机构或人工驱动。

进一步地，数据采集系统包括流量计14、电流表15和激光测距仪16，流量计14设置在水泵8上，用于测量喷浆量，电流表15与动力头2连接，用于测量动力头2的电流值，激光测距仪16设置在任一竖向导轨12的顶端，用于测量其与横向导轨13之间的距离。流量计14安装在水泵8上，其量程与水泵8的功率配套，可用于计量水泵8泵出泥浆量和水量。电流表15与动力头2连接，用于表征动力头2运行时的电流值，进一步地，动力头2内设有电机，电流表15安装在电机上，用于测量电机工作时的电流值。根据激光测距仪16测量的其与横向导轨13之间的距离，可换算得到钻头4下贯或提升的距离，从而得到搅拌深度及成桩长度。在一实施例中，激光测距仪16上设有横板，横板设置在任一竖向导轨12的顶端。该设置使得激光测距仪16位于横向导轨13的上方，便于激光测距仪16测量其与横向导轨13之间的距离。

在上述步骤S2中，根据搅拌均匀性试验目的和拟加固土层情况，确定拟搅拌的试验土样18、成桩系统的钻头4形式、拟采用的施工参数、成桩模型箱1大小及试验组数等，并形成搅拌均匀性模型试验方案。钻头4形式及钻头4上叶片5的数量及叶片5的倾角。

进一步地，在上述步骤S21中，根据要求设定m组试验组，分别为第1组、第2组、……、第m组，每组试验组选取不同的每米搅拌切土次数和喷浆流速。如第1组的每米搅拌切土次数为300，第2组的每米搅拌切土次数为400，……，第m组的每米搅拌切土次数为N。其中，试验组的数量需达到搅拌完全均匀所需的试验组数来决定，在采用后面的若干组的每米搅拌切土次数进行水泥土搅拌桩施工时，水泥土搅拌桩是搅拌完全均匀的。

进一步地，每米搅拌切土次数由以下公式计算：

BRN＝∑M·N_u/V_u (6)

式中，BRN为每米搅拌切土次数，∑M为叶片总数，N_u为钻头提升转动速度，V_u为钻头的提升速度；

在需要改变每米切土次数时，通过改变钻头的提升速度来改变每米切土次数。

每米搅拌切土次数是一个综合的工艺参数，与钻头贯入速度、钻头提升速度、钻头转速和叶片数量相关，表征水泥土搅拌桩的搅拌程度，是施工过程中水泥土搅拌桩施工质量的重要评价指标。每米搅拌切土次数的计算式为：BRN＝∑M·(N_u/V_u+N_d/V_d)，式中，BRN为每米搅拌切土次数，∑M为叶片5总数，N_u为钻头4提升转动速度，V_u为钻头4的提升速度，N_d为钻头4下贯转动速度，V_d为钻头4的下贯速度。但是由于搅拌桩19施工中，喷浆只发生在钻头4提升的时候，因此在本实施例中，每米搅拌切土次数只计入喷浆阶段的次数，因此每米搅拌切土次数的只计算钻头4提升转动速度以及钻头4的提升速度，从而对每米搅拌切土次数的计算式进行修改而得到公式(6)。并且在进行搅拌均匀性试验时，保持各试验组中钻头4的转动速度一致，只通过改变钻头4的提升速度来改变每米切土次数，以更加的评定搅拌钻头4在提升搅拌时的搅拌均匀性。同时，喷浆阶段的喷浆量是一定的，因此施工参数中，喷浆流速与钻头4的提升速度相关。

在确定试验组后，然后采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩：a、在成桩模型箱1内制备符合要求的试验土样18，制备颜色区分度高的染色泥浆备用，其中，每次制备水泥浆应控制染色料在水泥浆中溶度不变；b、控制行走系统和成桩系统，使得钻头4搅拌下贯至一定深度，如下贯至1.2米，以确保上部能形成1m有效的搅拌土体；c、控制行走系统、成桩系统和注浆系统，以一定的钻头4提升转速、钻头4的提升速度、喷浆流速进行提升喷浆搅拌，使单位深度土体搅拌切割300r；d、提升钻头4，移动成桩模型箱1，清洗模拟试验装置，完成第1组每米搅拌切土次数为300的搅拌均匀性试验；按照步骤a至步骤d，完成下一组每米搅拌切土次数为400的试验，直至完成全部的试验组。

