CN1276031A - 改进的钻孔和打桩的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于在柔软地层中安装一个桩或者承载元件的方法和设备,其中非冲击力而不是例如象由锤子或者起重器所施加的冲击力被施加到钻孔成形工具或者桩(1)的顶部,从而通过连续移动将该钻孔成形工具或桩推进到地层内的第一深度,且所述的钻孔成形工具或者桩在旋转的同时以非冲击的方式推进到一个第二深度。本发明还公开了一种用于在柔软地层中形成一个就地浇筑桩的方法和设备,该方法将一个其基部具有翼片(3)的钻孔成形工具(1)推入到地层内。一旦到达所需的深度后,钻孔成形工具(1)旋转并同时协助驱替翼片(3)所扫过的土壤。然后取出钻孔成形工具(1),并同时提供另外的混凝土或者灰浆,以使得所形成的具有预定形状的桩的承载能力得到提高。

Description

改进的钻孔和打桩的方法和设备

本发明涉及一种用于在地层内特别是通过土壤驱替(displacement)来安装桩和/或混凝土或者灰浆(grout)柱的方法和设备。

众所周知，可以通过多种方法安装承载桩或者柱。第一种方法涉及用锤子经过一系列的互相分离的步骤而将一个预制桩打入到地层内。该方法可能很有效，但是由于锤子的打击动作不连续，可能破坏桩或者地层。而且，用锤子击打时产生许多噪音和振动。另外一种形式的方法是使用一个起重器(jack)安装由多个分离的部分组成的桩或柱。用起重器将其第一部分推入到地层内，然后起重器重置(reset)，将一个第二部分焊接或者粘结到所述的第一部分的顶端。然后再启动起重器，重复所述的方法直到到达所需的深度。由于起重器在完成每一个单个冲程后需要回缩以插入下一个桩元件，特别是冲程的长度通常小于50cm，因此这种方法效率低。

第二种公知的方法是连续螺旋叶片(flight)螺旋推进器(auger)打桩方法，在该方法中一个具有连续螺旋叶片的螺旋推进器通过旋转进入到地层内。在螺旋推进器从地层内回缩之前或者在从地层内回缩过程中螺旋推进器的螺旋叶片挖掘土壤。当回缩(withdrawn)螺旋推进器时，通过螺旋推进器的杆体将混凝土泵入到螺旋推进器的尖端，因此导致形成一个承载桩或者柱。该方法描述于本申请人的申请号为9515652.7的英国专利中，该专利所公开的内容作为本申请的参考。

作为另外一种形式，WO95/12050作为公开的例子，能够使用一个不是挖掘土壤而是驱替(displacement)土壤并将土壤压实到周围地层内的螺旋推进器头。其优点是产生的废土方较少，可能较好地保持地层的整合性并保持在桩安装区域附近区域具有较高密度。

然而，上述方法要求螺旋推进器或者类似装置以螺旋方式压入到地层内，这需要较长的时间，并且这意味着为实现钻进就必须根据地层状况选择具体的扭矩和冲击力组合，而这种选择通常是非常困难的。这种以螺旋方式压入方法的另外一个缺点是打桩工具承受较大的磨损。而且，我们已经发现，通过螺旋推进器的螺旋叶片的螺距来产生向下的冲击力的旋转扭矩与钻机上产生的用于实现钻进到地层内的“挤压力”(亦即在钻进过程中沿着螺旋推进器的轴向所施加的合力)的方向是相反的。尤其是当遇到钻进的早期阻力(prematureresistance)时，实际上挤压力本身不足以实现所需的钻进。这种早期阻力是由于遇到颗粒材料例如象砾石地层而产生的。

根据本发明的第一个方面，提供一种在地层内安装一个承载桩或者柱的方法，其中：

i)基本上沿着一个钻孔成形工具或者桩的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式将该钻孔成形工具或者桩推入到地层内，以钻孔到一个第一深度；以及

ii)基本上沿着所述的钻孔成形工具或者桩的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式在所述的钻孔成形工具或者桩沿着其纵轴旋转时将所述的钻孔成形工具或者桩进一步推入到地层内，以钻孔到一个第二深度。

术语“非冲击”可以理解为在相对较长的时间例如许多秒甚至分钟内施加连续的力。这与冲击式打桩方法不同，在冲击式打桩方法中，一个重物反复落到桩的顶部，以用锤击方式将桩打入到地层内。在这种情况下，大多数力均是在较短的时间，例如零点几秒内施加。而且，在实际操作过程中，与非冲击方式所施加的力相反，根据时间改变施加的力的速率通常是不连续的；在非冲击方式中，根据时间改变速率几乎是连续的。

