CN100516383C - 构建桩基础的方法 - Google Patents
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Abstract
一种构建桩基础的方法，其中，所述方法包括以下步骤：在地(2)上建设一个基础结构(1)；所述基础结构(1)具有至少一个通孔(4)，邻近所述孔(4)的一个连接构件(5)固定至所述基础结构(1)，并且具有至少一个向上突出的部分(7)；一个桩(3)插入穿过所述孔(4)；借助于一个推力装置(21)，在所述桩(3)上静态地施加多个推力以将所述桩(3)打入所述地(2)内；所述推力装置(21)位于所述桩(3)的上方且与所述桩(3)的顶端(22)配合，并且连接至连接构件(5)的突出部分(7)，所述连接构件(5)在打入所述桩时用作推力装置(21)的反作用力构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种构建桩基础的方法，特别是涉及一种构建建筑物之桩基础的方法。
背景技术
建筑物的桩基础是通过建立所述建筑物的地基基础结构而构建的，所述地基基础结构具有至少一个通孔，并且邻近所述孔装有至少两根固定到所述结构并向上突出的线缆。一旦所述基础结构已经完成，将金属桩插入所述孔内，且所述金属桩承受一系列的静推力而被打入地中；并且，一旦打入，所述桩的顶部轴向地固定到所述基础结构。各推力由一个推力装置施加，所述推力装置设置在桩的顶部处，与所述桩的顶端配合，并且连接至所述线缆的突出部分，在驱动所述桩时，所述线缆用作推力装置的反作用力构件。
所述桩包括：定截面的杆；宽底头部，其整体地连接至所述杆并且其截面尺寸基本上与所述孔相同以安装通过所述的孔。当打入所述桩时，所述头部在地中形成一个截面尺寸大于所述杆的通路，并且随着所述桩被打入，基本上为塑性的水泥材料添加至所述通路中不由所述杆占据的部分内，以便绕着所述桩形成一个水泥套。
特别地，在软的地面中，所述头部的横向尺寸应该特别地大，以便在所述地面中形成相当大的通路，以便进而形成足够大的水泥套以确保所需的稳定性。然而，所述头部的横向尺寸受到所述孔的横向尺寸的限制，所述孔的横向尺寸超过或大于给定的尺寸会严重影响所述基础结构的承载能力，并且使得难以将下沉的桩轴向地固定至所述基础结构。
US5234287A1公开了一种用于稳定基础的装置以及过程；通过将一个支架附接到壁上、将一个套装置耦合到支架上、将墩部分插入到套装置内、以及通过该装置经由支架而依次地将所述墩部分驱动入位于基础下方的土壤中、以及将如此地形成的墩耦合到支架以通过所述的墩来支持基础，从而稳定一个带壁的基础。支架具有一个抵靠所述壁而安装的板，该板通过螺栓和套筒附接到支架上，所述套筒牢固地附接到板；墩穿过套筒，并在受到足够的阻力时与套筒连接，从而支撑基础。
US3786641A1公开了一种提供位于一个地面结构层下方的实心柱形支撑的方法，该结构层覆盖了泥土。可膨胀的搅拌装置穿出位于覆盖层中的相对小直径的孔，并膨胀而搅拌及松散泥土以使其长形体部的周向尺寸比孔要大；通过该孔压入松散泥土中的可自动硬化的流体可以在通过小孔而移去收缩的搅拌装置之后硬化。所获得的刚性、复合柱位于结构层的下方，围绕着孔以牢固地对之进行支撑。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种建构桩基础的方法以及一种用于建构桩基础的桩，其设计用于消除前述缺点，并且同时可以低成本且容易地实施。
根据本发明，提供了一种构建桩基础的方法，所述方法包括以下步骤：在地上建设一个具有至少一个孔的基础结构；将包括一个杆和至少一个底主头部的金属桩插入到所述孔中，使得所述桩的主头部与地接触；在所述桩上静态地施加至少一个推力而将所述桩打入地内；以及将已打入的所述桩轴向地固定到所述基础结构；所述方法的特征在于：当将所述主头部打入所述地内时，所述主头部的横向尺寸大于所述孔的横向尺寸。
附图说明
将参考附图借助于例子对本发明的非限制性实施方式进行描述，在所述附图中：
图1示出使用根据本发明的方法打入的基础桩的正视截面；
图2示出所述桩沿图1中II-II线的截面；
图3示出在将图1中的桩打入之前的初始构造的放大正视截面；
图4示出图1中的桩已打入；
图5和6示出在将图1中桩的替代实施方式打入过程中的两个阶段；
图7和8示出图1中桩的细节的两种替代实施方式的放大正视截面；
图9示出图1中桩的另一实施方式的正视截面；
图10示出在将图1中的桩的替代实施方式打入之前的初始构造的放大正视截面；
图11示出图1中桩的一替代实施方式的正视截面；
图12至14示出在将图1中桩的替代实施方式打入过程中的两个阶段。
具体实施方式
图1中的标号1指示一个建筑物(未示出)的基础结构，其建立在地面2上并且一般由连续的梁、板、或强化混凝土基脚形成。基础结构1显然可以用于一个建筑物，用于任何类型的建筑结构(例如桥)，并且更一般地，用于任何需要地基基础的结构(例如水轮机、工业锅炉或电塔)。
基础结构1通常是埋在地下的，并借助于多个(仅示出一个)延伸穿过所述结构并向下延伸的桩3而将基础结构上的负载传递到地2中。为此，对于每个桩3，结构1包括一个大致竖直的孔4，孔4具有圆柱形或其它截面形状并与一个金属管5对准，所述金属管通过一个结合在结构1中的环6而固定至基础结构1，并且通过一个顶部7从基础结构1向上突出。在所述基础结构1和地面2之间优选地设置一个相对稀薄的水泥层8，即所谓的稀水泥浆；并且可以在不同的高度处设置多个紧固环6。
在取决于建筑结构特性的替代实施方式中，基础结构1可以整体地建构或者从已有的结构开始建构，所述已有的结构例如已经形成孔4。为了增强已有基础结构1的机械强度，或者构建一个具有较小厚度的基础结构1，各孔4可以由金属板环绕，显然所述金属板在孔4处具有一个中心孔，通过螺纹件连接至基础结构1，并且优选地搁置在基础结构1的顶面上。
各桩3由金属制成，并且包括：截面大致恒定的杆9，杆9通常由具有相同长度的管段端对端地焊接在一起而形成；以及至少一个形成所述桩3底端的宽底主头部10。显然，杆9的截面可以不是圆形的，并且还可以是实心的。
