CN110004924A - 一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，属于桩基施工设备领域，包括钻头、搅拌叶片、转换装置、水平固定连接装置、钻杆；钻杆为中空圆柱形杆体，其下端内侧设置有内螺纹，钻杆与钻头通过螺纹连接，钻杆与搅拌叶片通过焊接进行连接；转换装置与钻杆通过卡扣进行连接；水平固定连接装置与转换装置通过螺栓进行连接。本发明有效降低了上覆土层的压力及切割土体时的摩擦阻力，解决了搅拌轴周围搅松的土体随搅拌轴仪器转动，导致从喷浆口喷出的水泥浆不能与软土均匀混合，影响成桩质量的问题，实现了通过双轴搅拌钻头消除了钻头上的包裹体，保证了水泥掺入量，以及水泥浆与土的混合均匀性，并降低了返浆量。
Description
技术领域
本发明属于桩基施工设备领域，具体涉及到一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头。
背景技术
水泥土深层搅拌桩是用于加固软土地基的一种方法，它利用水泥作为固化剂，通过特制的搅拌机械和输浆泵，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌混合，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和较高地基承载力的复合地基。深层搅拌技术自二十世纪七十年代正式营业于工程实践，目前已被广泛应用于工业与民用建筑、地铁、公路、市政、水利、港口航道及海上设施等的建设中。在深层搅拌施工中，采用深层搅拌机将水泥浆与软土混合。搅拌机上有芯管，其头部带有叶片。搅拌机旋转时，通过芯管端部喷浆口喷出水泥浆，与被旋转叶片搅松的土体搅拌混合，形成水泥加固体。搅拌头是深层搅拌机的重要部件，它直接影响水泥浆和软土混合形成的深层搅拌桩的桩身均匀度，决定地基的加固效果。
目前，在深层搅拌施工中，一个突出的问题是搅拌轴周围搅松的土体随搅拌轴仪器转动，导致从喷浆口喷出的水泥浆不能与软土均匀混合，影响成桩质量。通过发明一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，可以有效的消除钻头上的包裹体，保证水泥掺入量和水泥浆和土的混合均匀性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，克服了现有技术的不足。通过双轴搅拌钻头使周围土体充分搅拌，结合搅拌叶片后方的钻杆喷口，可以更高效的使浆液填充进周围土体，并降低返浆量；通过水平固定连接装置，可以有效的消除钻头上的包裹体，保证水泥掺入量，以及水泥浆和土的混合均匀性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：包括钻头、搅拌叶片、转换装置、水平固定连接装置、钻杆；所述钻杆为中空圆柱形杆体，其下端内侧设置有内螺纹，钻杆与钻头通过螺纹连接，钻杆与搅拌叶片通过焊接进行连接；所述转换装置与钻杆通过卡扣进行连接；所述水平固定连接装置与转换装置通过螺栓进行连接；
所述搅拌叶片包括一级搅拌叶片、二级搅拌叶片和三级搅拌叶片；
所述钻头包括头部搅拌叶片、钻头连接段和钻头喷口；
所述水平固定连接装置包括水平叶片、水平连接杆、高强加固构件；
所述转换装置包括保护套管和连接套管；
所述钻杆包括钻杆主体、进液通道和凸起节点。
所述一级搅拌叶片下方每间隔5-20cm范围设置一个钻齿，钻齿材料为金刚石微粉与硬质合金复合材料，钻齿表面覆盖有金刚石颗粒涂层，金刚石颗粒直径范围为0.2-1mm；一级搅拌叶片后方均设置有钻杆喷口，钻杆喷口为锥形结构，喷嘴最小处直径范围为10-30mm。
所述一级搅拌叶片、二级搅拌叶片和三级搅拌叶片后部均采取差异化加固构造形式，叶片厚度由靠近钻杆一端向远离钻杆一端呈线性规律减小，搅拌叶片远离钻杆一端的厚度范围为5-30mm，搅拌叶片靠近钻杆一端的厚度范围为10-60mm。
所述二级搅拌叶片和三级搅拌叶片在远离钻杆一端处，设置有矩形镂空结构，矩形镂空结构的水平轴线与叶片水平中心轴线一致，矩形镂空结构长度为叶片长度的1/4-1/3，宽度为叶片宽度的1/4-1/3。
