CN116438353A - 用于土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层的土壤改良的快速固结压实法 - Google Patents

用于土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层的土壤改良的快速固结压实法 Download PDF

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Abstract

快速固结压实法包括：(i)先打入空心管，(ii)在具有可拆卸端板的管中装填并压实砂质材料之后，将该管穿过空心管打入至所需的深度，在粘质土中产生50至300KPa的高超孔隙水压力，(iv)将管段拔出留下可拆卸端板，由此安装多孔排土桩，其允许超孔隙水压力水平地消散至多孔排土桩，过量水从多孔排土桩竖直地流出至地面，以及(v)排水路径长度减少至邻接的多孔排土桩之间的间距的一半，允许快速固结从而增加密度。在松散至中等密实砂土层中安装多孔排土桩导致其密度的瞬时增加。

Description

用于土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层的土壤改良 的快速固结压实法
技术领域
本申请申请包括土木工程和岩土工程的技术领域中的用于使土壤沉积物中的土层和中间岩土材料层的土壤密实化的发明专利。本说明书/描述本身是完整的。本发明未受联邦资助研究或开发或者由任何其他组织的赞助或支持。本发明由SAR6公司的总裁和独资经营者，发明人Dr.Ramesh Chandra Gupta,Ph.D.,P.E独立构思、开发和完成。发明人Dr.Ramesh Chandra Gupta是美国公民。
背景技术
加固软弱土的砂井技术(Kennedy and Woods,1954)长期以来一直被广泛使用。Bowles,1988总结了加固和固结无法承受路堤或基础建筑的载荷的粘质土层的砂井法。将圆形套管或心轴垂直打入软粘土层中至所需的深度。去除套管或心轴中的土，并用净砂在重力下回填孔，以在软弱粘质土周围形成松散的砂柱层。然后通过将心轴或套管从地下拔出而将其去除。然后在地面顶部分阶段建造路堤，直到全高度。如果路堤的全高度为5米，将产生49kPa(7.1psi)的超孔隙压力。在允许足够的时间进行固结之后，为了消散通常高达90％固结所产生的超孔隙压力，无论是公路保留在原处的路堤或其他情况，都要挖掘路堤，并在原地面或在原地面下方某一深度处建造所需的建筑，例如房屋或机场、储油罐等。根据砂井的水平间距和原地粘土的固结系数，固结时间可能从6个月至1年或更长的时间不等。最近，PVC排水管或排水板(wick drain)通常已取代了砂井。
Mars(1978)介绍了另一种方法，其中在其端部具有两个半锥体形式的可部分开启的阀的探测管由振动探头驱动，该振动探头在液体喷射的辅助下侵蚀探头周围和下方的原位土壤以便于其贯入至设计深度。振动探头重量非常轻，具有极低的离心力，因此，需要预先钻孔或液体喷射来侵蚀土壤。液体喷射管是探测管的组成部分，其在探测管端部穿入原位土壤中。探头具有在探头周围以一定间距垂直的条带。当将探测管贯入地下时，端阀保持在关闭位置，并且卵石、石头等在重力作用下通过斜道填充在探测管中，达到非常疏松的密度。当将探测管从地下拔出时，可部分开启的阀打开并允许砾石、石头或砂通过其狭窄开口落入，该开口的横截面积似乎小于探测管内部面积的25％，从而形成砾石、石头等的柱，该柱的横截面面积小于探测管内部面积的25％，因为在额外的砾石等落入之前，在探测管和条带剩余的外部区域，由粘土或砂土构成的原位土壤会快速落下并塌方。因此，在重力作用下落入的砾石等只能以极疏松的状态形成柱，该柱的横截面积明显小于探测管的内部面积或外部面积。在该方法中没有描述在该区域加载路堤以将其压实(Mars,1978)。Mars(1978)方法发展为压实初始承载强度低的土壤区域，例如冲积或沙地区域或水力充填区域。许多组织机构不允许振动探头在粘质土中打入管道。在砂井技术中，将路堤设置在工地区域以加固和密实该区域，这也导致由疏松地填充的砂构成的砂井的密实，但是Mars(1978)法没有使用需要在已经在竖直孔洞中填充了松装砾石等的区域上方建造的路堤。因此，Mars法会使该区域松散而不是密实。
在本申请中，本发明包括快速固结压实法(RCCM)，用于形成粘质土层的快速固结从而增加其密度和稠度。RCCM包括：(i)先将空心管段打入至一定深度，以尽量减少地面或需要改良的土层上方的平错，(ii)在由可拆卸端板闭合的管段中填充和压实沙土材料之后，将具有可拆卸端板的管段构成的排土桩穿过预先打入的空心管段内部打入粘质土层中至所需的深度，(iii)由于具有可拆卸端板的管段起排土桩的作用，原位粘质土移位并形成高超孔隙水压力，预期高超孔隙水压力通常在100至800kPa的范围内，但可高达2500kPa(注意：超孔隙水压力的值应取决于地表下的粘土的稠度和深度)，(iv)在将管段从地下拔出之前，将重物置于管段内部压实的材料的顶部，(v)现在将管段从地下去除或拔出；重物继续下推压实的砂质材料柱并防止在压实的材料柱中形成任何颈缩，(vi)可拆卸或可分离端板打开内部面积的100％，并因此形成等于内部区域的内部面积的压实的砂质材料柱，并且重物进一步施加向下的力，其进一步横向移位以占据等于管段的外部面积的空间，(vii)因此，压实的砂质材料柱起嵌入粘质土中的多孔排土桩的作用，并且允许超孔隙水压力先产生，然后再快速消散它们，使得超孔隙水先水平地流到多孔排土桩，然后竖直地流过多孔排土桩至地面或多孔排土桩上方或下方的砂土层，以及(v)当以网格形状安装邻接第一多孔排土桩的多孔排土桩时，排水路径的长度进一步减小到邻接的多孔排土桩之间的间距的一半，从而允许粘质土层的快速固结，导致其密度和稠度增加至足以支承所需建筑(如，路面、土木结构、机场或储油罐等)的载荷。将多孔排土桩以网格形状安装于松散至中等密实的砂土层中，导致其密度瞬时增加。因此，在本申请中作为发明提出的快速固结压实法(即，RCCM)改善并增加了所有类型的土壤和中间岩土材料的密度，以支承工程建筑的载荷。取决于建筑的支承载荷要求以及地下土壤条件，将砂质材料在管段内部压实至等于或大于70％或甚至高达100％的相对密度。超孔隙水压力的最大值在圆锥贯入仪的表面，并且超孔隙水压力的值随距圆锥贯入仪的径向距离的增加而迅速减小。预期在多孔排土桩贯入期间多孔排土桩周围会出现相同的超孔隙水分布趋势。当流动路径的长度为零或距离具有较高的超孔隙水压力的区域非常短的距离时，多孔排土桩表面附近的最大超孔隙水压力会通过多孔排土桩迅速消散。当安装邻接的多孔排土桩时，流动路径的长度将减小到邻接的多孔排土桩之间的间距的一半。例如，如果多孔排土桩的中心至中心的间距是它们的多孔排土桩的半径的4倍，则多孔排土桩的表面之间的距离仅是半径的3倍，但是从多孔排土桩之间的中间点起仅是半径的1.5倍，这有助于非常快速地消散超孔隙水压力。在30米高的土坝中，在粘土区域产生到290kNm2程度的超孔隙水压力，因此要求砂质材料满足过滤器标准，以防止粘质土的细颗粒迁移，同时允许过超孔隙水压力的自由流动。鉴于此，多孔排土桩中的压实的砂质材料的粒度分布也将设计为满足过滤器标准(Prakash and Gupta,1972)。
在许多情况下，将管段从地下拔出可能是不实际的。因此，如果(1)在不超过允许的打桩应力的情况下可由打桩锤打入土壤，(2)允许自由排水和水流动，并且防止粘土和粉土或细砂土的细颗粒迁移，(3)管道或管段中的孔需要相当小，以便在压实期间将砂质材料保留在管段中，则有或无预应力的多孔钢筋混凝土桩，或具有端板的多孔管段，或具有小孔和端板、填充有压实的砂质材料的管段，也应穿过非排土桩的内部安装并用作多孔排土桩。这些多孔排土桩不需要将管段从地下拔出且安装会变得更快，而且不会有拔出管段期间产生的噪音。
