CN111188333A - 一种气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土建施工领域，公开了一种气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备及施工方法，其中设备包括：四个呈中心对称分布的钻杆，钻杆的内部并排设置两个通道，其中一通道为湿法施工通道，另一通道为空气通道或者干法施工通道；钻杆的外表面固定有多个搅拌叶片并形成搅拌叶片段，钻杆上在搅拌叶片段所处的上部和底部位置对应处分别设有喷口，钻杆内部的两个通道与喷口相连通；钻杆上位于搅拌叶片段上部的喷口处连接有自动切换装置，自动切换装置配置成在向下钻进时关闭上部的喷口，在向上提升时，打开上部的喷口。本发明提供的一种气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备及施工方法，可以有效减小深部搅拌时的阻力，提高水泥土的搅拌均匀性，使得成桩质量高。

Description

一种气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备及施工方法

技术领域

本发明涉及土建施工领域，特别是涉及一种气、浆结合的四轴搅 拌桩施工设备及施工方法。

背景技术

水泥土搅拌桩是一种适用于饱和软黏土的地基加固方法。它利用 水泥作为固化剂，通过搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅 拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土加 固成具有整体性、水稳定性和一定强度的人工改良地基。水泥土的固 化机理主要为水泥水解和水化反应、土颗粒与水泥水化作用和碳酸化 作用。水泥土的碳酸化作用需要与空气或水中的二氧化碳发生反应。

大量工程实践表明，水泥土搅拌桩桩身上部(一般10m以内)质 量明显好于下部(一般10m以下)质量。现有水泥土搅拌桩施工的弊 端已严重影响了搅拌桩的施工质量控制。

目前常用的有单轴搅拌桩、双轴搅拌桩和三轴搅拌桩。

单轴搅拌桩为一根搅拌钻杆，干法作业钻杆底部仅喷气和干粉水 泥，湿法作业底部仅喷水泥浆。干法湿法钻机不能共用。现有单轴搅 拌桩施工功效较低，一次仅成桩一根。湿法作业时碳酸化作用较弱， 桩基强度增长较慢。干法作业时功效低，搅拌均匀性欠佳，难于全程 复搅。单轴搅拌桩施工期间钻杆上升、下沉期间均喷介质，通常钻杆 下沉、上升各两次，即四喷四搅。

双轴搅拌桩为两根搅拌钻杆中间增加一根喷浆管，双轴搅拌桩施 工时钻杆下沉期间不喷浆，上升期间喷浆。双轴搅拌桩施工工艺为两 喷三搅，即一次搅拌下沉喷浆提升，二次搅拌下沉喷浆提升，三次重 复搅拌下沉，搅拌提升。

单轴搅拌桩喷浆口位于钻杆底部，叶片之下，钻杆上升时浆液不 能保证及时均匀喷入土体并进行搅拌。双轴搅拌桩中间喷浆管底部喷 口位于两侧钻杆叶片之上。钻杆下沉期间土体已搅碎，钻杆上升喷浆 时，由于中间喷浆管底部喷口高于钻杆叶片，桩体底部存在薄弱区。

三轴搅拌桩为三根搅拌钻杆，两侧钻杆喷浆，中间钻杆喷气。成 桩后容易产生两侧桩体强度高，中间强度低的现象。三轴搅拌桩施工 为一喷一搅：钻进、带气下沉搅拌喷浆→关闭气体提升搅拌喷浆→完 成一幅桩施工。三轴搅拌桩成桩期间会置换出大量原状土，原状土需 要外运，造成水泥浆的浪费。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备及施 工方法，用于解决或部分解决现有在水泥土搅拌桩的成桩过程中，沿 桩长方向，桩身质量分布不均匀，通常桩身上部质量要高于下部质量 的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种气、浆结合的四轴搅拌 桩施工设备，包括：四个呈中心对称分布的中空的钻杆；所述钻杆的 内部并排设置两个通道，两个通道沿所述钻杆的长度设置，其中一通 道为湿法施工通道，另一通道为空气通道或者干法施工通道；

所述钻杆的外表面固定有多个搅拌叶片并形成搅拌叶片段，所述 钻杆上在搅拌叶片段所处的上部和底部位置对应处分别设有喷口，所 述钻杆内部的两个通道与所述喷口相连通；

所述钻杆上位于搅拌叶片段上部的喷口处连接有自动切换装置， 所述自动切换装置配置成在向下钻进时关闭上部的喷口、实现底部的 喷口喷射介质，在向上提升时，所述自动切换装置打开上部的喷口、 实现上部的喷口喷射介质。

在上述方案的基础上，所述自动切换装置包括：

底座，为弧形，固定在所述钻杆上部的喷口处，所述底座中沿其 轴线设有贯通两侧部的孔洞，以形成滑动空间，所述底座的前端处具 有贯通孔洞的窗口，用于露出部分滑块；

滑块，安装在所述孔洞内，并可在所述滑动空间内滑动，以打开 或关闭所述钻杆上部的喷口；和

拨块，固定在所述滑块的前端处，并由所述窗口向外伸出。

在上述方案的基础上，在位于所述钻杆最底部的搅拌叶片处设有 串珠状的叶片喷口，串珠状的叶片喷口与所述钻孔内部的通道相连 通；

所述串珠状的叶片喷口配置为若干不同直径的线性分布的叶片 喷口，并且距离所述钻杆的中心轴越远，叶片喷口的直径越大。

在上述方案的基础上，所述搅拌叶片中对应靠近每一通道处的每 一搅拌叶片均具有对应该通道的搅拌叶片预留介质出口，所述搅拌叶 片预留介质出口与对应的通道相连通；

每一搅拌叶片处的搅拌叶片预留介质出口包括三个，分别为第一 搅拌叶片预留介质出口、第二搅拌叶片预留介质出口和第三搅拌叶片 预留介质出口；

所述第一搅拌叶片预留介质出口和所述第二搅拌叶片预留介质 出口位于对应搅拌叶片的两侧处，所述第三搅拌叶片预留介质出口位 于对应搅拌叶片的端部处；

所述第一搅拌叶片预留介质出口的孔径大于所述第二搅拌叶片 预留介质出口的孔径，所述第一搅拌叶片预留介质出口的中心点与所 述钻杆的轴线的距离比所述第二搅拌叶片预留介质出口的中心点与 所述钻杆的轴线的距离近；

