一种水泥土搅拌桩施工用搅拌轴及施工装置和施工方法

技术领域

本发明属于水泥土搅拌桩的技术领域，具体涉及一种水泥土搅拌桩施工用搅拌轴及施工装置和施工方法。

背景技术

在软土或松软土地基上修建建筑物或填筑路堤、场地时，由于地基的承载能力很低，往往需要进行地基加固处理，水泥搅拌桩是一种常用的地基加固处理方法。

但现有水泥搅拌桩存在以下问题：

(1)桩身强度低；现有水泥搅拌桩水泥和土拌和的均匀性较差，桩体强度较低，一般为1～1.3MPa。

(2)单桩竖向承载力低；现有水泥搅拌桩桩身水泥和土的胶结能力不强，桩体密实度不够，单桩竖向承载力较低，一般80～120kN。

(3)复合地基承载力不高；现有水泥搅拌桩成桩过程中，对桩周土产生一定的扰动，桩体和桩间土的粘结性不强，复合地基承载力不高，一般为100～150kPa。

(4)抗渗透性差。现有水泥搅拌桩由于水泥和土的胶结能力差，用于止水帷幕时常常出现渗漏水现象。

(5)穿透能力差，现有水泥搅拌桩机设备很难穿透地基中的局部硬层，而实际工程中，经常遇到第几种存在薄硬层现象，制约了水泥搅拌桩的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种水泥土搅拌桩施工用搅拌轴及施工装置和施工方法，解决了水泥土搅拌轴由于水泥和土胶结能力不强带来的问题。

本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，提供了一种水泥土搅拌桩施工用搅拌轴，包括搅拌空心轴和搅拌头；所述搅拌头连接在搅拌空心轴的尾部；所述搅拌空心轴的内部设有延伸至搅拌头的输浆管和输气管；所述搅拌头上安装有与输浆管相连通的喷浆嘴，所述喷浆嘴背离输浆管的端部从搅拌头的周向伸出；所述输气管的尾部安装有伸缩气管和气囊；所述搅拌头的底部设有仅能从搅拌头内部开启的单向活动门；

当所述输气管内注入气体后，所述伸缩气管被拉伸，以开启所述单向活动门使所述气囊伸出搅拌头外，且在输气管内持续注入气体后，所述气囊发生膨胀，以挤压预置施工沟槽内的水泥和土，实现水泥和土的压密。

可选地，所述气囊的最大膨胀直径为搅拌桩设计桩径的1.2-1.5倍。

可选地，所述单向活动门包括门板和复位弹簧；所述门板通过铰接轴安装在搅拌头的底部；所述复位弹簧的两端分别安装在门板内侧和喷浆嘴的外侧。

第二方面，提供了一种水泥土搅拌桩施工装置，包括动力组件和如第一方面中任一项所述的至少一个水泥土搅拌桩施工用搅拌轴；所述搅拌轴与动力组件相连，以驱使搅拌轴在预置施工沟槽内升降和旋转。

可选地，所述动力组件包括起重卷扬机、旋转动力箱和桩架；所述桩架和起重卷扬机安装在支撑架上；所述桩架上安装有升降滑轨；所述旋转动力箱滑动连接在升降滑轨上；所述起重卷扬机的钢丝绳与旋转动力箱相连，以驱使旋转动力箱升降；所述搅拌轴与旋转动力箱的驱动转轴相连。

可选地，所述输浆管从所述搅拌空心轴的头部伸出，且伸出端通过输浆软管与配置的泥浆输送装置相连；所述输气管从所述搅拌空心轴的头部伸出，且伸出端通过输气软管与空压机相连。

可选地，还包括连接件，所述连接件包括第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管；所述第一连接管和第二连接管转动连接，且第一连接管与输浆软管相连，第二连接管与输浆管相连，以实现输浆软管和输浆管的连通；第三连接管和第四连接管转动连接，所述第三连接管与输气软管相连，第四连接管与输气管相连，以实现输气软管与输气管连通；所述第一连接管和第三连接管内外同轴套设，所述第二连接管和第四连接管内外套设连接。

可选地，所述空压机连接有气压控制平台；所述输气管和/或输气软管上设有至少一个压力传感器，所述压力传感器的信号传输至气囊监测平台进行显示。

第三方面，一种水泥土搅拌桩施工方法，包括以下步骤：

S1：现场测设出水泥搅拌桩的施工轮廓线，根据施工轮廓线开挖施工沟槽，并在施工沟槽旁设置桩架定位控制线，并在桩架定位控制线上设定桩位标志；

S2：将施工装置移动至施工位置，且桩架正对桩架定位控制线；连通输气软管和输气管，连通输浆软管和输浆管；启动旋转动力箱电源以及起重卷扬机，使搅拌轴沿桩架下沉以及绕自身轴线旋转实现搅拌切土；

