CN1898445A - 从土壤基质中形成的一个或连续层段而构造支墩的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在土壤基质中形成支墩的设备和方法，该支墩具有单个或者多个压实的骨料层段，其中该设备包括具有球形导引端或端头部件的竖向空心管，空心管可受力进入土壤基质。空心管包括当空心管被逐渐提升时用于从空心管的下端头部件释放骨料的机构。随后用同一个空心管压实释放的骨料。该过程可重复使用以形成一系列包含有支墩的压实的层段。

Description

从土壤基质中形成的一个或连续层段 而构造支墩的设备和方法

参照的相关申请

本国际申请源于并结合了美国临时申请，其序列号为60/513,755，在2003年10月23日提交，名称为“从土壤基质中形成的连续层段而构造支墩的设备和方法”，及美国新型申请，其序列号为10/728,405，在2004年2月12日提交，名称为“从土壤基质中形成的一个或连续层段而构造支墩的设备和方法”，对于该申请已申请了优先权。

背景技术

本发明主要方面是涉及用于构建支墩的设备和方法，该支墩包含有一个或多个压实的骨料层段(lifts)。该设备可在土壤基质中形成或者构建出单个或多个层段支墩，同时还可加强邻近支墩的土壤。所述设备通过对空心管装置施加力使其进入土壤基质，随后提升空心管装置，以在土壤基质中形成空腔，将骨料通过空心管装置灌入提升的空心管装置下部的空腔部分中，随后向下驱动空心管装置以压实骨料，同时使骨料侧向受力进入土壤基质。

在美国专利US5,249,892中，在此结合参照，公开了一种用于在现场形成小骨料支墩的方法和设备。该步骤包括在土壤基质中钻出空腔，然后在空腔中导入并压实连续层的骨料或者骨料层段，从而形成可支承建筑结构的支墩。这种支墩的构成首先通过在土壤基质中钻出孔或者空腔，然后移开钻孔机，随后将相当小的松散层的骨料填入到空腔中，用机械打夯机撞击或者击打空腔中的骨料层。所述机械打夯机一般在压实每一层之后都移开，然后再在空腔中添加附加骨料以形成下一层压实的层或者层段。在形成支墩步骤中压实的层段或骨料层一般直径为2-3英尺，竖向厚度约为12英寸。

所述设备和方法可提供用于支撑结构的坚硬且显著稳定的支柱或支墩。但是该支墩结构的形成方法在深度方面具有局限性，在此深度上，还可以有更经济，更快速地形成支墩的方法。另外另一局限为在某些类型的土壤中，尤其是在砂质土壤中，在钻出空腔或者形成空腔的过程中有可能存在塌方，并且有可能采用临时外壳，例如钢管外壳。采用临时钢管外壳严重降低了支墩的生产，并由此增加了支墩的生产成本。所以专利US5,249,892所述的方法一般在其深度不超过约25英尺的有限类型的土壤中形成支墩也受到限制。

因此，需要开发一种支墩构建方法和相关的机械设备，可以连续和经济地利用该方法和设备以更快的安装速度，在更深的深度中，在钻孔时不稳定的沙子或其它土壤中形成或构建出支墩，而不需要临时外壳，并且还具有专利US5,249,892中公开的小骨料支墩的形成方法，设备和结构方面的特征和优点。

发明内容

简要地说，本发明涉及由一层或多层骨料或者成型的骨料层段构成的支墩的安装方法，该骨料可带有或者不带有附加骨料，该方法包括下列步骤，将带有特殊形状的下端头部件和独特的管构形的长形空心管定位或者推动，或者使其受力进入土壤基质，将骨料填入包括下端头部件的空心管中，当在土壤基质中形成的空腔中将空心管提升预定增加的距离时，从下端头部件释放预定体积的骨料，随后在空心管上施加轴向静态的矢量力和任意动态的矢量力，其特殊的下端头部件将能量经空心管的下端传递到释放骨料的层段顶部，由此压实骨料的层段，并且还使骨料侧向受力或横轴向进入空腔的侧壁。提升带有特殊下端头部件的空心管之后，用轴向或竖向的静态矢量力和任意的动态矢量力向下推动压实骨料，在压实期间，没有被空心管将骨料与空腔的侧壁隔离，由此骨料成为紧密和密实，同时在骨料和土壤基质上施加侧向力期间，由于骨料受侧向向外的力而进入到土壤基质中。压实的骨料由此形成“层段”，一般该层段的横向尺寸或者直径大于由空心管和端头部件形成的空腔的直径，所述支墩就由一个或多个层段构成。

当提升特殊下端头部件时，骨料从空心管的特殊下端头部件处释放出来，最好遵循下列预定的增加步骤，首先骨料位于空腔底部上方，随后位于每一个连续的支墩层段顶部上方，该支墩已形成在空腔和相邻的土壤基质中。当空心管提升以露出一部分空腔同时骨料释放到露出的部分空腔中之后，从空心管释放的骨料由空心管和特殊端头部件传送的压紧力压实。空心管随后再受到向下的力以压实骨料，并且侧向推动骨料进入土壤基质。骨料由此被压实到预定的连续的增量，或者压实成层段。该过程沿空腔的长度或者深度连续地重复，结果在土壤基质中形成由独立压实的层段或者层构成的骨料支墩或者支柱。以这种方式可在相当短的时间周期内构建出长度为40英尺或更长的支墩，而不需要从土壤中移动空心管。最终形成的支墩的横截面尺寸也可大于空心管的尺寸。

在应用该方法中可采用多种类型的骨料，包括从采石场或循环利用的多种类型的碎石，碎混凝土。附加料可包括水，干水泥，或者浆料，例如水泥浆，砂浆，飞灰，熟石灰或生石灰，或者其它可提高成型支墩承载能力或技术特征的附加料。在所述方法中还可应用上述材料的组合材料。