在上述步骤S22中，各试验组的搅拌桩19保养7天后，由于搅拌桩19在上部1m形成有效的搅拌土体，因此可以在搅拌桩19的0cm、25cm、50cm、75cm及100cm深度上切割搅拌桩19，并用摄像机分别拍摄各搅拌桩19在0cm、25cm、50cm、75cm及100cm位置横剖面的图片，得到每个每米搅拌切土次数对应的0cm、25cm、50cm、75cm及100cm位置横剖面的图片。

在上述步骤S3中，根据搅拌桩19各横剖面的水泥土中的颜色变化情况来反应水泥土搅拌桩19的搅拌均匀性。

进一步地，在上述步骤S31中，根据第一处理规则，对每米搅拌切土次数对应的0cm、25cm、50cm、75cm及100cm位置横剖面的图片进行处理，以得到每米搅拌切土次数对应的灰度标准值。

进一步地，在步骤S31中，根据第一处理规则对每米搅拌切土次数对应的多张图片进行处理，得到每米搅拌切土次数对应灰度标准值的步骤中，包括：

S311、对于每张图片，将图片转化为灰度图，根据预设公式计算图片中搅拌桩边界所围成图形内的灰度标准值，得到每张图片对应的灰度标准值；

S312、对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张图片的灰度标准值的平均值，以计算得到的平均值作为每米搅拌切土次数对应灰度标准值。

在上述步骤S311和步骤S312中，对于每张图片，先将图片转化为灰度图，然后根据预设公式计算图片中搅拌桩边界所围成图形内灰度的平均值、标准差、变异系数，从而求出图片中相应的搅拌桩19径范围内的灰度标准值，得到图片的灰度标准值，然后计算每米搅拌切土次数对应的0cm、25cm、50cm、75cm及100cm位置横剖面的图片的灰度标准值的平均值，以该平均值作为每米搅拌切土次数对应的灰度标准值。

在上述步骤S32中，根据每米搅拌切土次数对应的灰度标准值，可分析水泥土在不同的每米搅拌切土次数时水泥土颜色变化情况，根据水泥土颜色变化情况可以得到搅拌桩19搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数，记为基准每米搅拌切土次数。

进一步地，在步骤S32中，在基于多个每米搅拌切土次数对应的灰度标准值，得到搅拌桩19搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数的步骤中，包括：

S321、在多个每米搅拌切土次数中依次选择一个目标每米搅拌切土次数，判断目标每米搅拌切土的灰度标准值与前一个每米搅拌切土次数的灰度标准值的差值是否小于预设的第二阈值，以及判断目标每米搅拌切土的灰度标准值与后一个每米搅拌切土次数的灰度标准值的差值是否小于预设的第二阈值；

S322、若是，则以目标每米搅拌切土次数作为搅拌桩19搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数。

在上述步骤S321和步骤S22中，由于随着每米搅拌切土次数增加到一定值后，即使继续增加搅拌的每米搅拌切土次数，搅拌桩19的颜色都不会有太大的变化。因此可以将多个每米搅拌切土次数按大小顺序进行排序，然后在排序好的每米搅拌切土次数中依次选择一个目标每米切土次数，判断目标每米搅拌切土的灰度标准值与前一个每米搅拌切土次数的灰度标准值的差值是否小于预设的第二阈值，同时判断目标每米搅拌切土的灰度标准值与后一个每米搅拌切土次数的灰度标准值的差值是否小于预设的第二阈值，预设的第二阈值可以根据实际需求确定。若是两个判断的结果均为是，则可以认为目标每米搅拌切土次数的灰度标准值与其前后的每米搅拌切土次数的灰度标准值相差不大，也即说明目标每米搅拌切土次数搅拌的水泥土的颜色不再变化，可以认为目标每米搅拌切土次数对应的搅拌桩19已经达到搅拌完全均匀，也即将目标每米搅拌切土次数作为搅拌桩19搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数。

