CN114320169A - 一种搅拌桩的短螺旋钻头和带有短螺旋钻头的组合式钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下施工机械设备技术领域，一种搅拌桩的短螺旋钻头和带有短螺旋钻头的组合式钻具，组合式钻具包括顶端接头、中心轴、框架结构以及上述的短螺旋钻头，所述顶端接头与中心轴相连接；所述中心轴由外向内依次包括外管、内管和中心管，三管之间形成多条材料输送通道；所述框架结构呈单层或双层连接在中心轴上，并设置多层横向搅拌翼板；所述短螺旋钻头的顶端连接在中心轴底端；所述短螺旋钻头包括钻头主杆、第一喷注口、短螺旋叶片和钻尖；组合式钻具的内外管在双动力头的顺时针和逆时针扭矩作用下可进行互为相反的旋转，能够实现相邻横向搅拌翼板的交错剪切搅拌，以及短螺旋钻头的螺旋自攻钻掘和反压技术的挤密增强效果。

Description

一种搅拌桩的短螺旋钻头和带有短螺旋钻头的组合式钻具

技术领域

本发明涉及地下施工机械设备技术领域，尤其涉及一种搅拌桩的短螺旋钻头和带有短螺旋钻头的组合式钻具。

背景技术

基于单向旋转搅拌的深层搅拌桩技术由欧洲日本引入我国后，于上世纪中后期开始广泛应用于土木建筑工程领域。深层搅拌桩工程技术采用单轴或多轴搅拌钻机将水泥等固化材料输入地下，通过与土体进行搅拌混合，使固化材料与土体之间产生一系列的物理与化学反应，生成强度高，水稳性好，防渗性能强的桩体、墙体、块体。从而有效解决了复合地基承载力、搅拌桩承载力、劲芯复合桩承载力、SMW工法桩承载力、隔水墙抗渗力以及污染土、有毒物质填埋场的封隔墙与封隔层等实际工程问题。

现有深层搅拌桩工程技术，采用现有单向旋转搅拌和双向搅拌的施工钻头与工艺时，通常无法钻掘搅拌较硬的全风化、强风化、密实砂土及硬塑黏土地层，而采用现有单向旋转搅拌的施工钻头与工艺时，土体往往搅拌不均匀、在黏性土体中施工时易产生糊钻抱钻、固化土整体强度低的工程质量与安全问题。

发明内容

本发明所要解决的是针对现有单向旋转搅拌和双向搅拌的施工钻头与工艺无法钻掘搅拌较硬的全风化、强风化、密实砂土及硬塑黏土地层的难题，以及土体搅拌不均匀、在黏性土体中施工时易产生糊钻抱钻、固化土整体强度低的技术问题，提供了一种提升钻掘搅拌能力、提高搅拌效果，以及适用于硬土地基及大直径、大深度搅拌桩施工的短螺旋钻头和组合式钻具。

为本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种搅拌桩的短螺旋钻头，包括钻头主杆、第一喷注口、短螺旋叶片和钻尖；所述钻头主杆的内部设置有用于注射材料的注射通道；所述第一喷注口设置在钻头主杆底部，且第一喷注口与注射通道的出料端连通；所述短螺旋叶片设置在钻头主杆的外壁上；短螺旋叶片的上端设置有多个间隔排列的板齿；短螺旋叶片的下端设置有多个间隔排列的截齿；所述钻尖连接在钻头主杆的底部。应用短螺旋钻头能够钻掘搅拌较硬的全风化、强风化、密实砂土及硬塑黏土地层；利用螺旋钻强大的自攻能力可以解决传统的单向搅拌钻具和现有的双向搅拌钻具无法在硬土地层中实施大直径、大深度的搅拌桩施工的技术难题。

作为优选，所述短螺旋叶片的旋转扩展角度范围为0°～1800°，形成一圈至五圈的连续螺旋叶片；连续螺旋叶片的直径为等直径式或变直径式，且连续螺旋叶片的螺距为等螺距式或不等螺距式。通过变化不同的形式能够达到不同的钻掘搅拌效果。

作为优选，所述短螺旋叶片中的上下相邻的连续螺旋叶片之间设置有多根间隔排列的剪切板。通过剪切板能够进一步提升切土搅拌能力。

作为优选，所述短螺旋叶片由多个非连续螺旋叶片组成；多个所述非连续螺旋叶片纵向间隔设置在钻头主杆的外壁上；多个所述截齿设置在位于底部的非连续螺旋叶片的底端。采用非连续、分段式的非连续螺旋叶片便于进一步提升搅拌能力和破土能力。

作为优选，所述板齿设置在短螺旋叶片顶部的弧形终止边缘，且板齿的角度与短螺旋叶片顶部的弧形终止边缘的角度相近；所述截齿设置在短螺旋叶片底部的弧形起始边缘，且截齿的角度为15°～35°。通过板齿和截齿能够进一步提升搅拌能力和破土能力。

作为优选，所述短螺旋叶片的外边缘焊接有第一耐磨板；所述钻尖整体呈十字形结构，且十字形结构的钻尖上每个支杆的底部设置有多个钻尖齿。采用第一耐磨板能够延长短螺旋叶片使用寿命，并且提升钻尖的破土能力。

作为优选，一种搅拌桩组合式钻具，从上至下依次包括顶端接头、中心轴、框架结构以及上述的搅拌桩的短螺旋钻头；所述顶端接头位于中心轴的顶端；所述中心轴由外向内依次包括外管、内管和中心管，三管之间形成多条材料输送通道；所述框架结构连接在中心轴的外周壁上；所述短螺旋钻头的顶端连接在中心轴的底端。组合式钻具的外管和内管在双动力头的顺时针和逆时针扭矩作用下可进行互为相反的旋转；实现短螺旋钻头的螺旋自攻钻掘和反压技术的挤密增强效果。