通过施加轴向和竖向矢量静态力和任意动态矢量力推动和/或竖向振动或竖向撞击具有前端的空心管和特殊下端头部件而进入土壤，在土壤基质中定位带有特殊下端头部件的空心管。由最初受力，推动和/或振动空心管与其特殊下端头部件而移置的土壤在向下压实的同时，一般被横向移动并压实进入先前有的土壤基质中。如果遇到坚硬或者密实的土壤层，则可通过在该坚硬或密实的土壤层中钻孔或者预先钻孔以形成空腔或者通道，在该通道中可放入驱动空心管和特殊下端头部件。

空心管一般由相同直径的管子和球形下端头部件形成，并可包括靠近或位于下端头部件内的内部阀机构，或者位于端头部件下端的阀机构。空心管一般为圆柱体，沿管的上段为恒定、均匀、较小的直径。空心管的球形或者较大外径的下端(即下端头部件)与空心管形成为整体，或者与空心管缩小直径的下端独立成型并连接于其上。也就是说，下端头部件一般也为圆柱体，其具有比空心管剩余部分更大的外径或者外横截面构形，并且与空心管的中心轴线同轴。下端头部件前端的形状便于穿入土壤基质中，并且可将所需的矢量力传递到周边的土壤中，同时也传递到从空心管释放的骨料中。从空心管较小外直径部分到下端头部件之间的过渡可为截头圆锥形。同样的，端头部件底部也可采用截头圆锥形或圆锥形，以便于土壤被穿透并被压实。下端头部件的前端可包括损耗性盖子部件，该部件可穿透空心管最初放置在其上的土壤基质而进入该土壤，同时可防止土壤进入空心管。随后当空心管第一次被提升时，从空心管的端部释放该损耗性盖子，以露出端部通道，从而骨料可流入由于提升空心管而形成的空腔中。

另外，下端头部件前端还可包括带有机械阀的出口通道，当由空心管和下端头部件最初穿透土壤基质期间，所述阀是关闭的，但当其提升以释放骨料期间，所述阀是开启的。也可利用其它类型和形状的前端阀机构以便于穿透最初的土壤基质，当空心管被提升时使骨料释放出来，并且便于与前端或者下端头部件结合传递矢量力，以压实连续的层段。

另外，所述设备还包括用于在成型支墩中定位提升锚部件的装置，以及用于测量成型的支墩底部在承载下例如在荷载测试期间运动量的指示装置。这些辅助特征或者装置在形成支墩的过程中被安装在空心管中。

由此，本发明的一个目的为提供一种用于形成压实骨料支墩的带有特殊设计的下端头部件的空心管，可带有或不带有附件，该支墩可延伸到更大的深度，并且本发明还提供一种用于形成支墩的经改进的方法，该支墩延伸的深度大于现有技术中由小骨料支墩技术通常实现的支墩。

本发明的另一个目的为提供一种用于形成经压实骨料的支墩的改进的方法和设备，该支墩在形成过程中不需使用临时钢外壳，尤其是在容易塌方的土壤，例如砂质土中。

本发明的另一个目的为提供一种用于形成经压实骨料的支墩的改进的方法和设备，该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，附加干石灰，附加水泥浆，附加水泥砂浆，附加飞灰，附加生石灰或熟石灰，可提高土壤基质技术特征的其它类型的附加材料。

另外，本发明的另一个目的为提供一种骨料支墩结构，该结构可安装在多种类型的土壤中，并且还可比现有技术中骨料支墩结构的深度更深，速度更快。

本发明的另一个目的为提供一种用于快速和有效地形成压实的多层层段支墩和/或含有单个层段支墩的支墩形成设备。

本发明的其它目的，优点和特征将在下面详细描述。

附图说明

下面参照附图详细描述本发明，其中：

图1是带有下端头部件的空心管的示意图，该空心管由竖向静态矢量力和任意动态力推动，受力或驱动而进入土壤；

图2是图1连续步骤的示意图，其中骨料被放入漏斗并进入空心管；

图3是漏斗的横截面图，该漏斗具有两个独立的阻尼器，并且可与空心管组合使用；

图3A是图3中漏斗和空心管的剖面等轴图；

图3B是图3中漏斗和空心管的剖面等轴图；

图4是具有内部夹紧件或止回阀的空心管的横截面示意图；

图5是将水，粘结浆料或其它附加材料可选择地导入到空心管中的步骤的示意图，其中空心管具有可循环利用的水或者浆料槽；

图6是跟随图2之后的步骤示意图，其中将空心管和下端头部件提升到预定距离，以临时暴露出土壤基质中的空腔，从而使骨料快速充填暴露出的空腔；

图7是跟随6之后步骤的示意图，其中空心管下部的底阀开启，以将骨料释放到不遮蔽的区域或者空腔部分中；

图8A和8B是图7中描述或示意的另一装置和步骤的横截面图，其中空心管的下端头部件包括损耗性盖子，该盖子在图8B中被放入成型空腔的底部；

图8C是图8B中沿剖线8C-8C看到的图8B中的损耗性盖子的剖面图；

图9是空心管及其附属的特殊下端头部件的示意图，该空心管及其关联的特殊下端头部件提供竖向，静态的矢量力和任意动态矢量力，以通过撞击和压实从空心管释放的骨料，并通过横向推动骨料进入土壤基质，而向下移动空心管和下端头部件一预定距离；