在颗粒例如砾石或者类似物地层上方覆盖有柔软地层的地层中安装或者形成桩时，本发明特别有用。钻孔成形工具或者桩的旋转运动有助于克服钻进早期阻力，否则这种钻进早期阻力将妨碍钻进到所需深度。通常，钻孔成形工具或者桩被推入到上覆柔软土壤内直到到达颗粒地层为止，在此处钻孔成形工具开始附加的旋转。在钻进颗粒地层时旋转与推进力结合对于钻进非常有效，特别是在使用某些钻孔成形工具或者桩尖端的几何形状时，促使所形成的桩具有良好的基础。

这种旋转可以是沿某一方向的连续旋转；另外，或者除了上述外，也可以采用来回旋转，其转速小于或者大于一转。在使用来回旋转时，已经发现摆动频率在1Hz附近时有助于钻进颗粒地层；尽管如此，较高或者较低的频率例如象从10Hz到0.1Hz也可以使用。在某些应用中，甚至可以使用100Hz到0.01Hz的更高或者更低频率。

该方法可以用于将一个桩例如象钢筋或者预制混凝土桩直接安装在地层内，或者用于将一个钻孔成形工具，例如象一个具有牺牲端板的空心圆柱管，插入到地层内以在钻孔成形工具取出之前或者在钻井工具取出过程中就地浇筑承载混凝土或者灰浆桩。桩或者钻孔成形工具的尺寸以及施加到桩或者钻孔成形工具上的力根据地层条件来进行确定。

作为一种优选方式，钻孔成形工具或者桩连续移动推进到地层中给定的深度为至少1m，在某些应用中，该深度至少为2m甚至5m。一旦到达给定的深度后，连续的力可以重新施加一次或者多次，以将钻孔成形工具或者桩推入更深的深度，例如到达颗粒地层的深度。

在这种情况下，我们发现在某些地层条件下能够在大约16秒的时间内获得钻进5m的深度，而如果使用螺旋推进器则需要4分钟。

根据本发明的第二个方面，提供一种钻孔到地层内的方法，其中：

i)基本上沿着一个钻孔成形工具的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式将该具有所述的纵轴的钻孔成形工具推入到地层内，以钻孔到一个第一深度；以及

ii)基本上沿着所述的钻孔成形工具的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式在所述的钻孔成形工具绕其纵轴旋转时将所述的钻孔成形工具进一步推入到地层内，以钻孔到一个第二深度。

该钻孔成形工具通常在其已到达所需的深度后回缩，尽管在某些应用中，该钻孔成形工具可以废弃或者留在地层内。

在某些实施例中，钻孔成形工具具有一个尖端，因为在伴随旋转的同时可以有效地推进到地层内。然而一个特别优选的实施例使用一个具有基本上平的基部的钻孔成形工具。我们发现，在将这样的一个平基部的钻孔成形工具推入到地层内时，在平基部下的土壤将被压实成一个比周围地层更致密的锥体。这种较高密度土壤的锥体在钻进和旋转过程中保持在钻孔成形工具的基部，因此按照所需方式干扰下面的土壤。在某些应用中，在钻孔成形工具钻进前在地层的顶部形成一个砾石铺毯(carpet)或者其他颗粒材料铺毯是非常有利的。平基部的钻孔成形工具然后下入到砾石铺毯或者其他颗粒材料铺毯上，并推入到地层内，因此使用砾石或者颗粒材料来形成所形成的锥体的至少一部分。尽管形成相对较高密度的土壤和/或砾石或者其他颗粒材料的比例在周围土壤中丧失，但是该比例通常较低，并且在任何情况下都将被钻孔成形工具基部下面的土壤所代替。

一个推进力以与本发明的其他反面中所述方式类似的方式施加到钻孔成形工具上。作为一种有利的选择，所施加的非冲击力的幅度和持续时间以及产生旋转的扭矩由电子计算机装置来进行监测和控制。

根据本发明的第三个方面，提供一种用于将一个具有一个纵轴的钻孔成形工具或者桩插入到地层内的钻机，其中，该钻机具有一个用于基本上沿着钻孔成形工具的纵轴方向将一个基本上非冲击的力施加到所述的钻孔成形工具或者桩上以将其推入到地层内第一深度的第一装置；并且其中，该钻机还具有一个用于将旋转运动绕其纵轴施加给钻孔成形工具或者桩的第二装置，该第二装置因此与所述的第一装置结合，从而基本上沿着所述的钻孔成形工具的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式将所述的钻孔成形工具进一步推入到地层内的一个第二深度。

作为优选的方式，该钻机适合于以连续移动方式推进钻孔成形工具到给定的至少1m深度，在某些应用中该深度至少为2m甚至为5m地层。一旦到达了给定的深度，在钻孔成形工具或者桩旋转之前，连续的力可以重新施加一次或者多次，以将钻孔成形工具或者桩推进到更深的深度，例如到达颗粒地层深度。

