本发明涉及一种改进的钻穴机及一种用该机在土质地基内形成改良基础的方法，以及一种更实用的在土质地基内建造地下截水墙、坍方防护墙或基桩之类的方法。 在现有技术中，早期公开的日本专利No.05-346020提出通过机械搅动和注入固结液在土质地基内形成改良基础。如图22所示，该方法采用一台带转杆2H的钻穴机。转杆2H上有一对搅动翼60H，这对搅动翼60H沿转杆2H的轴向相互隔开设置。每个搅动翼60H上有一喷射固结液的喷咀15H。搅动翼60H转杆2H上的布局能使任一喷嘴15H喷出的固结液与另一喷嘴喷出的固结液相触及。
现有技术中的改良基础包括一直径为D1的中心桩P1和直径为D2的环桩P2。中心桩P1由搅动翼60H将钻出的泥土与转杆顶部喷嘴14H喷出的固结液搅拌及混合而形成。在形成中心桩的同时，喷嘴15H喷出的固结液与绕中心桩P1周围地泥土形成环桩P2。
然而，一旦任一喷嘴15H喷出的固结液在与另一喷嘴喷出的固结液相触及之前被如石块之类的障碍物所拦截，就很难使固结液在环桩P2内与泥土实现充分的混合和搅动，并精确地形成直径为D2的环桩P2。
再者，中心桩P1内钻出的泥土与固结液的混合状态与环桩P2内二者的混合状态亦不同，因为中心桩P1内的泥土主要由搅动翼60H使其与固结液混合，而环桩P2内的泥土主要由喷嘴15H喷出的固结液而不是因搅动翼60H来挖掘。因此，很难在土质地基内形成一整体均匀的改良基础。
此外，如果二个喷嘴15H喷出的固结液相交后的汇流方向成水平或上斜方向的话，有可能使地基拱起或将泥土吹到改良基础的外面。万一这类吹出的泥土打在工人身上，工人就会受到重创。
为了解决上述问题，本发明提出一种改进的钻穴机和一种用该钻穴机在一土质地基内形成一改良基础桩或墙的方法。钻穴机由至少一根其顶端有一钻头的转杆、一个含至少一个可伸缩搅动翼的位于钻头上方的搅拌器、以及至少一个沿下斜方向喷射固结液的喷嘴组成。搅动翼可有选择地伸出或缩进以改变绕着转杆轴线的搅拌器的外径。喷嘴置于搅拌器的上方以使从其中射出的固结液能触及处于伸出位置的搅拌器。
改良基础桩可用该钻穴机以下述方法均匀地形成。转杆插入土质地基内预定深度以在其内形成一孔穴，这时搅动翼缩进且喷咀不喷固结液。随后，边转动转杆边使其从孔穴底部往回抽，回抽时搅动翼伸出且喷咀向孔周围的泥土喷固结液。就这样，以固结液冲刷泥土并以就地与其混和、搅拌的方式来扩大孔穴的直径。最终，直径比孔穴大的改良基础桩就可在土质地基内均匀地形成。本发明钻穴机转杆在回抽时，即使喷嘴喷出的固结液在触及伸出的搅动翼前就被诸如硬土块之类的障碍物拦截，而使未被固结液击碎的少量泥土仍留在土质地基内孔穴50的周壁上的话，伸出搅动翼61仍能将其击碎。因此，具有如意直径的改良基础桩51能在土质地基内精确地形成。而且，由于固结液总是下斜喷射，因此即使回抽到孔穴50的入口周缘处仍能安全地继续作业而不会因固结液喷射而使土质地基拱起或将泥土吹出孔穴外。
因此，本发明的主要目的是推出一种改进的钻穴机，以及一种用该钻穴机在土质地基内安全而精确地形成改良基础的方法。
也可采用多转杆钻穴机有效地在土质地基内形成改良基础墙。每根转杆与上文介绍的转杆实际上一样。即使如此，进行钻穴作业时，每根转杆钻出的孔穴与相邻转杆钻出的孔穴并不重叠。而然后进行回抽作业时，由每根转杆上喷嘴喷出的固结液及伸出搅动翼所形成的搅拌混合域则与相邻转杆的搅拌及混合域部分地重叠，以形成改良基础墙。