在本申请提出的发明中，不需要建造路堤以在粘质土中产生均匀的超孔隙水压力，因为多孔排土桩的贯入可能会产生更高的超孔隙水压力。
发明内容
(a)用于土壤改良的现有岩土工程方法的技术问题
如上所述，广泛使用的固结和密实化粘质土层或粉质土层的方法是已经使用了50多年的砂井或排水板(PVC)。很少使用诸如渗透等其他方法。最近，已提出了几种方法，这些方法不增加粘质土层或粉质土层的稠度或密度，而是通过安装以下来增加承载能力：(a)Geopiers或(b)石柱或(c)喷射灌浆柱或(d)石灰或水泥混合柱，其中通过钻孔和螺旋钻法将粘质土安装于钻孔中(Shaefer et al.,2016)。即使不使用钻孔的底部进料石柱也不能成功地改善粘质土层的密度，这可能是因为振动探头的极强振动干扰粘质土基质，然后使粘质土流入其中。当使用上述方法挖掘孔洞时，大量挖出物摆放在工程工地周围，这必须被适当地处理以防止任何环境问题。已使用钢筋混凝土桩或通过小基脚耸立的H型桩和由砂质材料隔开的几层土工布在软土至极软土上支承路堤的载荷。所有这些方法都未增加软土至极软土的密度和/或稠度，而是直接支承路堤的重量，而不允许在软粘土层上负载。这些方法非常昂贵，包括每英里数百万美元(1英里＝1.6千米)。上述较新技术没有历史案例史，这可表明其成功的长期行为。
为了压实土壤沉积物中的砂质材料层，有几种正在使用的方法，例如通过从选定的高度落下重物进行的动态深层压实，振冲置换法和振冲法，使用夯实的砾石材料的Geopiers，底部进料或顶部进料的石柱等。振冲法或石柱设备的频率为3000rpm，离心力为30000kg，重量为9000kg，高度约2.5米，内径约38cm。振冲法和石柱振动设备具有中心孔，当地下土壤条件使得单独振动不能再进一步贯入土壤中或当贯入速率变得非常慢时，通过该中心孔喷射水射流来侵蚀土壤。使用多孔排土桩的快速固结压实法是一种新的方法，它可以成功地使砂质材料密实化，在砂质材料中不会产生超孔隙水压力，或者如果产生超孔隙水压力，则一旦产生就快速地消散。RCCM通常需要容易获得的仪器和机械，例如起重机和打桩锤、拔出器、平面或板式振动器等，在大多数地方可租用或租赁或由制造商出售。
(b)本发明的问题解决方案和有益效果
如上所述，设置快速固结压实法来增加砂质材料和粘质材料的密度。由于与喷射灌浆柱、Geopier或混合粘质材料的水泥柱或石灰柱相比，砂质材料具有非常低的成本而非常经济，因此使用快速固结压实法的成本会低很多，并且可在大工程上节省数百万美元。取决于邻接的多孔排土桩之间的选定间距和多孔排土桩中的压实的砂质土的相对密度，快速固结压实法(i)使极软至软粘性土密实化为硬或极硬粘性土，(ii)使中硬粘性土密实化为硬或极硬粘性土，(iii)使硬粘性土密实化为极硬粘性土，以及(iv)使极硬粘性土密实化为坚固或极坚固粘性土。类似地，取决于邻接的多孔排土桩之间的选定间距和多孔排土桩中的压实的砂质土的相对密度，快速固结压实法(i)将极松散(相对密度小于15％)砂质土压实为中等密实(相对密度为35％至65％)砂质土，(ii)将松散(相对密度为15％至35％)砂质土压实为中等密实或密实(相对密度为65％至85％)砂质土，(iii)将中等密实砂质土压实为密实砂质土，以及(iv)将密实砂质土压实为极密实(相对密度大于85％)砂质土。对于具有可拆卸端板的排土管段(其在安装后从地中拔出以形成多孔排土桩)中的压实的砂质材料，当需要将原位土壤密实化至较高密度时，多孔排土桩中的砂质材料的相对密度可以选择为超过70％甚至高达100％。至地面下方的选定深度的层状密实化原位粘质粉土和原位砂质土，都应能够为建筑基础提供具有足够承载力和最小沉降的支承。在密实化原位土壤上建造建筑期间，如果产生任何超孔隙水压力，都会迅速消散，在建筑达到全高度之前会发生小沉降。当选择RCCM时，不需要砂井或PVC排水管所需的路堤和等待6个月至超过一年的时间发生固结。因此，施工进展会变得非常迅速，这对于用于扩建或加宽现有道路和公路的公路工程或者对于支承各种建筑基础是非常重要的。
附图说明
图1A：显示安装的非排土桩(120)和具有可拆卸或可分离端板(124)且填充有压实的砂质材料的管段(123)的典型细节。
图1B：打入至设计深度的具有可拆卸或可分离端板(124)的管段(123)的典型细节。
图1C：显示在将管段(123)从地下拔出之前置于压实的砂质材料(125)的顶部的锤或重物(126)的典型细节。
图2A：在将管段从地下拔出之后用作多孔排土桩(125)的压实的砂质材料柱和仍留在多孔排土桩(125)上的锤或重物(126)的典型细节。
图2B：完成安装的端板(124)位于其下方的多孔排土桩(125)的典型细节。
图3A：在压实管段(123)中的砂质材料期间向管段(123)提供侧向支承的设置的典型细节。
图3B：在压缩管段(123)中的砂质材料期间向管段(123)提供侧向支承的设置的另一种典型细节。
图4A：铰接连接件将管段(123)连接至可拆卸和可分离端板(124)的典型细节。
图4B：显示在将管段(123)从地下拔出期间端板变得竖直的典型细节。
图5A：具有插入管段(123)内部的可拆卸和可分离短管(132)的管段(123)的典型细节，其中短管(132)附接到端板(124)。
图5B：显示在将管段(123)从地下拔出时留下的可拆卸和可分离短管(132)和端板(124)的典型细节。
图5C：显示附接到连杆(133)的可拆卸端板(124)的典型细节；通过螺栓(13％)将连杆(133)紧固到管段(123)顶部。
图5D：显示在将管段(123)从地下拔出期间，在去除螺栓(135)之后留下的连杆(133)和可拆卸端板(124)的典型细节。
图6A：一侧利用铰链(130)将可拆卸端板(124)连接到管段(123)，且相对侧通过还螺栓连接到管段(123)的角型材(137)将可拆卸端板(124)连接到管段(123)的典型细节，用于将填充有压实的砂质材料的管段(123)吊到其待被打入地下的位置。
图6B：管段(123)螺栓连接到附接到端板(124)的短管段(132)的典型细节，用于将填充有压实的砂质材料的管段吊到其待被打入地下的位置。
图7A：显示用于扩展基脚下方的土壤改良的多孔排土桩的网格线(151)和位置(150)的典型平面图。
图7B：显示扩展基脚下方安装的多孔排土桩(125)的立剖图。
图8A：路堤下方安装的多孔排土桩(125)的典型细节。
图8B：路堤下方安装的多孔排土桩的典型细节，其中第一位置处的多孔排土桩安装于路堤前方，并且路堤在安装的多孔排土桩(125)上延伸。
图9：显示用于比萨斜塔(Leaning Tower of Pisa)的基础下方及附近的土壤改良的多孔排土桩的网格线(151)和位置(150)的典型平面图。
图10：显示比萨斜塔的基础和地下土层以及倾斜多孔排土桩(125)的典型细节。
具体实施方式
