從土壤基質中形成的一個或連續層段而構造支墩的設備和方法
2023-07-01 01:21:41 1
專利名稱：從土壤基質中形成的一個或連續層段而構造支墩的設備和方法
參照的相關申請本國際申請源於並結合了美國臨時申請，其序列號為60/513,755，在2003年10月23日提交，名稱為「從土壤基質中形成的連續層段而構造支墩的設備和方法」，及美國新型申請，其序列號為10/728,405，在2004年2月12日提交，名稱為「從土壤基質中形成的一個或連續層段而構造支墩的設備和方法」，對於該申請已申請了優先權。
背景技術：
本發明主要方面是涉及用於構建支墩的設備和方法，該支墩包含有一個或多個壓實的骨料層段(lifts)。該設備可在土壤基質中形成或者構建出單個或多個層段支墩，同時還可加強鄰近支墩的土壤。所述設備通過對空心管裝置施加力使其進入土壤基質，隨後提升空心管裝置，以在土壤基質中形成空腔，將骨料通過空心管裝置灌入提升的空心管裝置下部的空腔部分中，隨後向下驅動空心管裝置以壓實骨料，同時使骨料側向受力進入土壤基質。
在美國專利US5,249,892中，在此結合參照，公開了一種用於在現場形成小骨料支墩的方法和設備。該步驟包括在土壤基質中鑽出空腔，然後在空腔中導入並壓實連續層的骨料或者骨料層段，從而形成可支承建築結構的支墩。這種支墩的構成首先通過在土壤基質中鑽出孔或者空腔，然後移開鑽孔機，隨後將相當小的鬆散層的骨料填入到空腔中，用機械打夯機撞擊或者擊打空腔中的骨料層。所述機械打夯機一般在壓實每一層之後都移開，然後再在空腔中添加附加骨料以形成下一層壓實的層或者層段。在形成支墩步驟中壓實的層段或骨料層一般直徑為2-3英尺，豎向厚度約為12英寸。
所述設備和方法可提供用於支撐結構的堅硬且顯著穩定的支柱或支墩。但是該支墩結構的形成方法在深度方面具有局限性，在此深度上，還可以有更經濟，更快速地形成支墩的方法。另外另一局限為在某些類型的土壤中，尤其是在砂質土壤中，在鑽出空腔或者形成空腔的過程中有可能存在塌方，並且有可能採用臨時外殼，例如鋼管外殼。採用臨時鋼管外殼嚴重降低了支墩的生產，並由此增加了支墩的生產成本。所以專利US5,249,892所述的方法一般在其深度不超過約25英尺的有限類型的土壤中形成支墩也受到限制。
因此，需要開發一種支墩構建方法和相關的機械設備，可以連續和經濟地利用該方法和設備以更快的安裝速度，在更深的深度中，在鑽孔時不穩定的沙子或其它土壤中形成或構建出支墩，而不需要臨時外殼，並且還具有專利US5,249,892中公開的小骨料支墩的形成方法，設備和結構方面的特徵和優點。
發明內容
簡要地說，本發明涉及由一層或多層骨料或者成型的骨料層段構成的支墩的安裝方法，該骨料可帶有或者不帶有附加骨料，該方法包括下列步驟，將帶有特殊形狀的下端頭部件和獨特的管構形的長形空心管定位或者推動，或者使其受力進入土壤基質，將骨料填入包括下端頭部件的空心管中，當在土壤基質中形成的空腔中將空心管提升預定增加的距離時，從下端頭部件釋放預定體積的骨料，隨後在空心管上施加軸向靜態的矢量力和任意動態的矢量力，其特殊的下端頭部件將能量經空心管的下端傳遞到釋放骨料的層段頂部，由此壓實骨料的層段，並且還使骨料側向受力或橫軸向進入空腔的側壁。提升帶有特殊下端頭部件的空心管之後，用軸向或豎向的靜態矢量力和任意的動態矢量力向下推動壓實骨料，在壓實期間，沒有被空心管將骨料與空腔的側壁隔離，由此骨料成為緊密和密實，同時在骨料和土壤基質上施加側向力期間，由於骨料受側向向外的力而進入到土壤基質中。壓實的骨料由此形成「層段」，一般該層段的橫向尺寸或者直徑大於由空心管和端頭部件形成的空腔的直徑，所述支墩就由一個或多個層段構成。
當提升特殊下端頭部件時，骨料從空心管的特殊下端頭部件處釋放出來，最好遵循下列預定的增加步驟，首先骨料位於空腔底部上方，隨後位於每一個連續的支墩層段頂部上方，該支墩已形成在空腔和相鄰的土壤基質中。當空心管提升以露出一部分空腔同時骨料釋放到露出的部分空腔中之後，從空心管釋放的骨料由空心管和特殊端頭部件傳送的壓緊力壓實。空心管隨後再受到向下的力以壓實骨料，並且側向推動骨料進入土壤基質。骨料由此被壓實到預定的連續的增量，或者壓實成層段。該過程沿空腔的長度或者深度連續地重複，結果在土壤基質中形成由獨立壓實的層段或者層構成的骨料支墩或者支柱。以這種方式可在相當短的時間周期內構建出長度為40英尺或更長的支墩，而不需要從土壤中移動空心管。最終形成的支墩的橫截面尺寸也可大於空心管的尺寸。
在應用該方法中可採用多種類型的骨料，包括從採石場或循環利用的多種類型的碎石，碎混凝土。附加料可包括水，幹水泥，或者漿料，例如水泥漿，砂漿，飛灰，熟石灰或生石灰，或者其它可提高成型支墩承載能力或技術特徵的附加料。在所述方法中還可應用上述材料的組合材料。
通過施加軸向和豎向矢量靜態力和任意動態矢量力推動和/或豎向振動或豎向撞擊具有前端的空心管和特殊下端頭部件而進入土壤，在土壤基質中定位帶有特殊下端頭部件的空心管。由最初受力，推動和/或振動空心管與其特殊下端頭部件而移置的土壤在向下壓實的同時，一般被橫向移動並壓實進入先前有的土壤基質中。如果遇到堅硬或者密實的土壤層，則可通過在該堅硬或密實的土壤層中鑽孔或者預先鑽孔以形成空腔或者通道，在該通道中可放入驅動空心管和特殊下端頭部件。