下文对较佳实施例结合附图所进行的描述更能体现本发明的其它特征、目的及优点。
图1本发明第一实施例中采用的钻穴机侧视总图;
图2钻穴机钻杆主夹紧装置平面图;
图3主夹紧装置立体图;
图4显示钻杆辅助夹紧装置的夹紧方法;
图5本发明钻杆正视图;
图6A至6E显示用图5钻杆在土质地基内形成改良基础桩的过程;
图7显示在图5钻杆旋转且喷射固结液时获得的搅拌及混合域;
图8显示在图5钻杆旋转、回抽且喷射固结液时所获得的搅拌及混合域;
图9显示图5钻杆按本发明方法从一倾斜孔穴中回抽时所产生的自恢复力;
图10处于缩进状态的带可伸缩搅动翼的搅拌器的横截面图;
图11处于伸出状态的搅拌器的横截面图;
图12另一种处于伸出状态的带可伸缩搅动翼的搅拌器的正视图;
图13处于缩进状态的图12搅拌器的正视图;
图14显示如何伸出或缩进图12的搅拌器;
图15是处于伸出状态的，带可伸缩搅动翼的又一搅拌器的横向平面视图;
图16显示如何伸出或缩进图15的搅拌器;
图17本发明第二实施例中采用的多钻杆钻穴机的正视图;
图18本发明钻杆的正视图;
图19A至19E显示采用图18钻杆在土质地基内形成改良基础墙的过程;
图20显示在图18钻杆旋转并喷射固结液时所获得的搅拌及混合域;
图21显示在图18钻杆旋转、回抽且喷射固结液时所获得的搅拌及混合域;
图22现有技术转杆正视图。
第一实施例
图1系一台该实施例中采用的、置于土质地基上的钻穴机1，钻穴机1包括一钻杆2、一直立于土质地基上的塔架3、一容纳钻杆2的驱动装置及可转动时夹紧钻杆2的主夹紧装置30的可移动壳体4、以及钻穴机1的操作单元5。可移动壳体4借助于钢丝绳或链沿塔架3上的导轨6在图1所示的垂直行程Y内上下移动。钻穴机1还包括一钻杆2的辅夹紧装置40，它邻近于垂直行程Y的上终端。
如图2和图3所示，钻杆2穿过转筒31并与转筒31内表面滑动接触。转筒31由驱动装置带动旋转，并有一对沿径向延伸的水平通孔32。夹臂33分别沿转筒31的径向滑入水平通孔32。钻杆2可夹紧在夹臂33的垂直端34之间。夹臂33的斜端35分别从水平通孔32向外突伸。
连接件20由一带穿钻杆2的中心通孔22的底盘21和一对在底盘21上伸出的立杆23组成。立杆23的楔形端24分别与夹臂33的斜端35滑动接触。带穿钻杆2的中心通孔26的盘台25由置于钻杆2周缘处的一对液力升降器36带动而上下移动。在底盘21与盘台25之间有滚珠轴承27故连接件20可在盘台25上绕钻杆2旋转。同样，当盘台25由液力升降器36带动而上下移动时，连接件20与滚珠轴承27一起也上下移动。
当连接件20由液力升降机36带动而向上移动时，夹臂33的斜端35分别在立杆23的楔形端24上滑动从而闭合夹臂133垂直端34之间的距离。其结果，钻杆2被紧紧地夹在夹臂133之间。当转筒31由驱动装置驱动装置而旋转时，转筒31的旋转通过夹臂33而传递至钻杆2。尽管转筒31的旋转通过夹臂33也传递至连接件20，但连接件20借助于前文所述的滚珠轴承27可与钻杆2一起旋转。因此，通过上下移动可移动壳体4可使钻杆2在旋转状态下进入或抽离土质地基。