图10是空心管和其特殊下端头部件提升预定距离以形成第二层段的示意图；

图11示出了操作空心管和下端头部件以提供竖向矢量力，使空心管和下端头部件向下移动预定距离，以在第一压实的层段顶部上形成第二压实的层段的示意图；

图12示出了带有任意钢筋杆部件或者指示部件的空心管连接到安装有支墩内侧的板上的示意图；

图13是空心管的示意图，其中任意的水或者水泥砂浆在带有骨料的空心管中混合；

图14是带有活板门型底阀的特殊下端头部件的竖向横截面图；

图15是图14中沿15-15看的下端头部件的横截面图；

图15A是图14中所示类型的另一下端头部件的局部横截面图；

图16是在类似于图8A的下端带有损耗性盖子的特殊下端头部件的横截面图；

图17是带有连接在板上的任意提升锚部件或者指示装置的特殊下端头部件的横截面图；

图18是由空心管和特殊下端头部件及本发明方法形成的局部成型的多个层段支墩的横截面图；

图19是由空心管和特殊下端头部件及本发明方法形成的完全成型的多个层段支墩的横截面图；

图20是带有连接板的任意钢筋的多个成型的层段支墩的横截面图，该钢筋可使成型的支墩包含有提升锚支墩或者包含有可连续荷载测试的指示装置；

图21是预加了荷载或者在完成的支墩上进行指示模数荷载测试的成型支墩的横截面图；

图22是与钻孔混凝土支墩比较，本发明支墩在相同土壤基质形成中的荷载测试图表；

图23是采用本发明设备形成单个层段支墩或者支墩的方法的横截面图，其中在由所述设备在土壤基质中最初形成空腔的底部提升该设备一延伸距离之后，可形成一个或多个层段；

图24是由图23所示方法构成结构的横截面图；

图25是图24所示步骤的进一步连续步骤的横截面图；

图26是图22-24所示方法的进一步连续步骤的横截面图。

具体实施方式

普通结构

图1，2，5，6，7，9，10，11，12，13，18，19，20和23-25示出了支墩形成装置或机械的普通整体结构，以及本发明形成最终合成支墩结构实施方法中的另外的连续步骤。参照图1，该方法用于在土壤基质上设置支墩，该土壤基质需要加强土壤使其更坚硬或者更坚固。本发明实际需要多种类别的土壤，尤其是沙子和粘质土。本发明可以利用骨料，并且可任意利用骨料与附加的材料例如水泥砂浆，来建造包括一个或多个升降装置的支墩结构，该支墩比许多现有技术中的骨料支墩更坚硬且更坚固，并可经济地延展到或建造到比许多现有技术中的支墩更大的深度，其可以不象许多现有技术中的支墩那样，不用使用临时性的钢外壳成型，并且可以比许多现有技术中的支墩更快速地安装。

第一步，将带有纵轴35的空心管或者空心轴30，由图3所示静态的轴向矢量力驱动设备37，并且通过动态矢量力随意竖向(轴向)振动或冲压或两者兼顾地推入到土壤基质36中，该空心管或者空心轴包括或者带有特殊的下端头部件32，和关连的用于骨料的上端漏斗34。包含有一定量材料的一部分土壤基质36主要受横向力而由此压实相邻的土壤基质36，所述一定量的材料是通过推动包括特殊下端头部件32的空心管30的长度而移置的。如图1所示，空心管30可以包括圆柱形的钢管30，该钢管30具有纵向轴35，例如其外径为6-14英寸。在一层硬质或者高密度土壤阻止空心管30和特殊的下端头部件32推入土壤基质36中的情况下，这种硬质或者高密度层可被钻孔或者预先钻孔，并且推入过程可继续使用驱动设备37。

一般地，空心管30具有一致的圆柱形外形，虽然可采用其它形状。尽管空心管30的外直径一般为6-14英寸，但本发明的应用中也可采用其它直径。一般地空心管30也可延伸或者推入到土壤基质36中支墩的最终深度，例如可直到40英尺或更深。空心管30通常紧固在上端部驱动延伸部件42上，该延伸部件可由驱动设备或者机械37夹住以将空心管30推入，并且随意振动或者冲击进入土壤基质36中。包含有骨料容器43的漏斗34一般由隔离阻尼器46，48与延伸部件42隔离开。紧固在延伸部件42上的振动或者冲击部件37由电缆或者挖掘机臂或者起重机支撑。漏斗34的重量，冲击或者振动装置37(具有任意附加重量)和空心管30足以提供静态力矢量，而不再需要单独的静态力驱动机构。静态力矢量可由竖向振动和/或冲击动态力机构随意扩大。

图3，3A和3B示出了与漏斗34更相关的优选特征。双隔离阻尼器46，48固定在漏斗34的上和下侧，以减少漏斗34形成的振动，并且提供更具有结构整体性的漏斗组件。延伸部件42固定在空心管30上以向空心管30上传递静态和动态力。延伸部件42与漏斗34隔离，由此可相对于阻尼器46，48滑动。

图4示出了空心管30的任意特征。限制器，夹紧阀，止回阀或其它类型的阀机构48可安装在空心管30中或者安装在特殊下端头部件或空心管30下端部分32中，以部分地或者整体地关闭空心管30的内部通道，并且阻挡或控制骨料44的流动或者运动并且随意添加材料。可采用机械或者液压的方式开启阀48，为了控制骨料44穿过空心管30的运动，可部分地开启或者关闭所述阀。也可以以止回阀的方式由重力操作，当提升到骨料44之上时就开启阀，当下落到骨料44之下时就关闭阀。

图14示出了特殊下端头部件或区段32的结构。所述特殊下端头部件32为圆柱形，虽然也可以采用其它形状。一般地，特殊下端头部件32的外部直径都大于空心管30上部区段的名义外部直径，其为10-18英寸，在本发明的实际应用中也可采用其它的直径和/或横截面构形。即端头部件32可具有与空心管30相同或者小于该空心管的横截面尺寸，但这种构形一般不作为首选。

