基于能量消耗监测的深层搅拌桩施工质量控制方法

摘要

一种建筑工程技术领域的基于能量消耗监测的深层搅拌桩施工质量控制方法，通过施工现场地质勘测、室内搅拌试验、室内模型桩试验并通过无侧限抗压试验获得最佳施工参数并进行现场搅拌实施。本发明与现有技术相比可以更合理的控制深层搅拌桩的施工质量。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种基于能量消耗监测的深层搅拌桩施工质量控制方法。

背景技术

深层搅拌桩在软土地基的加固处理中已经成功应用了30多年，其施工过程是通过搅拌机械将化学混合物(水泥、石灰等)与地基土就地混合，深层搅拌桩的强度是通过水泥(或石灰)与土的化学反应获得的。强度的影响因素主要包括固化剂和现场土的特征、混合的均匀程度和养护条件，其中混合的均匀程度是一个很关键的影响因素，工程中的质量问题主要是由于搅拌混合的不均匀引起的。现场施工一般有两种途径可以提高水泥混合土的搅拌均匀性：其一是开发各种高效率的搅拌设备，如搅拌叶片与不同形状喷嘴，近年来已开发了多种新的工法，如双搅(DM)工法，带有固定叶片的深层搅拌桩搅拌头，以及结合搅拌与旋喷优点的混合施工法如带扩散防止板及喷浆口的旋喷深层搅拌头；其二是如何在施工中有效地使用既有的搅拌设备，提高施工管理水平，使之不断完善。但是一般现场搅拌的质量控制基本依靠操作人员的经验，由于操作人员经验的差异便会带来施工质量的差异，从而使得施工管理整体水平较低。有现场测试表明混合强度不仅与搅拌叶片的类型有关，还与搅拌过程中施加的总能量有关。

经过对现有技术文献检索发现，目前我国正在使用的建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)有关于搅拌与复搅的规定，但是搅拌时间的长短以及复搅的次数一般由操作人员的经验决定。这样做会导致施工质量的差异，以及资源的浪费，合理性较差。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于能量消耗监测的深层搅拌桩施工质量控制方法，通过室内搅拌试验，并建立室内模型地基，然后改进施工设备，并进行模型桩试验，然后得到无侧限抗压强度与搅拌能量之间的关系，最后确定最佳施工参数，从而可以更合理的控制深层搅拌桩的施工质量。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、施工现场地质勘测：先对需要进行施工的现场进行地质勘察，获取施工现场土样进行参数测试分析，得到施工现场土层划分信息和地质信息；

所述的施工现场土样是指：用厚壁取土设备，在施工现场从地面至桩的设计深度取土，用于做室内配合比试验，取土量根据试件量确定，以每层土不少于三个试件为宜；

所述的参数分析包括以下步骤：

①首先利用孔隙水压式的静力触探检测地层的贯入阻力与孔隙水压力随深度的变化曲线；然后以测得的孔隙水压与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴，作出关系图，将该图划分若干不同土性特征区，每一种特征代表一种土的类型；将实测的静力触探曲线的数据标于该图以判断场地土层的类型；再根据土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，确定施工现场土层划分信息；静力触探的测试深度为需施工搅拌桩深度的1.5倍；检测数量至少3个孔。

②用薄壁取土器在施工现场钻孔提取天然原状土的试样，采用激光粒度仪对取回的土样进行粒度分析试验，得到其颗粒组成，确定粘粒、粉粒、砂粒的百分含量；测定土层含水量，液塑限，孔隙比；用固结测试仪测定土层的固结性质；用强热减量的方法测定土中的有机质含量；用pH测定仪测定土的pH值；用单轴试验测定土层的无侧限抗压强度；取土深度为桩身长度的1.5倍，在施工范围内的取土孔至少3个；从而确定地质信息。

③用厚壁取土设备，从地面至桩的设计深度取土，用于做室内配合比试验，取土量根据试件量确定，以每层土不少于三个试件为宜；

第二步、室内搅拌试验，具体包括两个步骤：

①将取得的扰动土样按重量比5％，10％，15％，20％，25％制成试件；每个比例各6个试件，其中3个养护14天，另外3个养护28天后，分别测定无侧限抗压强度，对于每层土均需进行室内配合比试验。

②将上述混合比试验的结果制成图，其中竖轴为强度，横轴为水泥掺量；然后根据设计强度从上述图中读取最佳水泥掺量。

第三步、室内模型桩试验，具体包括两个步骤：

①利用施工现场土样建立室内模型地基：首先将取回来的土样放入模型槽并搅拌充分，然后在预加荷载的情况下使地基固结，制成室内模型地基。

②在室内模型地基上进行模型桩试验：在原有搅拌桩打设设备的基础上，在电源连接位置增加电流测定装置并计算得到搅拌机在给定时间内的消耗能量；根据第二步确定的最佳水泥掺量，用已经改进过的搅拌桩打设设备在室内模型地基上打设若干搅拌桩并进行标号；

