CN111622282B - 多功能射流钻具、可精准定向扰动的迫降纠倾设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多功能射流钻具、可精准定向扰动的迫降纠倾设备及方法，其技术方案为：包括可拆卸连接的钻杆和钻头，所述钻杆和钻头内部分别分隔成出水通道和进水通道；钻头出水通道一侧开设若干抽水孔，钻头进水通道一侧设置斜向漩涡喷头；高压水能够通过钻杆从斜向漩涡喷头中喷出以形成漩涡水流。射流钻具连接定向往复机构，定向往复机构能够带动射流钻具对地基进行定向往复扰动以实现精准定向扰动。本发明解决了纠倾作业空间受限问题，针对扰动目标可精准定向解除地基应力或削弱基础承载力，提高了机械化作业程度，缩短施工周期，提高纠倾过程的安全可控性。

Description

多功能射流钻具、可精准定向扰动的迫降纠倾设备及方法

技术领域

本发明涉及土木建筑领域，尤其涉及一种多功能射流钻具、可精准定向扰动的迫降纠倾设备及方法。

背景技术

建筑物迫降纠倾的工作原理是通过应用地基应力解除来改变地基土或桩基的受力状态，迫使建筑物原沉降较小的一侧发生沉降；从而达到回倾复位的目的。迫降纠倾的常用方法有：掏土纠倾法、掏土灌水法、辐射井法和堆载加压法等。传统的迫降纠倾法通常需要先进行降水，然后开挖大量的土方，形成工作沟或辐射井来提供作业空间，由于受施工现场的限制，如：待纠倾建筑物周边相连结构多，没有足够空间开挖工作沟，或者高层建筑物筏板较厚、地下水位较高等原因增加了开挖辐射井的难度，由于作业空间受限，纠倾作业常需人工操作，作业工具也仅局限于使用小型机具，机械化作业程度不高，作业效率较低，施工区域安全防护要求高，随之施工成本也会增加。

同时，发明人发现，人工扰动作业范围和扰动力度均有限，作业时往往会偏离设定扰动目标，无法对其实施精准定向解除地基应力，当设定的扰动位置较深，纠倾量较大时，作业难度会急剧增加。建筑物回倾速率慢，施工周期长，不可预见风险会随之加大，且纠倾过程中建筑物易产生出现不均匀沉降，相应地会给结构安全造成影响。同时相关扰动参数统计不精确，对监测数据的异常情况调整能力滞后，扰动施工参数调整不及时、不灵活，纠倾变化不可控制，信息化施工程度不高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供多功能射流钻具、可精准定向扰动的迫降纠倾设备及方法，解决了纠倾作业空间受限问题，针对扰动目标可精准定向解除地基应力或削弱地基承载力，提高了机械化作业程度，缩短施工周期,提高安全可控性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种多功能射流钻具，包括可拆卸连接的钻杆和钻头，所述钻杆和钻头内部分别分隔成出水通道和进水通道；钻头出水通道一侧开设若干抽水孔，钻头进水通道一侧设置斜向漩涡喷头；高压水能够通过钻杆从斜向漩涡喷头中喷出以形成漩涡水流。

作为进一步的实现方式，所述斜向漩涡喷头包括多个斜向喷嘴。

作为进一步的实现方式，所述钻杆与钻头螺纹连接，且钻头一侧连接卡扣，钻杆一侧设置与卡扣相适配的卡槽。

作为进一步的实现方式，所述钻杆与钻头的连接处分别设有定向标识。

作为进一步的实现方式，所述斜向漩涡喷头设有中心指向标识。

第二方面，本发明实施例还提供了可精准定向扰动的迫降纠倾设备，包括所述的射流钻具。

作为进一步的实现方式，所述定向往复机构包括驱动机构、链条传动机构、刻度盘、限位指针，驱动机构通过链条传动机构与钻杆相连，所述钻杆与刻度盘转动连接，限位指针固定于钻杆一侧。

