專利名稱：利用機械混合和注入膠結液來固結土壤的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及深鉆領域；具體地，涉及利用機械混合和注入膠結液來固結土壤的設備。
背景技術：
土壤固結有助于利用鉆井裝置進行鉆孔。在鉆進步驟期間，或者在其結束時進行 操作，用于提高與孔大體上對應的土壤區域或其周圍區域的堅固特性。眾所周知，固結操作可以使用如下詳述的技術。第一種技術稱作“機械干混合”，其在含有大量水的土壤中頻繁使用；使用這種技 術需要利用例如在通常不超過30巴的壓力下壓縮的空氣以及配備有相對于鉆桿組固定的 旋轉刮刀的混合工具將粉末狀水泥注入到土壤中。第二種技術稱作“低壓濕法混合”，其中，利用由水和混凝土的混合物(通常稱作 “水泥漿”)組成的流體射流提供固結。同樣，流體射流的特征是貫穿工具的低壓(最大為 大約40-50巴)，所述工具配備有能夠使土壤與上述流體混合的刮刀。第三種技術稱作“高壓機械濕法混合”。利用第三種方法，利用注入高壓(通常為大約100-400巴)水泥漿射流進行固結 土壤的處理，水泥漿從配備有混合刮刀(通常位于徑向位置)的鉆進和注入工具的筒體流
出ο這樣，通過混合刮刀確保固結區域的最小直徑(為此，使用術語“機械最小量”)， 通過固結流體的壓力確保最大直徑。更具體地，實際上，固結流體還可以對未被鉆進和注入 鉆進工具的范圍覆蓋的土壤區域起作用。特別是參考所述的第三種即最后一種方法，在鉆進(向下)期間或在鉆進(向上) 結束時，或者根據所處理土壤的類型沿雙方向發生土壤混合。對于特殊的設計要求(例如，在建筑地基已經安放或者已經進行土壤的必要處理 之后需要出土操作的情況下)，可能只需要在位于某一深度處的部分土壤中進行機械混合。 在這種情況下，在行業內使用術語“無效橫動”，描述了在刮刀保持閉合的狀態下，鉆進和混 合工具(安裝有徑向設置的可延伸刮刀)從現場地平面到達處理深度以確保最小鉆進直徑 的過程。該解決方案能夠高速鉆進并且更為經濟。目前存在能夠進行包容尺寸的初始鉆進的工具，當達到預定深度時，通過打開類 似于刀具的一些機械構件，稱作“混合刮刀”，在與更低深度處相比大得多的直徑上進行鉆 進作業或者僅將土壤與注入的膠結液混合。就易處理土壤而言，可以順利地向下進行土壤混合；作為替代，在面對“難處理”土 壤時，在進行注入不同流體的預操作之后(在初始下降步驟期間)，混合優選地向上進行， 以便使土壤變輕并使其準備進行隨后的混合。就鉆進、切割和混合裝置而言，現有技術中已知多篇文獻。例如，文獻No. US 7，195,080教導了如何解決為鉆進直徑(其可以由加工構造中的切割裝置(刀具)提供)的獨特性所固有的問題。文獻No. US 7，195，080還教導了如何 通過阻擋裝置(其在操作期間減少了刀具的振動)使刀具的剛性更大。更具體地，文獻No. US 7，195，080顯示了在下降步驟期間擴寬鉆孔的工具，對于 其切割裝置(刀具)的徑向打開運動而言，其可以利用液壓能，通過插入連接到位置指示器(分度器)上的線性致動器(千斤頂)，所述 位置指示器能夠調整所述刮刀的開啟以便使鉆進直徑可變；其他形式的能量，例如電能，通過提供電動機和/或其它簡單機械裝置。更具體地，液壓能通過專用流體提供或者使用與用于挖掘相同的流體(膨潤土)。 該流體致動使主體軸向位移的千斤頂，所述主體通過在多個支點上撬動使刀具向外打開。 在加壓流體進入之后，阻擋裝置推壓刀具。一旦達到預定深度，在鉆進作業結束時，專用流 體或鉆井液(膨潤土)的輸送中斷，使得阻擋裝置自由移動，隨后松開刀具，所述刀具能夠 再次自動關閉，直到它們到達初始位置為止。