作为优选，框架结构为单层框架结构，框架结构的上端与中心轴的外管的外侧壁通过第一固定环套固定连接，框架结构的下端与中心轴的内管的外侧壁通过第一环形限位支撑轴承轴套转动连接，并能实现框架结构随动于中心轴的外管旋转；所述顶端接头位于中心轴的顶端；顶端接头为母接头结构；顶端接头与上部的内外主动钻杆的底端相连接；所述内外主动钻杆的结构与中心轴的结构相同，内外主动钻杆底端设置有公接头；所述顶端接头与公接头固定密封连接，并通过锁定销轴承载轴力。单层框架结构以平均分隔的方式分成多品的单层框架；单层框架连接在中心轴的外周壁上；单层框架的竖向外缘板的内侧壁上设置有多块第一横向搅拌翼板，且在中心轴的外周壁上也固定连接有多块第二横向搅拌翼板；第一横向搅拌翼板和第二横向搅拌翼板间隔设置；单层框架顶部的上端面安装有多个间隔排列且垂直向上的上齿板，单层框架底部的下端面安装有多个间隔排列且垂直向下的下齿板。上部的框架结构体系与下部的短螺旋钻头转动时互不影响、可以独立的同向或反向旋转,由于上部框架结构体系内的各相邻的横向搅拌翼板的旋转方向相反，被加固土体能够得到充分、均匀地相互剪切及强力拌合。

作为优选，框架结构为双层框架结构，框架结构包括外框架和内框架；所述外框架上端与中心轴的外管的外侧壁通过第二固定环套固定连接；外框架下端与中心轴的内管的外侧壁通过第二环形限位支撑轴承轴套转动连接，并能实现外框架随动于中心轴的外管旋转；内框架上端与中心轴的外管的外侧壁通过第三环形限位支撑轴承轴套转动连接，内框架下端与中心轴的内管的外侧壁通过第三固定环套固定连接，并能实现内框架随动于中心轴的内管旋转；中心轴的外周壁上也固定连接有多块横向T型搅拌翼板；内框架的内侧设置有与多块横向T型搅拌翼板间隔设置的第四横向搅拌翼板；内框架的外侧设置有多块第五横向搅拌翼板；内框架的上下两外侧还设置有竖向搅拌翼板；外框架的内侧设置有与多块第五横向搅拌翼板间隔设置的第六横向搅拌翼板，双层框架结构的外框架、内框架及底端的短螺旋钻头之间转动时互不影响、均可独立的同向或反向旋转,双层框架结构体系内的相邻的横向搅拌翼板的旋转方向互为相反。

作为优选，所述组合式钻具还包括第二喷注口和第三喷注口；所述第二喷注口与内管和中心管的环状间隙相通，并设置于外框架下端的侧后部，第三喷注口与内管和外管的环状间隙相通，并设置于外框架的竖向外缘板的外壁上；所述框架结构的外边缘焊接有第二耐磨板；框架结构上的环形限位支撑轴承轴套上设置有动密封件及润滑油的注油孔。

附图说明

图1是本发明的短螺旋钻头的第一种结构示意图。

图2是本发明的短螺旋钻头的第二种的结构示意图。

图3是本发明的短螺旋钻头的第三种的结构示意图。

图4是本发明的短螺旋钻头的第四种的结构示意图。

图5是本发明的第一种组合式钻具的结构示意图。

图6是本发明的第二种组合式钻具的结构示意图。

图7是本发明的第三种组合式钻具的结构示意图。

图8是本发明的两品单层框架结构的结构示意图。

图9是本发明的三品单层框架结构的结构示意图。

图10是本发明的四品单层框架结构的结构示意图。

图11是本发明的两品双层框架结构的结构示意图。

图12是本发明的三品双层框架结构的结构示意图。

图13是本发明的四品双层框架结构的结构示意图。

图14是本发明的第一种组合式钻具中喷注结构的示意图。

图15是本发明的第二种组合式钻具中喷注结构的示意图。

图16是本发明的第三种组合式钻具中喷注结构的示意图。

图17是本发明的横向搅拌翼板的一种结构示意图。

图18是本发明的横向搅拌翼板的另一种结构示意图。

图19是本发明的中心轴结构的示意图。

图20是本发明的公接头的结构示意图。

图21是本发明的顶端接头的剖视图。

图22是本发明的钻尖结构的侧视图。

图23是本发明的钻尖结构的仰视图。

图24是本发明的整体使用工艺的结构示意图。

其中：1-组合式钻具、2-框架结构、3-中心轴、4-材料输送通道、5-顶端接头、6-短螺旋钻头、7-外管、8-内管、9-中心管、10-内外主动钻杆、11-公接头、12-母接头结构、13-双动力头、23-单层框架、24-竖向外缘板、25-1-第一横向搅拌翼板、25-2-第二横向搅拌翼板、25-3-横向T型搅拌翼板、25-4-第四横向搅拌翼板、25-5-第五横向搅拌翼板、25-6-第六横向搅拌翼板、26-下齿板、27-上齿板、28-外框架、29-内框架、291-竖向搅拌翼板、31-第一固定环套、32-第一环形限位支撑轴承轴套、35-锁定销轴、401-第一材料输送通道、402-第二材料输送通道、403-第三材料输送通道、41-第二固定环套、42-第二环形限位支撑轴承轴套、43-第三环形限位支撑轴承轴套、44-第三固定环套、52-第二喷注口、53-第三喷注口、55-注油孔、56-第二耐磨板、600-注射通道、601-钻头主杆、602-第一喷注口、603-短螺旋叶片、604-钻尖；605-板齿；606-截齿、607-剪切板、608-非连续螺旋叶片、609-钻尖齿、610-第一耐磨板、61-双向搅拌机构、62-水龙头、63-一体式悬挂装置、64-外部材料供应管路、65-后台供浆系统。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

