一种自动变径的水泥搅拌装置及其施工方法

1.本发明涉及软土地基处理技术领域，尤其涉及一种自动变径的水泥搅拌装置及其施工方法。


背景技术：

2.软土是天然含水率高、天然空隙大、抗剪强度低和压缩性高的细粒土，在荷载作用下易产生滑移或过大沉降变形，给工程建设带来极大挑战。软土地基处治的方法较多，主要包括换填、强夯法、排水固结法、复合地基法，其中复合地基法中的水泥搅拌桩相比其他方法具有施工快、造价低、振动小、处理效果好等优点，应用较广泛。
3.然而，由于地层的岩性、厚度和力学特性具有较强的空间变异性，常规的水泥搅拌桩装备是等直径施工，无视地层的变化而采用等直径水泥搅拌桩的做法针对性不强，也导致工程建设成本增加。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种自动变径的水泥搅拌装置及其施工方法，用以解决现有的固定半径装置无法根据地层软弱程度调整加固半径，从而无法提高加固针对性和加固效果的问题。
5.本发明提供一种自动变径的水泥搅拌装置，包括外管、内管、第一运动单元和第二运动单元；
6.所述外管套设在所述内管的外部，所述外管套设在所述内管反向转动；
7.所述第一运动单元与所述外管固定连接，所述外管带动所述第一运动单元同向转动；
8.所述第二运动单元与所述内管固定连接，所述内管带动所述第二运动单元同向转动；
9.所述第一运动单元与所述第二运动单元在转动时可根据地层特性自动变径。
10.可选地，第一运动单元包括第一固定叶片和第二固定叶片，所述第一固定叶片和所述第二固定叶片的一端分别垂直固定安装在所述外管的相对两侧面上。
11.可选地，第一运动单元还包括第一活动叶片和第二活动叶片。
12.可选地，第一运动单元还包括第一弹力杆和第二弹力杆。
13.可选地，所述第一弹力杆连接所述第一固定叶片与所述第一活动叶片；
14.所述第二固定叶片连接所述第二固定叶片与所述第二活动叶片。
15.可选地，所述第二运动单元包括第三固定叶片和第四固定叶片，所述第三固定叶片和所述第四固定叶片的一端分别垂直固定安装在所述内管的相对两侧面上。
16.可选地，所述第二运动单元还包括第五活动叶片和第六活动叶片。
17.可选地，所述第二运动单元还包括第五弹力杆和第六弹力杆。
18.可选地，所述水泥搅拌装置还包括钻头。
19.本发明还提供一种自动变径的水泥搅拌装置的施工方法，使用上述自动变径的水泥搅拌装置，步骤包括：
20.步骤1：测定地层粘聚力，确定弹力杆劲度系数和连接位置；
21.步骤2：将所述第一运动单元安装在所述外管上；
22.步骤3：将所述第二运动单元安装在所述内管上；
23.步骤4：整体安装所述外管、所述内管和所述钻头，并进行搅拌和注浆。
24.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
25.1、本发明设计的第一运动单元与第二运动单元根据地层特性自动变径，无需外加驱动装置，采用纯机械自适应调节结构，降低设备的使用和维修成本。
26.2、本发明设计的水泥搅拌装置操作过程简单，高效便捷。
27.3、本发明设计的水泥搅拌装置可根据实际需求设计多个活动叶片和弹力杆。
28.4、本发明在第一固定叶片、第二固定叶片、第三固定叶片和第四固定叶片上设置多个喷浆口，可加速喷浆过程，节省施工时间。
29.5、本发明设计的第一弹力杆、第二弹力杆、第五弹力杆和第六弹力杆可根据软弱土的粘聚力的数值选择劲度系数，并根据劲度系数选择与第一固定叶片、第二固定叶片、第三固定叶片和第四固定叶片连接位置，由此可延长第一弹力杆、第二弹力杆、第五弹力杆和第六弹力杆的使用寿命。
30.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
31.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
32.图1为本发明一种实施例的水泥搅拌装置搅拌状态结构示意图；
33.图2为图1的俯视结构示意图；
34.图3为本发明另一种实施例的水泥搅拌装置结构示意图；
35.图4为本发明一种实施例的水泥搅拌装置的搅拌半径为最大状态结构示意图。
36.附图标记：
