TW201943953A - 用於結構的基礎 - Google Patents

用於結構的基礎

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詹斯 修普
詹斯 哥根巴赫
簡 佩德森
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丹麥商沃旭能源公司
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Abstract

一種用於結構的基礎(1)。該基礎(1)具有一本體(2),用來在安裝期間在插入方向上插入到土壤裡。該本體(2)在其遠端有一趾部(8)。該趾部(2)界定一通到一內部穴室(15)內的孔洞(11)。該趾部(2)移動通過土壤的運動將土壤側向地排開至該內部穴室(15)內的一被排開的土壤區域中。一或多個噴嘴(10)被設置來在安裝期間將一流體引導至該被排開的土壤,用以將土壤運離開該被排開的土壤區域。一抽泵系統(24)亦被設置來在安裝期間將流體從該內部穴室(15)排空,用以降低在該被排開的土壤區域內土壤懸浮物壓力(soil suspension pressure)。

Description

用於結構的基礎
本發明係關於一種用於結構的基礎以及用於安裝該基礎的方法及系統。詳言之,本發明係關於結構基礎,譬如基樁、管狀基樁、單基樁(monopile)、套管基樁、吸力筒/沉箱基礎(suction bucket/caisson foundation)及吸力式錨(suction anchor)、裙板式基礎(skirted foundation)、板牆(sheet wall)、碼頭繫柱(berthing dolphin)、及其它類型的暫時及永久的淺或深基礎,其可被插入到土壤中用以支撐結構,譬如建物、牆壁、離岸結構,及風力發電機。將被瞭解的是,吸力筒/沉箱基礎是最適合用於水中深度達100米及在堅實土壤中的套管結構的淺基礎。吸力式錨最適合用來將浮動的鑽油平台繫緊在深海中軟的沉積物的錨鏈。本發明特別適合離岸基礎,且更具體地係適合開放端的管狀基礎類型,譬如單基樁、套筒基樁及吸力筒基礎。
結構的基礎典型地係藉由使用一基樁鎚將該基礎強力地打入到土地裡來施加一連串的軸向衝擊力,用以在一插入方向上將該基礎向下驅進(drive)到土壤中。一但被安裝好,該基礎即被施加至該基礎的本體的側表面上的摩擦力以及較小程度地被阻擋該基礎的趾部進一步穿透的阻力軸向地支撐住。
在安裝期間,在該基礎的遠端的該趾部在其被向下驅進時將土壤排開。這壓擠在周圍區域內的土壤。然而,隨著該基礎被驅進得更深,壓力隨之增加,持續地排開在該基礎的趾部的土壤所需的力也跟著增加。與此同時,該基礎與土壤接觸的表面積增加,這導致克服阻擋前進的摩擦阻力所需的剪力增加。因此,隨著該基礎被安裝在土壤中的深度愈深,承面抗力(bearing resistance)亦增加。
在最近幾年,已有一朝向具有更大的單基樁及其它基礎的趨勢,且這加劇了它們的安裝的上述挑戰。例如,需要更大的鎚子鎚打力量及/或更多的鎚打次數來用基樁推進更大的基礎。這接著會將顯著的抗失效要求強加在該基礎上。與此同時,更大撞擊所產生的噪音亦被加大,這產生重大的環境及安全危害。
有鑑於以上所述,已有許多方法及系統被提出來讓基礎的安裝更容易。例如,電滲(electro-osmosis)已被提出作為一藉由將孔隙水(pore water)吸引到該基礎本體來降低基樁安裝期間的軸阻力的機構。此潤滑介於土壤和該基礎表面間的界面。然而,在此領域的研究持續進行的同時,電滲可能不適合所有情況。因此,對於在基礎安裝期間降低安裝阻力的其它方法及系統仍存在著需求。
因此,本發明嘗試要解決上述問題。
依據本發明的第一實施例,一種用於結構的基礎被提供,其包含:一本體,用來在安裝期間在插入方向上插入到土壤裡,該本體在其遠端有一趾部,且該趾部界定一通到一內部穴室內的孔洞,其中該趾部移動通過土壤的運動將土壤側向地排開至該內部穴室內的一被排開的土壤區域中;該基礎進一步包含一或多個噴嘴,其被設置來在安裝期間將一流體引導至該被排開的土壤區域,用以將土壤運離開該被排開的土壤區域;及一抽泵系統,用來在安裝期間將流體從該內部穴室排空,用以降低在該被排開的土壤區域內土壤懸浮物壓力。