然而，先前文獻所述的方法存在一些不足。事實上，利用該方法不可能在鉆進步驟 期間利用鉆井液(膨潤土)進行動作，使刀具保持關閉。此外，上述文獻沒有教導注入不同 于鉆井液(膨潤土)的膠結液的可能性。最終，根據由文獻No. US 7，195，080所代表的現 有技術，鉆頭在刮刀通過機械和電氣裝置移動的情況下必須具有專用于刮刀移動系統的通 道或機械裝置。此外，更具體地，根據工作環境，刮刀通過電氣裝置進行運動是非常麻煩和 精細的。同樣重要的是，美國文獻沒有教導如何制造頭部，其能有效地進行向下運轉和向 上運轉且均能進行固結。
發明內容
本發明的目的在于提供不具有上述缺陷的設備，用于通過機械混合和注入膠結液 使土壤固結。根據本發明，提供了利用機械混合和注入膠結液來固結土壤的設備，如權利要求1 所述。
現在將參考附圖描述本發明，所述附圖顯示了本發明實施例的非限制實例，其中圖1顯示了利用機械混合和注入膠結液來固結土壤的設備的第一立體視圖，所述 設備配備有刮刀，刮刀處于閉合狀態；圖2顯示了圖1所示設備的橫截面；圖3顯示了刮刀處于打開狀態的圖1所示設備的第二立體視圖；圖4顯示了圖3所示設備的橫截面；圖5和圖6顯示了圖1所示設備的一部分的第一可替換實施例；和圖7顯示了圖1所示設備的一部分的第二可替換實施例。
具體實施例方式參考圖1，利用機械混合和注入膠結液來固結土壤的設備整體上由附圖標記1表示。該設備包括在使用中固定到鉆桿組(未顯示)上的主體10，可以利用該主體將流體引 入鉆孔中。所述流體通常在鉆桿內流動。設備1 (其在使用期間通常自動開啟)具有多個活動式鉆進和/或混合刮刀30，所 述刮刀沿著設備的主體設置，并且具有第一使用位置(此時刮刀大體上沿設備1的最大延 伸方向設置)和第二使用位置(此時刮刀延伸至大體上由設備1的主體10確定的體積之 外)。如圖2所示，設備1還包括位于其內部的內部結構20，所述內部結構在主體10的 內部被軸向引導，其具有一或多個側向區域21，所述側向區域被設計成沿主體10的一或多 個導向裝置12滑動。更具體地，內部結構20可以相對于主體10滑動并且接收旋轉鉆進扭矩。內部結構20相對于主體10沿由箭頭表示的方向滑動導致鉸接在主體10上的多 個刮刀30打開，這樣，所述刮刀從設備1向外延伸。更具體地，所述運動可以通過設置在內部結構20的特意設計的支架上的多個凸 輪22進行，所述凸輪與固定于相應刮刀30上的相應銷31接合。設備1還具有用于使流體通過的內部管道40，所述內部管道設計成(通過已知方 式)以確保流體密封的方式連接到鉆桿上。固定于內部結構20上的內部管道40具有第一 終端41、43和面向設備1的外表面的相應的第二終端42 ；更具體地，第一終端41、43沿著 相對于內部管道20的朝向的橫向方向定位，并且定位于刮刀30的上方區域和下方區域；終 端41、43可以按照操作需要而封閉。與之不同的是，第二終端42引導流體以一定傾角(例如但不限于45度)向下流 動，所述傾角可以相對于鉆進方向發生變化。根據設備1的優選實施例，所述第二終端42 定位在設備1本身的底端。最后，設備1安裝有被限制在主體10和內部結構20之間的對抗彈簧(contrast spring) 50，所述彈簧具有非工作位置(此時內部結構20向上縮回)和伸展位置(此時內 部結構20向下移動并因此導致多個刮刀30向外打開)。對抗彈簧50的作用力可以進行調節。為了輔助刮刀30保持在閉合位置(第一使用位置)，設備1還設置有沿著由內部 結構20大體上限定的圓周徑向設置的多個接納件60，一個接納件對應于一個刮刀30，所述 接納件在距離刮刀30的鉸接端部一定距離處產生作用于端部的機械對抗。