垂直方向和水平方向上相邻搅拌叶片的第一搅拌叶片预留介质 出口和第二搅拌叶片预留介质出口与所述钻杆的轴线的距离是不同 的。

在上述方案的基础上，所述的钻杆沿长度方向分为多段，每两段 相邻钻杆之间通过接头组件连接，所述接头组件配置成保证接头组件 处的两个通道不会互通，以及两个通道不会接反。

在上述方案的基础上，所述接头组件包括：

外接头，其内部按照功能分为上段、中段和下段，上段沿轴向设 有贯通的两个外接头通道，两个外接头通道与所述钻孔内部的两个通 道相对应且连通，所述中段安装有支撑座，所述支撑座沿轴向设有贯 通的两个通孔，两个通孔与两个外接头通道相对应且连通，所述下段 具有内螺纹，用于连接内接头；

内接头，其内部沿轴向设有贯通的两个内接头通道，两个内接头 通道与所述两个外接头通道相对应其连通，所述内接头的外部由下至 上具有凸台和外螺纹，所述凸台用于定位所述外接头的安装位置，所 述外螺纹用于与所述外接头的内螺纹啮合，以连接所述外接头；

密封片，安装在所述支撑座的下端面处，为所述支撑座、所述内 接头和所述外接头的连接处提供密封，防止水气互通；和

防反接结构，包括两个定位槽、两个定位孔和两个定位销，两个 定位槽形成在所述内接头的外螺纹处，呈相对布置且高度不同，两个 定位孔形成在所述外接头的下段处且与所述两个定位槽的位置相对 应，每一定位孔沿所述外接头的径向贯通，两个定位销与所述两个定 位孔相对应，每一定位销用于穿过对应的定位孔插入对应的定位槽 内。

在上述方案的基础上，所述钻孔内部的两个通道仅在顶部位置处 连通，所述施工设备还包括阀门，所述阀门设置在连通位置处，配置 成使所述钻孔内部的两个通道相互连通或切断连通。

在上述方案的基础上，所述钻杆内的一个通道顶部通过输浆管连 通制浆设备，另一个通道顶部通过气态管路连通压缩空气制作设备或 干粉水泥压缩空气储存设备；

设置控制主机连接在所述输浆管和所述气态管路处，控制主机与 所述制浆设备之间的输浆管中设有流量计及流量控制装置，配置成计 量浆液流量并将浆液流量数据反馈至控制主机，控制主机与所述压缩 空气制作设备或干粉水泥压缩空气储存设备之间的气态管路中设有 气压计及气压控制装置，配置成计量气压并将气压数据反馈至控制主机，控制主机配置成根据反馈的浆液流量数据和气压数据调节浆液流 量及气压，从而控制流量计及流量控制装置和气压计及气压控制装 置，以实现浆与气或粉变量的自动控制。

在上述方案的基础上，所述钻杆的顶部连接用于提供动力带动钻 杆转动的变频的驱动装置，驱动装置设有驱动阻力测量装置，用于测 量驱动阻力并将驱动阻力数据上传至所述控制主机，所述控制主机还 配置成控制驱动装置；

设置测量装置附着在所述钻杆的外部，用于测量钻杆的进尺深 度、钻杆转速、钻杆下沉和提升速度数据，并将反馈给所述控制主机；

所述控制主机通过分析驱动装置的驱动阻力数据，测量装置的钻 杆进尺深度、钻杆转速、钻杆下沉和提升速度数据，流量计和流量控 制装置的浆液流量数据，气压计和气压控制装置的气体压力数据，计 算得出实际加固范围内某一加固段材料用量，按照控制主机内预先设 定的计算方法，反馈控制驱动装置、流量计和流量控制装置及气压计 及气压控制装置，进而针对性控制实际加固范围内某一加固段材料用 量。

本发明提供一种基于上述气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备的施 工方法，包括：放样，根据施工图放出实样；开沟槽，根据图纸要求 开沟槽；将施工设备移动到待施工位置；启动水泥浆制浆系统，按设 计要求的水灰比制作水泥浆；启动压缩空气制备系统，在储气罐中准 备适量压缩空气；开启控制主机，输入施工参数，控制主机自动控制 预先设置的数据:钻进速度、每米喷浆量、每米喷气量或气粉水泥混 合物、总浆量分配、总喷气量分配、桩端设计标高；开启水泥土搅拌 桩驱动装置驱动钻杆，边搅拌边喷水泥浆和空气或气干粉水泥混合 物，钻进到设计桩底标高；反转提升驱动装置，喷浆口关闭，喷气口 继续喷气，边搅拌边提钻至桩顶标高，一次成桩；一组结束，移至第 二组继续施工。

(三)有益效果

本发明提供的一种气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备及施工方 法，通过研发双通道钻杆，实现了搅拌过程中的同时喷水泥浆和空气， 从而发挥了水泥土碳酸化作用的固化机理，加快深部水泥土的强度增 长速度；同时，空气的喷射可以有效减小深部搅拌时的阻力，提高水 泥土的搅拌均匀性，使得成桩质量高，解决了水泥土搅拌桩施工过程 中由于桩身下部水泥浆液喷浆量少、搅拌不充分、强度增长慢而导致 的搅拌桩桩身下部质量小于上部的问题；此外，本申请极大地提高了 水泥搅拌桩的施工功效、搅拌均匀性和水泥土的强度增长速率，单次 往复搅拌施工即可实现均匀搅拌，大大缩短了施工周期和节约了成 本。

