浅析振动沉管碎石桩机智能监控系统的研究与应用

摘 要：随着我国基础设施事业的快速发展，振动沉管碎石桩作为一种造价低廉，同时又能有效提高地基承载力、减少地基不均匀沉降、加速软基固结沉降的地基处理技术在道路工程中得到了广泛应用。但目前传统的碎石桩施工还在采用基本的人工记录和判断，增加了管理成本，且存在质量隐患。文章结合四川长江工业园区工程实际，主要就振动沉管碎石桩机智能监控系统的研究与应用进行了探讨。

关键词：四川长江工业园区；振动沉管碎石桩机；智能监控系统；研究与应用

1 碎石桩的施工标准

一般的市政道路或高速公路工程软基常常采用振动沉管碎石桩进行处理。通常采用的碎石桩桩径为0.5m，等边三角形布置，桩间距为1.5m，桩体底面深至基岩或压缩性较低的硬层。桩体材料采用未风化的、强度大于25MPa的砂岩轧制，也可用灰岩碎石、卵石、砂砾石等，粒径按2～5cm控制，含泥量不大于3%。桩体密实度要求在采用重Ⅱ型动力触探钻入10cm时击数不小于5次。

2 碎石桩施工现状

目前国内施工中常用的碎石桩钻机型号有DZJ-90、 DCB60-75S、DCB50，主要构成部分包括：振动锤、下料斗、桩管、钻头、控制台、走行设备等，碎石桩施工过程中主要控制参数有：电流值、钻孔深度、碎石灌入量、钻孔垂直度。传统的碎石桩机的电流值是现场人工观测控制台老式指针电流表进行记录；钻孔垂直度是操作人员采用水平尺进行检测；而钻孔深度和碎石灌入量是操作人员根据钻杆刻度进行人工计算。

2.1 电流值

目前传统的碎石桩机的机械控制单元完全由单一的电气回路控制，并未加装任何传感设备及通讯模块等智能部件，观察电机电流还在使用老式指针电流表。施工前通过试验桩的施工，观察确定碎石桩机在软土层中正常钻进时的电流值，一般在50～60A左右；在钻至基岩或压缩性交底的硬层时，会发现钻头仅有微小下沉，且电流表指针突变至90～110A左右，以此来确定钻孔深度已达到设计标准，可以提管下料。但实际的工程地质条件往往较复杂，通过试验段确定的判断钻孔深度达到持力层的依据（钻杆持续5s不下沉或仅有微小下沉、电流表读数为90～110A），并无直观的强度指标，无法“以点带面”的作为施工依据，造成很多软基处置出现二次沉降等质量问题。

2.2 钻孔深度

钻孔深度刻度尺的确定：在碎石桩机组装完成、钻头活瓣接触到施工场地后，在与桩管平行的固定钢管上人工采用油漆进行刻度划分，一般最小刻度为0.5m。目前在施工过程中钻孔深度由人工观察刻度尺来估读确定，并手工填写相关记录表。这种观测方法准确度低，人工成本高。

2.3 碎石灌入量

充盈系数：施工前通过试验桩的施工，计算确定松散碎石堆料与压实碎石桩料的转换系数，即充盈系数，一般在1.25～1.35左右。目前碎石灌入量为人工根据桩长直接计算，碎石灌入量=实测桩长×设计碎石桩圆截面积×充盈系数。但由于目前桩长为人工估读，所以碎石灌入量的准确度也低。

3 振动沉管碎石桩机智能监控系统的研究与應用

在当今互联网、数字化、信息化、智能化飞速发展的今天，碎石桩机和施工过程控制还是遵循传统的人工观测、记录，不仅准确度底、容错率小、且人工成本高昂。为真实直观地反映碎石桩施工质量，提高施工效率，减少人工投入，完全可以对传统的碎石桩机和施工控制进行改进和革新。

3.1 系统构成

①由于现场运行工况较差（例如：振动大等），对传感器应用可靠性的影响较大，需做大量试验来获得最佳的技术改造方案。

电流值：采用原有控制柜的电流互感器接入电机控制管理单元，测得电流，具体拟采用国产江苏斯菲尔仪表的智能电流表以数字显示电流值。钻孔深度：采用激光测距传感设备测量振动沉管碎石桩钻孔深度，在桅杆顶部安装激光测距传感器，钻孔开始前测得一个初始距离d0，在钻孔过程中，测得一个实时距离d1，当前钻孔深度=d1-d0。碎石灌入量：根据实测打桩深度、充盈系数等参数利用软件计算填入的碎石量并实时显示。钻杆的垂直度：采用倾斜角传感设备，实时校正振动沉管碎石桩钻杆垂直度。钻头处的土层强度：根据现场施工经验，越接近持力层电流越大，钻头振幅越小，本项目拟根据测得的实时贯入度和电流值在嵌入式平台上使用数学分析方法来估算出钻头处土层强度，根据强度来直观反映桩体是否进入持力层。

②智能监控系统的搭建，本项目拟采用Linux操作系统、LCD电容触摸屏、汽车级I.MX6主板和软件开发工具QT来完成智能监控系统的研发。研发过程中需借鉴已有的类似设备的驱动程序，进行大量的模拟及调试，并且需对碎石桩机的适应性进行改造，确保满足传感器及操作平台的安装及搭建。后期可以开发相应的APP，将施工数据实时无线远传至管理人员的电脑和手机上。

3.2 技术创新与研究难点

钻头处土层强度量测因为处于地下，尚无较成熟的方法和技术，本项目拟根据测得的实时贯入度和电流值在嵌入式平台上使用数学分析方法（应力强度干涉模型，置信区间估计模型，随机分布的拟合模型），推导出适用的经验公式，并用软件算法实现，使之形成一套成熟的经验方法来估算出钻头处土层强度，通过与持力层标准强度值比较可直观的反映出钻头是否已达到持力层处。

4 结语

智能监控系统在四川长江工业园区项目的实际操作中证明，具有智能监控系统的碎石桩机可以大大提高施工效率及施工质量，减少人工投入，节约管理成本，且该系统优化后可与碎石桩机生产厂家合作共赢，提高产品竞争力，应用前景极为广阔，极具研究价值。

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