反之当连接件20由液力升降器36带动而向下移动时，钻杆2与夹臂33垂直端34间的夹紧状态被解除。因此，由于转筒31的旋转没有被传递至钻杆2，上下移动可移动壳体4就能不带动钻杆2。尤其当钻杆2与主夹紧装置30间的夹紧状态被解除时，最好钻杆2被稳固支承其的辅助夹紧装置40夹住。例如，辅助夹紧装置40由一对夹紧件41组成，每个夹紧件41有一偏心轴42。当每个夹紧件41按图4中箭头所示方向绕偏心轴42转动，以闭合夹紧件41之间的距离时，钻杆2即被夹紧件41夹住。
如图5所示，钻杆2由下杆11、使下杆11到达土质地基内预定深度的上杆、以及连接上杆10与下杆11的接头12组成。下杆11由杆端钻头13、杆端喷液喷嘴14、一对下斜喷射固结液的喷嘴15、有一对可伸缩搅动翼61的搅拌器60和螺旋片17组成。液体按图5中箭头B所示的方向从杆端喷嘴14喷出以便使钻杆2容易进入土质地基。通常，以稀释的水泥浆或水泥浆混合液、膨润土之类的东西作为喷射液。喷嘴15设在钻杆2上搅拌器60的上方。水泥浆、主份是水泥浆的混合液或合成树脂液之类的液体常被用作固结液。搅拌器60的搅动翼61可有选择地伸出或缩进以改变绕着钻杆2轴线的搅拌器60的外径。搅拌器60布局在钻杆2上可使喷嘴15喷出的固结液触及处于伸出状态的搅动翼61处。图5中的P点系指固结液触及搅动翼61处。
如图10和图11所示，搅拌器60由搅动翼61、呈长方形的顶部法兰62和底部法兰63、以及置于顶部法兰62与底部法兰63之间的菱形角柱体状的筒段64组成。一对销子65从底部法兰62的两对角穿至顶部法兰63的相应两对角。搅动翼61的枢轴端66分别与销子65啮合以使每个搅动翼61可绕销子65旋转，继而使搅拌器60搅动翼伸出或缩进。最好搅动翼61的自由端有切割头67，以有助于进行回抽作业。当处于缩进状态的搅拌器60按图10中箭头R所示，绕钻杆2的轴线顺时针方向旋转时，搅动翼61分别绕销子65逆时针方向旋转，搅拌器60改变成图11所示的伸出状态，反之，当处于伸出状态的搅拌器60按图11中箭头L所示绕钻杆2的轴线逆时针方向旋转时，搅动翼61分别绕销子65顺时针方向转动，搅拌器60改变成图10所示的缩进状态。
而且最好钻杆2在上述搅拌器60处有一如图12至14所示的搅拌器60A，搅拌器60A包括一对折叠机构，以及有中心钻杆2通孔的顶盘62A和底盘63A。每个折叠机构包括在其一端有一连接部分64A的搅动翼61A、一油压装置65A、一可使油压装置65A绕其转动的第一销子66A、以及一可使搅动翼61A绕其转动的第二销子67A。一个折叠机构的第一销子66A和第二销子67A相对于钻杆2轴线分别与另一折叠机构的那些销子或中心对称。油压装置65A的可伸缩筒68A与搅动翼61A的连接部分64A相连接，这样，当油压装置65A使可伸缩筒68A缩进时，搅动翼61A可按图14中箭头L′所示方向绕第二销子67A逆时针旋转，搅拌器60A变成图12所示的伸出状态。反之，当油压装置65A使可伸缩筒68A伸出时，搅动翼61A可按图14中箭头R′所示方向绕第二销子67A顺时针旋转，搅拌器60A变成图13所示的缩进状态。在图14中，搅动翼61A的虚线指处于缩进状态的搅拌器60A，而实线系指处于伸出状态的搅拌器60A。
