CN211395659U - 一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，包括管体、钻头、切削搅拌架和粉体输送系统，管体包括外管和内管，外管的上端与带芯管的双重管钻杆可拆卸连接，外管的下部嵌合套设有内管，内管下端可拆卸连接有钻头；切削搅拌架周向阵列于管体外；粉体输送系统包括芯管、底通管和粉体通道，芯管固定设置在外管内的上部，芯管底部连接有底通管，粉体通道包括钻头孔道、内管孔道和位于下切削板内的板内孔道；下切削板的一侧靠近上切削板和下切削板铰接处设置有喷粉孔。利用本实用新型扩搅器在深厚软土的深长桩基础施工中，克服了钻孔缩径、孔底涌泥的问题；且因钻孔周边有硬质土粉固化体而使桩承载力增大。

Description

一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器

技术领域

本实用新型属于建筑施工技术领域，具体涉及一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器。

背景技术

目前软土区城市建设多采用桩基础，然而由于软土孔隙率大、含水量高、强度低、渗透性很弱，软土中钻孔易缩径，且深度越大缩径越严重，甚至出现塌孔和孔底涌泥等问题，导致钻进无进尺，地面下陷，附近的工程桩偏斜。半个世纪来，随着大量桩基础的应用，各种桩基础施工方法层出不穷，但目前多采用钢套管护壁解决此问题，如实用新型专利（公告号：CN201232184Y）公开了一种具有干作业优越性并提高承截力、可避免浪费大量的水资源与减少排污的钢管护壁干取土灌注桩成桩装置。然深孔孔底涌泥问题难解决。对于钻孔深度范围内存在厚软土层时，因软土层之上一直到地面均需要有钢套管护壁而费用增加。另外，随着高层建筑的发展，深长桩基础应用越来越多，超长钢套管护壁施工也面临新的挑战，其中之一就是压拔困难。

实用新型内容

本实用新型为解决深厚软土中深长桩基础施工中钻孔缩径、孔底涌泥的问题，提供一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，包括管体、钻头、切削搅拌架和粉体输送系统，所述管体包括外管和内管，所述外管的上端与带芯管的双重管钻杆可拆卸连接，所述钻杆外壁设置螺旋叶片，外管的下部嵌合套设有内管，所述内管下端可拆卸连接有钻头；

所述切削搅拌架周向阵列于管体外，切削搅拌架包括上切削板和与上切削板的下端铰接的下切削板，上切削板的上端与外管铰接，下切削板的下端与内管铰接；

所述粉体输送系统包括芯管、底通管和粉体通道，所述芯管固定设置在外管内的上部，芯管底部连接有底通管，所述粉体通道包括钻头孔道、内管孔道和位于下切削板内的板内孔道，底通管与钻头孔道连通，钻头孔道与内管孔道连通，内管孔道通过连接管与板内孔道连通；所述下切削板的一侧靠近上切削板和下切削板铰接处设置有喷粉孔，所述喷粉孔与板内孔道连通。

进一步的，所述外管内壁设置有若干个导槽，内管外壁对应导槽的位置设置有凸起，导槽和凸起相匹配且能使外管和内管相互滑动。

进一步的，所述外管的上端与钻杆螺纹连接，所述芯管与钻杆的芯管螺纹连接，以接入来自钻杆芯管的粉体，内管下端螺纹连接有钻头。

进一步的，所述上切削板和下切削板均呈板状结构，下切削板与喷粉孔相对的一侧设置有切削刃，上切削板的一侧也设置有切削刃且与下切削板的切削刃位于同侧。

进一步的，所述芯管上部通过若干个连接片与外管的内壁固定连接，芯管的下部通过内隔板与外管的内壁固定连接。

进一步的，所述内管外套设有若干定位箍，定位箍用以控制外管的下行进程，以调节切削搅拌架的最大张开程度。当外管下滑与定位箍相接触时，定位箍将对外管起阻止下滑作用，也即此时切削搅拌架达到了最大张开度。

进一步的，所述钻头为截面呈“Y”形或“十”字形的超短锥形钻头或短螺纹距的螺旋叶片超短钻头。当钻头为超短锥形钻头时，锥头角度为60～150°，土体坚硬密实时锥头角度取小值，土体稍硬较密实时取大值。钻头的选择要求为：既要能钻进，又不能钻进过快，以使钻孔外周土体充分搅拌，并能形成固化圈（即护壁圈），为钻孔护壁打下基础。