各杆9是管形的，具有贯通的内部通道11，并且其截面小于相应的孔4，以便相对容易地穿过孔4。各主头部10由一个平坦的、大致为圆形的板12形成，板12具有锯齿状的外边缘13(图2)，但是显然板12的形状可以是不同的，例如为圆形、方形或矩形，带有锯齿状或平滑的边缘。每个主头部10的截面尺寸大于或等于相应的孔4，最初与相应的杆9分开，并且当构建基础结构1时，基本上设置成位于基础结构1下方、与地2接触，并且与相应的孔4同轴(如图3所示)。结果，各杆9随着穿过相应的孔4而与相应的主头部10接合以形成相应的桩3。
在基础结构1已然存在的情况下，为了安装主头部10，在基础结构1中形成一个孔，孔然后部分地收缩而得到一个截面小于主头部10的孔4。
为了确保各杆9和相应的主头部10之间具有足够牢固的机械连接强度，主头部10带有连接构件14，连接构件14与杆9接合以将杆9横向地固定至主头部10。在图示的实施方式中，例如，各连接构件14由从板12轴向伸出的圆柱形管状构件形成，并且其尺寸设置为以相当小的间隙与相应杆9的内部通道11的底部接合。连接构件14显然能够以不同的方式形成。
各管5的底端部分装配有至少一个密封环15，密封环15由弹性材料制成，并且当桩3穿过相应的孔4时，密封环15与桩3的杆9的外圆周表面接合。
当构建基础结构1时，在各孔4处形成至少一个注射通道16，注射通道16由穿过基础结构1延伸的金属管17形成，并且顶端18从结构1突出，并且底端19邻近孔4并且接触相应主头部10的板12的顶面20。
为了将各桩打入地中，相应的杆9首先插入相应孔4中以接合(如先前所述的)位于基础结构1下方的相应主头部10，所述主头部与地2接触并且与相应的孔4同轴。
如图1所示，一旦杆9接合相应的主头部10而形成相应的桩3，那么一个与桩3顶端22配合的推力装置21设置在桩3的上方，并且借助于在顶部带螺纹的两个连接件23而连接至相应管5的突出部分7。更具体地，推力装置21由至少一个液压千斤顶形成，所述液压千斤顶包括一个体部24、以及一个可相对于体部24以可调整的力轴向地移动的输出杆25。体部24支撑在桩3的的顶端22上，杆25与金属板26的底面接触，金属板26穿过连接件23，并且借助于与连接件23的螺纹顶部相接合的相应螺栓27而与连接件23在轴向上成为一个整体。
一旦如上所述地装配到桩3，那么启动推力装置21而在体部24和杆25之间产生一个具有预定大小的力，该力产生相同大小的静推力，作用在桩3上，以将之打入土地2中。由推力装置21所施加推力的反作用力由基础结构1的重量提供(在基础结构1上可以增加适当的重物)，并且由连接件23传递，随着杆25从体部24中抽出，连接件23与相应的管5通过维持板26和基础结构1之间的距离固定而一起用作反作用构件，使得体部24与桩3的顶端22一起被往下打。
推力装置21显然能够以不同的方式形成，提供施加在桩3上的静推力以将桩3打入地2中。例如，推力装置21可以包括位于杆9相对两侧的两个液压千斤顶；各液压千斤顶的可运动杆固定至刚性地连接至管5并且因此刚性地连接到基础结构1的水平板；以及随着液压千斤顶的杆从体部抽出，两个液压千斤顶的体部接合并夹紧位于它们之间的杆9，以向下抽动杆9。更具体地，两个液压千斤顶的体部借助于楔而夹紧杆9，当液压千斤顶向下运动时，所述楔压紧压杆9。当所述千斤顶的杆完全伸出时，通过减少楔上的压力而消除了杆9上的夹紧力，并且千斤顶杆返回到开始位置以继续对杆9进行驱动。
在一个没有示出的替代实施方式中，与连接到管5的突出部分7相反，推力装置21的连接件23连接到未搁在基础结构1上的、物理上分离的驱动重物，使得不是通过基础结构1而是仅仅通过所述驱动重物来形成用于驱动桩3的反作用力构件。替代地，反作用力构件可以由基础结构1和所述驱动重物一起形成，其中所述驱动重物不是搁在基础结构1上而是与基础结构1分离。为了增加由驱动重物所产生的驱动力，而无需求诸于采用超大重量的驱动重物(这将是笨重的且难以移动)，所述驱动重物可以由螺纹连接件固定到地2中，其中所述螺纹连接件暂时打入基础结构1外的地2内。所述驱动重物也可以由可以运动的物体形成，例如安装有轮子的卡车或船舶或浮桥，所述可以运动的物体可以容易地位于孔4附近，所述驱动重物还可以由临时打入地2中的辅助桩或螺纹连接件形成，以在打入桩3时用作反作用力构件，其可以在桩3被打入后移除。
上述实施方式显然用于避免对易碎的基础结构1施加应力。
随着各桩3被打入地2中，主头部10在地2中形成一个形状及横向尺寸和主头部10本身基本相同的通路28。通道28分成一个由相应杆9占据的内圆柱形部分29以及一个大致上畅通的外管状部分30，随着桩3被打入地2中，同时地将基本上为塑性的水泥材料31沿着相应的注射通道16而压力注射到所述外管状部分30中。更具体地，水泥材料31基本上包括水泥、沙子或所谓的“混凝土材料(betoncino)”，其是一种特征与灰浆类似的混凝土；一立方米的“混凝土材料”由550kg的波特兰型(Portland-type)水泥、150kg的水、1425kg的沙子、以及一些流化剂制成，以使得其特别适于流动、从而容易沿着注射通道16压力注射。显然可以为单个桩3设置多个注射通道，以同时或接续地供应水泥材料31。
密封环15防止压力注射的水泥材料31通过杆9的外表面和相应管5的内表面之间的间隙而向上渗入。
在一个替代实施方式中，水泥材料31可以包含添加剂(例如膨润土)以减小水泥材料31在变干时对地2的粘力。当地2具有随着时间而收缩的趋势时(例如，在泥炭层的情况下)，可以使用此种添加剂。在所述情况下，防止粘在水泥材料31上使得地2最终可以自由地与自然地收缩。
在另一实施方式中，水泥材料31包含防水性添加剂，这使得水泥材料31即使在硬化之前也基本上是不透水的。当桩3穿过水床时，特别是穿过含有高压或者流动相当快速的水的水床时，此种添加剂时必须的，用于防止水混入而导致水泥材料31变质。试验还显示，当穿过移动的水床时，以高于移动的水所施加压力的压力来注射水泥材料31是重要的，以便进一步减少水与水泥材料31混合的可能性。
