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水泥土搅拌桩是软土地区最常用的地基加固方法，广泛应用于铁路、公路、轨道交通、港口码头、地下空间开发等工程。虽然水泥土搅拌桩具有最大限度利用原土、无振动、无噪声、无污染、结构形式灵活等优点^[1]，但目前国内水泥土搅拌桩施工存在自动化程度低、施工质量监控方法落后、无法实现远程监控，也不能根据实际土层实施区别喷浆等问题。水泥土搅拌桩施工质量控制仍依赖于现场人员操作，无法保证成桩质量，且沿桩长均匀喷浆的模式往往不符合实际土层情况，造成水泥用量浪费。

在水泥土搅拌桩施工控制方面技术人员进行了相关研究。吴一高等^[2]提出粉喷搅拌桩机的计算机控制系统，通过提前输入施工参数，对施工过程进行控制。徐超等^[3]基于对上部荷载作用下复合地基中水泥土搅拌桩桩身应力分布特征的认识，提出沿桩身改变水泥掺量的施工工艺，即第1次在全部桩长范围内喷射60%的水泥浆，第2次将剩余的40%水泥浆喷射在桩体上部0～10m范围内。JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》^[1]规定，桩长>10m的桩可在全长桩身水泥总掺量不变的前提下，在桩身上部1/3桩长范围内适当增加水泥掺量及搅拌次数。但这两种变掺量喷浆模式都未能考虑土层的实际分层情况。詹金林等^[4]研发了五 (六) 轴搅拌墙施工设备及施工技术，该设备可自动对动力头、喷浆和三点式桩架进行监控，施工完成后可在桩机操作室内查询每根轴每延米的喷浆量，通过现场施工试验证明^[5]，五 (六) 轴搅拌墙智能化程度高，成桩强度高且离散性小，但其监控方法仍属于施工完成后的检查，且必须在桩机操作室查看施工结果，不能对施工过程进行实时远程监控。

本文依托武汉市吴新干线道路改造工程，对水泥土搅拌桩智能化施工控制的实现方式及应用效果进行了研究。进行常规水泥土搅拌桩和智能化水泥土搅拌桩施工现场试验，对施工过程进行全程监控，采集每根试验桩喷浆量、钻杆电流等施工数据;通过分析常规水泥土搅拌桩钻杆电流随深度的变化情况，结合试验场地的地勘资料，确定试验场地的实际土层分布;调试智能化水泥土搅拌桩喷浆量自动调控程序并实施;通过对比分析试验桩的电流-喷浆量-深度曲线，对水泥土搅拌桩智能化施工控制的应用效果进行评价。

水泥土搅拌桩智能化施工采用两搅两喷的双向施工工艺，即下钻和提钻过程均喷浆，提钻时喷浆是为了防止软土堵塞送浆通道。智能化水泥土搅拌桩在常规水泥土搅拌桩机上安装深度仪、测斜仪、流量计、电流计4种传感器和监控主机，在送浆泵上安装调速电机。监控主机为工业级计算机，配置电容触摸屏，所有传感器与其有线连接，调速电机与监控主机则采用无线信号传输的方式连接。监控主机中安装土层识别及送浆量调控程序，该程序根据上述传感器在试桩过程中采集的施工数据和地勘资料编写;在互联网上设置1个云端服务器，接收并存储由监控主机上传的施工数据。

施工前，先打开监控主机，输入桩号，点击“记录”按钮;施工时，所有传感器在钻杆启动时开始采集施工数据，并传输至监控主机，监控主机根据接收到的外钻杆电流值识别土层性质，再向送浆泵的调速电机发送调速信号，以达到根据实际土层性质区别喷浆的目的。同时，监控主机将接收到的内、外钻杆电流值、钻杆所在深度、喷浆量和倾斜度数据实时上传、存储至云端服务器，供业主和监理单位随时通过手机、计算机等网络通讯设备远程查看，对施工情况进行监控。1根桩施工完成后，点击“完成”按钮，结束该桩智能化控制施工及记录。