本发明的快速固结压实法(RCCM)的主要动机是开发土壤改良的方法，其可使土壤沉积物中的土层或中间岩土材料(IGM)层密实化。无粘性土被定义为N60小于50blows/0.3m，而无粘性IGM类别3被定义为N60大于50blows/0.3m(AASHTO，2012)。粘性土被定义为不排水抗剪强度小于0.25MN/m2，而粘性IGM类别1被定义为不排水抗剪强度大于0.25MN/m2(AASHTO，2012)。本申请的发明包括快速固结压实法(RCCM)，用于形成粘质土层的快速固结从而增加其密度和稠度。RCCM包括(i)先将空心管段打入至一定深度以尽量减少地面或需要改良的土层上方的平错，(ii)在由可拆卸端板闭合的管段中填充和压实沙土材料之后，将具有可拆卸或可分离端板的管段构成的排土桩穿过预先打入的空心管段内部打入粘质土层中至所需的深度(iii)由于具有可拆卸端板的管段起排土桩的作用，原位粘质土移位并形成高超孔隙水压力，超孔隙水压力预期通常在100kPa至80 0kPa的范围内，但可高达2500kPa(注意：超孔隙水压力值取决于地下粘土的稠度和深度)。Cooper Marl记录的孔隙水压力范围为260psi(1793kPa)至400psi(2758kPa)。Peuchen et al.(2010)记录在重度超固结的粘性土中进行静力触探期间孔隙水压力为50kPa(7.25psi)至800kPa(261psi)，(iv)将管段从地面拔出之前，将重物置于管段内部的压实的材料的顶部，(v)将管段从地下取出或拔出时，重物继续下推压实的砂质材料柱并防止在压实的材料柱中形成任何颈缩，(vi)可拆卸或可分离端板打开内部区域的100％，并因此形成等于内部区域的内部面积的压实的砂质材料柱，并且重物进一步施加向下的力，该向下的力进一步使压实的砂质土横向移位以占据等于管段的外部面积的空间，(vii)因此，压实的砂质材料柱起嵌入粘质土中的多孔排土桩的作用，并且允许超孔隙水压力先产生，然后快速消散，使得超孔隙水先水平地流到多孔排土桩，然后竖直地流过多孔排土桩到地面或多孔排土桩上方或下方的砂土层，以及(v)当以网格形状安装邻接第一多孔排土桩的多孔排土桩时，排水路径的长度进一步减小到邻接的多孔排土桩之间的间距的一半，从而允许粘质土层的快速固结，导致其密度和稠度的增加足以支承所需的建筑(如，路面、土木结构、机场或储油罐等)的载荷。在松散至密实砂层中，以网格形状安装多孔排土桩导致其密度瞬时增加。因此，在本申请中作为发明提出的快速固结压实法(即，RCCM)改善并增加了所有类型的土壤和中间岩土材料(无论是松散状态或密实、软或极硬)的密度，以支承工程建筑的载荷。取决于建筑的支承载荷要求以及地下土壤条件，将管段内部的砂质材料压实化至等于或大于70％或甚至高达100％的相对密度。在由RCCM密实化的土壤上建造建筑基脚时，建筑的重量进一步产生超孔隙水，同样快速固结，并且基脚可在建造子建筑和上层建筑时以非常小的幅度继续均匀地沉降，但是在上层建筑完成之后几乎没有任何沉降，如果有，也是均匀地出现。在完成多孔排土桩的安装之后，如果按照工程图需要，地表土可由总承包人通过压实辊或羊脚辊等来压实。
对于上述过程，将空心管段(120)打入土壤中至选定的深度(121)，以减少地面的平错。空心管段具有与其外部或内部面积相比非常小的环形面积，因此出于岩土工程的目的，空心管桩被称为非排土桩。类似地，由HP部分和通道部分等组成的桩被称为非排土桩。如图1A和图1B所示，将非排土桩(120)打入地下之后，将由具有可拆卸端板(124)且填充有压实的砂质材料(125)的管段(123)构成的排土桩打入待密实化的层中。由于端板附接在管段的底部，在打入地下时，具有封闭端部的管段使原位土壤移位从而减小原位土壤的空隙体积，或产生超孔隙水压力，并占据其空间；从而最终使其密实化。如图1C所示将重物或锤(126)置于砂质材料的顶部，然后从地下拔出管段，从而将可拆卸或可分离的端板留在压实的砂柱的底部，如图2A所示。重物或锤(126)有助于继续下推砂质土柱，甚至有助于横向推动柱中的砂以占据由管段的厚度所留下的空间。在将管段从地下拔出期间，作为一种选择，几次重物在提升几厘米之后的下落可进一步有助于使砂质材料移位到由拔出管段(123)形成的空隙中。此后，也将非排土桩(122)拔出，并且几次重物或锤的下落进一步有助于将砂质材料(125)移位和压实在由拔出非排土桩(120)形成的空隙中。以这种方式，如图2B所示，将由压实的砂质材料构成的多孔排土桩(125)安装于地下需要密实化或土壤改良的深度。
空心管或管段可以是圆形、正方形或矩形或工业上可获得或制成的任何形状。有时，焊接在一起的两个角型材或两个通道部分也可用作空心管段。当这些段附接有可分离或可拆卸的端板并用作待被打入地下的排土桩时，出于岩土工程的目的，它被称为排土桩，因为它通过占据土壤位置来使土壤移位。将在其底部没有任何端板的这些段(即，中空段)打入地下时，出于岩土工程的目的，它被称为非排土桩。如果其下面的土地足够密实而限制沉降以使端板在排土桩的底部完好无损，则在管段待被打入的位置或者在地下而非管段被打入的位置或者打入地下之后的管段的其他位置，砂质材料可以被压实。
先将非排土桩打入地下，以便尽量减少地面或待密实化的层的顶部的平错。理想地，在打入排土桩期间，地面不应有任何平错，以通过多孔排土桩实现土壤的最大横向移位，从而实现最大密实化。这就是为什么为了尽量减少平错，先将非排土桩打入至选定的深度，然后穿过非排土桩打入排土桩的原因。如果由于经济或任何其它原因(如，在特定地点不太实际等)省略了该穿过非排土桩打入排土桩的步骤而直接打入排土桩，或者当非排土桩没有被打入至足以最大程度减少或防止平错的深度时，虽然由于地面的一些平错而不会使原位土壤完全密实化，但在某些情况下可以认为是令人满意的。在这种情况下，由于由排土桩移位的原位土壤的体积将是原位土壤中的空隙的减少量加上在地面或待密实化的层的顶部平错的土壤的体积之和，因此密实化的量较小。当非排土桩(120)的底部上方的覆盖土的重量足以防止地面的平错时，非排土桩(120)的底部的深度上方的覆盖土起防止地面的平错或最大程度减少地面的平错至合理范围的作用。根据现有研究，取决于土壤条件，7至10倍或更多的覆盖深度可足以限制地面的平错。然而，目前还没有足够或实质性研究可用于预测在将排土桩打入地下时防止或最大程度减少地面平错的不同密度或稠度的不同类型土壤中的合理深度(121)。当在实施包括使用RCCM进行地基处理的工程时，应开展充分研究以预测不同密度或稠度的不同类型土壤中的合理深度(121)。
将砂质土(125)分层填充于管段(123)中，并且每一层通过特定次数的锤或重物(118)的下落压实，以实现特定干密度或相对密度。连接管或连杆(127)将重物或锤连接到起重机吊臂或打桩锤系统(图1C中未示出)。或者，也可将砂质土分层填充，然后将锤或重物(118)置于每一层的顶部，之后通过在管段(123)侧面附接平面振动器来振动，或将振动探头/重物置于每一层的顶部，来将砂质土密实至指定干密度或相对密度。具有可分离或可拆卸的端板的管段(123)在其中填充并压实砂质材料的同时通常保持竖直。
可取的是，管段(123)内部的压实的砂质材料的密度一般基于约70％相对密度，因为这是压实路堤通常遵循的要求。当需要将硬至极硬粘土密实化为坚固粘质土或将中等密实的或密实的砂土密实化为极密实的砂土时，管段中压实的砂质材料的相对密度可为约70％或大于70％，甚至高达100％可能更合适。在地震带中和断层上，或在原子能发电厂下方，即使极硬粘土或密实的砂土都可能需要进一步密实化，在这种情况下，可指定用作多孔排土桩的压实的砂质土柱的相对密度大于70％至甚至高达100％。然而，当将极软粘土或软粘土密实化为中硬粘土或者将松散或极松散砂土密实化为中等密实砂土时，如果工地的建筑支承要求可由相对密度较小的包含压实的砂质材料的多孔排土桩满足，则可放宽相对密度要求。中等密实砂土的相对密度为35％至65％不等。如果需要将其地下层密实化至与中等密实砂土状态相当的相对密度以满足工地建筑基础支承或整体地面支承，则将由砂质材料柱构成的多孔排土桩设置成中等密实砂土所需的相对密度就足够了，因此在这种情况下，需要将管段(123)中的砂质土压实以达到中等密实状态。因此，根据工程工地要求，需要将管段(123)中的砂质土压实以达到中等密实或密实或极密实状态。选择合适的多孔排土桩间距和直径对于确定多孔排土桩移位和压紧原位土壤使其密实化的程度也很重要。为了使管段(123)中的砂质土密实化至更大的相对密度，只需要在管段(123)中的每一层砂质土上额外下落几锤，这是相当容易、耗时更少，并且只需要很少的额外费用。相对密度大于通过快速固结压实法密实化的密实化原位土壤的密度的多孔排土桩，应充当加固物以分担比由密实化原位土壤分担的更多的路堤或建筑基础的荷载，从而减少建筑和路堤的总沉降。在每项工程的多孔排土桩设计中应考虑所有这些技术要点。
