一种用于大直径搅拌桩施工钻具的搅拌叶片结构的制作方法

1.本发明属于地下施工机械设备技术领域，尤其涉及一种用于大直径搅拌桩施工钻具的搅拌叶片结构。


背景技术：

2.作为地基处理工程技术领域中的一种主要工法，深层搅拌桩技术，已于上世纪60年代起广泛应用于工程建筑领域，包括土木工程、建筑工程、铁路工程、公路工程、水利工程、市政工程及港口工程等领域。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剂输入地下，通过与软硬土体进行搅拌混合，使固化剂与土体之间产生一系列的物理与化学反应，生成强度高，水稳定性好，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。
3.由于深层搅拌桩工程技术具有钻机装备简单、施工高效、成本低廉等优点，已经在土木建筑领域广泛应用。但是，目前在设计搅拌桩施工钻具时，都是在钻头中心杆上或者在搅拌叶片某位置设置喷浆口进行喷浆(粉)，喷出的固化剂则会在中心杆周围或是在某一圆环路径上聚集，无法将固化剂散布到整个桩身截面，即使通过普通搅拌叶片的搅拌也很难通过达到搅拌均匀的目标，通常会出现固化剂在部分区域聚集，最终造成桩身部分位置固化土强度过高同时其余大部分区域强度过低、固化土整体强度低于设计值等严重的工程质量问题，并时常引发严重的工程安全问题。特别在工程需要采用大直径大深度的搅拌桩施工时，采用常规搅拌叶片设计的搅拌钻具施工时，会使得工程质量与工程安全风险尤为突显。目前的土木建筑市场急需解决上述工程技术难题，现有的一些常规解决办法主要有：1、采用四搅两喷或多搅多喷工艺增加搅拌时长，一定程度上均匀性得到改善，但是施工工效降低；2、增加钻头中心杆或钻杆上搅拌叶片的数量，一定程度上均匀性得到改善，但是将大大增加了对搅拌桩机动力头扭矩要求以及其他的机械结构强度的要求，因此该问题在业内没有得到根本性解决。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种用于大直径搅拌桩施工钻具的搅拌叶片结构，来实现固化剂与土体的充分拌和，大大提高了搅拌均匀的效果，最终实现搅拌桩桩身强度差异大幅缩小以及整体强度大幅提高。
5.本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，这种用于大直径搅拌桩施工钻具的搅拌叶片结构包括钻头中心杆，所述钻头中心杆的径向上设有至少一组搅拌叶片单元，且每组搅拌叶片单元均沿所述钻头中心杆的轴向布置；所述搅拌叶片单元包括沿所述钻头中心杆轴向并呈上下分布的搅拌叶片组件；所述搅拌叶片组件包括搅拌翼板和导流板，所述导流板设置在所述搅拌翼板的上板面和/或下板面上，所述搅拌翼板固定在所述钻头中心杆上，且所述搅拌翼板至少设有两块并围绕所述钻头中心杆的径向呈等间距分布。
6.本发明的有益效果为：与现有技术相比，通过采用此种结构，无论是何种搅拌钻头以及何种搅拌工艺，如单轴单向搅拌桩、单轴双向搅拌桩、双轴单向搅拌桩、双轴双向搅拌桩、多轴搅拌桩等等，在施工过程中通过搅拌翼板在桩身竖向方向上的切削作用以及通过导流板在桩身横向上的强制扰动作用，喷出的固化剂浆液或粉末以及土体能够在竖向和横向上发生较大位移，进而实现固化剂与土体的充分拌和，大大提高了搅拌均匀的效果，最终实现搅拌桩桩身强度差异大幅缩小以及整体强度大幅提高，利用此结构可以使搅拌桩的施工直径达到3000mm。