本试验场地位于武汉市东西湖区东北部，属于垅岗平原，地势起伏不大。根据地勘资料，土层自上而下分述如下: (1) ₁杂填土，层厚0.5～1.0m; (2) ₁淤泥，层厚3.3～4.2m; (3) ₁黏土，层厚1.8～3.5m; (4) ₁淤泥，层厚约3.0m; (4) _2b黏土，层厚>2.0m。各土层物理力学指标如表1所示。

1) 提高水泥土搅拌桩自动化程度，减少对人工操作的依赖。

2) 自动判别土层，根据土层判别结果实时调整喷浆量，下钻与提钻之间进行切换时，两者对应的喷浆模式随之自动切换，使浆量分布符合实际土层情况，减少不必要的水泥浪费。

3) 对桩长、桩体垂直度、水泥掺入量等施工参数进行自动实时监控，将记录的施工数据实时上传并存储至云端服务器，供业主及监理单位通过网络通讯设备远程监控。

1) 设备安装与调试

在常规水泥土搅拌桩机上安装深度仪、流量计、电流计、测斜仪和监控主机，在送浆泵上安装调速电机。通过试桩对传感器进行调试，调试完成后进行常规水泥土搅拌桩施工试验。根据试验中采集的数据及地勘资料，编制初始土层识别及喷浆量调控程序，并安装在监控主机中。在互联网上设置1个云端服务器，用于接收并存储采集的施工数据。常规水泥土搅拌桩施工完成后，根据其施工数据及地勘资料对上述初始土层识别及喷浆量调控程序进行修正，再经试桩并确定系统正常运行后，进行智能化水泥土搅拌桩施工试验。

2) 水泥土搅拌桩智能化施工控制参数确定与调控程序优化

根据已有施工经验，暂定施工控制参数为桩长、喷浆量、垂直度等。根据系统监测结果和地勘资料，分析总结实际地层条件与外钻杆电流值及喷浆量之间的对应关系，对初始土层识别及喷浆量调控程序进行优化。

3) 水泥土搅拌桩智能化施工控制系统应用效果分析

通过比较分析常规水泥土搅拌桩与智能化水泥土搅拌桩的施工数据，从自动化程度、成桩质量控制、浆量分布及用量等方面对水泥土搅拌桩智能化施工控制系统的应用效果进行分析。

根据上述试验目的及试验内容，将试验场地划分为A, B两个区，设计水泥掺入量为87kg/m，水灰比为0.5，设计复合地基承载力特征值为85kPa。A区长50m，宽9m，施工常规水泥土搅拌桩，桩长为11m，桩径为600mm，桩间距为1.5m;B区长50m，宽9m，施工智能化水泥土搅拌桩，桩长为11m，桩径为600mm，桩间距为1.5m。A, B两个区各选取3根桩作为试验桩。试验场地平面布置如图1所示。

根据由云端服务器下载的A区施工数据，A区所施工的水泥土搅拌桩平均水泥掺入量为87.91kg/m。图2为A区1～3号试桩的电流-喷浆量-深度曲线，根据曲线得出的A区试桩施工参数如表2所示。

由表2可知，常规水泥土搅拌桩下钻时，在0～4.5m和7.0～10.0m深度范围内，外钻杆电流较小，介于20～35A;在4.5～7.0m和10.0～11.0m深度范围内发生突增，最大值可达60A，增长超过20A。常规水泥土搅拌桩下钻与提钻过程都是均匀喷浆，且提钻喷浆量与下钻喷浆量相等，均为2.5～3.0L/min。结合地勘资料可以确定，电流发生增长的土层应是 (3) ₁黏土层和 (4) _2b黏土层，其承载力特征值分别为120kPa和130kPa，均远大于设计要求的复合地基承载力特征值 (85kPa) ，故在这两个土层中，水泥浆的作用不再是补强软土，而是保证钻头顺利下钻，弥补因钻头扰动造成的强度损失。由于喷浆口位于搅拌叶片下方，故提钻时所喷的水泥浆不能与土充分搅拌，对提高软土强度的意义不大，其主要作用是防止软土堵塞送浆通道。无论是保证钻头顺利下钻、弥补扰动损失强度，还是保持送浆通道畅通，在 (3) ₁黏土层和 (4) _2b黏土层都只需要少量的水泥浆即可。所以，在 (3) ₁黏土层和 (4) _2b黏土层按照水泥掺入量设计值施工时，大部分水泥浆未能得到充分利用，将造成不必要的浪费。

