專利名稱：改進的鉆孔和打樁的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在地層內特別是通過土壤驅替(displacement)來安裝樁和/或混凝土或者灰漿(grout)柱的方法和設備。
眾所周知，可以通過多種方法安裝承載樁或者柱。第一種方法涉及用錘子經(jīng)過一系列的互相分離的步驟而將一個預制樁打入到地層內。該方法可能很有效，但是由于錘子的打擊動作不連續(xù)，可能破壞樁或者地層。而且，用錘子擊打時產生許多噪音和振動。另外一種形式的方法是使用一個起重器(jack)安裝由多個分離的部分組成的樁或柱。用起重器將其第一部分推入到地層內，然后起重器重置(reset)，將一個第二部分焊接或者粘結到所述的第一部分的頂端。然后再啟動起重器，重復所述的方法直到到達所需的深度。由于起重器在完成每一個單個沖程后需要回縮以插入下一個樁元件，特別是沖程的長度通常小于50cm，因此這種方法效率低。
第二種公知的方法是連續(xù)螺旋葉片(flight)螺旋推進器(auger)打樁方法，在該方法中一個具有連續(xù)螺旋葉片的螺旋推進器通過旋轉進入到地層內。在螺旋推進器從地層內回縮之前或者在從地層內回縮過程中螺旋推進器的螺旋葉片挖掘土壤。當回縮(withdrawn)螺旋推進器時，通過螺旋推進器的桿體將混凝土泵入到螺旋推進器的尖端，因此導致形成一個承載樁或者柱。該方法描述于本申請人的申請?zhí)枮?515652.7的英國專利中，該專利所公開的內容作為本申請的參考。
作為另外一種形式，WO95/12050作為公開的例子，能夠使用一個不是挖掘土壤而是驅替(displacement)土壤并將土壤壓實到周圍地層內的螺旋推進器頭。其優(yōu)點是產生的廢土方較少，可能較好地保持地層的整合性并保持在樁安裝區(qū)域附近區(qū)域具有較高密度。
然而，上述方法要求螺旋推進器或者類似裝置以螺旋方式壓入到地層內，這需要較長的時間，并且這意味著為實現(xiàn)鉆進就必須根據(jù)地層狀況選擇具體的扭矩和沖擊力組合，而這種選擇通常是非常困難的。這種以螺旋方式壓入方法的另外一個缺點是打樁工具承受較大的磨損。而且，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過螺旋推進器的螺旋葉片的螺距來產生向下的沖擊力的旋轉扭矩與鉆機上產生的用于實現(xiàn)鉆進到地層內的“擠壓力”(亦即在鉆進過程中沿著螺旋推進器的軸向所施加的合力)的方向是相反的。尤其是當遇到鉆進的早期阻力(prematureresistance)時，實際上擠壓力本身不足以實現(xiàn)所需的鉆進。這種早期阻力是由于遇到顆粒材料例如象礫石地層而產生的。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種在地層內安裝一個承載樁或者柱的方法，其中i)基本上沿著一個鉆孔成形工具或者樁的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式將該鉆孔成形工具或者樁推入到地層內，以鉆孔到一個第一深度；以及ii)基本上沿著所述的鉆孔成形工具或者樁的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式在所述的鉆孔成形工具或者樁沿著其縱軸旋轉時將所述的鉆孔成形工具或者樁進一步推入到地層內，以鉆孔到一個第二深度。
術語“非沖擊”可以理解為在相對較長的時間例如許多秒甚至分鐘內施加連續(xù)的力。這與沖擊式打樁方法不同，在沖擊式打樁方法中，一個重物反復落到樁的頂部，以用錘擊方式將樁打入到地層內。在這種情況下，大多數(shù)力均是在較短的時間，例如零點幾秒內施加。而且，在實際操作過程中，與非沖擊方式所施加的力相反，根據(jù)時間改變施加的力的速率通常是不連續(xù)的；在非沖擊方式中，根據(jù)時間改變速率幾乎是連續(xù)的。
在顆粒例如礫石或者類似物地層上方覆蓋有柔軟地層的地層中安裝或者形成樁時，本發(fā)明特別有用。鉆孔成形工具或者樁的旋轉運動有助于克服鉆進早期阻力，否則這種鉆進早期阻力將妨礙鉆進到所需深度。通常，鉆孔成形工具或者樁被推入到上覆柔軟土壤內直到到達顆粒地層為止，在此處鉆孔成形工具開始附加的旋轉。在鉆進顆粒地層時旋轉與推進力結合對于鉆進非常有效，特別是在使用某些鉆孔成形工具或者樁尖端的幾何形狀時，促使所形成的樁具有良好的基礎。