所述的电流测定装置是指：电流表、杂散电流测定仪或智能测流仪；

所述的搅拌机在给定时间内的消耗能量通过以下方式得到：

W＝U·I·t

式中：U为搅拌机的工作电压、I为电流、t为搅拌时间。

所述的已经改进过的搅拌桩打设设备是指：在原有搅拌桩打设设备的基础上，在电源连接处增加测定电流的装置。

第四步、在桩硬化之前，用薄壁取土器从搅拌桩中提取得到水泥土样并制成测试试件，将测试试件放入温度为20±3℃、相对湿度在90％以上的养护室进行养护达到规定养护龄期后，进行无侧限抗压试验得到无侧限抗压强度，与第三步中得到的搅拌机在给定时间内的消耗能量确定搅拌所消耗的能量与无侧限抗压强度的关系以及无侧限抗压强度与施工现场土层划分信息和地质信息之间的关系，最终确定最佳施工参数并进行现场搅拌实施。

所述的无侧限抗压试验是指：试验时，将圆柱形试样放在无侧限压力仪中，在不加任何侧向压力的情况下施加垂直压力，直到使试件剪切破坏为止，剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，该试验过程称为无侧限抗压试验。

所述的现场搅拌实施是指：在搅拌桩打设设备电源连接处设置一电表，以测定消耗能量；然后根据施工方案中的设计强度要求，以及第四步中已经确定的消耗能量、无侧限抗压强度与最佳施工参数三者之间的关系，确定最佳施工参数，以及需要消耗多少能量；随后进行第一根搅拌桩施工，在打设搅拌桩的同时，关注电表的变化，达到消耗的能量时，停止搅拌，第一根施工完成；然后依此重复，完成其他搅拌桩的施工。

本发明首先通过室内搅拌试验确定水泥最佳掺入比，并进行模型桩试验，确定消耗能量、无侧限抗压强度与最佳施工参数三者之间的关系，得到最佳施工参数，在该参数的指导下，便可以定量的、较为准确的控制搅拌桩的施工质量。

附图说明

图1为实施例无侧限抗压强度与水泥掺入比关系图。

图2为实施例桩位布置图。

图3为实施例无侧限抗压强度与搅拌能量关系图

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例以下步骤进行：

(1)明确现场地质情况：最上面一层(0.0～0.6m)为非饱和土层，由风化作用而形成；其下层(0.6～13.5m)黏土层，呈青灰色；再下面是砂层，即上部深厚层粘土，下部砂岩。所取土样的含水量在90～150％之间，粘粒含量为60％，粉粒含量为35％，砂粒含量为5％。

(2)进行室内配合比试验，将取得的扰动土样按重量比5％，10％，15％，20％，25％制成试件；每个比例各6个试件，其中3个养护14天，另外3个养护28天后，分别测定无侧限抗压强度，并做出无侧限抗压强度与水泥掺入比关系图，如图1，随后根据设计强度，读出确定最佳水泥掺量为20％。

(3)建立室内模型地基，将土样置于(1.5m×1.5m，高度为1m)土箱中，并进行充分搅拌，然后在20kPa的荷载下固结。

(4)在原有搅拌桩打设设备上增加一电表，然后在该模型地基上打设4根桩，编号为1、2、3、4，具体桩位布置如图2；具体参数：水灰比为80％，水泥掺入比为20％，向下搅拌速度为0.25m/min，向上搅拌速度为0.25m/min，桩的直径为150mm，长度为500mm，搅拌头的转动速率为30转/分，1号桩未进行复搅，2号桩复搅2次，3号桩复搅3次，4号桩复搅4次。在养护28天后挖出并制成直径为50mm，高为100mm的试件，然后做无侧限抗压试验，测定抗压强度，得到无侧限抗压强度与搅拌能量的关系，具体如图3，由该图并结合设计要求可以确定最佳施工参数：水泥掺入比为20％，搅拌速率为30转/分，向上搅拌速度为0.25m/min，向下搅拌速度为0.25m/min，复搅次数为3次。

(5)现场搅拌施工，由第4步确定的最佳参数，并参照图3，进行搅拌桩施工，经过测定28d强度，均达到了设计要求，并且桩身均匀与完整性很好。

本实施例可以定量的控制搅拌桩施工质量，相比以前单纯依靠技术人员经验控制施工质量，更科学，更准确，施工完成的搅拌桩桩身均匀且完整性很好，并且使得施工更便于管理。