7.作为优选，所述导流板包括正导流板和逆导流板，沿钻头中心杆同一截面高度上的所述搅拌翼板的同一板面上均设有若干块正导流板或逆导流板，且呈上下分布的所述搅拌翼板的相对板面上，其中一个搅拌翼板的板面上设置正导流板，另一个搅拌翼板的板面上设置逆导流板，且所述正导流板的数量与所述逆导流板的数量相等；这样设置能让同一截面高度的桩身水泥土运动方向具备一致性和连续性，同时可以平衡钻头中心杆两侧搅拌翼板对钻头中心杆的水平作用力，同一个钻具上设置的正导流板与设置的逆导流板的总数量相等，这样设置可使土体对整个钻头中心杆的摩擦阻力保持正负平衡。
8.作为优选，所述导流板斜向垂直固定在所述搅拌翼板上，且所述导流板的设置方向与所述搅拌翼板的板面之间的夹角θ的范围为0～45
°
；通过此角度的设置，使得导流板的导流效果更佳。
9.作为优选，所述导流板在搅拌翼板延伸方向上的投影宽度a与搅拌翼板的宽度b比例为0.5～1.5；导流板的效果更好，从而使得搅拌翼板的搅拌更为均匀。
10.作为优选，所述搅拌翼板的上板面与所述钻头中心杆的径向水平面之间的夹角α的范围为0～45
°
；能对旋转方向上板前土体产生更好的剪切扰动作用，同时对钻头增加的阻力也较小。
11.作为优选，所述正导流板设有若干块，并沿所述搅拌翼板的长度方向上依次呈直线形排列或交错形排列，且相邻的所述正导流板之间呈等间距分布；这样使得搅拌翼板通过正导流板搅拌更为均匀化。
12.作为优选，所述逆导流板设有若干块，并沿所述搅拌翼板的长度方向上依次呈直线形排列或交错形排列，且相邻的所述逆导流板之间呈等间距分布；这样使得搅拌翼板通过逆导流板搅拌更为均匀化。
13.作为优选，所述导流板设置在所述搅拌翼板的上板面或下板面上时，与所述搅拌翼板的上板面或下板面相反的板面上设有支撑块；在钻头转动的过程中，土体对导流板有一定的水平作用力，进而对整个搅拌翼板产生一定的弯矩，在导流板的对面设置支撑块能起到平衡弯矩的作用，同时可以加强搅拌翼板与钻头中心杆的连接。
14.作为优选，所述钻头中心杆的上端设有钻头接头，所述钻头中心杆的下端依次设有自由叶片、掘削喷浆叶片和掘削叶片，且所述自由叶片、所述掘削喷浆叶片和所述掘削叶片均位于所述搅拌叶片单元的下方，所述掘削喷浆叶片和所述掘削叶片呈对称分布在所述钻头中心杆的径向处；使得整个钻头的搅拌能力更好。
附图说明
15.图1是本发明的搅拌叶片组件结构示意图。
16.图2是本发明的实施例一结构示意图。
17.图3是本发明的实施例一结构示意图。
18.图4是本发明的实施例一结构示意图。
19.图5是本发明的实施例一结构示意图。
20.图6是本发明的实施例一结构示意图。
21.图7是本发明的实施例一结构示意图。
22.图8是本发明的实施例一结构示意图。
23.图9是本发明的实施例二结构示意图。
24.图10是本发明的实施例二结构示意图。
25.图11是本发明的实施例二结构示意图。
26.图12是本发明的实施例三结构示意图。
27.图13是本发明的实施例三结构示意图。
28.图14是本发明的实施例四结构示意图。
29.图15是本发明的实施例四结构示意图。