這種旋轉可以是沿某一方向的連續(xù)旋轉；另外，或者除了上述外，也可以采用來回旋轉，其轉速小于或者大于一轉。在使用來回旋轉時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)擺動頻率在1Hz附近時有助于鉆進顆粒地層；盡管如此，較高或者較低的頻率例如象從10Hz到0.1Hz也可以使用。在某些應用中，甚至可以使用100Hz到0.01Hz的更高或者更低頻率。
該方法可以用于將一個樁例如象鋼筋或者預制混凝土樁直接安裝在地層內，或者用于將一個鉆孔成形工具，例如象一個具有犧牲端板的空心圓柱管，插入到地層內以在鉆孔成形工具取出之前或者在鉆井工具取出過程中就地澆筑承載混凝土或者灰漿樁。樁或者鉆孔成形工具的尺寸以及施加到樁或者鉆孔成形工具上的力根據(jù)地層條件來進行確定。
作為一種優(yōu)選方式，鉆孔成形工具或者樁連續(xù)移動推進到地層中給定的深度為至少1m，在某些應用中，該深度至少為2m甚至5m。一旦到達給定的深度后，連續(xù)的力可以重新施加一次或者多次，以將鉆孔成形工具或者樁推入更深的深度，例如到達顆粒地層的深度。
在這種情況下，我們發(fā)現(xiàn)在某些地層條件下能夠在大約16秒的時間內獲得鉆進5m的深度，而如果使用螺旋推進器則需要4分鐘。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種鉆孔到地層內的方法，其中
i)基本上沿著一個鉆孔成形工具的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式將該具有所述的縱軸的鉆孔成形工具推入到地層內，以鉆孔到一個第一深度；以及ii)基本上沿著所述的鉆孔成形工具的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式在所述的鉆孔成形工具繞其縱軸旋轉時將所述的鉆孔成形工具進一步推入到地層內，以鉆孔到一個第二深度。
該鉆孔成形工具通常在其已到達所需的深度后回縮，盡管在某些應用中，該鉆孔成形工具可以廢棄或者留在地層內。
在某些實施例中，鉆孔成形工具具有一個尖端，因為在伴隨旋轉的同時可以有效地推進到地層內。然而一個特別優(yōu)選的實施例使用一個具有基本上平的基部的鉆孔成形工具。我們發(fā)現(xiàn)，在將這樣的一個平基部的鉆孔成形工具推入到地層內時，在平基部下的土壤將被壓實成一個比周圍地層更致密的錐體。這種較高密度土壤的錐體在鉆進和旋轉過程中保持在鉆孔成形工具的基部，因此按照所需方式干擾下面的土壤。在某些應用中，在鉆孔成形工具鉆進前在地層的頂部形成一個礫石鋪毯(carpet)或者其他顆粒材料鋪毯是非常有利的。平基部的鉆孔成形工具然后下入到礫石鋪毯或者其他顆粒材料鋪毯上，并推入到地層內，因此使用礫石或者顆粒材料來形成所形成的錐體的至少一部分。盡管形成相對較高密度的土壤和/或礫石或者其他顆粒材料的比例在周圍土壤中喪失，但是該比例通常較低，并且在任何情況下都將被鉆孔成形工具基部下面的土壤所代替。
一個推進力以與本發(fā)明的其他反面中所述方式類似的方式施加到鉆孔成形工具上。作為一種有利的選擇，所施加的非沖擊力的幅度和持續(xù)時間以及產生旋轉的扭矩由電子計算機裝置來進行監(jiān)測和控制。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供一種用于將一個具有一個縱軸的鉆孔成形工具或者樁插入到地層內的鉆機，其中，該鉆機具有一個用于基本上沿著鉆孔成形工具的縱軸方向將一個基本上非沖擊的力施加到所述的鉆孔成形工具或者樁上以將其推入到地層內第一深度的第一裝置；并且其中，該鉆機還具有一個用于將旋轉運動繞其縱軸施加給鉆孔成形工具或者樁的第二裝置，該第二裝置因此與所述的第一裝置結合，從而基本上沿著所述的鉆孔成形工具的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式將所述的鉆孔成形工具進一步推入到地層內的一個第二深度。
作為優(yōu)選的方式，該鉆機適合于以連續(xù)移動方式推進鉆孔成形工具到給定的至少1m深度，在某些應用中該深度至少為2m甚至為5m地層。一旦到達了給定的深度，在鉆孔成形工具或者樁旋轉之前，連續(xù)的力可以重新施加一次或者多次，以將鉆孔成形工具或者樁推進到更深的深度，例如到達顆粒地層深度。
本發(fā)明的一個特點就是直接施加到鉆孔成形工具上的基本上非沖擊的推力大于鉆孔成形工具或者樁旋轉所產生的向下的力。這與螺旋推進器打樁法完全相反，在螺旋推進器打樁法中，由于螺旋推進器的螺旋葉片與土壤特別是稠密、粘結性地層之間的作用而產生一個基本上向下的力。作為一種有利的選擇，直接施加的向下的力至少是旋轉所產生的力的至少或兩倍更為優(yōu)選為五倍。