所述钻头设置有两个头部搅拌叶片，头部搅拌叶片与钻头采用焊接形式连接，头部搅拌叶片为螺旋形结构，在头部搅拌叶片边缘连续设置不同角度的头部钻齿，头部钻齿整体角度与头部搅拌叶片螺旋形结构保持一致；钻头下端设置有钻头喷口，钻头喷口为锥形结构，喷嘴最小处直径范围为10-30mm。
所述一级搅拌叶片与二级搅拌叶片之间、二级搅拌叶片与三级搅拌叶片之间的钻杆前后两端分别设置有两个凸起节点，凸起节点为立方体构造，边长范围为2-5cm，两个凸起节点中心距离5-20cm。
所述保护套管由两节对称的半圆形套管组合而成，其包含上下两端环形凸起和中部主体，环形凸起高度为1-10cm，保护套管为耐磨金属材料，其耐磨性能较钻杆和连接套管略低；保护套管内壁直径比钻杆外壁直径大0.5-2mm；保护套管内壁设置有两个凹起节点，凹起节点为立方体构造，其边长比钻杆上的凸起节点长1-5mm。
所述连接套管由两节对称的半圆形套管组合而成，外侧两个半圆形套管由螺栓连接，内侧两个半圆形套管通过螺栓与水平连接杆连接。
所述水平连接杆与高强加固构件采用焊接形式连接，高强加固构件与水平叶片通过螺栓形式连接；高强加固构件为硬质合金复合材料，水平叶片为弹性钢板，水平叶片为含碳量小于0.25%的冷轧钢，其厚度范围为1-10mm。
所述钻杆设置数量为两根，两根钻杆中心距离为一级搅拌叶片长度与钻杆半径之和的2-3倍。
本发明所带来的有益技术效果：
（1）本发明设置有三级搅拌叶片，最下层叶片切割、翻动土体之后，继续下钻，然后上部两层叶片通过钻杆带动而高速旋转，对翻动后的土体进一步搅拌，不但使土体搅拌更加均匀，而且有效降低了上覆土层的压力；（2）通过对三级叶片采取差异化加固构造形式，在切割土体时降低了摩擦阻力，且靠近钻杆一端叶片厚度较大，有利于承担较大的力矩作用，此外，二级搅拌叶片和三级搅拌叶片在远离钻杆一端处，设置有矩形镂空结构，在切削土体时缩小了力臂，进而降低了叶片的弯矩作用；（3）通过对钻头设置螺旋形搅拌叶片，使得钻进过程中的下钻力增大，且钻头方向不易发生偏移；（4）通过双轴搅拌钻头使周围土体充分搅拌，结合搅拌叶片后方的钻杆喷口，可以更高效的使浆液填充进周围土体，并降低返浆；（5）通过水平固定连接装置，可以有效的消除钻头上的包裹体，保证水泥掺入量，确保水泥浆和土的混合均匀性。
附图说明
图1为本发明具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头的整体结构图。
图2为本发明具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头中钻杆的正视图。
图3为本发明具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头中保护套管的正视图。
图4为本发明具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头中连接套管的俯视图。
图5为本发明具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头中链接装置的结构示意图。
图6为本发明具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头中水平固定连接装置的结构示意图。
图7为本发明具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头中二级搅拌叶片的结构示意图。
图8为本发明具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头中钻头的正视图。
其中，1-钻头；2-一级搅拌叶片；3-二级搅拌叶片；4-三级搅拌叶片；5-转换装置；6-水平固定连接装置；7-钻杆；8-钻杆喷口；9-钻头喷口；10-叶片钻齿；11-钻杆主体；12-凸起节点；13-进液通道；14-环形凸起；15-中部主体；16-凹起节点；17-保护套管；18-螺栓；19-水平连接杆；20-螺母；21-高强加固构件；22-水平叶片；23-矩形镂空结构；24-头部搅拌叶片；25-头部钻齿；26-钻头连接段；27-连接套管。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