图3A示出支承体系的典型例子，该支承体系在管段中的砂质土的压实期间使管段(123)保持在竖直位置，因而期望管段由水平横撑(111)横向支承。水平横撑在任一侧附接到竖直柱段(110)。将柱段支承在混凝土垫或板上并用钉子或螺栓(114)紧固在其中。或者，如图3B所示的管段(123)通过将其滑入另一管段(116)保持竖直，该另一管段(116)已被打入地下足够的深度以保持横向稳定；该管段(116)还突出地面以在压实管段(123)中的砂质材料时保持管段(123)竖向和横向稳定。每项工程应基于管段的长度和尺寸以及土壤条件专门设计侧向支承体系，此时也要考虑这些典型的例子。当要从船只或浮动平台或大船上对江河或海洋中的水下的土层进行密实化时，应与所有者讨论并专门设计横向支承体系。
各种类型的锤/重物可用于落在置于管段(123)内部的砂质土上以使砂质土密实化；当根据设备制造商的说明书或手册认为合适时，可使用任何这些锤/重物及其附件。工业上可获得多种类型的平面振动器，当重物或锤已置于砂质材料顶部以压实砂质材料，或者振动器置于板的顶部或振动重物使管道内部的砂质土密实化时，这些平面振动器可在管周围使用以密实化管段(123)内部的砂质土；可按照制造商的手册或说明书使用任何可用的系统(如果合适的话)。有许多类型的打桩锤，包括工业上可获得的振动打桩机用于打入非排土桩或排土桩；当认为合适时，可以使用这些打桩锤中的任何一种。有工业上可获得的多种类型的桩管拉拔器，包括振动拉拔器或具有液压操作爪来抓住桩的拉拔器，用于将非排土桩或排土桩拔出地面；当认为合适时，可以使用这些拉拔器中的任何一种。管段或杆(127)与起重机之间通过U型螺栓或钩等附接，或拉拔器和管段(123)之间的附接或平面振动器至管段(123)或振动板等之间的附接应符合制造商的说明书和手册。当在打入管段时，打桩锤的所有附件都应符合打桩规范。许多组织不允许振动打桩机在粘质粉土中打入非排土桩或排土桩，因为认为振动重塑并干扰粘质粉土的基质和锁定应力(lock-in-stresse)。
图4A，图4B，图5A，图5B，图5C，图5D，图6A和图6B中示出可分离或可拆卸的端板的几个典型例子。图4A示出可分离的端板，该端板通过螺栓(131)附接到管段(123)一端的铰链连接件(130)；在打入管段(123)期间，可拆卸端板(124)保持附接到底部，但是当管段(123)拔出地面时，如图4B所示，由铰链(130)连接的可拆卸端板(124)变得竖直，从而协助将管段(123)从地下拔出而将压实的砂质材料保持在原处。图5A示出位于管段(123)内部但附接到端板(124)的一段短管段或紧贴波纹管段(132)。在稳定且仔细地打入期间，短管段(132)和端板保持在管段(123)底部的位置，但是将管段(123)从地下拔出时，附接到短管或紧贴波纹管段(132)的端板(124)留在地下，如图5B所示。作为额外的选择，管段(132)也可通过薄铝铆钉附接到管段(123)，但是当压实的砂质材料的重量施加其重量来破坏铝铆钉时，这些铆钉会断裂。图5C示出附接到多个连杆(133)的端板(124)，所述多个连杆(133)竖直向上地安装于管段(123)外部的在直径上相对的位置处，并由靠近管段(123)的顶部的螺栓(135)固定。连杆(133)穿过由多个角型材(140)支承并由管段(123)的顶部附近的螺栓(135)固定的圆形板(136)。在打入排土桩期间，端板(124)保持附接，但是在拔出管段(123)之前，将螺栓(135)去除，并且当将管段(123)从地下拔出时可拆卸端板(124)留在地下，如图5D所示。以这种方式，将压实的砂质材料保留在原处形成多孔排土桩。在每项工程中，可拆卸或可分离的端板可根据土壤条件和排土桩的长度和尺寸而专门设计，此时也应考虑上述典型的例子。
当在打入管段(123)的位置进行压实砂质材料的现场操作时，上述细节是适用的。当在一些其他位置压实管段(123)中的砂质材料再运送到其待被打入地下的选定位置时，与端板(124)的额外附接是必须的。在这种情况下，图5A和图5B的可分离板布置仍然有效，但是在图4A，图4B，图5A和图5B中需要一些改进。如图6A所示，将多个角型材(137)通过螺栓附接到管段(123)直径上彼此相对侧，并且还附接到铰链连接件(130)。图6B示出通过多个螺栓附接到管段(123)直径上彼此相对侧的短管段(132)。当将管段(123)运送到选定的打入位置时，必须去除螺栓(138)并滑出角型材(137)。类似地，当端板接触地面时，必须去除如图6B所示的螺栓(131)，此后松开起重机吊索来降低地上的排土桩。
为了将管段(123)成功从地下拔出，保持在压实的砂质材料的顶部的重物或锤(126)的重量，基于管段(123)内部的压实的砂质材料之间产生的侧摩擦阻力和管段(123)外部与围绕它的原位土壤之间产生的侧摩擦阻力以及在管段的拔出期间由原位土壤施加在端板上的任何吸力而设计。类似地，设计重物或锤的重量以及下落的次数和高度以实现指定的密度。尽管非排土和排土桩的结构构件描述为由如正文和附图所示的圆形截面组成，但是中空矩形或椭圆形截面的任何非常规截面或任何其他非常规截面可用于RCCM，并且可根据客户需要使用。在打入非排土桩或排土桩期间，有时限制噪音和振动很重要，在这种情况下，具有非常小高度下落的重锤或将桩液压推入地下可能变得重要，以便尽量减小或限制对邻接建筑的损坏或风险。为了监测邻接建筑的沉降，还可在建筑和地面以及在地下某一深度进行沉降读数。此外，可取的是，用选定的锤进行打入管段(123)的波动方程分析(Pile Dynamics,Inc.,2005)。为了确定经改良的原位土壤的改良量和密度增加，还可在安装多孔排土桩之前和之后采用原位测试方法进行地下探测和对从原位土壤中提取的样品进行实验室测试。
除了密实化和改良其周围的土壤之外，由压实的砂质材料柱构成的多孔排土桩还有另一个重要的作用，即防止粘土或粉质颗粒进入或迁移到压实的砂质材料中，同时允许水自由地流过压实的砂质材料柱以便消散超孔隙水压力。应基于土坝或土石坝中使用的过滤器或滤管设计标准来设计执行过滤器的功能以限制细材料的迁移并允许水自由流动的压实的砂质材料的级配，其中使用具有或不具有由不同组织(如，美国垦务局(US Bureauof Reclamation)等)作出一些修改的Terzaghi’s标准(Prakash and Gupta,1972)。砂质材料可由砂和少量小砾石的混合物组成，但应满足允许水自由流动和防止原位土壤的细颗粒迁移到压实的砂质材料柱中的要求。砂质材料不应含有超过规定量的细颗粒，以便保持水自由流动的性质。通常，在砂井中使用级配良好的洁净砂；相同类型的材料在满足过滤器标准时可用于多孔排土桩。
简言之，Terzaghi’s标准简要描述如下：
(1)颗粒的管道输送或迁移的标准：D85(基础)表示必须保留的颗粒尺寸。D15(过滤器)代表平均孔径。过滤器捕捉颗粒尺寸大于约0.1D15(过滤器)
D15(过滤器)<4至5D85(基础)
渗透性或自由流动标准：
D15(过滤器)>4至5D85(基础)
级配控制
D50(过滤器)<25D50(基础)
多孔排土桩中的砂质材料起过滤器的作用。多孔排土桩的压实的砂质材料周围的原位粘质粉土用作上述标准中的基础。D15是按重量计15％的材料更细的直径，D85是按重量计85％的材料更细的粒径。在岩土工程中，工程师的关注点通常是充分利用工地附近的可用土壤。如果由于任何原因，在工程工地附近的砂质土稍微超出保守的Terzaghi’s标准的要求，那么可以进行例如Prakash and Gupta,1972或美国垦务局的出版物或其他出版物中所描述的实验室测试，以检查现场砂质土是否满足滤管的过滤特性。