通過利用本發(fā)明，能夠較好地利用一個常規(guī)打樁鉆機，例如70公噸的重量比例(proportion of the weight)，以協(xié)助一個鉆孔成形工具或樁推進到地層內。在對打樁鉆機能力沒有限制的情況下，我們發(fā)現(xiàn)，一種相對更為直接的實現(xiàn)鉆孔成形工具或者樁鉆進的方法就是基本上只產生向下的力。該方法的限制取決于鉆進阻力，需要考慮以下幾個基本的因素i)鉆進到地層內的阻力取決于具體的地層條件和土壤類型；ii)阻力正比于所插入元件的橫截面積，因此橫截面積越小，所需的向下的力越低；
iii)最大的向下的力不能超過鉆機用于安裝鉆孔成形工具或者樁的力。
本發(fā)明的一個優(yōu)點就是，一旦鉆進時克服了表面摩擦力，鉆孔成形工具或者樁移動過程中所承受的阻力常小于其靜止阻力，這種靜止阻力是在鉆孔成形工具或者樁在土壤“聚集”過程中未受到任何干擾的情況下產生的。
有時，對鉆孔成形工具或者樁施加一振動是非常有利的，這可以在鉆進被中斷的情況下減少表面摩擦力，但是在任何情況下，這種振動產生的向下的力必須顯著低于插入鉆孔成形工具或者樁到更大深度所需的力。在遇到任何阻止鉆孔成形工具或者樁進入地層的障礙的情況下，可以使用振動來協(xié)助螺旋推進器頭(expeller head)。
由鉆機施加到鉆孔成形工具或者樁的頂部上的非沖擊力可以由懸掛在該鉆孔成形工具或者樁上的懸重來提供。作為另外的形式或者除了上述形式外可附加的形式為，鉆機可以具有一個絞車，該絞車適合向下推動鉆孔成形工具或者樁的頂部。
在一個特別優(yōu)選的實施例中，鉆機具有一個液壓柱塞(hydraulicram)，該液壓柱塞可以伸出至少1m，優(yōu)選為至少2m，更為優(yōu)選在某些應用中至少為5m。這樣的一個柱塞可以用于將一個向下的非沖擊力施加到鉆孔成形工具或者樁的頂部，從而在一個單個的操作中，能夠鉆進1m、2m甚至5m。柱塞可以進行重置和設置以重新施加非沖擊力從而實現(xiàn)更大深度的鉆進。另外，柱塞可以與懸重和/或絞車裝置和/振動器一起使用。
旋轉可以通過一個電子、液壓或者氣動馬達或者任何形式的裝置包括手動方式來實現(xiàn)。
在鉆孔成形工具推動進入地層內的情況下，當鉆孔成形工具旋轉和/或回縮時，混凝土或者灰漿從地面泵入，從而在鉆孔成形工具或者樁的尖端處或者尖端附近出現(xiàn)。通過這種方式可以形成一個就地澆筑樁。作為一種有利的形式，沿著鉆孔成形工具整個長度泵送的混凝土或者灰漿的體積可以由例如一個電磁流量計進行監(jiān)控，并由流動控制裝置和電子計算機裝置來控制。電子計算機裝置還監(jiān)測和控制鉆孔成形工具的旋轉和/或取出。通過這種方式，能夠將鉆孔成形工具的轉速和/或回縮的速率按照混凝土或者灰漿的流速的函數(shù)進行控制，或者反過來進行控制，以協(xié)助保證所形成的就地澆筑樁具有足夠的結構強度。
根據(jù)本發(fā)明的第四個方面，提供一種形成地下就地澆筑樁的方法，其中i)基本上沿著一個鉆孔成形工具的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式將該具有所述的縱軸的鉆孔成形工具推入到地層內，以鉆孔到一個第一深度，其中，所述的鉆孔成形工具還具有一個下端，該下端安裝至少一個刃形連接件，所述的刃形連接件的尺寸大于工具體的直徑；以及ii)至少是所述的安裝有至少一個刃形連接件的鉆孔成形工具的下端按照一種方式進行旋轉，使至少一個刃形連接件驅替鉆孔成形工具位置或者該鉆孔成形工具附近的土壤，而與此同時混凝土或者灰漿沿著鉆孔成形工具的長度進行泵送，以協(xié)助刃形連接件驅替土壤，并產生一個用于所形成的樁的基部；以及iii)回縮所述的鉆孔成形工具，同時沿著所述的鉆孔成形工具的整個長度連續(xù)泵送混凝土或者灰漿。
作為一種優(yōu)選的方式，鉆孔成形工具在一次連續(xù)移動過程中推入地層內至少1m，并且在某些應用中至少為2m或者5m。一旦到達了給定的深度，連續(xù)的力可以重復施加一次或者多次，從而將鉆孔成形工具推進到一個更大的深度。
根據(jù)本發(fā)明這個方面所使用的鉆孔成形工具特別適用于柔軟地層條件，如砂巖上覆有柔軟土層、礫石上覆有粉砂巖或者顆粒材料或者巖石、基巖上覆有任何柔軟材料的地層；并且該鉆孔成形工具所安裝的樁可以將載荷從地面?zhèn)鬟f到該深度的更為堅硬的土壤。
鉆孔成形工具被推進到地層內直到鉆孔成形工具的基部到達所需的深度為止，該深度通常為疏松到中等致密砂巖的頂部或者顆粒地層或者巖石或者基巖。一個振動器可以設置在鉆孔成形工具的頂部，以協(xié)助鉆進穿過任何砂巖透鏡體(sand lenses)或者堅硬的地層或者在鉆孔成形工具的尖端到達所需的基礎深度之前所遇到的類似物。振動器的功率可以為15bhp，盡管功率可以根據(jù)地層條件來進行選擇。應該注意的是，振動器不是鉆孔成形工具鉆進的關鍵，它只是作為鉆進非粘結性土壤的輔助手段。振動器還可以協(xié)助鉆孔成形工具的取出。