图14，15和15A示出了本发明具有结合在端头部件32的阀机构的实施例。端头部件32具有截头圆锥形底区段或者底部50，该底部具有骨料44卸料口52，当阀板54露出或者覆盖卸料口52时，该卸料口就会开启或者关闭。所述阀板54安装于在插孔59中滑动的杆56上，该插孔由连接在空心管30端头部件32内侧通道壁上的径向撑杆58夹持就位。当空心管30受力向下进入土壤基质36时，阀板54滑动到闭合位置，当空心管30提升时，阀板滑动到开启位置，这样就可使骨料44流动。阀板54的开启是通过杆56进行控制或者限制的，该杆具有限制杆56滑动的头部56a。空心管30可由此被驱动到所需要的深度81(图6)，此时卸料口52由阀板54封闭。随后提升空心管30(例如图10中所示的距离91)，阀板54由于重力向下延伸，骨料44就通过卸料口52流入由于空心管30提升而形成的空腔中。随后向下冲击或者驱动空心管30以闭合阀板54，并且压实释放出来的材料以形成压实的层段72。在图14，15，15A所示的实施例中，阀板54响应重力而移动。但是杆56还可以由流体驱动装置，机械或电子机构替换重力或者帮助其运动。并且如下面所描述的，阀板54可以由下述损耗性的盖子或者提升锚或指示装置70的底板替代。图4中的止回阀38也可用来替代图14，15，15A所示的阀机构。

一般地，空心管30和端头部件32的内直径是一致的或者相等的，尽管端头部件32的外直径一般要大于空心管30的外直径。而且当采用阀机构54时，端头部件32的内直径可大于空心管30的内直径。端头部件32与空心管30可形成为一个整体，或者单独形成并螺接或焊接到空心管30上。一般地，空心管30的内直径为6-10英寸，端头部件32的外直径约为10-18英寸。图14中开口53在端头部件32的极下端或导引端可以等于或小于端头部件32的内径。例如参照图14，端头部件32的内径可为12英寸，开口53的直径为6-10英寸，同时在图16中，对于后面实施例中所描述的损耗性盖子，端头部件32的卸料口的直径与端头部件32的内直径和空心管30的内直径相同。

当空心管30被向下推入到土壤基质36中，或者抵靠在所形成空腔中的骨料44上时，阀板54也可构成为便于闭合的形状。例如阀板54的直径可超过图14中开口53的直径，或者阀板的边缘55具有图15A所示的斜面，以配合开口53的呈斜面状的边缘59。然后当向空心管30施加静态或者其它向下的力时，阀板54就被保持在开口53中的闭合位置。

一般空心管30的球形下端头部件32的长度为其直径或最大的横向尺寸的1-3倍。当空心管30穿入或者受力进入土壤时，端头部件32在土壤基质36上施加加强的横向压实力，由此使空心管30的较小直径的部分33易于随之穿过。端头部件32的截头圆锥形或倾斜导边和引导边缘50，63便于向下或驱动穿入，并且由于他们的轮廓形状设计而便于横向压实土壤基质36。图14中的倾斜引导边缘63便于空心管30和端头部件32的提升，也便于在提升过程中侧向压实土壤基质36。端头部件32的形状或者倾斜的构形也可产生此效果。导边和引导边缘50，63一般与空心管30的纵轴形成为45°士15°的角度。

图5示出了空心管30的另一特征。在漏斗34的下部或者空心管30的上端具有入口60和出口62，以允许水或浆料，如水泥砂浆作为特殊支墩结构的骨料附加成分加入。出口62的作用为保持水或附加成分的水平面，在此处能够有效地方便骨料的流动，也可使浆料从贮料槽再循环流回到该贮料槽中，有利于混合并且保持水头或浆料端头(压力)相对持续一定。入口60和出口62可直接导入漏斗34或者空心管30中(参见图13)，或者可以与单独的槽或导管连接到端头部件32上。应注意，如图2所示穿过空心管30在端头部件32的上方设置有浆料卸料口31，以将排出的浆料输送到空心管30的周围的环形空间，并且防止土壤基质36的土填入空腔。

图8A，8B，8C和16示出了下端头部件32的其它特征。在滑动阀54的底部或下部设置有损耗性盖64，以当向下推动端头部件32穿入土壤基质36中时，防止该端头部件32被阻塞。盖子64的构形可为任意形状。例如可以是扁平的，尖头的或斜面的，可以是弧形的。当其是斜面形状，则相对水平轴35呈45°士25°的角度。盖子64可包括多个向外偏置的支脚87，该支脚定位以配合在下端头部件32的中心开口89中，并且将盖子64保持就位，直到空心管30第一次提升，骨料44流出开口52进入暴露在外的空腔区段中。

图17示出了特殊下端头部件32的另一特征。滑动板54和用于支撑板54的杆56可包括通道或轴向管57，该轴向管允许加强部件或杆68与底板70连接。杆68和板70在形成的空腔底部被释放，并用来在荷载测试期间测量支墩底部运动量的提升锚或指示装置。连接在底板70上的滑动杆68可替代损耗性盖子64，在推入土壤基质36期间，封闭特殊端头部件32的开口，并且可作为用于安装提升锚或指示装置的平台。由此可省略底部阀板54，或者在应用提升锚或指示装置的同时将所述阀板保持就位。图20示出了在形成有本发明的支墩处设置有提升锚68，70或指示装置，其中板或阀54被省略。

操作方法

图1示出了操作所述装置或设备的典型的第一步。带有特殊端头部件32并连接在上部延伸部件42，以及连接在漏斗组件34上的空心管30，由驱动装置37或部件部分的重力施加竖向或轴向的静态矢量力，一般由动态矢量力增强推动进入土壤基质36。在应用中，在带有上述尺寸和构形的特殊端头部件32的空心管30上始终加有5-20吨的矢量力。图2示出了当空心管30及其附件到达支墩进入土壤基质36所计划的深度81时，将骨料44放入漏斗34中。图6示出了随后空心管30进行向上和提升运动，提升了预定的提升距离91，一般为24-48英寸，以在土壤基质36中的下端头部件32下部露出一部分空腔102。

图7示出了开启底部阀54以使骨料44和任意附加料充填到特殊端头部件32下部的空腔102的空间或部分85处，同时空心管30及其附件被提升。当空心管30由于阀54顶侧骨料44的重力作用而提升时，阀54可开启。另外，阀54可由例如液压机构驱动，或者空心管30可提升，并且骨料随之加入由阀54操作流过阀开口53。此外内部阀38在提升期间或提升后可开启。如果没有阀54，则当特殊端头部件32从成型的支墩空腔102的底部81提升时，由于骨料44直接穿过空心管30而产生的力使损耗性盖子从端头部件32的端部释放。