附图说明

图1为本发明实施例中施工设备的第一整体示意图；

图2为本发明实施例中钻杆内部的通道示意图；

图3为本发明实施例中钻杆上部的喷口和自动切换装置的示意 图；

图4为本发明实施例图1中A部位的局部示意图；

图5为本发明实施例中钻杆的示意性立体图；

图6为本发明实施例中钻杆的截面示意图；

图7为本发明实施例关于图5的主剖视图；

图8为本发明实施例中钻杆的整体示意图；

图9为本发明实施例中搅拌叶片端部的叶片预留介质出口的示意 图；

图10为本发明实施例中钻杆的示意性局部剖视图；

图11为本发明实施例中内接头的结构示意图；

图12为本发明实施例中内接头和外接头装配后沿图11中AA面的 剖视图；

图13为本发明实施例中内接头和外接头装配后沿图11中BB面的 剖视图；

图14为本发明实施例中施工设备的第二整体示意图。

附图标记说明：

其中，100、施工设备；10、制浆设备；11、输浆管；

20、压缩空气制作设备；21、气态管路；

30、搅拌桩机；31、驱动装置；32、钻杆；33、搅拌叶片；331、 第一搅拌叶片预留介质出口；332、第二搅拌叶片预留介质出口；333、 第三搅拌叶片预留介质出口；34、喷口；35、通道；351、阀门；36、 自动切换装置；361、底座；362、孔洞；363、窗口；364、滑块；365、 拨块；37、叶片喷口；371、第一叶片喷口；372、第二叶片喷口；38、 外接头；381、上段；382、中段；383、下段；384、第一外接头通道； 385、第二外接头通道；386、支撑座；387、通孔；388、内螺纹；389、 密封片；39、内接头；391、第一内接头通道；392、第二内接头通道； 393、凸台；394、外螺纹；310、防反接结构；3101、定位槽；3102、 定位孔；3103、定位销；

40、控制主机；41、流量计及流量控制装置；42、气压计及气压 控制装置；43、测量装置；44、浆液液位计；45、自动称重台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定， 术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电 连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个 元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理 解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备100， 参考图1和图2，该气浆结合的四轴搅拌施工设备100包括：中空的 钻杆32；所述钻杆32的内部并排设置两个通道35。两个通道35沿 所述钻杆32的长度设置。其中一通道35为湿法施工通道，另一通道35为空气通道或者干法施工通道。即一个通道35可用于湿法施工喷 射水泥浆液，另一个通道可用于喷射空气，还可用于干法施工喷射干 水泥和压缩空气。

发明人发现，造成水泥土搅拌桩桩身上部质量好于下部质量的原 因在于：第一，常规的水泥土搅拌桩机采用底部喷浆，深部土体围压 较大，浆液进入土体阻力大，造成土中水泥浆液不足；第二，深部搅 拌设备受到的阻力较大，很难保证水泥浆液和土体的均匀搅拌；第三， 深部土体与大气隔绝，无法使水泥土在硬化过程中与空气充分接触， 碳酸化作用较弱，强度增长较慢。为了解决水泥土搅拌桩施工过程中 由于桩身下部水泥浆液喷浆量少、搅拌不充分、强度增长慢而导致的 搅拌桩桩身下部质量小于上部的问题。发明人发现，如果在搅拌过程 中的同时喷水泥浆和空气，则会改善上述状况。基于此，本实施例提供了一种气浆结合的搅拌桩施工装置。

本实施例提供的施工设备100，通过研发双通道钻杆，实现了搅 拌过程中的同时喷水泥浆和空气，从而发挥了水泥土碳酸化作用的固 化机理，加快深部水泥土的强度增长速度；同时，空气的喷射可以有 效减小深部搅拌时的阻力，提高水泥土的搅拌均匀性，使得成桩质量 高，解决了水泥土搅拌桩施工过程中由于桩身下部水泥浆液喷浆量 少、搅拌不充分、强度增长慢而导致的搅拌桩桩身下部质量小于上部 的问题。此外，本申请极大地提高了水泥搅拌桩的施工功效、搅拌均 匀性和水泥土的强度增长速率，单次往复搅拌施工即可实现均匀搅 拌，大大缩短了施工周期和节约了成本。

在实现本发明的工程中，发明人发现本申请相比现有技术中的三 轴搅拌桩机相比可以加快水泥土的强度增长速率。发明人发现，现有 技术中的三轴搅拌桩机的钻杆为单通道杆，其作用是喷浆，同时在三 个钻杆之间设置了一根气管，气管的主要作用是减少下钻的阻力。三 轴搅拌桩的单独气管离喷浆管较远，空气很难均匀分布在整个搅拌截 面上，水泥浆液和空气无法均匀混合。而本申请采用双通道钻杆32， 水泥浆液通道和空气通道靠的很近，浆液和空气能充分混合，空气可 以均匀分布在搅拌截面上，发挥水泥土碳酸化作用的固化机理，加快 水泥土的强度增长速率。

进一步地，在钻杆内部的另一通道用作干法施工通道时，该通道 内用于喷射的介质可为压缩空气和干水泥。搅拌用的钻杆32搅拌下 沉，下沉期间干法作业通过钻杆32内干法施工通道输送压缩空气和 干水泥，经钻杆32上的喷口34喷出介质。或，湿法作业通过过钻杆 32内的湿法施工通道输送水泥浆，经喷口34喷出介质。喷出的介质 由于搅拌叶片33搅拌作用，水泥与土、水产生水化反应形成桩体。 钻杆32下沉到设计标高后搅拌上升，上升期间干法施工通道和湿法 施工通道可喷原介质或仅搅拌均匀。

本申请的施工设备100，由于每一钻杆32中设置两个独立的通 道。一通道为干法施工通道，该通道内喷射的介质为压缩空气和干水 泥。另一通道为湿法施工通道，该通道内喷射的介质为水泥浆。两个 通道即干法施工通道和湿法施工通道，可相互连通和相互独立，因此 本申请可实现干、湿介质自由切换，实现一机多用。针对不同深度土 层，可在需要干法施工范围仅喷压缩空气和水泥，关闭湿法施工通道。 针对不同深度土层，可在需要湿法施工范围仅喷水泥浆，关闭干法施 工通道。通过不同土层采用不同类型介质并控制介质用量，进而提高 搅拌桩成桩质量。

