CN105714774A - 变径搅拌桩机及其成桩施工方法、钻杆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及搅拌桩技术领域，公开了一种变径搅拌桩机，包括：机座、塔架、搅拌头和升降机构，塔架固定在机座上；搅拌头通过升降机构吊装在塔架上；搅拌头包括钻杆、转动驱动机构和伸缩机构，钻杆包括外管和内管，内管空套在外管中；内管的前部设有喷浆口；转动驱动机构分别与外管及内管连接；伸缩机构驱动内管和外管相对移动；外管设有外管辐圈；内管的前部设有内管辐圈；内管前部还设有可滑动的过渡套，过渡套设有可相对转动的上辐圈和下辐圈；外管辐圈与上辐圈之间及内管辐圈与下辐圈之间均铰接安装至少一组搅拌叶组，每组搅拌叶组包括至少一个搅拌叶；搅拌叶包括相铰接的第一叶片和第二叶片。本发明还提供一种成桩施工方法和钻杆。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌桩技术领域，特别是涉及一种变径搅拌桩机及其成桩施工方法、钻杆。
背景技术
建筑基础工程中的软土地基处理是保证工程质量的关键环节，并在工程总价中占有较大比例。大量工程实践表明，水泥土搅拌桩法具有施工简单、快速、振动小等优点，能有效地提高软土地基的稳定性，减少和控制沉降量。水泥土搅拌桩现己发展成一种常用的软弱地基处理方法，主要适用于加固饱和软粘土地基。其具体是使用搅拌桩机将水泥(或石灰)等固化剂泵入软土中，并通过搅拌桩机的搅拌叶片就地将软土和固化剂搅拌，使固化剂与软土间混合，产生一系列的物理和化学反应，硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土搅拌桩，这种水泥土搅拌桩与桩周的泥土一起组成的复合地基具有较高的承载力，减少地基沉降。
现有的常规搅拌桩机一般为单钻杆搅拌桩机，叶片搅拌时产生的剪切力大，搅拌桩施工对桩周土体的扰动大，存在搅拌方向单一、地面冒浆、搅拌不够均匀，钻杆容易进浆堵塞、成桩质量差，成桩效率低下等问题。专利公开号CN1632233A公开了一种“双向搅拌桩的成桩操作方法”，提出一种双向搅拌桩的成桩方法，该方法采用同轴正反方向的内钻杆和外钻杆同时搅拌，保证水泥浆在桩体内搅拌均匀，避免出现地面冒浆的问题，而且可提高成桩质量和效率。但是该方法的施工工艺只能形成一种桩径的水泥土搅拌桩，但是很多地基存在不同质地的土层，而不同土层的原始承载力也不一样，需要不同桩径的水泥土搅拌桩，如果全部按照小桩径进行施工，则水泥土搅拌桩的强度不够；如果全部按照大桩径施工，则大量浪费固化剂，成本增大。专利公开号CN102808408A公开了“一种双向变径搅拌桩机及其成桩施工方法”，其搅拌浆叶具有固定叶片和活动叶片，通过改变内钻杆和外钻杆的转动方向打开活动叶片，从而实现变径。但是该变径搅拌桩机仍然存在着以下问题：(1)存在着改变转动方向后，活动叶片未打开或者未完全打开，未按照设计要求完成变桩径施工，或者施工质量差；(2)只能实现两种桩径，不能实现无级变径。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种能够确保叶片打开和/或收缩，完成变桩径施工的钻杆、变径搅拌桩机及其成桩施工方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种变径搅拌桩机，包括：机座、塔架、搅拌头和升降机构，所述塔架固定在所述机座上；所述搅拌头通过所述升降机构吊装在所述塔架上，所述升降机构带动所述搅拌头上下移动；所述搅拌头包括钻杆、转动驱动机构和伸缩机构，所述钻杆包括外管和内管，所述内管空套在所述外管中，且所述内管的前部穿出所述外管；所述内管的前部设有喷浆口；所述外管设有外管辐圈；所述内管的前部设有内管辐圈；所述内管前部还设有可滑动的过渡套，且位于所述外管辐圈与所述内管辐圈之间；所述过渡套设有可相对转动的上辐圈和下辐圈；所述外管辐圈与上辐圈之间及所述内管辐圈与下辐圈之间均铰接安装至少一组搅拌叶组，每组所述搅拌叶组包括至少一个搅拌叶；所述搅拌叶包括通过铰链相铰接的第一叶片和第二叶片；所述转动驱动机构分别与所述外管及内管连接，用于带动所述外管和内管正反转动或者同向转动；所述伸缩机构用于驱动所述内管和所述外管沿轴向相对移动。
其中，所述外管辐圈与上辐圈之间铰接安装有多组所述搅拌叶组，任意相邻的两组所述搅拌叶组之间通过一个上滑动辐圈相铰接，所述上滑动辐圈可滑动地安装在所述内管的外壁；所述内管辐圈与下辐圈之间铰接安装有多组所述搅拌叶组，任意相邻的两组所述搅拌叶组之间通过一个下滑动辐圈相铰接，所述下滑动辐圈可滑动地安装在所述内管的外壁。
其中，所述外管辐圈与上辐圈之间安装的所述搅拌叶组数量与所述内管辐圈与下辐圈之间安装的所述搅拌叶组数量相同。
其中，每组所述搅拌叶组包括的所述搅拌叶为多个，多个所述搅拌叶均沿所述内管辐圈和外管辐圈的周向均匀排列。
其中，所述钻杆还包括外管头座和内管头座，所述外管与所述外管头座可转动地连接，所述内管与所述内管头座可转动地连接；所述伸缩机构带动所述内管头座和外管头座相对移动，使所述内管和所述外管沿轴向相对移动。