在高度分层和过度固结的软土至硬土中进行孔压静力触探期间，锥尖贯入阻力(qc)从0.1至1MPa，渗透孔隙水压力范围从50至1.8MPa(7.25至261psi)，记录从地表至约22米深的深度的随着地下深度增加的数值(Peuchen,2010)。排土桩贯入粘性土期间，这种量级的渗透孔隙水压力是可以预期的。1.8MPa的渗透孔隙水压力等于183米(600英尺)高土坝/混凝土坝水库的183.6米水头。因此，多孔排土桩的压实的砂质土可经受如此高的孔隙水压力，因而应满足用于土坝和堆石坝的滤管标准。在这种情况下，如果将在其底部具有多孔板的约1”(25mm)管打入多孔排土桩中，可以看到清水从管的顶部流出。
上面已描述了包括压实的砂质土柱的多孔排土桩。另一种同样有吸引力的方法是安装多孔排土桩来执行相同类型的功能，但是比已经说明的方法更昂贵。如果(1)在不超过允许的打桩应力的情况下可由打桩锤打入土壤，(2)允许自由排水和水流动，并防止粘土和粉土的细土颗粒或细砂迁移到多孔排土桩中，(3)管或管段中的孔需要相当小以在管段压实期间保留砂质材料，则多孔预应力钢筋混凝土桩(或甚至无预应力)，或具有端板的多孔管段，或具有小孔和端板、由压实的砂质材料填充的管段，同样穿过非排土桩的内部安装并用作多孔排土桩。这些多孔排土桩不需要将管段从地下拔出，并且安装也将变得更容易更快。在许多情况下，其中土层由非常粘的粘土构成，或当包括斜桩时，或当不能容许任何更多的振动或噪音时，拔出管段可能是困难的，或者可能不被当局所允许。
在许多区域，例如地震带，除非相对密度高于某个值，当地建筑规范可能不允许施工。表1给出了地表以下地下水位1.5米的地震震级和相对密度之间的液化概率关系：
表1：地表以下地下水位1.5米的地震震级，相对密度(Dr)与液化可能性之间的近似关系(来自Seed and Idriss,1971)
地震加速度 高液化概率 液化的可能性取决于土壤类型和地震加速度 低液化概率
0.10g Dr<33％ 33％<Dr<54％ Dr>54％
0.15g Dr<48％ 48％<Dr<73％ Dr>73％
0.20g Dr<60％ 60％<Dr<85％ Dr>85％
0.25g Dr<70％ 70％<Dr<92％ Dr>92％
在这种情况下，将RCCM用于根据需要将0.10g地带区域的地下土层密实化为Dr大于55％，则可能需要将管段中砂质土的相对密度压实为至少55％或以上。0.15g地带区域中，将RCCM用于使地下土层密实化为Dr大于75％，则可能需要将管段中砂质土的相对密度压实为至少75％或以上。0.20g地带区域中，将RCCM用于使地下土层密实化为Dr大于85％，则可能需要将管段中砂质土的相对密度压实为至少85％或以上，以使这些区域处于低液化概率。0.20g地带区域中，将RCCM用于使地下土层密实化为Dr大于85％，则可能需要将管段中砂质土的相对密度压实为至少85％或以上，以使这些区域处于低液化概率。0.25g地带区域中，将RCCM用于使地下土层密实化为95％或大于95％的Dr，则可能需要将管段中砂质土的相对密度压实为至少95％或95％以上，以使这些区域处于低液化概率。需要设计多孔排土桩的间距和直径，以实现原位土壤的移位和空隙体积减小，从而实现工地地下层所需的密实化和密度。从上面讨论可看出，将管段(123)中的砂质土压实为特定相对密度以及多孔排土桩的间距和直径的要求取决于某处的地下土壤条件和该处地下层的密实化程度的要求。
RCCM的工业应用的典型实施例
扩展基脚下方的地基处理
当工程需要对土层进行地基处理时，RCCM可提供经济且非常有用的解决方案。例如，桥梁基础的扩展基脚将建立在由软弱土层(140)构成的土壤上，并且需要土壤改良以支承来自桥梁上层建筑的载荷。图7A以正方形或长方形网格图案示出由压实的砂质材料(125)柱构成的多孔排土桩(150)的网格线(151)和中心位置的典型布置图。网格交叉点(150)处由数字“1”标记的位置是使用上述段落中描述的方法首先安装多孔排土桩的第一位置。网格交叉点处由数字“2”标记的位置是在完成第一位置处的安装之后安装多孔排土桩的第二位置。通常在四个第一位置的网格中心选择第二位置。网格交叉点处由数字“3”标记的位置是在完成第二位置处的安装之后安装多孔排土桩的第三位置。网格交叉点处由数字“4”标记的位置是在完成第三位置处的安装之后安装多孔排土桩的最末且最后位置。多孔排土桩的位置的类似布置也可形成三角形图案或四边形图案，如对于振冲置换柱所做的那样，或者为工程工地处的特定配置选择的任何其他选择的网格图案。
图7B示出图7A所示的网格图案的立剖图。在图7B中，钢筋混凝土基础(146)已铺设在防沉板(147)上。将由压实的砂质材料构成的多孔排土桩安装到层中的设计深度，在这种情况下，其位于土层(141)中。实例1：假定顶层(142)和底层(141)由砂质材料构成，并且夹层(140)由软粘土构成。在这种情况下，如果层(142)足够厚以按理最大程度减小软弱层(140)的顶部的平错，具有可分离端板的管段可从地面打入而不用先打入非排土桩，否则可取的是先打入非排土桩，然后再穿过非排土桩的内部打入具有可分离端板(124)的管段(123)。实例2：假定顶层(142)由粘土构成，并且夹层(140)由松散砂土构成且需要密实。在这种情况下，可取的是先将非排土桩打入顶层(142)的底部或松散砂土层(140)中某个小深度。可取的是从非排土桩内部钻出粘质土，并将具有可分离端板(124)的管段(123)打入设计深度。这将避免将粘质土推入松散砂土层中，其会阻止松散砂土层的瞬时密实化。因此，每项工程都要仔细检查地下土壤剖面，并仔细设计安装方法。在一些情况下，该设计可能不需要在第三位置(3)或最末网格位置(4)安装多孔排土桩。
路堤下方的地基处理
可将RCCM用于力学上稳定的墙(如，加固土墙)下方以减少并限制它们的沉降，并且还产生所需的稳定性。基于斜坡稳定性分析发现安全系数不足的斜坡在利用RCCM密实化时，能够针对滑坡产生所需的安全系数。建立在极软土层上的道路路堤和公路路堤有时下沉并沉降几英寸或几英尺或几米；发现在路堤的相对侧通常设置的2H:1V的斜坡是不稳定的，因此需要非常平坦的斜坡。在这种情况下，RCCM使路堤下方的软弱土或软土密实化，并将沉降减小到合理的范围，并且还提高路堤斜坡的斜坡稳定性而不需要更平坦的斜坡。图8A和图8B中示出一个典型例子。如图8A所示，先将砂质材料层(142)铺设在极软粘质土上建造低高度的路堤，该路堤可放置设备来安装由压实的砂质材料构成的多孔排土桩。在安装多孔排土桩之后，通过附加层(143)将路堤进一步升高到全高度。如图8B所示，粘质土非常软弱，甚至不能支承将设备放置在其上的低高度的路堤，因此可在低高度的路堤之前安装第一位置(或甚至第二位置)的多孔排土桩，然后路堤进一步延伸，接着可安装第二位置和第三位置的多孔排土桩。
还可将快速固结压实法(RCCM)用于沿海地区，其中路堤将进一步延伸到海洋中以建造用于机场和住宅工程等的新土地，并且其中地下土壤由松散砂土和软至极软粘土构成。类似地，即使在地下土由松散和软和极软土壤构成的情况下，也可建造新岛屿，因为这些地下土可通过快速固结压实法来密实化。为减小在粘质土和粉质土中打入桩的向下阻力，安装了砂井或PVC排水管(排水板)，并在它们之上建造路堤，以将粘性粉质层固结一段时间，通常达到90％固结，然后有时去除路堤，再打入桩。代替砂井或排水板，可使用RCCM来安装多孔排土桩，这样将快速固结层而无需建造路堤并等待高达90％固结。可将RCCM非常经济地用于需要进行土壤改良以使其密实化的任何土层或中间岩土材料层，并且还可用于正在使用的现有方法中，例如喷射灌浆柱，与粘土材料混合的水泥柱或石灰柱或Geopiers或使用振动探头的振冲置换或者振冲，底部进料或顶部进料的石柱等。
如比萨斜塔的倾斜或偏斜建筑下方的地基处理