接納件60向下方敞開，以有助于可能在鉆進和混合步驟期間積聚在其內部的任 何物質排出。當對抗彈簧50使刮刀30保持在第一使用位置(即，閉合位置)時，接納件60能 夠固定刮刀30 ；實際上，接納件60以至少部分地與刮刀30重疊的方式設置在內部結構20 上。反之，當提供了足以壓縮對抗彈簧50的作用力并且中心結構20向下延伸(即，延伸到 主體10之外)時，接納件60松開刮刀30的一端，從而使刮刀伸出。總之，無論怎樣，中心結構20的行程要使得當刮刀30完全閉合時，具有確保接納 件60將其自身至少部分地設置在刮刀30(只有當其完全閉合時)上的一定間隙。換句話 說，中心結構20的行程包括第一無用行程(其中，接納件平行于刮刀30移動，從而由此脫 離接納件)和第二行程(其中，上述刮刀30向外打開)。
多個機械對抗元件23對刮刀30的打開進行限制。機械對抗元件23布置在中心 結構20的徑向位置處，通過與形成主體10的一部分、并位于刮刀30上方的止動裝置13相 抵靠而確定由刮刀30在旋轉期間大體上限定的圓周的最大直徑。所述止動裝置13(其可 以拆下和互換)具有這樣的形狀該形狀能夠使中心結構20相對于主體10進行不同的位 移，從而獲得處理土壤的多個直徑。作為所述實施例的可替換方案，可以使用設備1的另一實施例，其可以使用平衡 流體作用力的其它裝置代替彈簧，例如具有壓縮氣體的腔室，或者電氣或磁性液壓補償器。在使用中，在下放設備1期間，低壓(大約40-50巴)的鉆井液例如空氣、水、膨潤 土或水泥漿通過內部管道40引入井孔中。在鉆進步驟，即向下工作期間，設備1可以在刮刀30處于第一使用位置的情況下 移動，其中，刮刀設置為與設備1的最大延伸方向大體上平行。低壓流體引入內部管道40內產生沿與鉆進方向大體上平行方向作用的作用力， 其作用在內部結構20上，然而，該作用力不能導致多個刮刀30打開。實際上，所述作用力 由對抗彈簧50施加的相反作用力(至少在絕對值上相等)平衡。顯而易見，在干式工作情形下，即，不使用任何流體進行鉆進期間，刮刀30仍然保
持在第一使用位置。反之，當到達必須進行機械混合及井孔加寬處理的深度時，混合流體在如下壓力 下被引入內部管道40內所述壓力能夠克服由對抗彈簧50施加的作用力，從而使刮刀30 能夠向外打開。更具體地，混合流體可以是水泥、水泥漿、樹脂或其它固結化學混合物。顯而易見，迄今為止所描述的作用力不僅僅考慮對抗彈簧50的保持力；特別地， 使刮刀30能夠打開所需的作用力必須高于彈簧作用力、摩擦力、用于打開刮刀的作用力以 及在設備有效操作期間可能介入的通常所有其它作用力。顯而易見，最大鉆進直徑與刮刀30相對于第一使用位置旋轉90度之后的直徑相 對應。更具體地，圖3和圖4分別顯示了設備1的立體視圖和剖視圖，其中，可以注意到 與相應止動裝置13抵靠的機械對抗元件23。還可以注意到，刮刀30怎樣才能夠根據要求 閉鎖在小于90度的最大打開角度，乃至大于90度的角度(指相對于設備1在使用中首先 進入土壤中的部分進行測量而言)。更具體地，在固結操作過程中，S卩，刮刀30打開(第二使用位置)期間，除了由混 合流體作用在中心結構上的壓力導致的打開效應之外，還存在阻擋作用力。該阻擋作用力 由因主體10和中心結構20之間旋轉引起的扭矩傳遞所產生的摩擦力的分量形成；扭矩實 際上通過導向裝置12的表面傳至側向區域21。因此，使中心結構20趨于移動的任何外部 作用力在導向裝置12和側向區域21之間產生反向摩擦力，從而防止刮刀30的任何運動。在阻擋中心結構20時，通過接合在相應凸輪22中的銷31獲得對刮刀30的機械 式阻擋。