CN105220685A - 钻具及应用钻具的深层搅拌桩机施工方法 - Google Patents

Abstract

一种钻具，包括：钻杆、钻头、搅拌翼片，所述钻头设置在所述钻杆的一端，所述搅拌翼片设置在所述钻杆上；所述搅拌翼片包括依次设置在所述钻杆上用于喷浆的底层搅拌翼片、中层搅拌翼片、上层搅拌翼片，且所述底层搅拌翼片设置在靠近所述钻头的一端。其优点是：①、钻头中搅拌翼片的增加，结构简单，安装方便，无需更换动力系统即可工作，增加对土体的切割次数，确保搅拌土体任何一点搅拌次数提高50％以上，大大提高了搅拌效率，从而提升搅拌桩的成桩质量；②、各层翼片间的分布特点以及翼片与钻杆之间的角度设计，平衡了桩头旋转切割土体时的阻力，使钻头方便进入土体的同时搅拌更加均匀。

Description

钻具及应用钻具的深层搅拌桩机施工方法

技术领域

本发明涉及搅拌桩机技术领域，具体地说是一种钻具及应用钻具的深层搅拌桩机施工方法。

背景技术

水泥土搅拌桩，因其施工工艺简单、造价低廉，广泛应用于软土地区地基处理、基坑工程土质改良。但由于软土的成因多种多样，不同成因的软土在采用常规的搅拌桩机处理后，难以满足工程质量要求。在节约成本和保证质量的双重前提下，从改进常规水泥土搅拌桩机钻具与施工工艺等角度入手，深入研究能提升水泥土搅拌桩桩身均匀性的方法和技术，从而达到在不提高水泥的掺入比的情况下就能提高成桩质量，是岩土工程亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种搅拌均匀、成桩质量稳定、施工效率高、成本低廉且设计合理、结构简单的钻具及应用钻具的深层搅拌桩机施工方法。

一种钻具，包括：用于连接桩机的钻杆、钻头、搅拌翼片，所述钻头设置在所述钻杆的一端，所述搅拌翼片周向设置在所述钻杆上；

所述搅拌翼片包括依次设置在所述钻杆上的底层搅拌翼片、中层搅拌翼片、上层搅拌翼片，且所述底层搅拌翼片设置在靠近所述钻头的一端，所述搅拌翼片的结构安排和数量要符合下述条件：以钻杆旋转一周为一个周期，在该周期内，所有搅拌翼片对土体任一点的搅拌次数须大于20，并符合如下公式：

$N=\frac{(hcos\mathrm{\β}+dsin\mathrm{\β})\mathrm{\Σ}Z}{V}n$

其中，h——搅拌翼片的宽度(m)；

β——搅拌翼片与钻杆的垂直夹角；

d——搅拌翼片的厚度(m)；

∑Z——搅拌翼片的总数；

n——钻具的回转数(rev/min)；

V——钻具的提升速度(m/min)；

N——搅拌次数；

dgsinβ+hgcosβ——搅拌翼片垂直投影高度(m)。

一种施工方法，应用钻具的深层搅拌桩机施工方法，包括如下步骤：

①、定位：将安装有钻具的深层搅拌桩机移动到预定施工区域并定位；

②、预拌下沉：开动搅拌机，待钻具运转正常后，将搅拌机垂直向下移动，通过钻具上的搅拌翼片边旋转、边切土、边下沉，直至设计深度；

③、搅拌固化剂浆液：在步骤②中搅拌机下沉的同时，根据设计确定的渗入比拌制水泥浆液，待压浆前将浆液倒入集料斗中；

④、提升喷浆和搅拌：搅拌机下沉到设计深度后，将制备的浆液压入地基中，边喷浆边旋转，以钻杆旋转一周为一个周期，在该周期内，所有搅拌翼片对土体任一点的搅拌次数须大于20，且搅拌次数符合如下计算公式：