全世界有许多建筑在施工期间或在施工完成之后倾斜。采用快速固结压实法安装多孔排土桩的地基处理，可改善基础土壤，这还导致明显减小倾斜角度并使偏斜建筑接近几乎竖直。意大利比萨城有许多其他建筑，它们像比萨斜塔一样倾斜，但未达到这种程度。考虑在比萨斜塔安装多孔排土桩来减少倾斜之前，先在比萨城的其他倾斜建筑安装多孔排土桩以验证在下面的地下条件下进行土壤改良以成功减少倾斜的有效性。为了减小比萨斜塔的倾斜角度，(i)将铅坠放置在围绕比萨斜塔基础的预应力混凝土环北侧，(ii)将钢索固定在塔北侧以限制向南的移动，(iii)在北侧安装钻孔以从钻孔去除土壤，以及(iv)在东-西方向上进行一些挖掘(Jamiolkowsky,et al.,1993)。然而，尽管在北侧允许如上所述的施工，但为了不干扰塔，在南侧不允许施工，甚至在距离塔的南侧边缘10至20米处才允许包括静力触探的地下探测。在安装多孔排土桩之前，可以考虑增加钢索来固定塔，以在东北和西北方向用钢索进一步固定塔。如果相关当局准许，值得考虑如图9和图10所示的多孔排土桩的安装方案来加固并密实化EI.-7m至-18m之间的上部粘土(当地称为Pancone粘土)，其具有仅1至1.5MPa的锥尖贯入阻力qc(Jamiolkowsky,et al.,1993)。建议多孔排土桩以约1V:2H(或必要时考虑甚至1V:3H至1V:1H之间)倾斜安装，以实现上部粘土(163)的密实化，并可能抬高比萨斜塔南侧的基础。当上部粘土(160)密实化时，其承载能力增加，导致南侧沉降减少。当倾斜角度减小时，南侧支承压力减小，而北侧支承压力增大，导致塔基的北侧沉降更多而南侧沉降减少。此外，使上部粘土(163)稳定和密实化之后，防止将来在塔基的南侧进一步倾斜的趋势。下面的描述是为了说明在偏斜建筑下方的地基处理以减少其倾斜的工业应用。为此，选择了比萨斜塔。以下步骤是可取的实施方案：
1.在塔的南侧附近进行地下勘探。
2.安装仪器监测地面上和地面下选定深度以及地平面上方塔周围的振动和沉降。
3.在实施方案之前和期间，在地平面上方塔周围的指定点处进行雷达测量。
4.图9示出网格线(151)和网格线交叉点位置(150)，在该位置处安装多孔排土桩。
5.图10示出：(a)地面高度为El.3.0m(170)，(b)粘质和砂质黄粉土(162)的底部高度为El.-7m(171)，(c)上部粘土(163)的底部高度为El.-18m(172)，(d)中间粘土(164)的底部高度为El.-22.5m(173)，(e)中间砂土(164)的底部高度为El.-24.5(173)，以及(f)下部粘土(166)位于中间砂土(165)的下面。
6.塔基(162)的外径为19.58m，中间为直径4.5m的圆形空间。塔的下部在图10中用附图标记161表示。建议先将非排土桩(120)以1H:2V倾斜度打入至塔基的底部标高。然后，将具有可分离端板(124)并填充有压实的砂质材料的管段(123)穿过非排土桩(120)打入以贯入中间粘土(164)中一小段距离。在此之后，将管段从地下拔出，接着取出非排土桩。如该图所示，先打入编号为1至5的多孔排土桩(125)。管段(123)和可分离端板(124)未在该图中示出。
7.将多孔排土桩依次安装于距斜塔南侧边缘15米的网格交叉位置编号1处，接着距南侧边缘约12米的位置编号2处，接着距南侧边缘9米的位置编号3处，距南侧边缘6米的网格位置编号4处，以及距南侧边缘3米的网格位置编号5处，连续监测和观测沉降、振动和移动等情况，并分析塔周围安装的多孔排土桩在其位置靠近塔基处时的影响。
8.当分析记录的数据以确定塔的安全性时，并且当在每个多孔排土桩安装之后发现令人满意时，才能考虑其余多孔排土桩的安装。
9.如果由当局允许，则第一位置处的安装可以考虑以下顺序：第一位置6至13，然后14至21。
10.在分析数据并认为是令人满意之后推进，第三位置处的安装可以考虑以下顺序：可以考虑位置22至27，然后28至47。在评估斜塔倾斜减少之后可以考虑第三位置。
11.多孔排土桩施工完成之后进行地下探测评估上部粘土的性能改良。
12.尽管图10中仅示出安装倾斜多孔排土桩，但是除了图9和图10中所示的那些外，还可在塔基外部安装竖直多孔排土桩，以提高塔基外部的上部粘土密度。认为塔或任何基础的载荷分散发生在约60度的斜坡处。
13.代替由压实的砂土柱组成的多孔排土桩的安装，可以考虑由具有附接端板的多孔管段或具有孔且包含压实的砂质材料和端板的管段构成的多孔排土桩，因为这些管段不需要从地下拔出，并且不涉及与将管段从地下拔出相关的干扰和噪音。这些多孔排土桩同样穿过非排土桩内部打入。
正在沉降的建筑下方的密实
当诸如房屋或油罐或水箱的建筑在其所有侧面连续沉降时，可安装贯入该建筑下方所有侧面的倾斜多孔排土桩，以显著防止或减少进一步沉降。需要以特定顺序安装倾斜排土桩，以便任何时候，它们围绕建筑均匀对称地定位。多孔排土桩可由压实的砂质土柱构成，并如上所述安装。为了减少振动、噪音和干扰，还可以考虑安装包括多孔管段或具有小孔和端板并填充有压实的砂质土的管段的多孔排土桩。所有的排土桩都穿过非排土桩内部来打入。基于土壤条件和建筑周围的环境针对特定工地进行选择。
本申请的教导
在上述部分中所描述的各个方面可以单独使用或以其他组合方式用于其他类型的应用。本申请的教导不限于上文所述的工业应用，而是可具有其他应用。因此，本申请的教导具有许多优点和用途。因此，应当注意，这不是详尽的列表，并且可具有本文未描述的其他优点和用途。尽管为了说明的目的已经详细描述了本申请的教导，但是应当理解，这些细节仅仅是为了该目的，并且本领域技术人员可以在不脱离本申请的教导的范围的情况下对其进行改变。除了明确描述的组合，在前面的描述/说明书中描述的特征可以组合使用。虽然在前面的说明书/描述中试图关注被认为是特别重要的本发明的那些特征，但是应当理解的是，申请人和发明人要求关于上文所提及和/或在附图中所示的任何可专利特征或特征组合的保护，无论是否对其进行了特别强调。权利要求中使用的术语“包括”不排除其它元件或步骤。权利要求中使用的术语“一个”或“一种”不排除多个。部件或其他装置可以实现权利要求中所述的几个部件或装置的功能。由于各种可能的实施方案可构成上述发明，并且由于可以对上述实施方案进行各种改变，因此应当理解，在此描述或在附图中示出的所有内容都应被解释为说明性的而非限制性的。
参考文献
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权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法包括：
(i)将多孔排土桩安装于至少一层粘质粉土层中，以使所述至少一层粘质粉土层快速固结和密实化；
(ii)其中将所述多孔排土桩安装于至少一层砂质土层中，以使所述砂质土瞬时密实化；
(iii)其中先将包括管段的非排土桩打入地下；
(iv)其中当所述多孔排土桩为压实的砂质土柱时，将包括附接有可拆卸端板并填充有压实的砂质土层的管段的排土桩穿过所述非排土桩的内部打入至少一层土层或中间岩土材料层中；
(v)其中在如上所述打入所述排土桩之后，在从地下拔出所述管段之前，将重物或锤置于所述管段中的所述压实的砂质土的顶部；
(vi)其中在从地下拔出所述排土桩的所述管段期间，所述可拆卸端板打开所述管段的内部面积的100％；
(vii)其中在拔出所述排土桩的所述管段期间，将所述重物或锤置于所述管段中的所述压实的砂质土的顶部，以继续竖直向下推动所述压实的砂质土，以将所述压实的砂质土填充在先前由所述管段占据的空间中；
(viii)其中在从地下拔出所述管段期间，将所述重物或锤置于所述管段中的所述压实的土的顶部，以防止在所述压实的砂质土柱中形成颈缩；
(ix)其中在从地下拔出所述排土桩的所述管段之后，使得所述压实的砂质土柱留在地下；
(x)其中所述压实的土柱的横截面的面积至少等于或大于所述管段的内部面积；