本发明的一个特点就是：直接施加到钻孔成形工具上的基本上非冲击的推力大于钻孔成形工具或者桩旋转所产生的向下的力。这与螺旋推进器打桩法完全相反，在螺旋推进器打桩法中，由于螺旋推进器的螺旋叶片与土壤特别是稠密、粘结性地层之间的作用而产生一个基本上向下的力。作为一种有利的选择，直接施加的向下的力至少是旋转所产生的力的至少或两倍更为优选为五倍。

通过利用本发明，能够较好地利用一个常规打桩钻机，例如70公吨的重量比例(proportion of the weight)，以协助一个钻孔成形工具或桩推进到地层内。在对打桩钻机能力没有限制的情况下，我们发现，一种相对更为直接的实现钻孔成形工具或者桩钻进的方法就是基本上只产生向下的力。该方法的限制取决于钻进阻力，需要考虑以下几个基本的因素：

i)钻进到地层内的阻力取决于具体的地层条件和土壤类型；

ii)阻力正比于所插入元件的横截面积，因此横截面积越小，所需的向下的力越低；

iii)最大的向下的力不能超过钻机用于安装钻孔成形工具或者桩的力。

本发明的一个优点就是，一旦钻进时克服了表面摩擦力，钻孔成形工具或者桩移动过程中所承受的阻力常小于其静止阻力，这种静止阻力是在钻孔成形工具或者桩在土壤“聚集”过程中未受到任何干扰的情况下产生的。

有时，对钻孔成形工具或者桩施加一振动是非常有利的，这可以在钻进被中断的情况下减少表面摩擦力，但是在任何情况下，这种振动产生的向下的力必须显著低于插入钻孔成形工具或者桩到更大深度所需的力。在遇到任何阻止钻孔成形工具或者桩进入地层的障碍的情况下，可以使用振动来协助螺旋推进器头(expeller head)。

由钻机施加到钻孔成形工具或者桩的顶部上的非冲击力可以由悬挂在该钻孔成形工具或者桩上的悬重来提供。作为另外的形式或者除了上述形式外可附加的形式为，钻机可以具有一个绞车，该绞车适合向下推动钻孔成形工具或者桩的顶部。

在一个特别优选的实施例中，钻机具有一个液压柱塞(hydraulicram)，该液压柱塞可以伸出至少1m，优选为至少2m，更为优选在某些应用中至少为5m。这样的一个柱塞可以用于将一个向下的非冲击力施加到钻孔成形工具或者桩的顶部，从而在一个单个的操作中，能够钻进1m、2m甚至5m。柱塞可以进行重置和设置以重新施加非冲击力从而实现更大深度的钻进。另外，柱塞可以与悬重和/或绞车装置和/振动器一起使用。

旋转可以通过一个电子、液压或者气动马达或者任何形式的装置包括手动方式来实现。

在钻孔成形工具推动进入地层内的情况下，当钻孔成形工具旋转和/或回缩时，混凝土或者灰浆从地面泵入，从而在钻孔成形工具或者桩的尖端处或者尖端附近出现。通过这种方式可以形成一个就地浇筑桩。作为一种有利的形式，沿着钻孔成形工具整个长度泵送的混凝土或者灰浆的体积可以由例如一个电磁流量计进行监控，并由流动控制装置和电子计算机装置来控制。电子计算机装置还监测和控制钻孔成形工具的旋转和/或取出。通过这种方式，能够将钻孔成形工具的转速和/或回缩的速率按照混凝土或者灰浆的流速的函数进行控制，或者反过来进行控制，以协助保证所形成的就地浇筑桩具有足够的结构强度。

根据本发明的第四个方面，提供一种形成地下就地浇筑桩的方法，其中：

i)基本上沿着一个钻孔成形工具的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式将该具有所述的纵轴的钻孔成形工具推入到地层内，以钻孔到一个第一深度，其中，所述的钻孔成形工具还具有一个下端，该下端安装至少一个刃形连接件，所述的刃形连接件的尺寸大于工具体的直径；以及

ii)至少是所述的安装有至少一个刃形连接件的钻孔成形工具的下端按照一种方式进行旋转，使至少一个刃形连接件驱替钻孔成形工具位置或者该钻孔成形工具附近的土壤，而与此同时混凝土或者灰浆沿着钻孔成形工具的长度进行泵送，以协助刃形连接件驱替土壤，并产生一个用于所形成的桩的基部；以及

iii)回缩所述的钻孔成形工具，同时沿着所述的钻孔成形工具的整个长度连续泵送混凝土或者灰浆。

作为一种优选的方式，钻孔成形工具在一次连续移动过程中推入地层内至少1m，并且在某些应用中至少为2m或者5m。一旦到达了给定的深度，连续的力可以重复施加一次或者多次，从而将钻孔成形工具推进到一个更大的深度。