作為另外一種形式或者上述方式的附加形式以外，在鉆孔成形工具以非沖擊方式被推進到地層的過程中，該鉆孔成形工具繞其縱軸旋轉但并不泵入混凝土或者灰漿。這種旋轉可以是沿著給定方向的連續(xù)旋轉，或者可以參照本發(fā)明的第一方面所述來回旋轉。當這種旋轉運動與基本上非沖擊的推力結合時，允許鉆孔成形工具穿過砂巖或者顆粒地層。鉆孔成形工具的旋轉移動導致其刃形連接件驅替土壤。這種驅替的結果，降低了鉆孔成形工具的基部周圍的地層壓力，因此允許鉆孔成形工具基部下方的土壤材料向上移動，從而導致工具端部的承載能力在較低的載荷下喪失。
一旦鉆孔成形工具或者鉆孔成形工具安裝有刃形連接件的部分到達了所需的深度，它將進行旋轉從而使得至少刃形連接件驅替鉆孔成形工具基部的土壤，并且最好同時由泵送到鉆孔成形工具的混凝土或者灰漿的壓力來進行協(xié)助。在驅替了土壤后，同時用正壓，例如4巴或者更高穿過鉆孔成形工具的工具體泵入并從至少一個刃形連接件后側所設置的開口或者鉆孔成形工具的尖端或者尖端附近的一個開口排出的混凝土或者灰漿代替，因此形成具有預定形狀的地下混凝土或者灰漿球體。應該注意的是，當鉆孔成形工具旋轉時，在每一個刃形連接件前面的土壤被壓縮，因此相對于周圍土壤壓力增加了當?shù)氐?local)土壤壓力。因此，就允許在每一個刃形連接件后方的土壤膨脹，從而相對于周圍的土壤壓力降低了當?shù)氐耐寥缐毫ΑＷ鳛榱硗庖环N形式，在鉆孔成形工具的工具體為實心體的實施例中，混凝土或者灰漿可以通過一個或者多個獨立的供給管來提供。一旦形成了球體后，鉆孔成形工具最好在非旋轉狀態(tài)并且沿著插入鉆孔成形工具時的方向相同的方向取出，以保持在取出鉆孔成形工具時較小的阻力。在某些實施例中，所述的至少一個刃形連接件可以在鉆孔成形工具的周圍設置為螺旋形。這意味著鉆孔成形工具可以通過旋轉方式取出，只要鉆孔成形工具回縮的速率按照螺旋的螺距和/或深度的變化和/或轉速的函數(shù)進行控制即可。在取出過程中，需另外輸送混凝土或者灰漿，以形成一個連續(xù)的樁柱到一個預定的深度。在取出鉆孔成形工具時所輸送的混凝土或者灰漿必須足以保證能夠澆筑預定的最小的橫截面積。應該注意的是，利用驅替打樁工具例如象上述的鉆孔成形工具，在工具周圍的土壤將封堵混凝土或者灰漿流動的任何空隙；因此，可以保持混凝土或者灰漿的正壓狀態(tài)。如果鉆孔成形工具旋轉時保持混凝土或者灰漿的壓力恒定，經(jīng)過幾次旋轉后，混凝土或者灰漿將被吸收到翼片周圍的區(qū)域中，并驅替周圍的土壤，直到所有原始的土壤被成功驅替并被混凝土或者灰漿取代為止。這可以通過旋轉鉆孔成形工具的扭矩顯著降低來指示。
作為一種有利的方式，在形成就地澆筑樁的基部和樁柱的過程中，例如可利用一個電磁流量計對所泵入的混凝土或者灰漿的體積進行監(jiān)測，并通過電子計算機裝置進行控制。該電子計算機裝置還適合于監(jiān)測和控制鉆孔成形工具的插入和/或旋轉和/或取出。例如，給定刃形連接件的表面積和轉速，能夠對電子計算機裝置裝置編程，使得該電子計算機裝置計算出土壤驅替的速率，因此可以計算出混凝土或者灰漿應該泵入的速率，以保證所形成的承載柱或者柱具有足夠的結構強度。電子計算機裝置還可以根據(jù)這些計算結果控制混凝土或者灰漿泵入的速率和/或鉆孔成形工具的轉速。此外，電子計算機裝置還適合于在取出鉆孔成形工具過程中監(jiān)測和控制鉆孔成形工具的回縮以及混凝土或者灰漿的流速，以保證提供足夠數(shù)量的混凝土或者灰漿。
通過驅替鉆孔成形工具基部的土壤并且同時注入混凝土或者灰漿，所形成的就地澆筑樁的承載能力得到改善。這種承載能力的改善是因為相對于樁的樁柱而增加樁的基部的直徑。基部的直徑可以是樁柱的幾倍。
安裝到鉆孔成形工具上的刃形連接件的數(shù)量為對稱起見可以為兩個，但是其他數(shù)量也同樣有效。實現(xiàn)所需土壤驅替最小轉數(shù)是1/刃形連接件數(shù)，只要刃形連接件等角度分布在鉆孔成形工具的周邊上，盡管根據(jù)地層條件，可能需要更多轉數(shù)，以保證土壤被充分驅替。在某些實施例中，鉆孔成形工具首先沿著一個方向旋轉，然后沿著另外一個方向旋轉。轉速的控制應該保證所驅替的土壤的體積小于或者至少等于同時泵入的混凝土或者灰漿的體積。
在一個特別優(yōu)選的實施例中，所驅替的土壤的體積為50～500升(0.05～0.5m3)，從材料利用率角度講，該數(shù)字是比較有效的。為了增加球體的尺寸也可以增加轉數(shù)和增加混凝土或者灰漿的輸送，但是這不會取得更好效果，因為該球體的最終形狀不可預測，而且其有效的面積可能不會增加。