在上述步骤S33中，对于每张图片，将图片转化为灰度图，图中至少包括搅拌桩边界，然后将搅拌桩边界所围成图形划分为M个等面积的网格，使得每个图片上的网格数量一样，然后根据预设公式计算计算图片中每个网格内灰度的平均值、标准差、变异系数，从而求出网格的灰度标准值，然后将网格内的灰度标准值与基准每米搅拌切土次数对应的灰度标准值进行比较，以判断网格内的灰度标准值与基准每米搅拌切土次数对应的灰度标准值之间的差值是否小于等于预设的第一阈值。

进一步地，预设公式包括：

式中，

为灰度统计平均值，n为计算区域内提取的灰度值的个数，/>

为计算区域内提取的第i个灰度值，i＝1、2、……、n，σ_f为灰度统计标准差，δ为灰度变异系数，γ_s为统计修正系数，±按不利组合考虑，/>

为灰度标准值。

在计算图片中搅拌桩19边界所围成图形内灰度的平均值时，n为图片中搅拌桩19边界所围成图形内提取的灰度值的个数。而在计算网格内灰度的平均值时，n为网格内提取的灰度值的个数。

在上述步骤S34中，若是网格内的灰度标准值与基准每米搅拌切土次数对应的灰度标准值之间的差值小于等于预设的第一阈值，说明网格内的灰度标准值与基准每米搅拌切土次数对应的灰度标准值相等或接近，此时可定量地平均该网格内的水泥土已搅拌均匀，因此将该网格记为搅拌完全网格。

在上述步骤S35中，对于每张图片，统计图片上搅拌完全网格的数量，得到图片的搅拌均匀网格数，用图片上搅拌均匀网格数来定量评价图片中水泥土搅拌情况。

在上述步骤S36中，由于每个每米搅拌切土次数对应一个搅拌桩19，搅拌桩19被切割成若干份后，对各切割面进行拍摄，得到各切割面的图片，因此每个每米搅拌切土次数对应的多张切割面的图片。对于每个每米搅拌切土次数对应的多张切割面图片，采用

计算多张切割面图片的搅拌均匀网格数的平均值，式中，N′为每米搅拌切土次数对应的多张切割面图片的搅拌均匀网格数的平均值，m为每米搅拌切土次数对应的多张切割面图片的数量，N_j为每米搅拌切土次数对应的第j张图片的搅拌均匀网格数。将上述得到的平均值作为每个每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数。

进一步地，在对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张图片的搅拌均匀网格数的平均值，以计算的平均值作为每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数的步骤之后，方法还包括：

S35a、对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张图片的搅拌均匀网格数的极差，判断极差是否大于每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数的预设百分率；

S35b、若否，则执行步骤S36；

S35c、若是，则将选取该每米搅拌切土次数的试验组记为重新试验组，采用模拟试验装置就重新试验组作模拟成桩。

在上述步骤S35a至步骤S35c中，预设百分率可以设定为30％，对于每个每米搅拌切土次数，判断其对应的多张图片的搅拌均为网格数的极差与平均值的关系的目的是为了确保在搅拌桩19内不同深度处剖面的搅拌均匀性相差不大，一般极差不大于平均值的30％，若极差大于平均值的30％，则说明该试验组的成桩试验操作有问题，需要重新对选取该每米搅拌切土次数的实验组进行成桩，然后在对重新成桩后的搅拌桩19进行切割摆设，以得到该每米搅拌切土次数对应的多张图片，并重新通过步骤S3对多张图片进行处理。

在上述步骤S37中，以上述m组的每米搅拌切土次数为横坐标，对应的m组的每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数为纵坐标作图，得到每米搅拌切土次数与搅拌均匀网格数的关系曲线，如图4所示。从而由曲线得到搅拌均匀网格数为M时对应的每米搅拌切土次数。并且从图4可知，搅拌均匀网格数最多为M，当每米搅拌切土次数超过搅拌均匀网格数为M时对应的每米搅拌切土次数之后，搅拌均匀网格数保持不变，不会继续提高，因此搅拌均匀网格数为M时对应的每米搅拌切土次数为该加固土体适宜的每米搅拌切土次数，超过该适宜的每米搅拌切土次数之后，搅拌为无效搅拌。