$N=\frac{(hcos\mathrm{\β}+dsin\mathrm{\β})\mathrm{\Σ}Z}{V}n$

其中，h——搅拌翼片的宽度(m)；

β——搅拌翼片与钻杆的垂直夹角；

d——搅拌翼片的厚度(m)；

∑Z——搅拌翼片的总数；

n——钻具的回转数(rev/min)；

V——钻具的提升速度(m/min)；

N——搅拌次数；

dgsinβ+hgcosβ——搅拌翼片垂直投影高度(m)；

⑤、重复向上、向下搅拌：重复前次作业，直至设计加固深度后再将搅拌机提升出地面；

⑥、移位：将搅拌机移至下一桩位，重复上述步骤的施工。

一种钻具及应用钻具的深层搅拌桩机施工方法，其优点是：

①、钻头中搅拌翼片的增加，结构简单，安装方便，无需更换动力系统即可工作，增加对土体的切割次数，确保搅拌土体任何一点搅拌次数提高50％以上，大大提高了搅拌效率，从而提升搅拌桩的成桩质量；

②、各层翼片间的分布特点以及翼片与钻杆之间的角度设计，平衡了桩头旋转切割土体时的阻力，使钻头方便进入土体的同时搅拌更加均匀。

附图说明

图1为钻具结构示意图；

图2为钻具侧视图；

图3为钻具俯视图；

图4为搅拌翼片与钻杆结构示意图；

图中，h——搅拌翼片的宽度(m)；

β——搅拌翼片与钻杆的垂直夹角；

d——搅拌翼片的厚度(m)；

dgsinβ+hgcosβ——搅拌翼片垂直投影高度(m)；

上述图中标号为：

1、钻杆，11、空腔，12、第一输浆管道，13、第二输浆管道，14、钻杆连接扣；

2、钻头，

3、搅拌翼片，31、底层搅拌翼片，311、出浆孔，32、中层搅拌翼片，33、上层搅拌翼片。

具体实施方式

一种钻具，包括：用于连接桩机的钻杆1、钻头2、搅拌翼片3，所述钻头2设置在所述钻杆1的一端，所述搅拌翼片3周向设置在所述钻杆1上；

优选地，所述钻杆1与所述钻头2焊接；

优选地，所述钻杆1长度为580～630mm；所述钻杆1包括沿所述钻杆1纵向设置的空腔11、用于输送水泥浆的第一输浆管道12、第二输浆管道13、用于与桩机钻杆连接的钻杆连接扣14，所述第一输浆管道12、所述第二输浆管道13均设置在所述空腔11内，且所述第一输浆管道12沿所述空腔11纵向设置，所述第一输浆管道12的出浆口设置在靠近所述钻头2的一端且与所述第二输浆管道13的入浆口连通，用于所述第一输浆管道12输送浆液至与所述第一输浆管道12垂直设置的所述第二输浆管道13内，通过所述第二输浆管道13的出浆口排出，所述钻杆连接扣14设置在所述钻杆1上远离所述钻头2的一端，所述搅拌翼片3的结构安排和数量要符合下述条件：以钻杆1旋转一周为一个周期，在该周期内，所有搅拌翼片3对土体任一点的搅拌次数须大于20，并符合如下公式： $N=\frac{(hcos\mathrm{\β}+dsin\mathrm{\β})\mathrm{\Σ}Z}{V}n$

其中，h——搅拌翼片的宽度(m)；

β——搅拌翼片与钻杆的垂直夹角；

d——搅拌翼片的厚度；

∑Z——搅拌翼片的总数；

n——钻具的回转数(rev/min)；

V——钻具的提升速度(m/min)；

N——搅拌次数；

dgsinβ+hgcosβ——搅拌翼片垂直投影高度(m)。

优选地，所述搅拌翼片3包括依次设置在所述钻杆1上的底层搅拌翼片31、中层搅拌翼片32、上层搅拌翼片33，所述底层搅拌翼片31设置在靠近所述钻头2的一端；

所述底层搅拌翼片31与所述上层搅拌翼片33沿所述钻杆1平行设置，所述底层搅拌翼片31与所述中层搅拌翼片32沿所述钻杆1垂直设置，所述底层搅拌翼片31、所述中层搅拌翼片32、所述上层搅拌翼片33与所述钻杆1的水平倾角均为10～15°，平衡了减小桩头旋转切割土体时的阻力和最大效率搅拌土体的矛盾，使所述钻头2在容易钻进的情况下更好地搅拌(翻转)土体，起到部份垂直方向搅拌作用；

优选地，所述底层搅拌翼片31、所述中层搅拌翼片32、所述上层搅拌翼片33宽度均为渐变式，其中根部宽度为84～90mm，端部宽度约为67～73mm；且各层搅拌翼片之间的间距为190～210mm，各翼片的长度可随成桩直径需要调节，安装方便，无需更换动力系统。