常規(guī)的驅動裝置例如象馬達甚至手動方式可以用于旋轉鉆孔成形工具。作為另外一種形式，一個或者多個液壓柱塞可以以步進方式用于旋轉鉆孔成形工具。所述的一個或者多個液壓柱塞適合于與從鉆孔成形工具上軸向伸出的一個臂形件嚙合，因此可以實現(xiàn)步進方式旋轉并提供一個力，該力足以保證刃形連接件驅替鉆孔成形工具下端周圍的土壤。對于具有徑向相對的兩個刃形連接件的鉆孔成形工具需要旋轉至少180度，而對于具有四個等距分布的刃形連接件的鉆孔成形工具則需要旋轉至少90度。
所述的刃形連接件的尺寸和形狀最好適合于在旋轉是不會產生過度變形。刃形連接件可以為實心體，或者也可以具有孔或者開口，這些孔或者開口可以促進混凝土或者灰漿與土壤材料的就地混合。作為另外一種形式，每一個刃形連接件可以包括幾個由槽分開的突出元件。刃形連接件的精確尺寸和形狀可以根據(jù)地層條件進行選擇。在某些實施例中，可以注意到所述的刃形連接件可以相對于鉆孔成形工具的縱軸成一定角度進行設置，因此在旋轉時可以向上或者向下驅替土壤。
上述的形成一個擴大的基部的技術也適合于形成一個延長的擴大基部。這可以通過在穿過基礎(founding)地層緩慢取出該鉆孔成形工具時繼續(xù)旋轉鉆孔成形工具并且同時提供混凝土或者灰漿來實現(xiàn)。一旦到達了基礎地層的頂部，停止旋轉鉆孔成形工具，以正常方式完全回縮鉆孔成形工具。這使得所形成的樁具有一個比樁主體更寬的長的基部，這改善了表面摩擦力并提高了端部承載能力。
對于擴大的基部形成技術，還可以在基礎地層內的幾個深度重復進行，甚至在某個速率下取出鉆孔成形工具的同時繼續(xù)旋轉鉆孔成形工具。該取出鉆孔成形工具的速率可以保證形成一個螺旋形的擴大基部。
另外一種可能性是可以在取出鉆孔成形工具過程中施加一定程度的來回旋轉。通過這種方式，所形成的一個具有中央體的樁具有由刃形連接件的寬度所確定的“翼”，而由于所形成的樁比單個的樁具有更大的周向面積因此改善了表面摩擦效果。
當所述的鉆孔成形工具回縮到一個預定深度時，利用該鉆孔成形工具的額外旋轉并伴隨輸送額外的混凝土或者灰漿，所述的就地澆筑樁在地層表面或者以下可以具有一個擴大頭。這種擴大頭可以剛好在地層表面以下或者如果需要降低地層深度時可以位于更深的深度。在某些應用中，擴大頭可以形成于由該地層表面所提供的礫石或者其他合適的顆粒材料鋪毯中。
一旦樁澆筑完成后，可以插入一個加強件。該加強件可以為一個或者多個鋼筋，這些鋼筋可以在混凝土或者灰漿凝固之前推入到濕潤的混凝土或者灰漿內預定深度。
為了更好地理解本發(fā)明以及描述本發(fā)明是如何實施的，將參照下列附圖進行描述；附圖中

圖1表示本發(fā)明的一個鉆孔成形工具，該工具已經(jīng)被推入到地層內；圖2表示圖1中的鉆孔成形工具上刃形連接件的第一種結構的剖面圖；圖3表示圖1中的鉆孔成形工具上刃形連接件的第二種結構的剖面圖；圖4表示圖1中的鉆孔成形工具上刃形連接件的第三種結構的剖面圖；圖5表示一個安裝有一個鉆孔成形工具和懸重的鉆機；圖6表示一個安裝有一個鉆孔成形工具和液壓柱塞的鉆機；圖7表示一個鉆孔成形工具的示意圖；圖8和9表示正在使用中的圖7所示的鉆孔成形工具；圖10表示本發(fā)明的鉆孔成形工具的另外一個實施例；圖11表示由圖10的鉆孔成形工具形成的一個樁；以及圖12到圖16表示由圖10的鉆孔成形工具形成的各個樁。
如圖1所示，鉆孔成形工具1包括一個工具體2，該工具體2在其基部或基部附近具有兩個刃形連接件或者翼片3。該實施例中工具體2的直徑為0.3m，而翼片3的端部(extremities)之間的最大距離為0.8m。翼片3的形狀和尺寸適合于在鉆孔成形工具1旋轉時驅替大約100升容積的地層材料。而且，翼片3具有斜刃，以方便鉆孔成形工具1的插入和取出。鉆孔成形工具1的工具體2為空心體，并允許混凝土或者灰漿從鉆孔成形工具1的頂部穿過鉆孔成形工具1的基部附近的一個開口4泵送出來，而在其他的實施例中，也可以采用獨立的灰漿或者混凝土供給管。
在使用時，鉆孔成形工具1被連續(xù)移動而推入到柔軟地層例如象土層5內，直到鉆孔成形工具1的基部到達顆粒材料、巖石或者基巖地層6的頂部為止。然后施加旋轉運動給鉆孔成形工具，該鉆孔成形工具被進一步推入到地層內。這種旋轉運動由于降低了鉆孔成形工具的尖端附近的地層壓力并且允許鉆孔成形工具尖端下方的顆粒材料向上運移到地層壓力降低的區(qū)域，從而有助于鉆孔成形工具鉆進到顆粒材料內。一個振動器7可以安裝到鉆孔成形工具1的頂部，以協(xié)助鉆進任何中間砂巖透鏡體或者剛硬地層(未示出)，同時減少摩擦并保證鉆孔成形工具1的基部進入到砂巖地層6內。通常，對于土壤摩擦角或者說對于30度摩擦角的基礎砂巖來說，需要插入圖1所示的鉆孔成形工具的力小于100kN。