空心管一般由相同直徑的管子和球形下端頭部件形成，並可包括靠近或位於下端頭部件內的內部閥機構，或者位於端頭部件下端的閥機構。空心管一般為圓柱體，沿管的上段為恆定、均勻、較小的直徑。空心管的球形或者較大外徑的下端(即下端頭部件)與空心管形成為整體，或者與空心管縮小直徑的下端獨立成型並連接於其上。也就是說，下端頭部件一般也為圓柱體，其具有比空心管剩餘部分更大的外徑或者外橫截面構形，並且與空心管的中心軸線同軸。下端頭部件前端的形狀便於穿入土壤基質中，並且可將所需的矢量力傳遞到周邊的土壤中，同時也傳遞到從空心管釋放的骨料中。從空心管較小外直徑部分到下端頭部件之間的過渡可為截頭圓錐形。同樣的，端頭部件底部也可採用截頭圓錐形或圓錐形，以便於土壤被穿透並被壓實。下端頭部件的前端可包括損耗性蓋子部件，該部件可穿透空心管最初放置在其上的土壤基質而進入該土壤，同時可防止土壤進入空心管。隨後當空心管第一次被提升時，從空心管的端部釋放該損耗性蓋子，以露出端部通道，從而骨料可流入由於提升空心管而形成的空腔中。
另外，下端頭部件前端還可包括帶有機械閥的出口通道，當由空心管和下端頭部件最初穿透土壤基質期間，所述閥是關閉的，但當其提升以釋放骨料期間，所述閥是開啟的。也可利用其它類型和形狀的前端閥機構以便於穿透最初的土壤基質，當空心管被提升時使骨料釋放出來，並且便於與前端或者下端頭部件結合傳遞矢量力，以壓實連續的層段。
另外，所述設備還包括用於在成型支墩中定位提升錨部件的裝置，以及用於測量成型的支墩底部在承載下例如在荷載測試期間運動量的指示裝置。這些輔助特徵或者裝置在形成支墩的過程中被安裝在空心管中。
由此，本發明的一個目的為提供一種用於形成壓實骨料支墩的帶有特殊設計的下端頭部件的空心管，可帶有或不帶有附件，該支墩可延伸到更大的深度，並且本發明還提供一種用於形成支墩的經改進的方法，該支墩延伸的深度大於現有技術中由小骨料支墩技術通常實現的支墩。
本發明的另一個目的為提供一種用於形成經壓實骨料的支墩的改進的方法和設備，該支墩在形成過程中不需使用臨時鋼外殼，尤其是在容易塌方的土壤，例如砂質土中。
本發明的另一個目的為提供一種用於形成經壓實骨料的支墩的改進的方法和設備，該骨料可包含有骨料和成型支墩的任意附加材料，包括石子混合料，附加水，附加幹石灰，附加水泥漿，附加水泥砂漿，附加飛灰，附加生石灰或熟石灰，可提高土壤基質技術特徵的其它類型的附加材料。
另外，本發明的另一個目的為提供一種骨料支墩結構，該結構可安裝在多種類型的土壤中，並且還可比現有技術中骨料支墩結構的深度更深，速度更快。
本發明的另一個目的為提供一種用於快速和有效地形成壓實的多層層段支墩和/或含有單個層段支墩的支墩形成設備。
本發明的其它目的，優點和特徵將在下面詳細描述。
下面參照附圖詳細描述本發明，其中圖1是帶有下端頭部件的空心管的示意圖，該空心管由豎向靜態矢量力和任意動態力推動，受力或驅動而進入土壤；圖2是圖1連續步驟的示意圖，其中骨料被放入漏鬥並進入空心管；圖3是漏鬥的橫截面圖，該漏鬥具有兩個獨立的阻尼器，並且可與空心管組合使用；
圖3A是圖3中漏鬥和空心管的剖面等軸圖；圖3B是圖3中漏鬥和空心管的剖面等軸圖；圖4是具有內部夾緊件或止回閥的空心管的橫截面示意圖；圖5是將水，粘結漿料或其它附加材料可選擇地導入到空心管中的步驟的示意圖，其中空心管具有可循環利用的水或者漿料槽；圖6是跟隨圖2之後的步驟示意圖，其中將空心管和下端頭部件提升到預定距離，以臨時暴露出土壤基質中的空腔，從而使骨料快速充填暴露出的空腔；圖7是跟隨6之後步驟的示意圖，其中空心管下部的底閥開啟，以將骨料釋放到不遮蔽的區域或者空腔部分中；圖8A和8B是圖7中描述或示意的另一裝置和步驟的橫截面圖，其中空心管的下端頭部件包括損耗性蓋子，該蓋子在圖8B中被放入成型空腔的底部；圖8C是圖8B中沿剖線8C-8C看到的圖8B中的損耗性蓋子的剖面圖；圖9是空心管及其附屬的特殊下端頭部件的示意圖，該空心管及其關聯的特殊下端頭部件提供豎向，靜態的矢量力和任意動態矢量力，以通過撞擊和壓實從空心管釋放的骨料，並通過橫向推動骨料進入土壤基質，而向下移動空心管和下端頭部件一預定距離；圖10是空心管和其特殊下端頭部件提升預定距離以形成第二層段的示意圖；圖11示出了操作空心管和下端頭部件以提供豎向矢量力，使空心管和下端頭部件向下移動預定距離，以在第一壓實的層段頂部上形成第二壓實的層段的示意圖；圖12示出了帶有任意鋼筋杆部件或者指示部件的空心管連接到安裝有支墩內側的板上的示意圖；圖13是空心管的示意圖，其中任意的水或者水泥砂漿在帶有骨料的空心管中混合；圖14是帶有活板門型底閥的特殊下端頭部件的豎向橫截面圖；圖15是圖14中沿15-15看的下端頭部件的橫截面圖；圖15A是圖14中所示類型的另一下端頭部件的局部橫截面圖；圖16是在類似於圖8A的下端帶有損耗性蓋子的特殊下端頭部件的橫截面圖；圖17是帶有連接在板上的任意提升錨部件或者指示裝置的特殊下端頭部件的橫截面圖；圖18是由空心管和特殊下端頭部件及本發明方法形成的局部成型的多個層段支墩的橫截面圖；圖19是由空心管和特殊下端頭部件及本發明方法形成的完全成型的多個層段支墩的橫截面圖；圖20是帶有連接板的任意鋼筋的多個成型的層段支墩的橫截面圖，該鋼筋可使成型的支墩包含有提升錨支墩或者包含有可連續荷載測試的指示裝置；圖21是預加了荷載或者在完成的支墩上進行指示模數荷載測試的成型支墩的橫截面圖；圖22是與鑽孔混凝土支墩比較，本發明支墩在相同土壤基質形成中的荷載測試圖表；圖23是採用本發明設備形成單個層段支墩或者支墩的方法的橫截面圖，其中在由所述設備在土壤基質中最初形成空腔的底部提升該設備一延伸距離之後，可形成一個或多個層段；圖24是由圖23所示方法構成結構的橫截面圖；圖25是圖24所示步驟的進一步連續步驟的橫截面圖；圖26是圖22-24所示方法的進一步連續步驟的橫截面圖。
