基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头的制作方法

本发明涉及桩基施工技术领域，具体涉及到基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头。

背景技术：

深层搅拌技术自二十世纪七十年代正式应用于工程实践，目前已被广泛应用于工业与民用建筑、地铁、公路、市政、水利、港口航道及海上设施等的建设中。水泥土深层搅拌桩是用于加固软土地基的一种方法，它利用水泥作为固化剂，通过特制的搅拌机械和输浆泵，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌混合，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和较高地基承载力的复合地基。

随着深层搅拌技术的广泛应用，搅拌桩的设计深度越来越深，导致钻机钻进时上覆荷载较大，同时下部叶片所受阻力较大，从而降低工程施工效率。常规搅拌钻头的喷浆口设置在钻杆上，在深层搅拌时由于压力较大，浆液很难达到搅拌桩边缘，导致成桩质量差。虽然采用喷口设置在搅拌叶片的底部方式进行改进，当搅拌轴提升回转时，在上搅叶片底部就会产生一定的空隙，则改良材料用压缩空气经搅拌轴从上搅拌叶片根部喷到该空隙中去。这种喷口设置方式在一定程度上解决了该问题。但由于叶片底部的空隙范围较小且土对空隙的填充速度较快，导致其发挥的作用有限。

因此，阻力过大成为了制约大直径深层搅拌桩发展的突出问题，如何降低深层搅拌时钻头所受的阻力，成为亟待解决的问题。基于此，本发明提出了基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头，克服了现有技术的不足。通过设置双动力头带动的双钻杆，五层搅拌叶片及支撑模块，不但降低了上覆土压力，而且将土体进行水平和纵向的全方位搅拌，成桩质量更好。

基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头，其特征在于：包括搅拌模块、钻杆模块、支撑模块；所述钻杆模块包括内部钻杆、外部钻杆和外部套管，内部钻杆和外部钻杆采用双动力头驱动，内部钻杆和外部钻杆的旋转方向相反；

所述搅拌模块包括钻头、主搅叶片、1号复搅叶片、2号复搅叶片、3号复搅叶片、4号复搅叶片；搅拌模块各结构自下而上的布置顺序分别为：钻头、主搅叶片、1号复搅叶片、2号复搅叶片、3号复搅叶片、4号复搅叶片；主搅叶片焊接在内部钻杆上，主搅叶片和2号复搅叶片的外边缘同时焊接在同一垂直连接杆体上，主搅叶片和2号复搅叶片长度相同，2号复搅叶片通过轴承与外部钻杆连接，使得主搅叶片通过垂直连接杆体带动2号复搅叶片旋转；1号复搅叶片焊接在外部钻杆上，其半径为主搅叶片半径的0.5-0.9倍；所述3号复搅叶片、4号复搅叶片均焊接在外部钻杆上，3号复搅叶片在水平方向上为弧形叶片，3号复搅叶片外边缘沿外部钻杆旋转方向形成弧形弯曲，4号复搅叶片外边缘的上下表面各设置一引流装置，引流装置为正三棱台形状，引流装置与4号复搅叶片通过焊接连接，搅拌叶片的旋转使得引流装置带动周边土体向钻杆轴心处移动；所述主搅叶片和钻头均设有钻齿；

所述外部钻杆自轴承上部起直至顶端在外部钻杆杆体上设置连续螺旋叶片，外部钻杆自4号复搅叶片上部起直至支撑模块上部10-200cm处设置套管，套管上端、下端均有2-4根水平连接杆件与外部钻杆连接，水平连接杆件与套管、外部钻杆均通过焊接形式连接；

所述支撑模块为下端口开放的圆柱壳体结构，支撑模块与外部套管之间通过焊接连接；所述支撑模块包括固定构件和限位构件，限位构件包括限位开关、旋转挡板和限位凸齿，限位开关采用液压方式驱动，通过限位开关可使旋转挡板绕着外部钻杆旋转，从而使支撑模块打开或闭合，当旋转挡板转动90度时，则使得限位凸齿与固定构件触碰，从而限制旋转挡板继续转动。

优选地，所述旋转挡板和固定构件均采用高强合金材料，厚度为5mm-50mm，屈服强度大于235MPa。

优选地，所述主搅叶片宽度为5-50cm，1号复搅叶片、2号复搅叶片、3号复搅叶片、4号复搅叶片宽度为主搅叶片宽度的0.1-0.5倍。

优选地，所述支撑模块位于复搅叶片上方，距离复搅叶片1-10m，支撑模块直径为主搅叶片直径的0.85-0.95倍，主搅叶片直径为0.5-3.0m。

优选地，所述支撑模块的旋转挡板在下钻过程中处于打开状态，当搅拌阻力显著增大时，支撑模块开始闭合，待钻杆向下移动5-10m后打开旋转挡板，打开旋转挡板后保持钻杆高度不变进行水平旋转1-5min后，支撑模块开始闭合，待钻杆向下移动5-10m后打开旋转挡板，按此方式进行循环作业，直至搅拌至设定深度后，提升钻杆至孔口完成搅拌施工过程。