实施例1

如图1和图14所示，一种搅拌桩的短螺旋钻头6，包括钻头主杆601、第一喷注口602、短螺旋叶片603和钻尖604；钻头主杆601的内部设置有用于注射固化剂或水或气或其他材料的注射通道600；第一喷注口602设置在钻头主杆601下部一侧，且第一喷注口602与注射通道600的出料端连通，第一喷注口602为单个圆形孔、椭圆形孔、矩形孔，或多个圆形孔或条缝状长孔，固化剂通过注射通道600并从第一喷注口602将固化剂喷出。在钻掘搅拌过程中，土体与固化剂整体搅拌均匀、拌合充分，可以节约大量的固化剂材料，同时能够确保深层搅拌桩的品质优良、工期缩短、成本下降。短螺旋叶片603设置在钻头主杆601的外壁上，通过短螺旋叶片603能够钻掘搅拌较硬的全风化、强风化土体、密实砂土或硬塑黏土体，并且采用控速反向旋转上提搅拌工艺时，通过短螺旋叶片603反压技术可实现固化土的进一步挤密增强效果，提高固化土的密实性和强度。短螺旋叶片603的旋转扩展角度范围为0°～720°，形成两圈的连续螺旋叶片；连续螺旋叶片的直径为等直径式，且连续螺旋叶片的螺距为等螺距式。连续螺旋叶片的直径为1100mm，螺距为200mm；短螺旋叶片603中的上下相邻的连续螺旋叶片之间设置有多根间隔排列的剪切板607，剪切板607的截面形状优选为菱形，剪切板607的截面也可以采用其他形状，通过剪切板607能够有效切割土体提升搅拌均匀度以及搅拌效果。短螺旋叶片603的上端设置有多个间隔排列的板齿605；板齿605设置在短螺旋叶片603顶部的弧形终止边缘，且板齿605的角度与短螺旋叶片603顶部的弧形终止边缘的角度相近；短螺旋叶片603的下端设置有多个间隔排列的截齿606；所述截齿606设置在短螺旋叶片603底部的弧形起始边缘，且截齿606的角度为26°。板齿605和截齿606均采用合金材料，能够进一步延长螺旋叶片的使用寿命、提升短螺旋钻头6的钻掘搅拌能力。所述短螺旋叶片603的外边缘焊接有第一耐磨板610，通过第一耐磨板610给短螺旋叶片603增加一层保护，能够降低短螺旋叶片603的损耗，从而进一步提升短螺旋叶片603的使用寿命。如图22和图23所示，所述钻尖604连接在钻头主杆601的底部，所述钻尖604整体呈十字形结构，且十字形结构的钻尖604上每个支杆的底部设置有多个钻尖齿609，用以提升钻尖604的破土能力。

通过短螺旋钻头6能够钻掘搅拌较硬的全风化、强风化土体、密实砂土或硬塑黏土体，并且提升土体搅拌均匀度、提升固化土整体强度。

实施例2

实施例2与实施例1上的短螺旋叶片603和截齿606存在不同，其他结构相同。

如图2所示，短螺旋叶片603的旋转扩展角度范围为0°～900°，形成2.5圈的连续螺旋叶片；连续螺旋叶片的直径为等直径式，且连续螺旋叶片的螺距为等螺距式。连续螺旋叶片的直径为2000mm，螺距为260mm。截齿606的角度为28°。该结构通过增加短螺旋叶片603的圈数，能够进一步提升中等硬度土层的钻掘搅拌效果。

实施例3

实施例3与实施例1上的短螺旋叶片603和截齿606存在不同，其他结构相同。

如图3所示，短螺旋叶片603的旋转扩展角度范围为0°～900°，形成2.5圈的连续螺旋叶片；连续螺旋叶片的直径为变直径式，且由上至下直径逐渐减小，通过螺旋叶片直径逐渐减小能够进一步提升短螺旋钻头钻掘搅拌能力以及破土能力，从而能够应对更坚硬的土层，同时也便于后续搅拌作业。短螺旋叶片603顶部的板齿605采用常规的合金材料，而短螺旋叶片603底部的截齿606采用高强度高硬度的合金材料。该结构专门应对较为坚硬、钻掘搅拌困难的土层，并且在上下相邻的连续螺旋叶片之间也可以设置有多根间隔排列的剪切板607，以提升对土体剪切的能力。

实施例4

实施例4与实施例1上的短螺旋叶片603存在不同，其他结构相同。

如图4所示，短螺旋叶片603由三个非连续螺旋叶片608组成；位于底部的非连续螺旋叶片608的旋转扩展角度范围为0°～540°,形成1.5圈的连续螺旋叶片,且位于底部的非连续螺旋叶片608螺距为250mm。上方的2个非连续螺旋叶片608的旋转扩展角度为从540°处开始，间隔设置180°无螺旋叶片区域及540°有螺旋叶片区域。三个非连续螺旋叶片608呈等直径式，非连续螺旋叶片608直径为1800mm。非连续螺旋叶片608纵向间隔设置在钻头主杆601的外壁上；位于顶部的非连续螺旋叶片608的顶端可以选择性设置板齿605。多个所述截齿606设置在位于底部的非连续螺旋叶片608的底端。采用非连续、分段式的非连续螺旋叶片608可进一步提升短螺旋钻头在特殊复杂土层中的搅拌能力和破土能力。

实施例5

如图5和图14所示，一种带有短螺旋钻头的组合式钻具1，从上至下依次包括顶端接头5、中心轴3、框架结构2以及上述的短螺旋钻头6；所述顶端接头5位于中心轴3的顶端；所述中心轴3由外向内依次包括外管7、内管8和中心管9，三管之间形成多条材料输送通道4；如图19所示，材料输送通道4分别为中心管9内的第一材料输送通道401、中心管9外壁与内管8内壁之间的第二材料输送通道402以及内管8外壁与外管7内壁之间的第三材料输送通道403。框架结构2连接在中心轴3的外周壁上；短螺旋钻头6的顶端连接在中心轴3的底端。组合式钻具的外管和内管在双动力头的顺时针和逆时针扭矩作用下可进行互为相反的旋转；分别实现短螺旋钻头6的螺旋自攻钻掘与反压技术的挤密增强效果。