作为进一步的实现方式，所述刻度盘上表面开设有限位槽，限位槽内间隔插接有两个限位杆；钻杆在驱动机构的作用下旋转时，限位指针能够触碰限位杆以改变转动方向。

第三方面，本发明实施例还提供了可精准定向扰动的迫降纠倾设备的使用方法，包括：

在建筑物沉降值相对较小区域用钻孔机械钻竖向孔；将射流钻具安装于钻孔机械上；

钻孔机械将斜向漩涡喷头放置于竖向孔内设定扰动深度；通过钻杆上的定向标识将射流钻具的斜向漩涡喷头指向调整至设定扰动目标方向；

根据射流钻具与扰动目标的相对位置关系计算扰动角度范围；

定向往复机构夹持射流钻具在设定角度范围内往复转动；

高压水泵提供的高压水流经钻杆从斜向漩涡喷头高速喷出，利用漩涡水流的切向力冲切地基土，致使部分地基土逐渐松散剥落形成泥浆，同时，泥浆通过出水通道被排出，使得地基土部分应力被解除，迫使建筑物在自重的作用下产生沉降，实现回倾。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式的射流钻具设有出水通道、进水通道，并开设有与出水通道连通的抽水孔，竖向孔内的泥浆通过抽水孔进入钻头的出水通道，流经射流钻杆被排出；进水通道所在侧连接斜向漩涡喷头，能够形成漩涡水流；从而实现射流钻具的多功能；

(2)本发明的一个或多个实施方式的射流钻具通过定向往复机构连接钻孔机械，定向往复机构能够夹持射流钻杆往复转动，转动角度范围可根据竖向孔和扰动目标的相对平面位置关系进行精确调整；射流钻具在设定角度范围内往复转动，扰动范围内地基土部分应力被解除，承载能力被削弱，迫使建筑物在自重的作用下产生沉降，从而实现回倾；

(3)本发明的一个或多个实施方式的可根据结构、基础形式，地基土类别的不同，同时结合各竖向孔排出的泥浆方量，并根据测定的泥浆比重计算排出的土方量等物理数据以及各监测点反映的建筑物几何变形数据，及时的灵活调整各项射流扰动参数；适用于浅基础、非嵌岩桩基础、复合地基建筑物的迫降纠倾。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为纠倾前建筑物立面图；

图2为本发明一个或多个实施例方式的迫降纠倾设备结构示意图；

图3(a)为本发明一个或多个实施例方式的射流钻具结构示意图；

图3(b)为本发明一个或多个实施例方式的多功能钻头结构示意图；

图3(c)为本发明一个或多个实施例方式的射流喷头的斜向漩涡喷头结构示意图；

图3(d)为本发明一个或多个实施例方式的射流喷头剖面示意图；

图4为本发明一个或多个实施例方式的电动机构及转动角度计算示意图；

图5(a)为本发明一个或多个实施例方式的桩基础桩侧定向扰动示意图；

图5(b)为本发明一个或多个实施例方式的桩基础桩侧定向扰动放大图；

图5(c)为本发明一个或多个实施例方式的桩基础桩端定向扰动放大图；

其中，1.建筑物，2.基础，3.射流钻具，30.钻头，31.钻杆，32.定向标识，33.斜向漩涡喷头，34.抽水孔，35.四叶钻齿，36.卡扣，37、出水通道，38、进水通道，39.卡槽，4.竖向孔，5.钻孔机械，6.地基土，7.定向往复机构，71.传动链条，72.刻度盘，73.限位槽，74.限位杆，75.限位指针，76.驱动机构，8.进水管，9.出水管，10.射流区域，11.桩基。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了一种多功能射流钻具，如图3(a)所示，包括可拆卸连接的钻杆31和钻头30，钻杆31与钻头30的连接端分别具有定向标识32，安装后，钻杆31与钻头30的定向标识32可准确对齐。

所述钻杆31内部中空，其内部空间由隔板分隔成两个空间。具体的，隔板沿钻杆31轴线方向设置，隔板一侧为出水通道37，另一侧为进水通道38。在本实施例中，钻杆31的末端(与钻头30)的连接端设置外螺纹，与钻头30顶端的内螺纹相适配。钻杆31与钻头30螺纹连接，方便拆卸。当然，在其他实施例中，钻杆31与钻头30也可以采用其他连接方式。

为了防止钻杆31与钻头30连接处因钻具的往复转动导致的螺丝松懈、定向标识32不能准确对齐以及掉钻情况，本实施例的钻杆31一侧开设卡槽39，卡槽39内置螺纹，钻头30侧面安装卡扣36；钻杆31与钻头30连接后，所述卡扣36与卡槽31扣合。进一步的，卡扣36包括连接杆和连接螺丝，所述连接杆与钻头30侧面相连，连接螺丝设于连接杆上，当钻头30连接于钻杆31后，连接螺丝恰达到卡槽39处，然后通过卡槽39内置螺纹将其紧固于卡槽39内。

如图3(d)所示，所述钻头30内部中空，其内部空间由隔板分隔成两个空间，隔板沿钻头30轴线方向设置，隔板一侧为出水通道37，另一侧为进水通道38。钻头30与钻杆31连接后，二者的出水通道37、进水通道38分别对齐，通过隔板上设置的密封胶条使二者形成相对密闭的两个空间。如图3(a)-3(c)所示，所述钻头30一端内部开设内螺纹，另一端具有钻齿。在本实施例中，所述钻齿为四叶钻齿35，当竖向孔4缩颈或塌孔时，可有效的使钻头30顺利下放。