优选地，所述底层搅拌翼片31与所述钻杆1连接一端的端部开设有出浆孔311，用于横向设置在所述钻杆1内的所述第二输浆管道13穿过所述出浆孔311与所述底层搅拌翼片31相连，便于水泥浆喷出。

优选地，所述底层搅拌翼片31、所述中层搅拌翼片32、所述上层搅拌翼片33上设置的翼片均为两片，且每层的翼片对称设置在所述钻杆1上，提高搅拌效率。

一种施工方法，应用钻具的深层搅拌桩机施工方法，包括如下步骤：

①、定位：将安装有钻具的深层搅拌桩机移动到预定施工区域并定位；

②、预拌下沉：开动搅拌机，待钻具运转正常后，将搅拌机垂直向下移动，边旋转、边切土、边下沉，直至设计深度，所述设计深度根据实际操作而定；

③、搅拌固化剂浆液：在步骤②中搅拌机下沉的同时，根据设计确定的渗入比拌制水泥浆液，待压浆前将浆液倒入集料斗中；

④、提升喷浆和搅拌：搅拌机下沉到设计深度后，将制备的浆液压入地基中，边喷浆边旋转，以钻杆1旋转一周为一个周期，在该周期内，所有搅拌翼片3对土体任一点的搅拌次数须大于20，且搅拌次数符合如下计算公式：

$N=\frac{(hcos\mathrm{\β}+dsin\mathrm{\β})\mathrm{\Σ}Z}{V}n$

其中，h——搅拌翼片的宽度(m)；

β——搅拌翼片与钻杆的垂直夹角；

d——搅拌翼片的厚度(m)；

∑Z——搅拌翼片的总数；

n——钻具的回转数(rev/min)；

V——钻具的提升速度(m/min)；

N——搅拌次数；

dgsinβ+hgcosβ——搅拌翼片垂直投影高度(m)；

⑤、重复向上、向下搅拌：重复前次作业，直至设计加固深度后再将搅拌机提升出地面；

⑥、移位：将搅拌机移至下一桩位，重复上述步骤的施工。

上述方法中，根据《建筑地基处理技术规范》，搅拌桩施工时，搅拌次数越多，则拌和越为均匀，水泥土强度也越高，但施工效率就降低。试验证明，当加固范围内任一点的水泥土每遍经过20次的拌合，其强度即可达到较高值，每遍搅拌次计算公式为：

其中：h——搅拌翼片的宽度(m)；

β——搅拌翼片与钻杆的垂直夹角；

∑Z——搅拌翼片的总数；

n——钻具的回转数(rev/min)；

V——钻具的提升速度(m/min)；

N——搅拌次数；

每遍搅拌次数N与h、β、∑Z、n成正比关系，与V成反比。

而根据规范公式含义及《地基处理手册》等相关解释，hcosβ计算所得应为搅拌翼片的垂直投影高度，当采用如本发明提供的等厚钢板加工钻具时，搅拌翼片的厚度不可忽略，规范公式不可直接适用于本发明的计算，假设搅拌翼片厚度为d，则搅拌翼片的垂直投影高度为dgsinβ+hgcosβ(如图4所示)，因此，搅拌次数计算公式为 $N=\frac{(hcos\mathrm{\β}+dsin\mathrm{\β})\mathrm{\Σ}Z}{V}n.$

其中，搅拌翼片与钻杆的垂直夹角为75～80°，搅拌翼片的片数大于6；

当取h＝0.07m，β＝77°，n/V>74，N>20，d＝0.03m，∑Z＝6时，确保搅拌土体任何一点搅拌次数提高50％以上；

优选地，所述水泥浆液中水灰比为0.55:1。

一种钻具及应用钻具的深层搅拌桩机施工方法，其优点是：

①、钻头中搅拌翼片的增加，结构简单，安装方便，无需更换动力系统即可工作，增加对土体的切割次数，确保搅拌土体任何一点搅拌次数提高50％以上，大大提高了搅拌效率，从而提升搅拌桩的成桩质量；

②、各层翼片间的分布特点以及翼片与钻杆之间的角度设计，平衡了桩头旋转切割土体时的阻力，使钻头方便进入土体的同时搅拌更加均匀。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钻具，包括：用于连接桩机的钻杆(1)、钻头(2)、搅拌翼片(3)，所述钻头(2)设置在所述钻杆(1)的一端，所述搅拌翼片(3)周向设置在所述钻杆(1)上；