通过引入双动力头驱动的组合式钻具，可以使桩机施工直径小于3000mm的搅拌桩，并可以在复杂坚硬土层中实现大深度搅拌桩施工。这种新型钻具的主要优点是在双动力头的正反向扭矩与钻压作用下，搅拌桩组合式钻具的短螺旋钻头6在下行作业阶段可利用其螺旋自攻性能实现在全风化、强风化、密实砂土以及硬塑黏土层中钻掘搅拌施工；短螺旋钻头6在上行反向旋转作业阶段，利用控速旋转提升搅拌工艺和反压技术还可促进短螺旋叶片603对固化土的挤密增强效果，从而提高固化土的密实性和强度；在施工中，组合式钻具1可以同速或变速双向旋转，由于钻具相邻的框架和横向搅拌翼板的旋转方向相反，利用各框架和相邻横向搅拌翼板的双向搅拌与相互剪切功能，可以解决传统搅拌钻具施工时固化土沿钻具与钻杆周侧间隙向上排出的技术难题以及在黏性土层施工中成团抱钻的顽疾，并且促进了被搅拌固化土体的相互剪切、揉搓破碎及强力拌合，以及搅拌桩桩体的均匀性和高强度。

如图5和图14所示，框架结构2为单层框架结构，框架结构2的上端与中心轴3的外管7的外侧壁通过第一固定环套31固定连接，框架结构2的下端与中心轴3的内管8的外侧壁通过第一环形限位支撑轴承轴套32转动连接，并能实现框架结构2随动于中心轴3的外管7旋转。

如图20和图21所示，所述顶端接头5位于中心轴3的顶端；顶端接头5上设置有呈内六方的母接头结构12；顶端接头5与内外主动钻杆10的下端密封连接；所述内外主动钻杆10的结构与中心轴3的结构相同，内外主动钻杆10底端设置有呈外六方的公接头11；母接头结构12与公接头11固定密封连接，其中内外六方传递扭矩，并通过锁定销轴35承载轴力。

单层框架结构的中心轴3的外管7外周侧以120°平均分隔的方式径向安装三品大小相同的单层框架23；单层框架23连接在中心轴3的外周壁上；如图8-图10所示，还可以为两品大小相同的单层框架23或者为四品大小相同的单层框架23。单层框架23的外边缘焊接有第二耐磨板56。通过第二耐磨板56进一步对框架结构进行保护，提升框架结构的使用寿命。

单层框架23的竖向外缘板24的内侧壁上设置有多块第一横向搅拌翼板25-1，且在中心轴3的外周壁上也固定连接有多块第二横向搅拌翼板25-2；第一横向搅拌翼板25-1和第二横向搅拌翼板25-2间隔设置；如图18所示，第一横向搅拌翼板25-1和第二横向搅拌翼板25-2截面均为梯形。单层框架23顶部的上端面安装有多个间隔排列且垂直向上的上齿板27，单层框架23底部的下端面安装有多个间隔排列且垂直向下的下齿板26。通过上齿板27和下齿板26可进一步提升搅拌均匀效果及固化土整体强度。利用各框架和相邻横向搅拌翼板的双向搅拌与相互剪切功能，可以解决传统搅拌钻具施工时固化土沿钻具与钻杆周侧间隙向上排出的技术难题以及在黏性土层施工中成团抱钻的顽疾。

短螺旋钻头6的结构与实施例1中的短螺旋钻头6相同。该搅拌桩组合式钻具的上部的框架结构2与下部的短螺旋钻头6转动时互不影响、可以独立的同向或反向旋转,由于上部的框架结构2内的各相邻的横向搅拌翼板的旋转方向相反，被加固土体能够得到充分、均匀地相互剪切及强力拌合。

实施例6

实施例6中的框架结构2和短螺旋钻头6与实施例5中的框架结构2和短螺旋钻头6存在不同，其他结构相同。

如图6和图15所示，框架结构2为双层框架结构，框架结构2包括外框架28和内框架29；双层框架结构的中心轴3的外管7外周侧以180°平均分隔的方式径向安装各两品大小不同的外框架28和内框架29。如图11至13所示，还可以是均为三品且大小不同的外框架28和内框架29或者均为四品且大小不同的外框架28和内框架29。

外框架28上端与中心轴3的外管7的外侧壁通过第二固定环套41固定连接；外框架28下端与中心轴3的内管8的外侧壁通过第二环形限位支撑轴承轴套42转动连接，并能实现外框架28随动于中心轴3的外管7旋转；内框架29上端与中心轴3的外管7的外侧壁通过第三环形限位支撑轴承轴套43转动连接，内框架29下端与中心轴3的内管8的外侧壁通过第三固定环套44固定连接，并能实现内框架29随动于中心轴3的内管8旋转；中心轴3的外周壁上也固定连接有多块横向T型搅拌翼板25-3；如图17所示，横向T型搅拌翼板25-3侧视面呈T型状；T型状能够增大搅拌面积，同时也能进一步提升搅拌效果以及相互剪切能力。内框架29的内侧设置有与多块横向T型搅拌翼板25-3间隔设置的第四横向搅拌翼板25-4；内框架29的外侧设置有多块第五横向搅拌翼板25-5；内框架29的上下两外侧还设置有竖向搅拌翼板291；外框架28的内侧设置有与多块第五横向搅拌翼板25-5间隔设置的第六横向搅拌翼板25-6。如图18所示，第四横向搅拌翼板25-4、第五横向搅拌翼板25-5和第六横向搅拌翼板25-6的截面均为梯形。利用各框架和各相邻横向搅拌翼板的双向搅拌与相互剪切功能，可以解决传统搅拌钻具施工时固化土沿钻具周侧间隙向上排出的技术难题以及在黏性土层施工中成团抱钻的顽疾。

短螺旋钻头6的结构与实施例4中的短螺旋钻头6相同。

如图15所示，组合式钻具1还包括第二喷注口52；第二喷注口52为单个圆形孔、椭圆形孔、矩形孔，多个圆形孔或条缝状长孔。第二喷注口52与内管8和中心管9之间的环状间隙相通，并设置于外框架28下端的侧后部，实现双通道注入固化剂，在组合式钻具1的钻掘搅拌施工的同时从不同部位喷射固化剂可以提升固化土整体均匀性和强度。外框架28的外边缘和内框架29的外边缘均焊接有第二耐磨板56；通过第二耐磨板56可进一步对外框架28和内框架29进行保护，延长框架结构的使用寿命。框架结构2上的环形限位支撑轴承轴套上设置有动密封件及润滑油的注油孔55。