进一步的，外管径向对称设置有两个溢流孔，所述溢流孔位于内隔板的下方，溢流孔外侧设置有由橡胶制成的封孔胶圈，所述封孔胶圈嵌入外管，封孔胶圈的外表面与外管的外壁平齐或微凹。溢流孔的设置，用于调节扩搅器工作时其管内外流体运移与压差，减少不利影响。

本实用新型扩搅器的内管、外管的长度根据扩搅范围直径确定。可以加工成多个系列尺寸，工程应用时根据扩搅范围进行内管、外管组装而成。同时，可以借助定位箍进一步调节扩搅器的扩搅范围。设钻孔直径为a，扩搅范围的直径为b，外管外径为d。受上切削板和下切削板铰接的影响，内管和外管在竖向上不会完全接触，有最小间距c，因此上/下切削板的有效长度（指出浆孔至外管壁或内管壁的长度）为

上/下切削板长度=

上切削板和下切削板也可不等长，此时内管和外管的有效高度就可以差距明显。如现有上/下切削板长度超出了上述计算的长度，就需要加若干个定位箍（预先加工好的）来增加c值。

本实用新型具有以下有益效果：

1、利用本实用新型扩搅器在设计孔径外周喷入粉体并搅拌，粉体和软土混合，钻孔壁外的土粉混合体留下形成5～20cm厚度护壁圈，保证钻孔壁的稳定，使钻孔不缩径或不垮塌。在扩搅器下行的过程中，护壁圈维持孔壁稳定，而扩搅器上接的螺旋钻杆便将孔内土体排出孔外，护壁与钻进成一体，护壁先行，钻进跟进，成孔质量高；克服了钻孔缩径、孔底涌泥的问题；因钻孔周边有硬质土粉固化体而使桩承载力增大。

2、利用本实用新型将粉体通入钻孔壁，粉体不会流动，粉体在出粉部位附近与软土搅拌混合成混合体，构成护壁圈，省料又能达到目的。

附图说明

图1为本实用新型一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器的结构示意图一。

图2为本实用新型一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器的结构示意图二。

图3为本实用新型一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器在切削搅拌架张开到设计最大开度时的结构示意图。

图4为本实用新型一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器的立体结构示意图。

图5为本实用新型一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器上切削板和下切削板的结构示意图。

图6为为本实用新型一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器中外管和内管的结构示意图。

图7为利用本实用新型进行的一种深厚软土自制护壁成孔方法步骤5中的直孔的示意图。

图8为利用本实用新型进行的一种深厚软土自制护壁成孔方法步骤61中扩搅器下放入直孔后的示意图。

图9为利用本实用新型进行的一种深厚软土自制护壁成孔方法步骤63扩搅器下行扩搅的示意图。

图10为利用本实用新型进行的一种深厚软土自制护壁成孔方法步骤64到达设计的扩搅钻进底高程后的示意图。

图11为利用本实用新型进行的一种深厚软土自制护壁成孔方法成孔后的示意图。

附图中，1为钻头，2为外管，3为内管，4为上切削板，5为下切削板，6为芯管，7为底通管，8为钻头孔道，9为内管孔道，10为板内孔道，11为连接管，12为喷粉孔，13为凸起，14为切削刃，15为连接片，16为内隔板，17为定位箍，18为护壁圈，19为土粉混合体，20为封孔胶圈，21为溢流孔，22为软土。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型进行详细的阐述，但本实用新型的保护范围并不限于以下实施例，任何本领域的技术人员在本实用新型的基础上，结合本领域公知常识所能想到的技术方案，都属于本实用新型的保护范围。