根据本发明这个方面所使用的钻孔成形工具特别适用于柔软地层条件，如砂岩上覆有柔软土层、砾石上覆有粉砂岩或者颗粒材料或者岩石、基岩上覆有任何柔软材料的地层；并且该钻孔成形工具所安装的桩可以将载荷从地面传递到该深度的更为坚硬的土壤。

钻孔成形工具被推进到地层内直到钻孔成形工具的基部到达所需的深度为止，该深度通常为疏松到中等致密砂岩的顶部或者颗粒地层或者岩石或者基岩。一个振动器可以设置在钻孔成形工具的顶部，以协助钻进穿过任何砂岩透镜体(sand lenses)或者坚硬的地层或者在钻孔成形工具的尖端到达所需的基础深度之前所遇到的类似物。振动器的功率可以为15bhp，尽管功率可以根据地层条件来进行选择。应该注意的是，振动器不是钻孔成形工具钻进的关键，它只是作为钻进非粘结性土壤的辅助手段。振动器还可以协助钻孔成形工具的取出。

作为另外一种形式或者上述方式的附加形式以外，在钻孔成形工具以非冲击方式被推进到地层的过程中，该钻孔成形工具绕其纵轴旋转但并不泵入混凝土或者灰浆。这种旋转可以是沿着给定方向的连续旋转，或者可以参照本发明的第一方面所述来回旋转。当这种旋转运动与基本上非冲击的推力结合时，允许钻孔成形工具穿过砂岩或者颗粒地层。钻孔成形工具的旋转移动导致其刃形连接件驱替土壤。这种驱替的结果，降低了钻孔成形工具的基部周围的地层压力，因此允许钻孔成形工具基部下方的土壤材料向上移动，从而导致工具端部的承载能力在较低的载荷下丧失。

一旦钻孔成形工具或者钻孔成形工具安装有刃形连接件的部分到达了所需的深度，它将进行旋转从而使得至少刃形连接件驱替钻孔成形工具基部的土壤，并且最好同时由泵送到钻孔成形工具的混凝土或者灰浆的压力来进行协助。在驱替了土壤后，同时用正压，例如4巴或者更高穿过钻孔成形工具的工具体泵入并从至少一个刃形连接件后侧所设置的开口或者钻孔成形工具的尖端或者尖端附近的一个开口排出的混凝土或者灰浆代替，因此形成具有预定形状的地下混凝土或者灰浆球体。应该注意的是，当钻孔成形工具旋转时，在每一个刃形连接件前面的土壤被压缩，因此相对于周围土壤压力增加了当地的(local)土壤压力。因此，就允许在每一个刃形连接件后方的土壤膨胀，从而相对于周围的土壤压力降低了当地的土壤压力。作为另外一种形式，在钻孔成形工具的工具体为实心体的实施例中，混凝土或者灰浆可以通过一个或者多个独立的供给管来提供。一旦形成了球体后，钻孔成形工具最好在非旋转状态并且沿着插入钻孔成形工具时的方向相同的方向取出，以保持在取出钻孔成形工具时较小的阻力。在某些实施例中，所述的至少一个刃形连接件可以在钻孔成形工具的周围设置为螺旋形。这意味着钻孔成形工具可以通过旋转方式取出，只要钻孔成形工具回缩的速率按照螺旋的螺距和/或深度的变化和/或转速的函数进行控制即可。在取出过程中，需另外输送混凝土或者灰浆，以形成一个连续的桩柱到一个预定的深度。在取出钻孔成形工具时所输送的混凝土或者灰浆必须足以保证能够浇筑预定的最小的横截面积。应该注意的是，利用驱替打桩工具例如象上述的钻孔成形工具，在工具周围的土壤将封堵混凝土或者灰浆流动的任何空隙；因此，可以保持混凝土或者灰浆的正压状态。如果钻孔成形工具旋转时保持混凝土或者灰浆的压力恒定，经过几次旋转后，混凝土或者灰浆将被吸收到翼片周围的区域中，并驱替周围的土壤，直到所有原始的土壤被成功驱替并被混凝土或者灰浆取代为止。这可以通过旋转钻孔成形工具的扭矩显著降低来指示。

作为一种有利的方式，在形成就地浇筑桩的基部和桩柱的过程中，例如可利用一个电磁流量计对所泵入的混凝土或者灰浆的体积进行监测，并通过电子计算机装置进行控制。该电子计算机装置还适合于监测和控制钻孔成形工具的插入和/或旋转和/或取出。例如，给定刃形连接件的表面积和转速，能够对电子计算机装置装置编程，使得该电子计算机装置计算出土壤驱替的速率，因此可以计算出混凝土或者灰浆应该泵入的速率，以保证所形成的承载柱或者柱具有足够的结构强度。电子计算机装置还可以根据这些计算结果控制混凝土或者灰浆泵入的速率和/或钻孔成形工具的转速。此外，电子计算机装置还适合于在取出钻孔成形工具过程中监测和控制钻孔成形工具的回缩以及混凝土或者灰浆的流速，以保证提供足够数量的混凝土或者灰浆。