一旦鉆孔成形工具1已經(jīng)插入到所需深度，旋轉該鉆孔成形工具1從而使得其翼片3驅替一定體積的土壤。同時，混凝土或者灰漿穿過鉆孔成形工具1的工具體2而從開口4排出，因此形成一個地下混凝土或者灰漿球狀物。然后不用旋轉而取出鉆孔成形工具1，而混凝土和灰漿繼續(xù)泵送以形成就地澆筑樁的樁柱。
翼片3可以采用不同的形狀，例子參見附圖2、3和4。圖2和圖3的形狀涉及只是沿著一個方向旋轉，而圖4的形狀則可以沿著兩個方向進行旋轉。
翼片3只需具有足夠的厚度從而保證旋轉時翼片不會過度變形。在所說明的實施例中，翼片3具有50kN/mm2的土層剪切強度(未滲濾)，因而在土層中沒有永久的變形。在如圖所示的結構中，翼片3的翼展距離為0.8m，因此與鉆孔成形工具1的直徑0.3m相比其承載面積增加了七倍。
圖5表示一個鉆機7上安裝一個鉆孔成形工具8。在該鉆孔成形工具8的頂部，提供一個用于旋轉鉆孔成形工具8的驅動裝置9和振動器10。一個懸重11以可調節(jié)方式懸掛到鉆孔成形工具8的頂部的上方，因此可以在鉆孔成形工具的頂部施加一個向下的力，從而以連續(xù)移動的方式將鉆孔成形工具推入到地層內。如果沒有懸重11或者除了使用懸重11外，如圖6所示還提供一個液壓柱塞11′，該液壓柱塞伸出的長度至少為1m，通常至少為2m甚至5m。該液壓柱塞11′用于在一個單個的連續(xù)操作中將鉆孔成形工具8推進給定的1m距離。該液壓柱塞11′然后進行重置并用于將鉆孔成形工具8推進到更深的深度。還可以提供一個絞車裝置20，用于向下推動鉆孔成形工具8的頂部。一個混凝土或者灰漿供給管12定位在鉆孔成形工具8的頂部，從而允許混凝土或者灰漿可以通過鉆孔成形工具的工具體進行泵送。
圖7表示類似于圖5、6中的一個鉆孔成形工具8。該鉆孔成形工具8具有一個頭部13和體部14，其體部14可以為各種長度以適合于各種不同的地層條件。頭部13和體部14通過一個標準的連接器15聯(lián)接。兩個翼片16設置得朝向頭部13的下端。在體部14的上端，鉆孔成形工具8由鉆機7支撐，并具有一個振動器10和一個驅動裝置9。驅動裝置9包括一個柱塞17，該柱塞17安裝到柱塞臂18上，從而使得柱塞17的激勵可以導致鉆孔成形工具8旋轉大約90度。一個懸重11向下放置到鉆孔成形工具8的頂部，以提供將鉆孔成形工具推進到地層內所需的向下的力。
圖8表示圖7所示的鉆孔成形工具8的頭部13。該頭部13已經(jīng)被推入穿過土層5，直到該鉆孔成形工具8的尖端到達中等致密的砂巖層6為止。一個混凝土或者灰漿輸出噴嘴18設置在鉆孔成形工具8的下端，該噴嘴18安裝有一個加強塞19，以防止鉆孔成形工具8推進到地層內時土壤的侵入。
為了形成一個樁或者承載柱，混凝土或者灰漿穿過鉆孔成形工具8進行泵送，并首先推出加強塞19。該鉆孔成形工具8然后舉升大約100mm，混凝土或者灰漿以可控速率通過噴嘴18進行泵送。最好如圖9所示，鉆孔成形工具8然后旋轉180度，這樣，翼片16伴隨著從噴嘴18以可控速率泵送的混凝土或者灰漿而驅替一定體積的土壤。然后旋轉停止，鉆孔成形工具8回縮，而混凝土或者灰漿繼續(xù)以某個速率進行泵入，該速率則由鉆孔成形工具8的回縮速率來決定，從而形成一個具有擴大基部的承載柱，并且因此增加了承載柱的承載能力。通過中斷鉆孔成形工具8的回縮并進行另外的一定時間的旋轉也可以沿著承載柱的軸線的其他點形成其他擴大部。
另外一種形式的鉆孔成形工具21如圖10所示。該鉆孔成形工具21具有兩個翼片22，并具有空心桿體23，混凝土或者灰漿可以穿過該空心桿體泵入。在翼片22后方具有開口24，以允許混凝土或者灰漿在需要時進行輸出。該鉆孔成形工具21的使用方式與圖7到9的鉆孔成形工具8相同，但是它不是在顆粒材料地層的頂端形成一個擴大的樁基，該鉆孔成形工具21通過額外的旋轉而推進到這樣的一個地層內。一旦該鉆孔成形工具21已經(jīng)到達所需深度，在不旋轉地取出之前，該鉆孔成形工具在旋轉的同時通過如上所述的空心桿體和開口4泵入混凝土或者灰漿，因此在如圖11所示的顆粒地層27內形成一個具有擴大基部26的樁25。
現(xiàn)在參考圖12，一個具有長圓柱形擴大基部29的樁28可以通過在從顆粒地層27回縮鉆孔成形工具21的過程中連續(xù)地緩慢旋轉鉆孔成形工具21并且同時連續(xù)供應混凝土或者灰漿而形成。之后旋轉停止，而鉆孔成形工具21按照如前所述回縮，以形成樁28的主樁柱。和圖11所示的簡單擴大基部26相比，長的圓柱形擴大基部29的表面摩擦力得到改善。
