[0001] 本发明涉及岩土工程地基处理施工机械设备领域，具体地说是用于软土地基加固处理的干法搅拌桩施工专用的一种横向螺旋供料喷射装置及控制方法。

[0002] 我国的软土地基分布广泛，特别是在海湖江河区域的地基土含水量率高、空隙比大、压缩性高。针对这类软土地基，开发需要进行大量的软土地基工程处理。近70年来，在土木建筑工程界经常应用传统的浆喷搅拌桩技术加固处理这类软弱地基。然而，运用浆喷搅拌桩施工技术与工法来加固处理这类软土地基，所获得的加固处理后的地基强度和承载力常常无法满足设计目的。

[0003] 干法搅拌桩技术利用石灰或水泥等固化剂干粉料加固饱和软土地基，该项技术与工法特别适用于含水量率高、空隙比大、压缩性高的地基土，土木建筑工程中应用干法搅拌桩技术可以通过吸水和固化两种途径获得良好的软弱地基加固处理效果。然而，现有的干法搅拌桩施工后台主要采用人工控制的供料罐、通用喷射机及输料管道设备，在施工过程中，粉体下料与喷射机装置操作都是采用人工手动方式，完全是凭工人经验完成的。由于施工人员的技能水平与熟练程度的差异，常会导致粉料下料与喷射输送出现非均匀且不稳定状态，特别容易造成固化材料的输送管道堵塞，从而使干法搅拌桩施工中的固化剂粉料的下料、喷射与输送不连续，施工钻具的固化剂喷射量不均匀，搅拌桩体的施工质量难以保证；并且还会引发施工原材料、用工量和施工工期的浪费。

[0004] 现有技术中存在如下具体技术缺陷：

[0005] (1)干法搅拌桩施工使用的灰料罐的持续供料方式一般采用气压式或转盘式方法，供料速度与供料量均由施工人员手动控制，无法按设计供料量要求准确控制，单位桩长的固化剂喷入量波动幅度很大，甚至时断时续时多时少，桩身强度连续性差，远低于设计桩身强度，特别是在深部桩段经常发生无固化剂或少固化剂的现象。

[0006] (2)粉料喷射机系统的结构设计不合理，喷射机系统喷嘴前方的粉料流化管道及输送管道均采用等直径设计，无法生成良好的气固两相混合旋流，降低了固化剂粉料的气力输送能力，难以满足搅拌桩施工钻机的连续稳定供料要求，这会造成干法搅拌桩的桩身材料与强度的不连续性，导致出现干法搅拌桩的钻孔抽芯失败和质量检测结果不合格。

[0007] (3)由于灰料罐的固化剂供料量无法按设计要求准确控制、粉料喷射机系统结构设计缺陷及干法搅拌桩后台缺失智能控制装置，使得国内干法搅拌桩技术与工法的应用被限制在500mm直径和15m深度范围之内，严重限制了干喷技术的工程应用范围，并且由于干法搅拌桩施工质量常常出现工程质量检测不合格的工程事故，因而被多个省市自治区限制使用。

[0008] 上述现有技术缺陷还会导致增大施工成本，包括材料成本、人工成本、时间成本以及工程设计变更成本，造成干法搅拌桩技术的市场竞争力下降。

[0047] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

[0048] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上端”、“下端”、“内外”、“顶部”、“底部”、“外壁”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0049] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0050] 实施例一：

[0051] 如图1～4所示，本发明提供了一种横向螺旋供料喷射装置，包括罐体1、螺旋送料机构2、喷射机构4以及控制器3，罐体1为压力容器，在罐体1的顶部设置有进料口13，且在进料口13位置设置有开关阀一14，通过开关阀一14的开合实现打开加料和关闭密封；罐体1内部压力设定值为0.3MPa，罐体1的容积不小于2根施工桩体所需固化剂粉料用量体积的1.2倍；罐体1下部为上端大下端小的锥形结构，且锥形角度为70°左右。

[0052] 另外的，螺旋送料机构2横向连接罐体1的下端，且螺旋送料机构2的下料筒7与罐体1连通，喷射机构4包括接受室52、管道混合器54、进气组件以及气料输送管道55，螺旋送料机构2的出料口与接受室52的入口连通，接受室52的出口连通至管道混合器54，进气组件的一端与外部气源连通，另一端连通至接受室52，由罐体1内输送的固化剂粉料在高压气体喷射作用下，经过管道混合器54混合压缩后经由气料输送管道55气力输送至钻机的钻具12进料通道中。