通过驱替钻孔成形工具基部的土壤并且同时注入混凝土或者灰浆，所形成的就地浇筑桩的承载能力得到改善。这种承载能力的改善是因为相对于桩的桩柱而增加桩的基部的直径。基部的直径可以是桩柱的几倍。

安装到钻孔成形工具上的刃形连接件的数量为对称起见可以为两个，但是其他数量也同样有效。实现所需土壤驱替最小转数是1/刃形连接件数，只要刃形连接件等角度分布在钻孔成形工具的周边上，尽管根据地层条件，可能需要更多转数，以保证土壤被充分驱替。在某些实施例中，钻孔成形工具首先沿着一个方向旋转，然后沿着另外一个方向旋转。转速的控制应该保证所驱替的土壤的体积小于或者至少等于同时泵入的混凝土或者灰浆的体积。

在一个特别优选的实施例中，所驱替的土壤的体积为50～500升(0.05～0.5m³)，从材料利用率角度讲，该数字是比较有效的。为了增加球体的尺寸也可以增加转数和增加混凝土或者灰浆的输送，但是这不会取得更好效果，因为该球体的最终形状不可预测，而且其有效的面积可能不会增加。

常规的驱动装置例如象马达甚至手动方式可以用于旋转钻孔成形工具。作为另外一种形式，一个或者多个液压柱塞可以以步进方式用于旋转钻孔成形工具。所述的一个或者多个液压柱塞适合于与从钻孔成形工具上轴向伸出的一个臂形件啮合，因此可以实现步进方式旋转并提供一个力，该力足以保证刃形连接件驱替钻孔成形工具下端周围的土壤。对于具有径向相对的两个刃形连接件的钻孔成形工具需要旋转至少180度，而对于具有四个等距分布的刃形连接件的钻孔成形工具则需要旋转至少90度。

所述的刃形连接件的尺寸和形状最好适合于在旋转是不会产生过度变形。刃形连接件可以为实心体，或者也可以具有孔或者开口，这些孔或者开口可以促进混凝土或者灰浆与土壤材料的就地混合。作为另外一种形式，每一个刃形连接件可以包括几个由槽分开的突出元件。刃形连接件的精确尺寸和形状可以根据地层条件进行选择。在某些实施例中，可以注意到所述的刃形连接件可以相对于钻孔成形工具的纵轴成一定角度进行设置，因此在旋转时可以向上或者向下驱替土壤。

上述的形成一个扩大的基部的技术也适合于形成一个延长的扩大基部。这可以通过在穿过基础(founding)地层缓慢取出该钻孔成形工具时继续旋转钻孔成形工具并且同时提供混凝土或者灰浆来实现。一旦到达了基础地层的顶部，停止旋转钻孔成形工具，以正常方式完全回缩钻孔成形工具。这使得所形成的桩具有一个比桩主体更宽的长的基部，这改善了表面摩擦力并提高了端部承载能力。

对于扩大的基部形成技术，还可以在基础地层内的几个深度重复进行，甚至在某个速率下取出钻孔成形工具的同时继续旋转钻孔成形工具。该取出钻孔成形工具的速率可以保证形成一个螺旋形的扩大基部。

另外一种可能性是可以在取出钻孔成形工具过程中施加一定程度的来回旋转。通过这种方式，所形成的一个具有中央体的桩具有由刃形连接件的宽度所确定的“翼”，而由于所形成的桩比单个的桩具有更大的周向面积因此改善了表面摩擦效果。

当所述的钻孔成形工具回缩到一个预定深度时，利用该钻孔成形工具的额外旋转并伴随输送额外的混凝土或者灰浆，所述的就地浇筑桩在地层表面或者以下可以具有一个扩大头。这种扩大头可以刚好在地层表面以下或者如果需要降低地层深度时可以位于更深的深度。在某些应用中，扩大头可以形成于由该地层表面所提供的砾石或者其他合适的颗粒材料铺毯中。