S3：当搅拌轴下沉到设计深度后，起重卷扬机按照设定速度提升搅拌轴，同时泥浆站的输送装置将泥浆送入地基内，实现搅拌轴旋转提升的同时喷浆嘴进行喷浆；直至搅拌轴提升至设计顶面标高时，喷浆嘴停止喷浆；

S4：对喷浆完成的施工沟槽进行多次重复搅拌，且重复搅拌过程中，搅拌头需要对处于各个深度的泥浆进行搅拌；

S5：当多次重复搅拌完成时，搅拌头下沉到设计深度进行最底端搅拌段的终搅，搅拌完成后，提升一个搅拌头的高度再次进行搅拌，并打开输气管的气源，在气源的作用下，单向活动门开启，气囊逐步变大，对前一个搅拌段的松散水泥土进行压密；直至所有高度的搅拌段均已压密完成，以完成整个水泥土搅拌桩的施工。

10.根据权利要求9所述的水泥土搅拌桩施工方法，其特征在于，步骤S2中，在将施工装置移动至施工位置，且桩架正对桩架定位控制线的过程中，使用经纬仪或线锤进行观测，确保搅拌轴的垂直度；

所述搅拌轴垂直度精度不低于1/200，且施工装置就位时偏差不大于50mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用输气管对气囊进行加压，并利用气囊的膨胀变大，实现整个桩身水泥土的压密，提高了水泥土搅拌桩的强度，且气囊加压还能产生对桩周土体的横向压力，使搅拌桩和桩间的土更好的连接在一起，解决了水泥土搅拌桩搅土层与水泥拌合不密实的问题，避免发生水泥土层间渗水与断桩的现象，压密后提高了水泥土强度与水泥土搅拌桩的承载力，而且提高了桩周土的密实性，从而使得桩周土能够挤密搅拌桩；采用本发明装置和施工方法进行施工的水泥土搅拌桩强度比常规水泥土搅拌桩提高30％，节省水泥20％。

附图说明

图1是本发明的水泥土搅拌桩施工用搅拌轴的整体结构示意图；

图2是本发明的水泥土搅拌桩施工装置的整体结构示意图；

图3是本发明的水泥土搅拌桩施工装置的连接件的整体结构示意图；

图4是本发明的水泥土搅拌桩施工方法的过程示意图。

图中标记为：1为搅拌轴，101为搅拌空心轴，102为搅拌头，2为输浆管，21为输浆软管，3为输气管，31为输气软管，4为喷浆嘴，5为伸缩气管，6为气囊，7为单向活动门，71为门板，72为复位弹簧，8为动力组件，81为卷扬机，82为旋转动力箱，83为桩架，84为升降滑轨，9为支撑架，10为空压机，11为气压控制平台，12为气囊监测平台，13为连接件，131为第一连接管，132为第二连接管，133为第三连接管，134为第四连接管。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

如图1所示，提供一种水泥土搅拌桩施工用搅拌轴1，包括搅拌空心轴101和搅拌头102；所述搅拌头102连接在搅拌空心轴101的尾部；搅拌空心轴101可以和搅拌头102一体成型或者通过焊接相连，搅拌头102的外侧设置有多个搅拌叶片；搅拌叶片与搅拌头102的连接方式以及搅拌叶片的结构和数量可以参考现有技术进行设定。

搅拌空心轴101的内部设有延伸至搅拌头102的输浆管2和输气管3；输浆管2与输气管3均固定在搅拌空心轴101内，且跟随搅拌空心轴101的移动而发生移动；所述搅拌头102上安装有与喷浆嘴4，喷浆嘴4的一端与搅拌空心轴101相连，另一端固定在搅拌头102上，且从搅拌头102的周向伸出；喷浆嘴4可以沿着搅拌空心轴101的径向方向延伸，也可以与搅拌空心轴101的径向方向成锐角角度的夹角，即喷浆嘴4可以横向喷出水泥，也可以与水平面成一定夹角的喷出泥浆。

输气管3的尾部安装有伸缩气管5和气囊6；所述搅拌头102的底部设有仅能从搅拌头102内部开启的单向活动门7；伸缩气管5的材质是金属材质，伸缩气管5的结构可以参考现有技术，提供一种可行的方案，所述伸缩气管5是套管式的伸缩筒。

当所述输气管3内注入气体后，所述伸缩气管5被拉伸，从而开启所述单向活动门7，并带动所述气囊6伸出搅拌头102；当输气管3内持续注入气体后，所述气囊6发生膨胀，从而挤压预置施工沟槽内的水泥和土，实现水泥和土的压密；当输气管3内的气体抽空时，气囊6压力变小，气囊6逐渐复位，伸缩气管5带动气囊6缩回至搅拌头102内，气压消失后，单向活动门7在自身复位结构的作用下，反向动作，实现单向活动门7的自动关闭。