进一步地，上述介质不限于压缩空气、水泥、水泥浆，干法施工 通道和湿法施工通道还可以添加水、水泥外掺剂等其它介质，辅助成 桩。

进一步地，所述钻杆32的外表面固定有多个搅拌叶片33并形成 搅拌叶片段。所述钻杆32上在搅拌叶片段所处的上部和底部位置对 应处分别设有喷口34。所述钻杆32内部的两个通道35与所述喷口 34相连通；更具体地，如图1所示，上部的钻杆喷口34位于最上部的搅拌叶片33对应的钻杆32处。如图4所示，底部的钻杆喷口34 位于钻杆32的底端处。

进一步地，钻杆32的上部喷口和底部喷口可分别设置两个，在 钻杆32的上部和底部分别与两个通道对应相连，两个通道35在喷口 34处不连通。

所述钻杆32上位于搅拌叶片段上部的喷口34处连接有自动切换 装置36。所述自动切换装置36配置成在向下钻进时关闭上部的喷口 34、实现底部的喷口34喷射介质，在向上提升时，所述自动切换装 置36打开上部的喷口34、实现上部的喷口34喷射介质。从而实现 下钻和上提过程喷浆的自动转换。

发明人在发现，造成桩身上部质量要高于下部质量的原因在于： 是由现有搅拌桩施工设备与工艺造成的。现有搅拌桩施工设备通常为 单一的下沉喷浆或上提喷浆，如不进行复搅，固化剂和软土在深度方 向搅拌不充分。深部土体围压较大，极易造成浆液进入土体较少，使 得深层土体的搅拌均匀性和桩身强度无法保证。发明人发现，如果在 成桩过程中通过改变喷浆方式，则会改善上述状况。基于此，本申请 提供了一种提高水泥土搅拌桩均匀性的施工方法及施工装置。

本申请的施工设备100，可提高水泥土搅拌桩均匀性，通过在钻 杆32上部的钻杆喷口位置设置自动切换装置，实现了下钻和上提过 程转换喷浆自动，使得施工中的下钻和上提均为有效搅拌，从而保证 水泥浆和土体充分搅拌。由此解决了水泥土搅拌桩施工过程中浆液和 土体搅拌不均导致的桩身强度差异问题，极大地提高了水泥搅拌桩的 施工功效，实现了单次往复搅拌施工即可满足搅拌均匀性，大大缩短 了施工周期和节约了成本。

如图3所示，所述自动切换装置36包括：底座361、滑块364 和拨块365。底座361，为弧形，固定在所述钻杆32上部的喷口45 处。所述底座361中沿其轴线设有贯通两侧部的孔洞362，以形成滑 动空间。所述底座361的前端处具有贯通孔洞的窗口363，用于露出 部分滑块364。滑块364，安装在所述孔洞362内，并可在所述滑动 空间内滑动，以打开或关闭所述钻杆32上部的喷口34；和

拨块365，固定在所述滑块364的前端处，并由所述窗口363向 外伸出，以便于拨动滑块364。

参考图6和图7，本实施例中的拨块364的自动切换的实现过程， 钻杆32向下钻进，逆时针钻进，拨块364受土的压力自动闭合；钻 杆32向上钻进，顺时针钻进，拨块364受土的压力自动打开。

所述的钻杆32在叶片段上部和底部均设有喷口。通过上部喷口 处的自动切换装置36，实现了下钻和上提过程喷浆自动转换。所述 的上部喷口位于搅拌叶片33的最上部钻杆32处。所述的底部喷口位 于钻杆32端部和底部搅拌叶片33上。所述的喷浆自动切换装置36 位于上部喷口，构造为一具有一定圆弧弯曲的矩形滑块364。向下钻 进时，滑块364关闭上部喷口，实现底部喷口喷浆；向上提升时，反 向旋转，滑块364滑动打开上部喷浆口，实现上部喷浆口、底部喷浆 口同时喷浆。

发明人在实现本申请的过程中，还发现现有技术中还存在如下问 题：沿桩径方向，桩身质量分布不均匀，通常桩身中心质量要高于边 缘质量。即现有技术中还存在，由于浆液分布不均而导致的桩身强度 差异问题。

经发明人研究发现产生上述问题的原因在于：现有搅拌桩施工设 备通常为钻杆32中心点喷浆，依靠喷浆压力和叶片切削土体产生缝 隙，使水泥浆液在桩身径向方向分布，造成水泥土质量在径向方向分 布不均匀。

为了解决上述问题，本实施例中，如图4所示，还可参见图1、 图5，在位于所述钻杆32最底部的搅拌叶片33处设有串珠状的叶片 喷口37，串珠状的叶片喷口37与所述钻孔32内部的通道35相连通； 以实现水泥浆液在桩身径向方向的均匀分布，进一步提高成桩质量。 其中，串珠状的叶片喷口37是指多个叶片喷口37呈直线间隔布置。 例如，本实施例中的第一叶片喷口371和第二叶片喷口372呈直线间 隔布置，类似在线绳上串珠子。

进一步地，钻杆32的两侧均设有搅拌叶片33，可在与每个通道 35靠近的一侧搅拌叶片33上设置与该侧通道35连通的叶片喷口37。

更具体地，本实施例中，如图5所示，还可参见图4，所述串珠 状的叶片喷口37配置为若干不同直径的线性分布的叶片喷口37，并 且距离所述钻杆32的中心轴越远，叶片喷口37的直径越大。例如， 本实施例中，第二叶片喷口372的直径大于第一叶片喷口371的直径。

参考图8，所述搅拌叶片33中对应靠近每一通道35处的每一搅 拌叶片33均具有对应该通道35的搅拌叶片预留介质出口，所述搅拌 叶片预留介质出口与对应的通道35相连通；所述叶片预留介质出口 用于喷出对应的介质。本实施例中，左边的搅拌叶片33具有与左边 通道35相连通的叶片预留介质出口。右边的搅拌叶片33具有与右边 通道35相连通的叶片预留介质出口。