以此方式,本發明提供一種可被更容易地安裝的基礎。詳言之,流體輸送至該被排開的土壤區域允許將沉積物(sediment)運離開該區域,藉以防止該區域在新的土壤被排開至該區域內時變成過度擠壓。這允許在該基礎趾部處的該土壤承壓破壞機制(soil bearing failure mechanism)能持續,同時該流體亦發揮作用以降低在土壤與該基礎本體間的界面處的摩擦。與此同時,該抽泵系統發揮作用,用以將該流體從該內部穴室排空。例如,空氣、水及/或其它類型的流體可從該內部穴室的近端被抽泵出去。這能降低位在遠端的該被排開的土壤的區域內的土壤懸浮物壓力,並藉此減輕當該本體更深入到土壤中時升高的土壤懸浮物壓力會抵銷該該土壤承壓破壞機制的效果。因此,該流體載負機制和流體排出機制相輔相成地發揮作用,用以降低承壓阻力(bearing resistance)以及內壁摩擦。因此,對於被驅進的基樁而言需要較低的基樁驅進力,這能夠場生較小的噪音且使用一較小的基樁敲打鎚子。一但該基礎被安裝至所想要的深度,該流體噴射系統就可被關掉以允許流體從土壤中流掉並讓土壤重新穩定。再者,藉由該被請求的結構,被該等噴嘴輸送的流體被侷限在該基礎的該內部穴室內,因此外部的土壤仍保持著實質未被破壞,這在該基礎被安裝好之後提供該基礎一更為穩定的支撐。
在實施例中,該抽泵系統將水從該內部穴室中排出。以此方式,在該基礎的內部中的地下水位(water table)的高度可藉由將水從該地下水位排出而被降低。就這方面而言,該抽泵系統可包含一進水管,用來將水從該內部穴室吸入。
在實施例中,該抽泵系統將空氣從該內部穴室排出。以此方式,一抽吸效果可被該基礎的該內部穴室中的部分真空產生。這藉此降低施加至該基礎本體內的地下水位的大氣壓力,這接著可降低在該被排開的土壤區域內的土壤懸浮物壓力。
在實施例中,該基礎進一步包含一控制器,用來在基樁安裝期間控制該抽泵系統用以將該被排開的土壤區域內的土壤懸浮物壓力與該基礎本體外面的一相鄰的土壤區域內的流體壓力實質地相匹配。以此方式,該土壤懸浮物壓力與該基礎趾部的被侵蝕的表面下方的土壤內的周遭的水壓之間的差異被最小化。因此,將新的土壤排開至該土壤懸浮體內所需要的力被最小化。與此同時,介於該等土壤區域之間的壓力差被最小化以避免壓擠周圍的土壤結構。
在實施例中,該控制器控制該抽泵系統用以將該內部穴室中的地下水位的高度降低至低於該基礎本體外的水面。以此方式,該土壤懸浮物壓力係藉由降低該基礎本體內高於它的水所施加的壓力而被降低。
在實施例中,該本體包含一圓錐形區域,該基礎的直徑在該圓錐形區域內是增加的。以此方式,該基礎的側壁的一區域可向外傾斜以提供一擴大的覆蓋面積(footprint)。這可因為此區域的內部和外部之間的壓力差的關係而被用來產生向下力量。一被產生的向下力量可在安裝期間協助基礎的驅進。
較佳地,該基礎被當作一中空的基礎被提供。更佳地,該基礎是中空基樁基礎。又更佳地,該基礎是單基樁(monopile)。例如,該單基樁可包含一中空的管狀本體,其帶有界定該內部穴室的環形區(annulus)。
較佳地,該趾部是漸窄化的。以此方式,該承壓阻力被最小化。更具體地,該趾部被漸窄化,用來將土壤朝內排開。以此方式,土壤被排開進入到該基礎本體的內部,讓外部的土壤實質地未被擾亂。
在實施例中,該本體包含一圓錐形區域。藉此構造,藉由控制抽泵系統的泵送速率,一壓力差可被產生在該圓錐形區域的外部的較高的流體壓力和在該內部教低壓力之間。藉此,這可產生一有利的向下力量以協助該基礎的安裝。
較佳地,該一或多個噴嘴被定向為相對於該基礎本體的圓周實質地相切(tangentially),用以將流體導向至該本體的內表面。以此方式,該流體可迫使土壤不與該本體的內表面接觸,藉此潤滑該界面並降低驅進該基礎所需的剪力。
較佳地,該一或多個噴嘴被定向於一與該插入方向成60至180度的平面。以此方式,該等噴嘴有助於在該被排開的土壤區域內的沉積物相對於該插入方向向上或近乎向上地移動。在小的角度時,這可藉由提升土壤侵蝕(soil erosion)來達成。然而,在特別佳的實施例中,該等噴嘴被定向於相對於該插入方向90至180度的範圍內,用以將該流體流定向於一實質水平的平面或一彎角於該水平的表面之上的平面,用以增進沉積物的此一向上的運動。亦即,藉由將該等噴嘴向上轉一角度,該等噴嘴可幫助降低作用在被噴走的土壤表面上的壓力並進一步減輕在該趾部以下的朝內的承壓破壞。就此而言,該被侵蝕的土壤形成一比水的密度還高的懸浮物,並因而造成一相較於在該被侵蝕的土壤表面底下的土壤中的周遭水壓還高的懸浮壓力於該土壤中。這造成一從該懸浮物流到土壤中的水流以及垂直地向下的應力,這將增加安裝阻力。該抽泵系統藉由減輕懸浮壓力來發揮作用以減輕此作用。在一些實施例中,至少一些高壓噴嘴亦面朝上用以藉此抬起該環形區中的懸浮物並減輕在噴出物前面(jetting front)之上的懸浮壓力。這因而亦幫助降低安裝阻力。