具體實施例方式
普通結構圖1，2，5，6，7，9，10，11，12，13，18，19，20和23-25示出了支墩形成裝置或機械的普通整體結構，以及本發明形成最終合成支墩結構實施方法中的另外的連續步驟。參照圖1，該方法用於在土壤基質上設置支墩，該土壤基質需要加強土壤使其更堅硬或者更堅固。本發明實際需要多種類別的土壤，尤其是沙子和粘質土。本發明可以利用骨料，並且可任意利用骨料與附加的材料例如水泥砂漿，來建造包括一個或多個升降裝置的支墩結構，該支墩比許多現有技術中的骨料支墩更堅硬且更堅固，並可經濟地延展到或建造到比許多現有技術中的支墩更大的深度，其可以不象許多現有技術中的支墩那樣，不用使用臨時性的鋼外殼成型，並且可以比許多現有技術中的支墩更快速地安裝。
第一步，將帶有縱軸35的空心管或者空心軸30，由圖3所示靜態的軸向矢量力驅動設備37，並且通過動態矢量力隨意豎向(軸向)振動或衝壓或兩者兼顧地推入到土壤基質36中，該空心管或者空心軸包括或者帶有特殊的下端頭部件32，和關連的用於骨料的上端漏鬥34。包含有一定量材料的一部分土壤基質36主要受橫向力而由此壓實相鄰的土壤基質36，所述一定量的材料是通過推動包括特殊下端頭部件32的空心管30的長度而移置的。如圖1所示，空心管30可以包括圓柱形的鋼管30，該鋼管30具有縱向軸35，例如其外徑為6-14英寸。在一層硬質或者高密度土壤阻止空心管30和特殊的下端頭部件32推入土壤基質36中的情況下，這種硬質或者高密度層可被鑽孔或者預先鑽孔，並且推入過程可繼續使用驅動設備37。
一般地，空心管30具有一致的圓柱形外形，雖然可採用其它形狀。儘管空心管30的外直徑一般為6-14英寸，但本發明的應用中也可採用其它直徑。一般地空心管30也可延伸或者推入到土壤基質36中支墩的最終深度，例如可直到40英尺或更深。空心管30通常緊固在上端部驅動延伸部件42上，該延伸部件可由驅動設備或者機械37夾住以將空心管30推入，並且隨意振動或者衝擊進入土壤基質36中。包含有骨料容器43的漏鬥34一般由隔離阻尼器46，48與延伸部件42隔離開。緊固在延伸部件42上的振動或者衝擊部件37由電纜或者挖掘機臂或者起重機支撐。漏鬥34的重量，衝擊或者振動裝置37(具有任意附加重量)和空心管30足以提供靜態力矢量，而不再需要單獨的靜態力驅動機構。靜態力矢量可由豎向振動和/或衝擊動態力機構隨意擴大。
圖3，3A和3B示出了與漏鬥34更相關的優選特徵。雙隔離阻尼器46，48固定在漏鬥34的上和下側，以減少漏鬥34形成的振動，並且提供更具有結構整體性的漏鬥組件。延伸部件42固定在空心管30上以向空心管30上傳遞靜態和動態力。延伸部件42與漏鬥34隔離，由此可相對於阻尼器46，48滑動。
圖4示出了空心管30的任意特徵。限制器，夾緊閥，止回閥或其它類型的閥機構48可安裝在空心管30中或者安裝在特殊下端頭部件或空心管30下端部分32中，以部分地或者整體地關閉空心管30的內部通道，並且阻擋或控制骨料44的流動或者運動並且隨意添加材料。可採用機械或者液壓的方式開啟閥48，為了控制骨料44穿過空心管30的運動，可部分地開啟或者關閉所述閥。也可以以止回閥的方式由重力操作，當提升到骨料44之上時就開啟閥，當下落到骨料44之下時就關閉閥。
圖14示出了特殊下端頭部件或區段32的結構。所述特殊下端頭部件32為圓柱形，雖然也可以採用其它形狀。一般地，特殊下端頭部件32的外部直徑都大於空心管30上部區段的名義外部直徑，其為10-18英寸，在本發明的實際應用中也可採用其它的直徑和/或橫截面構形。即端頭部件32可具有與空心管30相同或者小於該空心管的橫截面尺寸，但這種構形一般不作為首選。
圖14，15和15A示出了本發明具有結合在端頭部件32的閥機構的實施例。端頭部件32具有截頭圓錐形底區段或者底部50，該底部具有骨料44卸料口52，當閥板54露出或者覆蓋卸料口52時，該卸料口就會開啟或者關閉。所述閥板54安裝於在插孔59中滑動的杆56上，該插孔由連接在空心管30端頭部件32內側通道壁上的徑向撐杆58夾持就位。當空心管30受力向下進入土壤基質36時，閥板54滑動到閉合位置，當空心管30提升時，閥板滑動到開啟位置，這樣就可使骨料44流動。閥板54的開啟是通過杆56進行控制或者限制的，該杆具有限制杆56滑動的頭部56a。空心管30可由此被驅動到所需要的深度81(圖6)，此時卸料口52由閥板54封閉。隨後提升空心管30(例如圖10中所示的距離91)，閥板54由於重力向下延伸，骨料44就通過卸料口52流入由於空心管30提升而形成的空腔中。隨後向下衝擊或者驅動空心管30以閉合閥板54，並且壓實釋放出來的材料以形成壓實的層段72。在圖14，15，15A所示的實施例中，閥板54響應重力而移動。但是杆56還可以由流體驅動裝置，機械或電子機構替換重力或者幫助其運動。並且如下面所描述的，閥板54可以由下述損耗性的蓋子或者提升錨或指示裝置70的底板替代。圖4中的止回閥38也可用來替代圖14，15，15A所示的閥機構。