其中，所述伸缩机构包括伸缩缸，所述伸缩缸安装在所述外管头座和内管头座之间，所述伸缩缸的活塞杆与所述外管相平行，所述伸缩缸驱动所述内管头座与外管头座沿所述外管轴向移动。
其中，所述外管头座上设有导向杆，所述内管头座与所述导向杆可滑动地套接。
其中，所述外管头座上设有导向杆，所述内管头座与所述导向杆可滑动地套接；所述伸缩机构包括电动葫芦，所述电动葫芦安装导向杆的顶端，带动所述内管头座沿导向杆移动。
其中，所述伸缩机构包括导向轨、滚轴直线滑轨和滚轴驱动电机，所述导向轨安装在所述外管头座上，所述内管头座与所述导向轨可滑动地套接；所述滚轴直线滑轨与所述导向轨相平行安装，所述内管头座与所述滚轴直线滑轨的滑块相连接，所述滚轴驱动电机与滚轴直线滑轨的螺纹轴相连接。
本发明还提供一种成桩施工方法，包括以下步骤：
S1：将需要施工的场地平整；
S2：将上述任一项所述的变径搅拌桩机运输到待施工场地，按设定桩位定位并对中，内管与送浆泵相连接；
S3：启动转动驱动机构，使外管和内管正反转动或者同向转动，启动升降机构使搅拌头沿塔架下降，钻杆开始下沉搅拌，在下沉搅拌的过程中，根据设计要求，不启动伸缩机构，或者一次启动伸缩机构带动内管和外管沿轴向相对移动，或者多次启动伸缩机构带动内管和外管沿轴向相对移动，或者启动伸缩机构在下沉搅拌的同时带动内管和外管沿轴向相对移动，下沉搅拌到设计深度；
S4：到达设计深度后，改变升降机构的工作方向，实现钻杆提升搅拌，在提升搅拌过程中，根据设计要求，不启动伸缩机构，或者一次启动伸缩机构使内管和外管沿轴向相对移动，或者多次启动伸缩机构带动内管和外管沿轴向相对移动，或者启动伸缩机构在提升搅拌的同时带动内管和外管沿轴向相对移动；
S5：待钻杆提升到地表后，整机移位到下一根桩的指定桩位，重复以上的每步操作，完成下一根搅拌桩；或者至少一次重复步骤S3和S4后，待钻杆提升到地表后，整机移位到下一根桩的指定桩位，重复以上的每步操作，完成下一根搅拌桩；
其中，在步骤S3和/或步骤S4中开启送浆泵，向土体喷固化剂。
进一步的，在所述步骤S2与步骤S3之间还包括步骤S21：根据设计要求，启动伸缩机构，带动内管和外管相对移动，预先调节初始搅拌桩径。
进一步的，在所述步骤S2与步骤S21之间还包括步骤S20：在所述步骤S2与步骤S21之间还包括步骤S20：启动升降机构，使钻杆自然下沉到桩体开始处；在步骤S4与步骤S5之间还包括步骤S40：在桩体开始处关闭转动驱动机构，钻杆继续自然提升。
进一步的，所述转动驱动机构带动所述内管和外管正反同速转动。
本发明还提供一种钻杆，包括：外管和内管，所述内管空套在所述外管中，且所述内管的前部穿出所述外管；所述内管的前部设有喷浆口；所述外管设有外管辐圈；所述内管的前部设有内管辐圈；所述内管前部还设有可滑动的过渡套，且位于所述外管辐圈与所述内管辐圈之间；所述过渡套设有可相对转动的上辐圈和下辐圈；所述外管辐圈与上辐圈之间及所述内管辐圈与下辐圈之间均铰接安装至少一组搅拌叶组，每组所述搅拌叶组包括至少一个搅拌叶；所述搅拌叶包括通过铰链相铰接的第一叶片和第二叶片。
进一步的，所述外管辐圈与上辐圈之间铰接安装有多组所述搅拌叶组，任意相邻的两组所述搅拌叶组之间通过一个上滑动辐圈相铰接，所述上滑动辐圈可滑动地安装在所述内管的外壁；所述内管辐圈与下辐圈之间铰接安装有多组所述搅拌叶组，任意相邻的两组所述搅拌叶组之间通过一个下滑动辐圈相铰接，所述下滑动辐圈可滑动地安装在所述内管的外壁。
(三)有益效果
本发明提供的变径搅拌桩机及其成桩施工方法，搅拌叶包括通过铰链连接的第一叶片和第二叶片，使用伸缩机构驱动内管和外管沿轴向相对移动，调节搅拌叶的搅拌直径(半径)，形成变径搅拌桩，使用伸缩机构进行调节，确保搅拌叶打开或者收缩，保证在成桩操作过程中按照设计要求进行变径，提高工程泥土加固质量，解决现有技术无法保证搅拌叶是否打开形成变径桩的问题；在搅拌过程中，缓慢打开和/或收缩搅拌叶，可以形成连续变径截面的搅拌桩，连续的变径搅拌桩无应力集中，强度大，提高软质泥土加固质量；使用一台搅拌桩机施工形成多种直径的搅拌桩，减少操作人员更换搅拌叶的时间，提高搅拌工作效率；采用外管和内管正反转动，具有压浆作用，解决冒浆的问题。
附图说明
图1为本发明变径搅拌桩机实施例1的结构示意图；
图2为本发明变径搅拌桩机实施例1的搅拌头结构示意图；
图3为图2中沿A-A方向的剖视图；
图4为本发明变径搅拌桩机实施例1的搅拌叶实施方式结构示意图；
图5为本发明变径搅拌桩机实施例1的钻杆局部示意图；
图6为本发明变径搅拌桩机实施例1的过渡套的第一种实施方式的剖视图；
图7为本发明变径搅拌桩机实施例1的过渡套的第二种实施方式的剖视图；
图8为本发明变径搅拌桩机实施例2的搅拌头局部示意图；
图9为本发明变径搅拌桩机实施例3的搅拌头局部示意图；
图10为本发明变径搅拌桩机实施例4的搅拌头局部示意图；
图11为本发明成桩施工方法形成一种变径搅拌桩的操作过程示意图；