如上所述，各杆9分成多个段，如所述地接续地穿过相应的孔4而打入，并且焊接在一起而形成桩3。更具体地，一旦打入杆9的第一段，那么推力装置21从第一段的顶端脱离以插入第二段，该第二段对接焊至第一段；然后推力装置21连接到第二段的顶端以继续进行所述打入循环。在没有示出的替代实施方式中，两个连续的管状段由连接部分固定在一起，所述连接部分与所述两段的内通道部分地接合。各杆9的组成的段通常是完全相同的，但是，在特定的情况下，其长度、形状或厚度可以是不同的。
取决于基础结构1的结构特性以及地2的特性，各桩3具有额定的承载能力，即桩3必须支撑的重量且不能屈服，即没有破裂和/或进一步沉入土2中。为了确保达到额定的承载能力，各桩3一般被打入直到其可承受由推力装置21所施加的、且超过额定承载能力的推力，而不再进一步沉入地2中。这通过每次往地中打入一个桩3而成为可能。因此，当驱动各桩3时，特别地，基础结构1(其上可以增加适当的重物)的整个重量能够用作由相关推力装置21所施加的推力的反作用力。如已经描述的，反作用力当然可以完全或部分地由独立于基础结构1的驱动重物提供。
如图4中所示，一旦已经打入各桩3，则相应的推力装置21从桩3上移除，并且为相关的内通道11填充基本上为塑性的水泥材料32，特别是“混凝土”。一旦各桩3的内通道11被填充，通过将一个水平的金属板33(或环形凸缘)固定(通常为焊接)到相关衬管5的突出部分7，桩3轴向地固定至基础结构1，所述金属板33装配在桩3的顶部以接合顶端22。
在另一未图示的实施方式中，杆9不填充水泥材料32，并且与具有管形段的情形相反，其优选地是实心的，不带内通道11。
在一个未图示的替代实施方式中，一个由弹性材料(例如氯丁橡胶)制成的体部插入在衬管5内并位于桩3的顶端22和金属板33之间，通常用于提高基础结构1的抗地震性能。
在另一未图示的实施方式中，打入各桩3，使得顶端22低于基础结构1的顶面；然后切断管5的突出部分7；并且板33固定到管5的其余部分以基本上与基础结构1的顶面共面，并且因而得到一个具有完全可在其上行走的顶面的基础结构1。
在被轴向固定至基础结构1之前，在将金属板33焊接到衬管5所用的时间内，管3能够由给定大小的向下推力预加负载。换句话说，在将金属板33焊接到衬管5时，管3承受给定大小的向下推力。在将桩3固定到基础结构1时对桩3预加负载使得桩3可以快速屈服而不是经过一段较长的时间才屈服。在构建基础结构1时纠正一个或多个桩3的屈服是相当直接、低成本的工作；但是一旦基础结构1已经完成，则是复杂与昂贵得多的。
在诸如淤泥或泥炭的软基中，在主头部10被打入地2内时所形成的通路28可能部分地或完全地由地2的所谓“塌陷”部分阻塞，所述“塌陷”部分通过由主头部10施加在地2上的压力而被推入通路28内。所述塌陷土地阻塞的通路28使得部分30不能完全由水泥材料31填充，从而影响甚至严重影响桩3的最终性能。所述塌陷现象与地2的软度以及由主头部10施加在地2上的压力直接成比例。
上述缺点通过使用在图5和6中示出的实施方式来解决，其中，除了主头部10之外，桩3还包括位于基础结构1之下、与主头部10同轴且位于主头部10下方的导入头部34(图5)。导入头部34包括连接至一管状体36的圆形板35，管状体36穿过主头部10中的圆形开口37向上延伸，并且与杆9的底端38接合。管状体36的截面尺寸设置成可以部分地插入到穿过孔4而插入的杆9的内通道11内；并且一个固定至管状体36外表面上的环39使得管状体36保持插入在杆9内。
在实际使用中，如上所述的，杆9插入孔4内并且接合管状体36的顶部；当杆9的底端38与环39接触时，杆9的进一步向下运动使得管状体36进行相同的向下运动，管状体36在开口37内滑动，并将导入头部34向下压入到地2内，而主头部10在开始时在其初始位置上保持静止。
随着杆9的底端38带着位于其间的环39继续向下运动，杆9的底端38接触主头部10的连接构件14，从而还将主头部10向下推入地2中。
主头部10——特别是板12——的截面稍微大于导入头部34，特别是大于导入头部34的板35，使得在将桩3打入地2内时的所有时间内主头部10与导入头部34保持一个恒定的距离。
随着桩3被打入地2内，导入头部34在地2上施加一个相当大的压力，并且在地2中形成一个通路40，因此通路40非常容易受所述塌陷现象(在图6中以41指示)的影响。另一方面，主头部10在土地2上施加较小的压力，从而用于“扩整”通路40并形成通路28，通路28因此较不易受塌陷的影响，使得供应至部分30内的水泥材料31基本上不会遇到阻碍。
随着桩3被打入土中，在主头部10和导入头部34之间保持至少1米的距离，以防止由于导入头部34施加在地2上的压力导致通路28的塌陷。
在图1-4所示的实施方式中，桩3包括一个主头部10，随着主头部10被打入，其在地2内形成一个通路28，通路28由水泥材料31填充。在图5和6所示的实施方式中，桩3包括主头部10，随着主头部10被打入，其在地2内形成一个通路28，通路28由水泥材料31填充；所述桩还包括导入头部34，随着导入头部34被打入，其在地2内形成一个通路40，通路40形成一个“导入”通路，主头部10通过此“导入”通路而打入。
在未图示的另一实施方式中，桩3包括主头部10，随着主头部10被打入，其在地2内形成一个通路28，通路28由水泥材料31填充；所述桩还包括多个导入头部34，随着所述导入头部34被打入，它们在地2内形成通路40，通路40形成一个“导入”通路，主头部10通过此“导入”通路而打入。导入头部34的横向尺寸逐渐增加以逐渐增加通路40的尺寸；并且所采用的导入头部34的数量取决于地2的类型。在特殊的情况下，导入头部34的横向尺寸可以逐渐减小，以便具有一个底部非常宽的导入头部34和一个宽的支撑基部、以及较小的主头部10和/或较小的上导入头部34来减小通路30的尺寸，因而减少注入地2中的水泥材料31的量。
在一个替代实施方式中，水泥材料31可以注射到通过将导入头部34打入地2中而形成的通路40中，在此情况下，所使用的注射通道(未详细图示)与在图11实施方式中示出的注射通道50相同，并且由一个管形成，该管具有位于管状体36内的通孔处的底端以及连接至注射设备的顶端。