双层框架结构2的外框架、内框架及底端的短螺旋钻头6之间转动时互不影响、均可独立的同向或反向旋转,双层框架结构2内的相邻的横向搅拌翼板的旋转方向互为相反。

实施例7

实施例7中的双层框架结构2和短螺旋钻头6与实施例5中的框架结构2和短螺旋钻头6存在不同，其他结构相同。

如图7和图16所示，框架结构2为双层框架结构，框架结构2包括外框架28和内框架29；双层框架结构的中心轴3的外管7外周侧以120°平均分隔的方式径向安装各三品大小不同的外框架28和内框架29。短螺旋钻头6的结构与实施例2中的短螺旋钻头6相同。

如图16所示，组合式钻具1还包括第三喷注口53，第三喷注口53为单个圆形孔、椭圆形孔、矩形孔，多个圆形孔或条缝状长孔。第三喷注口53与内管8和外管7之间的环状间隙相通，并设置于外框架28上竖向外缘板24的内侧。实现三通道注入固化剂。

实施例8

如图24所示，一种搅拌桩组合式钻具的使用工艺，组合式钻具1配装于桩机前端的双向搅拌机构61的底端，可升降运行的双向搅拌机构61从上至下依次安装有一组水龙头62、双动力头13、可上下移动的一体式悬挂装置63、相互独立的内外主动钻杆10；中心轴3由三重管组成并具有多个材料输送通道4，固化剂可通过外部材料供应管路64、水龙头62、内外主动钻杆10、中心轴3及短螺旋钻头6向组合式钻具1的各喷注口输送。

具体工艺步骤：

1)装备组装：双动力头钻机进场后的组装重点是将双向搅拌机构61的水龙头62、双动力头13、一体式悬挂装置63、内外主动钻杆10及组合式钻具1按顺序组装，外部材料供应管路64与水龙头62固定密封连接；利用一体式悬挂装置63，将内外主动钻杆10与其顶部的双动力头13的输出端固定密封连接；最后将组合式钻具1的顶端接头5与最下节内外主动钻杆10的底端固定密封连接，完成组装。

2)施工参数设定：针对一喷两搅施工工艺，设定钻机在不同深度段的施工扭矩、钻压、外管7和内管8的旋转方向及旋转速度、钻掘速度、提升速度，以及不同深度段的每延米桩长的固化剂喷注量；同时启动后台搅拌站的固化剂搅浆作业，并将高压注浆泵和外部材料供应管路64的输入端固定密封连接。

3)钻机下行阶段施工：钻机就位启动钻机和后台供浆系统65，在组合式钻具1的内管8和短螺旋钻头6保持顺时针转动而外管7保持逆时针转动条件下，钻机依据设定的施工参数分别对上下动力头13施加正反向扭矩，进行下行阶段的钻掘和搅拌作业，其中短螺旋钻头6利用螺旋自攻的特性，在钻具的最底端进行强力的钻掘作业；同时利用高压注浆泵，通过多个喷注口实施固化剂定量撒布；在组合式钻具1的双向搅拌过程中，被加固土体经过相互剪切和强力搅拌可实现固化土的充分均匀拌合；直至双向搅拌机构61的下行作业达到设计桩底标高为止，即完成了下行钻掘和搅拌作业阶段的施工。

4)钻机上行阶段施工：在组合式钻具1的内管8和短螺旋钻头6保持逆时针转动而外管7保持顺时针转动条件下，并且短螺旋钻头6每旋转一圈的组合式钻具1的提升量为0.5个螺距的技术前提下，桩机依据设定组合式钻具1提升速度与旋转速度，对上下动力头4施加正反向扭矩与提拔力，并利用反向挤压技术在上行阶段进行挤密增强作业；在二次搅拌作业中，组合式钻具1对土体和固化剂进行充分的相互剪切与强力搅拌，直至双向搅拌机构61的上行作业达到设计桩顶标高，即完成了上行搅拌作业阶段的施工；结束本搅拌桩的施工作业，并将桩机移位。

实施例9

下面结合图24、图1、图5、图9和图14对本发明作进一步阐述说明，本实施例的工程背景为施工小高层住宅建筑的基础桩劲芯复合桩，搅拌桩桩长为24m，桩径为1100mm，PHC管桩桩长为24m，桩径为700mm，单桩设计极限承载力为4600kN。

本实施例的基本情况：场地三层地基土分别为①黏性土，层厚12m，含水量为w＝36％，e＝1.35,SPT＝3～9，②粉土，层厚9m，含水量为w＝27％，e＝1.1,SPT＝7～18，③全风化土层，层厚19m，含水量为w＝25％，SPT＝13～29；采用KD固化剂产品，掺入量为12％，水灰比为0.5，采用单通道喷浆法进行固化剂撒布；施工钻机采用2x12tm液压驱动的双动力头钻机及组合式钻具1，施工应用搅拌桩的一喷两搅施工工艺和PHC管桩抱压施工工艺。

如图5、图14所示，一种带有短螺旋钻头的组合式钻具从上至下依次包括顶端接头5、中心轴3、材料输送通道4、框架结构2、短螺旋钻头6，框架结构2与短螺旋钻头6采用快速接头连接；中心轴3由外管7、内管8和中心管9构成，材料输送通道4为中心管9内的第一材料输送通道401；中心轴3的结构与内外主动钻杆10的结构相同；组合式钻具1的外管7和内管8在双动力头13的顺时针和逆时针扭矩作用下可实现互为相反的旋转。

如图5、图9所示，框架结构2为单层框架结构，单层框架结构的中心轴3的外管7外周侧以120°平均分隔的方式径向安装三品大小相同的单层框架23，单层框架23上的三个分支架上均设有竖向外缘板24和第一横向搅拌翼板25-1，在中心轴3的内管8的外周侧安装有固定连接的第二横向搅拌翼板25-2；单层框架23的下端面底部安装有垂直向下的下齿板26，上端面顶部安装有垂直向上的上齿板27；中心轴3的底端安装有与搅拌桩直径相同的短螺旋钻头6；单层框架23及下部短螺旋钻头6均可独立的同向或反向旋转,相邻的第一横向搅拌翼板25-1和第二横向搅拌翼板25-2的旋转方向互为相反，被加固土体能够得到充分、均匀地相互剪切及强力拌合。