图12为本发明成桩施工方法形成一种连续变径搅拌桩的操作过程示意图；
图13为本发明成桩施工方法形成一种等径搅拌桩的操作过程示意图；
图14为本发明成桩施工方法形成一种地下变径搅拌桩的操作过程示意图。
图中，10：搅拌头；20：机座；30：升降机构；40：塔架；50：转动驱动机构；11：外管；12：内管；13：搅拌叶组；14：外管头座；15：内管头座；16：导向杆；17：伸缩机构；111：外管辐圈；121：喷浆口；122：内管辐圈；123：过渡套；124：上滑动辐圈；125：下滑动辐圈；1230：内套圈；1231：上辐圈；1232：下辐圈；131：搅拌叶；1311：第一叶片；1312：第二叶片；1313：铰链；17-1：伸缩缸；17-2：电动葫芦；17-3：升降挂钩；31：升降电机；32：升降减速器；33：升降卷筒；34：钢丝绳；35：升降滚轮；51：外管驱动单元；52：内管驱动单元；511：外管驱动电机；512：外管传动组件；513：外管转动轮；521：内管驱动电机；522：内管传动组件；523：内管转动轮；100：钻杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“正反转动”用于说明外管和内管转动的方向相反，并不用于限定外管为正向，内管为反向。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“轴向”在未特别指定的情况下，指外管的轴向。
实施例1：
如图1到4所示，本发明的变径搅拌桩机，包括：机座20、塔架40、搅拌头10和升降机构30。塔架40固定在机座20上。搅拌头10通过升降机构30吊装在塔架40上，升降机构30带动搅拌头10上下移动。升降机构30具有排绳器式、电动葫芦式或升降滑轨式等多种结构，均为现有技术。参照图1所示，本实施例中采用排绳器式，升降机构30包括升降电机31、升降减速器32、钢丝绳34、升降滚轮35和升降卷筒33，升降电机31安装在机座20上，通过升降减速器32与升降卷筒33相连接，带动升降卷筒33转动，升降滚轮35安装塔架40上。钢丝绳34的一端固定在升降卷筒33上，另一端与搅拌头10连接，钢丝绳34沿升降滚轮35滑动。当升降卷筒33转动卷起钢丝绳34时，搅拌头10上升；当升降卷筒33转动放出钢丝绳34时，搅拌头10下降。
参照图2所示，搅拌头10包括钻杆100、转动驱动机构50和伸缩机构17。钻杆100包括外管11和内管12，外管11和内管12均可由钢管制成，外管11的内径大于内管12的外径，内管12空套在外管11中，与外管12同轴设置，且内管12的前部穿出外管11。内管12的后端用于与送浆泵通过管道连接，接收水泥等固化剂，内管12的前部设有喷浆口121，参照图1所示，喷浆口121优选设置在内管12前部的前端位置。外管11设有一个外管辐圈111，且通过焊接固定在外管11上；内管12的前部设有一个内管辐圈122，且通过焊接固定在内管12的前部，且与喷浆口121相近。内管12的前部还设有一个可滑动的过渡套123，过渡套123设置在外管辐圈111与内管辐圈122之间，空套在内管12前部的外壁，可沿内管12的外壁滑动。过渡套123设有可相对转动的上辐圈1231和下辐圈1232。参照图2和3所示，外管辐圈111与上辐圈1231之间铰接安装有一组搅拌叶组13，每组搅拌叶组13包括三个搅拌叶131，搅拌叶131的两端分别与外管辐圈111及上辐圈1231相铰接。优选的，三个搅拌叶131沿外管辐圈111和上辐圈1231的周向均匀排列。内管辐圈122与下辐圈1232之间同样铰接安装一组搅拌叶组13，每组搅拌叶组13包括三个搅拌叶131，搅拌叶131的两端分别与内管辐圈122及下辐圈1232相铰接，三个搅拌叶131沿内管辐圈122和下辐圈1232的周向均匀排列。参照图4所示，每个搅拌叶131包括第一叶片1311、第二叶片1312和铰链1313，第一叶片1311和第二叶片1312的通过铰链1313相铰接。转动驱动机构50安装在钻杆100上，转动驱动机构50分别与外管11及内管12的后部相连接，用于带动外管11和内管12正反转动或者同向转动。伸缩机构17安装在钻杆100上，用于驱动内管12与外管11沿轴向相对移动，使第一叶片1311和第二叶片1312之间的夹角增大或者减小，改变搅拌叶的搅拌直径。