因此，各桩3可以具有多于一个的主头部10以及多于一个的导入头部34，所述头部10和34可以具有不同的尺寸且间隔不同的距离。另外，各主头部10或导入头部34的横向尺寸既可以在打入桩3的过程中变化，又可以在打入桩3之后变化；并且通过打入任一主头部10或导入头部34所形成的通路可以在单个阶段中填充水泥材料31，也可以在多个接续的、在时间上隔开的阶段内填充水泥材料31。
在一个替代实施方式中，导入头部34通过一连接机构而固定到管状体36，并可以相对于管状体36滑动。也就是说，当打入桩3时，可以在特定位置处停止导入头部34的向下运动，仅仅使管状体36继续向下运动。所述连接机构可以由一个致动器远程控制，或者可以设计成：当施加在导入头部34上的力超过预先设定的阀值时，释放导入头部34使之可以相对于管状体36滑动。类似地，主头部10可以由一个连接机构固定至杆9并设置为可以相对于杆9滑动。也就是说，当打入桩3时，可以决定在某一位置停止主头部10的向下运动，而仅仅使杆9继续向下运动。所述连接机构可以由一个致动器远程控制，或者可以设计成：当施加在主头部10上的力超过预先设定的阀值时，释放主头部10使之可以相对于杆9滑动。
在图7所示的替代实施方式中，主头部10的底部是尖的。更具体地，主头部10的板12的下侧刚性地装有一个尖头体42，尖头体42可以是锥形的或楔形的或者任何其它具有尖端的形状。尖头体42的尖端的倾角可以是固定的或是可变的(特别地，可以在两个位置之间转化)以用于调整，当打入桩3时，根据主头部10所工作的地2的特性而进行调整。换句话说，在打入桩过程中的任何时刻，可以改变尖头体42尖端的倾角以与在所述时刻主头部10所工作的地的特性相适应。
尖的主头部10具有下述优点：可以更容易的打入地2中，并且最重要的是可以防止在主头部10打入的时候由主头部10驱出的地2部分被向下推。也就是说，随着主头部10向下运动，由主头部10所驱开的那部分地2趋于沿着所述尖端的倾斜壁滑动，并在主头部10的两侧上被推开。换句话说，在平坦的主头部10的情况下，随着主头部10向下移动，被驱开的地2趋于至少部分地被主头部10向下压；然而，在尖主头部10的情况下，随着主头部10向下运动，所驱出的那部分地2趋于如所述地沿着所述尖端的倾斜壁滑至主头部10的两侧。
当将主头部10打入使之穿过两层不同成分的层、且必须防止所述不同成分混合时，防止在主头部10的向下移动中被驱出的地2部分被向下压是极其重要的。此种情况通常发生在存在水床的情况下，必须确保防止由于位于水床之上的地2层物质的进入而导致的对所述水床的污染。
在桩3包括一个主头部10和多个导入头部34的情况下，只有底部的导入头部34能够是尖的。替代地，如图8所示，导入头部34和主头部10都是尖的(固定式的或可调整式的)，但是显然，只有底端的导入头部34完全是尖的，而其它导入头部34和主头部10是尖的，但是带有一个中心孔，以通过下方的导入头部34。
在被打入地2内的时候，主头部10能够以给定的——通常是可变的——速度绕着其中心轴线旋转，以帮助主头部10穿入地2内。在尖的主头部10的情况下，旋转是特别有用的，在该情况下，主头部10优选地包括多个螺旋槽以将主头部10旋入地2中。可选地，主头部10能够以从通路28排出材料或不排出材料的方式旋入地2中。从通路28排出材料对于打入特硬的地是特别有用的。
当打入桩3时，桩3的杆9可以绕其竖直轴线稍微地转动补偿杆9相对于竖直方向的偏离，所述偏离是由于穿过地2内特别硬的位置——例如混凝土顶部或砾石——而导致的。
在图9的实施方式中，如果地2包括一个十分致密、坚硬的上层43以及一个较为疏松、比较柔软的下层44，则可以使用常规的钻头穿过上层43而形成一个预通路45(可能尺寸略微逐渐增加)。显然，预通路45与管5是同轴的，并且因此与主头部10是同轴的，并且与通过将主头部10打入地2中而形成的通路28是同轴的，用于将主头部10更容易地打入地2的上层43内。
预通路45的截面尺寸可以小于、等于、或稍微大于主头部10，并且可以填充以低强度的材料46(例如沙子)，以确保正确地形成桩3，并且防止地2塌陷以及由不同材料(例如碎石)阻塞住预通路45，所述的不同材料可能阻止主头部10向下运动。在图9所示的优选实施方式中，预通路45的横截面稍微大于主头部10，并且带有一个金属板(或其它材料，例如PVC)衬里47，以防止地2塌陷至预通路45内。一旦金属板衬里47就位，向预通路45填充低强度材料46，以确保正确地形成桩3。事实上，重要的是：在向下运动时，主头部10所遇到的阻力应该尽可能地小，以在地2上施加足够的压力来将之局部压紧。
显然，如果预通路45的截面尺寸与主头部10相同，即如果大于孔4的截面尺寸，那么预通路45必须在构建基础结构1之前形成。在打入主头部10的时候，预通路45可以至少部分地注水；在此情况下，所述水可以沿着注射通道16而从预通路45中抽出，可以通过插入一根沿着注射通道16连接至抽吸泵的管子来实现。
如果地2包括与硬层(例如沙子)交错的薄弱层(例如粘土)，为了维持相对恒定的桩3打入压力，主头部10或导入头部34的横向尺寸可以根据主头部10所工作的地2层的致密度而改变，换句话说，当主头部10遇到特别致密的地2层时，主头部10的横向尺寸减小至给定的最小值；与之相反，当主头部10遇到地2的软层时，主头部10的横向尺寸增加至给定的最大值。主头部10横向尺寸的增大或减小例如可以借助于致动器来实现，所述致动器用于在主头部10的板12的至少两个外周部分之间产生相对滑动。随着主头部10的打入而改变其横向尺寸，还改变了通路28的横向尺寸。
在构建基础结构1的时候，可以利用主头部10的可变横向尺寸。也就是说，和在基础结构1下与孔4对准相反，在打入桩3时，主头部10插入孔4，然后在与地2接触时扩张。换句话说，主头部10缩小至较孔4小的横向尺寸以穿过孔4，然后扩张至较孔4大的横向尺寸以形成通路28。此种技术方案在基础结构1已经存在时是特别有利的。
