CN116876486A - 一种自由角度软土地基加固施工设备、施工方法及加固桩 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由角度软土地基加固施工设备、施工方法及加固桩，属于地层工程加固施工技术领域。本发明的自由角度软土地基加固施工设备，包括旋拧机、液压旋转动力头、旋喷分流器和加固桩钻具，通过自由角度旋转装置能够斜向施桩，可在建筑物内部形成加固桩，改善建筑物内部地基强度；通过加固桩钻具的改进，使得钻具下沉和提升时均能够充分搅拌水泥浆液与原地基土，钻具切削土体和破碎土体的效果更好，不易因糊钻而导致进尺困难；并且利用静力压力感应器能够监测内部压力，利用真空吸泥管路可将多余的水泥混合体吸出，解决了造成地面抬升，从而破坏建筑物造成危险的问题；同时能够代替进口水泥搅拌桩机，降低了设备投入成本和施工成本。

Description

一种自由角度软土地基加固施工设备、施工方法及加固桩
技术领域
本发明涉及地层工程加固施工技术，更具体地说，涉及一种自由角度软土地基加固施工设备、施工方法及加固桩。
背景技术
随城市建设的快速发展，在古城区、老城区地下空间开发发展迅速，由于地下空间的开发，涉及到临近老旧建筑物的保护，老旧建筑往往无桩基础，变形敏感，受沉降影响大。往往需要对老旧建筑进行地基加固，以往采用的地基加固技术常用的有压密注浆、深层水泥搅拌桩和高压旋喷桩。
一、压密注浆技术的技术原理及常规施工方法以及存在的问题和缺点。
(1)压密注浆技术原理。压密注浆是利用较高的压力灌入浓度较大的水泥浆或化学浆液，注浆开始时浆液总是先充填较大的空隙，然后在较大的压力下渗入土体孔隙。随着土层孔隙水压力升高挤压土体，直至出现剪切裂缝，产生劈裂，浆液随之充填裂缝，形成浆脉，使得土体内形成新的网状骨架结构。浆脉在形成过程中由于占据了土体中一部分空间，加上土层内孔隙被浆液所渗透，从而将土体挤密，构成了新的浆脉复合地基，改善了土体的强度和防渗性能，同时也改变了土体物理力学性质，提高了软土地基的承载力。
(2)压密注浆常规施工方法。压密注浆一般在古旧建筑物周边或在古旧建筑屋内进行布点施工。施工主要采用人力加振动机械，采用2.2kw震动电机将Φ25mm专用黑铁注浆管压入土中，上留100mm，接入第二根钻杆，依次压入地层中至设计深度，然后采用SYB50型挤压式压浆泵进行注浆，按设计注浆压力和注浆量自下而上压浆提升，注浆压力控制在0.2-0.4MPa以内，浆液流速为0-45l/min。注浆管拔管高度为0.33m。
(3)压密注浆存在的问题和缺点
压密注浆主要依靠水泥浆压力挤压土体，让土体产生裂缝，浆液充填裂隙，形成浆脉状复合地基，这种地基受土层影响极大，遇到松散的杂填土、砂土，浆液极容易流失，无法形成脉状复合地基。
压密注浆主要布点主要沿建筑物周边布设，压密注浆受压力限制，影响范围有限。在古旧建筑物内部无法形成有效的脉状复合地基。古旧建筑在受到基坑变形以及降水影响，因其内部地基没有改善，容易产生扰动变形以及沉降变形导致古旧建筑物发生变形破坏。
二、深层搅拌桩的技术的技术原理、常规施工方法以及存在的问题和缺点。
(1)深层搅拌桩的技术原理：深层水泥搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械在地基将软土或沙等和固化剂强制拌和，使软基硬结而提高地基强度。
(2)深层搅拌桩的技术的常规施工方法：
采用的设备搅拌桩机：PH-5系列深层搅拌桩机及相应的辅助设备(灰浆泵、灰浆搅拌机等)。
首先制备水泥浆：按设计确定的配合比拌制水泥浆，待压浆前将水泥浆倒入集料斗。
第二步，预搅下沉：待搅拌机的冷却水循环正常后，启动搅拌机电机，放松起重机钢丝绳，使搅拌机沿导架搅拌切土下沉，下沉的速度可由电机的电流监测表控制，工作电流不应大于40A。搅拌机下沉时开启灰浆泵将水泥浆压入地基中，边喷边旋转。
第三步，提升喷浆搅拌，搅拌机下沉到达设计深度后，开启灰浆泵将水泥浆压入地基中，边喷边旋转，同时严格按照设计确定的提升速度提升搅拌机。
第四步，重复上、下搅拌，搅拌机提升至设计加固深度的顶面标高时，集料斗中的水泥浆应正好排空，为使软土和水泥浆搅拌均匀，再次将搅拌机边旋转边沉入土中，至设计加固深度后再将搅拌机提升出地面，搅拌过程同时喷水泥浆，形成深层水泥搅拌桩。
(3)深层搅拌桩存在的问题和缺点：
深层水泥搅拌桩处理古旧建筑物的地基加固，布设桩位只能在建筑物四周，地基加固只能围绕建筑物周边进行竖向加固，建筑物内部地基无法加固。
常规水泥搅拌桩喷浆口位于钻头底部下方，当向上提升喷浆搅拌的时候，水泥浆液喷出堆积于下方，无法通过叶片进行搅拌，无法达到加固土体的作用，同时严重浪费材料。
常规水泥搅拌桩的搅拌叶片，为带一定切削角度的搅拌叶片，比较简单，在搅拌土体容易产生糊钻，进尺困难等问题。
目前国内常规的水泥土搅拌桩无法进行斜向施工。只能竖向施工。日本进口ims水泥搅拌桩可以进行斜向水泥土搅拌施工，但造价昂贵，也存在上述缺点和困难。
三、常规高压旋喷桩的技术的技术原理、常规施工方法以及存在的问题和缺点。
(1)高压旋喷桩的技术原理：