[0053] 本实施例中，在罐体1的下端设置有罐体支架6，罐体支架6的上端连接有称重传感器21，罐体1的外壁支撑在称重传感器21上，且称重传感器21与控制器3电信号连接。具体的，罐体1的外壁通过三个支点架设在罐体支架6上，且各支点位置均放置称重传感器21，用于实时监测罐体1的重量变化，并实时将数据传送至控制器3；然后控制器3通过对螺旋送料机构2的控制，保证固化剂粉料输出量均匀且准确。罐体1上盖呈曲面形状，罐体1内部承压设定值为0.3MPa，罐体1下部锥形角度为70°具体的，上述结构中，在罐体1下端的锥形结构外壁上安装有三个振动器22，为了通过振动器22的振动作用，利于罐体1内粉料的顺畅下落。

[0054] 如图2所示，螺旋送料机构2包括外壳26、螺杆24以及电机组件23，螺杆24可旋转的连接在外壳26内，且螺杆24的中心轴线与外壳26的中心轴线重合；电机组件23与螺杆24的一端传动连接，螺杆24的外壁上设置有外径为150mm直径的螺旋叶片25，且螺旋叶片25的径向外缘与外壳26内壁之间仅留有小于2mm的间隙，更好的保证送料效果；另一方面的，施工中可保证螺旋叶片25间的固化剂粉料不产生回流，在罐体1与喷射机构4的接受室52之间形成有压密闭空间且两个有压空间互不串通，有效保证了气固两相流对固化剂粉料介质的定量且稳定地通过气力输送方式进入施工钻具12进料通道内；再一方面的，上述的电机组件23与控制器3电信号连接，从而实现送料过程的智能化控制。

[0055] 本实施例中，外壳26呈水平状分布，且与罐体1的中心轴线呈垂直角度，具体的，在罐体1的下端连接有下料筒7，下料筒7的上端与锥形结构的下端连接，下料筒7的下端与外壳26一端上侧壁的进料口连接，并且开关阀三15设置在该连接处，用于控制下料口的开启与闭合。

[0056] 具体的，本实施例中，如图3所示，接受室52呈牛角型，且接受室52的入口管521与外壳26直线连通，进气组件平行的设置在外壳26的下方，进气组件出口端伸入至接受室52的出口管522内，且与管道混合器54的入口端处于同一轴线上；另外的，螺杆24的两端分别通过支撑轴承组件27转动连接在外壳26和接受室52的侧壁上，具体是指，在外壳26远离接受室52的一端以及接受室52远离外壳26一端均设置有支撑轴承组件27，两个支撑轴承组件27在水平方向上对称分布，螺杆24的两端分别转动连接在两个支撑轴承组件27上，电机组件23轴向连接在螺杆24的一端。

[0057] 如图2所示，喷射器包括喷射管58和工作喷嘴53，且喷射管58、工作喷嘴53以及管道混合器54的截面中线处于同一轴线上；管道混合器54包括顺序连接的收缩管541、混合管542以及扩散管543，且接受室52的出口与所述收缩管541的入口连通；收缩管541、扩散管
543均锥形管，混合管542为圆柱管，收缩管541的大径端与接受室52的出口连通，收缩管541的小径端与混合管542的一端连通，混合管542的另一端与扩散管543的小径端连通，扩散管
543的大径端与所述气料输送管道55的入口连通。具体来说，管道混合器54采用缩径–等径–扩径的结构形式，有利于形成气固两相旋流和增压，顺利实现密封良好的供气、测控、下料、喷射、气固两相流混合压缩流化及增压功能。

[0058] 如图5所示，本实施例的供料喷射装置在实际工程应用时，在进气组件的前端连接有空气压缩机56和储气罐57，空气压缩产生的高压气体先经过储气罐57，然后经由高压供气管51向工作喷嘴53提供0.6MPa的高压气体；气料输送管道55利用气力输送的方式将经过混合压缩增压的气固两相流介质运送到钻具12进料通道内；另外的，部分由高压供气管51分流出来的罐体增压管17向罐体1提供0.3MPa的高压气体，保证罐体1内的固化剂粉料能够顺利的下料。