图9示出了随后在土壤基质36中，向下推动空心管30及附件和关闭底部阀54，以在空腔部分85中压实骨料44，由此使骨料44和任意附加料受到侧向和竖直向下的力。为了在空心管30预定提升距离91之后，形成1英尺厚的完全层段72，向下推动的预定移动距离一般等于提升距离91减去1英尺。根据特殊成型的支墩的需要和土壤基质36和骨料44的技术特征，该层段72的设计厚度可不限于1英尺。如图7所示在本发明的应用中，将释放进入腾出的空腔部分85中的骨料44压实以水平影响骨料44的侧向移动以及竖向压实是很重要的。

图10示出了由空心管30及其附件提升另一预定距离91A而形成下一个或第二个层段，该距离一般为24-48英寸，以使底部阀54开启(在使用阀54的实施例中)，并使骨料44和任意附加料的通过或移动进入由于提升空心管30而打开或露出的空腔部分85A中。

在空心管提升2-4英寸后一般下降(如前所述)以形成支墩层段72，一般具有1英寸的竖向尺寸以形成前面所述的形成支墩的材料。层段72的轴向尺寸可为空心管30提升距离91的3/4-1/5。但是，图23-26还描述了形成另一压实方案。

图11示出了向下推动空心管30及其附件，并且关闭底部的阀54以将骨料44压实在图10所示最新暴露出的空腔部分85A中，并向骨料44和任意附加料施加侧向力以进入土壤基质36。该推动的距离等于提升距离减去设计的层段厚度。当采用损耗性盖子64的方案时，在压实骨料44的同时可保持底部开口50开启。

图18示出了通过上述步骤部分形成的支墩，其中通过压实顺次形成了多个层段72，并且当骨料44填入空腔部分85X时提起空心管30，图19示出了通过上述步骤完全形成的支墩76。图20示出了带有提升锚68，70或指示装置的成型的支墩76。图21示出了通过在支墩上放置例如重物75而在成型的支墩76上任意预加荷载的步骤，在包含有多个压实的层段72的成型支墩76上进行任意的指示器模数测试。

图23-26示出了采用所述设备形成支墩的另一方案。空心管30最初受力或被驱动进入土壤基质36到需要的深度100。端头部件32的最下端包括阀机构54，损耗性盖子64等。竖向向下对空心管30施加力，使其进入土壤形成空腔102(图23)。假设特殊的下端头部件32为普通的圆柱形，空腔102为普通的圆柱形，并且可以或不可以保持与下端头部件32的形状和直径相关联的完整的直径构形。

空心管30到达所希望的穿入土壤基质36中(图23)，就提升空心管到成型的空腔顶部(图24)。当空心管提升时，骨料44及其任意附加材料从特殊下端头部件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内壁之间的环形空间104中。应注意附加材料可穿过空心管30中的辅助侧通道108或者补充导管110流动。当空心管30提升时，空腔102被填满。而且当特殊下端头部件32提升时，由于其构形使环形空间104中的附加材料受向外的力而进入土壤基质36中。

空心管30由此可充分提升最初成型的空腔102的全部长度，随后如图25所示，再一次向下施加力使空腔102中的材料压实并且侧向受力进入土壤基质36中(图25)。空心管30向下运动的程度取决于各种因素，包括空腔102的尺寸和形状，骨料及其附加材料的成分和混合比，施加在空心管30上的力和土壤基质36的特性。一般地向下的运动一直在持续，直到特殊下端头部件32的下端或底端位于或者接近早先成型空腔102的底部81。

在完成第二次向下的运动之后，空心管30一般被提升空腔102的全部长度，在提升期间，再一次卸出骨料及其任意附加材料，并且再一次充填重新形成了空腔102A(图26)。至少要完成完全向下和完全提升这个循环两次，最好为三次或更多次，以使更多骨料44及其任意附加材料受力而侧向进入土壤基质36中。另外，所述循环可在各种模式中进行调整，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后进行完全提升和下降，或者它们之间进行组合。

考虑事项简介

可用水或浆料或其它流体使骨料44便于流动和供给穿过空心管30。水可直接供入空心管30或者穿过漏斗34。通过用漏斗34作为贮水槽可提供压力或者落差。由此水，浆料或者其它流体可有效地使骨料尤其在小直径的空心管30，例如直径为5-10英寸的空心管30中流动。应注意对于全部所述的实施例，空心管30内通道和/或卸料口的尺寸至少为骨料最大尺寸的4倍。当每个层段72的竖向高度约为12英寸，并且空心管30的内直径约为6-10英寸时，尤其要求采用水作为润滑剂。

应注意在土壤基质36中形成的空腔102的直径远小于许多其它支墩形成技术。但是利用相对小直径空腔102或者小直径开口进入土壤基质36的方法，可使空心管30受力或者被驱动进入较大的深度，并且由此形成水平尺寸远大于空心管30外部尺寸的支墩。如上所述，通过压实带有或不带有包括流体材料的附加材料的骨料44，可形成一个或多个层段，由空心管30和特殊下端头部件32可形成水平的位移。竖向压实层段72并且横向对骨料施加力导致形成了高度连贯的支墩结构。

测试结果

图22示出了本发明的支墩与钻孔混凝土支墩比较的测试结果。该图表示出了本发明三个支墩结构的运动(曲线A，B，C)和一个现有技术中钻孔混凝土支墩的运动(曲线D)，此时支墩由增加的荷载一直增加到最大荷载，随后又减少荷载一直到零荷载。采用下列测试条件进行测试，并且用钻孔钢筋混凝土支墩作为控制测试支墩。