进一步的，参照图1和2所示，钻杆100还包括外管头座14和内管头座15。外管11通过轴承或转动套与外管头座14可转动地连接，内管12通过轴承或转动套与内管头座15可转动地连接。内管头座15位于在外管头座14的上方，由于内管12空套在外管11中，内管头座15与外管头座14可沿外管的轴向相对移动。转动驱动机构50包括外管驱动单元51和内管驱动单元52，外管驱动单元51安装在外管头座14上，内管驱动单元52安装在内管头座15上。参照图2所示，外管驱动单元51包括外管驱动电机511、外管传动组件512和外管转动轮513，外管转动轮513固定在外管11的头部，外管驱动电机511通过外管传动组件512与外管转动轮513连接。内管驱动单元52包括内管驱动电机521、内管传动组件522和内管转动轮523，内管转动轮523固定在内管12的头部，内管驱动电机521通过内管传动组件522与内管转动轮523连接。其中，内管传动组件522和外管传动组件512可以选用同步带机构或减速器等，均为现有技术，在此不再赘述。需要说明的是，转动驱动机构具有多种形式，除了上述所述的结构形式外，还可以将外管驱动电机511和内管驱动电机521采用同一个电机，并分别通过内管传动组件522和外管传动组件512与内管12及外管11连接，带动内管11和外管12转动。伸缩机构17带动内管头座14和外管头座15相对移动，使内管12和外管11沿轴向相对移动。
参照图5所示，钢丝绳34与外管头座14连接，在外管头座14上设有两根但不限于两根导向杆16，内管头座15设有导向孔，内管头座15与导向杆16可滑动地套接。伸缩机构17包括伸缩缸17-1，伸缩缸17-1安装在外管头座14和内管头座15之间，伸缩缸17-1的缸筒固定在外管头座14上，伸缩缸17-1的活塞杆与外管11相平行，且伸缩缸的顶端与内管头座15相固定，伸缩缸117-1的活塞杆伸出或收回驱动内管头座15与外管头座14沿轴向相对移动。优选的，伸缩缸17-1采用液压缸。外管11和内管12之间沿轴向相对移动的过程中，沿着导向杆16移动，避免内管或外管晃动，搅拌叶损坏，提高搅拌头的使用效率。
优选的，内管12的前部用于过渡套123滑动的外表面截面可以为圆形或六角形，当呈六角形时，过渡套123具有多种结构，以下介绍两种典型结构：(1)参照图6所示，过渡套123包括内套圈1230、上辐圈1231和下辐圈1232，内套圈1230的内表面也呈六角形，内套圈1230的外表面呈圆形，上辐圈1231和下辐圈1232分别可转动地安装在内套圈1230的外表面。(2)参照图7所示，过渡套123包括下辐圈1232和上辐圈1231，下辐圈1232的内表面也呈六角形，并且具有一个伸出部，且伸出部的外表面圆形，上辐圈1231可转动地安装在下辐圈1232的伸出部外表面。
需要说明的是，每组搅拌叶组13不限于包括三个搅拌叶131，还可以包括一个、二个、四个或者五个以上的搅拌叶131，多个搅拌叶131均沿内管辐圈122和外管辐圈111的周向均匀排列。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，所不同之处在于：参照图8所示，外管辐圈111与上辐圈1231之间铰接安装有两组搅拌叶组13，相邻的两组搅拌叶组13之间通过一个上滑动辐圈124相铰接，上滑动辐圈124可滑动地安装在内管12的外壁，位于外管辐圈111与上辐圈1231之间。内管辐圈122与下辐圈1232之间铰接安装有两组搅拌叶组13，相邻的两组搅拌叶组13之间通过一个下滑动辐圈125相铰接，下滑动辐圈125可滑动地安装在内管12的外壁，位于内管辐圈122与下辐圈1232之间。为了保证在搅拌成桩的过程中，更好地压浆，避免冒浆的产生，外管辐圈111与上辐圈1231之间安装的搅拌叶组13数量与内管辐圈122与下辐圈1232之间安装的搅拌叶组13数量相同，如实施例1均采用一组，本实施例均采用二组，也可以同时采用三组以上。即外管辐圈111与上辐圈1231之间及内管辐圈122与下辐圈1232之间铰接安装有N组搅拌叶组，其中N为大于等于1的整数，采用N-1个滑动辐圈(上滑动辐圈或下滑动辐圈)连接多组搅拌叶组13。
优选的，当内管12的前部用于过渡套123滑动的外表面呈六角形时，上滑动辐圈124采用类轴承的可相对转动的内滑动圈和外滑动圈结构，下滑动辐圈125可以采用与上滑动辐圈结构相同，也可以仅采用普通单圈结构。
实施例3：
本实施例与实施例1和2基本相同，所不同之处在于：参照图9所示，钢丝绳34与外管头座14连接，外管头座14上设有导向杆16，内管头座15设有与导向杆16匹配的导向孔，内管头座15与导向杆16可滑动地套接，且导向杆16的上端穿出内管头座15；伸缩机构17包括电动葫芦17-2，电动葫芦17-2安装导向杆16的顶端，带动内管头座15沿导向杆16移动。
实施例4：
本实施例与实施例1和2基本相同，所不同之处在于：参照图10所示，钢丝绳34与内管头座15连接，外管头座14上设有导向杆16，内管头座15设有与导向杆16匹配的导向孔，内管头座15与导向杆16可滑动地套接；伸缩机构17包括升降挂钩17-3，升降挂钩17-3安装在内管头座15的下表面，通过吊钩吊挂外管头座14，同时吊钩移动带动外管头座14移动，使导向杆16沿导向孔移动，带动内管与外管沿轴向相对移动。本实施例中，导向杆16也可以固定安装在内管头座15上，在外管头座14设置导向孔进行套接。
实施例5：
本实施例与实施例1和2基本相同，所不同之处在于：伸缩机构17包括导向轨、滚轴直线滑轨和滚轴驱动电机，导向轨安装在外管头座上，内管头座与导向轨通过导轨滑块可滑动地套接。滚轴直线滑轨与导向轨相平行安装，内管头座与滚轴直线滑轨的滑块相连接，滚轴驱动电机与滚轴直线滑轨的螺纹轴相连接，滚轴驱动电机带动滚轴转动，滚轴直线滑轨的滑块沿螺纹轴移动，从而带动内管头座移动，内管与外管沿外管的轴向相对移动。
