一种上下切换式喷浆搅拌桩施工设备及其施工方法

技术领域

本发明涉及土建施工技术领域，具体为一种上下切换式喷浆搅拌桩施工设备及其施工方法。

背景技术

搅拌桩是地基处理的一种有效形式，是一种将水泥作为固化剂的主剂，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结从而提高地基强度的工艺，通过搅拌钻头将水泥和土体进行搅拌形成具有一定强度和抗渗性能的桩体。

现有技术中，单轴搅拌桩逐渐被淘汰，市面上常采用双轴或三轴搅拌桩，而双轴或者三轴搅拌桩土的置换率超过40％，大量置换土污染环境，采用搅拌桩的底部出浆，在提升时，仍然是由底部出浆，搅拌桩对出料的水泥浆以及土样之间的搅拌由搅拌桩的下部分进行搅拌，而在搅拌过程中，水泥浆浆液与土体之间由于搅拌混合时间短导致搅拌不均匀以及存在间隙的问题，导致喷浆搅拌不够充分使浆液分布不均导致桩身强度存在差异，因此需要提出一种浆液分布均匀提升桩身强度的上下切换喷浆的搅拌桩设备。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种上下切换式喷浆搅拌桩施工设备，以解决上述背景技术中提到的喷浆搅拌不够充分使浆液分布不均导致桩身强度存在差异的问题。

本发明可以通过以下技术方案实现：一种上下切换式喷浆搅拌桩施工设备，包括桩架，所述桩架上滑动安装有可转动的钻杆，所述钻杆设置有四个，且相邻两个钻杆的转动方向相反，所述每个钻杆的内部均安装有两个注浆管以及一个注气管，所述钻杆的底部表面上设置有用于下沉喷浆并与其中一个注浆管相通的下喷浆口，且钻杆的外表面上设置有用于提升喷浆并与另一个注浆管相通的上喷浆口，所述钻杆的顶面上设置有用于提供水泥浆以及高压气体的供料硬管，且钻杆的外表面并位于下喷浆口的上方设置有用于喷气的喷气口，所述供料硬管内的中通管与注气管转动连接，且中通管与供料硬管之间形成用于输送水泥浆的环形通道，所述供料硬管安装在带动钻杆上下移动的钻机上，中通管与空压机通过输气管连通。

本发明的进一步技术改进在于：所述钻杆的顶面中部固定设置有安装口，所述安装口的顶面与设置在钻机上的供料硬管转动安装。

本发明的进一步技术改进在于：所述钻杆的内腔顶面设置有与环形通道相通的储液腔，所述储液腔的内壁面与注气管的外壁面之间安装有用于稳固的加固杆，所述储液腔底部的两个出料端通过电磁阀并分别与两个注浆管的进料端相连通。

本发明的进一步技术改进在于：所述下喷浆口倾斜设置并与注浆管相连通，所述注浆管的内腔底面设置为斜坡，所述下喷浆口的内部沿着出口端方向依次转动安装有搅拌桨一和搅拌桨二，所述搅拌桨一和搅拌桨二上的叶片存在30度的夹角。

本发明的进一步技术改进在于：所述注气管的底部外表面安装有与喷气口相通的连通管。

本发明的进一步技术改进在于：所述每个钻杆的外表面并位于下喷浆口和喷气口之间均设置有用于对水泥浆搅拌的喷浆叶片，且钻杆的外表面位于喷气口的上方安装有差速叶片，所述钻杆的外表面位于上喷浆口的上方和下方均设置有不同角度的搅拌叶片，所述相邻两个钻杆上的搅拌叶片不干涉接触。

本发明的进一步技术改进在于：所述差速叶片包括两个用于防护的外弧块和用于安装的内弧块，所述内弧块设置在外弧块的内侧并与钻杆的外表面贴合，所述外弧块和内弧块之间设置有多个叶片板，且在外弧块的外部设置若干个用于将土体切断的锯块，所述其中一个外弧块的端部设有凹腔，另一个外弧块的端部设置有进入到凹腔内部的螺柱，所述凹腔的内壁面上转动安装有与螺柱螺纹套接的拧动套，且凹腔的端部滑动卡接有密封板。