高压喷射流切割破坏土体作用：喷射流动压以脉冲形式冲击破坏土体，使土体出现空穴，土体裂隙扩张。混合搅拌作用：钻杆在旋转提升过程中，在射流后部形成空隙，在喷射压力下，迫使土粒向着与喷咀移动方向相反的方向(即阻力小的方向)移动位置，与浆液搅拌混合形成新的结构。升扬置换作用(三重管法)：高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩气体而把一部分切下的土粒排出地上，土粒排出后所留空隙由水泥浆液补充。充填、渗透固结作用：高压水泥浆迅速充填冲开的沟槽和土粒的空隙，析水固结，还可渗入砂层一定厚度而形成固结体。压密作用：高压喷射流在切割破碎土层过程中，在破碎部位边缘还有剩余压力，并对土层可产生一定压密作用，使旋喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。
(2)高压旋喷桩的施工方法：
钻机定位、制备水泥浆、钻孔(三重管法)。当采用地质钻机钻孔时，钻头在预定桩位钻孔至设计标高(预钻孔孔径为15cm)。插管(单重管法、二重管法)：当采用旋喷注浆管进行钻孔作业时，钻孔和插管二道工序可合而为一。当第一阶段贯入土中时，可借助喷射管本身的喷射或振动贯入。其过程为：启动钻机，同时开启高压泥浆泵低压输送水泥浆液，使钻杆沿导向架振动、射流成孔下沉；直到桩底设计标高，观察工作电流不应大于额定值。三重管法钻机钻孔后，拔出钻杆，再插入旋喷管。在插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，可用较小压力(0.5～1.0MPa)边下管边射水。提升喷浆管、搅拌：喷浆管下沉到达设计深度后，停止钻进，旋转不停，高压泥浆泵压力增到施工设计值(20～40MPa)，坐底喷浆30s后，边喷浆，边旋转，同时严格按照设计和试桩确定的提升速度提升钻杆。若为二重管法或三重管法施工，在达到设计深度后，接通高压水管、空压管，开动高压清水泵、泥浆泵、空压机和钻机进行旋转，并用仪表控制压力、流量和风量，分别达到预定数值时开始提升，继续旋喷和提升，直至达到预期的加固高度后停止，形成高压旋喷桩。
(3)高压旋喷桩存在的问题和缺点：
常规的高压旋喷桩单管、双管、三管都存在高压泥浆泵产生的高压喷射流作用于土体上，使得土体土压力增加，容易造成地面抬升，从而破坏建筑物，造成危险。
高压旋喷桩的桩径大小受限于高压喷射流的大小，高压喷射流越大，桩径越大，但由于受限于高压泥浆泵的压力是有限的，因此桩径大小受到一定限制。
高压旋喷桩是通过高压射流作用于土体上，由于土体的不均匀性，导致桩径大小在不同的土层中产生很大变化，离散型大。
高压旋喷桩目前虽然可以斜向施工，但由于在施工中，需要拆卸钻杆，每节钻杆长度较短，因此增加人工和时间。尤其在工程抢险中，在用到速凝剂以及双组分凝固剂(如水玻璃和水泥浆)，由于水玻璃和水泥浆在拆卸钻杆时候，容易混合，导致快速凝固，从而堵塞管道，造成钻杆报废，无法继续施工。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种自由角度软土地基加固施工设备、施工方法及加固桩，采用本发明的技术方案，通过自由角度旋转装置能够斜向施桩，可在建筑物内部形成加固桩，改善建筑物内部地基强度，可以根据地质条件和施工设计要求形成水泥搅拌桩、高压旋喷桩或高压旋喷加搅拌水泥复合高承载复合桩；通过加固桩钻具的改进，使得钻具下沉和提升时均能够充分搅拌水泥浆液与原地基土，钻具切削土体和破碎土体的效果更好，不易因糊钻而导致进尺困难；并且利用静力压力感应器能够监测内部压力，利用真空吸泥管路可将多余的水泥混合体吸出，解决了造成地面抬升，从而破坏建筑物造成危险的问题；同时能够代替进口水泥搅拌桩机，降低了设备投入成本和施工成本。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种自由角度软土地基加固施工设备，包括旋拧机、液压旋转动力头、旋喷分流器和加固桩钻具，所述旋拧机具有吊臂和安装在吊臂末端的自由角度旋转装置，所述自由角度旋转装置与液压旋转动力头相连接，所述液压旋转动力头通过旋喷分流器与加固桩钻具相连接，所述旋喷分流器与加固桩钻具之间选择性地设有若干加长钻杆；其中：
所述加固桩钻具的底部具有螺旋搅拌合金钻头，所述加固桩钻具的外侧壁上沿轴向间隔分布有若干搅拌叶片，位于加固桩钻具底部或螺旋搅拌合金钻头上的搅拌叶片上设有朝向外侧的高压水泥浆喷嘴和高压水喷嘴，所述高压水泥浆喷嘴通过高压水泥浆管路连接至旋喷分流器上的高压水泥浆接口，所述高压水喷嘴通过高压水管路连接至旋喷分流器上的高压水接口；所述加固桩钻具上位于搅拌叶片的下方分别设有下部低压水泥浆喷嘴和下部压缩空气喷嘴，所述加固桩钻具上位于搅拌叶片的上方分别设有上部低压水泥浆喷嘴和上部压缩空气喷嘴，所述下部低压水泥浆喷嘴和上部低压水泥浆喷嘴通过低压水泥浆管路连接至旋喷分流器上的低压水泥浆接口；所述下部压缩空气喷嘴和上部压缩空气喷嘴通过压缩空气管路连接至旋喷分流器上的压缩空气接口；所述螺旋搅拌合金钻头上还设有电磁阀和静力压力感应器，所述电磁阀通过真空吸泥管路连接至旋喷分流器上的吸泥接口，所述静力压力感应器通过信号线连接后台控制系统。