當施加向上的運動時，設備1開始機械混合處理，混合流體從第一、第二和第三終 端41-43流出。適當的閥裝置(未顯示)通過封閉通往終端42 (如果受到混合流體(處于 較高壓力下)作用的話)的通路可以防止流體本身從下面流出，以及使在刮刀30附近僅沿橫向方向的分散作用集中。—旦已經到達固結處理結束的深度(根據特定情況，所述深度可以與地表一致或 不一致)，混合流體的輸送中止，對抗彈簧50使中心結構20縮回設備1的主體10中，從而 閉合刮刀30，其隨后由多個接納件60阻擋。盡管已經描述了向上混合的步驟，實際上，還可以向下執行刮刀30打開的步驟以 及注入混合流體的步驟。在后一種情況下，與之前描述的情況不同，刮刀30在混合之后閉 合的深度是所希望的最大深度或者回到混合開始時的深度。特別地，在向下進行土壤混合的情況下，刮刀30的這種布置(其在打開期間具有 面向土壤的、遠離主體10的自由端)在混合操作期間產生與鉆進運動相反的作用力，其有 助于刮刀30本身保持向外打開。這在對難處理土壤進行處理時尤為有用。設備1還可以進行改造以便在其向上返回時獲得刮刀30的凹入構造，在這種情況 下，將刮刀30的鉸鏈定位在主體10上低于中心結構20的區域內，并且將凸輪22和銷31 兩者的布置顛倒。另外，該設備安裝有用于測量主體10和中心結構20之間距離或者用于測量刮刀 30的向外打開程度即有效固結直徑的感測裝置(未顯示)。實際上，如果預先知道刮刀30 的長度的話，例如通過測量主體10和中心結構20之間的相對位移，或者替代性地通過測量 刮刀30的打開角度，可以以相當高的精度獲知它們正在進行工作的直徑。上述裝置可以包括利用電動液壓或其它方式進行驅動的線性位置或角位置傳感 器以及顯示或表示數據的適當系統。就從位置傳感器向用于顯示或表示數據的系統的數據傳輸而言，可以使用信號電 纜或者無線型數據傳輸技術。圖5和圖6顯示了上述設備的刮刀30'的第一可替換實施例。更具體地，刮刀30'是可伸縮式，其設計成向外延伸，從而能夠在不顯著增大設備 的縱向尺寸的情況下獲得更大的混合直徑。此外，獲得了逐漸增大的混合直徑，因此在最靠 外區域(對應于較大直徑)進行混合期間對銷的反作用力不太劇烈，因為位于較靠內區域 (對應于較小直徑)的土壤已經混合并因此分散，從而承受低得多的阻力。更具體地，刮刀30'包括鉸接到設備本體上的第一內部部分30' .1和部分地包 覆在內部部分30' . 1內的第二外部部分30' .2。刮刀30'的延伸通過利用與控制其向外打開的相同流體來實現，并且尤其通過設 置成只在刮刀30'本身的給定打開階段才與管道40連通的腔室50來實現，腔室50與管 道40連通使加壓流體通過，所述加壓流體對第二部分30' .2的頭部51起作用，如圖6的 箭頭所示。進而頭部51作用于彈簧90，所述彈簧設計成在沒有流體壓力的情況下使刮刀 30'保持在縮回(和未延伸)位置。更具體地，螺旋彈簧90位于刮刀30'的第一部分30' .1的最外區域，并且在腔 室50中的壓力增大時被壓縮。替換性地，刮刀30'還可以通過取決于專用閥(未顯示)的壓力進行延伸。最終，圖7顯示了刮刀30"的第二可替換實施例，其中，旋轉軸(鉸鏈32的軸線) 沿不與工具的橫向直徑相切的方向設置，但無論怎樣均能夠使刮刀30延伸到最大直徑。本發明的優點通過上面的描述清晰地顯現出來。更具體地，設備1能夠使用于擴寬鉆孔的單個工具(其能夠向上和向下操作)與用于混合流體輸送的裝置組合。裝置可 以利用相當簡單的機械裝置致動，在很大程度上(除了沿鉆進方向產生的可能的作用力之 外)通過注入到內部管道40中的液體壓力導致刮刀30向外打開。