需要说明的是，驱动内管与外管沿轴向移动的伸缩机构不止上述实施例所述的几种结构，还可以采用其他结构。
本发明还提供成桩施工方法，包括以下步骤：
步骤S1：将需要施工的场地平整。
步骤S2：将上述所述的变径搅拌桩机运输到待施工场地，按设定桩位定位并对中，内管与送浆泵相连接。
步骤S21：根据设计要求，启动伸缩机构，带动内管和外管相对移动，预先调节初始搅拌桩径。
步骤S3：启动转动驱动机构，使外管和内管正反转动或者同向转动，启动升降机构使搅拌头沿塔架下降，钻杆开始下沉搅拌，在下沉搅拌的过程中，升降机构的升降电机转动方向保持不变，根据设计要求，不启动伸缩机构，或者一次启动伸缩机构带动内管和外管沿轴向相对移动，或者多次启动伸缩机构带动内管和外管沿轴向相对移动，或者启动伸缩机构在下沉搅拌的同时带动内管和外管沿轴向相对移动，下沉搅拌到设计深度。
步骤S4：到达设计深度后，改变升降机构的升降电机转动方向，从而改变升降机构的工作方向，实现钻杆提升搅拌，在提升搅拌过程中，升降机构的升降电机转动方向保持不变，根据设计要求，不启动伸缩机构，或者一次启动伸缩机构使内管和外管沿轴向相对移动，或者多次启动伸缩机构带动内管和外管沿轴向相对移动，或者启动伸缩机构在提升搅拌的同时带动内管和外管沿轴向相对移动，提升搅拌到地表。优选提升到地表30～50cm。
步骤S5：待钻杆提升到地表后，整机移位到下一根桩的指定桩位，重复以上的每步操作，完成下一根搅拌桩。
其中，在上述操作步骤中，在步骤S3和/或步骤S4的操作过程中开启送浆泵，向土体喷固化剂，固化剂采用水泥或者石灰。同时，在步骤S3和步骤S4的操作过程中，每次启动伸缩机构带动内管和外管沿轴向相对移动时，内管辐圈和外管辐圈的位置发生移动，过渡套沿内管外表面滑动，相铰接的第一叶片和第二叶片之间的夹角增大或者减小，从而使搅拌直径减小或者增大，形成变径搅拌桩。
在步骤S3中开启送浆泵，在步骤S4中关闭送浆泵，即在步骤S3的下沉搅拌开始时打开送浆泵，在下沉搅拌的过程中，保持送浆泵开启，在步骤S4提升搅拌开始时关掉送浆泵，保持整个提升搅拌过程中送浆泵保持关闭。或者在步骤S3中不打开送浆泵，在步骤S4中开启送浆泵，即在下沉搅拌的过程中保持送浆泵处于关闭状态，提升搅拌开始时打开送浆泵，并保持开启，直到整个提升搅拌结束时关闭送浆泵。上述操作实现两搅一喷的成桩施工方法。在步骤S3和步骤S4中均开启送浆泵，即在下沉搅拌开始时打开送浆泵，在提升搅拌结束时关掉送浆泵，实现两搅两喷的成桩施工方法。
为了提高搅拌桩的强度，在完成步骤S4后，一次或者多次重复步骤S3和步骤S4，并待钻杆提升到地表后，整机移位到下一根桩的指定桩位，重复以上的每步操作，完成下一根搅拌桩。以重复一次步骤S3和步骤S4加固搅拌桩为例，当在步骤S3中开启送浆泵，在步骤S4中关闭送浆泵或者在步骤S3中关闭送浆泵，在步骤S4中开启送浆泵，实现四搅两喷或者四搅三喷成桩施工方法；当在步骤S3和步骤S4中均开启送浆泵，实现四搅三喷或者四搅四喷的成桩施工方法；当在步骤S3和步骤S4中均关闭送浆泵，实现四搅一喷或者四搅两喷的成桩施工方法。当重复两次步骤S3和步骤S4加固搅拌桩时，也可以在步骤S3和/或步骤S4中开启送浆泵。
需要说明的是，在重复搅拌加固搅拌桩时，可以在整个桩体长度的其中一段喷浆，其他部分不喷浆。
进一步的，在所述步骤S2与步骤S21之间还包括步骤S20：启动升降机构，使钻杆自然下沉到桩体开始处；即不启动转动驱动机构的条件下，使钻杆的内管和外管自然沉降。在步骤S4与步骤S5之间还包括步骤S40，在桩体开始处关闭转动驱动机构，钻杆继续自然提升，即地表以下到桩体开始处的位置，不进行成桩施工操作，不形成搅拌桩。
进一步的，在下沉搅拌和提升搅拌的过程中，转动驱动机构带动内管和外管正反同速转动，使搅拌桩机能够较好地起到压浆作用，避免产生冒浆。
参照图11所示，本发明在使用过程中，按照设定的初始搅拌桩径下沉搅拌，到达设计变径的深度时，根据设计要求，启动伸缩机构，快速带动内管和外管沿轴向相对移动，内管辐圈与外管辐圈靠近，使第一叶片和第二叶片之间的夹角减小，内管和外管转动时，搅拌叶的搅拌直径增大，下沉搅拌到设计变径的深度搅拌形成大桩体；然后再次启动伸缩机构，快速带动内管和外管沿轴向相对移动，内管辐圈与外管辐圈远离，使第一叶片和第二叶片之间的夹角增大，内管和外管转动时，搅拌叶的搅拌直径减小，使桩体的直径变小，继续下沉搅拌，下沉到设计变径深度时，根据设计要求，启动伸缩机构，快速带动内管和外管沿轴向相对移动，内管辐圈与外管辐圈靠近，使第一叶片和第二叶片之间的夹角减小，内管和外管转动时，搅拌叶的搅拌直径增大，下沉到设计变径的深度搅拌形成大桩体。当到达桩体设定深度时，升降机构反向驱动，带动搅拌头提升，钻杆进行提升搅拌，提升搅拌的过程与下沉搅拌的过程相反。