30.附图中的标号分别为：1-1、搅拌翼板；1-1a、上板面；1-1b、下板面；1-2、导流板；1-2a、正导流板；1-2b、逆导流板；2、支撑块；3、钻头接头；4、自由叶片；5、掘削喷浆叶片；6、掘削叶片；7、钻头中心杆；8、搅拌叶片单元；9、搅拌叶片组件。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明做详细的介绍：包括钻头中心杆7，钻头中心杆7的径向上设有至少一组搅拌叶片单元8，且每组搅拌叶片单元8均沿钻头中心杆7的轴向并呈等间距布置，这样使得土体与固化剂之间的搅拌更为均匀化；搅拌叶片单元8包括沿钻头中心杆7轴向并呈上下交错分布的搅拌叶片组件9，这样使得土体搅拌更为均匀且效率也更高；搅拌叶片组件9包括搅拌翼板1-1和导流板1-2，导流板1-2设置在搅拌翼板1-1的上板面1-1a和/或下板面1-1b上，搅拌翼板1-1固定在钻头中心杆7上，且搅拌翼板1-1至少设有两块围绕沿钻头中心杆7的径向呈等间距分布。采用本发明的有益效果包括：1、解决了传统搅拌桩施工时固化剂无法搅拌均匀的技术难题；2、解决了因设置导流板导致钻头受力不均衡的问题；3、各类土体与固化剂整体搅拌均匀、拌合充分，可形成高强度的固化土体；4、在固化土达到同等整体强度条件下，可以节约大量的固化剂材料；5、本发明通用性强，适用性好，各类搅拌工艺钻头均可应用；6、大幅度提升了施工速度、施工效率并可缩短工期；7、确保深层搅拌桩的品质优良、工程安全、成本下降。
32.钻头中心杆7的上端设有钻头接头3，钻头中心杆7的下端依次设有自由叶片4、掘削喷浆叶片5和掘削叶片6，且自由叶片4、掘削喷浆叶片5和掘削叶片6均位于搅拌叶片单元8的下方，掘削喷浆叶片5和掘削叶片6呈对称分布在钻头中心杆7的径向处。
33.实施例1：
34.下面结合实施例1和附图1～8对本发明做进一步阐述说明。图2示出了采用本发明搅拌叶片结构的搅拌桩钻头，该搅拌桩钻头包含搅拌叶片组件9(如图1)、支撑块2、钻头接头3、自由叶片4、掘削喷浆叶片5、掘削叶片6、钻头中心杆7，其中搅拌叶片组件9配置有两层，上层的搅拌叶片组件9的两个搅拌翼板1-1下板面1-1b上分布有逆导流板1-2b，上板面
1-1a上设置有支撑块2；下层的搅拌叶片组件9的搅拌翼板1-1上板面1-1a上分布有正导流板1-2a，下板面1-1b上设置有支撑块2；如图4、6、8所示，当钻头沿顺时针转动时，由于正导流板1-2a的导流作用，靠近钻头中心杆7的土体被强制向外侧转移，由于相对作用，此时土体对导流板有一个朝向钻头中心杆7的水平推力和一个与之垂直的分力，在此同时对面侧的搅拌叶片组件9同样受到土体一个朝向钻头中心杆7的水平推力和一个与之垂直的分力，这两组力刚好方向相反，对钻头中心杆7的合力弯矩为0，同理上层的搅拌叶片组件9由于逆导流板1-2b的导流作用，远离钻头中心杆7的土体被强制向中心转移，同时土对两侧逆导流板1-2b的力也是互为相反，对钻头中心杆7的合力弯矩同样为0；另外，下层的搅拌叶片组件9强行将土向内变位，上层的搅拌叶片组件9强行将土向外变位，使土体在水平方向上形成对流，大大增强了搅拌的均匀效果，但是土体向内变位会增大钻头中心杆7的摩擦力，进而增大了钻头的抵抗扭矩，是不利作用，而土体向外变位则减小了钻头中心杆7的摩擦力，进而减小了钻头的抵抗扭矩，是有利作用，钻头转动时，不利作用与有利作用同时出现，综合起来，有利作用与不利作用刚好互为抵消，则因为土体变位造成对钻机扭矩的影响刚好为0。同理，当钻头逆时针旋转时，土体被强制移位的方向发生逆转，同样土体对导流板1-2和钻头中心杆7的作用力也同时发生逆转换向，对钻头中心杆7的弯矩以及对钻头中心杆7的扭矩综合作用依旧为0，避免引起钻头中心杆7弯曲变形以及施工扭矩过大造成机械损伤。