在一个替代实施方式中，主头部10在打入地2时可以如上所述地改变横向尺寸的可能性可以被用来增大通路28端部的横向尺寸，并且从而在桩3的底端部分处形成一个相对宽的凸出部分以增大地面支撑面积，进而，增大桩3的承载能力。替代地，可以通过向上拉主头部10、使得杆9的端部变形来增加桩3端部的横向尺寸以形成此种凸出部分。
如图10所示，当构建基础结构1时，在基础结构1和地2之间(或者在基础结构1和稀薄水泥层8——如果有的话之间)设有一个隔离套48，以保护基础结构1使之免遭水的渗透。在各个孔4处，隔离套48显然包括一个相应的孔，以用于相关桩3的穿过。更具体地，隔离套48以下述方式固定至相应的衬管5：将隔离套48的自由边缘插入在两个环6之间，并且将多个螺纹连接件49插入穿过隔离套48，每个螺纹连接件49都螺栓连接所述的两个环6。尽管没有详细示出，也可以使用类似的紧固系统来将套48固定至注射通道16的管17。
在图11的实施方式中，取消了前图中示出的注射通路16，并且水泥材料31通过注射通道50而注入通路28的外管状部分30内，注射通道50由管51形成，管51由柔性材料制成并且其底端位于杆9内的通孔52处，而上端连接至一个注射装置(未图示)。孔52靠近主头部10，以将水泥材料31向上注入到通路28的外管状部分30内，这与注射通道16的向下注射相反。向上而不是向下地注入水泥材料31具有下述优点：在不同的高度处形成水泥材料31的“扩张”。在图11所示的优选实施方式中，绕着杆9的中心轴线在相同的高度处对成地设有多个孔52，以便从多个位置同时地注入水泥材料31。在一个未示的替代实施方式中，孔52沿着杆9位于不同的高度处，当打入桩3时(可能以不同时的多阶段方式进行)或甚至在桩3已经打入之后，可以由一根或多根管51供料。一旦注射完水泥材料31，管51可以留在杆9的通道11内也可以移走。
需要重点指出的是，在打入桩3之前，可以沿着注射通道16或50将基础结构1下方的水抽走。
在图12-14所示的实施方式中，在将杆9插入相应的孔4之前，梁53——优选地为I型梁(在图13中清楚地示出)——插在孔4和主头部10的连接构件14内，以与在主头部10的板12内形成的穿透的槽54相面对，并且所述槽54的形状和尺寸设置为允许梁53穿过。在杆9插入之前，梁53的底端穿过槽54而在图12所示的位置上搁在地2上。
一个截面尺寸至少和杆9一样大的板55设置在梁53的顶端上。当杆9插入孔4时，杆9的底端搁在板55的顶面上。当杆9承受向下的推力时，该力被板55传递至梁53，因此梁53开始沉入地2内。当板55抵靠在连接构件14的顶端上时，杆9上向下的推力传递至主头部10和梁53，主头部10和梁53一起如图14所示地沉入地2内。显然，在未示的替换实施方式中，梁53可以由一任何类型的狭长构件代替，例如管状构件或槽形截面。
梁53的目的在于形成桩3相对于主头部10的底部延伸。在主头部10搁在特别致密、硬、深的地层上而停止向下运动时，这是特别有用的，在此情况下，梁53穿过位于主头部10之下的地2深层而增加桩3的承载能力。
如上所述，当降下主头部10时，改变主头部10的(以及也可能导入头部34的)横向尺寸也改变了通路28的横向尺寸，从而使得沿着其纵向轴线，桩3的构形的横向尺寸可以自由地改变。换句话说，绕着杆9，桩3可以包括由水泥材料31形成的中间段或端部段——该等段的截面尺寸大于桩3的其余部分，通常称为“扩张”。
当打入桩3时除了改变主头部10的(以及也可能导入头部34的)横向尺寸之外，“扩张”——即水泥材料31的中间段或端部段截面尺寸大于桩3其余部分——也能够使用图11中的实施方式来形成，其中通过在将桩3打入时改变水泥材料31的量和注射压力，水泥材料31经过沿着杆9设置的一个或多个孔52被注入到通路28内。如所述的，可以在打入桩3(可能是以多个非同时的阶段进行的)时或甚至在桩3已经打入后，经过孔52供应所述材料。
需要重点强调的是，杆9通常通过将多段接续打入地2内的段连接起来而形成，从而，杆9各组成段的厚度也是可以变化的，以便沿着桩3的纵向轴线不仅获得不同厚度的水泥材料31，而且获得不同厚度的金属杆9。
在一未示的实施方式中，主头部10的截面尺寸基本上与杆9相同，并且如前所述是尖头的。显然，在此实施方式中，通过尖的主头部10在打入桩3时穿过地2而形成的通路28的截面尺寸与杆9是相同的，使得水泥材料31不能注入。在将桩3打入积水或水下的土地2时可以使用此实施方式。
当构建基础结构1或打入桩3时，可能需要将临时桩(没有详细示出)打入地2内以形成例如临时结构，其在工作完成后必须被移除掉。为了将临时桩从地2中抽出，可以使用一种与所描述的用于打入桩3的方法相类似的方法。也就是说，临时桩承受静拉力，所述静拉力由一个抽出装置施加，该抽出装置在一端处与临时桩的顶端机械连接，并且在另一端搁在基础结构1上，基础结构1用作此抽出装置的反作用力构件。更具体地，所述抽出装置优选地包括至少两个位于所述临时桩的相对侧上的液压千斤顶；各千斤顶的可运动杆固定至与所述临时桩刚性连接的水平板；并且所述两个液压千斤顶的体部搁在基础结构1上。
以上描述说明了多种形成桩3的实施方式，并且显然所述实施方式的特征可以根据建筑的特征、地2的特征以及所需要的最终结果而进行各种组合。
从前述说明可以清楚地理解：各桩3通常包括一个圆筒形的金属核心(杆9)，所述圆筒形金属核心填充有混凝土32并且被封闭在混凝土材料31形成的套内。各桩3被静态地打入且基本上没有从地2中抽出材料，并且桩3通过简单地压紧其所经过的区域而沉入地2中。因而，其上建立桩基础的地2被重建并压实，通过消除钻孔桩所需要的泥土搬运以及挖掘工程，获得了相当清洁的建筑施工现场。
应该指出的是，通过液压千斤顶静态地进行，各桩3绝对没有振动或噪音，使得基础结构1周围的任何建筑物的稳定性和静态不受任何影响。
最后，应该指出的是，通过在构建所述桩基础之前的较短时间内构建基础结构1，整个工作时间可以通过同时打入桩3和建构由基础结构1支撑的上部结构(未示出)而缩短。
Claims (71)
1.一种构建桩基础的方法，所述方法包括以下步骤：