本发明还提供了一种上下切换式喷浆搅拌桩施工设备的施工方法，该施工方法具体包括以下步骤：

步骤一、钻机正转下沉同时四个钻杆转动，并开启下喷浆口，通过喷气口和下喷浆口实现边喷气边喷浆，通过搅拌叶片将水泥同土体均匀搅拌；

步骤二、喷浆过程中，水泥浆顺着斜坡到达搅拌桨一和搅拌桨二并从下喷浆口喷出，形成上抛的抛物线，使得水泥浆能够有效喷射至死角区域；

步骤三、在桩底标高以上的高度范围内复喷复搅拌次，形成W底；

步骤四、反转提升时，关闭下喷浆口并开启上喷浆口，边喷气边搅拌。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1、四根钻杆的内部均有三个独立的通道，每根钻杆又能够同时喷射水泥浆液和压缩空气，通过压缩空气，空气的介入能够有效增大浆液喷射范围，提高均匀性，减小了搅拌阻力，增加了搅拌桩的早期强度，利用下沉的下喷浆口以及提升的上喷浆口的结构设计，下沉时，在桩底标高以上的高度范围内复喷复搅拌1次，形成W底，提高功效；提升时，钻杆反转提升，关闭下喷浆口并开启上喷浆口，边喷气边搅拌，由上喷浆口喷射水泥浆，通过底部钻杆的转动，增加水泥浆与土体的搅拌混合时间，保证全过程土体和水泥浆液充分搅拌，提升桩身强度；

2、环形通道内的水泥浆以及中通管内的高压气体分别顺利进入至储液腔和注气管中，实现喷气和喷浆的实时进行，避免喷气时发生喷浆的运动干涉，储液腔的内壁面与注气管的外壁面之间安装有多个加固杆，加固杆的截面设置为正三角形，增加了储液腔、注气管以及钻杆连接的稳定性，通过同一个供料硬管实现水泥浆和高压气体的注入，避免多个注入管道的使用；

3、水泥浆通过斜坡到达下喷浆口内，首先由搅拌桨一对输送来的水泥浆推送至搅拌桨二的一侧，由搅拌桨二进一步对水泥浆甩出，形成上抛的抛物线，使得水泥浆能够有效喷射至死角区域，在这个过程中，水泥浆在下喷浆口内残余少且不会发生堵塞现象；

4、通过两个外弧块一方面有利于对上述轴流起到汇聚作用，防止轴流沿水平方向散开；另一方面，又可防止叶片板接触大体积块状物，以对叶片板起到保护作用；同时，利用外弧块外侧的锯块起到破碎作用，防止外弧块附近出现大体积块状物，减少黏土在钻杆表面的附着力，减小搅拌时的阻力；

5、两个内弧块与钻杆的外表面与两个外弧块的安装方式相同，首先将两个内弧块安装在钻杆的外表面，螺柱的端部与拧动套的端部抵接，之后拨动拧动套转动并与螺柱螺纹套接，带动着螺柱向着凹腔内部靠近，将两个外弧块的端部相贴合靠紧，实现差速叶片的安装，通过将密封板滑动卡接到凹腔的端部上，对凹腔密封，避免水泥浆渗透其中，保证拧动套的使用环境，避免由于采用螺栓安装导致不易拆除的现象。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的平面结构示意图；

图2为本发明的结构连接示意图；

图3为本发明差速叶片的结构示意图；

图4为本发明图3中A处的局部放大图；

图5为本发明钻杆的结构剖视图；

图6为本发明图5中C处的局部放大图；

图7为本发明注气管与钻杆的结构连接示意图。

图中：1、桩架；2、钻杆；3、上喷浆口；4、搅拌叶片；5、差速叶片；6、下喷浆口；7、喷气口；8、喷浆叶片；9、外弧块；10、叶片板；11、内弧块；12、凹腔；13、拧动套；14、螺柱；15、密封板；16、锯块；23、注浆管；24、注气管；25、连通管；26、斜坡；27、搅拌桨一；28、搅拌桨二；29、供料硬管；30、环形通道；31、安装口；33、加固杆；34、储液腔。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

请参阅图1-图7所示，本发明提供了一种上下切换式喷浆搅拌桩施工设备，包括桩架1，桩架1上滑动安装有转动的钻杆2，钻杆2设置有四个，且相邻两个钻杆2的转动方向相反，中部两个钻杆2的长度均大于侧边两个钻杆2的长度，每个钻杆2的内部均安装有两个注浆管23以及注气管24，钻杆2的底部表面上设置有用于下沉喷浆并与其中一个注浆管23相通的下喷浆口6，且钻杆2的外表面上设置有用于提升喷浆并与另一个注浆管23相通的上喷浆口3，钻杆2的顶面上设置有用于提供水泥浆以及高压气体的供料硬管29，且钻杆2的外表面并位于下喷浆口6的上方设置有用于喷气的喷气口7，供料硬管29内的中通管与注气管24转动连接，且中通管与供料硬管29之间形成用于输送水泥浆的环形通道30，供料硬管29安装在带动钻杆2上下移动的钻机上，中通管与空压机通过输气管连通，钻机在桩架1上竖直滑动，当钻机到达搅拌桩的施工位置时，正转下沉，开启下喷浆口6，边喷气边喷水泥浆，通过搅拌叶片4将水泥同土体均匀搅拌，四根钻杆2的内部均有三个独立的通道，每根钻杆2又能够同时喷射水泥浆液和压缩空气，通过压缩空气，空气的介入能够有效增大浆液喷射范围，提高均匀性，减小了搅拌阻力，有助于在较硬土层及砂土中施工，加速水泥土凝结、硬化和碳酸化，增加了搅拌桩的早期强度，之后在桩底标高以上的高度范围内复喷复搅拌1次，形成W底，提高功效，之后钻杆2反转提升时，关闭下喷浆口6并开启上喷浆口3，边喷气边搅拌，保证全过程土体和水泥浆液充分搅拌、桩身强度分布均匀，与三轴搅拌桩相比，水泥用量可减少约25％，置换土体积减少约30-40％。