基于A区试验数据分析结果，在B区施工开始之前，对初始土层识别及喷浆量调控程序中电流与喷浆量的关系进行优化调整，调整后电流与喷浆量的对应关系如表3所示。

根据云端服务器下载的B区施工数据，B区所施工的水泥土搅拌桩平均水泥掺入量为72.73kg/m。图3为B区4～6号试桩的电流-喷浆量-深度曲线，根据曲线得出的B区试桩施工参数如表4所示。

由表4可知，智能化水泥土搅拌桩下钻时，在0～4.5m和7.0～10.5m深度范围内，外钻杆电流较小，介于25～35A，喷浆量则略高于常规水泥土搅拌桩，为3.0～4.0L/min;在4.5～7.0m和10.5～11.0m深度范围内，外钻杆电流值出现增长，为40～50A，喷浆量则分别下调至1.0～2.0L/min和2.5～3.0L/min。提钻过程为少量均匀喷浆，喷浆量为0.5～1.0L/min，根据现场施工记录，施工过程中未出现送浆通道堵塞的现象。与表3中电流与喷浆量调整后的关系进行对比可知，智能化水泥土搅拌桩施工时已能根据电流实时调整下钻喷浆量，提钻时亦完成少量均匀喷浆的自动切换。

A区的常规水泥土搅拌桩，平均水泥掺入量为87.91kg/m，下钻和提钻过程都是均匀喷浆，且两者喷浆量保持一致。这种喷浆方法在承载力较高的 (3) ₁黏土层和 (4) _2b黏土层及提钻过程中喷浆过多，造成水泥浪费。由于提钻喷浆量约占总喷浆量的一半，势必导致软弱土层经充分搅拌的浆量不足，无法保证成桩质量。实际现场施工时，常规水泥土搅拌桩完全依靠人工操作，无法对其下钻深度、水泥掺入量等施工参数进行严格监控，故其成桩质量几乎完全依赖现场操作人员的责任心和熟练度，无法有效保证施工质量。相比之下，B区的智能化水泥土搅拌桩，平均水泥掺入量为72.73kg/m，比常规搅拌桩降低了15.18kg/m;下钻过程中根据外钻杆电流值判别土层，将0～4.5m和7.0～10.5m深度范围内的下钻喷浆量提高了0.5～1.0L/min，将4.5～7.0m和10.5～11.0m深度范围内黏土层的下钻喷浆量降低为常规水泥土搅拌桩的一半，将提钻喷浆量大幅降低为常规水泥土搅拌桩的1/3。故智能化水泥土搅拌桩的浆量分布更符合实际土层分布，且节约水泥用量。同时，智能化水泥土搅拌桩较高的自动化程度，缓解了对人工操作的依赖，为业主和监理单位提供的远程监控服务，改变了常规水泥土搅拌桩监测手段落后的局面，可有效对桩长、水泥掺入量、倾斜度等施工参数进行实时监控，进而有效保证施工质量。

基于水泥土搅拌桩智能化施工控制系统，通过现场试验，从自动化程度、成桩质量控制、浆量分布及用量等方面对其应用效果进行了分析，得到以下结论。

1) 水泥土搅拌桩智能化施工控制系统由深度仪、测斜仪、流量计、电流计、调速电机、监控主机及云端服务器构成，由监控主机内的自动控制程序完成该系统的控制运行。

2) 水泥土搅拌桩智能化施工控制系统自动化程度较高，改变了常规水泥土搅拌桩施工完全依赖人工操作的状况。

3) 水泥土搅拌桩智能化施工控制系统可为业主及监理单位提供实时的远程监控服务，可对桩长、桩体垂直度、水泥掺入量等施工参数进行严格监控，有效保证成桩质量，改变了常规水泥土搅拌桩监测方法落后的局面。

4) 水泥土搅拌桩智能化施工控制系统可根据实际土层的软硬实时调整下钻喷浆量，在硬土层少喷浆，在软土层多喷浆，提钻自动切换为少量均匀喷浆，使得桩体浆量分布符合实际土层情况，并可以保持送浆通道畅通，在有效保证成桩质量的同时节约水泥用量。