土体微扰动深层搅拌装置及搅拌桩施工方法

摘要

本发明公开了一种土体微扰动深层搅拌装置及搅拌桩施工方法，包括施工机械，还包括能够分别连接施工机械的钢套筒和微扰动深层搅拌钻头，微扰动深层搅拌钻头设置在钢套筒内部，钢套筒外侧设有能够和外部固定装置配合固定的外接固定件，钢套筒的上端可拆卸设有连接施工机械的连接部件。本发明的好处是可节省常用钢套筒施工机械的进场与施工扰动，同时采用一机两用的方式可节省施工成本，提高施工效率；防止混合浆液产生泥球与冒浆，提高搅拌效果增强土体加固能力。

说明书

技术领域

本申请涉土体微扰动深层施工技术领域，尤其涉及一种土体微扰动深层搅拌装置及搅拌桩施工方法。

背景技术

城市土地资源的稀缺性导致城市发展并不能无限制扩大，如何高效利用城市空间满足人们日常生活工作与学习成为建设行业亟待解决的问题。在城市空间内既有建筑物邻近进行建筑物及构筑物的增建成为目前城市空间扩容的重要方式之一。但是，城市密集的既有建筑物对基坑变形有着严格的要求：坑外土体深层侧向变形满足一级保护等级，邻近建（构）筑物裂缝（如有）、基坑外侧地表裂缝（如有）满足一、二、三级保护等级；而地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm；由于打桩振动、爆炸产生的振动对隧道引起的峰值速度≤2.5cm/s等。以上各种控制变形要求限制新建基坑的面积，使得最后建（构）筑物实际使用面积缩减不能满足城市空间扩容的要求。深层搅拌桩在基坑开挖的桩侧软土加固过程中，因其能增加基坑外被动土压力强度、减少地基侧向挤出和减小对周围原有建筑的影响而进入地基处理领域，同时也可作为地下防渗墙，阻止地下水渗流进入基坑底部等优点。建筑行业结合实际工程发展出一系列改进措施，例如单轴搅拌桩、双轴搅拌桩、三轴搅拌桩和双向单轴搅拌桩，可以参看专利申请号2014203392490公开的实用新型专利，并在单轴搅拌桩机的基础上发展出一种新型的自然排浆深层搅拌桩也就是IMS工法。

常规的深层搅拌桩施工工艺流程为：施工机械就位→钻孔下钻至指定位置→钻头提升喷射浆液与土体进行搅拌→提升至地面重复下钻搅拌→钻头提升后完成施工，此种施工工艺在施工过程中由于叶片剪切和周围土体结构性破坏，土体较为容易发生扰动进而影响邻近既有建筑物的变形控制，甚至造成建筑物无法继续完成使用，给后期的建筑物维护维修带来困难。工程实践证明，上述几种深层搅拌桩并不能有效地减少对周围土体的扰动：以IMS工法为例，在杭州某工地实际测得施工过程中的深层土体位移顶部最大值为45mm，底部最大值为5mm，待施工结束测得深层土体位移在±3mm范围内。考虑到桩体施工过程扰动影响最大，故分析得到这几种方式并不符合微扰动施工要求。因此设计一种用于既有建筑邻近空间进行地基处理的微扰动深层搅拌装置及施工方法。

发明内容

基于现有技术中的上述不足，本发明提供了一种微扰动深层搅拌装置及搅拌桩施工方法，基于IMS工法桩施工机械，可节省常用钢套筒施工机械的进场与施工扰动，同时采用一机两用的方式可节省施工成本，提高施工效率。

本发明的另一个发明目的是防止混合浆液产生泥球与冒浆，提高搅拌效果增强土体加固能力。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

一种土体微扰动深层搅拌装置，包括施工机械，其特征是，还包括能够分别连接施工机械的钢套筒和微扰动深层搅拌钻头，微扰动深层搅拌钻头设置在钢套筒内部，钢套筒外侧设有能够和外部固定装置配合固定的外接固定件，钢套筒的上端可拆卸设有连接施工机械的连接部件。

钢套筒和微扰动深层搅拌钻头均能独立连接施工机械，钢套筒上端的连接部件可拆卸设置，施工时，先通过施工机械将钢套筒旋压到位，之后通过外接固定件固定钢套筒，再通过连接部件，完成钢套筒和施工机械的分离，然后微扰动深层搅拌钻头连接施工机械施工，在钢套筒内及其下方的土体搅拌，最后完成桩体浇筑，由于钢套筒的设置，因此施工过程中钻头对周围土体的结构性破坏小，尤其是深层土体位移值更小，减小桩体施工时受到的扰动影响，提高桩体的成型质量；防止由于扰动的存在而影响邻近既有建筑物的变形控制。