在實施例中,該一或多個噴嘴被一加壓流體供應器饋給。較佳地,此加壓流體供應器比周遭的流體壓力高了10巴(bar),更佳地比周遭的流體壓力高了80巴,再更佳地比周遭的流體壓力高了100巴。
在實施例中,該一或多個噴嘴包含多個噴嘴,其中該等多個噴嘴被分佈在該本體的內表面的周圍。以此方式,流體可被輸送至該土壤柱的圓周的周圍,用以提供更均勻的潤滑效果。在實施例中,該等多個噴嘴被分佈在該本體的內表面一沿著該基礎的軸線延伸的區域內。
在實施例中,該基礎進一步包含一或多個低壓噴嘴,用來將流體輸送至鄰近該被排開的土壤區域的土壤。以此方式,一低壓流體流可被提供來提升運離開該被排開的土壤區域的沉積物運送流。
在實施例中,該一或多個低壓噴嘴包含多個低壓噴嘴,其中該等多個低壓噴嘴被分佈在該本體的內表面的周圍。以此方式,流體可被輸送至該土壤柱的圓周的周圍,用以在該基礎的環形區內提供更均勻的向上沉積物運送流。
較佳地,該流體包含水。該流體例如可以是海水、或水溶液或懸浮液。例如,提高黏性的添加物(譬如,皂土(bentonite))可被提供至該流體內,用以降低土壤柱崩塌的風險。就此方面而言,一控制器可被提供來控制被輸送通過該等噴嘴及/或孔(vent)的流體的壓力、流率及/或組成物,用以管理該土壤柱的特性並藉此將該土壤柱崩塌的風險降到最小。
依據本發明的第二態樣,一種結構的基礎系統被提供,其包含:一依據上文所述的基礎;及一加壓流體供應器,用來將該流體供應至該等噴嘴。
依據本發明的第三態樣,一種安裝上文所述的基礎的方法被提供,該方法包含:將趾部插入土壤中;將該本體驅進於該插入方向上;將該流體供應至該等噴嘴,用以將該流體導向該被排開的土壤區域;及啟動該抽泵系統用以將該流體從該內部穴室排出,用以降低在該被排開的土壤區域內的土壤懸浮物壓力。
較佳地,該方法進一步包含控制該抽泵系統的步驟,用以將該被排開的土壤區域內的該土壤懸浮物壓力與該基礎本體外面的一側向相鄰的土壤區域內的水壓實質地相符合。以此方式,該土壤懸浮物壓力與該基礎趾部的被侵蝕的表面底下的土壤內的周遭的水壓之間的差異被最小化。
較佳地,控制該抽泵系統的步驟包含控制該抽泵系統用以將該內部穴室中的地下水位的高度降低至低於該基礎本體外面的水位。
圖1顯示依據本發明的第一實施例的基礎的遠端區域的剖面示意圖。在此實施例中,該基礎1是一單基樁。
該基礎1包含一中空的管狀本體2,其具有一外部側表面3、及一內部側表面4,其界定一鑽探孔(bore)形式的內部穴室15。該本體的遠端包含一趾部8,其界定一孔洞(aperture)11且具有徑向朝內的傾斜表面,用來將土壤朝向該內部鑽探孔15引導。
級階7在該外部側表面3形成一內縮部(indent)於該趾部8的遠端上方,用來提供一摩擦轉折(friction break),這將於下文中更詳下地描述。
如圖1及圖2的平面圖中所示,該基礎的內部被設置有一流體噴射系統,其具有多個高壓饋送管6,其每一者都順著該內表面4遠遠地向下延伸並饋送到一高壓歧管9內。每一高壓歧管9在該鑽探孔15的周圍延伸一段圓周距離並將流體分配至多個噴嘴10。
在此實施例中,該流體噴射系統進一步包含多個低壓饋送管5,其每一者都順著該內表面4遠遠地向下延伸並饋送到一低壓歧管12內。每一低壓歧管12在該鑽探孔15的周圍延伸一段圓周距離並將流體分配通過多個低壓噴嘴或孔13。
該等低壓歧管12被設置在一側向平面內,該側向平面在該等高壓歧管9的側向平面的軸向上方。如圖2所清楚地顯示,該等高壓歧管9及低壓歧管12被圓周地分佈,使得它門各自的噴嘴10及孔13被均一地間隔在該內表面4的圓周周圍,用以在使用時輸送流體於一位在孔洞11內的土壤柱的圓周周圍。與此同時,該等孔13能夠饋送低壓流體至土壤懸浮物中,該土壤懸浮物是由被該等水噴嘴10侵蝕的土壤形成。