在地(2)上建设一个具有至少一个孔(4)的基础结构(1)；
将包括一个杆(9)和至少一个底主头部(10)的金属桩(3)插入到所述孔(4)中，使得所述桩(3)的主头部(10)与地(2)接触；
在所述桩(3)上静态地施加至少一个推力而将所述桩(3)打入地(2)内；以及
将已打入的所述桩(3)轴向地固定到所述基础结构(1)；
所述方法的特征在于：当将所述主头部(10)打入所述地内时，所述主头部(10)的横向尺寸大于所述孔(4)的横向尺寸。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述主头部(10)最初与所述杆(9)分离，并且当建设所述基础结构(1)时，所述主头部(10)定位成与所述基础结构(1)下方的地(2)接触且与所述孔(4)同轴；当所述杆(9)插入所述孔(4)时，所述杆(9)接合所述主头部(10)。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述主头部(10)的横向尺寸是可以调整的，并且所述主头部被压缩至其横向尺寸比所述孔(4)的横向尺寸小而插入到孔(4)内，然后在接触到地(2)时扩张至一个比孔(4)大的横向尺寸。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述主头部(10)的横向尺寸通过一致动器而调整，从而在所述主头部(10)的至少两个部分之间产生相对滑动。
5.如权利要求1所述的方法，其中，至少一个连接构件(5)固定至所述的基础结构(1)、邻近所述孔(4)；通过将所述基础结构(1)用作一个反作用力构件而施加作用在所述桩(3)上、将所述桩(3)打入地(2)中的静推力。
6.如权利要求5所述的方法，其中，在所述孔(4)处，将搁在所述基础结构(1)上的适当重物加至所述基础结构(1)上。
7.如权利要求1所述的方法，其中，提供与所述基础结构(1)物理地分离且不搁在所述基础结构(1)上的驱动重物；通过将所述驱动重物用作一个反作用力构件而施加作用在所述桩(3)上、将所述桩(3)打入地(2)中的静态推力。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述驱动重物包括一个搁在地(2)上的质量。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述驱动重物的质量借助于多个临时打入地(2)内的辅助桩或螺纹连接件而临时地固定至地(2)上。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述驱动重物的质量安装在一个可移动的结构上。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述推力通过一个相应的推力装置(21)施加，所述推力装置(21)包括至少两个位于所述杆(9)相对侧上的液压千斤顶；每个液压千斤顶的可移动输出构件固定到一个固定的水平板，且所述两个液压千斤顶的体部夹紧所述杆(9)而与所述杆(9)接合，从而在所述千斤顶的输出构件从液压千斤顶的体部中抽出时将所述杆(9)向下拉；而且，所述两个液压千斤顶的体部通过楔而夹紧所述杆(9)，当所述液压千斤顶的体部下降时，该楔意图压紧所述的杆(9)。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述主头部(10)包括一个连接构件(14)，所述连接构件(14)用于与所述杆(9)接合以及将所述杆(9)横向地固定至所述主头部(10)；所述杆(9)由具有一个内通道(11)的圆筒管形成；所述连接构件(14)由一个与所述内通道(11)的底部相接合的圆筒构件形成。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述杆(9)由一个具有内通道(11)的圆筒管形成；一旦打入结束，一个由混凝土形成的塑性的第一水泥材料(32)供入所述的内通道(11)。
14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，随着被打入，所述主头部(10)在地(2)中形成一个横向尺寸比所述杆(9)大的主通路(28)；将塑性的第二水泥材料(31)加至所述主通路(28)中不由所述杆(9)占据的部分(30)内。
15.如权利要求14所述的方法，其中，一个注射通道(16)穿过基础结构(1)而形成，注射通道(16)的第一端(18)从基础结构(1)突出，并且第二端(19)终止于邻近所述孔(4)、位于所述主通路(28)的适当部分的地(2)上；所述第二水泥材料(31)沿着所述注射通道(16)压力注入至所述主通路(28)中。
16.如权利要求15所述的方法，其中，在打入所述桩(3)之前，沿着所述注射通道(16)抽出所述基础结构(1)之下的水。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述第二水泥材料(31)借助于一个注射通道(50)而压力注射，所述注射通道(50)由至少一根管(51)形成，所述管的底端位于所述杆(9)内的至少一个通孔(52)处。
18.如权利要求17所述的方法，其中，位于所述杆(9)中的通孔(52)靠近所述的主头部(10)。
19.如权利要求17所述的方法，其中，当以多个非同时进行的阶段打入所述桩(3)时，借助于所述注射通道(50)注射所述第二水泥材料(31)。
20.如权利要求17所述的方法，其中，在已打入所述桩(3)后，借助于所述注射通道(50)注射所述第二水泥材料(31)。
21.如权利要求17所述的方法，其中，在打入所述桩(3)之前，任何位于所述基础结构(1)下方的水沿着所述注射通道(50)抽出。
22.如权利要求14所述的方法，其中，所述孔(4)内装配有一个密封环(15)，当所述杆(9)插入所述孔(4)时，所述密封环(15)与所述杆(9)的外圆柱表面接合。
23.如权利要求14所述的方法，其中，至少一种添加剂加至所述第二水泥材料(31)，以减小所述地(2)对所述第二水泥材料(31)的潜在粘力。
