路堤过湿不良填料翻烘改良智能避石装置及其使用方法
技术领域
本发明属于岩土工程领域和路堤工程技术领域，涉及一种路堤过湿不良填料翻烘改良智能避石装置及其使用方法。
背景技术
路堤过湿不良填料压实填筑是岩土工程研究中的热点问题之一。近年来，在沿海多雨地区，降雨频率高，降水量大，路堤填料常常处于过湿状态，导致路堤承载能力低，稳定性差，容易变形，施工时容易出现"弹簧"现象，难以压实：《公路路堤施工技术规范》（JTJ033-95）特殊地区路堤施工要求，液限大于50、塑性指数大于26的土，不能作为路堤填料。如果取优质路堤填料确有困难，必须采用不良路堤填料时，则可添加外加剂，进行土质改良。此外，由于过湿不良填料中腐殖质、膨胀性矿物质、盐质等成分的作用，采用有机土、盐渍土、黄土、膨胀土等路堤过湿不良填料填筑的路堤，在运营一段时间后，极易出现路堤沉陷、不均匀变形等现象。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：
1.根据现行路堤设计规定，由于过湿路堤填料无法满足压实要求，往往只能做弃方处理，然而，多雨地区缺乏优质路堤填料，采用换填方式处理费工费时，增加施工成本。对于过湿土的处治和利用，国内外工程界提出了许多处治方法，对于过湿土一般采取晾晒或者直接换填的方法。在沿海地区，降雨频率高且降水量大，晾晒法受天气影响较大，换填法则会增大工程费用。目前，除了晾晒法和换填法外，国内外工程界对过湿土路堤还没有经济有效的处治和利用方法。因此，如何对路堤中深层过湿不良填料进行有效的烘干是第一个值得研究的问题。
2.对于路堤翻松过程，是路堤施工的不可缺少的一个过程，目前对于路堤翻松有一系列的机器，但是都普遍面临一个问题，在翻松过程容易遇到一些坚硬的大石块，往往这些“硬骨头”会造成翻松机器的损坏，尤其是用于翻松的钻头或齿刀等，所以翻松效率不高且需花费大量维修费用，因此，为了让填土翻松过程更加效率且经济，如何设计一种能有效避石的装置是第二个值得研究的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种路堤过湿不良填料翻烘改良智能避石装置，将翻土、烘干、填料改良和自动避石功能集于一体，结构合理、操作方便、成本低，可快速降低过湿土的含水率，同时对路堤填料进行翻土、改良和智能避石，解决了现有技术中存在的问题。
本发明的另一目的是，提供一种路堤过湿不良填料翻烘改良智能避石装置的使用方法。
本发明所采用的技术方案是，一种路堤过湿不良填料翻烘改良智能避石装置，包括箱体，空心的螺旋钻头的前端伸出箱体，螺旋钻头的后端通过驱动单元与电机的输出轴传动连接，螺旋钻头的内部腔体与加热管束的出口连通，加热管束内部热空气流速为8-12m/s，螺旋钻头的钻身均匀设有多个小孔，运输改良吸水剂的输料管与加热管束连通；驱动单元与箱体内壁滑动连接，提升机的伸缩头与箱体的顶部连接，驱动单元远离螺旋钻头的端面安装有弹簧，弹簧的受力面上安装有压力传感器，压力传感器通过控制器与提升机电性连接。
进一步的，所述驱动单元包括一个主传动轴和多个副传动轴，主传动轴和副传动轴的轴线垂直，主传动轴上均匀安装有多个第二锥齿轮，第二锥齿轮与对应副传动轴上的第三锥齿轮啮合传动，主传动轴、第二锥齿轮和第三锥齿轮的外部设有封装壳体，副传动轴和其中一个第二锥齿轮伸出封装壳体，伸出封装壳体的第二锥齿轮与电机输出轴上固定的第一锥齿轮啮合，每根副传动轴与对应螺旋钻头的后端固定连接；封装壳体与箱体滑动连接，弹簧安装于封装壳体远离螺旋钻头的端面上。