更进一步地，所述液压旋转动力头的上端设有用于连接自由角度旋转装置的插销座；所述旋喷分流器包括内轴管和外套管，所述外套管旋转密封地套设在内轴管上，并在内轴管和外套管之间形成多重独立的流体腔道；所述液压旋转动力头的下端轴向插入内轴管的上端，并通过第一连接销固定连接，所述内轴管的下端套设有第一法兰座，所述第一法兰座与内轴管的下端通过第二连接销固定连接，所述第一法兰座的下端还安装有第二法兰座。
更进一步地，所述旋喷分流器与相邻的加长钻杆或加固桩钻具之间还设有液压伸缩钻杆。
更进一步地，所述加固桩钻具的外侧还固定设有导向环，所述导向环与加固桩钻具同轴设置，且导向环的外径与搅拌叶片绕钻具轴旋转所形成的圆的直径大小相当。
更进一步地，所述导向环的外侧壁上还设有与搅拌叶片的螺旋方向一致的螺旋凸筋。
更进一步地，所述螺旋搅拌合金钻头的底部具有先导工作部，所述螺旋搅拌合金钻头外周的搅拌叶片上设有扩孔工作部。
本发明的一种自由角度软土地基加固施工方法，包括如下步骤：
S1、施工设备组装及准备：
S1-1、按上述的自由角度软土地基加固施工设备进行设备组装，形成一套完整的高压旋喷加搅拌水泥复合高承载加固桩的主体施工设备；
S1-2、安装空气压缩机、高压流体泵、超高压流体泵、超高压水泵、水泥搅拌后台和计算机控制后台，并与上述的主体施工设备进行管线连接；之后移动上述的主体施工设备到达桩位位置；
S1-3、现场通过水泥搅拌后台进行水泥浆配置，进行水泥浆液的搅拌及运输；
S1-4、通过液压马达启动自由角度旋转装置调整好加固桩钻具的角度；
S1-5、首先开启空气压缩机进行空气压力试喷射，查看空气管路是否通畅；然后开启高压流体泵以及超高压水泵，检查水泥浆管路以及水管路是否通畅，压力是否达到设计要求；之后切换高压流体泵到超高压流体泵以及超高压水泵，重新检查水泥浆管路以及水管路是否通畅，压力是否达到超高压设计要求；
S2、钻具钻进和提升：
S2-1、确认各管路都通畅，且压力都达到设计要求后，开始启动液压旋转动力头进行回转钻进；
S2-2、根据设计要求深度，在加固桩钻具钻进和提升全过程中，保持钻具匀速转动，匀速下沉和提升；并在钻具下沉和提升时通过高压流体泵均匀、连续地注入拌制好的水泥浆液，注浆压力控制在0.8MPa～1.0MPa，使水泥浆液与原地基土充分拌和；在制作高压旋喷桩时，一边旋转钻进，一边利用超高压水泵喷射高压水，进行土体切割破碎，同时启动超高压流体泵进行超高压喷浆，与破碎土体进行混合搅拌；
S2-3、在制作带有扩大头的复合桩时，还具有如下分步骤：
S2-3a、加固桩钻具到达设计扩大头位置后，降低钻进速度和转速，同时提高超高压水泵的压力达到40Mpa～90Mpa，利用高压高速水切割超过搅拌叶片外部土体，并进行破碎和搅拌；同时也提高超高压流体泵的压力达到40Mpa～90Mpa，利用高压水泥浆二次切割超过搅拌叶片外部土体，并进行破碎和搅拌；
S2-3b、到达设计桩长底部后，进行提升旋喷搅拌，提升速度适当加快，在扩大体幅度内，重复提高超高压水泵的压力，让压力达到40Mpa～70Mpa，利用高压高速水切割超过搅拌叶片外部土体，并进行破碎和搅拌；同时也提高超高压流体泵的压力，让压力达到40Mpa～70Mpa，利用高压水泥浆二次切割超过搅拌叶片外部土体，再次进行破碎和搅拌，使水泥混合体直径达到1.5m～3m；
S2-3c、继续提升加固桩钻具，当提升高度超过扩大体幅度范围内，适当降低超高压水泵的压力和超高压流体泵的压力，配合搅拌叶片对搅拌叶片内的土体进行切割破碎搅拌，同时提高钻具的旋转速度以及提升速度；
S2-4、到达设计桩顶标高后，提升钻具，同时采用清水清洗加固桩钻具内水泥浆液。
更进一步地，在步骤S2中，开启静力压力感应器，通过静力压力感应器感应土层土体强度变化，并通过信号线传输给后台控制系统，由后台控制系统调整高压喷射流压力以及高压喷射流的混合比例；在静力压力感应器监测到螺旋搅拌合金钻头处的水泥混合体压力超出设定阈值后，由后台控制系统控制电磁阀打开，通过真空吸泥管路将多余的水泥混合体吸出。
更进一步地，在步骤S2中，加固桩钻具下沉、提升速度与流体泵的泵量相适应，控制下沉喷浆量为水泥用量的60％，提升喷浆量为水泥用量的40％。
本发明的一种自由角度软土地基加固桩，采用上述的自由角度软土地基加固施工方法成桩，所形成的加固桩为水泥搅拌桩或高压旋喷桩或带有扩大体的复合桩。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的自由角度软土地基加固施工设备、施工方法及加固桩，通过自由角度旋转装置能够斜向施桩，可在建筑物内部形成加固桩，改善建筑物内部地基强度，可以根据地质条件和施工设计要求形成水泥搅拌桩、高压旋喷桩或高压旋喷加搅拌水泥复合高承载复合桩；通过加固桩钻具的改进，使得钻具下沉和提升时均能够充分搅拌水泥浆液与原地基土，钻具切削土体和破碎土体的效果更好，不易因糊钻而导致进尺困难；并且利用静力压力感应器能够监测内部压力，利用真空吸泥管路可将多余的水泥混合体吸出，解决了造成地面抬升，从而破坏建筑物造成危险的问题；同时能够代替进口水泥搅拌桩机，降低了设备投入成本和施工成本；具体来说：
