阅读说明：本技术 一种基于空化效应反循环的孔底清渣装置及方法 (Hole bottom slag removal device and method based on cavitation effect reverse circulation ) 是由 袁鹏 韩兴广 王学刚 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于空化效应反循环的孔底清渣装置及方法,属于钻孔灌注桩、扩底桩施工技术领域,所述孔底清渣装置包括水龙头、导水管、泥浆泵以及设置在地面的储浆池和沉渣池；所述孔底清渣装置还包括超声波振动装置,所述超声波振动装置与所述泥浆泵通过所述导水管连接；所述超声波振动装置底部设有超声波振动器。本发明还包括使用上述装置进行的孔底清渣方法。本发明将超声波空化效应与反循环方式结合,加快了孔底的清渣速度,大大降低清渣时间,提高清渣效果；具有泥浆用量少、费用低、清渣效率高以及清渣彻底的优点；本发明采用超声振动器产生超声波空化现象从而将孔底沉渣翻起,促进沉渣表层脱落,解决了因内外压力差引起的钻具卡钻问题。(The invention relates to a hole bottom slag removal device and a hole bottom slag removal method based on cavitation effect reverse circulation, which belong to the technical field of construction of cast-in-situ bored piles and club-footed piles, wherein the hole bottom slag removal device comprises a water faucet, a water guide pipe, a mud pump, a slurry storage tank and a slag settling tank which are arranged on the ground; the hole bottom slag removal device also comprises an ultrasonic vibration device, and the ultrasonic vibration device is connected with the mud pump through the water guide pipe; and an ultrasonic vibrator is arranged at the bottom of the ultrasonic vibration device. The invention also comprises a hole bottom slag removal method using the device. The invention combines the ultrasonic cavitation effect with the reverse circulation mode, accelerates the slag removal speed of the hole bottom, greatly reduces the slag removal time and improves the slag removal effect; has the advantages of less slurry consumption, low cost, high slag removal efficiency and thorough slag removal; the invention adopts the ultrasonic vibrator to generate ultrasonic cavitation phenomenon so as to turn up the sediment at the bottom of the hole, promote the surface layer of the sediment to fall off and solve the problem of drill tool jamming caused by the pressure difference between the inside and the outside.)

一种基于空化效应反循环的孔底清渣装置及方法

技术领域

本发明属于钻孔灌注桩、扩底桩施工技术领域，特别涉及一种基于空化效应反循环的孔底清渣装置及方法，用于砼灌注前的孔底清渣，也可用于钻孔埋钻事故处理。该技术主要应用于铁路、公路、隧道开挖施工、地质钻探、水文水井等领域。

背景技术

随着我国高速铁路、高速公路、城市建筑及地下工程等基础设施的蓬勃发展，钻孔灌注桩、扩底桩等以其承载力高，抗拔、抗剪及抗腐蚀能力等，逐渐成为一种经济适用的基础形式，但施工过程中桩端沉渣不能够有效的清除，桩端阻力大幅度下降，进而影响基桩承载力。

为解决上述问题，常常采用循环清渣工艺或者需要人工清渣才能达到预定标准，不仅极大的降低了施工效率，而且人工清孔也增加了工人的危险系数。目前，对钻孔灌注桩灌前孔底沉渣的处理主要有以下几种方法

（1）打捞清渣：利用抓斗出孔排渣或抓斗和泥浆循环复合排渣，该方法缺点是成孔不规则、需要重复钻进以及清除孔底沉渣不彻底。该方法中采用的设备能力有限，仅适用浅孔作业。

（2）正循环冲洗液清渣：通过导管送入含砂量较低的泥浆冲孔，将孔底沉渣冲起并缓慢循环带出孔外沉淀。该方法缺点事耗时长且清渣不彻底，由于孔内泥浆含砂量较高，随着钻孔深度增加，停止冲孔后泥浆中泥砂会很快沉淀产生沉渣，污染环境且需要大量膨润土，造价高。

（3）反循环冲洗液清渣或气举反循环清渣：目前较好的清渣方法，该方法缺陷是大多数桩底沉渣有固结的情况，存在固结力和粘聚力，遇到软土地层需多次清孔，导致清孔效果较差。反循环砂石泵结构复杂和笨重，故障较多，使用技术要求较高，其维护成本高。