如图1～6所示，一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，包括管体、钻头1、切削搅拌架和粉体输送系统，所述管体包括外管2和内管3，所述外管2为钢管，内径为20～40cm，壁厚3～5cm，长度50～100cm，外管2上端与带芯管的双重管钻杆螺纹连接，所述钻杆外壁设置螺旋叶片，外管2的下部嵌合套设有内管3，具体的，外管2内壁设置有若干个导槽，内管3外壁对应导槽的位置设置有凸起13，导槽和凸起13相匹配且能使外管2和内管3相互滑动。内管3为钢管，外径同外管2的内径，壁厚2～4cm，长度40～90cm。外管2径向对称设置有两个溢流孔21，所述溢流孔21孔径0.8～1.2cm且位于内隔板16的下方，溢流孔21外侧设置有由橡胶制成的封孔胶圈20，所述封孔胶圈20嵌入外管2，封孔胶圈20的外表面与外管2的外壁平齐或微凹。

所述内管3下端螺纹连接有钻头1，所述钻头1为截面呈“Y”形或“十”字形的超短锥形钻头或短螺纹距的螺旋叶片超短钻头。当钻头1为超短锥形钻头时，锥头角度为60～150°。为防止钻头1反钻脱落，可再设置螺栓将钻头1与内管3连接起来。

所述内管3外还套设有若干定位箍17，定位箍17为高度3cm～15cm的圆环，用以控制外管2的下行进程，以调节切削搅拌架的最大张开程度。

所述切削搅拌架周向阵列于管体外，管体外通常阵列有2个或4个切削搅拌架。切削搅拌架包括上切削板4和与上切削板4的下端铰接的下切削板5，上切削板4的上端与外管2铰接，下切削板5的下端与内管3铰接；所述上切削板4和下切削板5均呈板状结构，均由厚1.5～3cm的高强度钢板构成，下切削板5与喷粉孔12相对的一侧设置有切削刃14，上切削板4的一侧也设置有切削刃14且与下切削板5的切削刃14位于同侧。

所述粉体输送系统包括芯管6、底通管7和粉体通道，所述芯管6固定设置在外管2内的上部并与外管2同轴心，具体的，芯管6上部通过若干个连接片15与外管2的内壁固定连接，芯管6的下部通过内隔板16与外管2的内壁固定连接。芯管6上端与钻杆的芯管螺纹连接，以接入来自钻杆芯管的粉体。芯管6底部连接有底通管7，所述粉体通道包括钻头孔道8、内管孔道9和位于下切削板5内的板内孔道10，底通管7与钻头孔道7连通，钻头孔道8与内管孔道9连通，内管孔道9通过刚柔性管（即连接管11）与板内孔道10连通；所述下切削板5的一侧靠近上切削板4和下切削板5铰接处设置有喷粉孔12，所述喷粉孔12与板内孔道10连通，喷粉孔12设置有2～3个，粉体最终自此进入土体并在切削搅拌架的搅拌下与土体混合。上述钻头孔道8呈⊥形，其接入来自底通管7的粉体，并通过内管3中的内管孔道9输送到下切削板5的板内孔道10内，然后于下切削板5的喷粉孔12喷出。当管体外设置2个切削搅拌架时，两个切削搅拌架的下切削板5内均设置有板内孔道10。当设置4个切削搅拌架时，对称的两个切削搅拌架的下切削板5内设置板内孔道10，另两个为实心（即不设板内孔道10）。

上述扩搅器的组装步骤如下：

步骤1：准备好外管2、内管3、钻头1、定位箍17、刚柔性管线，以及连接零部件，检查是否存在质量问题或隐患。

步骤2：安装底通管7，在内管3外套入定位箍17，将内管3套入外管2。并使底通管7从内管3下方穿出。

步骤3：将底通管7与钻头1上的⊥形钻头孔道8连接，再将钻头1连接于内管3下端，管体内的底通管7将以螺旋方式（类似于弹簧）贮存在外管2和内管3之中。

步骤4：用刚柔性管线将内管孔道9与下切削板5中的板内孔道10相连接，同时将下切削板5铰接在内管3的铰座上，将刚柔性管线紧塞入板内孔道10内。

步骤5：将上切削板4分别与外管2和下切削板5铰接。至此，扩搅器组装完毕。按扩搅器工作方式活动扩搅器，检查直至确认扩搅器工作运转正常（尤其要注意内管孔道9与下切削板5中板内孔道10连接管11的状态）。通气（含粉体的气体）检查并确认管路连接牢固、畅通。