一般地，空心管30和端頭部件32的內直徑是一致的或者相等的，儘管端頭部件32的外直徑一般要大於空心管30的外直徑。而且當採用閥機構54時，端頭部件32的內直徑可大於空心管30的內直徑。端頭部件32與空心管30可形成為一個整體，或者單獨形成並螺接或焊接到空心管30上。一般地，空心管30的內直徑為6-10英寸，端頭部件32的外直徑約為10-18英寸。圖14中開口53在端頭部件32的極下端或導引端可以等於或小於端頭部件32的內徑。例如參照圖14，端頭部件32的內徑可為12英寸，開口53的直徑為6-10英寸，同時在圖16中，對於後面實施例中所描述的損耗性蓋子，端頭部件32的卸料口的直徑與端頭部件32的內直徑和空心管30的內直徑相同。
當空心管30被向下推入到土壤基質36中，或者抵靠在所形成空腔中的骨料44上時，閥板54也可構成為便於閉合的形狀。例如閥板54的直徑可超過圖14中開口53的直徑，或者閥板的邊緣55具有圖15A所示的斜面，以配合開口53的呈斜面狀的邊緣59。然後當向空心管30施加靜態或者其它向下的力時，閥板54就被保持在開口53中的閉合位置。
一般空心管30的球形下端頭部件32的長度為其直徑或最大的橫向尺寸的1-3倍。當空心管30穿入或者受力進入土壤時，端頭部件32在土壤基質36上施加加強的橫向壓實力，由此使空心管30的較小直徑的部分33易於隨之穿過。端頭部件32的截頭圓錐形或傾斜導邊和引導邊緣50，63便於向下或驅動穿入，並且由於他們的輪廓形狀設計而便於橫向壓實土壤基質36。圖14中的傾斜引導邊緣63便於空心管30和端頭部件32的提升，也便於在提升過程中側向壓實土壤基質36。端頭部件32的形狀或者傾斜的構形也可產生此效果。導邊和引導邊緣50，63一般與空心管30的縱軸形成為45°士15°的角度。
圖5示出了空心管30的另一特徵。在漏鬥34的下部或者空心管30的上端具有入口60和出口62，以允許水或漿料，如水泥砂漿作為特殊支墩結構的骨料附加成分加入。出口62的作用為保持水或附加成分的水平面，在此處能夠有效地方便骨料的流動，也可使漿料從貯料槽再循環流回到該貯料槽中，有利於混合併且保持水頭或漿料端頭(壓力)相對持續一定。入口60和出口62可直接導入漏鬥34或者空心管30中(參見圖13)，或者可以與單獨的槽或導管連接到端頭部件32上。應注意，如圖2所示穿過空心管30在端頭部件32的上方設置有漿料卸料口31，以將排出的漿料輸送到空心管30的周圍的環形空間，並且防止土壤基質36的土填入空腔。
圖8A，8B，8C和16示出了下端頭部件32的其它特徵。在滑動閥54的底部或下部設置有損耗性蓋64，以當向下推動端頭部件32穿入土壤基質36中時，防止該端頭部件32被阻塞。蓋子64的構形可為任意形狀。例如可以是扁平的，尖頭的或斜面的，可以是弧形的。當其是斜面形狀，則相對水平軸35呈45°士25°的角度。蓋子64可包括多個向外偏置的支腳87，該支腳定位以配合在下端頭部件32的中心開口89中，並且將蓋子64保持就位，直到空心管30第一次提升，骨料44流出開口52進入暴露在外的空腔區段中。
圖17示出了特殊下端頭部件32的另一特徵。滑動板54和用於支撐板54的杆56可包括通道或軸向管57，該軸向管允許加強部件或杆68與底板70連接。杆68和板70在形成的空腔底部被釋放，並用來在荷載測試期間測量支墩底部運動量的提升錨或指示裝置。連接在底板70上的滑動杆68可替代損耗性蓋子64，在推入土壤基質36期間，封閉特殊端頭部件32的開口，並且可作為用於安裝提升錨或指示裝置的平臺。由此可省略底部閥板54，或者在應用提升錨或指示裝置的同時將所述閥板保持就位。圖20示出了在形成有本發明的支墩處設置有提升錨68，70或指示裝置，其中板或閥54被省略。
操作方法圖1示出了操作所述裝置或設備的典型的第一步。帶有特殊端頭部件32並連接在上部延伸部件42，以及連接在漏鬥組件34上的空心管30，由驅動裝置37或部件部分的重力施加豎向或軸向的靜態矢量力，一般由動態矢量力增強推動進入土壤基質36。在應用中，在帶有上述尺寸和構形的特殊端頭部件32的空心管30上始終加有5-20噸的矢量力。圖2示出了當空心管30及其附件到達支墩進入土壤基質36所計劃的深度81時，將骨料44放入漏鬥34中。圖6示出了隨後空心管30進行向上和提升運動，提升了預定的提升距離91，一般為24-48英寸，以在土壤基質36中的下端頭部件32下部露出一部分空腔102。
圖7示出了開啟底部閥54以使骨料44和任意附加料充填到特殊端頭部件32下部的空腔102的空間或部分85處，同時空心管30及其附件被提升。當空心管30由於閥54頂側骨料44的重力作用而提升時，閥54可開啟。另外，閥54可由例如液壓機構驅動，或者空心管30可提升，並且骨料隨之加入由閥54操作流過閥開口53。此外內部閥38在提升期間或提升後可開啟。如果沒有閥54，則當特殊端頭部件32從成型的支墩空腔102的底部81提升時，由於骨料44直接穿過空心管30而產生的力使損耗性蓋子從端頭部件32的端部釋放。
圖9示出了隨後在土壤基質36中，向下推動空心管30及附件和關閉底部閥54，以在空腔部分85中壓實骨料44，由此使骨料44和任意附加料受到側向和豎直向下的力。為了在空心管30預定提升距離91之後，形成1英尺厚的完全層段72，向下推動的預定移動距離一般等於提升距離91減去1英尺。根據特殊成型的支墩的需要和土壤基質36和骨料44的技術特徵，該層段72的設計厚度可不限於1英尺。如圖7所示在本發明的應用中，將釋放進入騰出的空腔部分85中的骨料44壓實以水平影響骨料44的側向移動以及豎向壓實是很重要的。