本发明所带来的有益技术效果：

（1）通过内部钻杆和外部钻杆采用双动力头驱动，且内部钻杆和外部钻杆的旋转方向相反，带动主搅拌叶片和四层复搅叶片转动，极大限度的对土体进行搅拌，使土体与浆液混合更加均匀；（2）通过在4号复搅叶片边缘设置引流装置，以及将3号复搅叶片尾部设置成弯钩形状，有利于将土体进行横向搅拌；（3）通过设置支撑模块，在土体上覆压力过大时候，抽取下部土体，降低上覆土压力。

附图说明

图1为本发明基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头的结构示意图。

图2为本发明基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头的结构俯视图。

图3为本发明基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头中支撑模块的俯视图。

其中，1-内部钻杆；2-外部钻杆；3-外部套管；4-钻头；5-主搅叶片；6-1号复搅叶片；7-2号复搅叶片；8-3号复搅叶片；9-4号复搅叶片；10-垂直连接杆体；11-引流装置；12-钻齿；13-支撑模块；14-固定构件；15-限位开关；16-旋转挡板；17-限位凸齿。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

在杂填土场地进行模型桩搅拌试验，设定成桩深度为15m，采用水泥土搅拌法施工，设置A、B两组试验，每组设置3个试件，其中A组为实验组，选用本发明中介绍的搅拌钻头；B组为对照组，采用市场通用的搅拌钻头，具体技术如下：

如图1-3所示，基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头，其特征在于：包括搅拌模块、钻杆模块、支撑模块13；所述钻杆模块包括内部钻杆1、外部钻杆2和外部套管3，内部钻杆1和外部钻杆2采用双动力头驱动，内部钻杆1和外部钻杆2的旋转方向相反；

所述搅拌模块包括钻头4、主搅叶片5、1号复搅叶片6、2号复搅叶片7、3号复搅叶片8、4号复搅叶片9；搅拌模块各结构自下而上的布置顺序分别为：钻头4、主搅叶片5、1号复搅叶片6、2号复搅叶片7、3号复搅叶片8、4号复搅叶片9；主搅叶片5焊接在内部钻杆1上，主搅叶片5和2号复搅叶片7的外边缘同时焊接在同一垂直连接杆体10上，主搅叶片5和2号复搅叶片7长度相同，2号复搅叶片7通过轴承与外部钻杆2连接，使得主搅叶片5通过垂直连接杆体10带动2号复搅叶片7旋转；1号复搅叶片6焊接在外部钻杆2上，其半径为主搅叶片5半径的0.5-0.9倍；所述3号复搅叶片8、4号复搅叶片9均焊接在外部钻杆2上，3号复搅叶片8在水平方向上为弧形叶片，3号复搅叶片8外边缘沿外部钻杆2旋转方向形成弧形弯曲，4号复搅叶片9外边缘的上下表面各设置一引流装置11，引流装置11为正三棱台形状，引流装置11与4号复搅叶片9通过焊接连接，搅拌叶片的旋转使得引流装置11带动周边土体向钻杆轴心处移动；所述主搅叶片5和钻头4均设有钻齿12；

所述外部钻杆2自轴承上部起直至顶端在外部钻杆2杆体上设置连续螺旋叶片，外部钻杆2自4号复搅叶片9上部起直至支撑模块上部100cm处设置套管，套管上端、下端均有2根水平连接杆件与外部钻杆连接，水平连接杆件与套管、外部钻杆2均通过焊接形式连接；

所述支撑模块13为下端口开放的圆柱壳体结构，支撑模块13与外部套管2之间通过焊接连接；所述支撑模块13包括固定构件14和限位构件，限位构件包括限位开关15、旋转挡板16和限位凸齿17，限位开关15采用液压方式驱动，通过限位开关15可使旋转挡板16绕着外部钻杆2旋转，从而使支撑模块13打开或闭合，当旋转挡板16转动90度时，则使得限位凸齿1与固定构件14触碰，从而限制旋转挡板16继续转动。

优选地，所述旋转挡板16和固定构件14均采用高强合金材料，厚度为20mm，屈服强度为250MPa。

优选地，所述主搅叶片1宽度为30cm，1号复搅叶片6、2号复搅叶片7、3号复搅叶片8、4号复搅叶片9宽度为主搅叶片5宽度的0.3倍。

优选地，所述支撑模块13位于复搅叶片上方，距离复搅叶片2m，支撑模块13直径为主搅叶片5直径的0.8倍，主搅叶片5直径为1.5m。

优选地，所述支撑模块13的旋转挡板16在下钻过程中处于打开状态，当搅拌阻力显著增大时，支撑模块13开始闭合，待钻杆向下移动5m后打开旋转挡板16，打开旋转挡板16后保持钻杆高度不变进行水平旋转3min后，支撑模块13开始闭合，待钻杆向下移动5m后打开旋转挡板16，按此方式进行循环作业，直至搅拌至设定深度后，提升钻杆至孔口完成搅拌施工过程。

