本发明属于深层软土地基处理技术领域，具体涉及一种全自动深层水泥搅拌机及其施工方法。
背景技术：
水泥搅拌桩是深层软基处理的一种有效形式，是一种将水泥作为固化剂的主剂，利用特制的深层搅拌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，使土体固结，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩，从而提高地基强度。利用水泥搅拌桩加固软土地基，至今已有40多年的历史。
水泥搅拌桩一般在现场场地清理后进行定位，水泥浆准备完毕后，启动搅拌机边旋转切土、边下沉喷浆，到达设计要求后开始提升喷浆。实践中，水泥搅拌机不断发展，已经有变截面、双向搅拌等新技术，提高了处理地基的性价比，并利用“四搅两喷”等工艺来提高成桩质量。深层搅拌法施工机械简单，施工速度快，造价较低，但由于目前搅拌机全人工操作，受工人责任心影响，质量离散性大，成桩均匀性差。如水泥搅拌桩普遍呈现桩体中间强度高，周边很差；由于钻头下沉/上升速度变化，而喷浆量不同时变化，导致水泥搅拌桩强度变化大，甚至中间局部有夹层，这些缺陷给工程质量带来隐患，导致软基地基后期沉降不可控。多个沿海深厚软土路基段采用水泥搅拌桩处理，虽然采用了双向搅拌技术，施工后发现在相同地质、相同处置方法的路段发生明显的不均匀沉降，究其原因是由于人工操作，难免有不同缺陷。虽然现在重视了质量控制，但都是事后监督，无法根本提高施工质量。
南京理工大学提出了对水泥搅拌桩远程信息监测及分析的装置与方法(专利号201510624308.8)，来完成施工过程的精确监控，及时生成项目现场的施工报告，并评估现场施工质量，该专利技术中仅涉及对施工质量进行远程监控，未涉及对施工方法的管理，无法提高施工质量。
南宁市市政工程集团有限公司提出了水泥土搅拌桩信息化施工方法(专利号201510423198.8)，在传统水泥搅拌桩的基础上，在到达设计深度后提升到地面，并根据电脑控制进行二次或三次下沉进行补浆，保证质量均匀。该方法较传统工艺有所提升，理论上可以弥补一定缺陷，但由于地质钻孔数量有限而软基持力层深度变化大，设计深度一般难以事先确定；由于不同深度土层地质不同，下沉和提升速度会变化，出浆量不能适应速度变化会造成搅拌桩强度不可靠；施工效率低下，需要多次下沉来达到总出浆量理论上平衡。
技术实现要素：
鉴于上述，本发明提供了一种全自动深层水泥搅拌机及其施工方法，能够有效提高搅拌桩成桩质量，避免各种施工缺陷，并大幅降低人工投入。
一种全自动深层水泥搅拌机，包括储浆桶、输浆管、桩架、钻头、电机、变速箱、流量控制器以及控制单元；其中：所述钻头设置于桩架内，所述桩架用于起垂直导向作用；钻头顶端设有中空的转叶，所述转叶上开有喷浆口；所述输浆管用于将储浆桶内的水泥浆导入至钻头的转叶中，进而通过喷浆口实现喷浆；所述电机受控制单元控制，用于带动钻头及其转叶转动；所述变速箱与电机转轴联接且受控制单元控制，用于实现电机的换档变速；所述流量控制器安装于输浆管上且受控制单元控制。
进一步地，所述输浆管上还安装有压力传感器，所述压力传感器与控制单元相连，便于控制单元对输浆管内的压力全程监控。
进一步地，所述控制单元连接有无线通讯模块，其用于将各种施工数据通过无线通讯的形式发送给后台服务器或接收来自后台服务器的相关控制指令，便于后台对搅拌机的控制和管理，实时监控，避免数据造假。
由于不同半径的喷浆口对应的面积不一样，进一步地，所述钻头转叶的喷浆口采用多点不等距布置，即外侧喷浆口间距小，内侧喷浆口间距大，尽可能保证喷浆口的作用面积相近，使得水泥搅拌桩成桩更均匀。
进一步地，所述变速箱根据不同工作档位的变速采用两排或多排行星齿轮机构以获得多个不同的传动比，实现平稳换档，工作档位的数量可根据需要设置，以4档为佳。
一种利用上述水泥搅拌机的施工方法，包括如下步骤：
(1)通过试桩确定水泥搅拌机的控制参数和施工用料的设计参数；
(2)准备工作完成后，将水泥搅拌机从空档切换至工作档位下沉并进行喷浆搅拌；