更具体地，每一搅拌叶片处的搅拌叶片预留介质出口包括三个， 分别为第一搅拌叶片预留介质出口331、第二搅拌叶片预留介质出口 332和第三搅拌叶片预留介质出口333；

所述第一搅拌叶片预留介质出口331和所述第二搅拌叶片预留 介质出口332位于对应搅拌叶片33的两侧处，参考图9，所述第三 搅拌叶片预留介质出口333位于对应搅拌叶片33的端部处；

所述第一搅拌叶片预留介质出口331的孔径大于所述第二搅拌 叶片预留介质出口332的孔径，所述第一搅拌叶片预留介质出口331 的中心点与所述钻杆32的轴线的距离比所述第二搅拌叶片预留介质 出口332的中心点与所述钻杆32的轴线的距离近；

垂直方向和水平方向上相邻搅拌叶片33的第一搅拌叶片预留介 质出口331和第二搅拌叶片预留介质出口332与所述钻杆32的轴线 的距离是不同的。

本实施例中，搅拌叶片33上新增设置两侧的第一搅拌叶片预留 介质出口331、第二搅拌叶片预留介质出口332和端部的第三搅拌叶 片预留介质出口333；第一搅拌叶片预留介质出口331、第二搅拌叶 片预留介质出口332的开孔孔径不同；相邻搅拌叶片33的叶片预留 介质出口在水平方向和垂直方向与钻杆32轴线距离不等，使得成桩 质量更均匀。

本实施例中，参考图10，所述的钻杆32沿长度方向分为多段， 每两段相邻钻杆32之间通过接头组件连接，所述接头组件配置成保 证接头组件处的两个通道不会互通，以及两个通道不会接反。

更具体地，所述接头组件包括：内接头39、外接头38、密封片 389和防反接结构310。

参考图12和图13，外接头38为回转体，外接头38，其内部按 照功能分为上段381、中段382和下段383，上段381沿轴向设有贯 通的两个外接头通道，两个外接头通道即第一外接头通道384和第二 外接头通道385。第一外接头通道384与一个通道35对应连通，第 二外接头通道385与另一个通道35相对应且连通。两个外接头通道 与所述钻孔32内部的两个通道35相对应且连通，所述中段382安装 有支撑座386，所述支撑座386沿轴向设有贯通的两个通孔387，两 个通孔387与两个外接头通道相对应且连通，所述下段383具有内螺 纹388，用于连接内接头39；

参考图11，内接头39为回转体。内接头39，其内部沿轴向设有 贯通的两个内接头通道，即第一内接头通道391和第二内接头通道 392。两个内接头通道与所述两个外接头通道相对应其连通，即第一 内接头通道391连接第一外接头通道384，第二内接头通道392连接 第二外接头通道385。所述内接头39的外部由下至上具有凸台393 和外螺纹394，所述凸台393用于定位所述外接头38的安装位置， 所述外螺纹394用于与所述外接头38的内螺纹388啮合，以连接所 述外接头38；

密封片389，安装在所述支撑座386的下端面处，为所述支撑座 386、所述内接头39和所述外接头38的连接处提供密封，防止水气 互通；和

防反接结构310，包括两个定位槽3101、两个定位孔3102和两 个定位销3103，两个定位槽3101形成在所述内接头39的外螺纹394 处，呈相对布置在内接头39的外周壁处，并且两个定位槽3101相对 于内接头39底面的高度不同，通过两个定位槽3101的高度不同，实现了钻杆32的两个通道不会反接。两个定位孔3102形成在所述外接 头38的下段处且与所述两个定位槽3101的位置相对应，每一定位孔 3102沿所述外接头38的径向贯通，两个定位销3103与所述两个定 位孔3102相对应，每一定位销3103用于穿过对应的定位孔3102插 入对应的定位槽3101内。

所述钻孔内部的两个通道35仅在顶部位置处连通，所述施工设 备100还包括阀门351，所述阀门351设置在连通位置处，配置成使 所述钻孔32内部的两个通道35相互连通或切断连通。

进一步地，本实施例中，如图2所示，所述两个独立的通道仅在 顶部位置处连通，即干法施工通道和湿法施工通道仅在顶部位置处连 通，干法施工通道和湿法施工通道其它部位不连通。所述施工设备 100还包括阀门，所述阀门设置在连通位置处，配置成使所述两个独 立的通道相互连通或切断连通。干法施工通道和湿法施工通道此两个 介质通道可相互连通，施工作业效率不低于单独干法施工效率或单独 湿法施工效率。

参考图1和图14，所述钻杆32内的一个通道35顶部通过输浆 管11连通制浆设备10，另一个通道35顶部通过气态管路21连通压 缩空气制作设备20或干粉水泥压缩空气储存设备；

设置控制主机40连接在所述输浆管11和所述气态管路21处， 控制主机40与所述制浆设备10之间的输浆管11中设有流量计及流 量控制装置41，配置成计量浆液流量并将浆液流量数据反馈至控制 主机40，控制主机40与所述压缩空气制作设备20或干粉水泥压缩 空气储存设备之间的气态管路21中设有气压计及气压控制装置42， 配置成计量气压并将气压数据反馈至控制主机40，控制主机40配置 成根据反馈的浆液流量数据和气压数据调节浆液流量及气压，从而控 制流量计及流量控制装置41和气压计及气压控制装置42，以实现浆 与气或粉变量的自动控制。

通过控制主机40的自动控制喷浆量的分配，实现了水泥浆沿桩 身的均匀分布，进一步提高了成桩质量。从而使得成桩质量高。

发明人在实现本申请的过程中还发现，现有的水泥土搅拌桩机喷 浆量按单一流量控制，由于土层软硬的变化，钻进速率不一，喷浆量 无法与地层变化匹配，造成浆量沿桩身深度分布不均。

为了解决上述问题，本实施例中，所述控制主机40配置成自动 控制注浆量，还配置成实时钻杆32钻进速度、叶片转速、钻进深度、 及每点段浆量的自动匹配，以保证水泥浆液沿桩长均匀分布，进一步 提高成桩质量。