[0059] 更加具体的，上述结构中，工作喷嘴53的出口端在接受室52中的位置处于接受室52的中垂线右侧，并可通过改变喷射管58的长度来调节工作喷嘴53的前端位置。

[0060] 作为另一个重要参数，如图4所示，本实施例中的工作喷嘴53的喷气口531直径呈先缩小后增大的结构。工作喷嘴53的喷孔末端内径选用13mm且喷孔内径的放大锥角角度选用3°。当工作喷嘴53的长度和结构确定后，要求在收缩管541入口端的圆形通孔的垂直截面处，工作喷嘴53喷射出的高速高压气体喷射束直径必须小于圆形通孔的直径，以便高压气体喷射束能够全部射入收缩管541内且不产生反射效应。同时，在接受室52内形成负压区，并在高压气体喷射束的环周通过引射流作用将接受室52中的固化剂粉料陆续吸入混合器内部。

[0061] 上述结构中，工作喷嘴53的高压气体喷射束射入收缩管541的流速和压力远高于其环周的固化剂粉料流的流速和压力，在收缩管541区域内形成了非均匀流场，随着收缩管541的内径逐渐缩小和混合管542的管壁摩擦力持续增加，高压气体和固化剂粉料逐渐混合压缩流化，在等内径混合管542中轴线各截面上的气固两相混合流体的流速逐渐趋于均匀分布，并且在混合管542的出口截面上的流速接近均匀分布，高压气体和固化剂粉料经过混合管542内的混合压缩流化形成旋流并进入扩散管543，具有流速较为均匀的气固两相流体流经扩散管543时管内流体的动压力会有所提升，随后气固两相流体进入右端气料输送管道55，再以气力输送方式继续输送到钻具12的进料通道内。

[0062] 更加具体的，本实施例中，进气组件包括高压供气管51和罐体增压管17，其中高压供气管51的出气端连通至接受室52，罐体增压管17的一端通过三通管与高压供气管51连通，另一端连通至罐体1的顶部，用于给罐体1内加压，且罐体增压管17上连接有开关阀四30，用于控制气路的连通与关闭；另外的，在罐体1的顶部还设置有压力表一16以及排气口
19，排气口19通过开关阀二20进行开闭与密封，排气口19可用于进料时对罐体1内的空气进行排放以保持罐体1内部的压力与外部的平衡。罐体1的下端与螺旋送料机构2进料口的连通孔位置设置有开关阀三15；高压供气管51上连接有用于控制进气流量的调节阀33、安全阀二32、压力表二28以及气体流量计29，高压供气管51上连接有气源开关50，开关阀四30、压力表一16、开关阀二20、开关阀三15、调节阀33、开关阀一14、压力表二28、气体流量计29以及气源开关50，且均与控制器3电信号连接。控制器3通过压力表一16以及开关阀四30实现罐体1内压力的监控并维持设计压力值。

[0063] 在施工过程中，控制器3负责供料喷射装置的监测、控制与运行，即通过控制器3的PLC控制程序实现对罐体1内压力的控制，对螺旋送料机构2的设计旋转速度和设计固化剂粉料下料量的控制以及对工作喷嘴53的喷射压力与流量的控制；进而保证持续稳定地通过气料输送管道55向钻具12的进料通道内输送固化剂粉料；同时控制器3负责对气体流量计29、气源开关50和各开关阀门的测量与启闭控制，智能控制器3的应用涵盖了整体设备各机构的量测、控制和运行。

[0064] 本实施例中，结合附图5，还公开了一种横向螺旋供料喷射装置的控制方法，包括以下步骤：

[0065] S1：固化剂粉料准备；打开罐体1上进料口13上的开关阀一14和排气口19上的开关阀二20，往罐体1内加入设定量的固化剂粉料；关闭开关阀一14、开关阀二20；

[0066] S2：根据工艺要求，通过控制器3打开气源开关50和外部的空气压缩机56，通过罐体增压管17向罐体1增压，并使罐体1内的压力保持在设定值；在增压过程中，利用压力表一16监测罐体1的内部压力，当所述罐体1的内部压力大于设定压力时，安全阀一31会自动开启泄压以保证罐体1的内压维持在设定值；同时，经高压供气管51道向工作喷嘴53输送高压空气，控制器3通过气体流量计29、压力表二28及调节阀33对高压供气管51道内的气体流量及压力进行监测；