综上所述现有技术有待改进和发展，因此有必要设计一种能够有效快捷的清渣工具，符合现代化机具的发展趋势，以提高钻孔灌注桩、扩底桩等基桩的清渣效果。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在沉渣难以清除、人工清渣危险系数大、反复循环清渣成本高且效率低的技术问题提供一种基于空化效应反循环的孔底清渣装置及方法，具有结构简单、使用方便、效果显著且成本低的特点。

本发明包括如下技术方案：一种基于空化效应反循环的孔底清渣装置，包括水龙头、导水管、泥浆泵以及设置在地面的储浆池和沉渣池；所述孔底清渣装置还包括超声波振动装置，所述超声波振动装置与所述泥浆泵通过所述导水管连接；所述超声波振动装置底部设有超声波振动器。

进一步的，所述超声波振动装置还包括绝缘外壳和铠装电缆。

进一步的，所述绝缘外壳整体为空心圆台，所述空心圆台顶部设有所述铠装电缆，所述空心圆台底部设有多个所述超声波振动器。

进一步的，所述空心圆台的中空形状呈喇叭状，便于导水管吸取孔底的含有大量沉渣的泥浆。

进一步的，多个所述超声波振动器通过支架刚性连接在一起。

进一步的，所述水龙头设置在所述导水管上。

进一步的，所述储浆池和沉渣池之间设有挡泥板，所述挡泥板左侧为储浆池、右侧为沉渣池；所述泥浆泵的排水口位于所述沉渣池侧边；所述储浆池与作业桩孔之间设有回浆槽。

一种基于空化效应反循环的孔底清渣方法，包括以下步骤：

S1根据作业桩孔的情况布置孔底清渣装置：挖好泥浆池后在其中设置挡泥板，挡泥板将泥浆池分为储浆池和沉渣池两部分，储浆池和作业桩孔之间设置回浆槽；将超声波振动装置安装在导水管的下方，导水管上方连接泥浆泵，然后将超声波振动装置和导水管送入孔底；

S2调试设备并开始清渣作业：超声波振动装置采用铠装电缆通入电流同时启动超声波振动器，通过电控箱调节超声波振动装置的频率和功率；地面上方电控系统产生的高频电流经铠装电缆和超声波振动装置转换为纵向机械振动；同时启动泥浆泵，利用泥浆泵反循环将含有大量沉渣碎屑的泥浆流入泥浆池，碎屑杂质沉淀在沉渣池中，净化后的泥浆流入储浆池，储浆池中的泥浆再由回浆槽流入孔内，形成闭环反循环系统，以此反复下一个循环；

S3对装置位置进行调整：通过上提下放调整超声波振动装置的位置，来充分运用超声波振动及空化效应；

S4结束清渣作业：清除完成后关闭电源及泥浆泵，通过地面缆车收放装置将超声波振动装置和导水管起出，完成清渣作业。

进一步的，所述超声波振动装置的频率20khz-45khz时达到超声波在液体中空化效应最优值。

进一步的，S2中所述纵向机械振动频率大于20000次/s。

进一步的，采用地面缆车收放装置将超声波振动装置送入孔底并进行孔内位置调整。

本发明工作原理：液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程为超声波空化现象。几十千赫兹的超声波在正常温度与压力的液体中会产生瞬时的高温和高压，对沉渣产生极强的冲击作用，在空化泡崩溃的瞬间释放巨大的能量。

进行孔底清渣作业时，首先通过电控箱调节超声波振动装置的频率、功率等，使其达到超声波在液体中空化效应最优值。在超声波振动装置工作过程中，空化泡崩溃释放的能量及高速微射流对沉渣产生极强的冲击作用，破坏沉渣颗粒间的粘聚力、固结力和内摩擦角，能够翻起沉渣，促进沉渣表层脱落，加速浮土与孔底本体的脱离速度。此时启动泥浆泵将含有大量沉渣的泥浆通过导水管抽入沉渣池，经沉渣池分离砂土与浆,砂土在沉渣池沉淀,泥浆经储浆池后，由回浆槽返回作业桩孔。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明将超声波空化效应与反循环方式结合，加快了孔底的清渣速度，大大降低清渣时间，提高清渣效果；具有泥浆用量少、费用低、清渣效率高以及清渣彻底的优点；本装置也可用于钻孔埋钻事故处理，降低了清渣工作的成本。

2、本发明采用超声振动器产生超声波空化现象从而将孔底沉渣翻起，促进沉渣表层脱落；超声振动引起质点很大的振动速度和加速度，使沉渣受到频繁而激烈的冲击不易附着在钻具表面，能够解决因为内外压力差引起的钻具卡钻问题。