若能如图15和图16所示钻杆2在上述搅动器60处装搅拌器60B则更好。搅拌器60B搅动翼61B的伸缩方式基本上与搅拌翼61A的伸缩方式相同，不同的是搅拌翼61B如图16所示沿着含钻杆2轴线的一垂直平面移动。在图16中，搅拌翼61B的虚线系指处于缩进状态的搅拌器60B，而实线系指处于伸出状态的搅拌器60B。
利用上述钻穴机1，按本发明下述方法作业，可在土质地基内形成改良基础桩。本发明方法包括，图6A和6B所示的钻穴作业以及图6C至6E所示的钻杆2的回抽作业。钻穴时，边旋转钻杆2，边从顶部喷嘴14喷射液体，靠钻头13在土质地基内钻出孔穴50。作业时，搅动翼61缩进，喷嘴15不喷固化液。钻穴作业进行直到孔穴50达到图6B所示的预定深度为止。钻穴时，螺旋片17有助于将钻出来的泥土松软地留在孔穴50内。此外，由于部分钻出来的泥土被排在孔穴50的外面，这可以防止过量液体溢出孔穴50。
回抽时，钻杆2边旋转边从孔穴50的底部抽出;这时，顶部喷嘴14停止喷液体，而搅动翼61则伸出，同时，喷嘴15向孔穴50周围的泥土喷射固化液，以击碎泥土进而扩大孔穴50的直径，其作业方式如同就地使固化液和泥土搅拌和混合。这样，在土质地基内便形成了图6E所示的直径大于孔穴50的改良基础桩。由于固化液总是以下斜方向喷射，故即使在孔穴50的入口周缘处也能安全地继续进行回抽作业而固化液也不会使土质地基拱起或将泥土吹到孔穴的外面。改良基础桩51的直径基本上等于处于伸出状态的搅拌器60的直径。
采用本方法时，由于孔穴50周围的泥土首先被喷嘴15喷出的固化液击碎，故可减少回抽作业中偶然施加在搅拌器60上的脉冲负载。因此，可有效地进行回抽作业而无损伤搅拌器60之忧。此外，即使喷嘴15喷出的固化液在触及处于伸出状态的搅动翼61前即被诸如硬土块之类的障碍物所拦截，而使少量未被固化液击碎的泥土留在土质地基内孔穴50周围时，处于伸出状态的搅动翼61仍可将其破碎。为此，具有所需直径的改良基础桩51能在土质地基内精确地形成。
转动钻杆2并从喷嘴15下斜方向喷射固化液时，固化液的轨迹呈图7所示的锥形曲面X，与转动钻杆并以大致水平方向喷射固化液以获得两维搅拌及混合域相比，本发明的搅拌及混合域是三维的，因而其搅拌和混合是有效的。当钻杆从位置A回抽至图8所示的位置C时，由钻杆2转动和喷嘴15喷射固化液所产生的三维（近似锥形）搅拌及混合域从X1移到X3。另一方面，钻杆2的回转和伸出状态的搅动翼61，提供了图7所示的圆形搅拌及混合域。因此，这些搅拌及混合域的结合为回抽作业提供了更有效的搅拌和混合。
顺便指出，用钻杆2在土质地基内钻穴时，常常因钻穴时钻头13与土质地基间接触压力而使钻杆斜向插入，这样，在土质地基内钻出了倾斜孔穴52。然而，即使在钻穴作业时钻成这种图9所示的倾斜孔穴52，回抽作业时仍能形成垂直精度有所提高的改良基础桩。即，钻杆以图9箭头T所示的回抽力从倾斜孔穴52中抽出，回抽时钻杆2旋转，搅拌器60的搅动翼61伸出，并喷射固化液。由于接触压力消失，倾斜孔穴52周围的泥土又被喷嘴15喷出的固化液软化，钻杆2的自恢复力有效地沿图9箭头M的方向起作用。其结果，倾斜孔穴52内弹性变形的钻杆一旦开始回抽作业便迅速恢复原状。这样，不管孔穴是否倾斜，由随后继续进行的、在钻杆恢复原状下的回抽作业，可在土质地基内形成垂直的改良基础桩。图9中箭头V表示回抽力T的垂直分量。
第二实施例
