CN113309087A - 动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工装置，包括搅拌机钻头和触探探头，还公开了动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工方法，将触探探头固定于深层搅拌机钻头底部，在下沉过程中量测到比贯入阻力，并将比贯入阻力实时传回地面微机系统，根据不同的地质条件自动调节喷浆量和钻进速度，水泥浆作为固化剂，利用固化剂和软土发生一系列的物理、化学反应，使软土硬结，从而提高地基强度。本发明可自动识别土层性质，判定土壤类别，并自动调整施工参数；将传统搅拌桩工艺与微机系统相结合，提升对软弱体层的识别精准度，进一步提高地基强度；简化搅拌桩施工步骤，提升传统工艺施工速度，缩短工期，加快施工进度。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程、岩土工程、环境工程等领域，具体涉及动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工装置，还涉及动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工方法，适用但不限于深厚淤泥土层局部分布的地基加固及防渗处理工程，譬如加强泵站基础承载力、堤基防渗工程等。尤其适用于湖北、湖南、浙江等富含棱镜体软土地层的搅拌桩施工。
背景技术
深层搅拌法，是利用深层搅拌机械将水泥浆等材料与土体强制搅拌，从而在土体内产生物理-化学反应，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的增强体，和原土体构成复合地基、防渗墙或挡墙的施工方法。深层搅拌法相对于地表浅层搅拌，采取钻孔进行孔内深层搅拌而得名。中国于20世纪70年代由原冶金部建筑研究总院和交通部水利规划设计院开始引进、研究深层搅拌施工技术。水利工程中的应用始于1995年，最初主要是闸基、泵站地基采用深层搅拌桩构成复合地基。大量用作堤防特别是堤基防渗加固则是1999年以来开展的。深层搅拌法适用于黏性土、粉土、砂土，以及黄土、淤泥质土、淤泥、素填土等土层，施工时要求场地内地下无大石块、树根、地下管线等。空中障碍物如高压电线，其净空距地面应满足安全要求。
在施工过程中软弱地基承载力不足的处理方法一般采用混凝土灌注桩施工方法，混凝土灌注桩的缺点是钻孔过程中需泥浆护壁，制作泥浆工序复杂，混凝土在水中灌注，因此质量难以控制，且施工成本较高。与混凝土灌注桩技术相比，深层搅拌桩施工简便、质量易控制、综合成本低、施工速度快，具有更为广泛的应用前景。
传统深层搅拌桩施工工法只能利用设计提供的地勘资料，无法实时快速准确的判断地质条件，从而无法及时调节喷浆量，只能采取较保守的施工工艺及参数，造成施工成本增加。一种动态调整喷浆量、提升和下沉速度的搅拌桩施工方法，此方法能实时判别地质类型并传输至地面微机控制系统，根据地质类型判定结果自动调节喷浆量及钻进/提升速度，在保证质量的情况下达到了节省成本的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工装置，还提供动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工装置。该方法核心点是将触探探头固定于深层搅拌机钻头底部(如图1所示)，深层搅拌机钻头在下钻过程中带动触探探头下沉，触探探头压入时受到的阻力大小与土层的软硬程度成比例，在下沉过程中量测到比贯入阻力，并将数据实时传回地面的微机系统(如：DY-2000型多用数字测试仪)，地面的微机控制系统自动获取比贯入阻力并如表1所示判别地层类型，并根据不同的地质条件自动调节喷浆量和钻进速度，通过深层搅拌机械在地基深部将软土和水泥固化剂强制拌和，利用固化剂和软土发生一系列的物理、化学反应，使软土硬结，从而提高地基强度。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工装置，包括深层搅拌机钻头，还包括触探探头，
深层搅拌机钻头包括中心管，中心管上部与钻机主轴连接，中心管管壁处设置有多个叶片，各个叶片交错排布，中心管与叶片内部均为中空且相互连通，水泥浆注于中心管内部，中心管与注浆管连接，注浆管通过送浆阀门与注浆泵连接，出浆孔设置在中心管底部管壁或叶片端部，
触探探头设置在中心管的底端，触探探头测得比贯入阻力并通过线缆将比贯入阻力实时传回至微机系统。
动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工方法，包括以下步骤：