(xi)其中在拔出所述管段之后留在地下的所述压实的砂质土柱起到多孔排土桩的作用，直至所述排土桩的所述管段被打入的深度；
(xii)其中当所述多孔排土桩为有或无预应力的多孔钢筋混凝土桩时，将所述多孔钢筋混凝土穿过所述非排土桩的内部打入所述至少一层土层或中间岩土材料层中；
(xiii)其中当所述多孔排土桩包括具有附接的端板的多孔管段时，将所述多孔管段穿过所述非排土桩的内部打入所述至少一层土层或中间岩土材料层中；
(xiv)其中当所述多孔排土桩包括具有小孔、附接有端板并填充有压实的砂质土时，将所述管段穿过所述非排土桩的内部打入所述至少一层土层或中间岩土材料层中；
(xv)其中所述多孔排土桩使所述土和中间岩土材料远离所述排土桩移位，并横向推动所述土和中间岩土材料远离所述排土桩；
(xvi)其中所述多孔排土桩占据先前由所述粘质粉土占据的空间，并且通过对存在于饱和的粘质粉土的孔隙中的孔隙水和空气加压，在所述饱和的粘质粉土中产生超孔隙水压力，以及在部分饱和的粘质粉土中产生超孔隙水压力和超孔隙水压力；
(xvii)其中在所述粘质粉土中产生的超孔隙水压力和孔隙气压力通过加压的孔隙水和孔隙气穿过所述多孔排土桩向地面或者向位于地下的砂土层的流动而快速消散，从而使所述粘质粉土密实化；
(xviii)其中所述多孔排土桩占据先前由所述砂质土占据的空间，从而减少了土壤基质的空隙体积并使所述砂质土瞬时密实化；
(xix)其中所述砂质土中未产生超孔隙水压力，并且如果产生也立即消散；
(xx)其中所述多孔钢筋混凝土桩、具有所述附接的端板的所述多孔管段和具有小孔、所述附接的端板并填充有所述压实的砂质土的所述管段不需要将所述多孔钢筋混凝土桩和所述管段从地下拔出；
(xxi)其中在整个需要密实化的区域内以网格图案安装间隔开的多个所述多孔排土桩；
(xxii)其中所述多孔排土桩竖直或倾斜安装。
2.根据权利要求1所述的用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法包括：
(i)其中先将所述非排土桩打入地下，以尽量减少地面或待密实化的层的顶部的平错；
(ii)其中未将所述非排土桩打入地下而直接打入所述排土桩，或未将所述非排土桩打入至足以防止平错的深度，将导致密实化的量较小，因为由所述排土桩移位的土壤为土壤中的空隙的减少量加上在地面或待密实化的层的顶部平错的土壤之和。
3.根据权利要求1所述的用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法包括：
(i)其中将所述砂质土分层填充，并且将每一层在所述管段内部压实；
(ii)其中在待打入用砂质土填充和压实的所述管段的同一位置或在不同于待打入填充有所述压实的砂质土的所述管段的另一位置，将所述管段内部的砂质土压实，
(iii)其中所述压实的砂质材料的级配，即粒度分布，被设计为允许过量的水自由流动，以消散超孔隙水压力或超孔隙气压力，同时防止原位土壤的细颗粒向其中迁移；
(iv)其中如果(1)在不超过允许的打桩应力的情况下可由打桩锤打入土壤，(2)允许自由排水和水流动同时防止原位土壤的细颗粒迁移，和(3)所述管段中的所述小孔相当小以便在压实期间使所述砂质土保留在所述管段中，则将所述多孔钢筋混凝土桩，或所述附接有端板的多孔管段，或所述具有小孔且附接有端板并填充有压实的砂质土的管段用作所述多孔排土桩。
4.根据权利要求3所述的用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法包括：
(i)其中使用以下三种方法中的一种压实所述管段中的砂质土；
(ii)其中在第一种方法中，将所述砂质土分层填充于所述管段中，并且通过所述锤或重物的下落使每一层压实和密实化；
(iii)其中通过连接所述重物或锤的连杆将所述锤或重物连接到起重机的吊臂或连接到打桩锤；
(iv)其中在第二种方法中，将每一层砂质土填充于所述管段中，并将所述锤或重物置于所述管段中的所述砂质土的顶部上；
(v)其中将平面振动器附接在所述管段的侧面并使所述管段振动，以使所述管段内部的每一层砂质土压实和密实化；
(vi)其中在第三种方法中，将每一层砂质土填充于所述管段中，并将所述锤或重物置于所述管段中的所述砂质土的顶部上并且使所述锤或重物振动，以使所述管段内部的所述砂质土密实化；
(vii)其中使用这些方法，将所述管段中的所述砂质土压实至达到中等密实或密实或极密实砂土状况的相对密度；
(viii)其中(a)将所述管段中的所述砂质土压实至特定相对密度，和(b)网格图案的所述多孔排土桩的间距和直径取决于工地的地下土壤条件和该工地的地下土层待密实化至的规格；
(ix)其中将相对密度大于通过快速固结压实法密实化的密实化原位土壤的密度的多孔排土桩用作加固物，以分担比密实化原位土壤分担的更多的路堤或建筑基础的荷载，从而减少建筑或路堤的总沉降；
(x)其中在压实所述砂质土期间，所述管段被横向支承，以保持所述管段处于竖直位置。
5.根据权利要求1所述的用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法包括：
(i)其中使用以下三种不同的方法中的一种在所述管段的端部附接所述可拆卸端板；
(ii)其中在第一种方法中，通过铰接连接件将所述可拆卸端板附接至所述管段；
(iii)其中在从地下取出所述管段期间，所述管段的底部完全打开，因为所述可拆卸端板在所述铰接连接件的一侧变得竖直，从而打开竖直桩中的所述管段的底部；
(iv)其中，对于倾斜桩，具有所述铰接连接件的所述可拆卸端板在所述排土桩的倾斜的纵向上对齐，从而打开所述管段的底部；
(v)其中在第二种方法中，将可拆卸短管段连接到所述可拆卸端板，然后将二者一起插入所述管段的端部；
(vi)其中作为选择，所述短管段紧贴所述管段的内部，或者所述短管通过薄铝铆钉附接至所述管段，当拔出所述管段时，所述薄铝铆钉断裂；
(vii)其中从地下取出所述管段期间，所述管段完全打开，并且附接至所述可拆卸端板的所述短管段留在所述压实的土柱的底部；
(viii)其中在第三种方法中，先将多个连杆螺栓连接到位于所述管段的底部的所述可拆卸端板，然后将所述连杆紧固于所述管段的顶部；
(ix)其中当已经将填充有所述压实的砂质土的所述管段打入地下时，将所述管段的顶部的所述螺栓松开，以允许所述连杆和附接的所述可拆卸端板在取出所述管段期间与所述管段脱离；
(x)其中，因此当从地下拔出所述管段时，所述连杆和所述可拆卸端板留在地下；
(xi)其中对于以上所有情况，无论选择哪一种，在已将所述管段从地下取出之后，安装于地下的所述压实的砂质土柱起所述多孔排土桩的作用。
6.根据权利要求5所述的用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，为了将由所述压实的土填充的所述管段运送到另一位置，所述快速固结压实法包括：
(i)其中当所述管段已在不同于其待被打入的位置填充和压实时，则对于第一种方法，除了一侧的所述铰接连接件之外，将至少一个角型材螺栓连接到所述可拆卸端板以及在所述铰接连接件的直径上相对的一侧螺栓连接到所述管段，或者如果多于一个角型材被螺栓连接到所述管段和所述可拆卸端板，则在等间距的点处螺栓连接到所述管段；
(ii)其中在将至少一个角型材附接至所述管段和所述可拆卸端板之后，将填充有所述压实的砂质材料的所述管段移动到其待被打入的位置；
(iii)其中当已将所述管段运送到所述管段待被打入的位置时，并且当所述可拆卸端板与地面接触但未抵靠在其上以易于拔出一个或多个角型材时，将一个或多个角型材去除；
(iv)其中当已将所述管段在不同于其待被打入的位置填充和压实时，则对于第二种方法，将所述短管段附接至所述可拆卸端板，并且所述短管段通过多个螺栓连接到所述管段，以使所述管段中的所述压实的砂质材料保持在原处；
(v)其中当已将所述管段运送到所述管段待被打入的位置时，并且当所述可拆卸端板与地面接触时，将所述螺栓去除。