具体地，流量计及流量控制装置41可以包括流量计、流量变送 器、流量控制阀。气压计及气压控制装置42可以包括气压计、气压 变送器、气压控制阀。控制主机40可以是控制芯片，还可以通过电 路实现控制。

桩基作业期间，制浆设备10还可为储浆设备内浆液自输浆管11， 经流量计及流量控制装置41计量浆液流量，浆液流量数据反馈至控 制主机40，并经控制主机40依据相关反馈信息调节流量后经输浆管 11输送至钻杆32内的水泥浆液通道。

桩基作业期间，压缩空气制作设备20还可为干粉水泥、压缩空 气储存设备内干粉水泥、压缩空气自气态管路21，经气压计及气压 控制装置42计量气压，气压数据反馈至控制主机40，并经控制主机 40依据相关反馈信息调节气压后经气态管路21输送至钻杆32内的 干粉水泥、压缩空气通道。

类似步骤直至成桩完成，并移位进行下一根桩体施工。通过控制 主机40控制流量计及流量控制装置41和气压计及气压控制装置42， 从而实现浆、粉变量的自动控制，进而提高搅拌桩施工设备100一体 化、材料用量精确性和操作自动化，使得施工设备100智能化程度高， 减少人为操作设备引起的成桩质量不均匀，从而确保成桩质量。

所述钻杆32的顶部连接用于提供动力带动钻杆32转动的变频的 驱动装置31，驱动装置31设有驱动阻力测量装置，用于测量驱动阻 力并将驱动阻力数据上传至所述控制主机40，所述控制主机40还配 置成控制驱动装置31；具体地，可变频的驱动装置31可以是变频泵。 驱动阻力测量装置可以是阻力传感器。

设置测量装置43附着在所述钻杆32的外部，用于测量钻杆32 的进尺深度、钻杆转速、钻杆下沉和提升速度数据，并将反馈给所述 控制主机40；具体地，测量装置43可包括距离传感器、转速传感器 和速度传感器。

所述控制主机40通过分析驱动装置31的驱动阻力数据，测量装 置43的钻杆进尺深度、钻杆转速、钻杆下沉和提升速度数据，流量 计和流量控制装置的浆液流量数据，气压计和气压控制装置的气体压 力数据，计算得出实际加固范围内某一加固段材料用量，按照控制主 机内预先设定的计算方法，反馈控制驱动装置、流量计和流量控制装 置及气压计及气压控制装置，进而针对性控制实际加固范围内某一加 固段材料用量。

本实施例的施工设备100包括制浆设备10、搅拌桩机30和控制 主机40。制浆设备10用于制备水泥浆，其具有输浆管11。搅拌桩机 30用于提供搅拌动力。搅拌桩机30包括：动力头31即驱动装置31、 钻杆32、搅拌叶片33和自动切换装置36。动力头31用于提供动力，以带动钻杆32旋转。钻杆32与所述动力头31相连，并通过所述动 力头31驱动。

更具体地，本实施例中，制浆设备10、压缩空气制作设备20、 搅拌桩机30和控制主机40均为现有技术中的现有的设备，故本实施 例针对上述设备的具体结构不再赘述。例如，制浆设备10常用型号 XB-1200，压缩空气制作设备20包括压缩空气机及调压阀，搅拌桩机30常用型号SBJ-Ⅱ。具体实施时，控制主机40可以通过控制芯 片加控制电路实现，还可以通过控制电路实现。

本实施例中，如图14所示，输浆管11连接储浆设备，储浆设备 内设置有浆液液位计44，用于测量储浆设备内浆液液位并将液位数 据反馈至控制主机。

本实施例中，如图14所示，气态管路21连接干粉水泥、压缩空 气储存设备，干粉水泥、压缩空气储存设备内设置有自动称重台45， 用于称量干粉水泥重量并将干粉水泥重量数据反馈至控制主机。

本实施例中，如图14所示，所述控制主机通过分析驱动装置的 驱动阻力数据，测量装置的钻杆进尺深度、钻杆转速、钻杆下沉和提 升速度数据，流量计和流量控制装置的浆液流量数据，气压计和气压 控制装置的气体压力数据，浆液液位计44的浆液液位数据，自动称 重台45的干粉水泥重量数据，计算得出实际加固范围内某一加固段 材料用量，按照控制主机内预先设定的计算方法，反馈控制驱动装置、 气压计和气压控制装置及气压计及气压控制装置，进而针对性控制实 际加固范围内某一加固段材料用量。

本实施例中所述施工设备100包括四个呈中心对称分布的钻杆。 现有常用水泥搅拌桩按主要使用的施工做法分为单轴、双轴、三轴搅 拌桩等，其平面型式通常采用“一”字型搭接排列。本发明采用四根 搅拌钻杆，四根钻杆32呈正四边形四个角点布置。

进一步地，四轴搅拌桩成桩水泥掺量为5％～18％。四轴搅拌桩成 桩水灰比为0.4～0.8。四轴搅拌桩成桩采用一喷一搅施工工艺，即下 去喷浆，上来喷浆。四轴搅拌桩机输入4个大于55千瓦电机，变速 箱减速输出，扭矩大于37.5KN.M。

本实施例中，搅拌桩机30还可为单轴搅拌桩机。当然，在其他 实施例中，搅拌桩机30还可以为两轴搅拌桩机以及多轴搅拌桩机， 具体不做限定。

本实施例还提供了一种使用上述施工设备100的气浆结合的四 轴搅拌桩施工方法，包括如下步骤：

(1)放样，根据施工图放出实样；

(2)开沟槽，根据图纸要求开沟槽；

(3)将本发明桩机移动到待施工位置；

(4)启动水泥浆制浆系统，按设计要求的水灰比制作水泥浆；

(5)启动压缩空气制备系统，在储气罐中准备适量压缩空气；

(6)开启控制主机，输入施工参数，主机自动控制预先设置的 数据:钻进速度、每米喷浆量、每米喷气量(或气+干粉水泥+外加剂)、 总浆量分配、总喷气量分配、桩端设计标高；