为了在土质地基内有效地形成一改良基础墙，最好采用图17所示的多钻杆2C钻穴机1C。每根钻杆2C基本上与第一实施例中的钻杆2相同。即，钻杆2C由一钻头13C、一喷射液体的顶部喷嘴14C、一对下斜方向喷射固化液的喷嘴15C、带一对可伸缩搅动翼61C的搅拌器60C以及螺旋片17C组成。搅拌器60C的搅动翼61C可有选择地伸出和缩进以及改变其绕钻杆2轴线的外径，搅拌器60C布置在钻杆2C上，使喷嘴15C喷出的固化液触及处于伸出状态的搅拌翼61C处。每根钻杆2C上的喷嘴15C和搅拌器60C与相邻钻杆2C上的这些部件轴向按图18所示错开，以防止相邻钻杆2C上的处于伸出状态的搅动翼61C发生碰撞。而且，转动钻杆2C以防止相邻钻杆2C之间的固化液发生碰撞。如果需要的话，可按图20所示，在钻杆2E上装配喷嘴15E和搅拌器60E。在这种情况下，需要转动钻杆2E以防止相邻钻杆2E之间的处于伸出状态的搅动翼61E发生碰撞。图18中的箭头系指固化液和液体的喷射方向。
钻杆2C穿过系梁件70C，系梁件70C可按图18所示与钻杆2C一起插入土质地基，系梁件70C有助于保持相邻钻杆2C之间的距离，当然，钻杆2C由系梁件70C上的轴承段72C可转动地支承。系梁件70C上还设有多个向下喷液体的辅助喷嘴71C，以便于系梁件70C进入土质地基。标号73C系辅助喷嘴71C的供液软管。
用钻杆2C，按本发明下述方法可在土质地基内有效地形成改良基础墙51C。该方法包括，图19A和19B所示的钻穴作业以及图19C至19E所示的钻杆2C回抽作业。钻穴时，边旋转钻杆2C，边从顶部喷嘴14C和辅助喷嘴71C喷射液体，靠钻头13C在土质地基内钻出孔穴50。作业时，搅动翼61C缩进，喷嘴15C不喷固化液。钻穴作业进行孔穴50达到预定深度为止。每根钻杆2C上的钻头13C和螺旋片17C的旋转半径设定成一根钻杆2C钻出来的孔不会与其相邻钻杆2C钻出来的孔相量叠，并保持图19B中的间距5。每个50C孔穴如图19B所示由一矩形孔53C与相邻50C孔穴相连，矩形孔53C由辅助喷嘴71C喷射的液体冲出。
接着，钻杆2C从孔穴50C的底部回插。回抽时，钻杆2C旋转但顶部喷嘴14C及辅助喷嘴71C停止喷射液体，而搅拌翼61C则伸出，同时，喷嘴15C向孔穴50C周围的泥土固化液以扩大孔穴的直径，从而使每个钻杆2C形成的改良基础桩与相邻钻杆2C形成的改良基础桩部分重叠，最终形成图19D所示的改良基础墙51C，改良基础墙51C可用作地下截水墙、坍方防护墙、基桩之类，还可用来加强松软的地基。旋转钻杆2E并从喷嘴15E下斜方向喷射固化液时，钻杆2E上喷嘴15E喷出的固化液的轨迹呈图20所示的锥形（X、Y和E）曲面。由每根钻杆喷嘴15E喷射的固化液体和搅动翼61E所形成的三维（近似锥形）搅拌及混合域部分地与相邻钻杆2E的搅拌及混合重叠。在这种情况下，每根钻杆2E的转向与相邻钻杆2E的转向相反。当钻杆2E从位置A回抽至位置C，钻杆2E转动和喷射固化液所产生的搅拌及混合域分别如图21所示从X1、Y1、Z1移至X3、Y3和Z3，从而，产生了有效的搅拌和混合。
在上述实施例中，从本发明的改良基础桩或墙的强度上考虑，最好采用含增强纤维的固化液。纤维可从钢纤维、合成树脂及它们的混合物中选取。比如，增强纤维的长度和直径可分别从3至6厘米以及0.3至1.5毫米的范围内选取。