扩搅器使用时，将扩搅器置于直孔的孔底，钻头1受到孔底土体阻挡而停止下行，切削搅拌架张开并触碰到孔壁。启动粉体输送，对钻杆进行旋压，扩搅器外管2沿与其套合的内管3下行，切削搅拌架旋切孔壁土体，粉体随气体沿粉体输送管道运输并从下切削板5的喷粉孔12中喷出，并进入到旋切松动的土体中。在紧邻随后的切削搅拌架搅动中，粉体与土体进一步拌合并快速固化，同时切削搅拌架进一步张开。此阶段，因受孔底土体阻力作用，钻头1下行阻力大于切削搅拌阻力，钻杆对扩搅器的旋压作用，主要是使切削搅拌架逐渐张开到设计的开度（钻头1因受压旋转，也会产生一定量的下行钻进。钻头1的锥角越大，孔底土体越密实，这种下行钻进量越小）。当切削搅拌架逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头1钻进下行，同时切削搅拌架以最大张开度旋切孔周土体，并不断从喷粉孔12中喷出粉体，然后与旋切松动的土体进行拌合，粉体与旋切松动的土体混合后，迅速初凝与固化，从而在钻孔外周形成一个具有一定粘结强度且整性较好的硬质圈层。随着钻头1下行，该硬质圈层在外管2和钻杆的侧向支撑下处于相对静态状态下，并随时间增长，其强度进一步提高，起着钻孔护壁作用，称为护壁圈18。而钻孔内的土体被钻杆上的螺旋叶片分割，并往钻孔口方向输送，减轻了搅拌区土体围压，也就减少了搅拌器转动和搅拌的阻力。由于钻杆上的螺旋叶片与钻孔尺寸相当，螺旋叶钻杆起全排土作用。从而实现扩搅器下端钻进同时快速自制护壁圈18，上部螺旋钻杆全排土。

利用本实施例扩搅器进行的一种深厚软土自制护壁成孔方法，包括以下步骤：

步骤1：根据软土22性质和拟设置的护壁圈18厚度，计算扩搅范围尺寸、顶底高程。

步骤2：确定扩搅器尺寸，包括外管2和内管3高度和直径、钻头1锥尖角大小和切削搅拌架尺寸。通常以切削搅拌架合拢时扩搅器外包络圆直径为钻孔直径的1/3～2/3为原则来选择内管3和外管2直径，以切削搅拌架全张开时喷粉孔12到达扩搅范围外边界为原则选择切削搅拌架的上切削板4和下切削板5的长度，以切削搅拌架张开到设计开度时钻头1不产生较大的钻进下行为原则选择钻头1锥尖角大小，根据上切削板4和下切削板5的长度选择内管3与外管2的高度。如果已有的切削搅拌架的上切削板4、下切削板5偏长，则可通过加定位箍17来满足要求。

步骤3：选择配套钻杆，选用带芯管的双重管钻杆，且钻杆外壁设置有螺旋叶片，螺旋叶片尺寸与钻孔直径相当，用于实现全排土。

步骤4：粉体配制：根据地质条件和工程要求综合确定护壁圈18的固化强度和厚度，然后配制相配套的初凝时间和强度的粉体。所述粉体由主料和辅料组成，所述主料为水泥或石灰，附料为添加剂，用于调节初凝时间和强度。所述添加剂包括早强剂和速凝剂。

步骤5：按规范要求钻直孔到扩搅范围的上高程处，如图7。

步骤6：利用扩搅器对步骤5中所述直孔进行扩搅和全排土，直至到达设计的扩搅钻进底高程，使孔壁形成一个有5～20cm厚度的护壁圈18。该步骤具体包括：

步骤61：下放扩搅器至步骤5的直孔的孔底（即扩搅范围的上高程处），切削搅拌架张开接触孔壁，如图8。

步骤62：启动粉体输送，通过钻杆对扩搅器旋压，扩搅器外管2下行，切削搅拌架旋切孔壁土体，气体携带粉体通过钻杆中的芯管输送至切削搅拌架的粉体输送系统，粉体随气体沿粉体输送系统运输并从下切削板5中的喷粉孔12中喷出，进入旋切松动的土体中，并在紧随其后的切削搅拌架搅动中与土体进一步拌合并迅速初凝，形成相对硬质的土粉混合体19，构成护壁圈18，同时切削搅拌架进一步张开并切削搅拌土体形成土粉混合体19。此阶段，因受孔底土体阻力的影响，钻头1下行阻力大于切削搅拌阻力，钻杆对扩搅器的旋压作用，主要是使切削搅拌架逐渐张开到设计的最大开度。