在杂填土场地进行模型桩搅拌试验，设定成桩深度为5m，采用水泥土搅拌法施工，设置A、B两组试验，每组设置3个试件，其中A组为实验组，选用本发明的搅拌钻头；B组为对照组，采用市场通用的搅拌钻头，具体技术如下：
如图1~8所示，一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，包括钻头1、搅拌叶片、转换装置5、水平固定连接装置6、钻杆7；所述钻杆7为中空圆柱形杆体，其下端内侧设置有内螺纹，钻杆7与钻头1通过螺纹连接，钻杆7与搅拌叶片通过焊接进行连接；所述转换装置5与钻杆7通过卡扣进行连接；所述水平固定连接装置6与转换装置5通过螺栓进行连接。
所述搅拌叶片包括一级搅拌叶片2、二级搅拌叶片3和三级搅拌叶片4。
所述钻头1包括头部搅拌叶片24、钻头连接段26和钻头喷口9。
所述水平固定连接装置6包括水平叶片22、水平连接杆19、高强加固构件21。
所述转换装置5包括保护套管17和连接套管27。
所述钻杆7包括钻杆主体11、进液通道13和凸起节点12。
所述一级搅拌叶片2下方每间隔5-20cm范围设置一个叶片钻齿10，叶片钻齿10材料为金刚石微粉与硬质合金复合材料，叶片钻齿10表面覆盖有金刚石颗粒涂层，金刚石颗粒直径范围为0.2-1mm；所述一级搅拌叶片2后方均设置有钻杆喷口8，钻杆喷口8为锥形结构，喷嘴最小处直径范围为10-30mm。
优选地，一级搅拌叶片2、二级搅拌叶片3和三级搅拌叶片4后部均采取差异化加固构造形式，叶片厚度由靠近钻杆7一端向远离钻杆7一端呈线性规律减小；所述搅拌叶片远离钻杆7一端的厚度范围为5-30mm，搅拌叶片靠近钻杆7一端的厚度范围为10-60mm。
所述二级搅拌叶片3和三级搅拌叶片4在远离钻杆7一端处，设置有矩形镂空结构23，矩形镂空结构23的水平轴线与叶片水平中心轴线一致，矩形镂空结构23长度为叶片长度的1/4-1/3，宽度为叶片宽度的1/4-1/3。
所述钻头1设置有两个头部搅拌叶片24，头部搅拌叶片24与钻头1采用焊接形式连接，头部搅拌叶片24为螺旋形结构，在头部搅拌叶片24边缘连续设置不同角度的头部钻齿25，头部钻齿25整体角度与头部搅拌叶片24螺旋形结构保持一致；钻头1下端设置有钻头喷口9，钻头喷口9为锥形结构，喷嘴最小处直径范围为10-30mm。
所述一级搅拌叶片2与二级搅拌叶片3之间、二级搅拌叶片3与三级搅拌叶片4之间的钻杆7前后两端分别设置有两个凸起节点12，凸起节点12为立方体构造，边长范围为2-5cm，两个凸起节点12中心距离5-20cm。
所述保护套管17由两节对称的半圆形套管组合而成，其包含上下两端环形凸起14和中部主体15，环形凸起14高度为1-10cm，保护套管17为耐磨金属材料，其耐磨性能较钻杆7和连接套管27略低；保护套管17内壁直径比钻杆7外壁直径大0.5-2mm；保护套管17内壁设置有两个凹起节点16，凹起节点16为立方体构造，其边长比钻杆7上的凸起节点12长1-5mm。
所述连接套管27由两节对称的半圆形套管组合而成，外侧两个半圆形套管由螺栓连接，内侧两个半圆形套管通过螺栓与水平连接杆19连接。
所述水平连接杆19与高强加固构件21采用焊接形式连接，高强加固构件21与水平叶片22通过螺栓形式连接；高强加固构件21为硬质合金复合材料，水平叶片22为弹性钢板，水平叶片22为含碳量小于0.25%的冷轧钢，其厚度范围为1-10mm。
所述钻杆7设置数量为两根，两根钻杆7中心距离为一级搅拌叶片2长度与钻杆7半径之和的2-3倍。
采用两搅两喷的施工工艺施工，施工过程中A组试件的平均搅拌阻力是B组的2/3，且A组的平均返浆量是B组的1/3，待成桩28d后，开挖检查成桩质量，结果表明，两组试件的成桩质量均较好。
实施例2：
在某施工场地进行试桩时，增设一根试验桩，多增设的试验桩采用本发明的搅拌钻头，设计规定成桩深度为13m，采用水泥土搅拌法施工，其中，场地的土层为：