如圖1所示,該基礎的內部被進一步設置有一排空抽泵系統24,它被用來將累積在該內部鑽探孔15的近端內的流體排空。在此實施例中,該抽泵系統包含一排空管24,其連接至一幫浦(未示出)且被建構成在基礎安裝期間位於該內部地下水位下方且從該地下水位抽水。
圖3(a)顯示圖2中所示的該等噴嘴10和低壓孔13的放大圖式。圖3(b)顯示一穿過該基礎與該等噴嘴10在一直線上的剖面圖。如圖所示,噴嘴10在一與該基礎的插入方向成90度的側平面內被切線地定向。來自該等噴嘴10的流體流被引導至該基礎的內表面4上。此外,來自每一噴嘴10的噴灑被定向成涵蓋左邊相鄰的噴嘴(如圖所示),用以藉此防止碎屑積累在噴嘴上。
該等低壓孔13被徑向朝內地定向且在此實施例中對該基礎的插入方向打開50度。因此,低壓流體可被饋入到位於高壓岐管9上方的土壤懸浮物中。
圖4顯示當該端部已被插入到土壤中時,一穿過該基礎本體2的遠端的剖面示意圖。該基礎的環形區界定該內部鑽探孔15,其內填滿了界定一土壤柱的土壤懸浮物。
在安裝期間,該趾部8在該插入方向上軸向朝下地穿透土壤。級階7被設置來作為摩擦轉折,用來將該基礎本體2的外表面3上的壁摩擦最小化。亦即,在土壤穿透期間,緊鄰該級階7上方的該外表面3與相鄰的土壤被該級階7提供的空間分開。雖然彈性的半空間鬆弛(half space relaxation)會將土壤帶回來與更上面的外表面7接觸,但被分開的區域將具有較低的摩擦阻力。當該安裝完成時,土壤將鬆弛並填入被級階7產生的該空間中,藉以提高該基礎1的軸向負荷承受能力。該間隙亦將填滿從該等環形區的外表面淌流下來的沉積物。該基樁的側向負荷將造成此心的沉積物緊實。
當該趾部8穿透土壤時,它的漸窄部發揮作用以降低該趾部的承壓阻力。較佳地,為了要在不會不當地危及該趾部遠處尖端的機械強度下將承壓阻力最小化,該漸窄部的角度是在40-80度的範圍內,更佳地是在45-75度的範圍內,又更佳的是在50-60度的範圍內。
當該趾部的漸窄部移動通過土壤時,土壤被它徑向朝內地推移。這因而將與該基礎本體2的遠端相鄰的土壤排開進入到一位在該鑽探孔15的底部填滿了土壤懸浮物的被排開的土壤區域14中。當該基礎持續被向下驅進時,該被排開的土壤區域14亦將因為新的土壤被向內壓擠而有效地向下擴大。在傳統的基礎中,隨著時間經過,這將開始限制更多土壤排開,因為鑽探孔15充滿了更多土壤並變得更為擁擠。為了解決此問題,噴嘴10非揮作用以輸送高壓、低流量的液體,用以將土壤從該被排開的土壤區域14中移除掉。
就此而言,在安裝期間,噴嘴10供應高壓水的噴流至該排開的土壤區域14。在此實施例中,水經由100巴壓力的高壓饋送管6被饋送至噴嘴10。在一些實施例中,該水供應亦可包括提高黏性的添加物或微粒,其有助於在該鑽探孔15內的土壤柱周圍形成一濾餅(filter cake)。該濾餅可如同一水障(water barrier)般地作用,使得一更高的懸浮壓力可施加一穩定力於該土壤柱上。然而,較佳地任何此等添加物係經由該等低壓孔被饋送,用以避免不利地影響到這些噴嘴的噴射效率。噴嘴10的該切線方向造成被噴射出的水經土壤推離該基礎本體2的內表面4並因而降低此表面上的摩擦。與此同時,該等高壓低流量的水噴流非揮作用,用以將該排開的土壤區域14上方的土壤解體並將土壤懸浮,用以形成一緻密的土壤泥漿以用於向上的沉積物運送。這將土壤從該排開的土壤區域14相對地向上移動並因而避免在此區域內的土壤變得被過度壓擠。因此,在該趾部8處更多土壤排開積累的阻力可被最小化。與此同時,被噴射出的水的一部分向下流掉以平衡該負的孔隙壓力(pore pressure),因為在該排開的土壤區域14內的土壤膨脹胯大。這進一步發揮作用,用以降低在趾部8的承壓阻力。該等噴嘴10的形狀和方向被建構來控制該高壓流體流的切線、垂直及水平噴灑,用來將上述效果最佳化。例如,被預想到的是,噴嘴10可被設置類似於設置在高壓洗車噴嘴上的扁平的方形,用以產生噴流水幕。
在填滿該土壤懸浮物的該環形區內的該向上的沉積物運送被來自該等孔13的低壓高流量液體的輸送所增強。在此實施例中,水或皂土溶液經由表壓力高達5巴的該等低壓饋送管5被饋送至孔13。流體輸送率被監視以控制該土壤泥漿的厚度,用以將土壤柱崩塌的風險降至最小。如果在該環形區內的該土壤柱將崩塌的話,則該流體運送通道將被窄化,造成流體壓力因為流體阻力及增高的內壁摩擦而累積。然後,這將造成過大的摩擦的積累,直到新的通道形成為止。然而,藉由保持一高泥漿密度,一足夠的對應平衡壓力可被產生來避免這些。為了進一步對此提供協助,從該等孔13被輸送的液體亦可包含增加黏性的添加物或微粒。以此方式,該土壤柱可因為存在一過濾餅或因為提高的流體黏性(或因為搖變減黏性質(thixotropic properties))而藉由降低水排入到土壤柱中的排水量而被更佳地穩定。此外,該等增加黏性的添加物或微粒亦可降低在該懸浮物中的懸浮土壤顆粒沉降速度(終端速度)並允許更大的土壤粒的向上運送。