步骤63：当切削搅拌架逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头1下行钻进，同时切削搅拌架以最大张开度旋切孔周土体，粉体不断从出喷粉孔12中喷出并拌合旋切松动的土体而形成土粉混合体19，构成护壁圈18，如图9。

步骤64：扩搅器不断下行，直至到达设计的扩搅钻进底高程，如图10。由于钻杆上的螺旋叶片与钻孔尺寸相当，钻杆起全排土作用。这时扩搅器下端钻进同时下部快速自制护壁圈18，上部钻杆的螺旋叶片全排土。

步骤7：扩搅钻进工作完成后，停止粉体输送，上提扩搅器成孔，如图11。成孔后护壁圈18仍保留，钻孔孔壁稳定，孔底稳固不涌泥。

以上之实施例，只是本实用新型的较佳实施例而已，并非限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型专利范围的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本实用新型申请专利范围。

Claims (8)

1.一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，其特征在于，包括管体、钻头（1）、切削搅拌架和粉体输送系统，所述管体包括外管（2）和内管（3），所述外管（2）的上端与带芯管的双重管钻杆可拆卸连接，所述钻杆外壁设置螺旋叶片，外管（2）的下部嵌合套设有内管（3），所述内管（3）下端可拆卸连接有钻头（1）；

所述切削搅拌架周向阵列于管体外，切削搅拌架包括上切削板（4）和与上切削板（4）的下端铰接的下切削板（5），上切削板（4）的上端与外管（2）铰接，下切削板（5）的下端与内管（3）铰接；

所述粉体输送系统包括芯管（6）、底通管（7）和粉体通道，所述芯管（6）固定设置在外管（2）内的上部，芯管（6）底部连接有底通管（7），所述粉体通道包括钻头孔道（8）、内管孔道（9）和位于下切削板（5）内的板内孔道（10），底通管（7）与钻头孔道（8）连通，钻头孔道（8）与内管孔道（9）连通，内管孔道（9）通过连接管（11）与板内孔道（10）连通；所述下切削板（5）的一侧靠近上切削板（4）和下切削板（5）铰接处设置有喷粉孔（12）。

2.根据权利要求1所述的一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，其特征在于，所述外管（2）内壁设置有若干个导槽，内管（3）外壁对应导槽的位置设置有凸起（13），导槽和凸起（13）相匹配且能使外管（2）和内管（3）相互滑动。

3.根据权利要求1所述的一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，其特征在于，所述外管（2）的上端与钻杆螺纹连接，所述芯管（6）与钻杆的芯管螺纹连接，以接入来自钻杆芯管的粉体，内管（3）下端螺纹连接有钻头（1）。

4.根据权利要求1所述的一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，其特征在于，所述上切削板（4）和下切削板（5）均呈板状结构，下切削板（5）与喷粉孔（12）相对的一侧设置有切削刃（14），上切削板（4）的一侧也设置有切削刃（14）且与下切削板（5）的切削刃（14）位于同侧。

5.根据权利要求1所述的一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，其特征在于，所述芯管（6）上部通过若干个连接片（15）与外管（2）的内壁固定连接，芯管（6）的下部通过内隔板（16）与外管（2）的内壁固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，其特征在于，所述内管（3）外套设有若干定位箍（17），定位箍（17）用以控制外管（2）的下行进程，以调节切削搅拌架的最大张开程度。

7.根据权利要求1所述的一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，其特征在于，所述钻头（1）为截面呈“Y”形或“十”字形的超短锥形钻头或短螺纹距的螺旋叶片超短钻头。

8.根据权利要求1所述的一种深厚软土自制护壁成孔用扩搅器，其特征在于，所述外管（2）径向对称设置有两个溢流孔（21），所述溢流孔（21）位于内隔板（16）的下方，溢流孔（21）外侧设置有由橡胶制成的封孔胶圈（20），所述封孔胶圈（20）嵌入外管（2），封孔胶圈（20）的外表面与外管（2）的外壁平齐或微凹。

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