进一步的，所述第三锥齿轮的中心设有通孔，副传动轴为空心结构，加热管束固定于箱体内部，加热管束的出口与波纹管道一端连接，波纹管道的另一端穿过第三锥齿轮、副传动轴与螺旋钻头的内部腔体连通。
进一步的，所述驱动单元与箱体内壁的连接处设有钢珠通道，钢珠通道与螺旋钻头的轴线平行，封装壳体滑动连接于钢珠通道内；钢珠通道的内壁上每隔一段距离设有凹槽，在凹槽内涂有润滑脂层，钢珠均布于润滑脂层内，凹槽深度小于钢珠的直径。
进一步的，所述电机位于封装壳体的上方，电机的壳体与箱体内壁沿螺旋钻头的轴线方向滑动连接，提升机的伸缩头与箱体顶部沿螺旋钻头轴线方向设置的卡槽滑动连接。
进一步的，所述加热管束的进口通过喇叭形管道连接吹风机，输料管与喇叭形管道连通。
进一步的，所述螺旋钻头轴线向下倾斜5°-10°，螺旋钻头的前端设有尖锐的钻尖，钻身上设有螺旋状的螺纹，螺纹沿钻身径向延伸，呈锥形。
进一步的，所述螺纹的螺旋角为18-38°，螺纹间距为100-120mm，螺纹深度8-12mm。
进一步的，所述钻身表面的小孔直径4-6mm，孔间距4-6mm。
进一步的，多个所述螺旋钻头的间距为320-350mm。
一种路堤过湿不良填料翻烘改良智能避石装置的使用方法，具体按照以下步骤进行：
S1，开启加热管束，对管道内残存的空气进行预加热；
S2，通过提升机控制箱体在竖直方向运动至合适位置，启动电机，通过驱动单元带动螺旋钻头转动，使螺旋钻头伸入路堤填料，螺旋钻头的上表面露出填料层，初翻填料；
S3，待加热管束预热完成，加热管束内部热空气流速为8-12m/s，热空气吹入螺旋钻头的空心腔内，再经过钻身表面的小孔吹到周围填料中，翻烘填料；
S4，通过输料管将改良吸水剂输送至加热管束内，在气流的推动下，从小孔喷出，喷洒在周围填料上，干燥并改良填料；
在进行S2-S4的过程中，当螺旋钻头遇到石头时，螺旋钻头压缩弹簧，压力传感器检测到压力达到预设值时，控制器控制提升机提升箱体，在提升过程中，机械设备推动整个避石装置前进，避开石头后，提升机放下箱体，继续翻烘、改良填料。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的烘干方式包括两个过程，第一过程是在路堤深层填料中从钻头小孔吹出热气流，热气流在填料中慢慢上升，对深层填料由下至上进行烘干；第二过程为顺着热气流一起喷出的生石灰，对深层填料进行高效率吸水，且本发明螺旋钻头在工作时下到深层路堤填料，使以上整个烘干过程能在路堤填料较深处进行，进而对深层填料进行翻烘，使路堤填料整体含水率达到3%以下。
（2）本发明在对填料烘干的同时，既方便又经济地对填料进行了改良。生石灰不仅能起到吸收水分作用，还有改良填料土质作用，使填料强度和稳定性能大大提高，使施工效率大大提高，且其改良过程顺着烘干装置可直接实现，十分便捷的将生石灰改良剂加入到路堤填料中，过程简单，提高了改良效果。
（3）本发明中压力感应装置能自动对来自螺旋钻头的压力进行灵敏的反应，当螺旋钻头碰到大石块，其末端弹簧受压变形，压力传感器检测到压力达到设定限值后，通过控制器控制提升机提升，在提升过程中，机械设备推动整个避石装置前进，避开石头后，提升机放下螺旋钻头，继续翻烘、改良填料；能够智能化地避开大型石块，减少设施破坏造成的损失和避免工程进度的延误。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的整体结构正面示意图。