關於這點,為了更詳細地對此作說明,在安裝處理期間,在該基樁的內部使用該噴流系統可在該內部土壤柱周圍形成一充滿流體的環形區。此內部土壤柱將需要側向支撐(不論是機械式支撐或透過流體壓力來提供)來防止崩塌。在透過流體壓力來支撐的例子中,作用在該土壤柱壁上的該流體壓力必需大於該土壤柱施加在一機械式限制物上的壓力。因為該土壤柱壁是多控性的且因為該土壤柱可管道輸水(duct water),所以來自流體壓力的支撐力可藉由在該土壤柱壁的表面區域內的壓力梯度來達成。因此,在該環形區內的高壓力處的流體將流入該土壤柱,而在存在有周遭流體壓力水準的地方則用在此過渡區中的壓力梯度來提供引定該土壤柱所需要的水平應力。然而,在高滲透性的土壤中,此壓力梯度會太小而無法達成所需要的水平應力。然而,當水流入到該土壤柱中時,在該環形區內的懸浮微粒可形成一過濾餅於該土壤柱表面上。這造成一低滲透層,一較陡峭的壓力梯度會在此低滲透層中形成。替代地,或組合地,在該環形區內的流體的黏性可被提高用以提高該壓力梯度。來自該土壤中的流體動摩擦的壓力梯度意指流體壓力被傳遞至土壤顆粒骨架中,提高顆粒與顆粒的接觸應力(有效應力)。亦可以想像得到的是,其它的實施例可包括用於提高在垂直方向上的滲透性的特性,用以將水朝向海床表面排入,並因而提供一更好的流體靜力學壓力於該土壤柱內部。例如,已被想到的是,該基礎可包括一原來鑽入或敲入一穿過該土壤柱的垂直孔內的元件。這在該土壤柱包含層式土壤(layered soil)的情況中會是有利的,否則這將會降低該土壤柱內部的向上排水,尤其是如果存在有中間的黏土層的話。
儘管上文所描述的使用噴嘴來輸送流體載體以降低土壤壓力,但隨著該基礎被驅進得愈深,防止土壤進一步排開的其它限制機制就會發生作用。詳言之,在更深的安裝深度,在該土壤懸浮物中的流體壓力會變得比位在該被侵蝕的土壤表面下方的土壤內的周遭水壓大很多。這回抵消在該基礎的趾部8的承壓破壞機制並因而提高至趾部的阻力。為了要解決此問題,一排空抽泵系統24被提供。詳言之,在基樁安裝期間,一控制器控制該排空抽泵系統24用以將水從該內部鑽探孔15中的地下水位移除。這接著會降低在與該趾部8相鄰的該被排開的土壤區域14的土壤懸浮物壓力,用以藉此控制在該趾部的兩側的土壤區域之間的壓力差。
土壤懸浮物壓力的作用係參考圖5被更詳細地描述。圖5顯示本發明的第二實施例。此第二實施例與第一實施例實質相同,但該基礎是一圓錐形單基樁,其中該基礎本體2具有一圓錐形區域20。
和第一實施例一樣地,該第二實施例包含一用來控制該鑽探孔15內的地下水位高度的排空幫浦(未示出),用以藉此降低抵消在該基礎的趾部8的承壓破壞機制。詳言之,圖5顯示一通過該基礎本體2的遠端的剖面示意圖以及顯示流體壓力是如何隨著深度提高的圖表曲線(plot)。圖5(a)顯示該地下水位16的高度尚未被控制的情形,及圖5(b)顯示當幫浦被啟動來控制該鑽探孔15內的地下水位16的高度的情形。
如圖5(a)中所示,該基礎本體2的趾部8被驅進到海床的土壤中,其中流體係從噴嘴10被抽泵。該流體在與該基礎本體2的側壁相鄰的區域內形成一土壤懸浮物18,其高過並遍及該基礎的鑽探孔15內的整個海床。在此第一個情節中,當累積在該基礎的內部中的海水無法逃逸出時,該鑽探孔15被土壤懸浮物及來自噴嘴10的流體進一步填充。這造成在該鑽探孔15內的地下水位16位在該基礎外面的海水的水位17之上的結果。