步骤1、进行场地平整，管线迁改，桩机施工道路铺设垫层，桩机下铺设钢板；
步骤2、进行试桩试验，确定经过深厚淤泥土层及不经过深厚淤泥土层的各自对应的存浆池中的水泥浆的搅拌时间、水泥浆的水灰比、水泥浆泵送时间、水泥浆注浆压力、深层搅拌机钻头的提升速度、深层搅拌机钻头的钻进速度以及复搅深度；
步骤3、进行桩机对位，桩机对位后，用桩机的倾斜仪校正桩机导杆左右和前后的垂直度；
步骤4、制备水泥浆；
步骤5、深层搅拌机钻头旋转切土下沉，下沉过程中，触探探头压入土中量测比贯入阻力，并传回地面微机系统，微机系统依据比贯入阻力判别地层是否为深厚淤泥土层，若当前地层为深厚淤泥土层，则在深层搅拌机钻头搅拌下沉的同时喷送水泥浆，钻进速度不高于0.75m/min；若当前地层不为深厚淤泥土层，深层搅拌机钻头只需进行搅拌下沉，钻进速度不高于0.75m/min；
步骤6、当深层搅拌机钻头下降到设计标高，打开送浆阀门，通过出浆孔喷送水泥浆2～5min，确认水泥浆已到桩底后，边提升边搅拌，深层搅拌机钻头经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆，提升速度不高于0.75m/min，深层搅拌机钻头不经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆，提升速度不高于0.56m/min；
步骤7、深层搅拌机钻头再次搅拌下沉，若当前地层为深厚淤泥土层，则在深层搅拌机钻头搅拌下沉的同时喷送水泥浆，钻进速度不高于0.75m/min，若当前地层不为深厚淤泥土层，深层搅拌机钻头进行搅拌下沉，钻进速度不高于0.75m/min；
深层搅拌机钻头第二次下沉到设计深度以后，进行第二次喷浆提升、搅拌，深层搅拌机钻头经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆，提升速度不高于0.75m/min，深层搅拌机钻头不经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆，提升速度不高于0.56m/min，深层搅拌机钻头提升到设计标高时，关闭注浆泵和送浆阀门，
步骤8、移位，钻机重复以上步骤1～7，进行下一根深层搅拌桩的施工。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
(1)可自动识别土层性质，判定土壤类别，并自动调整施工参数；
(2)将传统搅拌桩工艺与微机控制系统相结合，提升对深厚淤泥土层的识别精准度，减少施工中干扰因素，进一步提高地基承载力；
(3)简化搅拌桩施工步骤，提升传统工艺施工速度，缩短工期，加快施工进度。
附图说明
图1为本发明的深层搅拌机钻头的立体结构示意图(喷浆孔设置在中心管底部管壁)；
图2为本发明的深层搅拌机钻头的立体结构示意图(喷浆孔设置在叶片)；
图3为本发明的深层搅拌机钻头的俯视结构示意图(喷浆孔设置在中心管底部管壁)；
图4为本发明的深层搅拌机钻头的俯视结构示意图(喷浆孔设置在叶片)；
图5为本发明的施工流程示意图。
图中：1-线缆，2-深层搅拌机钻头，201-中心管，3-出浆孔，4-叶片，5-防水轴承，6-触探探头，7-微机系统，8-水泥浆。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工装置，主要包括深层搅拌机钻头2和触探探头6两部分。
深层搅拌机钻头2上部直接与钻机主轴相连，深层搅拌机钻头2包括中心管，中心管上部与钻机主轴连接，中心管管壁处设置有四个叶片，叶片交错排布。中心管与叶片内部均为中空且相互连通，水泥浆注于中心管内部，中心管与注浆管连接，注浆管通过送浆阀门与注浆泵连接，出浆孔3设置在中心管底部管壁或叶片端部，当钻机处于工作状态时，水泥浆沿出浆孔3喷出。
触探探头6固定于深层搅拌机钻头2的中心管的底端，触探探头6与深层搅拌机钻头2的中心管相连处设置防水轴承，触探探头6在下沉过程中测得比贯入阻力，并通过线缆将比贯入阻力实时传回至微机系统7。
防水轴承5采用不锈钢材质，防水性能良好，亦具耐磨损性及耐腐蚀性，使得深层搅拌机钻头2整体式密封，防止水泥浆渗漏，防水轴承5外圈可随深层搅拌机钻头2的中心管旋转，防水轴承5的内圈与触探探头6连接。
实施例2：
动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工方法，利用实施例1所述的一种动态调整喷浆量、提升和下沉速度的搅拌桩施工装置，包括以下步骤：