因此，在無需安裝特別復 雜或昂貴的設備的情況下，改變引入所述管道的流體壓力就足以改變設備1的操作構造； 例如，提供能夠產生不同壓力范圍的泵就行。因此，還可以利用鉆井液進行操作，保持刮刀 閉合并且以較小直徑進行鉆進，從而節省了能量和時間。這樣，鉆桿的結構同樣可以顯著改進，因為它不再需要-具有兩個專用的輸送頭部，一個專用于傳送流體，另一個專用于致動刮刀；或-具有雙通道桿，從而減少了結構難度并且減輕了所要移動的設備重量。最后，通過去除專用于打開或關閉刮刀30的致動器裝置例如千斤頂、電機或分度 器，進一步簡化了設備；僅通過利用由流體壓力產生的作用力就可以進行操作。可以對所述設備進行一些改變。更具體地，相對于已經描述的情形而言，要安裝在 設備上的刮刀數目可以變化，同樣，其形狀也可以變化。首先，相對于附圖所示的情形而言，如前所述的設備的刮刀數目可以變化，因此附 圖所示情形表示設備的優選實施例的非限制實例。可替換地，可以使用鉸接在中心處的單個刮刀以產生自動平衡的反作用力負載。此外，在設備1的底部，可以具有其形狀有助于在例如特別堅硬的土壤中進行鉆 進的尖銳橫刃。顯而易見，中心主體20和外部主體10之間的相對運動可以通過作用于前者(如 上文所述)或后者(即，保持中心主體20固定)獲得。
權利要求
1.一種用于通過機械混合和注入膠結液來固結土壤的設備(1)，其設計成連接到一 或多個鉆桿上并且進行鉆進和混合操作；所述設備包括主體(10)；—或多個刮刀(30) (30' )(30")，所述刮刀相對于所述主體(10)是可動的并且由位于所述主體(10)內的中 心結構(20)通過凸輪(22)控制；該設備(1)還包括供流體流動的裝置(40)，其以液密方 式連接到至少一個噴射器上；其特征在于，根據被引入到所述供流體流動的裝置(40)中的液體的壓力，在所述中心 結構(20)和外部所述主體(10)之間產生相對運動，使所述刮刀(30) (30' )(30")打開。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述中心體(20)連接到對抗裝置(50)上，所述對 抗裝置用于對抗引入到所述供流體流動的裝置(40)中的液體的壓力；所述對抗裝置(50) 具有第一操作狀態，其中，液體壓力處于第一范圍內，并且其中，對抗裝置(50)使所述中心 體(20)保持朝其縮回并且還使所述刮刀(30) (30' )(30")保持在第一使用位置，在第一 使用位置，刮刀(30) (30' ) (30〃 )大體上沿所述設備(1)的最大延伸方向設置；第二操作狀態，其中，液體壓力處于平均值明顯高于第一范圍的第二范圍內，其中， 所述液體的壓力將所述中心體(20)推向設備(1)的外側并且還將所述刮刀(30) (30') (30")設置在第二使用位置，在第二使用位置，所述刮刀(30) (30' )(30")延伸超過大 體上由設備(1)的主體(10)確定的體積，從而限定比對應于第一使用位置的鉆進直徑更大 的鉆進直徑。
3.如權利要求2所述的設備，其中，所述平衡裝置(50)包括負載可調的彈簧。
4.如權利要求2所述的設備，其中，所述中心體(20)在所述第二操作狀態中滑動，直 至其達到最大行程，所述最大行程通過機械對抗元件(23)撞擊多個止動裝置(13)來限定； 所述機械對抗元件具有設計成在主體(10)的一或多個導向裝置(12)內滑動的側部區域 (21)。
5.如權利要求3所述的設備，其中，作用在所述中心結構(20)上的處于所述第一范圍 內的液體的壓力確定了一作用力，該作用力明顯小于至少部分地由所述對抗裝置(50)施 加的反向力；并且其中，作用在所述中心結構(20)上的處于所述第二范圍內的液體的壓力 產生一作用力，該作用力明顯高于至少部分地由所述對抗裝置(50)施加的反向力。