關於這點,如圖5(a)的圖表曲線21所示,在該基礎的外面,隨著深度增加,流體壓力p因為賴其上方的水柱的重量增加的關係而線性地升高。圖表曲線22顯示在該環形區內的流體壓力。將被理解的是,儘管水壓以相同的梯度增加,但在該鑽探孔15內的水壓Phydro 因為該地下水位16的水位較高而高於外面的水壓。然而,在水過渡(transition)到該環形區內的土壤懸浮物18中的深度,該壓力梯度因為該土壤懸浮物18的更大的密度而增加。因此,相較於該基礎本體2外面的壓力,該更為陡峭的壓力梯度在該土壤懸浮物內產生高很多的流體壓力Psus 。這是用在該趾部8的內圖表曲線(inside plot)22和外圖表曲線(outside plot)21之間的壓力差23來代表。因此,在該基礎的內部中的此升高的壓力抵消在趾部8的承壓破壞機制,藉以阻止進一步的趾部穿透。亦即,該壓力差23抗拒該趾部8被驅進得更深時所產生的排開力量。當安裝深度增加時,因此將需要更大的驅進力量來克服該趾部安裝阻力並持續將土壤側向地排開進入到該鑽探孔15內更高壓力的土壤區域內。
本發明的實施例藉由降低在趾部8的土壤懸浮物壓力Psus 來解決上述問題。圖5(b)顯示如何使用該排空幫浦來降低該土壤懸浮物壓力的規畫。當水從該鑽探孔15被排出時,該地下水位16被降低。這造成該內壓力圖表曲線22的水壓Phydro 分量的長度下降及縮短的結果。因此,該圖表曲線22的懸浮物壓力Psus 分量在低很多的流體壓力處開始。因此,藉由控制該地下水位16的高度,在該趾部8的流體壓力可被降低,用以藉此與周遭的流體壓力更接近地匹配,並藉以將該趾部安裝阻力最小化。詳言之,如圖5(b)所示,在該趾部8的內圖表曲線22和外圖表曲線21之間的壓力差被最小化。換言之,將被理解的是,控制該地下水位16的高度以避免在趾部8的土壤懸浮物壓力比周圍土壤內的流體壓力低太多是必要的。例如,如果該壓力太低的話,則在該基礎外面的周圍土壤會因為在該趾部周圍的孔隙壓力梯度的逆轉而被過度地弱化,這導致孔隙水進入。一但該土壤內的垂直有效應力被降低至零,則液壓破壞(hydraulic failure)就會發生。對於地下水位的控制可藉由控制該排空幫浦的抽泵速率來達成。在噴嘴10的流體流率亦可被控制。
隨附於下文中的表1顯示一依據本發明實施例的示範性基樁基礎在示範性條件下的數學模型。如表中所示,在5公尺的安裝深度時,該安裝趾部阻力是70噸。然而,在30公尺的安裝深度時,在此例子中,藉由將該基樁內的地下水位高度從高於海床27.5公尺降低至12.5公尺,該安裝趾部阻力可被降至36噸,而不是增加至高於2000噸。因此,當該基樁被驅進得更深時,該安裝趾部阻力可被保持在一極低的水準。
示於圖5中的實施例的圓錐形區域20的特徵現將被描述。如圖5的剖面圖所示,該基礎的本體2被喇叭型地展開,用該圓錐形區域20殂一較窄的直徑區段過渡至一較大直徑的末端區段。該圓錐形區域20被建構成位在該外水線17下方,但高於海床的泥線。在示於圖5(a)中的裡面的地下水位16高於外面的水位17的情節中,該圓錐形區域20將具有一有害的浮力效應(buoyancy effect)。亦即,由於在該鑽探孔15內流體壓力較高,所以作用在該圓錐形區域20的內面上的流體壓力Phydro 將高於作用在該圓錐形區域20的外面上的流體壓力Phydro 。這將造成與安裝方向相反的淨向上浮力的結果,然而,在圖5(b)所示的情節中,內部地下水位16的高度被降低,一有力的向下力量被介於施加至該圓錐形區域20的外部的較高的壓力和作用在該圓錐形區域20的內部的較低的壓力之間的壓力差產生。因此,藉由控制該排空幫浦的抽泵速率,該圓錐形區域20產生的向下力量可被控制。
雖然示於圖5中的上述實施例藉由調整該地下水位的高度來控制在該趾部的該土壤懸浮物壓力,但其它用來控制該土壤懸浮物壓力手段亦可被想到。詳言之,在圖6所示的本發明的一替代實施例中,一排空幫浦被用來產生一抽吸效果。
關於這點,圖6顯示依據本發明的第三實施例的基礎的剖面示意圖。在此實施例中,該基礎本體2的該環形區被設置有一可關閉的孔25,其連接在一上室27和鑽探孔15之間。因此,當該孔25被關閉時,上部到鑽探孔15提供一圓頂於該內部穴室內,一抽吸效果可被產生在該內部穴室中。該上室27包含一纜線孔26,其允許海水進入該室。在圖6(a)中,該基礎本體2被降低穿過水17的潑濺區。孔25被打開以允許鑽探孔15內的空氣在該本體2被降低進入到水17中時被迫擠出來。在圖6(b)中,該本體因為外面的水經由纜線孔26進入到該上室27中而開始在其自身的重量下穿透土壤16。當該鑽探孔15內的空氣已被排空時,孔25可被關閉。在此階段,該等噴嘴(未示出)亦開始將流體噴入到該鑽探孔15中,用以讓該本體容易穿過土壤。在圖6(c)中,該抽泵系統(未示出)開始將水從該鑽探孔15中排出。這在該鑽探孔穴室內建立該抽吸效果。詳言之,藉由將水從該鑽探孔15中排空,一相對於來自裝滿了水的上方的該上室27的流體壓力之顯著的壓力差可產生。這因而產生一相當大的向下力量,用來將該基礎本體驅進到如圖6(d)所示之最終的穿透深度,同時將該趾部阻力保持在合理的低水平所需的該懸浮物壓力亦被降低。當位在此最終穿透深度時,該抽泵及噴射系統即被停止。在這些實施例中,該等噴嘴可被用來將灌漿材料輸送至該環形區內以固定該基礎。