37.1-外管；2-内管；3-第一运动单元；31-第一固定叶片；32-第一活动叶片；33-第一弹力杆；34-第二固定叶片；35-第二活动叶片；36-第二弹力杆；37-第三活动叶片；38-第四活动叶片；4-第二运动单元；41-第三固定叶片；42-第五活动叶片；43-第五弹力杆；44-第四固定叶片；45-第六活动叶片；46-第六弹力杆；47-第七活动叶片；48-第八活动叶片；5-钻头；6-第一喷浆口。
具体实施方式
38.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“向内转动”是指活动叶片向钻杆方向转动，“向外转动”是指活动叶片背向钻杆方向转动。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“弹力杆”为一种能够压缩并能反馈反力的装置。
40.实施例1
41.本发明的一个具体实施例，如图1至图4所示，本发明公开了一种自动变径的水泥搅拌装置，包括外管1、内管2、第一运动单元3和第二运动单元4，其中，外管1套设在内管2的外部，外管1与内管2反向转动；第一运动单元3与外管1固定连接，外管1带动第一运动单元3同向转动；第二运动单元4与内管2固定连接，内管2带动第二运动单元4同向转动；第一运动单元3与第二运动单元4在转动时可根据地层特性自动变径。
42.本实施例中，外管1与内管2反向转动时，当第一运动单元3、第二运动单元4遇到地层硬时，第一运动单元3、第二运动单元4向内转动，第一运动单元3、第二运动单元4的搅拌直径变小；当第一运动单元3、第二运动单元4遇到地层软时，第一运动单元3、第二运动单元4向外转动，第一运动单元3、第二运动单元4的搅拌直径变大，此过程操作简单，高效便捷。第一运动单元3与第二运动单元4根据地层特性自动变径，无需外加驱动装置，采用纯机械自适应调节结构，降低设备的使用和维修成本。
43.第一运动单元3包括第一固定叶片31和第二固定叶片34，第一固定叶片31、第二固定叶片34的一端分别垂直固定安装在外管1的相对的两侧面上，第一固定叶片31与第二固定叶片34在同一水平面上，与地面水平。
44.第一运动单元3还包括第一活动叶片32和第二活动叶片35，第一活动叶片32的一端与第一固定叶片34的另一端活动连接，第二活动叶片35的一端与第二固定叶片34的另一端活动连接，优选地，连接方式均为铰接，以及第一固定叶片31可带动第一活动叶片32同向转动，第二固定叶片34可带动第二活动叶片35同向转动。
45.第一运动单元3还包括第一弹力杆33和第二弹力杆36，第一弹力杆33的两端分别连接第一固定叶片31、第一活动叶片32；第二弹力杆36的两端分别连接第二固定叶片34、第二活动叶片35。
46.具体地，第一弹力杆33与第二弹力杆36均可伸缩，第一弹力杆33对第一活动叶片32有向外的推动力，同样的，第二弹力杆36对第二活动叶片35有向外的推动力。
47.本实施例中，第一活动叶片32遇到地层较硬时，第一活动叶片32受到地层较大阻力，此时第一弹力杆33的推动力小于地层对第一活动叶片32的阻力，第一活动叶片32向内压缩第一弹力杆33，则第一运动单元3的搅拌半径变小；当第一活动叶片32遇到地层较软时，第一活动叶片32受到地层较小阻力，此时第一弹力杆33的推动力大于地层对第一活动叶片32的阻力，第一弹力杆33自动伸长，推动第一活动叶片32向外张开。第二活动叶片35和第二弹力杆36以同样的方式进行调节，由此，第一弹力杆33、第二弹力杆36根据地层软硬程度对第一活动叶片32、第二活动叶片35施加的阻力大小自动伸缩，从而调整第一运动单元3的搅拌半径。
48.进一步地，第一运动单元3还包括第三活动叶片37和第四活动叶片38，第三活动叶片37的一端与第一活动叶片32的一端活动连接，第四活动叶片38的一端与第二活动叶片35的一端活动连接，具体连接方式均为铰接。
49.第一运动单元3还包括第三弹力杆和第四弹力杆，第三弹力杆连接第三活动叶片37与第一活动叶片32；第四弹力杆连接第四活动叶片38与第二活动叶片35。
50.需要说明的是，当第三活动叶片37遇到地层较硬时，第三活动叶片37受到地层较大阻力，此时第三弹力杆的推动力小于地层对第三活动叶片37的阻力，第三活动叶片37向内压缩第三弹力杆，第一运动单元3的搅拌半径减小；当第三活动叶片37遇到地层较软时，第三活动叶片37受到地层较小阻力，此时第三弹力杆的推动力大于地层对第三活动叶片37的阻力，第三弹力杆自动伸长，推动第三活动叶片37向外张开，第一运动单元3的搅拌半径变大。同样的，第四活动叶片38和第四弹力杆以同样的方式进行调节。