单层框架23的上端与中心轴3的外管7的外侧壁的第一固定环套31固定连接，下端与中心轴3的内管8的外侧壁通过第一环形限位支撑轴承轴套32转动连接，且单层框架结构可随动于中心轴3的外管7旋转。

短螺旋叶片603采用等直径设计，其旋转扩展角度范围为0°～720°，可形成2圈的连续螺旋叶片；上下连续螺旋叶片之间竖向设置具有间隔的剪切板607；短螺旋叶片603的直径为1100mm，螺距为200mm；短螺旋叶片603的底部弧形起始边缘安装有角度为26°的截齿606，顶部弧形终止边缘安装有板齿605。

组合式钻具1的第一喷注口602采用圆形孔，其与中心管9中的第一材料输送通道401相通，并设于短螺旋钻头6的底部；单层框架23的外边缘焊接有第二耐磨板56，短螺旋叶片603的外边缘焊接有第一耐磨板610；单层框架23的各环形限位支撑轴承轴套上设有动密封件及润滑油的注油孔55。

组合式钻具1配装于钻机的双向搅拌机构61底端，可升降运行的双向搅拌机构61从上至下依次安装有水龙头62、双动力头13、一体式悬挂装置63、相互独立的内外主动钻杆10；固化剂可通过外部材料供应管路64、水龙头62、内外主动钻杆10、中心轴3及短螺旋钻头6向第一喷注口602输送。

本实施例的组合式钻具1的使用工艺与实施例8所述基本相似，故对本实施例的实施工艺步骤不再重复阐述。

实施例10

下面结合图24、图4、图11、图8、和图15对本发明作进一步阐述说明，本实施例的工程背景为施工用于深基坑支护的重力式水泥土挡墙,采用双排搅拌桩设计，桩长为31m，桩径为1800mm，要求搅拌桩的28天无侧限抗压强度不小于0.9MPa，渗透系数k不大于10^-7cm/s。

本实施例的基本情况：场地两层地基土为①黏土，层厚14m，含水量为w＝42％，e＝1.2,SPT＝4～9，②粉质砂土，层厚28m，含水量为w＝27％，SPT＝13～28；采用42.5水泥，外加3％的膨润土，掺入量为15％，水灰比为1.0～1.6，采用双通道喷浆法进行固化剂撒布；施工钻机采用2x16tm电驱动的钻机及组合式钻具1，施工应用一喷两搅施工工艺。

如图6、图11所示，所述的由双动力头钻机驱动的组合式钻具1从上至下依次包括顶端接头5、中心轴3、材料输送通道4、框架结构2、非连续型的短螺旋钻头6，上部框架结构2与短螺旋钻头6采用快速接头连接；中心轴3由外管7、内管8和中心管9构成，并形成了双材料输送通道4，如图19所示，分别为第一材料输送通道401和第二材料输送通道402，中心轴3的结构与内外主动钻杆10的结构相同；组合式钻具1的外管7和内管8在双动力头13的正反扭矩作用下呈现为相互反向的旋转。

如图6、图11所示，框架结构2为双层框架结构，双层框架结构的中心轴3的外管7外周侧以180⁰平均分隔的方式径向安装各两品大小不同的外框架28和内框架29，内外各两品框架均设有竖向外缘板24和横向搅拌翼板，在中心轴3的外管7的外周侧也安装有固定连接的横向T型搅拌翼板25-3；外框架28的下端面底部安装有下齿板26，上端面顶部安装有上齿板27；中心轴3的底端安装有直径与搅拌桩相同的短螺旋钻头6；外框架28、内框架29及短螺旋钻头6转动时互不影响，且可同向或反向旋转,框架结构2内的相邻的各横向搅拌翼板25的旋转方向互为相反。

外框架28上端与中心轴3的外管7的外侧壁的第二固定环套41固定连接，外框架28下端与中心轴3的内管8的外侧壁通过第二环形限位支撑轴承轴套42转动连接，且外框架28可随动于中心轴3的外管7旋转；内框架29上端与中心轴3的外管7的外侧壁通过第三环形限位支撑轴承轴套43转动连接，其下端与中心轴3的内管8的外侧壁的第三固定环套44固定连接，且内框架29随动于中心轴3的内管8旋转。

短螺旋钻头6的短螺旋叶片603的直径为1800mm，短螺旋叶片603采用三个非连续螺旋叶片，底部连续螺旋叶片的旋转扩展角度为0°～540°，形成1.5圈的连续螺旋叶片，短螺旋钻头6底部的连续螺旋叶片的螺距为250mm，且短螺旋叶片603的底部弧形起始边缘安装有角度为30°的截齿606；上部的2个非连续螺旋叶片的旋转扩展角度为从540°处开始，间隔设置180°无螺旋叶片区域及540°有螺旋叶片区域。

组合式钻具1设置有2个固化剂喷注口，分别为第一喷注口602和第二喷注口52，第一喷注口602与中心管9中的第一材料输送通道401相通，并设置于短螺旋钻头6的底部，第二喷注口52与中心轴3的内管8和中心管9之间的中的第二材料输送通道402相通，并设置于外框架下端的侧后部。各框架的外边缘焊接有第二耐磨板56，短螺旋叶片603的外边缘焊接有第一耐磨板610；各框架的环形限位支撑轴承轴套上设有动密封件及润滑油的注油孔55。

组合式钻具1配装于钻机的双向搅拌机构61底端，双向搅拌机构61从上至下依次安装有双通道水龙头62、双动力头13、一体式悬挂装置63、内外主动钻杆10；中心轴3内设有双材料输送通道4，固化剂可通过外部材料供应管路64、水龙头62、内外主动钻杆10、中心轴3及短螺旋钻头6向各喷注口输送。