(7)开启水泥土搅拌桩动力头驱动钻头，边搅拌边喷水泥浆和 空气(或气+干粉水泥+外加剂)，钻进到设计桩底标高；

(8)反转提升动力头，喷浆口关闭，喷气口继续喷气，边搅拌 边提钻至桩顶标高，一次成桩；

(9)一组结束，移至第二组继续施工。

相较于现有搅拌桩施工设备及施工方法，本发明具有如下优势：

常规的水泥土搅拌桩机采用底部喷浆，深部土体围压较大，浆液 进入土体阻力大，造成土中水泥浆液不足；深部搅拌设备受到的阻力 较大，很难保证水泥浆液和土体的均匀搅拌；深部土体与大气隔绝， 无法使水泥土在硬化过程中与空气充分接触，碳酸化作用较弱，强度 增长较慢。本发明研发双通道钻杆，实现了搅拌过程中的同时喷水泥 浆和空气，通过发挥水泥土碳酸化作用的固化机理加快深部水泥土的 强度增长速率；同时，空气的喷射可以有效减小深部搅拌时的阻力， 提高水泥土的搅拌均匀性。

三轴搅拌桩的钻杆为单通道杆，其作用是喷浆，同时在三个钻杆 之间设置了一根气管，气管的主要作用是减少下钻的阻力。三轴搅拌 桩的单独气管离喷浆管较远，空气很难均匀分布在整个搅拌截面上， 水泥浆液和空气无法均匀混合。本发明采用双通道钻杆，浆液通道和 空气通道靠的很近，浆液和空气能充分混合，空气可以均匀分布在搅 拌截面上，发挥水泥土碳酸化作用的固化机理，加快水泥土的强度增 长速率。

现有的水泥土搅拌桩机喷浆量按单一流量控制，由于土层软硬的 变化，钻进速率不一，喷浆量无法与地层变化匹配，造成浆量沿桩身 深度分布不均。本发明通过智能系统控制喷浆量的分配，实时钻杆钻 进速度、叶片转速、钻进深度、每点段浆量和气量的自动匹配，保证 水泥浆液沿桩长均匀分布。可精确确定实际加固范围内某一加固段材 料用量，针对性控制实际加固范围内某一加固段材料用量。设备智能 化程度高，减少人为操作设备引起的成桩质量不均匀。

现有的水泥土搅拌桩机采用单一的底部喷浆或顶部喷浆，如不进 行复搅，固化剂和软土在深度方向搅拌不充分。本发明具有上部和底 部喷浆口，并且在底部叶片设置了串珠状喷浆口，实现了下钻和上提 过程喷浆自动转换，下钻和上提均匀有效搅拌，极大地提高了搅拌的 均匀性。

施工设备单根钻杆内具有独立设置的2根介质通道，两个通道可 相互连通和相互独立，实现一机多用，干、湿介质自由切换。2根介 质通道相互连通时，施工作业效率不低于单独干法、湿法施工效率。

施作重力坝围护、地基加固时，本发明四轴工艺施工功效大于单 轴、双轴、三轴搅拌桩，施工冷缝数量少于单轴、双轴、三轴搅拌桩。 施作重力坝、地基加固时，本发明与直径Φ700@200双轴搅拌桩施工 双排桩进行对比，本发明搅拌桩方量1.270，双轴搅拌桩两排0.702 ×2＝1.404，方量可节省1.404-1.27＝0.134。四轴比双轴搅拌桩设计可 节省9.5％总方量。相较于三轴搅拌桩，本发明无置换土，水泥浪费 较少，文明施工条件好。

气、浆同钻杆同喷，叶片同步均匀喷浆，浆液和土即时搅拌，碳 酸化作用显著，桩体强度增长快。

本申请的气浆结合的搅拌桩施工设备及施工方法，由于每一钻杆 中设置有水泥浆液通道和干粉水泥、压缩空气通道，分别输送水泥浆 和压缩空气、干粉水泥，因此可实现干、湿介质切换，实现一机多用， 通过不同土层采用不同类型介质并控制介质用量，进而提高搅拌桩成 桩质量。通过控制主机控制流量计及流量控制装置和气压计及气压控 制装置，从而实现浆、粉变量的自动控制，进而提高搅拌桩施工设备 一体化、材料用量精确性和操作自动化，从而确保成桩质量。

本申请中搅拌桩的单桩孔径可以是700mm。当然在其他实施例 中，搅拌桩的单桩孔径还可以是400mm、450mm、500mm、550mm、 600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm、900mm、950mm、 1000mm或1050mm等等其他尺寸的孔径，具体根据施工需要而定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (10)

1.一种气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备，其特征在于，包括：四个呈中心对称分布的中空的钻杆；所述钻杆的内部并排设置两个通道，两个通道沿所述钻杆的长度设置，其中一通道为湿法施工通道，另一通道为空气通道或者干法施工通道；

所述钻杆的外表面固定有多个搅拌叶片并形成搅拌叶片段，所述钻杆上在搅拌叶片段所处的上部和底部位置对应处分别设有喷口，所述钻杆内部的两个通道与所述喷口相连通；

所述钻杆上位于搅拌叶片段上部的喷口处连接有自动切换装置，所述自动切换装置配置成在向下钻进时关闭上部的喷口、实现底部的喷口喷射介质，在向上提升时，所述自动切换装置打开上部的喷口、实现上部的喷口喷射介质。

2.根据权利要求1所述的气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备，其特征在于，所述自动切换装置包括：

底座，为弧形，固定在所述钻杆上部的喷口处，所述底座中沿其轴线设有贯通两侧部的孔洞，以形成滑动空间，所述底座的前端处具有贯通孔洞的窗口，用于露出部分滑块；

滑块，安装在所述孔洞内，并可在所述滑动空间内滑动，以打开或关闭所述钻杆上部的喷口；和

拨块，固定在所述滑块的前端处，并由所述窗口向外伸出。

3.根据权利要求1所述的气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备，其特征在于，在位于所述钻杆最底部的搅拌叶片处设有串珠状的叶片喷口，串珠状的叶片喷口与所述钻孔内部的通道相连通；