A、针对压密注浆存在的问题和缺点，本发明采用叶片搅拌土体以及高压喷射流切割土体，形成均匀的水泥土混合块体，解决了压密注浆受地层土层性质影响大，浆液容易流失无法形成脉状复合地基的缺点，通过自由角度旋转装置，让钻具产生0～360°旋转，从而可以在建筑物内部形成水泥土搅拌桩或高压旋喷桩，从而改善建筑物内部地基，减少古旧建筑物的破坏；
B、针对深层搅拌桩存在的问题和缺点，本发明采用自由角度旋转装置，让钻具产生0-360°旋转，从而可以在建筑物内部形成斜向和水平向水泥土搅拌桩从而解决建筑物内部地基土加固的问题；增加在搅拌叶片上方水泥浆的喷嘴解决了常规水泥搅拌桩喷浆口位于钻头底部下方，当向上提升喷浆搅拌的时候，水泥浆液喷出堆积于下方，无法通过叶片进行搅拌，无法达到加固土体的作用，同时严重浪费材料的缺点；通过对搅拌桩钻头的重新设计，钻头切削土体和破碎土体均有很好效果，从而解决了普通搅拌钻机搅拌土体容易产生糊钻，进尺困难等问题，代替了进口的ims水泥搅拌桩机，解决了成本昂贵的问题；
C、针对高压旋喷桩的缺点和存在问题，通过在管内增加真空吸泥管路，减少土体土，解决造成地面抬升，从而破坏建筑物，造成危险的问题；通过在钻头上增加土体静力压力感应器感应土层土体强度的变化，及时反馈给后台自动化调整装置，及时调整高压喷射流压力，以及高压喷射流的不同介质的混合比例，减少桩体的不均匀性，及桩体直径离散型大的缺点；
(2)本发明的自由角度软土地基加固施工设备，其液压旋转动力头与自由角度旋转装置、相邻钻杆之间采用法兰结构连接，并利用插销固定，连接操作方便，易于快速拆卸；并且在旋喷分流器与相邻的加长钻杆或加固桩钻具之间还设有液压伸缩钻杆，解决了拆卸钻杆时间较长的问题，能够降低钻杆报废风险；
(3)本发明的自由角度软土地基加固施工设备，其加固桩钻具的外侧还固定设有导向环，导向环与加固桩钻具同轴设置，且导向环的外径与搅拌叶片绕钻具轴旋转所形成的圆的直径大小相当，利用导向环能够防止斜向钻进过程中钻具下沉而偏斜，保证了钻具钻进的精度；另外，在导向环的外侧壁上还设有与搅拌叶片的螺旋方向一致的螺旋凸筋，钻进或提钻导向稳定性更好；
(4)本发明的自由角度软土地基加固施工设备，其螺旋搅拌合金钻头的底部具有先导工作部，螺旋搅拌合金钻头外周的搅拌叶片上设有扩孔工作部，提高了土体切削和破碎效果，钻头钻进高效稳定；
(5)本发明的自由角度软土地基加固施工方法，所形成的加固桩为水泥搅拌桩或高压旋喷桩或带有扩大体的复合桩，能够根据地质条件和施工设计要求灵活选择桩型，大大提高了加固桩的承载力以及施工灵活性。
附图说明
图1为本发明的自由角度软土地基加固施工设备和施工方法在保护建筑中的施工示意图；
图2为本发明中的加固桩钻具的结构原理图；
图3为本发明中的加固桩钻具所形成的复合桩的结构示意图；
图4为本发明中的加固桩钻具与旋喷分流器、液压旋转动力头的连接结构示意图；
图5为图4中螺旋搅拌合金钻头的局部放大结构示意图；
图6为图4中旋喷分流器和液压旋转动力头之间的连接结构示意图。
示意图中的标号说明：
1、旋拧机；1-1、吊臂；1-2、自由角度旋转装置；2、液压旋转动力头；2-1、插销座；2-2、第一连接销；3、旋喷分流器；3-1、内轴管；3-2、外套管；3-3、第一法兰座；3-4、第二连接销；3-5、第二法兰座；4、液压伸缩钻杆；5、加长钻杆；6、加固桩钻具；6-1、螺旋搅拌合金钻头；6-1-1、先导工作部；6-1-2、扩孔工作部；6-2、搅拌叶片；6-3、高压水泥浆喷嘴；6-4、高压水泥浆管路；6-5、下部低压水泥浆喷嘴；6-6、上部低压水泥浆喷嘴；6-7、低压水泥浆管路；6-8、下部压缩空气喷嘴；6-9、上部压缩空气喷嘴；6-10、压缩空气管路；6-11、电磁阀；6-12、真空吸泥管路；6-13、静力压力感应器；6-14、信号线；6-15、高压水喷嘴；6-16、高压水管路；6-17、导向环；6-17a、螺旋凸筋；7、加固桩；7-1、水泥搅拌桩；7-2、高压旋喷扩大体。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[实施例]
结合图1至图6所示，本实施例的一种自由角度软土地基加固施工设备，包括旋拧机1、液压旋转动力头2、旋喷分流器3和加固桩钻具6，旋拧机1可由现有的挖掘机改进而成，旋拧机1具有吊臂1-1和安装在吊臂1-1末端的自由角度旋转装置1-2，吊臂1-1配合自由角度旋转装置1-2能够在0～360°内自由改变角度，以便于在软土地基上自由改变施桩角度，进而能够在所要保护的建筑物内部形成加固桩体。自由角度旋转装置1-2与液压旋转动力头2相连接，液压旋转动力头2能够带动钻具正转和反转，以实现钻具的旋转钻进或提钻。液压旋转动力头2通过旋喷分流器3与加固桩钻具6相连接，实现加固桩施工。根据设计桩深需要，旋喷分流器3与加固桩钻具6之间选择性地设有若干加长钻杆5。上述的旋喷分流器3为多重旋喷分流器，加长钻杆5和加固桩钻具6均采用多重钻杆，能够向桩底输入不同高低压喷射流。