(3)当电机电流超过其最大工作电流，通过变速箱控制水泥搅拌机降档运行，直至降低至1档；
(4)使搅拌机保持1档下沉，当电机电流下降至最大工作电流时，按设计要求就地搅拌规定次数后使搅拌机维持1档上升，当电机电流不断下降至升档电流时，则通过变速箱控制水泥搅拌机升为2档，并通过流量控制器调整搅拌机的喷浆量，依此根据电机电流变化不断升档直至搅拌上升到地面；
(5)根据设计要求，根据步骤(2)至(4)反复执行多次搅拌。
进一步地，所述步骤(1)中的控制参数包括电机最大工作电流、升档电流、各工作档位对应的泥浆流量和最大压力，设计参数包括了水泥浆用量以及水灰比。
进一步地，所述步骤(2)中利用控制单元驱动电机使搅拌机按最高工作档位运行，并通过流量控制器控制搅拌机的喷浆量即输浆管内的泥浆流量；此时，搅拌机下沉速度较快，喷浆量较大。
进一步地，所述步骤(3)中当电机电流超过其最大工作电流，则由控制单元自动操控变速箱降档，并通过流量控制器调整搅拌机的喷浆量，依此不断降档直至降低至1档，喷浆量也同时降低到最少。
进一步地，在施工过程中利用控制单元通过压力传感器对输浆管内压力进行全程监控，若压力不够时，则采取增压；若压力偏大时，则采取减压，保证管道安全。
本发明在传统搅拌机基础上，增设了控制单元、自动变速箱、流量控制器、压力传感器，并接受智能控制单元指令工作；转叶喷浆口采用外侧越外越密的多点不等距布置。本发明搅拌机施工过程中，首先按高档位运行，并按设计水泥用量计算喷浆流量；当电机电流超过最大限值后控制单元通过变速箱自动换为低一档位运行，下沉速度减慢，并自动改变流量，按此换档，到最低的1档；若此时电机电流超过最大限值，说明达到搅拌桩机的施工极限，就地按设计要求搅拌后，开始上升，电机电流不断下降至升档电流时，控制单元通过变速箱升为2档，并通过流量控制器调整喷浆量，根据电流变化，可不断升档并搅拌到地面。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明极大地提高了工效，全自动水泥搅拌桩根据土层性质调整下沉和提升速度，提高了施工速度。
(2)本发明极大地降低了人工成本，通过全自动的水泥搅拌机，利用试桩确定的参数实现全自动施工，施工过程不需要人工参与，工人只需要负责设备定位后开机操作。
(3)本发明极大地提高了水泥搅拌桩的施工质量；根据全自动施工，可以保证不同下沉或提升速度变化时喷浆量和搅拌次数相同，保证处理到设计需要的深度，保证水泥搅拌桩不同平面位置喷浆量相同，从而保证水泥搅拌桩的质量，避免缺陷。
附图说明
图1为本发明全自动深层水泥搅拌机的结构示意图。
图2为本发明搅拌机钻头转叶的喷浆口示意图。
其中：1—储浆桶，2—输浆管，3—流量控制器，4—压力传感器，5—桩架，6—钻头，7—电机，8—变速箱，9—控制单元，10—无线通讯模块，11—转叶，12—喷浆口。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提出了一种能全自动控制水泥搅拌桩成型的搅拌机，能有效提高搅拌桩成桩质量，避免各种施工缺陷，并大幅降低人工投入，其所采取的主要措施为：在传统搅拌机基础上，增设了自动变速箱和流量传感器、压力传感器，并接受智能控制系统指令工作；转叶喷浆口采用外侧越外越密的多点不等距布置；全自动搅拌机工作时，首先按高档位运行，并按设计水泥用量计算喷浆流量；当电机电流超过最大限值后控制系统通过变速器自动换为低一档位运行，下沉速度减慢，并自动改变流量；按此换档，到最低的1档；若此时电机电流超过最大限值，说明达到搅拌桩机的施工极限，就地按设计要求搅拌后，开始上升；电机电流不断下降至升档电流时，控制系统通过变速箱升为2档，并通过流量传感器调整喷浆量，根据电流变化，可不断升档并搅拌到地面。
不同工作档位变速可利用两排或多排行星齿轮机构以获得多个不同传动比，实现平稳换档。行星齿轮的变速可通过电脑控制电机自动实现，工作档位数量可根据需要设置，以4档为佳。