图2是本发明实施例的整体结构平面示意图。
图3是本发明实施例中烘干和改良填料装置的结构示意图。
图4是本发明实施例中螺旋钻头的轴向断面示意图。
图5是本发明实施例中螺旋钻头径向断面示意图。
图6是本发明实施例中钢珠通道内部的结构示意图。
图7是本发明驱动单元内部锥齿轮、传动轴俯视示意图。
图8是图7的右视图。
图中，11电机、12驱动单元、121 第一锥齿轮、122主传动轴、123第二锥齿轮、124副传动轴、125第三锥齿轮、13加热管束、14螺旋钻头、141小孔、142螺纹、143钻尖、144钻身、21吹风机、22输料管、23喇叭形管道、31提升机、321供电线路、322压力感应开关、323弹簧、33钢珠通道、331内壁、332钢珠、34箱体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例路堤过湿不良填料翻烘改良智能避石装置，如图1-2，包括填料翻烘装置、土质改良装置、自动避石装置。
填料翻烘装置的结构，如图1-3，包括箱体34，空心的螺旋钻头14前端伸出箱体34，螺旋钻头14的后端通过驱动单元12与电机11的输出轴传动连接，螺旋钻头14的内部腔体与加热管束13的出口连通，加热管束13的进口通过喇叭形管道23连接吹风机21，便于保证空气加热和流通效应，螺旋钻头14的钻身均匀设有多个小孔。驱动单元12通过电机11驱动工作，从而带动螺旋钻头14旋转，转速为100-120 r/min，通过吹风机21产生的风推动空气进入加热管束13，加热管束13通过电能对进入加热管束13的空气加热，从而形成热风，热风风速8-12m/s，热风最终从螺旋钻头14表面的小孔141吹出，翻烘填料。
土质改良装置，输料管22与喇叭形管道23连通，输料管22用于向加热管束13内输送改良吸水剂，改良吸水剂可以为生石灰，输料管22与生石灰储料箱连接；吹风机21产生的风推动生石灰随气流一起从小孔141喷出；每根螺旋钻头14喷出热气流范围大概在0.08-0.1m²左右，高效的进行填料吸水烘干和路堤填料改良。
自动避石装置，驱动单元12滑动连接在箱体34内，提升机31伸缩头与箱体34的顶部连接，驱动单元12远离螺旋钻头14的端面安装有弹簧323，弹簧323的受力面上安装有压力传感器，压力传感器通过控制器与提升机31电性连接；压力传感器为型号GSL304 的柱式压力传感器，压力感应开关322连接于提升机31的供电线路321中，控制器的型号为KY025，控制器接收压力传感器的信号并控制压力感应开关322通电或断开。
如图7-8所示，驱动单元12包括一个主传动轴122和5个副传动轴124，主传动轴122和副传动轴124的轴线垂直，主传动轴122上均匀安装有多个第二锥齿轮123，从动锥齿轮123与对应副传动轴124上的第三锥齿轮125啮合，主传动轴122、副传动轴124、第二锥齿轮123、第三锥齿轮125的外部设有封装壳体，副传动轴124和其中一个第二锥齿轮123伸出封装壳体，伸出封装壳体的第二锥齿轮123与电机11输出轴上固定的第一锥齿轮121啮合，每根副传动轴124与对应螺旋钻头14的后端焊接；封装壳体与箱体34滑动连接，弹簧323连接在封装壳体远离螺旋钻头14的侧壁与压力传感器感应面之间；第三锥齿轮125的中心设有通孔，副传动轴124为空心结构，吹风机21、加热管束13均固定于箱体34内部，加热管束13的出口与波纹管道一端连接，波纹管道另一端穿过第三锥齿轮125、副传动轴124与螺旋钻头14的内部腔体连通。