24.如权利要求14所述的方法，其中，至少一种防水添加剂加至所述第二水泥材料(31)，以使得所述第二水泥材料(31)即使在硬化之前也是不透水的。
25.如权利要求24所述的方法，其中，当穿过一个水在移动的水床时，以一个高于所述移动的水所施加压力的压力注射所述第二水泥材料(31)。
26.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，至少一个连接构件(5)固定至所述基础结构(1)、邻近所述孔(4)；所述桩(3)以下述方式轴向地固定至所述基础结构(1)：将一个设置在所述桩(3)顶部的水平金属板(33)固定在所述连接件构件(5)上，以接合所述桩(3)的顶端(22)。
27.如权利要求26所述的方法，其中，在所述金属板(33)和所述桩(3)的顶端(22)之间置入一个弹性材料体。
28.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，至少一个连接构件(5)固定至所述基础结构(1)、邻近所述孔(4)；所述连接构件(5)由一个圆筒形金属管(5)形成，金属管(5)衬在所述孔(4)内，具有从所述基础结构(1)向上突出的部分(7)，并且固定到所述基础结构(1)。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述金属管(5)通过至少一个与所述基础结构(1)成一体的金属环(6)固定至所述基础结构(1)。
30.如权利要求29所述的方法，其中，所述金属管(5)通过至少两个与所述基础结构(1)成一体的金属环(6)固定至所述基础结构(1)；在所述基础结构(1)和地(2)之间置入一隔离套(48)；并且所述隔离套(48)在所述孔(4)处以下述方式固定至所述金属管(5)：将所述隔离套(48)的自由边缘插在两个环(6)之间，向所述隔离套(48)内插入多个螺纹连接件(49)，每个螺纹连接件(49)都螺栓连接至所述两个环(6)。
31.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述杆(9)由金属制成，并且包括多个段，所述段的形状和/或厚度可以是完全一样的或不同的，所述段接续地打入相应的所述孔(4)内，并且彼此连接起来以形成所述杆(9)。
32.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述主头部(10)包括一个圆形的平板(12)，所述平板(12)具有锯齿状的外边缘(13)。
33.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述桩(3)包括至少一个与所述主头部(10)同轴并位于该主头部(10)之下的导入头部(34)，所述主头部(10)具有一个中心开口(37)；所述导入头部(34)连接至管状体(36)，所述管状体(36)向上延伸穿过所述主头部(10)中的中心开口(37)并接合所述杆(9)的一个底端(38)。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述主头部(10)与所述杆(9)接合，并且连接至所述导入头部(34)的管状体(36)的至少一部分位于所述主头部(10)与所述杆(9)之间。
35.如权利要求34所述的方法，其中，所述杆(9)由具有一个内通道(11)的圆管形成；连接至所述导入头部(34)的管状体(36)由一个圆筒形管状体(36)形成，其插在所述内通道(11)内并包括一个一体地连接至所述管状体(36)外表面的环(39)，并且与所述杆(9)的底端(38)接合而将所述杆(9)轴向地固定至所述管状体(36)；所述主头部(10)与所述杆(9)接合且所述环(39)位于两者之间。
36.如权利要求33所述的方法，其中，所述导入头部(34)在被打入时在所述地(2)内形成一个导入通路(40)，所述导入通路(40)的横向尺寸大于连接至所述导入头部(34)的管状体(36)的横向尺寸；在打入所述桩(3)的同时，将塑性的第二水泥材料(31)加至所述导入通路(40)中不由所述管状体(36)占据的部分内。
37.如权利要求36所述的方法，其中，所述第二水泥材料(31)沿着一个注射通道而压力注射，该注射通道由至少一根管形成，所述管的底端位于所述导入头部(34)处。
38.如权利要求37所述的方法，其中，所述管状体(36)是具有一个内通路的管状体，形成所述注射通道的管沿着该内通路设置。
39.如权利要求33所述的方法，其中，所述导入头部(34)借助于一个连接机构固定至相应的管状体(36)，所述连接机构允许所述导入头部(34)相对于所述管状体(36)滑动。
40.如权利要求39所述的方法，其中，所述连接机构由一个致动器远程控制。
41.如权利要求39所述的方法，其中，当施加在所述导入头部(34)上的力超过预先设定的阀值时，所述连接机构释放所述导入头部(34)使之可以相对于管状体(36)滑动。
42.如权利要求33所述的方法，其中，所述桩(3)包括多个与所述主头部(10)同轴并位于所述主头部(10)之下的导入头部(34)，所述导入头部(34)在地(2)内形成导入通路(40)，从而形成对打入所述主头部(10)的一个“导入”；所述导入头部(34)的横向尺寸逐渐增加以逐渐增加所述导入通路(40)的横向尺寸。
43.如权利要求33所述的方法，其中，至少所述底端导入头部(34)的底部是尖的。
44.如权利要求43所述的方法，其中，当打入所述桩(3)时，所述底端导入头部(34)的尖端的倾斜度是可根据地(2)的特性而调整的。
45.如权利要求43所述的方法，其中，所述底端导入头部(34)绕着其对称的中心轴线以一个给定的速度旋转。
46.如权利要求45所述的方法，其中，所述底端导入头部(34)包括多个螺旋槽以将所述底端导入头部(34)旋入地(2)内。
47.如权利要求33所述的方法，其中，当打入所述桩(3)时，所述导入头部(34)的横向尺寸是可调的。