在本实施例中，所述气囊6的最大膨胀直径为搅拌桩桩径的1.2-1.5倍，从而能够保证压密效果。

具体地，所述单向活动门7包括门板71和复位弹簧72；所述门板71通过铰接轴安装在搅拌头102的底部；所述复位弹簧72的两端分别安装在门板71内侧和喷浆嘴4的外侧；当然，在一些其他的实施例中，单向活动门7的门板71可以有两块，对应复位弹簧72也可以有两个；在另外一些其他的实施例中，所述单向活动门7的结构还可以用安装在铰接轴上的扭簧来代替复位弹簧72；当然，也可以采用电动或者气动控制的自动伸缩杆，来控制单向活动门7的开启和关闭。

实施例2

如图2所示，提供一种水泥土搅拌桩施工装置，包括动力组件8和如实施例1中任一项所述的至少一个水泥土搅拌桩施工用搅拌轴1，即施工装置可以是单轴、双轴或者多轴，本实施例给出单轴作为示例。

搅拌轴1与动力组件8相连，以驱使搅拌轴1在预置施工沟槽内升降和旋转；所述动力组件8的结构可以参考现有技术设定。

在本实施例中，所述动力组件8包括起重卷扬机81、旋转动力箱82和桩架83；所述桩架83和起重卷扬机81安装在支撑架9上；支撑架9上可以设置带有刹车结构的万向轮等，从而实现施工装置的快速移动和精准定位；所述桩架83上安装有升降滑轨84；所述旋转动力箱82滑动连接在升降滑轨84上；旋转动力箱82与升降滑轨84的滑动连接方式可以参考现有技术；所述起重卷扬机81的钢丝绳与旋转动力箱82相连，以驱使旋转动力箱82升降；所述搅拌空心轴101与旋转动力箱82的驱动转轴相连，即在旋转动力箱82的作用下，搅拌空心轴101能够以自身轴线为中心轴旋转。

再进一步地，输浆管2从所述搅拌空心轴101的头部伸出，且伸出端通过输浆软管21与配置的泥浆输送装置相连；所述输气管3从所述搅拌空心轴101的头部伸出，且伸出端通过输气软管31与空压机10相连；泥浆输送装置通常是泥浆泵，泥浆泵的入口还连接有泥浆站；所述空压机10连接有气压控制平台11；所述输气管3和/或输气软管31上设有至少一个压力传感器(图中未表示)，所述压力传感器的信号传输至气囊监测平台12进行显示，即气压控制平台11可以调整注入输气管3内的压力大小以及控制输气管3内的气体的注入时长和开关；所述气囊监测平台12能够随时监控压力传感器的数值，从而判断气囊6是否正常工作。

在本实施例中，如图3所示，施工装置还包括连接件13，所述连接件13包括第一连接管131、第二连接管132、第三连接管133和第四连接管134；所述第一连接管131和第二连接管132转动连接，且第一连接管131与输浆软管21相连，第二连接管132与输浆管2相连，以实现输浆软管21和输浆管2的连通，第一连接管131与输浆软管21的连接方式可以参考线有，输浆管2与第二连接管132的连通也可以借助连接管；第三连接管133和第四连接管134转动连接，所述第三连接管133与输气软管31相连，第四连接管134与输气管3相连，以实现输气软管31与输气管3连通，第三连接管133与输气软管31的连接头可以设置在第三连接管133的周向或者顶部，第四连接管134与输气管3的连接也可以参考现有技术；所述第一连接管131和第三连接管133内外同轴套设，所述第二连接管132和第四连接管134内外套设连接，即第二连接管132和第四连接管134能够相对第一连接管131和第三连接管133发生相对转动，从而实现搅拌轴1转动时，输气软管31和输浆软管21的工作不受影响。

本实施例中的搅拌轴1的具体结构可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

实施例3

如图4所示，提供一种水泥土搅拌桩施工方法，包括以下步骤：

S1：现场测设出水泥搅拌桩的施工轮廓线，根据施工轮廓线开挖施工沟槽，并在施工沟槽旁设置桩架定位控制线，并在桩架定位控制线上设定桩位标志。

具体地，测设的施工轮廓线，需要进行复核，然后在进行施工沟槽的开挖；在桩的定位控制线上，每隔5米设定桩位标志，确保桩间搭接符合规范、设计规定。

S2：将施工装置移动至施工位置，且桩架83正对桩架定位控制线；连通输气软管31和输气管3，连通输浆软管21和输浆管2；启动旋转动力箱82电源以及起重卷扬机81，使搅拌轴1沿桩架83下沉以及绕自身轴线旋转实现搅拌切土。