一旦桩浇筑完成后，可以插入一个加强件。该加强件可以为一个或者多个钢筋，这些钢筋可以在混凝土或者灰浆凝固之前推入到湿润的混凝土或者灰浆内预定深度。

为了更好地理解本发明以及描述本发明是如何实施的，将参照下列附图进行描述；附图中：

图1表示本发明的一个钻孔成形工具，该工具已经被推入到地层内；

图2表示图1中的钻孔成形工具上刃形连接件的第一种结构的剖面图；

图3表示图1中的钻孔成形工具上刃形连接件的第二种结构的剖面图；

图4表示图1中的钻孔成形工具上刃形连接件的第三种结构的剖面图；

图5表示一个安装有一个钻孔成形工具和悬重的钻机；

图6表示一个安装有一个钻孔成形工具和液压柱塞的钻机；

图7表示一个钻孔成形工具的示意图；

图8和9表示正在使用中的图7所示的钻孔成形工具；

图10表示本发明的钻孔成形工具的另外一个实施例；

图11表示由图10的钻孔成形工具形成的一个桩；以及

图12到图16表示由图10的钻孔成形工具形成的各个桩。

如图1所示，钻孔成形工具1包括一个工具体2，该工具体2在其基部或基部附近具有两个刃形连接件或者翼片3。该实施例中工具体2的直径为0.3m，而翼片3的端部(extremities)之间的最大距离为0.8m。翼片3的形状和尺寸适合于在钻孔成形工具1旋转时驱替大约100升容积的地层材料。而且，翼片3具有斜刃，以方便钻孔成形工具1的插入和取出。钻孔成形工具1的工具体2为空心体，并允许混凝土或者灰浆从钻孔成形工具1的顶部穿过钻孔成形工具1的基部附近的一个开口4泵送出来，而在其他的实施例中，也可以采用独立的灰浆或者混凝土供给管。

在使用时，钻孔成形工具1被连续移动而推入到柔软地层例如象土层5内，直到钻孔成形工具1的基部到达颗粒材料、岩石或者基岩地层6的顶部为止。然后施加旋转运动给钻孔成形工具，该钻孔成形工具被进一步推入到地层内。这种旋转运动由于降低了钻孔成形工具的尖端附近的地层压力并且允许钻孔成形工具尖端下方的颗粒材料向上运移到地层压力降低的区域，从而有助于钻孔成形工具钻进到颗粒材料内。一个振动器7可以安装到钻孔成形工具1的顶部，以协助钻进任何中间砂岩透镜体或者刚硬地层(未示出)，同时减少摩擦并保证钻孔成形工具1的基部进入到砂岩地层6内。通常，对于土壤摩擦角或者说对于30度摩擦角的基础砂岩来说，需要插入图1所示的钻孔成形工具的力小于100kN。

一旦钻孔成形工具1已经插入到所需深度，旋转该钻孔成形工具1从而使得其翼片3驱替一定体积的土壤。同时，混凝土或者灰浆穿过钻孔成形工具1的工具体2而从开口4排出，因此形成一个地下混凝土或者灰浆球状物。然后不用旋转而取出钻孔成形工具1，而混凝土和灰浆继续泵送以形成就地浇筑桩的桩柱。

翼片3可以采用不同的形状，例子参见附图2、3和4。图2和图3的形状涉及只是沿着一个方向旋转，而图4的形状则可以沿着两个方向进行旋转。

翼片3只需具有足够的厚度从而保证旋转时翼片不会过度变形。在所说明的实施例中，翼片3具有50kN/mm²的土层剪切强度(未渗滤)，因而在土层中没有永久的变形。在如图所示的结构中，翼片3的翼展距离为0.8m，因此与钻孔成形工具1的直径0.3m相比其承载面积增加了七倍。

图5表示一个钻机7上安装一个钻孔成形工具8。在该钻孔成形工具8的顶部，提供一个用于旋转钻孔成形工具8的驱动装置9和振动器10。一个悬重11以可调节方式悬挂到钻孔成形工具8的顶部的上方，因此可以在钻孔成形工具的顶部施加一个向下的力，从而以连续移动的方式将钻孔成形工具推入到地层内。如果没有悬重11或者除了使用悬重11外，如图6所示还提供一个液压柱塞11′，该液压柱塞伸出的长度至少为1m，通常至少为2m甚至5m。该液压柱塞11′用于在一个单个的连续操作中将钻孔成形工具8推进给定的1m距离。该液压柱塞11′然后进行重置并用于将钻孔成形工具8推进到更深的深度。还可以提供一个绞车装置20，用于向下推动钻孔成形工具8的顶部。一个混凝土或者灰浆供给管12定位在钻孔成形工具8的顶部，从而允许混凝土或者灰浆可以通过钻孔成形工具的工具体进行泵送。

图7表示类似于图5、6中的一个钻孔成形工具8。该钻孔成形工具8具有一个头部13和体部14，其体部14可以为各种长度以适合于各种不同的地层条件。头部13和体部14通过一个标准的连接器15联接。两个翼片16设置得朝向头部13的下端。在体部14的上端，钻孔成形工具8由钻机7支撑，并具有一个振动器10和一个驱动装置9。驱动装置9包括一个柱塞17，该柱塞17安装到柱塞臂18上，从而使得柱塞17的激励可以导致钻孔成形工具8旋转大约90度。一个悬重11向下放置到钻孔成形工具8的顶部，以提供将钻孔成形工具推进到地层内所需的向下的力。