圖10示出了由空心管30及其附件提升另一預定距離91A而形成下一個或第二個層段，該距離一般為24-48英寸，以使底部閥54開啟(在使用閥54的實施例中)，並使骨料44和任意附加料的通過或移動進入由於提升空心管30而打開或露出的空腔部分85A中。
在空心管提升2-4英寸後一般下降(如前所述)以形成支墩層段72，一般具有1英寸的豎向尺寸以形成前面所述的形成支墩的材料。層段72的軸向尺寸可為空心管30提升距離91的3/4-1/5。但是，圖23-26還描述了形成另一壓實方案。
圖11示出了向下推動空心管30及其附件，並且關閉底部的閥54以將骨料44壓實在圖10所示最新暴露出的空腔部分85A中，並向骨料44和任意附加料施加側向力以進入土壤基質36。該推動的距離等於提升距離減去設計的層段厚度。當採用損耗性蓋子64的方案時，在壓實骨料44的同時可保持底部開口50開啟。
圖18示出了通過上述步驟部分形成的支墩，其中通過壓實順次形成了多個層段72，並且當骨料44填入空腔部分85X時提起空心管30，圖19示出了通過上述步驟完全形成的支墩76。圖20示出了帶有提升錨68，70或指示裝置的成型的支墩76。圖21示出了通過在支墩上放置例如重物75而在成型的支墩76上任意預加荷載的步驟，在包含有多個壓實的層段72的成型支墩76上進行任意的指示器模數測試。
圖23-26示出了採用所述設備形成支墩的另一方案。空心管30最初受力或被驅動進入土壤基質36到需要的深度100。端頭部件32的最下端包括閥機構54，損耗性蓋子64等。豎向向下對空心管30施加力，使其進入土壤形成空腔102(圖23)。假設特殊的下端頭部件32為普通的圓柱形，空腔102為普通的圓柱形，並且可以或不可以保持與下端頭部件32的形狀和直徑相關聯的完整的直徑構形。
空心管30到達所希望的穿入土壤基質36中(圖23)，就提升空心管到成型的空腔頂部(圖24)。當空心管提升時，骨料44及其任意附加材料從特殊下端頭部件32的底端下卸出。
一般，附加材料可卸入空心管30上部分33和成型空腔102內壁之間的環形空間104中。應注意附加材料可穿過空心管30中的輔助側通道108或者補充導管110流動。當空心管30提升時，空腔102被填滿。而且當特殊下端頭部件32提升時，由於其構形使環形空間104中的附加材料受向外的力而進入土壤基質36中。
空心管30由此可充分提升最初成型的空腔102的全部長度，隨後如圖25所示，再一次向下施加力使空腔102中的材料壓實並且側向受力進入土壤基質36中(圖25)。空心管30向下運動的程度取決於各種因素，包括空腔102的尺寸和形狀，骨料及其附加材料的成分和混合比，施加在空心管30上的力和土壤基質36的特性。一般地向下的運動一直在持續，直到特殊下端頭部件32的下端或底端位於或者接近早先成型空腔102的底部81。
在完成第二次向下的運動之後，空心管30一般被提升空腔102的全部長度，在提升期間，再一次卸出骨料及其任意附加材料，並且再一次充填重新形成了空腔102A(圖26)。至少要完成完全向下和完全提升這個循環兩次，最好為三次或更多次，以使更多骨料44及其任意附加材料受力而側向進入土壤基質36中。另外，所述循環可在各種模式中進行調整，例如在完全提升和部分下降或者在部分提升和完全下降之後進行完全提升和下降，或者它們之間進行組合。
考慮事項簡介可用水或漿料或其它流體使骨料44便於流動和供給穿過空心管30。水可直接供入空心管30或者穿過漏鬥34。通過用漏鬥34作為貯水槽可提供壓力或者落差。由此水，漿料或者其它流體可有效地使骨料尤其在小直徑的空心管30，例如直徑為5-10英寸的空心管30中流動。應注意對於全部所述的實施例，空心管30內通道和/或卸料口的尺寸至少為骨料最大尺寸的4倍。當每個層段72的豎向高度約為12英寸，並且空心管30的內直徑約為6-10英寸時，尤其要求採用水作為潤滑劑。
應注意在土壤基質36中形成的空腔102的直徑遠小於許多其它支墩形成技術。但是利用相對小直徑空腔102或者小直徑開口進入土壤基質36的方法，可使空心管30受力或者被驅動進入較大的深度，並且由此形成水平尺寸遠大於空心管30外部尺寸的支墩。如上所述，通過壓實帶有或不帶有包括流體材料的附加材料的骨料44，可形成一個或多個層段，由空心管30和特殊下端頭部件32可形成水平的位移。豎向壓實層段72並且橫向對骨料施加力導致形成了高度連貫的支墩結構。
測試結果圖22示出了本發明的支墩與鑽孔混凝土支墩比較的測試結果。該圖表示出了本發明三個支墩結構的運動(曲線A，B，C)和一個現有技術中鑽孔混凝土支墩的運動(曲線D)，此時支墩由增加的荷載一直增加到最大荷載，隨後又減少荷載一直到零荷載。採用下列測試條件進行測試，並且用鑽孔鋼筋混凝土支墩作為控制測試支墩。
鑽出直徑約為8英寸的孔或空腔直至20英尺的深度，並充填混凝土以形成鑽孔混凝土支墩(測試D)。將鋼筋放入鑽孔混凝土支墩的中心以形成結構的完整性。將直徑為12英寸的圓柱形紙板放入支墩的上部以便於下面的壓力荷載測試。所有四個測試的土壤基質為中密度的細到中粒砂，帶有3-17每英尺鼓風量的標準灌風計數(SPT’s)。在地面以下約10英尺的深度加有地下水。