请参阅图1和图7所示，钻杆2的顶面中部固定设置有安装口31，安装口31的顶面与设置在钻机上的供料硬管29转动安装，当钻杆2转动时，注气管24与中通管转动连接，而安装口31又与供料硬管29转动，环形通道30内的水泥浆以及中通管内的高压气体分别顺利进入至储液腔34和注气管24中，实现喷气和喷浆的实时进行，高压气体的进气和水泥浆的进浆为本领域的成熟技术手段，通过自动制浆系统进行水泥浆的制备和储存，并可根据需求调节水泥浆的参数，通过同一个供料硬管29实现水泥浆和高压气体的注入，避免多个注入管道的使用。

请参阅图7所示，钻杆2的内腔顶面设置有与环形通道30相通的储液腔34，储液腔34的内壁面与注气管24的外壁面之间安装有多个加固杆33，加固杆33的截面设置为正三角形，增加了储液腔34、注气管24以及钻杆2连接的稳定性，储液腔34底部的两个出料端通过电磁阀并分别与两个注浆管23的进料端相连通，通过两个电磁阀分别控制流经两个注浆管23内的水泥浆，进而控制下喷浆口6和上喷浆口3的打开或关闭，适应钻杆2下沉或提升时喷浆的施工需求，保证全过程土体和水泥浆液充分搅拌、桩身强度分布均匀。

请参阅图5和图6所示，下喷浆口6倾斜设置并与注浆管23相连通，注浆管23的内腔底面设置为斜坡26，下喷浆口6的内部沿着出口端方向依次转动安装有搅拌桨一27和搅拌桨二28，搅拌桨一27和搅拌桨二28上的叶片存在30度的夹角(即搅拌桨二28转动30度时完全与搅拌桨一27的叶片重合)，水泥浆通过斜坡26到达下喷浆口6内，首先由搅拌桨一27对输送来的水泥浆推送至搅拌桨二28的一侧，由搅拌桨二28进一步对水泥浆甩出，形成上抛的抛物线，使得水泥浆能够有效喷射至死角区域，在这个过程中，水泥浆在下喷浆口6内残余少且不会发生堵塞现象。

请参阅图5所示，注气管24的底部外表面安装有与喷气口7相通的连通管25，空压机将气体压缩提高气体压力并输送到注气管24内经由连通管25的连通由喷气口7排出，提高搅拌桩的使用效率和加固效果。

请参阅图2所示，每个钻杆2的外表面并位于下喷浆口6和喷气口7之间均设置有用于对水泥浆搅拌的喷浆叶片8，且钻杆2的外表面位于喷气口7的上方安装有差速叶片5，钻杆2的外表面位于上喷浆口3的上方和下方均设置有不同角度的搅拌叶片4，相邻两个钻杆2上的搅拌叶片4不干涉接触，通过搅拌叶片4将水泥同土体均匀搅拌，形成水泥土桩。