参照图12所示，本发明在使用过程中，按照设定的初始搅拌下沉搅拌，到达设计变径的深度时，根据设计要求，启动伸缩机构，缓慢带动内管和外管沿轴向相对移动，内管辐圈与外管辐圈缓慢靠近，使第一叶片和第二叶片之间的夹角缓慢减小，内管和外管转动时，搅拌叶的搅拌直径缓慢增大，在此过程中，升降机构继续带动钻杆下沉搅拌；使搅拌桩形成一个上部桩径小，下部桩径大的连续变径桩体。当到达桩体设定深度时，升降机构反向驱动，带动搅拌头提升，进行提升搅拌，提升搅拌的过程与下沉搅拌的过程相反。
参照图13所示，本发明在使用过程中，按照设定的初始搅拌桩径下沉搅拌，到达搅拌桩的设计深度，改变升降机构升降电机转动方向进行提升搅拌，在此过程中，伸缩机构不启动，形成一个等直径的搅拌桩。
上述操作过程，可以采用人工控制，也可以通过在自动控制***中输入控制程序实现。变径搅拌桩机的自动控制***与现有技术相同，因此，在上述实施例中予以省略。
实施例：实施例为某一工地施工段，现在使用试验用湿喷桩四根，其中一号至三号搅拌桩的桩长为12米，四号搅拌桩的桩长9米，掺灰比均为12～14％，桩径500mm，变径扩大直径为800mm，其中，一号桩变径截面分别分布在3～5米处和10～12米处，为非连续变径；二号桩的变径截面3～12米处，1～3米深的桩径为500mm，9～12米处为连续变径，最大桩径为800mm；三号桩整根桩的桩径都不变；四号桩在地表以下3米开始成桩工作，为桩体开始处，3～8米为初始桩径段，8～12米为扩大桩径段。其中，采用实施例1所述的变径搅拌桩机进行实验。
其中，一号桩实施过程如下：参照图11所示，
a.将需要施工的场地平整；
b.将变径搅拌桩机运输到施工场地中一号桩的桩位定位并对中；连接好送浆泵；
c.启动伸缩缸17-1，调节外管辐圈111与内管辐圈122的距离，使搅拌叶131的初始搅拌直径为500mm；
d.同时启动变径搅拌桩机的转动驱动机构50和升降机构30，使钻杆100的外管11和内管12正反转动，搅拌头10沿塔架40下降，开始下沉搅拌，喷浆口121深入到泥土中，打开送浆泵，在整个下沉过程中升降机构30的升降电机31的转动方向保持不变，此时，边搅拌切削下钻边喷浆液，桩径500mm；
e.当下沉搅拌到3米深的设计变径处时，伸缩缸17-1的活塞杆快速伸出，带动外管11和内管12沿轴向快速相对移动，外管辐圈111与内管辐圈122的靠近，第一叶片1311和第二叶片1312的夹角减小，搅拌直径增大，桩径为800mm，继续下沉搅拌到5米深的位置；伸缩缸17-1的活塞杆快速收缩，外管辐圈111与内管辐圈122的远离，第一叶片1311和第二叶片1312的夹角增大，搅拌直径减小，桩径为500mm；下沉搅拌到10米深处时，伸缩缸17-1的活塞杆快速伸出，带动外管11和内管12沿轴向相对移动，外管辐圈111与内管辐圈122的靠近，第一叶片1311和第二叶片1312的夹角减小，搅拌直径增大，桩径为800mm，继续下沉搅拌到12米深的位置；
f.当下沉搅拌到设定深度时，关闭送浆泵，改变升降机构的升降电机的旋转方向，开始提升搅拌，在提升搅拌过程中升降电机的方向保持不变，其操作方式与步骤e相反，即：当提升搅拌到10米深的设计变径处时，伸缩缸17-1的活塞杆快速收缩，带动外管11和内管12沿轴向相对移动，外管辐圈111与内管辐圈122的相远离，第一叶片1311和第二叶片1312的夹角增大，搅拌直径减小，桩径为500mm，继续搅拌上升到5米深的位置；伸缩缸17-1的活塞杆快速伸出，外管辐圈111与内管辐圈122的靠近，第一叶片1311和第二叶片1312的夹角减小，搅拌直径增大，桩径为800mm；提升搅拌到3米深处时，伸缩缸17-1的活塞杆快速缩回，带动外管11和内管12沿轴向相对移动，外管辐圈111与内管辐圈122的远离，第一叶片1311和第二叶片1312的夹角增大，搅拌直径减小，桩径为500mm，继续提升搅拌到地表位置；
g.待钻杆100提升到地表后，完成两搅一喷的成桩操作，然后将整机移位到下一根桩的指定桩位，重复以上的每步操作，完成下一根搅拌桩。为了提高桩体的强度，可以在下沉搅拌到设定桩体深度时，保持送浆泵开启，并在钻杆100提升到地表后，关闭送浆泵，完成两搅两喷的成桩操作。
需要说明的是，在设计变径处可以仅在一个搅拌行程内进行变径搅拌，在其他搅拌行程中不进行变径搅拌；如上述步骤f中，在提升搅拌开始时，启动伸缩机构，使搅拌桩径为500mm，然后提升搅拌，提升搅拌的过程中，伸缩机构不再启动，仅以最小桩径进行提升搅拌。
二号桩实施过程如下：参照图12所示，
a.将需要施工的场地平整；
b.将变径搅拌桩机运输到施工场地中二号桩的桩位定位并对中；连接好送浆泵。
c.启动伸缩缸17-1，调节外管辐圈111与内管辐圈122的距离，使搅拌叶131的初始搅拌直径为500mm；
d.同时启动变径搅拌桩机的转动驱动机构50和升降机构30，使钻杆100的外管11和内管12正反转动，搅拌头10沿塔架40下降，内管12和外管11开始下沉搅拌，喷浆口121深入到泥土中，打开送浆泵，在整个下沉过程中升降机构30的升降电机31的转动方向保持不变，此时，边搅拌切削下钻边喷浆液，桩径500mm；