步骤1：场地平整，首先对原地面及以下0.5米左右的杂物进行清理，对原地面及以下0.5米左右的管线进行迁改，然后进行回填，场地平整；施工时，为加强路面的稳定，桩机施工道路需铺设垫层，桩机下铺设钢板，以确保桩机的安全与施工质量。
步骤2：进行试桩试验，确定经过深厚淤泥土层及不经过深厚淤泥土层的各自对应的存浆池中的水泥浆的搅拌时间、水泥浆的水灰比、水泥浆泵送时间、水泥浆注浆压力、深层搅拌机钻头2的提升速度、深层搅拌机钻头2的钻进速度以及复搅深度等参数。
试桩试验应取地基原状土作室内配比实验和现场工艺性成桩实验，成桩后的喷浆深层搅拌桩的抗压强度不小于设计值。
步骤3：经过测量放线、排除地表障碍、开挖沟槽开挖等准备工作后，进行桩机对位，桩机对位后，用桩机的倾斜仪校正桩机导杆左右和前后的垂直度，成桩垂直度误差≤1/200。
步骤4：制备水泥浆：按设计及试桩实验确定的配合比拌制水泥浆。水泥浆采用普通硅酸盐水泥，PO42.5级，严禁使用快硬型水泥。制浆时，普通硅酸盐水泥浆在存浆池中的搅拌时间不得少于5～10min，制备好的水泥浆不得离析、沉淀，每个存浆池必须配备专门的搅拌机具进行搅拌，以防水泥浆离析、沉淀，已配制好的水泥浆倒入存浆池时，应加筛过滤，以免浆内结块。水泥浆存放时间不得超过2h，否则应予以废弃。水泥浆的注浆压力控制在0.4～1MPa，单幅水泥用量严格按设计计算量，水灰比优选0.5，制好水泥浆，通过控制注浆压力和泵量，使水泥浆均匀地喷搅在桩体中。
步骤5：搅拌下沉/喷浆搅拌下沉，待搅拌机及相关设备运行正常后，启动搅拌机电机，放松桩机钢丝绳，使深层搅拌机钻头2旋转切土下沉。下沉过程中，触探探头6压入土中量测其比贯入阻力，并传回地面微机系统7中的DY-2000型多用数字测试仪，微机系统7依据比贯入阻力判别地层是否为深厚淤泥土层，若当前地层为深厚淤泥土层，则在深层搅拌机钻头2搅拌下沉的同时喷送水泥浆，钻进速度不高于0.75m/min，若当前地层不为深厚淤泥土层，深层搅拌机钻头2只需进行搅拌下沉，钻进速度不高于0.75m/min。
表1为触探探头6获得的比贯入阻力对应的地层类别识别表
Ps(MPa)为比贯入阻力，软土和淤泥属于深厚淤泥土层。
步骤6：喷浆搅拌提升：当深层搅拌机钻头2下降到设计标高，打开送浆阀门，通过出浆孔3喷送水泥浆2～5min。确认水泥浆8已到桩底后，边提升边搅拌，确保喷浆均匀，同时严格按照设计确定的提升速度提升深层搅拌机钻头2。深层搅拌机钻头2经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆8，提升速度不高于0.75m/min，深层搅拌机钻头2不经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆8，提升速度不高于0.56m/min。确保喷浆量，以满足桩身强度达到设计要求。在深层搅拌桩成桩过程中，如遇到故障停止喷浆时，应在12h内采取补喷措施，补喷重叠长度不小于1.0m。
步骤7：重复搅拌下沉/喷浆搅拌下沉和喷浆搅拌提升，为使深厚淤泥土层的软土和水泥浆搅拌均匀，深层搅拌机钻头2再次搅拌下沉，若当前地层为深厚淤泥土层，则在深层搅拌机钻头2搅拌下沉的同时喷送水泥浆，钻进速度不高于0.75m/min，若当前地层不为深厚淤泥土层，深层搅拌机钻头2只需进行搅拌下沉，钻进速度不高于0.75m/min。
深层搅拌机钻头2第二次下沉到设计深度以后，进行第二次喷浆提升、搅拌。按照设计确定的提升速度提升深层搅拌机钻头2。深层搅拌机钻头2经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆8，提升速度不高于0.75m/min，深层搅拌机钻头2不经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆8，提升速度不高于0.56m/min。深层搅拌机钻头2提升到设计标高时，关闭注浆泵和送浆阀门。
步骤8：移位，钻机重复以上步骤1～7，进行下一根深层搅拌桩的施工。
实施例3：
施工背景说明：新建上东城垸汉银排涝泵站工程排区范围包括汉南区银莲湖垸和上城东垸。泵站建成后，拟与汉南泵站、银莲湖泵站、汉银(一)泵站和五壕泵站一起，共同承担银莲湖垸和上东城垸71.00km2地区来水。上东城垸汉银排区排涝泵站位于长江左岸干堤桩号391+672处，位于新沟下游246m。上东城垸汉银排涝泵站设计流量为35m3/s，泵站型式为堤后式，由6台单机流量5.84m3/s的立式潜水混流泵组成。泵站扬程为10.36m，平均扬程为7.74m，最小扬程为5.83m，最大扬程为11.34m。为使汉银泵站排水能力得到充分发挥，需要对排区内的骨干排渠进行了联通、整治，使排区内涝水能顺利汇入汉银泵站进水渠，由泵站抽排入江。因此在本工程项目中，需要对内荆河进行整治和疏挖。并新开挖一条内荆河至站址区的引水渠。因上东城垸地面高程比临近银莲湖垸地面高程普遍高1～2m，为防止上东城垸引入涝水过大，冲毁银莲湖垸，拟在中学沟和内荆河进行联通处见着内荆河节制闸。对引入洪水进行控制。