图8表示图7所示的钻孔成形工具8的头部13。该头部13已经被推入穿过土层5，直到该钻孔成形工具8的尖端到达中等致密的砂岩层6为止。一个混凝土或者灰浆输出喷嘴18设置在钻孔成形工具8的下端，该喷嘴18安装有一个加强塞19，以防止钻孔成形工具8推进到地层内时土壤的侵入。

为了形成一个桩或者承载柱，混凝土或者灰浆穿过钻孔成形工具8进行泵送，并首先推出加强塞19。该钻孔成形工具8然后举升大约100mm，混凝土或者灰浆以可控速率通过喷嘴18进行泵送。最好如图9所示，钻孔成形工具8然后旋转180度，这样，翼片16伴随着从喷嘴18以可控速率泵送的混凝土或者灰浆而驱替一定体积的土壤。然后旋转停止，钻孔成形工具8回缩，而混凝土或者灰浆继续以某个速率进行泵入，该速率则由钻孔成形工具8的回缩速率来决定，从而形成一个具有扩大基部的承载柱，并且因此增加了承载柱的承载能力。通过中断钻孔成形工具8的回缩并进行另外的一定时间的旋转也可以沿着承载柱的轴线的其他点形成其他扩大部。

另外一种形式的钻孔成形工具21如图10所示。该钻孔成形工具21具有两个翼片22，并具有空心杆体23，混凝土或者灰浆可以穿过该空心杆体泵入。在翼片22后方具有开口24，以允许混凝土或者灰浆在需要时进行输出。该钻孔成形工具21的使用方式与图7到9的钻孔成形工具8相同，但是它不是在颗粒材料地层的顶端形成一个扩大的桩基，该钻孔成形工具21通过额外的旋转而推进到这样的一个地层内。一旦该钻孔成形工具21已经到达所需深度，在不旋转地取出之前，该钻孔成形工具在旋转的同时通过如上所述的空心杆体和开口4泵入混凝土或者灰浆，因此在如图11所示的颗粒地层27内形成一个具有扩大基部26的桩25。

现在参考图12，一个具有长圆柱形扩大基部29的桩28可以通过在从颗粒地层27回缩钻孔成形工具21的过程中连续地缓慢旋转钻孔成形工具21并且同时连续供应混凝土或者灰浆而形成。之后旋转停止，而钻孔成形工具21按照如前所述回缩，以形成桩28的主桩柱。和图11所示的简单扩大基部26相比，长的圆柱形扩大基部29的表面摩擦力得到改善。

如图13所示，也可以形成具有多个扩大部31的桩30。这可以通过下述过程来实现：首先在一个基础深度旋转钻孔成形工具21的同时提供混凝土或者灰浆，然后停止旋转并将钻孔成形工具21回缩到一个更高的深度，然后在该更高的深度上重复上述的旋转，并继续提升到更大深度。如果钻孔成形工具21在连续旋转的同时以相对较快的速度回缩，或者在回缩的过程中相对缓慢地旋转，可以形成如图14所示具有螺旋形扩大部33的桩32。图13和14的桩30和32增加了表面摩擦力，并潜在地增加了其端部承载能力。

如果钻孔成形工具21在回缩过程中进行轻微摆动，就可以形成一个具有“翼部”35的桩34，如图15所示。这些“翼部”35可以沿着桩34的整个深度延伸或者只是在桩34的某些部分上形成。由于桩34增加了表面积，因此可以改善表面摩擦力。而且，更多这样的桩34可以排成列以建造一个地下墙壁36，如图16所示。

Claims (29)

1.一种在地层内安装承载桩或者柱的方法，其中：

i)基本上沿着一个钻孔成形工具或者桩的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式将该钻孔成形工具或者桩推入到地层内，以钻孔到一个第一深度；以及

ii)基本上沿着所述的钻孔成形工具或者桩的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式在所述的钻孔成形工具或者桩绕其纵轴旋转时将所述的钻孔成形工具或者桩进一步推入到地层内，以钻孔到一个第二深度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的钻孔成形工具或者桩沿着单一方向旋转。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述的钻孔成形工具或者桩可以来回旋转。

4.根据前述任何一项权利要求所述的方法，其中，直接施加到所述的钻孔成形工具或者桩上的力大于钻孔成形工具或者桩旋转所产生的任何向下的力。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，直接施加到钻孔成形工具或者桩的顶部的力是钻孔成形工具或者桩旋转所产生的向下的力的至少两倍。