48.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述主头部(10)是尖的。
49.如权利要求48所述的方法，其中，当打入所述桩(3)时，所述主头部(10)的尖端的倾斜度可根据地(2)的特性而调整。
50.如权利要求49所述的方法，其中，当打入所述桩(3)时，所述主头部(10)尖端的倾斜度可在至少两种完全不同的构形间之间变化，从而与地(2)的特性适应。
51.如权利要求48所述的方法，其中，所述主头部(10)绕着其对称的中心轴线以一给定的速度旋转。
52.如权利要求51所述的方法，其中，所述主头部(10)包括多个螺旋槽以将所述主头部(10)旋入地(2)内。
53.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，一个金属板以所述孔(4)为中心而设置，该金属板具有与所述孔(4)对应的中心孔，且借助于多个螺纹连接件连接至所述基础结构(1)。
54.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，在将所述桩(3)轴向固定至所述基础结构(1)之前，对所述桩(3)预加载一给定强度的向下的推力。
55.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，当打入所述桩(3)时，所述桩(3)的杆(9)绕着其对称的竖直轴线旋转。
56.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，在打入所述桩(3)之前，形成一个与所述主头部(10)同轴的预通路(45)。
57.如权利要求56所述的方法，其中，所述预通路(45)的横向尺寸稍大于所述主头部(10)的横向尺寸，并且所述预通路(45)的内壁衬有一个金属板衬里(48)。
58.如权利要求56所述的方法，其中，所述预通路(45)填充有沙子(46)。
59.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，在打入所述桩(3)时，所述主头部(10)的横向尺寸是可调的。
60.如权利要求59所述的方法，其中，通过一个致动器在所述主头部(10)的至少两个部分之间产生相对滑动，对所述主头部(10)的横向尺寸进行调整。
61.如权利要求59所述的方法，其中，随着所述主头部(10)被打入，其在所述地(2)中形成一个主通路(28)，所述主通路(28)的横向尺寸大于所述杆(9)的横向尺寸；在打入所述桩(3)的同时，将塑性的第二水泥材料(31)加至所述主通路(28)中不由所述杆(9)占据的部分(30)内；所述主头部(10)在打入地(2)时可以改变横向尺寸的可能性被用于增大所述主通路(28)在端部处的横向尺寸，从而在所述桩(3)的底端部分处形成横向尺寸相对大的凸出部分。
62.如权利要求61所述的方法，其中，通过向上拉动所述主头部(10)而使所述杆(9)的端部变形，从而增加所述桩(3)的端部的横向尺寸。
63.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，在将所述杆(9)插入所述的相应孔(4)之前，一长形构件(53)插入到所述孔(4)内，使得所述长形构件(53)面对着在所述主头部(10)内形成的穿透的槽(54)，并且所述槽(54)的形状和尺寸设置为允许所述长形构件(53)穿过；一个横向尺寸至少和所述杆(9)一样大的板(55)设置在所述长形构件(53)的顶部上，并且当所述杆(9)插入所述孔(4)时，所述杆(9)的底端搁在所述板(55)的顶表面上而将所述长形构件(53)向下推并使所述板(55)与所述主头部(10)接触；当所述板(55)搁在所述主头部(10)的顶端上时，施加在所述杆(9)上的向下的推力传递至所述主头部(10)和所述长形构件(53)，使得所述主头部(10)和所述长形构件(53)一起沉入地(2)内。
64.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述主头部(10)借助于一个连接机构而固定至所述杆(9)，允许所述主头部(10)相对于所述杆(9)滑动。
65.如权利要求64所述的方法，其中，所述连接结构由一致动器远程控制。
66.如权利要求65所述的方法，其中，当施加在所述主头部(10)上的力超过预先设定的阀值时，所述连接机构释放所述主头部(10)使之可以相对于所述杆(9)滑动。
67.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，沿着所述桩(3)的纵向轴线方向，所述桩(3)的杆(9)的厚度和/或形状是不同的；所述杆(9)由金属制成，并且包括多个段，所述段接续地打入相应的孔(4)内，并且彼此连接起来而形成所述杆(9)；所述杆(9)的组成段在形状和/或厚度上是不同的。
68.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述桩(3)包括环绕杆(9)的水泥材料(31)套；沿着所述桩(3)的纵向轴线，所述桩(3)的水泥材料(31)套的横向尺寸是不同的。
69.如权利要求68所述的方法，其中，所述水泥材料(31)套的横向尺寸的不同是通过在打入所述主头部(10)时调整所述主头部(10)的横向尺寸而实现的。
70.如权利要求68所述的方法，其中，所述水泥材料(31)套的横向尺寸的不同是这样实现的：经由至少一个沿着所述杆(9)形成的通孔(52)而不同地注射水泥材料(31)。
71.如权利要求1至13中任一项所述的方法，该方法还包括以下步骤：在构建所述基础结构(1)时将至少一个辅助桩打入地(2)内；以及在一旦完成所述基础结构(1)后，通过使该辅助桩承受由一个抽出装置产生的静拉力而移除该辅助桩，所述抽出装置的一端机械地连接到所述辅助桩的一个顶端，而另一端搁在基础结构(1)上，所述基础结构(1)起到了一个反作用力构件的作用。
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