由測試A，B，C中的報告得知，本發明的骨料支墩由外直徑為6英寸，並帶有外直徑為10英寸的特殊下端頭部件32的空心管30製成。測試A和B僅用骨料。測試C利用了骨料和粘固水泥漿。測試A採用預定的2英尺的提升運動和預定的1英尺的下推運動結果形成多個1英尺的層段。測試B採用了預定的3英尺的向上運動和預定的2英尺的下推運動，結果形成了1英尺的層段。測試C採用了預定的2英尺的向上運動和預定的1英尺的下推運動，其中包含有附加的粘固水泥漿。
數據分析涉及了構成的支墩的硬度或模數。在具有0.5英寸的撓度時，測試A對應的荷載為27噸，測試B對應的荷載為35噸，測試C對應的荷載為47噸，測試D對應的荷載為16噸。由此在該撓度(0.5英寸)時，用測試B作為標準測試和基礎進行比較，測試B相對硬度的比率為1.0，測試A為0.77，測試C為1.34，測試D為0.46。標準件測試B的硬度為控制測試支墩測試D的2.19倍。標準件測試B的硬度為測試A的1.30倍，帶有附加漿料的測試C的硬度為現有技術中混凝土支墩(測試D)的2.94倍。這表明本發明支墩的模數遠遠高於鑽孔鋼筋混凝土支墩(測試D)的模數。這些測試還表明採用3英尺提升與2英尺下推運動的步驟的硬度遠遠高於採用2英尺提升與1英尺下推運動的硬度。該測試還表明應用粘固附加漿料可充分提高撓度小於約0.75英寸的成型支墩的硬度，但不能充分提高與測試B作比較撓度大於約0.9英寸的成型支墩的硬度。
在最佳實施例中，由於空心管或者空心軸30的下端頭部件32具有較大的橫截面面積，它具有各種優點。首先當採用底部閥機構54時，和當空心管30從土壤基質36部分撤回以在土壤基質36中暴露或形成空腔85時，該設備的構形可在土壤基質36中形成空腔102期間減少骨料在設備中阻塞的機會。另外，該構形可從靜態力矢量和動態力矢量中獲取附加能量，以衝擊穿過所述設備的下端頭部件32，並且撞擊在空腔70中的骨料44上。另一個優點為由於空心管30的有效直徑小於下端頭部件32的有效直徑，可減少空心管30在地下成型空腔102的側面上的摩擦力。也就是說減小空心管30的剩餘橫截面積。這樣可允許快速推入到土壤中，並允許推入更堅硬或堅固的結構中。較大橫截面的端頭部件32還可加強提供接收骨料44的空腔部分102的能力，該骨料的體積比相聯的空心軸30的剩餘段的大，由此當形成層段72時，附加骨料可接受縱向(或軸向)力和橫向(或橫軸向)力。空心管30在土壤基質36中成型空腔102側邊上減小的摩擦力，還有可使空心管30在形成支墩的過程中更容易提升的優點。
在本發明的步驟中，最下端的層段72可具有較大的有效直徑，其中還可具有不同量的骨料。這樣當形成支墩76的基礎時，支墩76中的下層段或者最下端層段可具有較大的橫截面面積和深度構形。換言之，例如通過提升空心軸30到3英尺，隨後減少層段72的高度至1英尺，可增加其下端部分或最下端的層段，反之，通過提升空心軸30到2英尺，再減少層段72的厚度至1英尺，則可形成下一個層段72。
如上所述，完成的支墩76在形成後，可以在支墩76的頂部施加一段時間的靜態荷載或動態荷載的預加荷載75(圖21)。由此荷載75可加在支墩76的頂部達30秒至15分鐘或更長。所述力的施加由於在支墩76頂部施加靜態荷載而可同時進行在靜態荷載75下的撓度測量，因此也可提供「模數指示測試」。該模數指示測試與每個支墩的預加荷載合併可達到一箭雙鵰的目的，即(1)施加預加荷載；(2)進行模數指示測試。
形成支墩76採用的骨料44可以改變。即將乾淨的骨料石粒放入空腔85中。這些石粒具有40mm的標準直徑，少於5％的石粒具有小於2mm的標準直徑。隨後將漿料導入上述形成的骨料中。該漿料可與骨料44同時加入，或者先於骨料加入，或者隨骨料之後加入。
當採用振動頻率作為動態力時，加在空心軸或者空心管30上的振動頻率最好在每分鐘300-300循環之間。空心管或者空心軸30的各種直徑對端頭部件32的比例一般為0.92-0.50。如前面所述，底部傾斜角度相對縱軸35可在30°-60°之間。
本發明的另一特徵為提供形成支墩的方法，即將帶有特殊下端頭部件32的空心管30插入到預定要求的支墩76的總深度81處。當骨料和/或漿料或其它流體被灌入提升空心管30和特殊端頭部件32形成的空腔中時，隨後在持續運動中提升空心管30和特殊端頭部件32到預定支墩的總長度。之後當空心管30和特殊端頭部件32到達預定支墩的頂部時，再一次被靜態力推動並由豎向振動而任意增大，和/或由動態力機構向下撞擊支墩的底部。先前卸下的填入空腔的骨料44和/或漿料或者其它材料沿橫軸向進入土壤基質中，由向下移動空心管30和端頭部件32使其移動。然後循環進行該步驟，空心管30和端頭部件32提升到預定支墩的剩餘長度或深度，或者提升到少於每一距離的長度，空心管30提升時，骨料和/或流體材料充填到新產生的空腔中。以這種方式，形成支墩的材料可包括一個層段或者一系列層段，額外的骨料和任意漿料和/或其它附加材料橫向輸送到空腔的側邊而進入土壤基質中。
應注意，實施上述過程和方法的機構是以加速的方式進行操作。向下驅動空心管30和端頭部件32可達到相當快速的效果，例如2分鐘或更少。根據提升運動距離和提升速率，即使增加空心管30和端頭部件32在成型空腔中提升的局部或全部距離，也可花費較少的時間。這樣就可在幾分鐘時間內從土壤基質36中形成支墩。因此本發明的方法和設備可使生產速度大大提高。