钻头30设置出水通道37一侧开设若干抽水孔34，竖向孔4内的泥浆通过抽水孔34进入钻头30的出水通道37，流经出水管9排出。钻头30设置进水通道38，进水通道38设置斜向漩涡喷头33，钻杆31能够按所需长度逐节接长，以将斜向漩涡喷头33的中心指向标识指向引至地面。

具体的，如图3(c)和图3(d)所示，斜向漩涡喷头33包括多个斜向喷嘴，高压水通过钻杆31从斜向喷嘴高速喷出，形成漩涡水流。在本实施例中，斜向漩涡喷头33包括三个斜向喷嘴，斜向喷嘴的出口呈锥形。

斜向漩涡喷头33的中心位置具有中心指向标识，其朝向与钻头30、钻杆31的定向标识32朝向一致。在本实施例中，定向标识32、中心指向标识为箭头。

实施例二：

如图1所示，建筑物1的基础2右侧沉降大于左侧沉降，建筑物1向右倾斜；对于桩基础建筑物迫降纠倾，本实施例利用钻孔机械5在建筑物原沉降较小区域距桩身一定距离的桩两侧对称钻取2个竖向孔4。

具体的，本实施例提供了一种可精准定向扰动的迫降纠倾设备，如图2所示，包括钻孔机械5和实施例一所述的射流钻具3，所述射流钻具3通过定向往复机构7安装于钻孔机械5前方。其中，钻孔机械5为现有钻孔设备，用于在基础2上钻取小直径竖向孔4。射流钻具3的出水通道37连接出水管9，射流钻具3的进水通道38连接进水管8。

在本实施例中，所述定向往复机构7包括驱动机构76、链条传动机构、刻度盘72、限位指针75，驱动机构76通过链条传动机构与钻杆31相连，所述钻杆31与刻度盘72转动连接，且钻杆31与限位指针75固定连接。钻杆31和限位指针75在链条传动机构、驱动机构76的作用下相对刻度盘72旋转。

进一步的，链条传动机构包括传动链条71、与传动链条71相连的第一传动链轮和第二传动链轮，第一传动链轮与驱动机构76相连；在本实施例中，所述驱动机构76为电机。可以理解的，在其他实施例中，驱动机构76也可以为其他旋转动力源。第二传动链轮与钻杆31固定，所述钻杆31通过轴承与刻度盘72相连，限位指针75固定于钻杆31一侧并位于刻度盘72上方。

所述刻度盘72上表面刻有角度刻度，用于准确定位斜向漩涡喷头33的喷射方向。刻度盘72上表面开设有限位槽73，所述限位槽73呈环形，且靠近刻度盘72边缘设置。限位槽73内间隔一定角度插接有两个限位杆74，限位杆74直径与限位槽73宽度相适配，限位杆74的位置可根据扰动角度范围调整。

当驱动机构76转动时，传动链条71带动钻杆31和固定于钻杆上限位指针75转动，当限位指针75碰到其中一个限位杆74时，驱动机构76将改变转动方向，反向转动。同样，当限位指针75碰到另一个限位杆74时，也随之反向转动。如此可实现在设定角度范围往复转动。

如图4所示，根据桩径及竖向孔4与桩基11的中心距计算出扰动角度范围α，α角的计算公式如下：

其中，D₁表示桩基11的直径，S₁为射流钻具3安装位置与桩基11中心的距离。

如图5(a)所示，进水管8连接高压水泵，出水管9连接抽水机。启动定向往复机构7，定向往复机构7带动射流钻具3在设定角度范围α内以一定的转速往复转动。

同时，高压水泵压入的清水通过射流钻具3从三个斜向喷嘴高速喷出，形成高压漩涡水流，利用漩涡水流的切向力充分冲切地基土，使其逐渐松散剥落，形成漩涡流动状态的泥浆，高压喷射的同时，形成的泥浆被抽水孔34吸入出水通道37，经由出水管9被排出。形成流动状态的射流间接取土。一个竖向孔4经由出水管9排出的泥浆单独放置于固定容器内，采用泥浆比重计准确测定其比重，并计算排出的泥浆中天然土方量V。

如图5(b)所示，完成桩基11一侧一个竖向孔4的射流取土扰动后，形成射流区域10；接着在桩基11另一侧竖向孔4按照上述同样的操作进行射流扰动，使得桩基11两侧解除的地基应力保持大致相同，减少对桩身内力的影响。