本实施例的组合式钻具1的使用工艺与实施例8所述基本相似，故对本实施例的实施工艺步骤不再重复阐述。

实施例11

下面结合图24、图2、图7、图12和图16对本发明作进一步阐述说明，本实施例的工程背景是施工港口集装箱堆放场的复合地基地坪中的大直径搅拌桩，桩长为22m，桩径为2000mm，搅拌桩复合地基设计极限承载力为300kPa，搅拌桩的28天无侧限抗压强度不小于1.0MPa。

本实施例的基本情况：场地地基土为深厚的海相饱和黏土地基，含水量为w＝61％，e＝1.32，q_c＝0.2MPa，f_s＝6.5kPa，SPT＝3～11，场地表层土为2.8m厚的硬壳层，其地基承载力为120kPa；固化剂采用KD1号，掺入量为15％，使用粉剂+浆液喷注方法进行固化剂干粉及固化剂浆液喷注；施工钻机采用2x15tm电驱动的钻机及组合式钻具1，施工采用一喷两搅施工工艺。

如图7、图12所示，组合式钻具1从上至下依次包括顶端接头5、中心轴3、材料输送通道4、框架结构2、短螺旋钻头6，上部的框架结构2与下部的短螺旋钻头6采用快速接头连接；中心轴3由外管7、内管8和中心管9构成，并形成了三材料输送通道4，如图19所示，分别为第一材料输送通道401、第二材料输送通道402和第三材料输送通道403，中心轴3的结构与内外主动钻杆10的结构相同；组合式钻具1的外管7和内管8在双动力头13的正反扭矩作用下呈现为相互反向的旋转。

如图7、图12所示，框架结构2为双层框架结构，双层框架结构的中心轴3的外管7外周侧以120°平均分隔的方式径向安装各三品大小不同的外框架28和内框架29，内外各三品框架均设有竖向外缘板24和横向搅拌翼板，在中心轴3的外管7的外周侧也安装有固定连接的横向T型搅拌翼板25-3；外框架28的上下端面安装有下齿板26和上齿板27；外框架28、内框架29及短螺旋钻头6转动时互不影响，且可同向或反向旋转,上部的双层框架结构2内的相邻的横向搅拌翼板的旋转方向互为相反。

外框架28上端与中心轴3的外管7的外侧壁的第二固定环套41固定连接，外框架28下端与中心轴3的内管8的外侧壁通过第二环形限位支撑轴承轴套42转动连接，且外框架28可随动于中心轴3的外管7旋转；内框架29上端与中心轴3的外管7的外侧壁通过第三环形限位支撑轴承轴套43转动连接，其下端与中心轴3的内管8的外侧壁的第三固定环套44固定连接，且内框架29随动于中心轴3的内管8旋转。

短螺旋叶片603的直径为2000mm，短螺旋叶片603的旋转扩展角度为0°～900°，形成2.5圈的连续螺旋叶片，上下连续螺旋叶片之间竖向设置具有间隔的剪切板607；短螺旋钻头6底部的连续螺旋叶片的螺距为260mm，且短螺旋叶片603的底部弧形起始边缘安装有角度为28°的截齿606，顶部弧形终止边缘安装有板齿605；各框架外边缘焊接有第二耐磨板56，短螺旋叶片603的外边缘焊接有第一耐磨板610；各框架的环形限位支撑轴承轴套上设有动密封件及润滑油的注油孔55。

组合式钻具1设置有3个固化剂喷注口，分别为第一喷注口602、第二喷注口52和第三喷注口53。第一喷注口602与中心管9中的第一材料输送通道401相通，并设置于短螺旋钻头6的侧后部，用于粉状固化剂喷注；第二喷注口52与中心轴3的内管8和中心管9之间的第二材料输送通道402相通，并设置于外框架28下端的侧后部，也用于粉状固化剂喷注；第三喷注口53与中心轴3内管8和外管7之间的第三材料输送通道403相通，并设置于竖向外缘板24的内侧，用于固化剂浆液喷注。

组合式钻具1配装于钻机的双向搅拌机构61底端，双向搅拌机构61从上至下依次安装有三通道水龙头62、双动力头13、一体式悬挂装置63、内外主动钻杆10；中心轴3内设有三个材料输送通道4，固化剂可通过外部材料供应管路64、水龙头62、内外主动钻杆10、中心轴3及短螺旋钻头6向第一喷注口602、第二喷注口52与第三喷注口53输送。

本实施例的组合式钻具1的使用工艺与实施例8所述基本相似，故对本实施例的实施工艺步骤不再重复介绍了。

综上所述，本发明的有益效果包括：

1、由于钻具下部装配了短螺旋钻头6，利用短螺旋钻头6强大的螺旋自攻能力可以解决传统的单向搅拌钻具和现有的双向搅拌钻具无法在硬土地层(如全风化、强风化、密实砂土及硬塑黏土地层)中实施大直径、大深度的搅拌桩的施工技术难题。

2、采用控速反向旋转上提搅拌工艺，并通过螺旋叶片反压技术可实现固化土的进一步挤密增强效果，提高固化土的密实性和强度。

3、利用各框架和相邻横向搅拌翼板的双向搅拌与相互剪切功能，可以解决传统搅拌钻具施工时固化土沿钻具与钻杆周侧间隙向上排出的技术难题以及在黏性土层施工中成团抱钻的顽疾。

4、在施工效果上，各类土体与固化剂整体搅拌均匀、拌合充分，可以节约大量的固化剂材料，同时能够确保深层搅拌桩的品质优良、工期缩短、成本下降。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种搅拌桩的短螺旋钻头，其特征在于，包括钻头主杆(601)、第一喷注口(602)、短螺旋叶片(603)和钻尖(604)；所述钻头主杆(601)的内部设置有用于注射材料的注射通道(600)；所述第一喷注口(602)设置在钻头主杆(601)底部，且第一喷注口(602)与注射通道(600)的出料端连通；所述短螺旋叶片(603)设置在钻头主杆(601)的外壁上；短螺旋叶片(603)的上端设置有多个间隔排列的板齿(605)；短螺旋叶片(603)的下端设置有多个间隔排列的截齿(606)；所述钻尖(604)连接在钻头主杆(601)的底部。