由于不同半径的喷浆口对应的面积不一样，为了水泥搅拌桩成桩更均匀，喷浆口采用多点不等距布置；外侧的喷浆口间距小，内侧喷浆口间距大，布置的原则是喷浆口作用的面积相近。
控制系统通过压力传感器对管道压力全程监控，喷浆能力不够时，可要求增压；压力偏大时，要求减压，保证管道安全。此外，控制系统将施工和控制数据通过无线发射模块和后台服务器连接，实时监控，避免数据造假。
以上显示和描述了本发明的基本原理，由此可见本发明通过特殊的桩头即可应用于双向水泥搅拌桩和变截面搅拌桩，即增设了控制系统、自动变速箱和流量传感器、压力传感器，根据试桩确定的最佳参数通过控制系统智能控制搅拌机工作挡位和水泥浆流量，从而提高成桩质量、减少人工。
如图1所示，本实例全自动深层水泥搅拌机包括储浆桶1、输浆管2、流量控制器3、压力传感器4、桩架5、钻头6、电机7、变速箱8、控制单元9、无线通讯模块10；其中，桩架5、钻头6和电机7、变速箱8是搅拌机的主体结构，用于实现深层搅拌水泥土的基本功能。储浆桶1和输浆管2用于给搅拌机提供可靠的水泥浆，在输浆管2合适位置设置流量控制器3和压力传感器4，并和电机7和变速箱8一起和控制单元9连接，接受控制单元9的指令工作。各种施工数据和指令可通过无线通讯模块10给后台服务器。
如图2所示，钻头6顶端设有中空的转叶11，转叶11上开有喷浆口12，输浆管2将储浆桶1内的水泥浆导入至钻头6的转叶11中，进而通过喷浆口12实现喷浆；由于不同半径的喷浆口12对应的面积不一样，为了水泥搅拌桩成桩更均匀，喷浆口12采用多点不等距布置，即外侧的喷浆口12间距小，内侧喷浆口12间距，布置的原则是喷浆口12的作用面积相近。
本实例全自动深层水泥搅拌机的具体施工步骤如下：
(1)大范围开工前，先通过一定量试桩确定水泥浆用量、水灰比等设计参数和电机最大电流、升档电流、不同档位流量和最大压力等自动控制参数。搅拌机的功率应能保证设计深度搅拌土层的要求，最大应力应能保证在最大深度能可靠出浆；水泥浆用量和水灰比应通过试件和试桩证明可满足设计强度要求；确定合理的不同档位对应下沉/提升速度、转叶的旋转速度和对应出浆流量，保证搅拌桩整体质量均匀；制浆机转速宜高于1000r/min，且制浆、储浆能力应满足搅拌桩连续施工要求；电机最大电流可保证电机安全工作；确定施工参数后，可将施工参数输入控制系统用于自动化施工控制参数。
(2)施工前，应先将工作面找平，按照设计桩位平面图放出实地桩位，标注记号，并报监理确认。水泥搅拌桩机就位，钻机调平后将钻头对准桩位。准备工作完备，在转叶出浆口水泥浆满足要求后，将搅拌机从空档换至工作档开始搅拌。搅拌机先按最高档位运行，并通过流量控制器3按照预设参数控制喷浆量；此时，下沉速度较快，喷浆量较大，当电机7电流超过设定最大限值后控制单元9自动操作变速箱8降档，并通过流量控制器3按照预定要求减少喷浆量。
(3)搅拌机根据电机7电流不断降档直至到最低的1档，流量控制器3控制喷浆量也最少；若此时电机7电流超过最大限值，说明达到搅拌桩机的施工能力极限，就地按设计要求搅拌规定次数后，开始维持1档上升。
(4)当电机7电机电流不断下降至升档电流时，控制单元9通过变速箱8升为2档，并通过流量控制器3调整喷浆量；根据电流变化，可不断升档并搅拌到地面，达到提高工效的目的。
(5)根据设计要求，反复采用(2)～(4)步骤可形成多次搅拌，提高搅拌桩的成桩质量和均匀性。
(6)控制单元9对压力传感器4全程监控，喷浆能力不够时，可要求增压；压力偏大时，要求减压，保证管道安全。
(7)控制单元9可全过程根据试桩确定的参数进行自动控制，并将施工和控制数据通过无线通讯模块10和后台服务器连接，实时监控，避免数据造假。控制系统可用触摸屏显示，利用触摸屏按键操作。
(8)若遇到不正常地质条件，如土层中含有大块石头，导致搅拌桩速度和出浆量不正常，又如和搅拌桩深度和预期差距较大，系统可自动提醒，提交施工和监理做特殊处理。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。