在高压射流的扰动下，桩侧11的地基土6部分应力被解除，在建筑物1自重荷载下，桩顶荷载大部分转移至桩端，致使桩端下地基土6被压缩，建筑物1逐渐向原沉降值相对较小的一侧回倾，从而达到迫降纠倾的目的。

对竖向孔4进行钻孔、射流扰动工作进行时，实时监测建筑物1的倾斜度和沉降值，并及时与纠倾目标值进行比较，如果未达到目标值，则多次循环射流扰动作业，直至建筑物的倾斜度满足目标要求。建筑物1复位后，利用本实施例迫降纠倾设备，对桩侧竖向孔4对应的地基土6的孔隙进行旋喷灌注水泥砂浆封填，恢复地基的承载力。

同样地，本实施例的一套迫降纠倾设备也适用于非嵌岩桩基础的桩端扰动、浅基础、复合地基建筑物射流扰动纠倾。

实施例三：

本实施例提供了一种可精准定向扰动的迫降纠倾设备的使用方法，采用实施例二所述的迫降纠倾设备，包括以下步骤：

步骤1在建筑物1沉降值相对较小区域用钻孔机械5钻竖向孔4；

步骤2带有定向标识32的射流钻具3安装于钻孔机械5上；

步骤3逐节接长钻杆31，将射流喷头放置于竖向孔4内设定扰动深度，且通过钻杆31上的定向标识32调整射流钻具3的斜向漩涡喷头33指向设定扰动目标方向。

步骤4斜向漩涡喷头分别将进水管8、出水管9与高压水泵、抽水机连接；

步骤5定向往复机构7夹持钻杆31在特定角度范围内往复转动；

步骤6高压水泵提供的高压水流经过钻杆31从斜向漩涡喷头33高速喷出冲切地基土6，其逐渐松散剥落而形成泥浆，同时泥浆通过出水通道37被排出。使得地基土6部分应力被解除，从而承载能力被削弱，迫使建筑物在自重的作用下产生沉降，实现回倾。

优选地，高压水泵的供水流量控制在45L/min～100L/min，射流压力控制在10MPa-25MPa。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.可精准定向扰动的迫降纠倾设备，其特征在于，包括多功能射流钻具，所述多功能射流钻具包括可拆卸连接的钻杆和钻头，所述钻杆和钻头内部分别分隔成出水通道和进水通道；钻头出水通道一侧开设若干抽水孔，钻头进水通道一侧设置斜向漩涡喷头；高压水能够通过钻杆从斜向漩涡喷头中喷出以形成漩涡水流；

所述钻杆与钻头的连接处分别设有定向标识；

所述斜向漩涡喷头设有中心指向标识；

还包括钻孔机械，所述钻孔机械通过定向往复机构连接射流钻具，定向往复机构能够带动射流钻具对地基进行定向往复扰动；

所述定向往复机构包括驱动机构、链条传动机构、刻度盘、限位指针，驱动机构通过链条传动机构与钻杆相连，所述钻杆与刻度盘转动连接，限位指针固定于钻杆一侧。

2.根据权利要求1所述的可精准定向扰动的迫降纠倾设备，其特征在于，所述斜向漩涡喷头包括多个斜向喷嘴。

3.根据权利要求1所述的可精准定向扰动的迫降纠倾设备，其特征在于，所述钻杆与钻头螺纹连接，且钻头一侧连接卡扣，钻杆一侧设置与卡扣相适配的卡槽。

4.根据权利要求1所述的可精准定向扰动的迫降纠倾设备，其特征在于，所述刻度盘上表面开设有限位槽，限位槽内间隔插接有两个限位杆；钻杆在驱动机构的作用下旋转时，限位指针能够触碰限位杆以改变转动方向。

5.根据权利要求1-4任一所述的可精准定向扰动的迫降纠倾设备的使用方法，其特征在于，包括：

在建筑物沉降值相对较小区域用钻孔机械钻竖向孔；将射流钻具安装于钻孔机械上；

钻孔机械将斜向漩涡喷头放置于竖向孔内设定扰动深度；通过钻杆上的定向标识将射流钻具的斜向漩涡喷头指向调整至设定扰动目标方向；

根据射流钻具与扰动目标的相对位置关系计算扰动角度范围；

定向往复机构夹持射流钻具在设定角度范围内往复转动；

高压水泵提供的高压水流经钻杆从斜向漩涡喷头高速喷出，利用漩涡水流的切向力冲切地基土，致使部分地基土逐渐松散剥落形成泥浆，同时，泥浆通过出水通道被排出，使得地基土部分应力被解除，迫使建筑物在自重的作用下产生沉降，实现回倾。

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