35.搅拌叶片组件9呈放射状固定连接在钻头中心杆7上，导流板1-2斜向垂直固定在搅拌翼板1-1的上板面1-1a或搅拌翼板下板面1-1b。上层的搅拌叶片组件9上设置的逆导流板1-2b与下层的搅拌叶片组件9设置的正导流板1-2a的总数量相等。数量相等的正导流板1-2a和逆导流板1-2b提供的正反作用力大小大致相等，相互抵消后对钻头不会产生或产生很小的额外作用力。
36.位于钻头中心杆7同一截面高度处，每一个搅拌翼板1-1上的导流板1-2之间的间距相等，钻头中心杆7的两侧搅拌翼板1-1上靠近钻头中心杆7的两个导流板1-2钻头中心杆7轴芯的距离相等或不等，如图4、6、8所示，l1＝l2或l1≠l2；这样设置的目的是为了让钻头中心杆周围的土体能够连续的朝内或朝外运动，产生更好的搅拌效果。
37.导流板的最小高度设置为a＝l
·
υ/(ω
·
r),其中，l为搅拌翼板1-1竖向投影宽度，υ为钻头钻进速度，ω为钻头中心杆7旋转角速度，r为导流板中心到钻头中心杆轴芯的距离。
38.导流板1-2在搅拌翼板1-1延伸方向上的投影宽度a与搅拌翼板1-1的宽度b比例为0.5～1.5，本实施例中为1.0。
39.导流板1-2为了达到导流效果，形状可以多样的，如图3所示为直线形，板面方向与搅拌翼板延伸方向的垂面方向的夹角为20
°
，图5所示为弧线形，弧线的弦所在的搅拌翼板垂面与搅拌翼板延伸方向的垂面方向的夹角为20
°
，图7所示为折线形，折线首尾连线所在的搅拌翼板垂面与搅拌翼板延伸方向的垂面方向的夹角为20
°
。
40.在上层的搅拌叶片组件9的搅拌翼板1-1的上板面1-1a设置支撑块2，在下层的搅拌叶片组件9的搅拌翼板1-1的下板面1-1b设置支撑块2；在钻头转动的过程中，土体对导流板1-2有一定的水平作用力，进而对整个搅拌翼板1-1产生一定的弯矩，在导流板1-2的对面设置支撑块2能起到平衡弯矩的作用，同时可以加强搅拌翼板1-1与钻头中心杆7的连接。
41.搅拌翼板1-1的上板面1-1a与钻头中心杆7的径向水平面之间的夹角α的范围为0
～45
°
，本实施例中为20
°
，其能对旋转方向上板前土体产生更好的剪切扰动作用，同时对钻头增加的阻力较小。
42.应用本发明的搅拌叶片组件9的搅拌桩钻头的使用方法包括如下工艺步骤：
43.1)、钻机下行阶段施工：确定搅拌桩的桩位，在钻机就位后启动钻机和后台供浆系统，确保钻头喷浆顺畅，依据设定的施工参数对钻杆施加顺时针扭矩和竖向钻压，进行钻机下行阶段的钻掘和搅拌作业，同时利用注浆泵通过喷浆口实施固化剂定量撒布；下层的搅拌叶片组件9先行接触下方土体，由于正导流板1-2a的导流作用，靠近钻头中心杆7的土体被强制向外侧转移，上层的搅拌叶片组件9随后接触该深度土体，由于逆导流板1-2b的导流作用，远离钻头中心杆7的土体被强制向中心转移，使土体在水平方向上形成对流，由于钻具的掘削喷浆叶片5、搅拌叶片组件9在搅拌桩竖向方向上以及绕中心轴方向上的剪切、掘削破碎及强力搅拌，加上各导流板1-2在搅拌桩水平径向上的对流搅拌，可将喷出的局部聚集的固化剂浆液带至搅拌桩横截面的各点位处，可实现固化土的充分整体均匀拌合；直至钻头的下行作业达到设计桩底标高为止，完成了下行钻掘和搅拌作业阶段的施工。