51.具体地，第一弹力杆33与第三弹力杆设置在第一固定叶片31、第一活动叶片32和第三活动叶片37转动方向相反的一侧；第二弹力杆36与第四弹力杆设置在第二固定叶片34、第二活动叶片35和第四活动叶片38转动方向相反的一侧。
52.第二运动单元4包括第三固定叶片41和第四固定叶片44，第三固定叶片41、第四固定叶片44的一端分别垂直固定安装在内管2的相对的两侧上，第三固定叶片41、第四固定叶片44均与地面呈一定的角度，且第三固定叶片41、第四固定叶片44均与内管2垂直，以利于第三固定叶片41、第四固定叶片44插入土体内，且第三固定叶片41与第四固定叶片44的延长面交叉，由此以便于从不同角度搅拌，节省工时。
53.第二运动单元4还包括第五活动叶片42和第六活动叶片45，第五活动叶片42的一端与第三固定叶片41的另一端活动连接，第六活动叶片45的一端与第四固定叶片44的另一端活动连接，优选地，连接方式均为铰接。第五活动叶片42与第三固定叶片41的倾斜角度一致，第三固定叶片41可带动第五活动叶片42同向转动；第六活动叶片45与第四固定叶片44的倾斜角度一致，第四固定叶片44可带动第六活动叶片45同向转动。
54.第二运动单元4还包括第五弹力杆43和第六弹力杆46，第五弹力杆43的两端分别连接第三固定叶片41与第五活动叶片42；第六弹力杆46的两端分别连接第四固定叶片44与第六活动叶片45。
55.具体地，第五弹力杆43和第六弹力杆46均可伸缩，第五弹力杆43对第五活动叶片42有向外的推动力，同样的，第六弹力杆46对第六活动叶片45有向外的推动力。
56.本实施例中，第五活动叶片42遇到地层较硬时，第五活动叶片42受到地层较大阻力，此时第五弹力杆43的推动力小于地层对第五活动叶片42的阻力，第五活动叶片42向内压缩第五弹力杆43，则第二运动单元3的搅拌半径变小；当第五活动叶片42遇到地层较软时，第五活动叶片42受到地层较小阻力，此时第五弹力杆43的推动力大于地层对第五活动叶片42的阻力，第五弹力杆43自动伸长，推动第五活动叶片42向外张开，则第二运动单元3的搅拌半径变大。第六活动叶片45和第六弹力杆46以同样的方式进行调节，由此，第五弹力杆43、第六弹力杆46根据地层软硬程度对第五活动叶片42、第六活动叶片45施加的阻力大小自动伸缩，从而调整第二运动单元4的搅拌半径。
57.进一步地，第二运动单元4还包括第七活动叶片47和第八活动叶片48，第七活动叶片47的一端与第五活动叶片42的一端活动连接，第七活动叶片47与第五活动叶片42倾斜角度一致；第八活动叶片的一端与第六活动叶片的一端活动连接，第八活动叶片与第八活动叶片倾斜角度一致，具体连接方式均为铰接。
58.第二运动单元4还包括第七弹力杆和第八弹力杆，第七弹力杆连接第七活动叶片
47与第五活动叶片42；第八弹力杆连接第八活动叶片48与第六活动叶片45；第七弹力杆与第五弹力杆43安装在同侧，第八弹力杆与第六弹力杆46安装在同侧。
59.需要说明的是，当第七活动叶片47遇到地层较硬时，第七活动叶片47受到地层较大阻力，此时第七弹力杆的推动力小于地层对第七活动叶片47的阻力，第七活动叶片47向内压缩第七弹力杆，第二运动单元4的搅拌半径减小；当第七活动叶片47遇到地层较软时，第七活动叶片47受到地层较小阻力，此时第七弹力杆的推动力大于地层对第七活动叶片47的阻力，第七弹力杆自动伸长，推动第七活动叶片47向外张开，第二运动单元4的搅拌半径变大。第八活动叶片48和第八弹力杆以同样的方式进行调节，由此第七弹力杆、第八弹力杆根据地层对第七活动叶片47、第八活动叶片48施加的阻力大小自动伸缩，从而调整第二运动单元4的搅拌半径，此过程第七弹力杆与第五弹力杆43、第八弹力杆与第六弹力杆46同时收缩或伸长。
60.具体地，第五弹力杆43与第七弹力杆设置在第三固定叶片41、第五活动叶片42和第七活动叶片47转动方向相反的一侧；第六弹力杆46与第八弹力杆设置在第四固定叶片44、第六活动叶片45和第八活动叶片48转动方向相反的一侧。
61.进一步地，当遇到地层较软时，水泥搅拌装置还可以包括平衡单元，平衡单元包括第一弹力带、第二弹力带、第三弹力带和第四弹力带，第一弹力带的两端分别固定安装在外管1与第一活动叶片上，第一弹力带与第一弹力杆33平行且在同一水平面上；第二弹力带的两端分别固定安装在外管与第二活动叶片上，第二弹力带与第二弹力杆36平行且在同一水平面上；第三弹力带的两端分别固定安装在内管与第五活动叶片上，第三弹力带与第五弹力杆43平行且在同一水平面上；第四弹力带的两端分别安装在内管与第六活动叶片上，第四弹力带与第六弹力杆46平行且在同一水平面上。