钻出直径约为8英寸的孔或空腔直至20英尺的深度，并充填混凝土以形成钻孔混凝土支墩(测试D)。将钢筋放入钻孔混凝土支墩的中心以形成结构的完整性。将直径为12英寸的圆柱形纸板放入支墩的上部以便于下面的压力荷载测试。所有四个测试的土壤基质为中密度的细到中粒砂，带有3-17每英尺鼓风量的标准灌风计数(SPT’s)。在地面以下约10英尺的深度加有地下水。

由测试A，B，C中的报告得知，本发明的骨料支墩由外直径为6英寸，并带有外直径为10英寸的特殊下端头部件32的空心管30制成。测试A和B仅用骨料。测试C利用了骨料和粘固水泥浆。测试A采用预定的2英尺的提升运动和预定的1英尺的下推运动结果形成多个1英尺的层段。测试B采用了预定的3英尺的向上运动和预定的2英尺的下推运动，结果形成了1英尺的层段。测试C采用了预定的2英尺的向上运动和预定的1英尺的下推运动，其中包含有附加的粘固水泥浆。

数据分析涉及了构成的支墩的硬度或模数。在具有0.5英寸的挠度时，测试A对应的荷载为27吨，测试B对应的荷载为35吨，测试C对应的荷载为47吨，测试D对应的荷载为16吨。由此在该挠度(0.5英寸)时，用测试B作为标准测试和基础进行比较，测试B相对硬度的比率为1.0，测试A为0.77，测试C为1.34，测试D为0.46。标准件测试B的硬度为控制测试支墩测试D的2.19倍。标准件测试B的硬度为测试A的1.30倍，带有附加浆料的测试C的硬度为现有技术中混凝土支墩(测试D)的2.94倍。这表明本发明支墩的模数远远高于钻孔钢筋混凝土支墩(测试D)的模数。这些测试还表明采用3英尺提升与2英尺下推运动的步骤的硬度远远高于采用2英尺提升与1英尺下推运动的硬度。该测试还表明应用粘固附加浆料可充分提高挠度小于约0.75英寸的成型支墩的硬度，但不能充分提高与测试B作比较挠度大于约0.9英寸的成型支墩的硬度。

在最佳实施例中，由于空心管或者空心轴30的下端头部件32具有较大的横截面面积，它具有各种优点。首先当采用底部阀机构54时，和当空心管30从土壤基质36部分撤回以在土壤基质36中暴露或形成空腔85时，该设备的构形可在土壤基质36中形成空腔102期间减少骨料在设备中阻塞的机会。另外，该构形可从静态力矢量和动态力矢量中获取附加能量，以冲击穿过所述设备的下端头部件32，并且撞击在空腔70中的骨料44上。另一个优点为由于空心管30的有效直径小于下端头部件32的有效直径，可减少空心管30在地下成型空腔102的侧面上的摩擦力。也就是说减小空心管30的剩余横截面积。这样可允许快速推入到土壤中，并允许推入更坚硬或坚固的结构中。较大横截面的端头部件32还可加强提供接收骨料44的空腔部分102的能力，该骨料的体积比相联的空心轴30的剩余段的大，由此当形成层段72时，附加骨料可接受纵向(或轴向)力和横向(或横轴向)力。空心管30在土壤基质36中成型空腔102侧边上减小的摩擦力，还有可使空心管30在形成支墩的过程中更容易提升的优点。

在本发明的步骤中，最下端的层段72可具有较大的有效直径，其中还可具有不同量的骨料。这样当形成支墩76的基础时，支墩76中的下层段或者最下端层段可具有较大的横截面面积和深度构形。换言之，例如通过提升空心轴30到3英尺，随后减少层段72的高度至1英尺，可增加其下端部分或最下端的层段，反之，通过提升空心轴30到2英尺，再减少层段72的厚度至1英尺，则可形成下一个层段72。

如上所述，完成的支墩76在形成后，可以在支墩76的顶部施加一段时间的静态荷载或动态荷载的预加荷载75(图21)。由此荷载75可加在支墩76的顶部达30秒至15分钟或更长。所述力的施加由于在支墩76顶部施加静态荷载而可同时进行在静态荷载75下的挠度测量，因此也可提供“模数指示测试”。该模数指示测试与每个支墩的预加荷载合并可达到一箭双雕的目的，即(1)施加预加荷载；(2)进行模数指示测试。

形成支墩76采用的骨料44可以改变。即将干净的骨料石粒放入空腔85中。这些石粒具有40mm的标准直径，少于5％的石粒具有小于2mm的标准直径。随后将浆料导入上述形成的骨料中。该浆料可与骨料44同时加入，或者先于骨料加入，或者随骨料之后加入。

当采用振动频率作为动态力时，加在空心轴或者空心管30上的振动频率最好在每分钟300-300循环之间。空心管或者空心轴30的各种直径对端头部件32的比例一般为0.92-0.50。如前面所述，底部倾斜角度相对纵轴35可在30°-60°之间。

本发明的另一特征为提供形成支墩的方法，即将带有特殊下端头部件32的空心管30插入到预定要求的支墩76的总深度81处。当骨料和/或浆料或其它流体被灌入提升空心管30和特殊端头部件32形成的空腔中时，随后在持续运动中提升空心管30和特殊端头部件32到预定支墩的总长度。之后当空心管30和特殊端头部件32到达预定支墩的顶部时，再一次被静态力推动并由竖向振动而任意增大，和/或由动态力机构向下撞击支墩的底部。先前卸下的填入空腔的骨料44和/或浆料或者其它材料沿横轴向进入土壤基质中，由向下移动空心管30和端头部件32使其移动。然后循环进行该步骤，空心管30和端头部件32提升到预定支墩的剩余长度或深度，或者提升到少于每一距离的长度，空心管30提升时，骨料和/或流体材料充填到新产生的空腔中。以这种方式，形成支墩的材料可包括一个层段或者一系列层段，额外的骨料和任意浆料和/或其它附加材料横向输送到空腔的侧边而进入土壤基质中。