Claims (6)

1.一种用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法包括：
(i)为了快速固结以使至少一层粘质粉土层密实化和使至少一层砂质土层瞬时密实化，使用包括压实的砂质土柱、或有和无预应力的多孔钢筋混凝土桩或具有附接的端板的多孔管段、或具有小孔且具有附接的端板并填充有压实的砂质土的管段的排土桩；
(ii)其中先将含有管段的非排土桩打入地下；
(iii)其中为了安装包括所述压实的砂质土柱的排土桩，将附接有可拆卸端板并填充有压实的砂质土层的管段穿过所述非排土桩打入至少一层土层或中间岩土材料层中；
(iv)其中为了安装于地下，将包括有或无预应力的多孔钢筋混凝土桩或具有附接的端板的多孔管段、或具有小孔且具有附接的端板并填充有压实的砂质土的管段的排土桩同样穿过所述非排土桩打入至少一层土层或中间岩土材料层中；
(v)其中所述排土桩使所述非排土桩下方的至少一层粘质粉土层移位；
(vi)其中所述排土桩占据先前由所述粘质粉土占据的空间，并在饱和的粘质粉土中产生超孔隙水压力，以及在部分饱和的粘质粉土中产生超孔隙水压力和超孔隙水压力；
(vii)其中所述排土桩使所述非排土桩下方的至少一层砂质土层移位；
(viii)其中所述排土桩占据先前由所述砂质土占据的空间，并使所述砂质土瞬时密实化；
(ix)其中所述砂质土中未产生超孔隙水压力，并且如果产生也立即消散；
(x)其中当已经将所述排土桩打入地下时，在从地下拔出所述管段期间将重物或锤置于所述管段中的所述压实的砂质土的顶部；
(xi)其中当所述排土桩含有所述压实的砂质土柱，将所述排土桩的所述管段从地下拔出时，所述可拆卸端板打开所述管段的内部面积的100％；
(xii)其中在将所述管段从地下拔出之后，等于所述管段的所述内部面积的所述压实的砂质土柱被安装于土壤中；
(xiii)其中在将所述管段拔出之后，所述压实的砂质土柱起多孔排土桩的作用；
(xiv)其中在所述粘质粉土中产生的超孔隙水压力和孔隙气压力通过所述多孔排土桩快速消散到地面或至少一层砂土层；
(xv)其中所述多孔钢筋混凝土桩，或所述具有附接端板的多孔管段，或所述具有小孔且具有附接端板并填充有压实的砂质土的管段不需要将所述管段从地下拔出；
(xvi)其中所述多孔排土桩竖直安装或倾斜安装。
2.根据权利要求1所述的用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法还包括：
(i)其中先将所述非排土桩打入地下，以尽量减少地面或待密实化的层的顶部的平错；
(ii)其中如果未将所述非排土桩打入地下而直接打入所述排土桩，或未将所述非排土桩打入至足以防止平错的深度，则由于由所述排土桩移位的土壤为土壤中的空隙的减少量加上在地面或待密实化的层的顶部平错的土壤之和，密实化的量较小。
3.根据权利要求1所述的用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法还包括：
(i)其中将所述砂质土分层填充，并且将每一层在所述管段内部压实；
(ii)其中在待打入用砂质土填充和压实的所述管段的同一位置或在不同于待打入填充有所述压实的砂质土的所述管段的另一位置，将所述管段内部的砂质土压实，
(iii)其中所述压实的砂质材料的级配，即粒度分布，被设计为允许过量的水自由流动，以消散超孔隙水压力或超孔隙气压力，同时防止原位土壤的细颗粒向其中迁移；
(iv)其中如果(1)在不超过允许的打桩应力的情况下可由打桩锤打入土壤，(2)允许自由排水和水流动同时防止原位土壤的细颗粒迁移，和(3)所述管段中的所述小孔相当小以便在压实期间使所述砂质土保留在所述管段中，则将所述有或无预应力的多孔钢筋混凝土桩，或所述附接有端板的多孔管段，或所述具有小孔且附接有端板并填充有压实的砂质土的管段用作所述多孔排土桩。
4.根据权利要求3所述的用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法还包括：
(i)其中将所述砂质土分层填充在所述管段中，并且通过锤或重物的下落使每一层压实和密实化；其中连杆将所述重物或锤连接到起重机的吊臂或连接到打桩锤
(ii)或其中在填充于所述管段中的每一层砂质土上，将所述锤或重物置于所述管段中的所述砂质土的顶部；其中然后将平面振动器附接在所述管段的侧面并使所述管段振动，以使所述管段内部的每一层砂质土压实和密实化；
(iii)或其中在填充于所述管段中的每一层砂质土上，将所述锤或重物置于所述管段中的所述砂质土的顶部；其中所述锤或重物或锤通过振动器振动以使所述管段内的所述砂质土压实和密实化；
(iv)其中应将所述管段中的所述砂质土压实至达到中等密实砂或密实砂或极密实砂所需的相对密度；
(v)其中(a)将所述管段中的所述砂质土压实至特定的相对密度，和(b)所述多孔排土桩的间距和直径应取决于工地的地下土壤条件和该工地的地下层待密实化的规格；
(vi)其中相对密度大于通过快速固结压实法密实化的密实化原位土壤的密度的多孔排土桩应用作加固物，以比所述密实化原位土壤分担更多的路堤或建筑基础的荷载，从而减少所述建筑或路堤的总沉降；
(vii)其中在压实所述砂质土期间，所述管段被横向支承以保持所述管段处于竖直位置。
5.根据权利要求1所述的用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法还包括：
(i)其中所述可拆卸端板：(a)通过铰接连接件附接至所述管段；
(ii)或(b)通过连接至所述端板并且插接在所述管段的端部的可拆卸短管段；其中作为选择，所述短管段紧贴在所述管段内部，或所述短管段通过薄铝铆钉附接至所述管段，在将所述管段拔出时，所述薄铝铆钉断裂；
(iii)或(c)，其中多个连杆螺栓连接到所述管段的底部的所述可拆卸端板，然后将所述连杆紧固在所述管段的顶部；
(iv)其中在将所述管段从地下拔出时，(a)铰接到所述管段的所述可拆卸端板对于竖直排土桩变得竖直，或在倾斜排土桩的方向上对齐；完全打开所述管段的底部，并且允许从地下拔出所述管段而不干扰所述压实的砂质土柱；
(v)或(b)在取出所述管段时，附接至所述可拆卸端板的所述短管段留在所述压实的土柱的底部；
(vi)或(c)将所述管段的顶部的螺栓松开，以允许所述连杆和附接的所述可拆卸端板与所述管段脱离；其中在将所述管段从地下拔出时，所述连杆和所述可拆卸端板留在地下；
(vii)其中对于以上所有情况，无论选择哪一种，在已将所述管段从地下取出之后，安装于地下的所述压实的砂质土柱起所述多孔排土桩的作用。
6.根据权利要求5所述的用于使土壤沉积物中的各种土层和中间岩土材料层密实化的快速固结压实法，所述快速固结压实法还包括：
(i)其中当所述管段已在不同于其待被打入的位置填充和压实时，将至少一个角型材螺栓连接到已铰接的可拆卸端板并且连接到所述管段在直径上相对的侧面，或者如果多于一个角型材被螺栓连接到所述管段和已铰接的可拆卸端板，则在等间距的点处；
(ii)其中在将至少一个角型材附接至所述管段和所述可拆卸端板之后，将填充有所述压实的砂质材料的所述管段移动到其待被打入的位置；
(iii)其中当已将所述管段运送到所述管段待被打入的位置时，并且当所述可拆卸端板与地面接触但未抵靠在其上以易于拔出所述至少一个角型材时，将一个或多个角型材去除；
(iv)其中当已将所述管段在不同于其待被打入的位置填充和压实时，将附接至所述可拆卸端板的所述短管段通过多个螺栓连接到所述管段，以使所述管段中的所述压实的砂质材料保持在原处；
(v)其中当已将所述管段运送到所述管段待被打入的位置时，并且当所述可拆卸端板与地面接触时，将所述螺栓去除。
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