汉银泵站的深层搅拌桩工程于2019年12月开工，工程地处长江干堤，防洪任务重、质量要求高、地下地质条件复杂，导致施工成本高，为保证安全度汛且降低施工成本，采用实施例2所述的一种动态调整喷浆量、提升和下沉速度的搅拌桩施工方法，深层搅拌桩工程于2020年1月完工，共计施工2479根，提前一个月完成了施工任务。经现场抽样检测，质量全部合格，极大地节约了施工成本。
采用实施例2所述的一种动态调整喷浆量、提升和下沉速度的搅拌桩施工方法，解决了地基承载力不足问题，经实验检测，单桩竖向抗压极限承载力达到200KN,复合地基承载力特征值大于175kpa，满足设计要求；使用变参数、变工艺施工方法，加强了施工质量，有效缩短施工周期，降低施工成本。值得在此类型基础加固施工中推广使用。
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工装置，包括深层搅拌机钻头(2)，其特征在于，还包括触探探头(6)，
深层搅拌机钻头(2)包括中心管(201)，中心管(201)上部与钻机主轴连接，中心管管壁处设置有多个叶片(4)，各个叶片交错排布，中心管(201)与叶片(4)内部均为中空且相互连通，水泥浆(8)注于中心管内部，中心管(201)与注浆管连接，注浆管通过送浆阀门与注浆泵连接，出浆孔(3)设置在中心管(201)底部管壁或叶片(4)端部，
触探探头(6)设置在中心管(201)的底端，触探探头(6)测得比贯入阻力并通过线缆将比贯入阻力实时传回至微机系统(7)。
2.动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工方法，利用权利要求1所述的动态调整喷浆、提升和下沉速度的搅拌桩施工装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、进行场地平整，管线迁改，桩机施工道路铺设垫层，桩机下铺设钢板；
步骤2、进行试桩试验，确定经过深厚淤泥土层及不经过深厚淤泥土层的各自对应的存浆池中的水泥浆的搅拌时间、水泥浆的水灰比、水泥浆泵送时间、水泥浆注浆压力、深层搅拌机钻头(2)的提升速度、深层搅拌机钻头(2)的钻进速度以及复搅深度；
步骤3、进行桩机对位，桩机对位后，用桩机的倾斜仪校正桩机导杆左右和前后的垂直度；
步骤4、制备水泥浆；
步骤5、深层搅拌机钻头(2)旋转切土下沉，下沉过程中，触探探头(6)压入土中量测比贯入阻力，并传回地面微机系统(7)，微机系统(7)依据比贯入阻力判别地层是否为深厚淤泥土层，若当前地层为深厚淤泥土层，则在深层搅拌机钻头(2)搅拌下沉的同时喷送水泥浆，钻进速度不高于0.75m/min；若当前地层不为深厚淤泥土层，深层搅拌机钻头(2)只需进行搅拌下沉，钻进速度不高于0.75m/min；
步骤6、当深层搅拌机钻头(2)下降到设计标高，打开送浆阀门，通过出浆孔(3)喷送水泥浆2～5min，确认水泥浆(8)已到桩底后，边提升边搅拌，深层搅拌机钻头(2)经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆(8)，提升速度不高于0.75m/min，深层搅拌机钻头(2)不经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆(8)，提升速度不高于0.56m/min；
步骤7、深层搅拌机钻头(2)再次搅拌下沉，若当前地层为深厚淤泥土层，则在深层搅拌机钻头(2)搅拌下沉的同时喷送水泥浆，钻进速度不高于0.75m/min，若当前地层不为深厚淤泥土层，深层搅拌机钻头(2)进行搅拌下沉，钻进速度不高于0.75m/min；
深层搅拌机钻头(2)第二次下沉到设计深度以后，进行第二次喷浆提升、搅拌，深层搅拌机钻头(2)经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆(8)，提升速度不高于0.75m/min，深层搅拌机钻头(2)不经过深厚淤泥地层时，在搅拌提升的同时喷送水泥浆(8)，提升速度不高于0.56m/min，深层搅拌机钻头(2)提升到设计标高时，关闭注浆泵和送浆阀门，
步骤8、移位，钻机重复以上步骤1～7，进行下一根深层搅拌桩的施工。
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