应注意，实施上述过程和方法的机构是以加速的方式进行操作。向下驱动空心管30和端头部件32可达到相当快速的效果，例如2分钟或更少。根据提升运动距离和提升速率，即使增加空心管30和端头部件32在成型空腔中提升的局部或全部距离，也可花费较少的时间。这样就可在几分钟时间内从土壤基质36中形成支墩。因此本发明的方法和设备可使生产速度大大提高。

在不脱离本发明范围的情况下，所述方法和设备可有各种修正和变形。这样在不脱离本发明构思和范围的情况下，可以改变本发明的结构和方法。可以采用其它构形，尺寸，横截面形状和管长的空心管。特殊端头部件32的形状和使用也可变化。底部阀54的形状和使用也可变化，或者通过使用损耗性盖子而被省略。下端头部件32的导引端可具有适当的形状。例如可以是尖头的，圆锥形的，钝头形，成角度形，螺栓形或其它便于穿透土壤基质并压实骨料的任何形状。所述扩大了的或者球形的端头部件32可用于与一个或多个具有各种形状或构形的增加了外截面直径的空心管30结合。由此本发明仅由下述权利要求及其等同物所限定。

Claims (59)

1.一种在土壤基质中构成土壤加强支墩的设备，包括下列组合：

长形空心管，具有纵轴，顶部材料入口端，开口底部材料卸料端；和

用于开口卸料端的成形的下端头部件，其构成为在空心管下降进入土壤基质中时，在下端头部件周围的土壤基质上提供轴向和横轴向的分应力，所述端头部件包括空心管在土壤基质中向上运动时，从空心管卸料端移开的损耗性盖子，所述下端头部件和空心管的形状为用于插入到土壤基质中，当空心管下降到土壤基质中以在土壤基质中形成空腔时，有效移置土壤，当空心管随后从成型的空腔底部提升时，盖子与下端头部件脱离。

2.一种在土壤基质中构成土壤加强支墩的设备，包括下列组合：

长形空心管，具有纵轴，顶部材料入口端，开口底部材料卸料端；和

成形的下端头部件，包括开口卸料端，其构成为在空心管下降进入土壤基质中时，在下端头部件周围的土壤基质上提供轴向和横轴向的分应力，所述下端头部件被连接到空心管，并且包括关闭和开启空心管卸料端的机构。

3.根据权利要求1或2所述的设备，还包括用于引导流体材料进入空心管的流体供料机构，和用于供给骨料进入空心管入口端的固体材料供料机构。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其中空心管具有大致圆形的内部横截面，并且还包括连接在顶部材料入口端上的用于供给骨料的骨料供料机构，其中空心管的内直径的最小尺寸至少为最大骨料的最大尺寸的4倍。

5.根据权利要求1或2或8或9所述的设备，还包括至少一个连接到空心管上的穿过空心管端部开口的辅助供料管，用于将流体材料供给到空心管中。

6.根据权利要求1或2或8或9所述的设备，还包括至少一个连接到漏斗上的辅助供料管，用于将流体材料供给到空心管中。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其中空心管的外部横截面面积沿空心管纵长是变化的，下端头部件的横截面面积大于空心管剩余部分的横截面面积。

8.一种在土壤基质中构成土壤加强支墩的设备，包括下列组合：

长形空心管，具有纵轴，顶部材料入口端，开口底部材料卸料端；和

用于开启和关闭开口卸料端的阀装置，用于在开启卸料端时，骨料从卸料端排出，在将空心管下降进入土壤基质中阀装置处于封闭位置时，所述空心管和阀装置通过移置土壤可被插入土壤基质，所述阀装置包括在随后提升空心管时开启阀装置的机构，以将骨料卸入由空心管腾出的土壤基质的空腔区域。

9.一种在土壤基质中构成土壤加强支墩的设备，包括下列组合：

长形空心管，具有纵轴，顶部材料入口端，开口底部材料卸料端；下端头部件的卸料端的外横截面大于邻近该处的空心管的外横截面，由此形成空心管的球形部分，该部分的横截面形状和尺寸都大于邻近球形端部的空心管的横截面形状和尺寸；以及包括用于可选择地关闭和开启空心管卸料端的机构。

10.根据权利要求9所述的设备，还包括卸料端处的成型的下端头部件，所述端头部件构成为，当空心管在土壤基质中轴向往复时，在端头部件周围的土壤基质上同时提供轴向和横轴向的分应力。

11.根据权利要求9或10所述的设备，其中用于可选择地关闭和随后开启的机构包括固定到空心管的成型的下端头部件上的损耗性盖子。

12.根据权利要求9或10所述的设备，其中用于可选择地关闭和开启的机构包括阀装置。

13.根据权利要求9或10所述的设备，其中用于可选择地关闭和开启的机构包括阀装置，其由重力而开启，并由空心管向下运动时在土壤基质中接触骨料而关闭。

14.根据权利要求10所述的设备，其中端头部件包括在空心管卸料端上形成的截头圆锥形部件。

15.根据权利要求9所述的设备，其中空心管的内横截面一般为圆形，并且其内直径大于供给进入空心管内骨料颗粒最大尺寸的约4倍。

16.根据权利要求1或2或8或9所述的设备，还包括在空心管中下端头部件上方的通道开口，用于使空心管中的流体材料流出下端头部件上方的空心管，并且使空心管外侧的流体材料流入空心管和土壤基质之间形成的环形区域中。

17.根据权利要求1或2或8或9所述的设备，还包括连接到空心管顶部材料入口端的漏斗供料机构。

18.根据权利要求16所述的设备，还包括至少一个将漏斗连接到空心管的独立阻尼器，以减少漏斗供料机构上的振动力。

19.根据权利要求5所述的设备，还包括用于可选择地开启和关闭流体供料管的机构。

20.根据权利要求16所述的设备，还包括用于可选择地开启和关闭通道开口的机构。

21.根据权利要求1或2或8或9所述的设备，还包括通向空心管的辅助供料通道，用于将流体材料供给到空心管中，该流体材料从下列材料一组中选择，水，粘性浆料，彭润土，飞灰以及它们的混合物。