实施例2

本发明还提供了一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，包括：

S1、组装模拟试验装置：模拟试验装置包括成桩模型箱1、成桩系统、注浆系统、数据采集系统和控制系统17，成桩系统架立在成桩模型箱1的上方，注浆系统通过第一注浆管与成桩系统相连接，用于向成桩系统输送染色泥浆，数据采集系统对成桩系统和注浆系统的试验数据进行监测，控制系统17分别与成桩模型箱1、成桩系统和注浆系统连接；

S2、利用模拟试验装置模拟搅拌桩施工：根据试验要求设定多组试验组，各所述试验组选取不同的施工参数，所述施工参数包括每米搅拌切土次数和喷浆流速；然后采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩，并在成桩过程中对每米搅拌切土次数对应的搅拌桩19的表面进行拍摄，得到每个每米搅拌切土次数对应的图片；

S3、获取搅拌均匀的每米搅拌切土次数：

S31、根据第一处理规则对图片进行处理，得到每米搅拌切土次数对应的灰度标准值；

S32、基于多个每米搅拌切土次数对应的灰度标准值，得到搅拌桩19搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数，记为基准每米搅拌切土次数；

S33、对于每张图片，将图片中搅拌桩19边界所围成图形划分为M个等面积的网格，根据预设公式计算网格内的灰度标准值，并判断网格内的灰度标准值与基准每米搅拌切土次数对应的灰度标准值之间的差值是否小于等于预设的第一阈值；

S34、若是，则将网格记为搅拌完全网格；

S35、统计每张图片上搅拌完全网格的数量，得到每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数；

S36、以多个每米搅拌切土次数为横坐标，对应多个每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数为纵坐标作图，得到每米搅拌切土次数与搅拌均匀网格数的关系曲线，由曲线得到搅拌均匀网格数为M时对应的每米搅拌切土次数。

实施例1是评价钻头在提升搅拌时，搅拌桩19的搅拌均匀性，钻头搅拌轨迹为螺旋上升，试验工艺与实际施工工艺一致。而实施例2是评价钻头在固定位置不提升时，搅拌桩19的搅拌均匀性。因此实施例2与实施例1的区别在于在确定试验组后，然后采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩以及对搅拌桩19进行拍摄的步骤不同。具体地，本实施例中采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩，并在成桩过程中对每米搅拌切土次数对应的搅拌桩19的表面进行拍摄的步骤包括：a、在成桩模型箱1内制备符合要求的试验土样18，制备颜色区分度高的染色泥浆备用，其中，每次制备水泥浆应控制染色料在水泥浆中溶度不变；b、控制行走系统和成桩系统，使得钻头4搅拌下贯至一定深度，使得钻头上的最上层叶片与试验土样18平齐；c、控制行走系统、成桩系统和注浆系统，以一定的钻头4转速、喷浆流速进行喷浆搅拌，使钻头切割土体300r，并使用摄像机拍摄搅拌桩19的图片；d、不喷浆，保持同样的钻杆3转速继续搅拌，分别搅拌至每米搅拌切土次数为400、600、……、N，直到完成全部的试验组，并拍摄不同每米搅拌切土次数时搅拌桩19上表面的图片。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)模拟试验装置能够模拟现场水泥土搅拌桩的施工搅拌过程，可记录各施工工艺参数，可对影响水泥土搅拌桩成桩质量的喷浆量、每米搅拌切土次数等施工参数进行监测与智能控制，提高了试验效率；

(2)通过模拟试验装置在室内进行模拟成桩，借助模拟成桩，提出了水泥土搅拌桩基于染色泥浆的搅拌均匀性定量评价方法，可评价不同加固土体在不同的每米搅拌切土次数下的搅拌均匀性，从而确定不同加固土体的适宜每米搅拌切土次数，减小水泥土搅拌桩的无效搅拌数，节省工期及项目成本，同时可知道现场不同土层的施工工艺参数优化，提高成桩的搅拌均匀性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，其特征在于，包括：