62.当遇到地层较软时，第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46的推动力大于地层的阻力，推动第一活动叶片32、第二活动叶片35、第五活动叶片42和第六活动叶片45向外张开，此时第一弹力带、第二弹力带、第三弹力带和第四弹力带拉动第一活动叶片32、第二活动叶片35、第五活动叶片42和第六活动叶片45向外张开，保证第一活动叶片32、第二活动叶片35、第五活动叶片42和第六活动叶片45受到推力和拉力相等，第一活动叶片32、第二活动叶片35、第五活动叶片42和第六活动叶片45分别与第一固定叶片31、第二固定叶片34、第三固定叶片41和第四固定叶片44在同一水平线上，此时搅拌半径为最大。
63.水泥搅拌装置还包括钻头5，钻头5与内管2的下部固定连接，钻头5为圆锥形，可减少水泥搅拌装置与土体的摩擦，利于将水泥搅拌装置插入土体内。
64.水泥搅拌装置还包括第一喷浆口6，第一喷浆口6设置在内管2上，具体地，第一喷浆口6的位置和数量不作任何限定，根据实际情况而定，优选地，第一喷浆口设置在内管2上部。
65.本实施例中，第一喷浆口6包括前置喷浆口和后置喷浆口，前置喷浆口和后置喷浆口设置在内管2的相对两侧面上，且前置喷浆口与后置喷浆口穿过内管2的中心轴线，在同一条水平线上，以便于水泥搅拌装置均匀地喷浆。
66.实施例2
67.所述第一固定叶片31、第二固定叶片34、第三固定叶片41和第四固定叶片44均为中空结构。
68.第一固定叶片31与第二固定叶片34分别在转动时受力的一侧设有多个第二喷浆口和第三喷浆口。
69.进一步地，第一固定叶片31包括与第二喷浆口配合的第一侧盖，第一侧盖的一端与第二喷浆口弹性连接；第二固定叶片34包括与第三喷浆口配合的第二侧盖，第二侧盖的一端与第三喷浆口弹性连接。
70.本实施例中，当第一固定叶片31与第二固定叶片34顺时针转动搅拌时，在地层阻力作用下，第一侧盖、第二侧盖分别盖紧第二喷浆口、第三喷浆口，以免土壤通过第二喷浆口和第三喷浆口分别进入到第一固定叶片31、第二固定叶片34内部；当需要注浆时，注浆液从外管1注入，然后流入第一固定叶片31、第二固定叶片34，注浆液对第一侧盖、第二侧盖施加向外推力，第一侧盖、第二侧盖打开，注浆液会通过第二喷浆口、第三喷浆口流出，加速喷浆过程，节省施工时间。
71.第三固定叶片41与第四固定叶片44分别在转动时受力的一侧设有多个第四喷浆口和第五喷浆口。
72.进一步地，第三固定叶片41包括与第四喷浆口配合的第三侧盖，第三侧盖的一端与第四喷浆口弹性连接；第四固定叶片44包括与第五喷浆口配合的第四侧盖，第四侧盖的一端与第五喷浆口弹性连接。
73.本实施例中，当第三固定叶片41与第四固定叶片44逆时针转动搅拌时，在地层阻力作用下，第三侧盖、第四侧盖分别盖紧第四喷浆口、第五喷浆口，以免土壤通过第四喷浆口和第五喷浆口分别进入到第三固定叶片41、第四固定叶片44内部；当需要注浆时，注浆液从外管1注入，流入到内管2，再流进第三固定叶片41与第四固定叶片44内部，注浆液对第三侧盖、第四侧盖施加向外推力，第三侧盖、第四侧盖打开，注浆液会通过第四喷浆口、第五喷浆口流出，加速喷浆过程，节省施工时间。
74.实施例3
75.所述第一固定叶片31、第二固定叶片34、第三固定叶片41和第四固定叶片44分别设有第一滑槽、第二滑槽、第三滑槽和第四滑槽。进一步地，第一滑槽、第二滑槽、第三滑槽和第四滑槽上均设有多个位置的限位孔，限位孔数量不定，根据实际需要设定。
76.本实施例中，第一滑槽设有第一、第二限位孔，第一限位孔比第二限位孔离着外管的距离近；第二滑槽设有第三、第四限位孔，第三限位孔比第四限位孔离着外管的距离近；第三滑槽设有第五、第六限位孔，第五限位孔比第六限位孔离着内管的距离近；第四滑槽设有第七、第八限位孔，第七限位孔比第八限位孔离着内管的距离近。