如圖13所示，也可以形成具有多個擴大部31的樁30。這可以通過下述過程來實現(xiàn)首先在一個基礎深度旋轉鉆孔成形工具21的同時提供混凝土或者灰漿，然后停止旋轉并將鉆孔成形工具21回縮到一個更高的深度，然后在該更高的深度上重復上述的旋轉，并繼續(xù)提升到更大深度。如果鉆孔成形工具21在連續(xù)旋轉的同時以相對較快的速度回縮，或者在回縮的過程中相對緩慢地旋轉，可以形成如圖14所示具有螺旋形擴大部33的樁32。圖13和14的樁30和32增加了表面摩擦力，并潛在地增加了其端部承載能力。
如果鉆孔成形工具21在回縮過程中進行輕微擺動，就可以形成一個具有“翼部”35的樁34，如圖15所示。這些“翼部”35可以沿著樁34的整個深度延伸或者只是在樁34的某些部分上形成。由于樁34增加了表面積，因此可以改善表面摩擦力。而且，更多這樣的樁34可以排成列以建造一個地下墻壁36，如圖16所示。
權利要求
1.一種在地層內安裝承載樁或者柱的方法，其中i)基本上沿著一個鉆孔成形工具或者樁的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式將該鉆孔成形工具或者樁推入到地層內，以鉆孔到一個第一深度；以及ii)基本上沿著所述的鉆孔成形工具或者樁的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式在所述的鉆孔成形工具或者樁繞其縱軸旋轉時將所述的鉆孔成形工具或者樁進一步推入到地層內，以鉆孔到一個第二深度。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述的鉆孔成形工具或者樁沿著單一方向旋轉。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，所述的鉆孔成形工具或者樁可以來回旋轉。
4.根據(jù)前述任何一項權利要求所述的方法，其中，直接施加到所述的鉆孔成形工具或者樁上的力大于鉆孔成形工具或者樁旋轉所產生的任何向下的力。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，直接施加到鉆孔成形工具或者樁的頂部的力是鉆孔成形工具或者樁旋轉所產生的向下的力的至少兩倍。
6.根據(jù)前述任何一項權利要求所述的方法，其中，所述的鉆孔成形工具或者樁在電子計算機裝置的控制下被推入和/或旋轉。
7.根據(jù)前述任何一項權利要求所述的方法，其中，所述的鉆孔成形工具被推進到地層內給定的深度，然后回縮；并且其中，在回縮所述的鉆孔成形工具過程中沿著鉆孔成形工具的長度正壓泵送混凝土或者灰漿，并從定位在或者靠近于鉆孔成形工具的下端的噴嘴排出，以形成一個就地澆筑樁。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，所述的回縮所述的鉆孔成形工具的速率用電子計算機裝置進行監(jiān)測和控制。
9.根據(jù)權利要求7或者8所述的方法，其中，通過一個電磁流量計和流動控制裝置來提供混凝土或者灰漿。
10.根據(jù)權利要求7、8或9所述的方法，其中，所述的鉆孔成形工具的轉速作為混凝土或者灰漿的流速的函數(shù)進行控制，或者反過來進行控制。
11.根據(jù)權利要求7～10任一權利要求所述的方法，其中，鉆孔成形工具回縮的速率作為混凝土或者灰漿的流速的函數(shù)進行控制，或者反過來進行控制。
12.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中，鉆孔成形工具回縮的速率和混凝土或者灰漿流速由電子計算機裝置進行監(jiān)測和控制。
13.根據(jù)權利要求7～12中任一權利要求所述的方法，其中，混凝土或者灰漿的流速、鉆孔成形工具的轉速和/或鉆孔成形工具的回縮速率由電子計算機裝置進行監(jiān)測和控制。
14.一種鉆孔到地層內的方法，其中i)基本上沿著一個鉆孔成形工具的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式將該具有所述的縱軸的鉆孔成形工具推入到地層內，以鉆孔到一個第一深度；以及ii)基本上沿著所述的鉆孔成形工具的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式在所述的鉆孔成形工具繞其縱軸旋轉時將所述的鉆孔成形工具進一步推入到地層內，以鉆孔到一個第二深度。