44.2)、钻机上行阶段施工：钻头继续依据设定的施工参数，对钻杆施加与下行阶段反向的扭矩与提拔力，进行钻机上行阶段的搅拌桩二次搅拌作业；根据施工需要，此时也可以进行二次固化剂定量撒布；在二次搅拌作业阶段中，钻机可以提高搅拌钻具的旋转速度和提升速度；与钻机上行阶段施工一样，通过钻头的上掘削叶片5、搅拌叶片组件9在搅拌桩竖向方向以及绕中心轴方向上的二次剪切、强力搅拌及反压，加上导流板1-2在搅拌桩水平径向上的二次对流搅拌，直至搅拌机构的上行作业达到设计桩顶标高，完成了上行搅拌作业阶段的施工；对于采用一喷两搅或两喷两搅施工工艺的搅拌桩在本阶段已完成施工作业。
45.实施例2：
46.本实施例为本发明的另一种实现形式，下面结合实施例2和附图9～11对本发明作出进一步阐述说明。本实施例与实施例1唯一不同的地方在于：搅拌叶片组件9中导流板1-2的排布为前后交错排布，导流板1-2之间的间距相等，钻头中心杆7两侧的搅拌叶片组件9上的导流板1-2数量相等，呈交错形分布的导流板1-2在搅拌翼板1-1延伸方向上的投影宽度a与搅拌翼板1-1的宽度b大致相等。如图10所示，这种交错形式的布置可以在施工时对土体的分割剪切效果更加显著，同时连续导流效果也会更佳。
47.应用本发明的搅拌叶片组件9的搅拌桩钻头的使用方法与实施例1中的使用方法类似，此处不再赘述。
48.实施例3：
49.本实施例为本发明的又一种实现形式，下面结合实施例3和附图12～13对本发明作出进一步阐述说明。本实施例与实施例1不同的地方在于：搅拌叶片组件9中的导流板1-2位于搅拌翼板1-1的上下板面，搅拌翼板1-1的上板面1-1a上的导流板1-2与搅拌翼板1-1的下板面1-1b上的导流板板1-2数量且位置对应，上层的搅拌翼板1-1上的所有导流板1-2均为逆导流板1-2b，下层的搅拌翼板1-1上的所有导流板1-2均为逆导流板1-2b，同时去除了实施例1中的支撑板2。在钻头转动的过程中，土体对同一搅拌叶片组件9的上下导流板1-2均有一定的水平作用力，水平作用力的方向一致，此时产生对于位于中间的搅拌翼板1-1的弯矩刚好抵消，不会对搅拌翼板1-1产生折弯效果。与实施例1相比，实施例3在搅拌翼板1-1数量不变的情况下，导流板1-2的数量增加了1倍，在钻头下钻或提升的施工过程中，可提供
双倍的导流效果，致使搅拌更加充分。
50.应用本发明的搅拌叶片组件9的搅拌桩钻头的使用方法与实施例1中的使用方法类似，此处不再赘述。
51.实施例4：
52.本实施例为本发明的又一种实现形式，下面结合实施例4和附图14～15对本发明作出进一步阐述说明。本实施例与实施例1不同的地方在于：钻头上总共安装了2组搅拌叶片单元8，共4层搅拌叶片组件9，从上往下，第一层与第二层上的导流板1-2互为正逆，为一组，第三层与第四层上的导流板1-2互为正逆，为另一组，这两组搅拌叶片组件9在钻头下钻和提升作业时，各组导流板1-2受到的正反作用力以及导流作用对钻头中心杆7正负作用效果均可以相互抵消，不会对钻头结构以及钻机主体结构造成负面影响。4层搅拌叶片组件9的设计能够更多次数地对土体进行水平向和竖向切割，以及提供更多遍数的导流作用，致使搅拌更加充分。
53.应用本发明的搅拌叶片组件9的搅拌桩钻头的使用方法与实施例1中的使用方法类似，此处不再赘述。
54.本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或材料构成上作任何变化，凡是采用本发明所提供的结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在本发明保护范围之内。