在不脫離本發明範圍的情況下，所述方法和設備可有各種修正和變形。這樣在不脫離本發明構思和範圍的情況下，可以改變本發明的結構和方法。可以採用其它構形，尺寸，橫截面形狀和管長的空心管。特殊端頭部件32的形狀和使用也可變化。底部閥54的形狀和使用也可變化，或者通過使用損耗性蓋子而被省略。下端頭部件32的導引端可具有適當的形狀。例如可以是尖頭的，圓錐形的，鈍頭形，成角度形，螺栓形或其它便於穿透土壤基質並壓實骨料的任何形狀。所述擴大了的或者球形的端頭部件32可用於與一個或多個具有各種形狀或構形的增加了外截面直徑的空心管30結合。由此本發明僅由下述權利要求及其等同物所限定。
權利要求
1.一種在土壤基質中構成土壤加強支墩的設備，包括下列組合長形空心管，具有縱軸，頂部材料入口端，開口底部材料卸料端；和用於開口卸料端的成形的下端頭部件，其構成為在空心管下降進入土壤基質中時，在下端頭部件周圍的土壤基質上提供軸向和橫軸向的分應力，所述端頭部件包括空心管在土壤基質中向上運動時，從空心管卸料端移開的損耗性蓋子，所述下端頭部件和空心管的形狀為用於插入到土壤基質中，當空心管下降到土壤基質中以在土壤基質中形成空腔時，有效移置土壤，當空心管隨後從成型的空腔底部提升時，蓋子與下端頭部件脫離。
2.一種在土壤基質中構成土壤加強支墩的設備，包括下列組合長形空心管，具有縱軸，頂部材料入口端，開口底部材料卸料端；和成形的下端頭部件，包括開口卸料端，其構成為在空心管下降進入土壤基質中時，在下端頭部件周圍的土壤基質上提供軸向和橫軸向的分應力，所述下端頭部件被連接到空心管，並且包括關閉和開啟空心管卸料端的機構。
3.根據權利要求1或2所述的設備，還包括用於引導流體材料進入空心管的流體供料機構，和用於供給骨料進入空心管入口端的固體材料供料機構。
4.根據權利要求1或2所述的設備，其中空心管具有大致圓形的內部橫截面，並且還包括連接在頂部材料入口端上的用於供給骨料的骨料供料機構，其中空心管的內直徑的最小尺寸至少為最大骨料的最大尺寸的4倍。
5.根據權利要求1或2或8或9所述的設備，還包括至少一個連接到空心管上的穿過空心管端部開口的輔助供料管，用於將流體材料供給到空心管中。
6.根據權利要求1或2或8或9所述的設備，還包括至少一個連接到漏鬥上的輔助供料管，用於將流體材料供給到空心管中。
7.根據權利要求1或2所述的設備，其中空心管的外部橫截面面積沿空心管縱長是變化的，下端頭部件的橫截面面積大於空心管剩餘部分的橫截面面積。
8.一種在土壤基質中構成土壤加強支墩的設備，包括下列組合長形空心管，具有縱軸，頂部材料入口端，開口底部材料卸料端；和用於開啟和關閉開口卸料端的閥裝置，用於在開啟卸料端時，骨料從卸料端排出，在將空心管下降進入土壤基質中閥裝置處於封閉位置時，所述空心管和閥裝置通過移置土壤可被插入土壤基質，所述閥裝置包括在隨後提升空心管時開啟閥裝置的機構，以將骨料卸入由空心管騰出的土壤基質的空腔區域。
9.一種在土壤基質中構成土壤加強支墩的設備，包括下列組合長形空心管，具有縱軸，頂部材料入口端，開口底部材料卸料端；下端頭部件的卸料端的外橫截面大於鄰近該處的空心管的外橫截面，由此形成空心管的球形部分，該部分的橫截面形狀和尺寸都大於鄰近球形端部的空心管的橫截面形狀和尺寸；以及包括用於可選擇地關閉和開啟空心管卸料端的機構。
10.根據權利要求9所述的設備，還包括卸料端處的成型的下端頭部件，所述端頭部件構成為，當空心管在土壤基質中軸嚮往復時，在端頭部件周圍的土壤基質上同時提供軸向和橫軸向的分應力。
11.根據權利要求9或10所述的設備，其中用於可選擇地關閉和隨後開啟的機構包括固定到空心管的成型的下端頭部件上的損耗性蓋子。
12.根據權利要求9或10所述的設備，其中用於可選擇地關閉和開啟的機構包括閥裝置。
13.根據權利要求9或10所述的設備，其中用於可選擇地關閉和開啟的機構包括閥裝置，其由重力而開啟，並由空心管向下運動時在土壤基質中接觸骨料而關閉。
14.根據權利要求10所述的設備，其中端頭部件包括在空心管卸料端上形成的截頭圓錐形部件。
15.根據權利要求9所述的設備，其中空心管的內橫截面一般為圓形，並且其內直徑大於供給進入空心管內骨料顆粒最大尺寸的約4倍。
16.根據權利要求1或2或8或9所述的設備，還包括在空心管中下端頭部件上方的通道開口，用於使空心管中的流體材料流出下端頭部件上方的空心管，並且使空心管外側的流體材料流入空心管和土壤基質之間形成的環形區域中。
17.根據權利要求1或2或8或9所述的設備，還包括連接到空心管頂部材料入口端的漏鬥供料機構。
18.根據權利要求16所述的設備，還包括至少一個將漏鬥連接到空心管的獨立阻尼器，以減少漏鬥供料機構上的振動力。
19.根據權利要求5所述的設備，還包括用於可選擇地開啟和關閉流體供料管的機構。
20.根據權利要求16所述的設備，還包括用於可選擇地開啟和關閉通道開口的機構。
21.根據權利要求1或2或8或9所述的設備，還包括通向空心管的輔助供料通道，用於將流體材料供給到空心管中，該流體材料從下列材料一組中選擇，水，粘性漿料，彭潤土，飛灰以及它們的混合物。
22.根據權利要求1或2所述的設備，其中下端頭部件的形狀為斜面。
23.根據權利要求8所述的設備，其中閥部件包括斜面的外表面。
24.根據權利要求1所述的設備，其中損耗性蓋子部件為一般六邊形。
25.根據權利要求1或2或8或9所述的設備，還包括連接到空心管上的力機構，用於在所述空心管上提供力。
26.根據權利要求1或2或8或9所述的設備，還包括連接到空心管上的力機構，用於提供一般為5-20噸的靜態軸向力。