具体地，参照图2至图5所示，加固桩钻具6的底部具有螺旋搅拌合金钻头6-1，用于切削和破碎土体，加固桩钻具6的外侧壁上沿轴向间隔分布有若干搅拌叶片6-2，搅拌叶片6-2呈螺旋状分布，用于搅拌混合土体和水泥浆液；位于加固桩钻具6底部或螺旋搅拌合金钻头6-1上的搅拌叶片6-2上设有朝向外侧的高压水泥浆喷嘴6-3和高压水喷嘴6-15，高压水泥浆喷嘴6-3通过高压水泥浆管路6-4连接至旋喷分流器3上的高压水泥浆接口，高压水喷嘴6-15通过高压水管路6-16连接至旋喷分流器3上的高压水接口，高压水泥浆接口用于连接超高压流体泵，通过高压水泥浆喷嘴6-3形成超高压喷浆进行破碎和搅拌土体，高压水接口用于连接超高压水泵，通过高压水喷嘴6-15喷射高压水，进行土体切割破碎；加固桩钻具6上位于搅拌叶片6-2的下方分别设有下部低压水泥浆喷嘴6-5和下部压缩空气喷嘴6-8，加固桩钻具6上位于搅拌叶片6-2的上方分别设有上部低压水泥浆喷嘴6-6和上部压缩空气喷嘴6-9，下部低压水泥浆喷嘴6-5和上部低压水泥浆喷嘴6-6通过低压水泥浆管路6-7连接至旋喷分流器3上的低压水泥浆接口，低压水泥浆接口用于连接高压流体泵，通过上下低压水泥浆喷嘴喷射水泥浆液；下部压缩空气喷嘴6-8和上部压缩空气喷嘴6-9通过压缩空气管路6-10连接至旋喷分流器3上的压缩空气接口，压缩空气接口用于连接空气压缩机，通过上下压缩空气喷嘴喷射压缩空气。在加固桩钻具6下沉或提升过程中，一边喷射水泥浆液，一边旋转搅拌，使得水泥浆液与原地基土充分拌和，可形成水泥搅拌桩。并且，增加在搅拌叶片6-2上方水泥浆的喷嘴解决了常规水泥搅拌桩喷浆口位于钻头底部下方，当向上提升喷浆搅拌的时候，水泥浆液喷出堆积于下方，无法通过叶片进行搅拌，无法达到加固土体的作用，同时严重浪费材料的缺点。此外，在加固桩钻具6下沉或提升过程中，利用高压水泥浆喷嘴6-3和高压水喷嘴6-15可以形成超高压喷射流来切削和破碎土体，进而能够形成高压旋喷桩。螺旋搅拌合金钻头6-1上还设有电磁阀6-11和静力压力感应器6-13，电磁阀6-11通过真空吸泥管路6-12连接至旋喷分流器3上的吸泥接口，吸泥接口用于连接真空吸泥装置，静力压力感应器6-13通过信号线6-14连接后台控制系统，静力压力感应器6-13能够监测螺旋搅拌合金钻头6-1处的浆液压力和土层土体强度的变化，在静力压力感应器6-13监测到螺旋搅拌合金钻头6-1处的水泥混合体压力超出设定阈值后，由后台控制系统控制电磁阀6-11打开，通过真空吸泥管路将多余的水泥混合体吸出，避免造成地面抬升而破坏建筑物。上述电磁阀6-11和静力压力感应器6-13均可采用现有产品，将电磁阀6-11和静力压力感应器6-13集成在螺旋搅拌合金钻头6-1上。
采用上述的自由角度软土地基加固施工设备，通过自由角度旋转装置能够斜向施桩，可在建筑物内部形成加固桩，改善建筑物内部地基强度，可以根据地质条件和施工设计要求形成水泥搅拌桩、高压旋喷桩或高压旋喷加搅拌水泥复合高承载复合桩；通过加固桩钻具的改进，使得钻具下沉和提升时均能够充分搅拌水泥浆液与原地基土，钻具切削土体和破碎土体的效果更好，不易因糊钻而导致进尺困难；并且利用静力压力感应器能够监测内部压力，利用真空吸泥管路可将多余的水泥混合体吸出，解决了造成地面抬升，从而破坏建筑物造成危险的问题；同时能够代替进口水泥搅拌桩机，降低了设备投入成本和施工成本。
参照图4和图6所示，在液压旋转动力头2的上端设有用于连接自由角度旋转装置1-2的插销座2-1，液压旋转动力头2与自由角度旋转装置1-2之间可以通过连接销固定。旋喷分流器3包括内轴管3-1和外套管3-2，外套管3-2旋转密封地套设在内轴管3-1上，并在内轴管3-1和外套管3-2之间形成多重独立的流体腔道，各个流体腔道之间通过密封圈密封隔开，多重流体腔道包括压缩空气腔道、高压水腔道、高低压泥浆腔道等；液压旋转动力头2的下端轴向插入内轴管3-1的上端，并通过第一连接销2-2固定连接，内轴管3-1的下端套设有第一法兰座3-3，第一法兰座3-3与内轴管3-1的下端通过第二连接销3-4固定连接，第一法兰座3-3的下端还安装有第二法兰座3-5，第二法兰座3-5用于与相邻钻杆或加固桩钻具6进行法兰连接。采用上述连接结构，连接操作方便，易于快速拆卸。另外，作为一种可选择的方案，旋喷分流器3与相邻的加长钻杆5或加固桩钻具6之间还设有液压伸缩钻杆4，解决了拆卸钻杆时间较长的问题，能够降低钻杆报废风险。上述的液压伸缩钻杆4为现有技术，对其工作原理在此不再详述。
如图4所示，在本实施例中，加固桩钻具6的外侧还固定设有导向环6-17，导向环6-17与加固桩钻具6同轴设置，且导向环6-17的外径与搅拌叶片6-2绕钻具轴旋转所形成的圆的直径大小相当。导向环6-17为圆环状结构，其通过连接杆与加固桩钻具6的外侧壁连接在一起。利用导向环6-17能够防止斜向钻进过程中钻具下沉而偏斜，保证了钻具钻进的精度；另外，在导向环6-17的外侧壁上还设有与搅拌叶片6-2的螺旋方向一致的螺旋凸筋6-17a，钻进或提钻导向稳定性更好。
进一步参照图5所示，上述的螺旋搅拌合金钻头6-1的底部具有先导工作部6-1-1，螺旋搅拌合金钻头6-1外周的搅拌叶片6-2上设有扩孔工作部6-1-2。先导工作部6-1-1的钻进直径小于扩孔工作部6-1-2的外径，通过对加固桩钻具6的合金钻头重新设计，提高了土体切削和破碎效果，钻头钻进高效稳定。高压水泥浆喷嘴6-3和高压水喷嘴6-15可以设置在螺旋搅拌合金钻头6-1外周的搅拌叶片6-2上，下部低压水泥浆喷嘴6-5和下部压缩空气喷嘴6-8可以设置在螺旋搅拌合金钻头6-1上或靠近先导工作部6-1-1的位置处。