施工过程中A组试件的平均搅拌阻力是B组的30%，且A组的平均返浆量是B组的40%，充分体现了本发明的搅拌钻头的降阻作用。

实施例2：

在某施工场地进行试验，在试桩期间增设三根试验桩，多增设的试验桩采用本发明的搅拌钻头，设计规定成桩深度为20m，采用水泥土搅拌法施工，其中，场地的土层为：

具体过程如下：

如图1-3所示，基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头，其特征在于：包括搅拌模块、钻杆模块、支撑模块13；所述钻杆模块包括内部钻杆1、外部钻杆2和外部套管3，内部钻杆1和外部钻杆2采用双动力头驱动，内部钻杆1和外部钻杆2的旋转方向相反；

所述搅拌模块包括钻头4、主搅叶片5、1号复搅叶片6、2号复搅叶片7、3号复搅叶片8、4号复搅叶片9；搅拌模块各结构自下而上的布置顺序分别为：钻头4、主搅叶片5、1号复搅叶片6、2号复搅叶片7、3号复搅叶片8、4号复搅叶片9；主搅叶片5焊接在内部钻杆1上，主搅叶片5和2号复搅叶片7的外边缘同时焊接在同一垂直连接杆体10上，主搅叶片5和2号复搅叶片7长度相同，2号复搅叶片7通过轴承与外部钻杆2连接，使得主搅叶片5通过垂直连接杆体10带动2号复搅叶片7旋转；1号复搅叶片6焊接在外部钻杆2上，其半径为主搅叶片5半径的0.5-0.9倍；所述3号复搅叶片8、4号复搅叶片9均焊接在外部钻杆2上，3号复搅叶片8在水平方向上为弧形叶片，3号复搅叶片8外边缘沿外部钻杆2旋转方向形成弧形弯曲，4号复搅叶片9外边缘的上下表面各设置一引流装置11，引流装置11为正三棱台形状，引流装置11与4号复搅叶片9通过焊接连接，搅拌叶片的旋转使得引流装置11带动周边土体向钻杆轴心处移动；所述主搅叶片5和钻头4均设有钻齿12；

所述外部钻杆2自轴承上部起直至顶端在外部钻杆2杆体上设置连续螺旋叶片，外部钻杆2自4号复搅叶片9上部起直至支撑模块上部100cm处设置套管，套管上端、下端均有2根水平连接杆件与外部钻杆连接，水平连接杆件与套管、外部钻杆2均通过焊接形式连接；

所述支撑模块13为下端口开放的圆柱壳体结构，支撑模块13与外部套管2之间通过焊接连接；所述支撑模块13包括固定构件14和限位构件，限位构件包括限位开关15、旋转挡板16和限位凸齿17，限位开关15采用液压方式驱动，通过限位开关15可使旋转挡板16绕着外部钻杆2旋转，从而使支撑模块13打开或闭合，当旋转挡板16转动90度时，则使得限位凸齿1与固定构件14触碰，从而限制旋转挡板16继续转动。

优选地，所述旋转挡板16和固定构件14均采用高强合金材料，厚度为30mm，屈服强度为270MPa。

优选地，所述主搅叶片1宽度为30cm，1号复搅叶片6、2号复搅叶片7、3号复搅叶片8、4号复搅叶片9宽度为主搅叶片5宽度的0.4倍。

优选地，所述支撑模块13位于复搅叶片上方，距离复搅叶片2m，支撑模块13直径为主搅叶片5直径的0.9倍，主搅叶片5直径为2.5m。

优选地，所述支撑模块13的旋转挡板16在下钻过程中处于打开状态，当搅拌阻力显著增大时，支撑模块13开始闭合，待钻杆向下移动5m后打开旋转挡板16，打开旋转挡板16后保持钻杆高度不变进行水平旋转3min后，支撑模块13开始闭合，待钻杆向下移动5m后打开旋转挡板16，按此方式进行循环作业，直至搅拌至设定深度后，提升钻杆至孔口完成搅拌施工过程。

施工过程中A组试件的平均搅拌阻力是B组的35%，且A组的平均返浆量是B组的43%，充分体现了本发明的搅拌钻头的降阻作用。

本发明基于降阻方式实现深层搅拌的搅拌钻头，通过设置双动力头带动的双钻杆，五层搅拌叶片及支撑模块，不但降低了上覆土压力，而且将土体进行水平和纵向的全方位搅拌，成桩质量更好。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。