具体地，使用经纬仪或线锤进行观测，确保搅拌轴1的垂直度；所述搅拌轴1垂直度精度不低于1/200，且施工装置就位时偏差不大于50mm；搅拌轴1沿桩架83下沉以及绕自身轴线旋转实现搅拌切土，相当于是一次预搅拌，待搅拌机的冷却水循环正常后，启动旋转动力箱82内的搅拌机电机，放松卷扬起重机钢丝绳使搅拌轴1搅拌切土下沉，下沉的速度可由电机的电流监测表控制，工作电流不应大于额定电流。

S3：当搅拌轴1下沉到设计深度后，起重卷扬机81按照设定速度提升搅拌轴1，同时泥浆站的输送装置将泥浆送入地基内，实现搅拌轴1旋转提升的同时喷浆嘴4进行喷浆；直至搅拌轴1提升至设计顶面标高时，喷浆嘴4停止喷浆。

搅拌轴1提升速度严格按照设计确定，喷浆嘴4的喷浆也要根据需要进行合理的调试，即在到达设计顶面标高时，喷浆嘴4完成所有预期的水泥的喷浆。

S4：对喷浆完成的施工沟槽进行多次重复搅拌，且重复搅拌过程中，搅拌头102需要对处于各个深度的泥浆进行搅拌，即多次重复搅拌能够进一步地提高水泥和土的混合效果，重复搅拌的次数可以根据需要调整，对处于各个深度的泥浆进行搅拌，即是在重复搅拌的过程中，搅拌轴1单次提升高度，是以搅拌头102的高度为单位进行的，从而保证整个桩基的搅拌均匀性。

S5：当多次重复搅拌完成时，搅拌头102下沉到设计深度进行最底端搅拌段的终搅，搅拌完成后，提升一个搅拌头102的高度再次进行搅拌，并打开输气管3的气源，在气源的作用下，单向活动门7开启，气囊6逐步变大，对前一个搅拌段的松散水泥土进行压密；直至所有高度的搅拌段均已压密完成，以完成整个水泥土搅拌桩的施工。

本发明利用输气管3对气囊6进行加压，并利用气囊6的膨胀变大，实现整个桩身水泥土的压密，提高了水泥土强度，且气囊6加压还能产生对桩周土体的横向压力，使搅拌桩和桩间的土更好的连接在一起，形成复合地基。

压密水泥土搅拌桩增加了搅拌桩桩身搭接的完整性、桩周土的密实性，增强了水泥和土的胶结能力，避免了水泥搅拌桩断桩，提高了水泥搅拌桩的成桩质量；利用本发明装置和施工方法施工的水泥土搅拌桩水泥土强度比常规水泥搅拌桩提高30％左右，节省水泥20％左右。

实施例4

某客运专线工程车站到发线振动搅拌桩工点，地层主要为第四系滨海相、海陆交互相的黏性土、粉土组成；粉质黏土：黄褐色，成软塑状态，局部为流塑状态；淤泥质粉质黏土：灰色及粉质黏土，呈流塑状态；粉质黏土：灰黄色呈可塑～硬塑状态。

由于客运专线对路基工后沉降的标准严格，在选择地基处理方案时，对普通水泥搅拌桩加固和压密水泥搅拌桩加固进行了对比，成桩28天后，普通水泥搅拌桩桩体无侧限抗压强度在0.5-1.2MPa之间，压密水泥搅拌桩无侧限抗压强度在2.3-5.7Mpa之间，普通水泥搅拌桩复合地基承载力0-150KPa，压密水泥搅拌桩复合地基承载力210-340KPa之间。

实施例5

某工程地基振动搅拌桩工点，地层岩性为：杂填土，褐黄色，稍密，稍湿；淤泥质黏土，褐黄色，流塑；黏土，褐黄色，软塑；粉土，褐灰色，密实，稍湿；淤泥质粉质粘土，褐灰色，流塑；淤泥质黏土，褐灰色，流塑；粉质粘土，褐灰色，硬塑；

设计压密搅拌桩桩长为15米，直径为0.5m；设计要求桩体无侧限抗压强度1.2MPa，复合承载力达到150KPa，成桩28天后，桩体无侧限抗压强度平均达到3.6MPa，复合地基承载力平均达到280KPa。

本发明解决了现有水泥搅拌桩水泥土松散成型的问题，提高了水泥搅拌桩桩身强度，增加了水泥搅拌桩有效加固深度，提高了单桩竖向和复合地基承载力，提高了抗渗透性，是一种低成本、高可靠度、易于调整控制、适应性广、技术经济性好的地基处理方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。