作为优选，微扰动深层搅拌钻头包括钻杆，钻杆上端设有配合施工机械的连接组件，钻杆上设有若干组叶片组，叶片组外设有保护钢壳；钻杆下端设有尖头和喷浆口。多组叶片组协同作用，搅拌作用可靠；钻杆尖头处实现穿刺，喷浆口喷出浆液完成搅拌桩的搅拌成型；保护钢壳能够保护叶片组外端，提高叶片组的使用寿命；喷浆口设置在钻杆底部在保护钢壳范围内有效地减缓喷浆压力对周围土体的扰动，实现微扰动施工的效果。

作为优选，保护钢壳的下端设有切削锯齿。切削锯齿的设置使得保护钢壳也具有搅拌切削作用，共同参与土体的切削，能够方便微扰动深层搅拌钻头整体随钻杆向下。

作为优选，叶片组包括第一叶片组、第二叶片组、第三叶片组和第四叶片组，第一叶片组包括若干根绕钻杆轴线圆周阵列设置的第一叶片单元，第二叶片组包括若干根绕钻杆轴线圆周阵列设置的第二叶片单元，第四叶片组包括若干根绕钻杆轴线圆周阵列设置的第四叶片单元，第一叶片单元、第二叶片单元和第四叶片单元均与钻杆轴线倾斜设置，第一叶片单元和第四叶片单元对应平行布置，第二叶片单元和第一叶片单元之间存在夹角。

同一叶片组内的叶片单元倾斜设置，第二叶片单元和第一叶片单元、第四叶片单元也存在一定的夹角，能够提高切削土体的能力。

作为优选，连接部件包括第一插销和设置在第一插销上的锁定插孔，第一插销下端设有旋转平台和旋压盘，旋压盘的下侧设有和钢套筒上端配合的咬合锯齿。采用插销连接方式，加以销子进行二次固定连接，这样可以实现更换方便，便于拆卸，安装。

作为优选，连接组件包括设置在钻杆上端的第二插销，第二插销上设有固定插孔。和连接部件采用可替换的插销连接方式，提高施工机械配合钢套筒和微扰动深层搅拌钻头的安装便捷性，并且能增加钻杆长度以适用不同深度的搅拌加固要求。

作为优选，外接固定件在钢套筒外侧设有对称设置的若干个。提高钢套筒的固定稳定性。

作为优选，第三叶片组包括套环和设置在套环外的第三叶片单元，套环和钻杆活动设置，套环的上下两端分别设有弹性波浪条，弹性波浪条的外端设有连接环；第一叶片组、第二叶片组和第四叶片组均固定连接保护钢壳，第三叶片组和保护钢壳分离设置。第三叶片组为自由叶片，不随钻杆的转动而转动，而是随着土体搅拌被动转动，不仅能够起到径向扰流的效果，还能起到轴向搅拌的作用，能够防止混合浆液产生泥球与冒浆，提高搅拌效果增强土体加固能力。

作为优选，套环的形状为弧面形，套环的两端和钻杆滑动配合，套环端部和弹性波浪条圆滑过渡，套环的两端分别设有若干根弹性波浪条，若干根弹性波浪条绕套环轴线圆周阵列设置，套环的端部外侧设有加强环；套环内部和钻杆侧面间隙设置。套环两端配合弹性波浪条的圆滑过渡能够起到两端的弧形贴合效果，由于套环的形状为弧面形，套环受到土体轴向力的反馈较为明显，而在搅拌过程中，并不能保证土体在钢套筒径向上的流速相等，因此土体对于第三叶片组的反馈力可能是不均匀的，再加上土体中存在的泥球和冒浆，第三叶片组受到的轴向力会对第三叶片组的产生扭转作用，通过弧面设置的套环配合弹性波浪条，能够抵消这种轴向扭力对第三叶片组的刚性扭转，从而提高第三叶片组的使用寿命，在受到泥球和冒浆作用时，套环和钻杆的同步性变高，第三叶片组的弹性变形还会在弹力作用小复位，从而能够对泥球和冒浆具有非常高的切削搅拌作用；在第三叶片组上下滑动到极限时还会在弹性波浪条的弹力作用下复位，具有可靠的轴向搅拌作用，能够大幅提高搅拌效率。