驱动单元12的工作过程：
电机11转动通过第一锥齿轮121和第二锥齿轮123啮合转化为主传动轴122的扭转，再通过主传动轴上另外5个第二锥齿轮123将主传动轴122的扭转转化为5根副传动轴124的扭转，从而带动对应螺旋钻头14旋转；一排等间距分布5根螺旋钻头14，间距为320-350mm。
封装壳体与箱体34内壁的连接处设有钢珠通道33，钢珠通道33与螺旋钻头14的轴线平行，封装壳体滑动连接于钢珠通道33内；如图6，钢珠通道33的内壁331上每隔一段距离设有凹槽，在凹槽内涂有润滑脂层，钢珠332均布于润滑脂层内，凹槽深度小于钢珠332的直径；驱动单元12的封装壳体随螺旋钻头14一起在钢珠通道33内滑动，使螺旋钻头14在钢珠通道33内能够以很小的阻力滑动，提高压力传感器感应精度，提高避石效果。
电机11位于封装壳体的上方，电机11的壳体与箱体34内壁沿螺旋钻头14的轴线方向滑动连接，通过箱体34承载电机11和第一锥齿轮121重力，同时螺旋钻头14遇到石头后，推动封装壳体沿钢珠通道33向后滑动，在第二锥齿轮123的作用下，电机11和第一锥齿轮121一起向后运动；提升机31的伸缩头与箱体34顶部沿螺旋钻头14轴线方向设置的卡槽滑动连接，避免对箱体34运动的干扰，提高压力传感器感应精度，进一步提高避石效果。
本发明螺旋钻头14的结构，如图4-5，螺旋钻头14的前端设有尖锐的钻尖143，螺旋钻头14的钻身144为空心圆柱，每根螺旋钻头14内径50-70mm，外径70-90mm，螺旋钻头14长450-500mm；钻身144表面布满小孔141，小孔直径4-6mm，孔间距4-6mm，便于灌入生石灰并通过小孔141吹到填料中；钻身144上设有螺旋状的螺纹142，螺旋角为18-38°，螺纹间距为100-120mm，螺纹深度8-12mm，工作时能很好的在翻松路堤填料的过程中，将碰洒出来的生石灰与填料拌合。螺旋钻头14的钻身144掺加优质铁铬铝，钻尖143为实体的优质铁铬铝，具有一定的硬度，便于翻松且难以磨损。
从图4看，螺纹142沿钻身144径向延伸，呈锥形，螺旋钻头14轴线向下倾斜5°-10°，通过螺纹142的旋转将下层填料翻到表层，在翻松过程中减少填料对钻头的阻力；超过该范围，由于前进过程中纵向填料阻力容易对钻头尾部连接处产生较大弯矩，容易造成装置损坏，且钻身大部分都可能无法保证露出地表。
本发明实施例路堤填料翻烘改良避石装置的使用方法，具体按照以下步骤进行：
S1，开启加热管束13，工作前对加热管束13预热3-5分钟，对管道内残存的空气进行预加热；将压力传感器、控制器与提升机31的供电线路321、压力感应开关322电性连接；
S2，通过提升机31控制箱体34运动至合适位置，启动电机11，通过驱动单元12带动螺旋钻头14转动，使螺旋钻头14伸入路堤填料，螺旋钻头14的上表面露出填料层，初翻填料；
S3，待加热管束13预热完成，打开吹风机21，将热风吹入螺旋钻头14的空心腔内，再从钻身144表面的小孔141吹到周围填料中，翻烘填料；
S4，通过输料管22输入生石灰到喇叭形管道23中，在气流的推动下，从钻身144表面的小孔141喷出，喷洒在周围填料上，既有干燥填料中水分的作用又起到改良填料土质的作用，干燥并改良填料土质。