请参阅图3和图4所示，差速叶片5包括两个外弧块9和内弧块11，内弧块11设置在外弧块9的内侧并与钻杆2的外表面贴合，外弧块9和内弧块11之间固定设置有多个叶片板10，通过外弧块9的设置，对每个叶片板10的端部防护，并且在外弧块9的外部设置若干个用于将土体切断的锯块16，在钻杆2的转动过程中，叶片板10也会转动，从而产生向下的轴流，通过该轴流对钻杆2的下端外表面进行冲刷，防止黏土黏附在钻杆2外表面；另外两个外弧块9一方面有利于对上述轴流起到汇聚作用，防止轴流沿水平方向散开；另一方面，又可防止叶片板10接触大体积块状物，以对叶片板10起到保护作用；同时，利用外弧块9外侧的锯块16起到破碎作用，防止外弧块9附近出现大体积块状物，进一步减少大体积块状物接触叶片板10的风险，减小搅拌时的阻力，其中一个外弧块9的端部设有凹腔12，另一个外弧块9的端部设置有进入到凹腔12内部的螺柱14，凹腔12的内壁面上转动安装有与螺柱14螺纹套接的拧动套13，且凹腔12的端部滑动卡接有密封板15，两个内弧块11与钻杆2的外表面与两个外弧块9的安装方式相同，首先将两个内弧块11安装在钻杆2的外表面，此时，两个外弧块9的端部贴合对准，螺柱14的端部与拧动套13的端部抵接，通过拨动拧动套13转动并与螺柱14螺纹套接，带动着螺柱14向着凹腔12内部靠近，将两个外弧块9的端部相贴合靠紧，实现两个外弧块9的安装，之后通过将密封板15滑动卡接到凹腔12的端部上，对凹腔12密封，避免水泥浆渗透其中，保证拧动套13的使用环境，多次重复使用拧动套13。之所以采用上述这种安装方式，是由于现有技术中采用螺栓安装的方式，而其应用于水泥混凝土的领域，水泥浆残会留在螺栓的表面，并且经过一段时间后出现凝固，不易拆除螺栓更换差速叶片5，造成了施工上的困扰。

本发明还提供了一种上下切换式喷浆搅拌桩施工设备的施工方法，该施工方法具体包括以下步骤：

步骤一、钻机正转下沉同时四个钻杆2转动，并开启下喷浆口6，通过喷气口7和下喷浆口6实现边喷气边喷浆，通过搅拌叶片4将水泥同土体均匀搅拌；

步骤二、喷浆过程中，水泥浆顺着斜坡26到达搅拌桨一27和搅拌桨二28并从下喷浆口6喷出，形成上抛的抛物线，使得水泥浆能够有效喷射至死角区域；

步骤三、在桩底标高以上的高度范围内复喷复搅拌1次，形成W底；

步骤四、反转提升时，关闭下喷浆口6并开启上喷浆口3，边喷气边搅拌。

本发明在使用时，请参阅图2、图5和图6所示，四根钻杆2的内部均有三个独立的通道，每根钻杆2又能够同时喷射水泥浆液和压缩空气，通过压缩空气，空气的介入能够有效增大浆液喷射范围，提高均匀性，减小了搅拌阻力，有助于在较硬土层及砂土中施工，加速水泥土凝结、硬化和碳酸化，增加了搅拌桩的早期强度，利用下沉的下喷浆口6以及提升的上喷浆口3的结构设计，下沉时，在桩底标高以上的高度范围内复喷复搅拌1次，形成W底，提高功效；提升时，钻杆2反转提升，关闭下喷浆口6并开启上喷浆口3，边喷气边搅拌，通过底部钻杆2的转动，增加水泥浆与土体的搅拌混合时间，保证全过程土体和水泥浆液充分搅拌，提升桩身强度；

请参阅图6和图7所示，环形通道30内的水泥浆以及中通管内的高压气体分别顺利进入至储液腔34和注气管24中，实现喷气和喷浆的实时进行，避免喷气时发生喷浆的运动干涉，储液腔34的内壁面与注气管24的外壁面之间安装有多个加固杆33，加固杆33的截面设置为正三角形，增加了储液腔34、注气管24以及钻杆2连接的稳定性，通过同一个供料硬管29实现水泥浆和高压气体的注入，避免多个注入管道的使用；

请参阅图6和图7所示，水泥浆通过斜坡26到达下喷浆口6内，首先由搅拌桨一27对输送来的水泥浆推送至搅拌桨二28的一侧，由搅拌桨二28进一步对水泥浆甩出，形成上抛的抛物线，使得水泥浆能够有效喷射至死角区域，在这个过程中，水泥浆在下喷浆口6内残余少且不会发生堵塞现象；

请参阅图2和图3所示，通过两个外弧块9一方面有利于对上述轴流起到汇聚作用，防止轴流沿水平方向散开；另一方面，又可防止叶片板10接触大体积块状物，以对叶片板10起到保护作用；同时，利用外弧块9外侧的锯块16起到破碎作用，防止外弧块9附近出现大体积块状物，减少黏土在钻杆2表面的附着力，减小搅拌阻力；

请参阅图4和图5所示，两个内弧块11与钻杆2的外表面与两个外弧块9的安装方式相同，首先将两个内弧块11安装在钻杆2的外表面，螺柱14的端部与拧动套13的端部抵接，之后拨动拧动套13转动并与螺柱14螺纹套接，带动着螺柱14向着凹腔12内部靠近，将两个外弧块9的端部相贴合靠紧，实现差速叶片5的安装，通过将密封板15滑动卡接到凹腔12的端部上，对凹腔12密封，避免水泥浆渗透其中，保证拧动套13的使用环境。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。