具体技术如下：
如图1~8所示，一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，包括钻头1、搅拌叶片、转换装置5、水平固定连接装置6、钻杆7；所述钻杆7为中空圆柱形杆体，其下端内侧设置有内螺纹，钻杆7与钻头1通过螺纹连接，钻杆7与搅拌叶片通过焊接进行连接；所述转换装置5与钻杆7通过卡扣进行连接；所述水平固定连接装置6与转换装置5通过螺栓进行连接。
所述搅拌叶片包括一级搅拌叶片2、二级搅拌叶片3和三级搅拌叶片4。
所述钻头1包括头部搅拌叶片24、钻头连接段26和钻头喷口9。
所述水平固定连接装置6包括水平叶片22、水平连接杆19、高强加固构件21。
所述转换装置5包括保护套管17和连接套管27。
所述钻杆7包括钻杆主体11、进液通道13和凸起节点12。
所述一级搅拌叶片2下方每间隔5-20cm范围设置一个叶片钻齿10，叶片钻齿10材料为金刚石微粉与硬质合金复合材料，叶片钻齿10表面覆盖有金刚石颗粒涂层，金刚石颗粒直径范围为0.2-1mm；所述一级搅拌叶片2后方均设置有钻杆喷口8，钻杆喷口8为锥形结构，喷嘴最小处直径范围为10-30mm。
优选地，一级搅拌叶片2、二级搅拌叶片3和三级搅拌叶片4后部均采取差异化加固构造形式，叶片厚度由靠近钻杆7一端向远离钻杆7一端呈线性规律减小；所述搅拌叶片远离钻杆7一端的厚度范围为5-30mm，搅拌叶片靠近钻杆7一端的厚度范围为10-60mm。
所述二级搅拌叶片3和三级搅拌叶片4在远离钻杆7一端处，设置有矩形镂空结构23，矩形镂空结构23的水平轴线与叶片水平中心轴线一致，矩形镂空结构23长度为叶片长度的1/4-1/3，宽度为叶片宽度的1/4-1/3。
所述钻头1设置有两个头部搅拌叶片24，头部搅拌叶片24与钻头1采用焊接形式连接，头部搅拌叶片24为螺旋形结构，在头部搅拌叶片24边缘连续设置不同角度的头部钻齿25，头部钻齿25整体角度与头部搅拌叶片24螺旋形结构保持一致；钻头1下端设置有钻头喷口9，钻头喷口9为锥形结构，喷嘴最小处直径范围为10-30mm。
所述一级搅拌叶片2与二级搅拌叶片3之间、二级搅拌叶片3与三级搅拌叶片4之间的钻杆7前后两端分别设置有两个凸起节点12，凸起节点12为立方体构造，边长范围为2-5cm，两个凸起节点12中心距离5-20cm。
所述保护套管17由两节对称的半圆形套管组合而成，其包含上下两端环形凸起14和中部主体15，环形凸起14高度为1-10cm，保护套管17为耐磨金属材料，其耐磨性能较钻杆7和连接套管27略低；保护套管17内壁直径比钻杆7外壁直径大0.5-2mm；保护套管17内壁设置有两个凹起节点16，凹起节点16为立方体构造，其边长比钻杆7上的凸起节点12长1-5mm。
所述连接套管27由两节对称的半圆形套管组合而成，外侧两个半圆形套管由螺栓连接，内侧两个半圆形套管通过螺栓与水平连接杆19连接。
所述水平连接杆19与高强加固构件21采用焊接形式连接，高强加固构件21与水平叶片22通过螺栓形式连接；高强加固构件21为硬质合金复合材料，水平叶片22为弹性钢板，水平叶片22为含碳量小于0.25%的冷轧钢，其厚度范围为1-10mm。
所述钻杆7设置数量为两根，两根钻杆7中心距离为一级搅拌叶片2长度与钻杆7半径之和的2-3倍。
采用两搅两喷的施工工艺施工，施工过程中带有本发明搅拌钻头的试验桩的平均搅拌阻力是常规搅拌钻头试验桩的2/3，且平均返浆量相对于常规搅拌钻头试验桩降低了2/3。
本发明具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，有效降低了上覆土层的压力及切割土体时的摩擦阻力，使得钻进过程中的下钻力增大，且钻头方向不易发生偏移；解决了搅拌轴周围搅松的土体随搅拌轴仪器转动，导致从喷浆口喷出的水泥浆不能与软土均匀混合，影响成桩质量的问题，实现了通过双轴搅拌钻头消除了钻头上的包裹体，保证了水泥掺入量和水泥浆与土的混合均匀性，并降低了返浆率。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：包括钻头、搅拌叶片、转换装置、水平固定连接装置、钻杆；所述钻杆为中空圆柱形杆体，其下端内侧设置有内螺纹，钻杆与钻头通过螺纹连接，钻杆与搅拌叶片通过焊接进行连接；所述转换装置与钻杆通过卡扣进行连接；所述水平固定连接装置与转换装置通过螺栓进行连接；