参照图1至图3所示，本实施例还公开了一种自由角度软土地基加固施工方法，包括如下步骤：
S1、施工设备组装及准备：
S1-1、按上述的自由角度软土地基加固施工设备进行设备组装，形成一套完整的高压旋喷加搅拌水泥复合高承载加固桩的主体施工设备；具体可以采用步履式主机设备的副臂安装自由角度旋转装置1-2，然后依次安装液压旋转动力头2、旋喷分流器3，以及高扭矩双向多重钻杆接头、高压多重钻杆和螺旋搅拌合金钻头6-1；
S1-2、后台设备安装：安装空气压缩机、高压流体泵、超高压流体泵、超高压水泵、水泥搅拌后台和计算机控制后台，并与上述的主体施工设备进行管线连接；步履式主机设备安装好后，移动上述的主体施工设备到达桩位位置；在桩机就位过程中，可以采用挖掘机，在沟槽上方铺设好路基箱或钢板，由当班班长统一指挥桩机就位，移动前看清上、下、左、右各方面的情况，发现软土或淤泥及障碍物应及时清除，桩机移动结束后认真检查定位情况并及时纠正，做到稳定、平正，保证桩机的安全及后续施工；
S1-3、现场通过水泥搅拌后台进行水泥浆配置，进行水泥浆液的搅拌及运输；水泥搅拌后台主要由50吨水泥罐、自动输送螺旋进料管、上层搅拌桶、下层储浆桶、高压流体泵、超高压流体泵以及电脑控制后台组成；
S1-4、通过液压马达启动自由角度旋转装置1-2调整好加固桩钻具6的角度；
S1-5、首先开启空气压缩机进行空气压力试喷射，查看空气管路是否通畅；然后开启高压流体泵以及超高压水泵，检查水泥浆管路以及水管路是否通畅，压力是否达到设计要求；之后切换高压流体泵到超高压流体泵以及超高压水泵，重新检查水泥浆管路以及水管路是否通畅，压力是否达到超高压设计要求；
S2、钻具钻进和提升：
S2-1、确认各管路都通畅，且压力都达到设计要求后，开始启动液压旋转动力头2进行回转钻进；
S2-2、根据设计要求深度，在加固桩钻具6钻进和提升全过程中，保持钻具匀速转动，匀速下沉和提升；并在钻具下沉和提升时通过高压流体泵均匀、连续地注入拌制好的水泥浆液，注浆压力控制在0.8MPa～1.0MPa，使水泥浆液与原地基土充分拌和；在制作高压旋喷桩时，一边旋转钻进，一边利用超高压水泵喷射高压水，进行土体切割破碎，同时启动超高压流体泵进行超高压喷浆，与破碎土体进行混合搅拌；水泥浆采用BZ-20环保型水泥自动搅拌注浆站搅拌，并通过高压流体泵和水泥管输送至钻杆头部；具体地，在钻杆下沉与提升过程中，按照施工工艺及设计要求，钻杆在下沉和提升时均需注入水泥浆液，按照试桩确定的参数，施工过程中必须均匀、连续的注入拌制好的水泥浆液，钻杆提升完毕时，设计水泥浆液全部注完，搅拌桩施工结束；在注浆搅拌过程中，开动高压流体泵，注浆压力控制在0.8MPa～1.0MPa，待水泥浆到达搅拌头(螺旋搅拌合金钻头6-1)后，持续搅拌注浆大于30秒，按计算要求的速度提升搅拌头，边注浆、边搅拌、边提升，使水泥浆和原地基土充分拌和，在搅拌桩桩底部分需重复搅拌注浆后提升，直到提升至离地面50cm处或设计标高后再关闭注浆泵；在本步骤中，加固桩钻具6下沉、提升速度与流体泵的泵量相适应，控制下沉喷浆量为水泥用量的60％，提升喷浆量为水泥用量的40％。在此过程中还要控制好钻进速度和回转次数，以保证成桩的质量；
S2-3、在制作带有扩大头的复合桩时，还具有如下分步骤：
S2-3a、加固桩钻具6到达设计扩大头位置后，降低钻进速度和转速，同时提高超高压水泵的压力达到40Mpa～90Mpa，利用高压高速水切割超过搅拌叶片6-2外部土体，并进行破碎和搅拌；同时也提高超高压流体泵的压力达到40Mpa～90Mpa，利用高压水泥浆二次切割超过搅拌叶片6-2外部土体，并进行破碎和搅拌；
S2-3b、到达设计桩长底部后，进行提升旋喷搅拌，提升速度适当加快，在扩大体幅度内，重复提高超高压水泵的压力，让压力达到40Mpa～70Mpa，利用高压高速水切割超过搅拌叶片6-2外部土体，并进行破碎和搅拌；同时也提高超高压流体泵的压力，让压力达到40Mpa～70Mpa，利用高压水泥浆二次切割超过搅拌叶片外部土体，再次进行破碎和搅拌，使水泥混合体直径达到1.5m～3m；
S2-3b、继续提升加固桩钻具6，当提升高度超过扩大体幅度范围内，适当降低超高压水泵的压力和超高压流体泵的压力，配合搅拌叶片6-2对搅拌叶片6-2内的土体进行切割破碎搅拌，同时提高钻具的旋转速度以及提升速度；
S2-4、到达设计桩顶标高后，提升钻具，同时采用清水清洗加固桩钻具6内水泥浆液。
另外，在步骤S2中，开启静力压力感应器6-13，通过静力压力感应器6-13感应土层土体强度变化，并通过信号线6-14传输给后台控制系统，由后台控制系统调整高压喷射流压力以及高压喷射流的混合比例；在静力压力感应器6-13监测到螺旋搅拌合金钻头6-1处的水泥混合体压力超出设定阈值后，由后台控制系统控制电磁阀6-11打开，通过真空吸泥管路将多余的水泥混合体吸出，解决了造成地面抬升，从而破坏建筑物造成危险的问题。