27.根據權利要求1或2或8或9所述的設備，其中包括用於在空心管上提供任意力的力機構，該力從下列一組中選擇，豎嚮往復力，豎向振動的動態軸向力，以及它們的組合。
28.根據權利要求1所述的設備，其中損耗性蓋子部件包括用於在形成的空腔中保持的橫軸向板部件，和從板部件延伸到空心管中的杆部件。
29.根據權利要求28所述的設備，其中板和杆部件包括測試部件。
30.根據權利要求28所述的設備，其中板和杆部件包括提升錨支墩部件。
31.根據權利要求1或2或8或9所述的設備，其中空心管具有一般恆定的橫截面構形。
32.一種在土壤基質中形成支墩的方法，包括下列步驟(a)通過在空心管上施力而在土壤基質中形成具有底部和縱軸的長形空腔，該空心管具有打開的頂端和打開的下端頭部件，帶有用於可選擇地關閉空心管的閉合機構，所述下端頭部件的構成為可在土壤基質上提供軸向和橫軸向的矢量力，在形成空腔期間，所述閉合機構可保持材料從閉合的下端頭部件卸出；(b)在空腔中將空心管提升第一增量距離；(c)當提升空心管時開啟閉合機構；(d)將骨料通過空心管的下端頭部件供入到由於將空心管提升所述第一增量距離而形成的空腔部分中；和(e)當空心管下降時，由成型的下端頭部件通過施加其上的軸向和橫軸向力而壓實空腔中的骨料。
33.根據權利要求32所述的方法，其中空心管最初受力而進入土壤基質中一預定距離。
34.根據權利要求32所述的方法，其中步驟b)為預定距離。
35.根據權利要求32所述的方法，包括步驟b)至步驟e)的循環的步驟。
36.根據權利要求32所述的方法，包括在壓實步驟之前關閉閉合機構的步驟。
37.根據權利要求32所述的方法，包括分開供給流體材料與骨料組合的附加步驟以便於骨料流動。
38.根據權利要求37所述的方法，其中流體材料從下列材料組中選擇水，粘性漿料，彭潤土，水泥，飛灰以及它們的組合物。
39.根據權利要求37所述的方法，其中將流體材料供入到空心管中。
40.根據權利要求37所述的方法，其中將流體材料供入到漏鬥中。
41.根據權利要求37所述的方法，其中從空心管中供給流體材料。
42.根據權利要求37所述的方法，其中將流體材料從供料機構供給到空腔中，供料機構將流體供入到下端頭部件上方的環形構形中，靠近空心管底端。
43.根據權利要求32所述的方法，其中空心管具有相同的內橫截面。
44.根據權利要求32所述的方法，其中下端頭部件的外橫截面大於空心管剩餘部分的外橫截面。
45.根據權利要求32所述的方法，包括將骨料從漏鬥供入空心管的頂端的步驟。
46.根據權利要求33所述的方法，包括在空心管上提供靜態力以有效驅動空心管並有效壓實骨料的步驟。
47.根據權利要求33所述的方法，包括在空心管上提供動態軸向力以有效驅動空心管並有效壓實骨料的步驟。
48.根據權利要求32或33所述的方法，包括預加荷載成型的支墩的附加步驟。
49.根據權利要求29或33所述的方法，其中壓實的步驟包括減少軸向尺寸約為未壓實骨料的第一增量距離的3/4-1/5，以形成壓實的骨料，該骨料的豎向軸向尺寸約為第一增量距離的3/4-1/5。
50.根據權利要求43或44所述的方法，包括將軸向杆和板放入到空心管中的步驟，所述杆從所述板向上延伸。
51.根據權利要求32所述的方法，包括步驟c)至步驟e)的循環步驟。
52.根據權利要求33所述的方法，其中第一增量距離對於至少一個循環是變化的。
53.根據權利要求33所述的方法，包括至少三個循環。
54.根據權利要求32所述的方法，其中第一增量步驟基本上等於被形成支墩的高度。
55.根據權利要求32所述的方法，其中第一增量步驟小於被形成支墩的高度。
56.根據權利要求32所述的方法，其中第一增量步驟大於2英尺並小於被形成支墩的高度。
57.根據權利要求32所述的方法，其中步驟(e)包括壓實以有效運動下端頭部件到空腔的底部。
58.一種用於在土壤基質中形成支墩的方法，包括下列步驟(a)通過將空心管和端頭部件定位到土壤基質中預定的深度，在土壤基質中形成具有底部和縱軸的長形空腔，所述端頭部件構成為可在土壤基質上施加軸向和橫軸向的撞擊力；(b)將空心管從空腔的底部提升一預定增量距離；(c)在提升空心管時將支墩形成材料通過空心管供入到空腔中；(d)通過向下驅動空心管朝向空腔的底部，用端頭部件壓實支墩形成材料，同時在空腔中沿橫軸向移置支墩形成材料。
59.一種在土壤基質中構成土壤加強支墩的設備，包括下列組合長形空心管，具有縱軸，頂部材料入口端，開口底部材料卸料端，下端頭部件卸料端的外橫截面大於與其相鄰的空心管的外橫截面，由此形成空心管的球形部分，該空心管的外橫截面的形狀和尺寸大於與球形端鄰接的空心管的外橫截面的形狀和尺寸；和所述球形端部，具有表面其構成為可在所述材料上向下運動時，施加軸向和橫軸向力。
全文摘要
一種用於在土壤基質中形成支墩的設備和方法，該支墩具有單個或者多個壓實的骨料層段，其中該設備包括具有球形導引端或端頭部件的豎向空心管，空心管可受力進入土壤基質。空心管包括當空心管被逐漸提升時用於從空心管的下端頭部件釋放骨料的機構。隨後用同一個空心管壓實釋放的骨料。該過程可重複使用以形成一系列包含有支墩的壓實的層段。
文檔編號E02D5/44GK1898445SQ200480038674
公開日2007年1月17日 申請日期2004年10月12日 優先權日2003年10月23日
發明者納撒尼爾·S·福克斯 申請人:土工技術強化公司