e.当下沉搅拌到3米深的设计变径处时，伸缩缸17-1的活塞杆开始缓慢伸出，带动外管11和内管12缓慢相对移动，外管辐圈111与内管辐圈122的缓慢靠近，第一叶片1311和第二叶片1312的夹角缓慢减小，搅拌直径缓慢增大，在此过程中，钻杆100继续下沉搅拌；
f.当到达设计的桩深12米的位置时，桩径达到最大，此时桩径为800mm，参照图12所示，桩径的截面图呈梯形结构，改变升降机构30的升降电机31的旋转方向，开始提升搅拌，在提升搅拌过程中升降电机31的旋转方向保持不变，在此过程中，伸缩缸17-1的活塞杆缓慢收缩，搅拌桩的桩径缓慢变小，到达3米深处时，伸缩缸17-1停止工作，桩径为500mm，继续提升搅拌；
g.待钻杆100提升到地表后，关闭送浆泵，整机移位到下一根桩的指定桩位，重复以上的每步操作，完成下一根搅拌桩。在上述成桩操作过程中，可以在下沉搅拌过程中保持送浆泵关闭，在提升搅拌的过程中开启送浆泵，形成两搅一喷的成桩操作工法。为了增加搅拌桩的强度，也可以重复一次或者多次下沉搅拌和提升搅拌。
四号桩实施过程如下：参照图14所示，
a.将需要施工的场地平整；
b.将变径搅拌桩机运输到施工场地中四号桩的桩位定位并对中；连接好送浆泵。
c.保持钻杆100的搅拌叶131处于收缩状态，启动升降机构30，带动搅拌头10自然下沉，下沉到3米的桩体开始处，关闭升降机构30；
d.启动伸缩缸17-1，伸缩缸17-1的活塞杆快速伸出，调节外管辐圈111与内管辐圈122的距离，使搅拌叶131展开，初始搅拌直径为500mm；
e.同时启动变径搅拌桩机的转动驱动机构50、升降机构30和送浆泵，使钻杆100的外管11和内管12正反转动，搅拌头10沿塔架40下降，内管12和外管11开始带动搅拌叶131下沉搅拌，喷浆口121深入到泥土中，在整个下沉过程中升降机构30的升降电机31的转动方向保持不变，此时，边搅拌切削下钻边喷浆液，桩径500mm，形成初始桩径段；
f.当下沉搅拌到8米深的设计变径处时，启动伸缩缸17-1，伸缩缸17-1的活塞杆快带伸出，带动外管11和内管12快速相对移动，外管辐圈111与内管辐圈122的快速靠近，第一叶片1311和第二叶片1312的夹角缓慢减小，搅拌直径快速增大，搅拌桩的桩径为800mm，继续下沉搅拌到12米深处，形成扩大桩径段；
g.到达12米深处后，改变升降机构30的升降电机31的旋转方向，开始提升搅拌，在提升搅拌过程中升降电机31的旋转方向保持不变，在提升搅拌到8米深的设计变径处时，启动伸缩缸17-1，伸缩缸的活塞杆快速缩回，搅拌直径减小，桩径为500mm，继续提升搅拌到3米深的桩体开始处，关闭转动驱动机构和送浆泵，继续提升钻杆100，同时，可以启动伸缩缸17-1，使活塞杆缩回，搅拌叶收缩到初始状态，方便于自然提升。
h.待钻杆100提升到地表后，整机移位到下一根桩的指定桩位，重复以上的每步操作，完成下一根搅拌桩。在上述成桩操作过程中，可以在下沉搅拌到设计深度后，关闭送浆泵，形成两搅一喷的成桩操作工法。
本发明在使用过程中，外管和内管可以沿正反相反方向转动，也可以同向转动，但是同向转动时，搅拌成桩操作过程会产生冒浆问题。当然，搅拌的过程中，可以随时变换钻杆的内管和外管的转动方向。
本发明的变径搅拌桩机及其成桩施工方法，搅拌叶包括通过铰链连接的第一叶片和第二叶片，使用伸缩机构驱动内管和外管沿轴向相对移动，调节搅拌叶的搅拌直径(半径)，形成变径搅拌桩，使用伸缩机构进行调节，确保搅拌叶打开或者收缩，保证在成桩操作过程中按照设计要求进行变径，提高工程泥土加固质量，解决现有技术无法保证搅拌叶是否打开形成变径桩的问题；在搅拌过程中，缓慢打开和/或收缩搅拌叶，可以形成连续变径截面的搅拌桩，连续的变径搅拌桩无应力集中，强度大，提高软质泥土加固质量；使用一台搅拌桩机施工形成多种直径的搅拌桩，减少操作人员更换搅拌叶的时间，提高搅拌工作效率；采用外管和内管正反转动，具有压浆作用，解决现有技术冒浆的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种变径搅拌桩机，其特征在于，包括：机座、塔架、搅拌头和升降机构，所述塔架固定在所述机座上；所述搅拌头通过所述升降机构吊装在所述塔架上，所述升降机构带动所述搅拌头上下移动；所述搅拌头包括钻杆、转动驱动机构和伸缩机构，所述钻杆包括外管和内管，所述内管空套在所述外管中，且所述内管的前部穿出所述外管；所述内管的前部设有喷浆口；所述外管设有外管辐圈；所述内管的前部设有内管辐圈；所述内管前部还设有可滑动的过渡套，且位于所述外管辐圈与所述内管辐圈之间；所述过渡套设有可相对转动的上辐圈和下辐圈；所述外管辐圈与上辐圈之间及所述内管辐圈与下辐圈之间均铰接安装至少一组搅拌叶组，每组所述搅拌叶组包括至少一个搅拌叶；所述搅拌叶包括通过铰链相铰接的第一叶片和第二叶片；所述转动驱动机构分别与所述外管及内管连接，用于带动所述外管和内管正反转动或者同向转动；所述伸缩机构用于驱动所述内管和所述外管沿轴向相对移动。