S1、组装模拟试验装置：模拟试验装置包括成桩模型箱、成桩系统、注浆系统、数据采集系统和控制系统，所述成桩系统架立在成桩模型箱的上方，所述注浆系统通过第一注浆管与成桩系统相连接，用于向所述成桩系统输送染色泥浆，所述数据采集系统对成桩系统和注浆系统的试验数据进行监测，所述控制系统分别与成桩模型箱、成桩系统和注浆系统连接；

S2、利用模拟试验装置模拟搅拌桩施工：

S21、根据试验要求设定多组试验组，各所述试验组选取不同的施工参数，所述施工参数包括每米搅拌切土次数和喷浆流速；然后采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩；

S22、对各所述试验组的搅拌桩，将所述搅拌桩沿其长度方向切割成若干份，对所述搅拌桩的各切割面进行拍摄，得到每个每米搅拌切土次数对应的多张图片；

S3、获取搅拌均匀的每米搅拌切土次数：

S31、根据第一处理规则对每米搅拌切土次数对应的多张图片进行处理，得到每米搅拌切土次数对应的灰度标准值：

S311、对于每张所述图片，将图片转化为灰度图，根据预设公式计算图片中搅拌桩边界所围成图形内的灰度标准值，得到每张所述图片对应的灰度标准值；

其中，所述预设公式包括：

式中，

为灰度统计平均值，n为计算区域内提取的灰度值的个数，

为计算区域内提取的第i个灰度值，i＝1、2、……、n，σ_f为灰度统计标准差，δ为灰度变异系数，γ_s为统计修正系数，±按不利组合考虑，

为灰度标准值；

S312、对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张所述图片的灰度标准值的平均值，以计算得到的平均值作为每米搅拌切土次数对应灰度标准值；

S32、基于多个每米搅拌切土次数对应的灰度标准值，得到搅拌桩搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数，记为基准每米搅拌切土次数；

S33、对于每张图片，将图片中搅拌桩边界所围成图形划分为M个等面积的网格，根据预设公式计算网格内的灰度标准值，并判断网格内的灰度标准值与基准每米搅拌切土次数对应的灰度标准值之间的差值是否小于等于预设的第一阈值；

S34、若是，则将网格记为搅拌完全网格；

S35、统计每张图片上搅拌完全网格的数量，得到每张图片的搅拌均匀网格数；

S36、对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张所述图片的搅拌均匀网格数的平均值，以计算的平均值作为每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数；

S37、以多个每米搅拌切土次数为横坐标，对应多个每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数为纵坐标作图，得到每米搅拌切土次数与搅拌均匀网格数的关系曲线，由曲线得到搅拌均匀网格数为M时对应的每米搅拌切土次数。

2.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，其特征在于，在所述基于多个每米搅拌切土次数对应的灰度标准值，得到搅拌桩搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数的步骤中，包括：

在多个每米搅拌切土次数中依次选择一个目标每米搅拌切土次数，判断目标每米搅拌切土的灰度标准值与前一个每米搅拌切土次数的灰度标准值的差值是否小于预设的第二阈值，以及判断目标每米搅拌切土的灰度标准值与后一个每米搅拌切土次数的灰度标准值的差值是否小于预设的第二阈值；

若是，则以目标每米搅拌切土次数作为搅拌桩搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数。

3.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，其特征在于，在所述对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张所述图片的搅拌均匀网格数的平均值，以计算的平均值作为每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数的步骤之后，所述方法还包括：

S35a、对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张所述图片的搅拌均匀网格数的极差，判断极差是否大于每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数的预设百分率；

若否，则执行步骤S36；

若是，则将选取该每米搅拌切土次数的所述试验组记为重新试验组，采用所述模拟试验装置就重新试验组作模拟成桩。

4.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，其特征在于，所述成桩系统包括动力头、钻杆和钻头，所述动力头与钻杆的顶端连接，用于驱动所述钻杆旋转，所述钻头设置在钻杆的底端，所述钻头上设有多个叶片，所述钻头上开设有喷浆口；

所述根据试验要求设定多组试验组，各所述试验组选取不同的施工参数，所述施工参数包括每米搅拌切土次数和喷浆流速；然后采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩的步骤中，包括：