2.根据权利要求1所述的搅拌桩的短螺旋钻头，其特征在于，所述短螺旋叶片(603)的旋转扩展角度范围为0°～1800°，形成一圈至五圈的连续螺旋叶片；连续螺旋叶片的直径为等直径式或变直径式，且连续螺旋叶片的螺距为等螺距式或不等螺距式。

3.根据权利要求2所述的搅拌桩的短螺旋钻头，其特征在于，所述短螺旋叶片(603)中的上下相邻的连续螺旋叶片之间设置有多根间隔排列的剪切板(607)。

4.根据权利要求1所述的搅拌桩的短螺旋钻头，其特征在于，所述短螺旋叶片(603)由多个非连续螺旋叶片(608)组成；多个所述非连续螺旋叶片(608)纵向间隔设置在钻头主杆(601)的外壁上；多个所述截齿(606)设置在位于底部的非连续螺旋叶片(608)的底端。

5.根据权利要求1所述的搅拌桩的短螺旋钻头，其特征在于，所述板齿(605)设置在短螺旋叶片(603)顶部的弧形终止边缘，且板齿(605)的角度与短螺旋叶片(603)顶部的弧形终止边缘的角度相近；所述截齿(606)设置在短螺旋叶片(603)底部的弧形起始边缘，且截齿(606)的角度为15°～35°。

6.根据权利要求1所述的搅拌桩的短螺旋钻头，其特征在于，所述短螺旋叶片(603)的外边缘焊接有第一耐磨板(610)；所述钻尖(604)整体呈十字形结构，且十字形结构的钻尖(604)上每个支杆的底部设置有多个钻尖齿(609)。

7.一种带有短螺旋钻头的组合式钻具，其特征在于，从上至下依次包括顶端接头(5)、中心轴(3)、框架结构(2)以及权利要求1-6任一所述搅拌桩的短螺旋钻头；所述顶端接头(5)位于中心轴(3)的顶端；所述中心轴(3)由外向内依次包括外管(7)、内管(8)和中心管(9)，中心管(9)内设置有第一材料输送通道(401)；中心管(9)与内管(8)之间的环状间隙形成第二材料输送通道(402)；内管(8)和外管(7)之间的环状间隙形成第三材料输送通道(403)；所述框架结构(2)连接在中心轴(3)的外周壁上；所述短螺旋钻头的顶端固定密封连接在中心轴(3)的底端。

8.根据权利要求7所述的带有短螺旋钻头的组合式钻具，其特征在于，框架结构(2)为单层框架结构，框架结构(2)的上端与中心轴(3)的外管(7)的外侧壁通过第一固定环套(31)固定连接，框架结构(2)的下端与中心轴(3)的内管(8)的外侧壁通过第一环形限位支撑轴承轴套(32)转动连接，并能实现框架结构(2)随动于中心轴(3)的外管(7)旋转；顶端接头(5)位于中心轴(3)的顶端；顶端接头(5)为母接头结构(12)；顶端接头(5)与上部的内外主动钻杆(10)的底端相连接；所述内外主动钻杆(10)的结构与中心轴(3)的结构相同，内外主动钻杆(10)底端设置有公接头(11)；所述顶端接头(5)与公接头(11)固定密封连接，并通过锁定销轴(35)承载轴力；单层框架结构以平均分隔的方式分成多品的单层框架(23)；单层框架(23)转动连接在中心轴(3)的外周壁上；单层框架(23)的竖向外缘板(24)的内侧壁上设置有多块第一横向搅拌翼板(25-1)，且在中心轴(3)的外周壁上也固定连接有多块第二横向搅拌翼板(25-2)；第一横向搅拌翼板(25-1)和第二横向搅拌翼板(25-2)间隔设置；单层框架(23)顶部的上端面安装有多个间隔排列且垂直向上的上齿板(27)，单层框架(23)底部的下端面安装有多个间隔排列且垂直向下的下齿板(26)。

9.根据权利要求7所述的带有短螺旋钻头的组合式钻具，其特征在于，框架结构(2)为双层框架结构，框架结构(2)包括外框架(28)和内框架(29)；所述外框架(28)上端与中心轴(3)的外管(7)的外侧壁通过第二固定环套(41)固定连接；外框架(28)下端与中心轴(3)的内管(8)的外侧壁通过第二环形限位支撑轴承轴套(42)转动连接，并能实现外框架(28)随动于中心轴(3)的外管(7)旋转；内框架(29)上端与中心轴(3)的外管(7)的外侧壁通过第三环形限位支撑轴承轴套(43)转动连接，内框架(29)下端与中心轴(3)的内管(8)的外侧壁通过第三固定环套(44)固定连接，并能实现内框架(29)随动于中心轴(3)的内管(8)旋转；中心轴(3)的外周壁上也固定连接有多块横向T型搅拌翼板(25-3)；内框架(29)的内侧设置有与多块横向T型搅拌翼板(25-3)间隔设置的第四横向搅拌翼板(25-4)；内框架(29)的外侧设置有多块第五横向搅拌翼板(25-5)；内框架(29)的上下两外侧还设置有竖向搅拌翼板(291)；外框架(28)的内侧设置有与多块第五横向搅拌翼板(25-5)间隔设置的第六横向搅拌翼板(25-6)。

10.根据权利要求9所述的带有短螺旋钻头的组合式钻具，其特征在于，还包括第二喷注口(52)和第三喷注口(53)；所述第二喷注口(52)与内管(8)和中心管(9)之间的环状间隙相通，并设置于外框架(28)下端的侧后部，第三喷注口(53)与内管(8)和外管(9)的环状间隙相通，并设置于外框架(28)的竖向外缘板(24)外壁的内侧；所述框架结构(2)的外边缘焊接有第二耐磨板(56)；框架结构(2)上的环形限位支撑轴承轴套上设置有动密封件及润滑油的注油孔(55)。

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