在外面的水位太低而讓該鑽探孔15無法完全被水裝滿的安裝中,本發明的實施例亦可被想到的是,空氣可從該鑽探孔15被排空。在此例子中,該基礎本體在其內部穴室的近端將需要一被封圍的頂板(roof),使得部分真空可被產生。藉由將該穴室內的空氣壓力降低,一向上的抽吸效果可被施加至該地下水位,並降低該水的流體壓力。接著,這降低了在該趾部8處的土壤懸浮物壓力Psus 。然而,在這些抽吸實施例中,安裝深度會受到可被產生的該部分真空的水平的限制,例如受到該排空幫浦的功率的限制。因此,只有抽吸可能無法在該趾部保持一夠低的土壤懸浮物壓力以用於更深的安裝深度。
除了上文所述之外,亦將被理解的是,本發明的實施例亦可控制該地下水位的高度及該抽吸力這兩者的組合,用以降低在該基樁趾部8的懸浮物壓力。
因此,將可被瞭解到的是,揭露於本文中之發明性的配置允許一基礎被更容易地安裝到土壤中。這降低了成本並允許安裝噪音被降至最小。
關於這點,在本發明的實施例中,在基礎趾部的土壤破壞機制發揮作用,用以在該基礎穿透得更深且新的土壤被排開時讓該基樁安裝處理持續下去。因此,在基樁驅進被使用的實施例中,需要較低的基樁驅進力量,這允許使用較小的基樁驅進鎚且產生較小的噪音。在該基礎已被安裝至所要的深度之後,該流體噴射系統可被關掉以允許水從該環形區被排出,其隨著時間經過透過循環的搖下來作用(shake down effects)而讓懸浮的土壤顆粒沉積下來以形成一沉積物,藉以將土壤重新穩定。
重要的是,在安裝期間流體的輸送被侷限在該基礎的內鑽探孔內。因此,除了一局部化的區域受到基礎本體的側向擠壓之外,在該基礎的外面的土壤的結構絕大部分未受干擾。外面的土壤因而能夠保持其結構,用以支撐該基礎,且該側向壓擠將發揮作用,提高彈性的半空間應力(elastic half-space stress)並改善基礎剛性及強度。這與用加壓液體將土壤體(body of soil)氾濫(flood)以挖掘出給該基礎用的空間的傳統液體挖掘技術相反。藉由此類的傳統方法,土壤係以不受控制的方式被移走,且被挖掘出來的地方在該基礎被置於定位之後立即被開墾出來的土壤重新回填。然而,因為回填該空間的土壤是最近才被放置,所以被發展的結構很小且因而無可避免地較脆弱。
將被理解的是,上文中被例示的實施例只是為了例示的目的而顯示本發明的一項應用。實際上,本發明可被應用到許同的構造,對於熟習此技藝的應用的人而言,詳細的實施例是很直接了當的。
例如,雖然在上述的示範性實施例中,該基礎的液體噴射系統包含高壓噴嘴和低壓噴嘴這兩者,但將可被瞭解的是,本發明可被應用在只使用高壓噴嘴的實施例中。
亦將被瞭解的是,額外的特徵可進一步降低驅進阻力。例如,機翼形折流板可被設置來把從該等噴嘴射出的水向上折流於一彎曲的路徑上,藉以在下方造成一抽吸效果。在另一配置中,某些噴嘴可被向上彎一角度以生成一對抗該向下的流體靜力壓力。該被射出的水的此向上的方向亦將促進沉積物的向上輸送。
亦將被理解的是,額外的機制及系統亦可結合該流體噴射系統被使用,用以進一步降低驅進阻力。例如,該基礎可進一步包含用於電滲的電極。此外,該流體噴射系統可和該電滲系統同步工作。在一示範性配置中,一導桿(stinger)被設置在該土壤柱的中心、一陽極被設置在該基礎壁的內表面上、及皂土溶液用該流體噴射系統注入。電壓然後可被施加在該等電極之間以產生電滲效應,用以施加向內的壓力於該土壤柱中。這可藉此降低該土壤柱崩塌的風險。此外,如果該土壤柱萬一崩塌的話,則該等電極的極性可被顛倒以潤滑該濾餅。
雖然在上述示範性實施例中該基礎是單基樁,但將被理解的是,其它基礎亦可適用,譬如桶形基礎(bucket foundation)。本發明亦允許在停止使用期間簡化該基礎的撤收。詳言之,該等噴嘴可被用來施加高壓流體,用以在該基礎被撤收時降低該基礎的內表面上的摩擦。
最後,雖然上述示範性實施例是以降低安裝單基樁基礎的基樁驅進力為例子,但將被理解的是,在本發明被應用在吸力筒基礎的實施例中,所需要的將是在抽吸壓力下用減小的抽吸力來安裝該基礎。