参照图3所示，本实施例还涉及一种自由角度软土地基加固桩，该加固桩7采用上述的自由角度软土地基加固施工方法成桩，所形成的加固桩7为水泥搅拌桩或高压旋喷桩或带有扩大体的复合桩，具体地，既可以是水泥搅拌桩、高压旋喷桩，也可以是如图3所示的由水泥搅拌桩7-1和位于水泥搅拌桩7-1底部的高压旋喷扩大体7-2组成的复合桩，具体可以根据地质条件和施工设计要求灵活选择桩型，大大提高了加固桩的承载力以及施工灵活性。
本发明的自由角度软土地基加固施工设备、施工方法及加固桩，具有以下有益效果：
A、针对压密注浆存在的问题和缺点，本发明采用叶片搅拌土体以及高压喷射流切割土体，形成均匀的水泥土混合块体，解决了压密注浆受地层土层性质影响大，浆液容易流失无法形成脉状复合地基的缺点，通过自由角度旋转装置，让钻具产生0～360°旋转，从而可以在建筑物内部形成水泥土搅拌桩或高压旋喷桩，从而改善建筑物内部地基，减少古旧建筑物的破坏；
B、针对深层搅拌桩存在的问题和缺点，本发明采用自由角度旋转装置，让钻具产生0-360°旋转，从而可以在建筑物内部形成斜向和水平向水泥土搅拌桩从而解决建筑物内部地基土加固的问题；增加在搅拌叶片上方水泥浆的喷嘴解决了常规水泥搅拌桩喷浆口位于钻头底部下方，当向上提升喷浆搅拌的时候，水泥浆液喷出堆积于下方，无法通过叶片进行搅拌，无法达到加固土体的作用，同时严重浪费材料的缺点；通过对搅拌桩钻头的重新设计，钻头切削土体和破碎土体均有很好效果，从而解决了普通搅拌钻机搅拌土体容易产生糊钻，进尺困难等问题，代替了进口的ims水泥搅拌桩机，解决了成本昂贵的问题；
C、针对高压旋喷桩的缺点和存在问题，通过在管内增加真空吸泥管路，减少土体土，解决造成地面抬升，从而破坏建筑物，造成危险的问题；通过在钻头上增加土体静力压力感应器感应土层土体强度的变化，及时反馈给后台自动化调整装置，及时调整高压喷射流压力，以及高压喷射流的不同介质的混合比例，减少桩体的不均匀性，及桩体直径离散型大的缺点。
此外，通过在钻头上增加土体静力压力感应器感应土层土体强度的变化，及时反馈给后台自动化调整装置，及时调整高压喷射流压力，以及高压喷射流的不同介质的混合比例，减少桩体的不均匀性，及桩体直径离散型大的缺点；通过采用伸缩钻杆装置解决了拆卸钻杆的问题，大大减少了人工成本以及在双组分凝固剂(如水玻璃和水泥浆)介质情况下高压旋喷桩无法施工的问题。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自由角度软土地基加固施工设备，包括旋拧机(1)、液压旋转动力头(2)、旋喷分流器(3)和加固桩钻具(6)，所述旋拧机(1)具有吊臂(1-1)和安装在吊臂(1-1)末端的自由角度旋转装置(1-2)，所述自由角度旋转装置(1-2)与液压旋转动力头(2)相连接，所述液压旋转动力头(2)通过旋喷分流器(3)与加固桩钻具(6)相连接，所述旋喷分流器(3)与加固桩钻具(6)之间选择性地设有若干加长钻杆(5)；其特征在于：
所述加固桩钻具(6)的底部具有螺旋搅拌合金钻头(6-1)，所述加固桩钻具(6)的外侧壁上沿轴向间隔分布有若干搅拌叶片(6-2)，位于加固桩钻具(6)底部或螺旋搅拌合金钻头(6-1)上的搅拌叶片(6-2)上设有朝向外侧的高压水泥浆喷嘴(6-3)和高压水喷嘴(6-15)，所述高压水泥浆喷嘴(6-3)通过高压水泥浆管路(6-4)连接至旋喷分流器(3)上的高压水泥浆接口，所述高压水喷嘴(6-15)通过高压水管路(6-16)连接至旋喷分流器(3)上的高压水接口；所述加固桩钻具(6)上位于搅拌叶片(6-2)的下方分别设有下部低压水泥浆喷嘴(6-5)和下部压缩空气喷嘴(6-8)，所述加固桩钻具(6)上位于搅拌叶片(6-2)的上方分别设有上部低压水泥浆喷嘴(6-6)和上部压缩空气喷嘴(6-9)，所述下部低压水泥浆喷嘴(6-5)和上部低压水泥浆喷嘴(6-6)通过低压水泥浆管路(6-7)连接至旋喷分流器(3)上的低压水泥浆接口；所述下部压缩空气喷嘴(6-8)和上部压缩空气喷嘴(6-9)通过压缩空气管路(6-10)连接至旋喷分流器(3)上的压缩空气接口；所述螺旋搅拌合金钻头(6-1)上还设有电磁阀(6-11)和静力压力感应器(6-13)，所述电磁阀(6-11)通过真空吸泥管路(6-12)连接至旋喷分流器(3)上的吸泥接口，所述静力压力感应器(6-13)通过信号线(6-14)连接后台控制系统。
2.根据权利要求1所述的自由角度软土地基加固施工设备，其特征在于：所述液压旋转动力头(2)的上端设有用于连接自由角度旋转装置(1-2)的插销座(2-1)；所述旋喷分流器(3)包括内轴管(3-1)和外套管(3-2)，所述外套管(3-2)旋转密封地套设在内轴管(3-1)上，并在内轴管(3-1)和外套管(3-2)之间形成多重独立的流体腔道；所述液压旋转动力头(2)的下端轴向插入内轴管(3-1)的上端，并通过第一连接销(2-2)固定连接，所述内轴管(3-1)的下端套设有第一法兰座(3-3)，所述第一法兰座(3-3)与内轴管(3-1)的下端通过第二连接销(3-4)固定连接，所述第一法兰座(3-3)的下端还安装有第二法兰座(3-5)。
3.根据权利要求1所述的自由角度软土地基加固施工设备，其特征在于：所述旋喷分流器(3)与相邻的加长钻杆(5)或加固桩钻具(6)之间还设有液压伸缩钻杆(4)。