一种基于上述土体微扰动深层搅拌装置的搅拌桩施工方法，其特征是，包括以下步骤：

A、对施工区域进行地面硬化处理；

B、钻孔中心定位；

C、施工机械和钢套筒连接，钢套管旋压入土体中；

D、钢套筒到达指定位置时通过外部固定件连接外部固定装置，完成钢套筒的固定；

E、施工机械和连接部件分离，连接部件和钢套筒分离，钻杆通过连接组件连接到施工机械上，进行深层搅拌桩施工作业；

F、循环上述步骤A到E，直至整个施工完成。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明基于IMS工法桩施工机械，利用本申请可节省常用钢套筒施工机械的进场与施工扰动，同时采用一机两用的方式可节省施工成本，提高施工效率；

2.本发明在钻头外增加保护钢壳且底部带有切削锯齿，共同参与土体的切削，同时叶片有一定的倾角，叶片之间存在一定的角度，提高切削土体的能力，并且喷浆口设置在钻杆底部在保护钢壳范围内有效地减缓喷浆压力对周围土体的扰动，实现微扰动施工的效果；

3.本发明采用插销连接方式，加以销子进行二次固定连接，这样可以实现更换方便，便于拆卸，安装，并且能增加钻杆长度以适用不同深度的搅拌加固要求；

4.本发明增加第三叶片组作为自由叶片，以防止混合浆液产生泥球与冒浆，提高搅拌效果增强土体加固能力；

5.本发明结构简单，操作方便，有效地提高工作效率。

附图说明

图1 为本发明的深层搅拌桩微扰动施工工艺流程图；

图2 为本发明的钢套筒施工示意图；

图3 为本发明的深层搅拌桩施工示意图；

图4 为本发明的深层搅拌桩完成的结构示意图；

图5 为本发明的微扰动深层搅拌钻头结构示意图；

图6 为本发明的连接部件结构示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是本发明中第三叶片组在钻杆上的半剖结构示意图。

图中：施工机械1、钢套筒2、既有建筑影响区3、固定装置4、外接固定件5、微扰动深层搅拌钻头6、IMS工法桩成桩7、钻杆61、保护钢壳62、第一叶片组63、第二叶片组64、第三叶片组65、第四叶片组66、喷浆口67、尖头68、切削锯齿69、第一插销70、锁定插孔71、第二插销72、固定插孔73、旋转平台74、旋压盘75、咬合锯齿76、套环77、弹性波浪条78、连接环79、加强环80。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的阐述。

实施例1，

如图2到图8所示，一种土体微扰动深层搅拌装置，用于深层搅拌桩的施工，土体微扰动深层搅拌装置包括施工机械1，还包括能够分别连接施工机械1的钢套筒2和微扰动深层搅拌钻头6，钢套筒2总体长度不大于深层搅拌桩桩长的20%且不少于1.5m。施工机械1采用IMS工法桩施工机械1，且在其上进行适于钢套筒2旋压的施工操作改造设计。微扰动深层搅拌钻头6在钢套筒2所在的圆柱体内部，钢套筒2外侧设有能够和外部固定装置4配合固定的外接固定件5，外接固定件5在钢套筒2外侧设有对称设置的两个。外接固定件5从钢套筒2上端的外侧面向外凸出设置。钢套筒2的上端可拆卸设有连接施工机械1的连接部件。连接部件包括第一插销70和设置在第一插销70上的锁定插孔71，第一插销70下端设有旋转平台74和旋压盘75，旋压盘75的下侧设有和钢套筒2上端配合的咬合锯齿76。第一插销70为六角插销，锁定插孔71位于第一插销70的侧面。咬合锯齿76的形状为弧面的等腰梯形，钢套筒2上端设有齿形和咬合锯齿76对应，咬合锯齿76啮合后能够实现连接部件和钢套筒2的径向同步，施工机械1下压时能够带动钢套筒2同步下压，而在施工机械1向上时，连接部件和钢套筒2能够轻易分离。