所述搅拌叶片包括一级搅拌叶片、二级搅拌叶片和三级搅拌叶片；
所述钻头包括头部搅拌叶片、钻头连接段和钻头喷口；
所述水平固定连接装置包括水平叶片、水平连接杆、高强加固构件；
所述转换装置包括保护套管和连接套管；
所述钻杆包括钻杆主体、进液通道和凸起节点。
2.根据权利要求1所述的一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：一级搅拌叶片下方每间隔5-20cm范围设置一个钻齿，钻齿材料为金刚石微粉与硬质合金复合材料，钻齿表面覆盖有金刚石颗粒涂层，金刚石颗粒直径范围为0.2-1mm；一级搅拌叶片后方均设置有钻杆喷口，钻杆喷口为锥形结构，喷嘴最小处直径范围为10-30mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：一级搅拌叶片、二级搅拌叶片和三级搅拌叶片后部均采取差异化加固构造形式，叶片厚度由靠近钻杆一端向远离钻杆一端呈线性规律减小，搅拌叶片远离钻杆一端的厚度范围为5-30mm，搅拌叶片靠近钻杆一端的厚度范围为10-60mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：二级搅拌叶片和三级搅拌叶片在远离钻杆一端处，设置有矩形镂空结构，矩形镂空结构的水平轴线与叶片水平中心轴线一致，矩形镂空结构长度为叶片长度的1/4-1/3，宽度为叶片宽度的1/4-1/3。
5.根据权利要求1所述的一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：所述钻头设置有两个头部搅拌叶片，头部搅拌叶片与钻头采用焊接形式连接，头部搅拌叶片为螺旋形结构，在头部搅拌叶片边缘连续设置不同角度的头部钻齿，头部钻齿整体角度与头部搅拌叶片螺旋形结构保持一致；钻头下端设置有钻头喷口，钻头喷口为锥形结构，喷嘴最小处直径范围为10-30mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：一级搅拌叶片与二级搅拌叶片之间、二级搅拌叶片与三级搅拌叶片之间的钻杆前后两端分别设置有两个凸起节点，凸起节点为立方体构造，边长范围为2-5cm，两个凸起节点中心距离5-20cm。
7.根据权利要求1所述的一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：保护套管由两节对称的半圆形套管组合而成，其包含上下两端环形凸起和中部主体，环形凸起高度为1-10cm，保护套管为耐磨金属材料，其耐磨性能较钻杆和连接套管略低；保护套管内壁直径比钻杆外壁直径大0.5-2mm；保护套管内壁设置有两个凹起节点，凹起节点为立方体构造，其边长比钻杆上的凸起节点长1-5mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：连接套管由两节对称的半圆形套管组合而成，外侧两个半圆形套管由螺栓连接，内侧两个半圆形套管通过螺栓与水平连接杆连接。
9.根据权利要求1所述的一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：水平连接杆与高强加固构件采用焊接形式连接，高强加固构件与水平叶片通过螺栓形式连接；高强加固构件为硬质合金复合材料，水平叶片为弹性钢板，水平叶片为含碳量小于0.25%的冷轧钢，其厚度范围为1-10mm。
10.根据权利要求1所述的一种具有消除土体粘结作用的双轴搅拌钻头，其特征在于：钻杆设置数量为两根，两根钻杆中心距离为一级搅拌叶片长度与钻杆半径之和的2-3倍。
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