4.根据权利要求1所述的自由角度软土地基加固施工设备，其特征在于：所述加固桩钻具(6)的外侧还固定设有导向环(6-17)，所述导向环(6-17)与加固桩钻具(6)同轴设置，且导向环(6-17)的外径与搅拌叶片(6-2)绕钻具轴旋转所形成的圆的直径大小相当。
5.根据权利要求4所述的自由角度软土地基加固施工设备，其特征在于：所述导向环(6-17)的外侧壁上还设有与搅拌叶片(6-2)的螺旋方向一致的螺旋凸筋(6-17a)。
6.根据权利要求4所述的自由角度软土地基加固施工设备，其特征在于：所述螺旋搅拌合金钻头(6-1)的底部具有先导工作部(6-1-1)，所述螺旋搅拌合金钻头(6-1)外周的搅拌叶片(6-2)上设有扩孔工作部(6-1-2)。
7.一种自由角度软土地基加固施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、施工设备组装及准备：
S1-1、按权利要求1至6任意一项所述的自由角度软土地基加固施工设备进行设备组装，形成一套完整的高压旋喷加搅拌水泥复合高承载加固桩的主体施工设备；
S1-2、安装空气压缩机、高压流体泵、超高压流体泵、超高压水泵、水泥搅拌后台和计算机控制后台，并与上述的主体施工设备进行管线连接；之后移动上述的主体施工设备到达桩位位置；
S1-3、现场通过水泥搅拌后台进行水泥浆配置，进行水泥浆液的搅拌及运输；
S1-4、通过液压马达启动自由角度旋转装置(1-2)调整好加固桩钻具(6)的角度；
S1-5、首先开启空气压缩机进行空气压力试喷射，查看空气管路是否通畅；然后开启高压流体泵以及超高压水泵，检查水泥浆管路以及水管路是否通畅，压力是否达到设计要求；之后切换高压流体泵到超高压流体泵以及超高压水泵，重新检查水泥浆管路以及水管路是否通畅，压力是否达到超高压设计要求；
S2、钻具钻进和提升：
S2-1、确认各管路都通畅，且压力都达到设计要求后，开始启动液压旋转动力头(2)进行回转钻进；
S2-2、根据设计要求深度，在加固桩钻具(6)钻进和提升全过程中，保持钻具匀速转动，匀速下沉和提升；并在钻具下沉和提升时通过高压流体泵均匀、连续地注入拌制好的水泥浆液，注浆压力控制在0.8MPa～1.0MPa，使水泥浆液与原地基土充分拌和；在制作高压旋喷桩时，一边旋转钻进，一边利用超高压水泵喷射高压水，进行土体切割破碎，同时启动超高压流体泵进行超高压喷浆，与破碎土体进行混合搅拌；
S2-3、在制作带有扩大头的复合桩时，还具有如下分步骤：
S2-3a、加固桩钻具(6)到达设计扩大头位置后，降低钻进速度和转速，同时提高超高压水泵的压力达到40Mpa～90Mpa，利用高压高速水切割超过搅拌叶片(6-2)外部土体，并进行破碎和搅拌；同时也提高超高压流体泵的压力达到40Mpa～90Mpa，利用高压水泥浆二次切割超过搅拌叶片(6-2)外部土体，并进行破碎和搅拌；
S2-3b、到达设计桩长底部后，进行提升旋喷搅拌，提升速度适当加快，在扩大体幅度内，重复提高超高压水泵的压力，让压力达到40Mpa～70Mpa，利用高压高速水切割超过搅拌叶片(6-2)外部土体，并进行破碎和搅拌；同时也提高超高压流体泵的压力，让压力达到40Mpa～70Mpa，利用高压水泥浆二次切割超过搅拌叶片外部土体，再次进行破碎和搅拌，使水泥混合体直径达到1.5m～3m；
S2-3c、继续提升加固桩钻具(6)，当提升高度超过扩大体幅度范围内，适当降低超高压水泵的压力和超高压流体泵的压力，配合搅拌叶片(6-2)对搅拌叶片(6-2)内的土体进行切割破碎搅拌，同时提高钻具的旋转速度以及提升速度；
S2-4、到达设计桩顶标高后，提升钻具，同时采用清水清洗加固桩钻具(6)内水泥浆液。
8.根据权利要求7所述的自由角度软土地基加固施工方法，其特征在于：在步骤S2中，开启静力压力感应器(6-13)，通过静力压力感应器(6-13)感应土层土体强度变化，并通过信号线(6-14)传输给后台控制系统，由后台控制系统调整高压喷射流压力以及高压喷射流的混合比例；在静力压力感应器(6-13)监测到螺旋搅拌合金钻头(6-1)处的水泥混合体压力超出设定阈值后，由后台控制系统控制电磁阀(6-11)打开，通过真空吸泥管路将多余的水泥混合体吸出。
9.根据权利要求7或8所述的自由角度软土地基加固施工方法，其特征在于：在步骤S2中，加固桩钻具(6)下沉、提升速度与流体泵的泵量相适应，控制下沉喷浆量为水泥用量的60％，提升喷浆量为水泥用量的40％。
10.一种自由角度软土地基加固桩，其特征在于：采用权利要求7至9任意一项所述的自由角度软土地基加固施工方法成桩，所形成的加固桩(7)为水泥搅拌桩或高压旋喷桩或带有扩大体的复合桩。
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CN117404016A (zh) * 2023-10-31 2024-01-16 河北省水利工程局集团有限公司 一种多重水泥土搅拌桩钻进装置的施工方法
CN117404016B (zh) * 2023-10-31 2024-03-19 河北省水利工程局集团有限公司 一种多重水泥土搅拌桩钻进装置的施工方法

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