每米搅拌切土次数由以下公式计算：

BRN＝∑M·N_u/V_u (6)

式中，BRN为每米搅拌切土次数，∑M为叶片总数，N_u为钻头提升转动速度，V_u为钻头的提升速度；

在需要改变每米切土次数时，通过改变所述钻头的提升速度来改变每米切土次数。

5.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，其特征在于，所述注浆系统包括储水容器、储浆容器和水泵，所述水泵的进水口分别通过第二注浆管与储水容器和储浆容器连接，其出水口与所述第一注浆管连接，所述第二注浆管上设有阀门，所述控制系统与水泵和阀门连接。

6.根据权利要求4所述的水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，其特征在于，所述模拟试验装置还包括行走系统，所述行走系统包括两条间隔设置的纵向导轨、两条分别滑动设置在两条纵向导轨上的竖向导轨、两端分别滑动设置在两条竖向导轨上的横向导轨和用于驱动横向导轨沿竖向导轨上下移动的驱动机构，所述驱动机构与控制系统连接，所述动力头滑动设置在横向导轨上。

7.根据权利要求6所述的水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，其特征在于，所述数据采集系统包括流量计、电流表和激光测距仪，所述流量计设置在水泵上，用于测量喷浆量，所述电流表与动力头连接，用于测量所述动力头的电流值，所述激光测距仪设置在任一竖向导轨的顶端，用于测量其与所述横向导轨之间的距离。

8.一种水泥土搅拌桩搅拌室内均匀性评价方法，其特征在于，包括：

S1、组装模拟试验装置：模拟试验装置包括成桩模型箱、成桩系统、注浆系统、数据采集系统和控制系统，所述成桩系统架立在成桩模型箱的上方，所述注浆系统通过第一注浆管与成桩系统相连接，用于向所述成桩系统输送染色泥浆，所述数据采集系统对成桩系统和注浆系统的试验数据进行监测，所述控制系统分别与成桩模型箱、成桩系统和注浆系统连接；

S2、利用模拟试验装置模拟搅拌桩施工：根据试验要求设定多组试验组，各所述试验组选取不同的施工参数，所述施工参数包括每米搅拌切土次数和喷浆流速；然后采用模拟试验装置分别就各试验组作模拟成桩，并在成桩过程中对每米搅拌切土次数对应的搅拌桩的表面进行拍摄，得到每个每米搅拌切土次数对应的图片；

S3、获取搅拌均匀的每米搅拌切土次数：

S31、根据第一处理规则对图片进行处理，得到每米搅拌切土次数对应的灰度标准值：

S311、对于每张所述图片，将图片转化为灰度图，根据预设公式计算图片中搅拌桩边界所围成图形内的灰度标准值，得到每张所述图片对应的灰度标准值；

其中，所述预设公式包括：

式中，

为灰度统计平均值，n为计算区域内提取的灰度值的个数，

为计算区域内提取的第i个灰度值，i＝1、2、……、n，σ_f为灰度统计标准差，δ为灰度变异系数，γ_s为统计修正系数，±按不利组合考虑，

为灰度标准值；

S312、对于每个每米搅拌切土次数，计算每米搅拌切土次数对应的多张所述图片的灰度标准值的平均值，以计算得到的平均值作为每米搅拌切土次数对应灰度标准值；

S32、基于多个每米搅拌切土次数对应的灰度标准值，得到搅拌桩搅拌完全后对应的每米搅拌切土次数，记为基准每米搅拌切土次数；

S33、对于每张图片，将图片中搅拌桩边界所围成图形划分为M个等面积的网格，根据预设公式计算网格内的灰度标准值，并判断网格内的灰度标准值与基准每米搅拌切土次数对应的灰度标准值之间的差值是否小于等于预设的第一阈值；

S34、若是，则将网格记为搅拌完全网格；

S35、统计每张图片上搅拌完全网格的数量，得到每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数；

S36、以多个每米搅拌切土次数为横坐标，对应多个每米搅拌切土次数对应的搅拌均匀网格数为纵坐标作图，得到每米搅拌切土次数与搅拌均匀网格数的关系曲线，由曲线得到搅拌均匀网格数为M时对应的每米搅拌切土次数。

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