2.如权利要求1所述的变径搅拌桩机，其特征在于，所述外管辐圈与上辐圈之间铰接安装有多组所述搅拌叶组，任意相邻的两组所述搅拌叶组之间通过一个上滑动辐圈相铰接，所述上滑动辐圈可滑动地安装在所述内管的外壁；所述内管辐圈与下辐圈之间铰接安装有多组所述搅拌叶组，任意相邻的两组所述搅拌叶组之间通过一个下滑动辐圈相铰接，所述下滑动辐圈可滑动地安装在所述内管的外壁。
3.如权利要求2所述的变径搅拌桩机，其特征在于，所述外管辐圈与上辐圈之间安装的所述搅拌叶组数量与所述内管辐圈与下辐圈之间安装的所述搅拌叶组数量相同。
4.如权利要求1所述的变径搅拌桩机，其特征在于，每组所述搅拌叶组包括的所述搅拌叶为多个，多个所述搅拌叶均沿所述内管辐圈和外管辐圈的周向均匀排列。
5.如权利要求1至4任一项所述的变径搅拌桩机，其特征在于，所述钻杆还包括外管头座和内管头座，所述外管与所述外管头座可转动地连接，所述内管与所述内管头座可转动地连接；所述伸缩机构带动所述内管头座和外管头座相对移动，使所述内管和所述外管沿轴向相对移动。
6.如权利要求5所述的变径搅拌桩机，其特征在于，所述伸缩机构包括伸缩缸，所述伸缩缸安装在所述外管头座和内管头座之间，所述伸缩缸的活塞杆与所述外管相平行，所述伸缩缸驱动所述内管头座与外管头座沿所述外管轴向移动。
7.如权利要求6所述的变径搅拌桩机，其特征在于，所述外管头座上设有导向杆，所述内管头座与所述导向杆可滑动地套接。
8.如权利要求5所述的变径搅拌桩机，其特征在于，所述外管头座上设有导向杆，所述内管头座与所述导向杆可滑动地套接；所述伸缩机构包括电动葫芦，所述电动葫芦安装导向杆的顶端，带动所述内管头座沿导向杆移动。
9.如权利要求5所述的变径搅拌桩机，其特征在于，所述伸缩机构包括导向轨、滚轴直线滑轨和滚轴驱动电机，所述导向轨安装在所述外管头座上，所述内管头座与所述导向轨可滑动地套接；所述滚轴直线滑轨与所述导向轨相平行安装，所述内管头座与所述滚轴直线滑轨的滑块相连接，所述滚轴驱动电机与滚轴直线滑轨的螺纹轴相连接。
10.一种成桩施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将需要施工的场地平整；
S2：将权利要求l～9任一项所述的变径搅拌桩机运输到待施工场地，按设定桩位定位并对中，内管与送浆泵相连接；
S3：启动转动驱动机构，使外管和内管正反转动或者同向转动，启动升降机构使搅拌头沿塔架下降，钻杆开始下沉搅拌，在下沉搅拌的过程中，根据设计要求，不启动伸缩机构，或者一次启动伸缩机构带动内管和外管沿轴向相对移动，或者多次启动伸缩机构带动内管和外管沿轴向相对移动，或者启动伸缩机构在下沉搅拌的同时带动内管和外管沿轴向相对移动，下沉搅拌到设计深度；
S4：到达设计深度后，改变升降机构的工作方向，实现钻杆提升搅拌，在提升搅拌过程中，根据设计要求，不启动伸缩机构，或者一次启动伸缩机构使内管和外管沿轴向相对移动，或者多次启动伸缩机构带动内管和外管沿轴向相对移动，或者启动伸缩机构在提升搅拌的同时带动内管和外管沿轴向相对移动；
S5：待钻杆提升到地表后，整机移位到下一根桩的指定桩位，重复以上的每步操作，完成下一根搅拌桩；或者至少一次重复步骤S3和S4后，待钻杆提升到地表后，整机移位到下一根桩的指定桩位，重复以上的每步操作，完成下一根搅拌桩；
其中，在步骤S3和/或步骤S4中开启送浆泵，向土体喷固化剂。
11.如权利要求10所述的成桩施工方法，其特征在于，在所述步骤S2与步骤S3之间还包括步骤S21：根据设计要求，启动伸缩机构，带动内管和外管沿轴向相对移动，预先调节初始搅拌桩径。
12.如权利要求11所述的成桩施工方法，其特征在于，在所述步骤S2与步骤S21之间还包括步骤S20：启动升降机构，使钻杆自然下沉到桩体开始处；在步骤S4与步骤S5之间还包括步骤S40：在桩体开始处关闭转动驱动机构，钻杆继续自然提升。
13.如权利要求10所述的成桩施工方法，其特征在于，所述转动驱动机构带动所述内管和外管正反同速转动。
14.一种钻杆，其特征在于，包括：外管和内管，所述内管空套在所述外管中，且所述内管的前部穿出所述外管；所述内管的前部设有喷浆口；所述外管设有外管辐圈；所述内管的前部设有内管辐圈；所述内管前部还设有可滑动的过渡套，且位于所述外管辐圈与所述内管辐圈之间；所述过渡套设有可相对转动的上辐圈和下辐圈；所述外管辐圈与上辐圈之间及所述内管辐圈与下辐圈之间均铰接安装至少一组搅拌叶组，每组所述搅拌叶组包括至少一个搅拌叶；所述搅拌叶包括通过铰链相铰接的第一叶片和第二叶片。
15.如权利要求14所述的钻杆，其特征在于，所述外管辐圈与上辐圈之间铰接安装有多组所述搅拌叶组，任意相邻的两组所述搅拌叶组之间通过一个上滑动辐圈相铰接，所述上滑动辐圈可滑动地安装在所述内管的外壁；所述内管辐圈与下辐圈之间铰接安装有多组所述搅拌叶组，任意相邻的两组所述搅拌叶组之间通过一个下滑动辐圈相铰接，所述下滑动辐圈可滑动地安装在所述内管的外壁。
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