77.具体地，当软弱土的粘聚力在5-25kpa时(即：土质较软时)，选择第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46的劲度系数为1500n/m-7050n/m，第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46分别连接第一固定叶片31、第二固定叶片34、第三固定叶片41和第四固定叶片44的一端位于第二限位孔、第四限位孔、第六限位孔和第八限位孔处；当软弱土的粘聚力在25-40kpa时(即：土质较硬时)，选择第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46的劲度系数为7050n/m-12600n/m，第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46分别连接第一固定叶片31、第二固定叶片34、第三固定叶片41和第四固定叶片44的一端位于第一限位孔、第三限位孔、第五限位孔和第七限位孔处；由此第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46压缩的角
度变小，可延长第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46的使用寿命。
78.实施例4
79.一种自动变径的水泥搅拌装置的施工方法，步骤包括：
80.步骤1：测定地层粘聚力，确定弹力杆弹力系数和连接位置；
81.步骤2：根据实施例1、实施例2和实施例3将第一运动单元3安装在外管1上；
82.步骤3：将第二运动单元4安装在内管2上；
83.步骤4：整体安装外管1、内管2和钻头5，并进行搅拌和注浆。
84.具体包括：
85.在步骤1中，利用专用测试地层粘聚力的装置测试粘聚力大小，根据地层粘聚力大小确定弹力杆弹力系数和连接位置，具体为当软弱土的粘聚力在5-25kpa时(即：土质较软时)，选择第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46的劲度系数为1500n/m-7050n/m，第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46分别连接第一固定叶片31、第二固定叶片34、第三固定叶片41和第四固定叶片44的一端位于第二限位孔、第四限位孔、第六限位孔和第八限位孔处；当软弱土的粘聚力在25-40kpa时(即：土质较硬时)，选择第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46的劲度系数为7050n/m-12600n/m，第一弹力杆33、第二弹力杆36、第五弹力杆43和第六弹力杆46分别连接第一固定叶片31、第二固定叶片34、第三固定叶片41和第四固定叶片44的一端位于第一限位孔、第三限位孔、第五限位孔和第七限位孔处。在步骤2中，在外管1上固定安装第一运动单元3，具体地，将第一固定叶片31、第二固定叶片34分别垂直安装在在外管1的相对的两侧面上；接着在第一固定叶片31的一端固定安装第一活动叶片32，第一弹力杆33安装在第一固定叶片31与第一活动叶片32上；在第二固定叶片34的一端安装第二活动叶片35，第二弹力杆36安装在第二固定叶片34与第二活动叶片35上。
86.在步骤3中，先在内管2的相对的两侧设置第一喷浆口6，第三固定叶片41和第四固定叶片44安装在内管2相对的两侧面上，在第三固定叶片41的一端安装第五活动叶片42，第五弹力杆43安装在第三固定叶片41与第五活动叶片42上；第四固定叶片44的一端安装第六活动叶片45，第六弹力杆46安装在第四固定叶片44与第六活动叶片45上。
87.在步骤4中，将内管2安装在外管1内部，且保证外管1与内管2可反向运动，然后安装钻头5，此时可利用水泥搅拌装置进行搅拌和注浆。
88.本发明的有益效果如下：
89.1、本发明设计的水泥搅拌装置可根据地层特性自动变径，无需外加驱动装置，采用纯机械结构，降低设备的使用和维修成本。
90.2、本发明设计的水泥搅拌装置操作过程简单，高效便捷。
91.3、本发明在第一固定叶片、第二固定叶片、第三固定叶片和第四固定叶片上设置多个喷浆口，可加速喷浆过程，节省施工时间。
92.4、本发明设计的第一弹力杆、第二弹力杆、第五弹力杆和第六弹力杆可根据软弱土的粘聚力的数值选择劲度系数，并根据劲度系数选择与第一固定叶片、第二固定叶片、第三固定叶片和第四固定叶片连接位置，由此可延长第一弹力杆、第二弹力杆、第五弹力杆和第六弹力杆的使用寿命。
93.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。