在进行S2-S4的过程中，当螺旋钻头14遇到石头时，螺旋钻头14向后运动，弹簧323受力压缩，当压力传感器检测到压力没有达到预设值时，控制器控制压力感应开关322使得提升机31的供电线路321断开，此时提升机31不工作，机械设备推动整个避石装置前进，同时填料翻烘装置、土质改良装置正常工作。当压力传感器检测到压力达到预设值时，控制器控制压力感应开关322使得提升机31的供电线路321连通，提升机31的伸缩头通过卡槽提升箱体34，从而提升螺旋钻头14，在提升过程中，机械设备推动整个避石装置前进约20cm，避开石头后，提升机31放下箱体34，填料翻烘装置、土质改良装置继续正常工作；如遇石头，继续上述操作，如不遇石头，则继续翻烘操作；钢珠通道33、压力感应开关、驱动单元12、加热管束13位于箱体34内部，便于当提升机31工作时将整个装置进行提升。整个翻烘、改良过程中，压力感应装置能智能化地避开大型石块，减少设施破坏造成的损失，避免工程进度的延误，解决了翻松过程中遇到大石头，造成翻松机器的损坏，从而产生大量维修费用和延误工期的问题。
本发明具有以下优势：
1.不良路堤填料主要指液限大于50、塑性指数大于26的路基填料，不良路堤填料中富含腐殖质、膨胀性矿物质、盐质等成分，有的还是有机土、盐渍土、黄土、膨胀土等；在实际使用中，需要翻土、烘干、填料改良一般需要多种机器设备，分阶段工程进行才能完成任务，路堤填料中存在很多大石块，对机器设备要求极高。翻土、烘干、填料改良所需的设备组成区别较大，且各种功能的执行设备必然相互影响，想要将这些功能集于一体，所形成的设备必定十分庞大且复杂，所需资金成本较高，需考虑各个设备兼容性，目前很少有与此相关的设计方案。本发明将翻土、烘干、填料改良和自动避石功能集于一体，能同时用于翻土、烘干、填料改良和智能避石四项功能，使得翻土、烘干、填料改良和自动避石功能同时工作，具有极高兼容性；一个工程就能完成多种任务，减少重复工作、时间、劳动力和物质资金消耗，降低了出错率、人力、物力、财力，提高了工程效率，大大提高工期进度。不需要另外增加装置，就能实现填料改良的功能，本装置还包括智能避石装置，减少设施破坏造成的损失和避免工程进度的延误。
现有填料烘干技术中加热烘干的方式单一，效率低下，烘干不均匀。本发明的烘干包括两个过程，第一过程是利用吹风机鼓出一定流速的气流，通过加热管束的加热形成热气流，在路堤深层填料中从钻头小孔吹出热气流，热气流在填料中慢慢上升，对深层填料由下至上的进行烘干。第二过程为顺着热气流一起喷出的生石灰，对深层填料进行高效率的吸水；两个烘干过程相互配合，极大程度上提高了烘干效率，使路堤填料整体含水率达到3%以下；克服了目前烘干方式不合理，烘干不充分，甚至大耗人力、物力、财力的问题。解决了传统路堤深层填料含水率达不到施工要求而造成施工困难的问题。
2.本发明在对填料烘干的同时，利用生石灰既方便又经济地对填料进行了一番改良，生石灰不仅能起到吸收水分作用，还有改良填料土质作用，使填料强度和稳定性能大大提高，便携经济，且生石灰喷出过程不需要另外设计路径，不占用额外空间，改良过程简单、高效。
3.本发明中压力感应装置能自动对来自螺旋钻头的压力进行灵敏的反应，当压力达到规定压力后，感应开关会自动工作，使提升机工作，将整个翻烘改良避石装置提升起来，以此来智能化地避开大型石块，减少设施破坏造成的损失和避免工程进度的延误，解决了翻松过程中遇到大石头，造成翻松机器的损坏，从而产生大量维修费用和延误工期的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