22.根据权利要求1或2所述的设备，其中下端头部件的形状为斜面。

23.根据权利要求8所述的设备，其中阀部件包括斜面的外表面。

24.根据权利要求1所述的设备，其中损耗性盖子部件为一般六边形。

25.根据权利要求1或2或8或9所述的设备，还包括连接到空心管上的力机构，用于在所述空心管上提供力。

26.根据权利要求1或2或8或9所述的设备，还包括连接到空心管上的力机构，用于提供一般为5-20吨的静态轴向力。

27.根据权利要求1或2或8或9所述的设备，其中包括用于在空心管上提供任意力的力机构，该力从下列一组中选择，竖向往复力，竖向振动的动态轴向力，以及它们的组合。

28.根据权利要求1所述的设备，其中损耗性盖子部件包括用于在形成的空腔中保持的横轴向板部件，和从板部件延伸到空心管中的杆部件。

29.根据权利要求28所述的设备，其中板和杆部件包括测试部件。

30.根据权利要求28所述的设备，其中板和杆部件包括提升锚支墩部件。

31.根据权利要求1或2或8或9所述的设备，其中空心管具有一般恒定的横截面构形。

32.一种在土壤基质中形成支墩的方法，包括下列步骤：

(a)通过在空心管上施力而在土壤基质中形成具有底部和纵轴的长形空腔，该空心管具有打开的顶端和打开的下端头部件，带有用于可选择地关闭空心管的闭合机构，所述下端头部件的构成为可在土壤基质上提供轴向和横轴向的矢量力，在形成空腔期间，所述闭合机构可保持材料从闭合的下端头部件卸出；

(b)在空腔中将空心管提升第一增量距离；

(c)当提升空心管时开启闭合机构；

(d)将骨料通过空心管的下端头部件供入到由于将空心管提升所述第一增量距离而形成的空腔部分中；和

(e)当空心管下降时，由成型的下端头部件通过施加其上的轴向和横轴向力而压实空腔中的骨料。

33.根据权利要求32所述的方法，其中空心管最初受力而进入土壤基质中一预定距离。

34.根据权利要求32所述的方法，其中步骤b)为预定距离。

35.根据权利要求32所述的方法，包括步骤b)至步骤e)的循环的步骤。

36.根据权利要求32所述的方法，包括在压实步骤之前关闭闭合机构的步骤。

37.根据权利要求32所述的方法，包括分开供给流体材料与骨料组合的附加步骤以便于骨料流动。

38.根据权利要求37所述的方法，其中流体材料从下列材料组中选择：水，粘性浆料，彭润土，水泥，飞灰以及它们的组合物。

39.根据权利要求37所述的方法，其中将流体材料供入到空心管中。

40.根据权利要求37所述的方法，其中将流体材料供入到漏斗中。

41.根据权利要求37所述的方法，其中从空心管中供给流体材料。

42.根据权利要求37所述的方法，其中将流体材料从供料机构供给到空腔中，供料机构将流体供入到下端头部件上方的环形构形中，靠近空心管底端。

43.根据权利要求32所述的方法，其中空心管具有相同的内横截面。

44.根据权利要求32所述的方法，其中下端头部件的外横截面大于空心管剩余部分的外横截面。

45.根据权利要求32所述的方法，包括将骨料从漏斗供入空心管的顶端的步骤。

46.根据权利要求33所述的方法，包括在空心管上提供静态力以有效驱动空心管并有效压实骨料的步骤。

47.根据权利要求33所述的方法，包括在空心管上提供动态轴向力以有效驱动空心管并有效压实骨料的步骤。

48.根据权利要求32或33所述的方法，包括预加荷载成型的支墩的附加步骤。

49.根据权利要求29或33所述的方法，其中压实的步骤包括减少轴向尺寸约为未压实骨料的第一增量距离的3/4-1/5，以形成压实的骨料，该骨料的竖向轴向尺寸约为第一增量距离的3/4-1/5。

50.根据权利要求43或44所述的方法，包括将轴向杆和板放入到空心管中的步骤，所述杆从所述板向上延伸。

51.根据权利要求32所述的方法，包括步骤c)至步骤e)的循环步骤。

52.根据权利要求33所述的方法，其中第一增量距离对于至少一个循环是变化的。

53.根据权利要求33所述的方法，包括至少三个循环。

54.根据权利要求32所述的方法，其中第一增量步骤基本上等于被形成支墩的高度。

55.根据权利要求32所述的方法，其中第一增量步骤小于被形成支墩的高度。

56.根据权利要求32所述的方法，其中第一增量步骤大于2英尺并小于被形成支墩的高度。

57.根据权利要求32所述的方法，其中步骤(e)包括压实以有效运动下端头部件到空腔的底部。

58.一种用于在土壤基质中形成支墩的方法，包括下列步骤：

(a)通过将空心管和端头部件定位到土壤基质中预定的深度，在土壤基质中形成具有底部和纵轴的长形空腔，所述端头部件构成为可在土壤基质上施加轴向和横轴向的撞击力；

(b)将空心管从空腔的底部提升一预定增量距离；

(c)在提升空心管时将支墩形成材料通过空心管供入到空腔中；

(d)通过向下驱动空心管朝向空腔的底部，用端头部件压实支墩形成材料，同时在空腔中沿横轴向移置支墩形成材料。

59.一种在土壤基质中构成土壤加强支墩的设备，包括下列组合：

长形空心管，具有纵轴，顶部材料入口端，开口底部材料卸料端，下端头部件卸料端的外横截面大于与其相邻的空心管的外横截面，由此形成空心管的球形部分，该空心管的外横截面的形状和尺寸大于与球形端邻接的空心管的外横截面的形状和尺寸；和

所述球形端部，具有表面其构成为可在所述材料上向下运动时，施加轴向和横轴向力。

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