3、本发明设有挡泥板防止沉渣池中的砂土随泥浆回流进作业桩孔。

4、本发明采用组装式结构，装置中各部件可拆卸，组装便捷。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是超声波振动装置的立体结构示意图。

图3是超声波振动装置的主视结构示意图。

图中，1-水龙头；2-导水管；3-超声波振动装置；4-储浆池；5-挡泥板；6-沉渣池；7-泥浆泵；8-回浆槽；9-绝缘外壳；10-铠装电缆；11-超声波振动器。

具体实施方式

为能进一步公开本发明的发明内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图详细说明如下。

实施例：参阅附图1-3，一种基于空化效应反循环的孔底清渣装置，包括水龙头1、导水管2、泥浆泵7以及设置在地面的储浆池4和沉渣池6，所述水龙头1设置在所述导水管2上。所述泥浆泵7的排水口位于所述沉渣池6上方。所述储浆池4和沉渣池6之间设有挡泥板5，所述挡泥板5左侧为储浆池4、右侧为沉渣池6。所述储浆池4与作业桩孔之间设有回浆槽8。

所述孔底清渣装置还包括超声波振动装置3，所述超声波振动装置3与所述泥浆泵7通过所述导水管2连接；所述超声波振动装置3底部设有超声波振动器11。所述超声波振动装置3还包括绝缘外壳9和铠装电缆10。所述绝缘外壳9整体为空心圆台。所述空心圆台顶部设有所述铠装电缆10，所述空心圆台底部设有多个所述超声波振动器11。所述空心圆台的中空形状呈喇叭状，便于导水管吸取孔底的含有大量沉渣的泥浆。多个所述超声波振动器11通过支架刚性连接在一起。

一种基于空化效应反循环的孔底清渣方法，包括以下步骤：

S1根据作业桩孔的需要布置本装置；挖好泥浆池后在其中设置挡泥板5，挡泥板5将泥浆池分为储浆池4和沉渣池6两部分，储浆池4和作业桩孔之间设置回浆槽8；超声波振动装置3由铠装电缆10连接电源，超声波振动装置3安装在导水管2的下方，导水管2上方连接泥浆泵7；通过地面缆车收放装置将铠装电缆10连接的超声波振动装置3和导水管2送入孔底；

S2调试设备并开始清渣作业；超声波振动装置3采用铠装电缆10通入电流同时启动超声波振动器11，通过电控箱调节超声波振动装置3的频率、功率等，使其达到超声波在液体中空化效应最优值；地面上方电控系统产生的高频电流经铠装电缆10和超声波振动装置3转换为纵向机械振动（>20000次/s），在超声波振荡和空化作用下，孔底泥沙浮土等杂质的粘聚力降低、泥浆中裹挟的碎屑迅速与泥浆分离沉淀；同时启动泥浆泵7，利用泥浆泵7反循环将含有大量沉渣碎屑的泥浆流入泥浆池，碎屑杂质沉淀在沉渣池6中，净化后的泥浆流入储浆池4，储浆池4中的泥浆再次由回浆槽8流入孔内，形成闭环反循环系统，以此反复下一个循环；

S3对装置位置进行调整；使用过程中可通过缆车收放装置适当上提下放调整超声波振动装置3的位置，使其运用超声波振动及空化效应，更高效的清渣、加速泥浆裹挟的碎屑沉淀；

S4结束清渣作业；清除完成后关闭电源及泥浆泵7，通过地面缆车收放装置将超声波振动装置3和导水管2起出，完成清渣作业。

工作原理：进行孔底清渣作业时，首先通过电控箱调节超声波振动装置3的频率、功率等，使其达到超声波在液体中空化效应最优值。在超声波振动装置3工作过程中，空化泡崩溃释放的能量及高速微射流对沉渣产生极强的冲击作用，破坏沉渣颗粒间的粘聚力、固结力和内摩擦角，能够翻起沉渣，促进沉渣表层脱落，加速浮土与孔底本体的脱离速度。此时启动泥浆泵7将含有大量沉渣的泥浆通过导水管2抽入沉渣池6，经沉渣池6分离砂土与浆,砂土在沉渣池6沉淀, 泥浆经储浆池4后，由回浆槽8返回作业桩孔。

尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本发明的保护范围之内。