所述搅拌翼片(3)包括依次从下至上设置在所述钻杆(1)上的底层搅拌翼片(31)、中层搅拌翼片(32)、上层搅拌翼片(33)，所述底层搅拌翼片(31)设置在靠近所述钻头(2)的一端，所述搅拌翼片(3)的结构安排和数量要符合下述条件：以钻杆(1)旋转一周为一个周期，在该周期内，所有搅拌翼片(3)对土体任一点的搅拌次数须大于20，并符合如下公式：

$N=\frac{(hcos\mathrm{\β}+dsin\mathrm{\β})\mathrm{\Σ}Z}{V}n$

其中，h——搅拌翼片的宽度(m)；

β——搅拌翼片与钻杆的垂直夹角；

d——搅拌翼片的厚度(m)；

∑Z——搅拌翼片的总数；

n——钻具的回转数(rev/min)；

V——钻具的提升速度(m/min)；

N——搅拌次数；

dgsinβ+hgcosβ——搅拌翼片垂直投影高度(m)。

2.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于：所述底层搅拌翼片(31)与所述上层搅拌翼片(33)沿所述钻杆(1)平行设置，所述底层搅拌翼片(31)与所述中层搅拌翼片(32)沿所述钻杆(1)垂直设置。

3.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于：所述底层搅拌翼片(31)、所述中层搅拌翼片(32)、所述上层搅拌翼片(33)上设置的翼片均为两片，且每层的翼片对称设置在所述钻杆(1)上。

4.根据权利要求1所述的钻具，其特征在于：所述钻杆(1)包括沿所述钻杆(1)纵向设置的空腔(11)、用于输送水泥浆的第一输浆管道(12)、第二输浆管道(13)、用于与桩机钻杆连接的钻杆连接扣(14)，所述第一输浆管道(12)、所述第二输浆管道(13)均设置在所述空腔(11)内，且所述第一输浆管道(12)沿所述空腔(11)纵向设置，所述第一输浆管道(12)的出浆口设置在靠近所述钻头(2)的一端且与所述第二输浆管道(13)的入浆口连通，用于所述第一输浆管道(12)输送浆液至与所述第一输浆管道(12)垂直设置的所述第二输浆管道(13)内，通过所述第二输浆管道(13)的出浆口排出，所述钻杆连接扣(14)设置在所述钻杆(1)上远离所述钻头(2)的一端。

5.根据权利要求4所述的钻具，其特征在于：所述底层搅拌翼片(31)与所述钻杆(1)连接一端的端部开设有出浆孔(311)，用于横向设置在所述钻杆(1)内的所述第二输浆管道(13)与所述底层搅拌翼片(31)相连。

6.应用权利要求1所述钻具的深层搅拌桩机施工方法，包括如下步骤：

①、定位：将安装有钻具的深层搅拌桩机移动到预定施工区域并定位；

②、预拌下沉：开动搅拌机，待钻具运转正常后，将搅拌机垂直向下移动，边旋转、边切土、边下沉，直至设计深度；

③、搅拌固化剂浆液：在步骤②中搅拌机下沉的同时，根据设计确定的渗入比拌制水泥浆液，待压浆前将浆液倒入集料斗中；

④、提升喷浆和搅拌：搅拌机下沉到设计深度后，将制备的浆液压入地基中，边喷浆边旋转，以钻杆(1)旋转一周为一个周期，在该周期内，所有搅拌翼片(3)对土体任一点的搅拌次数须大于20，且搅拌次数符合如下计算公式：

$N=\frac{(hcos\mathrm{\β}+dsin\mathrm{\β})\mathrm{\Σ}Z}{V}n$

其中，h——搅拌翼片的宽度(m)；

β——搅拌翼片与钻杆的垂直夹角；

d——搅拌翼片的厚度(m)；

∑Z——搅拌翼片的总数；

n——钻具的回转数(rev/min)；

V——钻具的提升速度(m/min)；

N——搅拌次数；

dgsinβ+hgcosβ——搅拌翼片垂直投影高度(m)；

⑤、重复向上、向下搅拌：重复前次作业，直至设计加固深度后再将搅拌机提升出地面；

⑥、移位：将搅拌机移至下一桩位，重复上述步骤的施工。