15.一種用于將一個具有縱軸的鉆孔成形工具或者樁插入到地層內的鉆機，其中，該鉆機具有一個用于基本上沿著鉆孔成形工具的縱軸方向將一個基本上非沖擊的力施加到所述的鉆孔成形工具或者樁上以將其推入到地層內第一深度的第一裝置；并且其中，該鉆機還具有一個使鉆孔成形工具或者樁繞其縱軸旋轉的第二裝置，該第二裝置與所述的第一裝置結合，從而基本上沿著所述的鉆孔成形工具或者樁的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式將所述的鉆孔成形工具或者樁進一步推入到地層內的一個第二深度。
16.根據(jù)權利要求15所述的鉆機，其中，所述的第一裝置包括一個懸重，該懸重以可調節(jié)方式懸掛在一個鉆孔成形工具或者樁的上方。
17.根據(jù)權利要求15所述的鉆機，其中，所述的第一裝置包括一個液壓柱塞。
18.根據(jù)權利要求15所述的鉆機，其中，所述的第一裝置包括一個絞車。
19.根據(jù)權利要求15～18中任一權利要求所述的方法，其中，一個振動器安裝到鉆孔成形工具上。
20.一種形成地下就地澆筑樁的方法，其中i)基本上沿著一個鉆孔成形工具的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式將該具有所述的縱軸的鉆孔成形工具推入到地層內，以鉆孔到一個第一深度，其中，所述的鉆孔成形工具還具有一個下端，該下端安裝至少一個刃形連接件，所述的刃形連接件的尺寸大于工具體的直徑；以及ii)至少是所述的安裝有至少一個刃形連接件的鉆孔成形工具的下端按照一種方式進行旋轉，在這種方式下至少一個刃形連接件驅替鉆孔成形工具的基部位置或者附近的土壤，而與此同時混凝土或者灰漿沿著鉆孔成形工具的長度進行泵送，以協(xié)助刃形連接件驅替土壤，并產生一個用于所形成的樁的基部；以及iii)回縮所述的鉆孔成形工具，同時沿著所述的鉆孔成形工具的整個長度連續(xù)泵送混凝土或者灰漿。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中，在步驟i)之后但是在步驟ii)之前，基本上沿著所述的鉆孔成形工具的縱軸方向，并且基本上以非沖擊方式在所述的鉆孔成形工具繞其縱軸旋轉時將所述的鉆孔成形工具進一步推入到地層內，以鉆孔到一個第二深度。
22.根據(jù)權利要求20或者21所述的方法，其中，對步驟ii)中的轉速進行控制，從而使得由至少一個刃形連接件和混凝土或者灰漿所驅替的土壤的體積小于或者至少等于在步驟ii)中所提供的混凝土或者灰漿的體積。
23.根據(jù)權利要求20、21或者22所述的方法，其中，一旦所述的鉆孔成形工具被回縮到一個預定深度后，利用鉆孔成形工具的額外旋轉以及同時輸送額外的混凝土或者灰漿可以使得所述的就地澆筑樁在柔軟地層下或者柔軟地層處形成一個擴大頭。
24.根據(jù)權利要求20～23中任一權利要求所述的方法，其中，一個振動器協(xié)助所述的鉆孔成形工具插入和/或取出。
25.根據(jù)權利要求20～24中任一權利要求所述的方法，其中，所述的鉆孔成形工具在電子計算機裝置的控制下進行推進和/或旋轉。
26.根據(jù)權利要求20～25中任一權利要求所述的方法，其中，通過一個電磁流量計和流動控制裝置來提供混凝土或者灰漿。
27.根據(jù)權利要求26所述的的方法，其中，所述的鉆孔成形工具的轉速作為混凝土或者灰漿的流速的函數(shù)進行控制，或者反過來進行控制。
28.根據(jù)權利要求26或者27所述的方法，其中，鉆孔成形工具回縮的速率作為混凝土或者灰漿的流速的函數(shù)進行控制，或者反過來進行控制。
29.根據(jù)權利要求25～28中任一權利要求所述的方法，其中，混凝土或者灰漿的流速、鉆孔成形工具的轉速和/或鉆孔成形工具的回縮速率由電子計算機裝置進行監(jiān)測和控制。
全文摘要
一種用于在柔軟地層中安裝一個樁或者承載元件的方法和設備,其中非沖擊力而不是例如象由錘子或者起重器所施加的沖擊力被施加到鉆孔成形工具或者樁(1)的頂部,從而通過連續(xù)移動將該鉆孔成形工具或樁推進到地層內的第一深度,且所述的鉆孔成形工具或者樁在旋轉的同時以非沖擊的方式推進到一個第二深度。本發(fā)明還公開了一種用于在柔軟地層中形成一個就地澆筑樁的方法和設備,該方法將一個其基部具有翼片(3)的鉆孔成形工具(1)推入到地層內。一旦到達所需的深度后,鉆孔成形工具(1)旋轉并同時協(xié)助驅替翼片(3)所掃過的土壤。然后取出鉆孔成形工具(1),并同時提供另外的混凝土或者灰漿,以使得所形成的具有預定形狀的樁的承載能力得到提高。
文檔編號E02D7/20GK1276031SQ98810140
公開日2000年12月6日 申請日期1998年11月13日 優(yōu)先權日1997年11月13日
發(fā)明者梅爾文·杰勒德·英格蘭, 威爾弗雷德·喬治·肯尼斯·弗萊明, 羅杰·馬丁·達克 申請人:克瓦納水泥澆鑄有限公司