所述串珠状的叶片喷口配置为若干不同直径的线性分布的叶片喷口，并且距离所述钻杆的中心轴越远，叶片喷口的直径越大。

4.根据权利要求1所述的气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备，其特征在于，所述搅拌叶片中对应靠近每一通道处的每一搅拌叶片均具有对应该通道的搅拌叶片预留介质出口，所述搅拌叶片预留介质出口与对应的通道相连通；

每一搅拌叶片处的搅拌叶片预留介质出口包括三个，分别为第一搅拌叶片预留介质出口、第二搅拌叶片预留介质出口和第三搅拌叶片预留介质出口；

所述第一搅拌叶片预留介质出口和所述第二搅拌叶片预留介质出口位于对应搅拌叶片的两侧处，所述第三搅拌叶片预留介质出口位于对应搅拌叶片的端部处；

所述第一搅拌叶片预留介质出口的孔径大于所述第二搅拌叶片预留介质出口的孔径，所述第一搅拌叶片预留介质出口的中心点与所述钻杆的轴线的距离比所述第二搅拌叶片预留介质出口的中心点与所述钻杆的轴线的距离近；

垂直方向和水平方向上相邻搅拌叶片的第一搅拌叶片预留介质出口和第二搅拌叶片预留介质出口与所述钻杆的轴线的距离是不同的。

5.根据权利要求1所述的气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备，其特征在于，所述的钻杆沿长度方向分为多段，每两段相邻钻杆之间通过接头组件连接，所述接头组件配置成保证接头组件处的两个通道不会互通，以及两个通道不会接反。

6.根据权利要求5所述的气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备，其特征在于，所述接头组件包括：

外接头，其内部按照功能分为上段、中段和下段，上段沿轴向设有贯通的两个外接头通道，两个外接头通道与所述钻孔内部的两个通道相对应且连通，所述中段安装有支撑座，所述支撑座沿轴向设有贯通的两个通孔，两个通孔与两个外接头通道相对应且连通，所述下段具有内螺纹，用于连接内接头；

内接头，其内部沿轴向设有贯通的两个内接头通道，两个内接头通道与所述两个外接头通道相对应其连通，所述内接头的外部由下至上具有凸台和外螺纹，所述凸台用于定位所述外接头的安装位置，所述外螺纹用于与所述外接头的内螺纹啮合，以连接所述外接头；

密封片，安装在所述支撑座的下端面处，为所述支撑座、所述内接头和所述外接头的连接处提供密封，防止水气互通；和

防反接结构，包括两个定位槽、两个定位孔和两个定位销，两个定位槽形成在所述内接头的外螺纹处，呈相对布置且高度不同，两个定位孔形成在所述外接头的下段处且与所述两个定位槽的位置相对应，每一定位孔沿所述外接头的径向贯通，两个定位销与所述两个定位孔相对应，每一定位销用于穿过对应的定位孔插入对应的定位槽内。

7.根据权利要求1所述的气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备，其特征在于，所述钻孔内部的两个通道仅在顶部位置处连通，所述施工设备还包括阀门，所述阀门设置在连通位置处，配置成使所述钻孔内部的两个通道相互连通或切断连通。

8.根据权利要求1所述的气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备，其特征在于，所述钻杆内的一个通道顶部通过输浆管连通制浆设备，另一个通道顶部通过气态管路连通压缩空气制作设备或干粉水泥压缩空气储存设备；

设置控制主机连接在所述输浆管和所述气态管路处，控制主机与所述制浆设备之间的输浆管中设有流量计及流量控制装置，配置成计量浆液流量并将浆液流量数据反馈至控制主机，控制主机与所述压缩空气制作设备或干粉水泥压缩空气储存设备之间的气态管路中设有气压计及气压控制装置，配置成计量气压并将气压数据反馈至控制主机，控制主机配置成根据反馈的浆液流量数据和气压数据调节浆液流量及气压，从而控制流量计及流量控制装置和气压计及气压控制装置，以实现浆与气或粉变量的自动控制。

9.根据权利要求8所述的气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备，其特征在于，所述钻杆的顶部连接用于提供动力带动钻杆转动的变频的驱动装置，驱动装置设有驱动阻力测量装置，用于测量驱动阻力并将驱动阻力数据上传至所述控制主机，所述控制主机还配置成控制驱动装置；

设置测量装置附着在所述钻杆的外部，用于测量钻杆的进尺深度、钻杆转速、钻杆下沉和提升速度数据，并将反馈给所述控制主机；

所述控制主机通过分析驱动装置的驱动阻力数据，测量装置的钻杆进尺深度、钻杆转速、钻杆下沉和提升速度数据，流量计和流量控制装置的浆液流量数据，气压计和气压控制装置的气体压力数据，计算得出实际加固范围内某一加固段材料用量，按照控制主机内预先设定的计算方法，反馈控制驱动装置、流量计和流量控制装置及气压计及气压控制装置，进而针对性控制实际加固范围内某一加固段材料用量。

10.一种基于上述权利要求1-9任一所述气、浆结合的四轴搅拌桩施工设备的气、浆结合的四轴搅拌桩施工方法，其特征在于，包括：

放样，根据施工图放出实样；

开沟槽，根据图纸要求开沟槽；

将施工设备移动到待施工位置；

启动水泥浆制浆系统，按设计要求的水灰比制作水泥浆；

启动压缩空气制备系统，在储气罐中准备适量压缩空气；

开启控制主机，输入施工参数，控制主机自动控制预先设置的数据:钻进速度、每米喷浆量、每米喷气量或气粉水泥混合物、总浆量分配、总喷气量分配、桩端设计标高；

开启水泥土搅拌桩驱动装置驱动钻杆，边搅拌边喷水泥浆和空气或气干粉水泥混合物，钻进到设计桩底标高；

反转提升驱动装置，喷浆口关闭，喷气口继续喷气，边搅拌边提钻至桩顶标高，一次成桩；

一组结束，移至第二组继续施工。

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