6.如權利要求1所述的設備，還包括設置在所述內部結構(20)的支架上的多個凸輪 (22)，所述凸輪與固定于相應的刮刀(30) (30' ) (30")上的相應的銷(31)接合。
7.如權利要求2所述的設備，其中，所述中心結構(20)上固定有用于刮刀(30)的多個 保持裝置(60)，所述保持裝置設計成當所述刮刀(30) (30' ) (30")設置在所述第一使 用位置時，所述保持裝置在與刮刀(30) (30' )(30")的被限制到主體(10)上的端部相距 一定距離處實現固定。
8.如權利要求7所述的設備，其中所述保持裝置(60)是敞開的，且敞開方式使得有助于在鉆進和混合操作期間可能積 聚在其內部的任意材料排出；和所述中心結構(20)具有包括第一無用延伸行程的移動，其中，刮刀(30) (30' )(30") 能夠相對于保持裝置(60)移動并脫離，并且在刮刀(30) (30' )(30")自身閉合的最后步 驟中在刮刀(30) (30' ) (30")和保持裝置(60)之間存在部分重合。
9.如權利要求1所述的設備，其中，混合流體能夠在深度下降的第一步驟和朝向地面 上升的第二步驟期間引入所述供流體流動的裝置(40)內。
10.如權利要求4所述的設備，其中，在所述設備(1)旋轉期間，所述導向裝置(12)提 供用于阻擋所述刮刀(30) (30' ) (30")的輔助手段，這通過由導向裝置(12)的表面傳遞 給側部區域(21)的扭矩產生的摩擦來實現。
11.如權利要求1所述的設備，包括感測裝置，所述感測裝置用于測量主體(10)和中心 結構(20)之間的相互移動和/或刮刀(30) (30' )(30")的向外打開程度；所述感測裝置 包括線性位置傳感器或角位置傳感器和用于顯示或表示數據的系統。
12.如權利要求1所述的設備，其中，所述噴射器形成包括第一系列噴射器(41，43)和 第二系列噴射器(42)的多個噴射器的一部分，其中，所述第一系列噴射器(41，43)的至少 一部分的取向沿所述刮刀(30) (30' )(30")重疊的方向引導液體射流，并且其中，所述第 二系列噴射器(42)的至少一個噴射器在所述保持裝置(60)的附近向下取向并且能夠由阻 斷流動的裝置封閉。
13.如在先任意一項權利要求所述的設備，其中，所述刮刀(30')為可伸縮的并且均 具有對抗裝置(90)，所述對抗裝置設計成施加與所述刮刀(30')的延伸相反的作用力。
14.如在先任意一項權利要求所述的設備，其中，所述刮刀(30")具有沿不與所述設 備的橫向直徑相切的方向設置的相應的支撐銷(32)。
全文摘要
通過機械混合和注入膠結液來固結土壤的設備(1)，其設計成連接到一或多個鉆桿上并且進行鉆進和混合操作；所述設備具有主體(10)；一或多個刮刀(30)(30′)(30″)，其相對于所述主體(10)是可動的并且通過凸輪(22)由位于所述主體(10)內的中心結構(20)控制；該設備(1)還具有供流體流動的裝置(40)，其以液密方式連接到至少一個噴射器上；根據被引入到所述供流體流動的裝置(40)中的液體的壓力，在所述中心結構(20)和外部所述主體(10)之間產生相對運動，使所述刮刀(30)(30′)(30″)打開。
文檔編號E02D3/12GK102105638SQ200980129281
公開日2011年6月22日 申請日期2009年6月8日 優先權日2008年6月27日
發明者E·比塞爾納 申請人:索伊爾梅克股份公司