1‧‧‧基礎
2‧‧‧基礎本體
3‧‧‧外部側表面
4‧‧‧內部側表面
5‧‧‧低壓饋送管
6‧‧‧高壓饋送管
7‧‧‧級階
8‧‧‧趾部
9‧‧‧高壓歧管
11‧‧‧孔洞
12‧‧‧低壓歧管
13‧‧‧低壓噴嘴(孔)
15‧‧‧(內)鑽探孔
24‧‧‧排空抽泵系統
10‧‧‧噴嘴
14‧‧‧被排開的土壤區域
20‧‧‧圓錐形區域
16‧‧‧地下水位
19‧‧‧土壤
18‧‧‧土壤懸浮物
21‧‧‧(外)圖表曲線
22‧‧‧(內)圖表曲線
23‧‧‧壓力差
17‧‧‧外面的水位
25‧‧‧可關閉的孔
26‧‧‧纜線孔
27‧‧‧上室
本發明的示範性實施例現將參考附圖來加以描述,其中:
圖1顯示依據本發明的第一實施例的基礎的剖面立體圖;
圖2顯示圖1中所示的該基礎的遠端的內表面的平面圖;
圖3顯示圖2中所示的噴嘴的放大圖式,其中(a)顯示該內表面的平面圖及(b)顯示穿過該基礎本體的剖面圖;
圖4顯示一穿過依據第一實施例的基礎本體的遠端的剖面示意圖;
圖5顯示一穿過依據本發明的第二實施例的基礎本體的遠端的剖面示意圖,其中(a)顯示沒有地下水位控制及(b)顯示有地下水位控制;
圖6顯示依據本發明的第三實施例的基礎的剖面示意圖,其中(a)至(d)顯示在安裝的不同階段期間的該基礎。

Claims (14)

  1. 一種用於結構的基礎,包含: 一本體,用來在安裝期間在插入方向上插入到土壤裡,該本體在其遠端有一趾部,且該趾部界定一通到一內部穴室內的孔洞,其中該趾部移動通過土壤的運動將土壤側向地排開至該內部穴室內的一被排開的土壤區域中; 該基礎進一步包含: 一或多個噴嘴,其被設置來在安裝期間將一流體引導至該被排開的土壤區域,用以將土壤運離開該被排開的土壤區域;及 一抽泵系統,用來在安裝期間將流體從該內部穴室排空,用以降低在該被排開的土壤區域內的土壤懸浮物壓力。
  2. 如申請專利範圍第1項之基礎,其中該抽泵系統將水從該內部穴室排空。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之基礎,其中該抽泵系統將空氣從該內部穴室排空。
  4. 如申請專利範圍第1項之基礎,更包含一控制器,用來在基樁安裝期間控制該抽泵系統,用以將該被排開的土壤區域內的土壤懸浮物壓力與該基礎本體外面的一相鄰的土壤區域內的流體壓力實質地相匹配。
  5. 如申請專利範圍第4項之基礎,其中該控制器控制該抽泵系統用以將該內部穴室中的地下水位(water table)的高度降低至低於該基礎本體外的水面。
  6. 如申請專利範圍第1項之基礎,其中該本體包含一圓錐形區域,該基礎的直徑在該圓錐形區域內是增加的。
  7. 如申請專利範圍第1項之基礎,其中該基礎是中空的基樁基礎。
  8. 如申請專利範圍第1項之基礎,其中該趾部是漸窄式的趾部。
  9. 如申請專利範圍第1項之基礎,其中該一或多個噴嘴被定向為相對於該基礎本體的圓周實質地相切(tangentially),用以將流體導向至該本體的內表面。
  10. 如申請專利範圍第1項之基礎,其中該一或多個噴嘴包含多個噴嘴,其中該等多個噴嘴被分佈在該本體的內表面的周圍。
  11. 一種結構的基礎系統,包含: 一如申請專利範圍第1至10項中任一項所述的基礎;及 一加壓流體供應器,用來將該流體供應至該等噴嘴。
  12. 一種安裝如申請專利範圍第1至10項中任一項所述的基礎的方法,該方法包含: 將該趾部插入土壤中; 將該本體驅進於該插入方向上; 將該流體供應至該等噴嘴,用以將該流體導向該被排開的土壤區域;及 啟動該抽泵系統用以將該流體從該內部穴室排出,用以降低在該被排開的土壤區域內的該土壤懸浮物壓力。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法,更包含該控制該抽泵系統的步驟,用以將該被排開的土壤區域內的該土壤懸浮物壓力與該基礎本體外面的一側向相鄰的土壤區域內的流體壓力實質地相匹配。
  14. 如申請專利範圍第12或13項之方法,其中該控制該抽泵系統的步驟包含控制該抽泵系統用以將該內部穴室中的地下水位的高度降低至低於該基礎本體外面的水位。
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