[0067] S3：待气体输送量达到工艺要求后，利用控制器3打开开关阀三15，启动电机组件23驱动螺杆24旋转并将罐体1内下落的固化剂粉料输送至接受室52；与此同时，通过称重传感器21实时监测并记录罐体1内的固化剂粉料重量变化；当罐体1内的固化剂粉料进入接受室52后，工作喷嘴53向正前方喷射高压气体，并通过引射流方式将固化剂粉料吸入管道混合器54，气固两相流混合压缩增压后形成旋流并进入气料输送管道55，并继续通过气力输送方式将气固两相流介质送入钻具12的进料通道内；

[0068] S4：通过施工钻机的钻具12旋转喷射搅拌，采用两搅一喷下钻喷粉工艺完成搅拌桩施工后，在地基土中形成高质量干法搅拌桩，通过控制器3关闭电机组件23、开关阀三15及气源开关50，停止供料、供气；

[0069] S5：移动施工钻机到新的桩位，并重复实施上述S1～S4的工艺步骤，进行下一根搅拌桩施工供料。

[0070] 实施例二：

[0071] 如图6～9所示，本实施例中，罐体1的底部圆锥角度为85°，罐体1的设定增压值为0.25MPa，由于搅拌桩单桩所用固化材料的体积为3.6立方米，采用罐体1的容积为8立方米，可保证2根搅拌桩的持续供料。罐体1上盖采用平面形式，罐体1下部锥形斜面上设置有四个振动器22，负责在下料时振动粉料，罐体支架6共设有四个支撑点来支撑罐体1。

[0072] 另一种结构形式，在实施一的基础上，本实施例将接受室52的形状做了改变，设置成圆柱形结构，接受室52的两端分别与外壳26、管道混合器54的入口直线连通；螺杆24为中空管，螺杆24的一端与高压供气管51的出口连通且相对转动连接，螺杆24的另一端连接有延伸至接受室52的喷射器，如图7所示。

[0073] 另外的，本实施例中电机组件23、进气组件与外壳26的连接方式与实施一种完全不同。具体的，如图8所示，电机组件23包括固定座70，固定座70位于高压供气管51与外壳26之间，外壳26远离接受室52一端设置有支撑轴承组件27，外壳26内靠近接受室52的内壁上连接有支撑架73，螺杆24的两端分别转动连接在支撑轴承组件27与支撑架73上；此处在支撑架73的中心孔内安装有轴套64，方便螺杆24的转动连接，如图9所示。螺杆24远离喷射器一端可旋转的穿过固定座70与高压供气管51的出口端通过旋转接头63连接；固定座70的外壁上连接有与螺杆24呈垂直分布的电机组件23，电机组件23的动力输出端且位于固定座70内连接有主动齿轮71，螺杆24的外壁上且位于固定座70内连接有与主动齿轮71啮合的从动齿轮72。在此结构中，主动齿轮71与从动齿轮72为呈垂直设置的伞齿结构，通过从动齿轮72的转动带动螺杆24旋转，并且在旋转接头63的作用下使得高压供气管51保持固定不动。在此结构中，中空的螺杆24直接充当供气管，并且直线贯通至接受室52内，保证螺旋供料方向与高压供气方向在同一轴线上，保证固化剂粉料以及高压气体能够混合得更加充分。

[0074] 优选的，本实施例中，外壳26与罐体1的底部呈斜向下15°的倾斜角设置，从而更好地保证外壳26内的固化剂粉料顺利的往接受室52输送。

[0075] 实施例三：

[0076] 如图10～12所示，本实施例中，罐体1的内压设计值为0.32MPa，由于搅拌桩单桩所用固化材料体积为2立方米，故采用的罐体1容积为5立方米，可保证26搅拌桩的持续供料。罐体1下部65°锥形斜面上设有两个振动器22，利于固化剂粉料振动下行。罐体1的罐体支架
6共设有三个支撑点负责支撑罐体1，每个支撑点上均设有称重传感器21负责对罐内粉料进行实时重量监测与记录，确保固化剂粉料定量均匀下料。

[0077] 优选的，本实施例中，螺旋送料机构2位于罐体1底部采用上倾形式布置，其上倾角度为20°，螺旋叶片25的直径为170mm。这样的机构布置，在竖直方向上对于螺旋送料机构2与接受室52、进气组件的结构连接具有更大的操作空间。

[0078] 本实施例的其他结构同实施例一相同，此处不再赘述。

[0079] 虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。