微扰动深层搅拌钻头6包括钻杆61，钻杆61上端设有配合施工机械1的连接组件，连接组件包括设置在钻杆61上端的第二插销72，第二插销72上设有固定插孔73。钻杆61上设有若干组叶片组，叶片组外设有保护钢壳62；钻杆61下端设有尖头68和喷浆口67。尖头68伸出到保护钢壳62下端的外侧，喷浆口67对应在保护钢壳62下端的内部。保护钢壳62的形状为圆环形；保护钢壳62的下端面设有切削锯齿69。叶片组包括第一叶片组63、第二叶片组64、第三叶片组65和第四叶片组66，第一叶片组63包括四根绕钻杆61轴线圆周阵列设置的第一叶片单元，第二叶片组64包括四根绕钻杆61轴线圆周阵列设置的第二叶片单元，第四叶片组66包括四根绕钻杆61轴线圆周阵列设置的第四叶片单元，第一叶片单元、第二叶片单元和第四叶片单元均与钻杆61轴线倾斜设置，第一叶片单元和第四叶片单元对应平行布置，第一叶片单元和钻杆61的夹角为45度，第二叶片单元和钻杆61的夹角为45度，第四叶片单元和钻杆61的夹角为45度，第二叶片单元和第一叶片单元之间存在夹角。第二叶片单元和第一叶片单元之间存在绕钻杆61转动45度的夹角，第一叶片组63分别固定连接钻杆61和保护钢壳62，第二叶片组64分别固定连接钻杆61和保护钢壳62，第四叶片组66分别固定连接钻杆61和保护钢壳62。第一叶片单元、第二叶片单元、第三叶片单元和第四叶片单元的下侧均设有切削锯齿69。第三叶片组65包括套环77和设置在套环77外的第三叶片单元，套环77和钻杆61活动设置，套环77的上下两端分别设有弹性波浪条78，弹性波浪条78的外端设有连接环79；第一叶片组63、第二叶片组64和第四叶片组66均固定连接保护钢壳62，第三叶片组65和保护钢壳62分离设置。套环77的形状为弧面形，套环77的两端和钻杆61滑动配合，套环77端部和弹性波浪条78圆滑过渡，套环77的两端分别设有若干根弹性波浪条78，若干根弹性波浪条78绕套环77轴线圆周阵列设置，套环77的端部外侧设有加强环80；套环77内部和钻杆61侧面间隙设置。

钢套筒2和微扰动深层搅拌钻头6均能独立连接施工机械1，钢套筒2上端的连接部件可拆卸设置，施工时，先通过施工机械1将钢套筒2旋压到位，之后通过外接固定件5固定钢套筒2，再通过连接部件，完成钢套筒2和施工机械1的分离，然后微扰动深层搅拌钻头6连接施工机械1施工，在钢套筒2内及其下方的土体搅拌，最后完成桩体浇筑，由于钢套筒2的设置，因此施工过程中钻头对周围土体的结构性破坏小，尤其是深层土体位移值更小，减小桩体施工时受到的扰动影响，提高桩体的成型质量；防止由于扰动的存在而影响邻近既有建筑物的变形控制。第三叶片组65为自由叶片，不随钻杆61的转动而转动，而是随着土体搅拌被动转动，不仅能够起到径向扰流的效果，还能起到轴向搅拌的作用，能够防止混合浆液产生泥球与冒浆，提高搅拌效果增强土体加固能力。套环77两端配合弹性波浪条78的圆滑过渡能够起到两端的弧形贴合效果，由于套环77的形状为弧面形，套环77受到土体轴向力的反馈较为明显，而在搅拌过程中，并不能保证土体在钢套筒2径向上的流速相等，因此土体对于第三叶片组65的反馈力可能是不均匀的，再加上土体中存在的泥球和冒浆，第三叶片组65受到的轴向力会对第三叶片组65的产生扭转作用，通过弧面设置的套环77配合弹性波浪条78，能够抵消这种轴向扭力对第三叶片组65的刚性扭转，从而提高第三叶片组65的使用寿命，在受到泥球和冒浆作用时，套环77和钻杆61的同步性变高，第三叶片组65的弹性变形还会在弹力作用下复位，从而能够对泥球和冒浆具有非常高的切削搅拌作用；在第三叶片组65上下滑动到极限时还会在弹性波浪条78的弹力作用下复位，具有可靠的轴向搅拌作用，能够大幅提高搅拌效率。

实施例2，

一种基于上述权利要求任一项所述的土体微扰动深层搅拌装置的搅拌桩施工方法，流程步骤如图1所示，包括以下步骤：

A、对施工区域进行地面硬化处理；施工现场所需钻孔地面进行水泥硬化处理；

B、钻孔中心定位；

C、施工机械1和钢套筒2连接，钢套管旋压入土体中；钻孔定位处调整施工机械1并安装钢套筒2施工用具，如图2所示，施工机械1左边为既有建筑影响区3；

D、钢套筒2到达指定位置时通过外部固定件连接外部固定装置4，完成钢套筒2的固定；

E、施工机械1和连接部件分离，连接部件和钢套筒2分离，钻杆61通过连接组件连接到施工机械1上，如图3所示；钻杆61从喷浆口67向外喷浆，进行深层搅拌桩施工作业，形成IMS工法桩成桩7，如图4所示；

F、循环上述步骤A到E，直至整个施工完成。