6.根据前述任何一项权利要求所述的方法，其中，所述的钻孔成形工具或者桩在电子计算机装置的控制下被推入和/或旋转。

7.根据前述任何一项权利要求所述的方法，其中，所述的钻孔成形工具被推进到地层内给定的深度，然后回缩；并且其中，在回缩所述的钻孔成形工具过程中沿着钻孔成形工具的长度正压泵送混凝土或者灰浆，并从定位在或者靠近于钻孔成形工具的下端的喷嘴排出，以形成一个就地浇筑桩。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述的回缩所述的钻孔成形工具的速率用电子计算机装置进行监测和控制。

9.根据权利要求7或者8所述的方法，其中，通过一个电磁流量计和流动控制装置来提供混凝土或者灰浆。

10.根据权利要求7、8或9所述的方法，其中，所述的钻孔成形工具的转速作为混凝土或者灰浆的流速的函数进行控制，或者反过来进行控制。

11.根据权利要求7～10任一权利要求所述的方法，其中，钻孔成形工具回缩的速率作为混凝土或者灰浆的流速的函数进行控制，或者反过来进行控制。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，钻孔成形工具回缩的速率和混凝土或者灰浆流速由电子计算机装置进行监测和控制。

13.根据权利要求7～12中任一权利要求所述的方法，其中，混凝土或者灰浆的流速、钻孔成形工具的转速和/或钻孔成形工具的回缩速率由电子计算机装置进行监测和控制。

14.一种钻孔到地层内的方法，其中：

i)基本上沿着一个钻孔成形工具的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式将该具有所述的纵轴的钻孔成形工具推入到地层内，以钻孔到一个第一深度；以及

ii)基本上沿着所述的钻孔成形工具的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式在所述的钻孔成形工具绕其纵轴旋转时将所述的钻孔成形工具进一步推入到地层内，以钻孔到一个第二深度。

15.一种用于将一个具有纵轴的钻孔成形工具或者桩插入到地层内的钻机，其中，该钻机具有一个用于基本上沿着钻孔成形工具的纵轴方向将一个基本上非冲击的力施加到所述的钻孔成形工具或者桩上以将其推入到地层内第一深度的第一装置；并且其中，该钻机还具有一个使钻孔成形工具或者桩绕其纵轴旋转的第二装置，该第二装置与所述的第一装置结合，从而基本上沿着所述的钻孔成形工具或者桩的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式将所述的钻孔成形工具或者桩进一步推入到地层内的一个第二深度。

16.根据权利要求15所述的钻机，其中，所述的第一装置包括一个悬重，该悬重以可调节方式悬挂在一个钻孔成形工具或者桩的上方。

17.根据权利要求15所述的钻机，其中，所述的第一装置包括一个液压柱塞。

18.根据权利要求15所述的钻机，其中，所述的第一装置包括一个绞车。

19.根据权利要求15～18中任一权利要求所述的方法，其中，一个振动器安装到钻孔成形工具上。

20.一种形成地下就地浇筑桩的方法，其中：

i)基本上沿着一个钻孔成形工具的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式将该具有所述的纵轴的钻孔成形工具推入到地层内，以钻孔到一个第一深度，其中，所述的钻孔成形工具还具有一个下端，该下端安装至少一个刃形连接件，所述的刃形连接件的尺寸大于工具体的直径；以及

ii)至少是所述的安装有至少一个刃形连接件的钻孔成形工具的下端按照一种方式进行旋转，在这种方式下至少一个刃形连接件驱替钻孔成形工具的基部位置或者附近的土壤，而与此同时混凝土或者灰浆沿着钻孔成形工具的长度进行泵送，以协助刃形连接件驱替土壤，并产生一个用于所形成的桩的基部；以及

iii)回缩所述的钻孔成形工具，同时沿着所述的钻孔成形工具的整个长度连续泵送混凝土或者灰浆。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，在步骤i)之后但是在步骤ii)之前，基本上沿着所述的钻孔成形工具的纵轴方向，并且基本上以非冲击方式在所述的钻孔成形工具绕其纵轴旋转时将所述的钻孔成形工具进一步推入到地层内，以钻孔到一个第二深度。

22.根据权利要求20或者21所述的方法，其中，对步骤ii)中的转速进行控制，从而使得由至少一个刃形连接件和混凝土或者灰浆所驱替的土壤的体积小于或者至少等于在步骤ii)中所提供的混凝土或者灰浆的体积。

23.根据权利要求20、21或者22所述的方法，其中，一旦所述的钻孔成形工具被回缩到一个预定深度后，利用钻孔成形工具的额外旋转以及同时输送额外的混凝土或者灰浆可以使得所述的就地浇筑桩在柔软地层下或者柔软地层处形成一个扩大头。

24.根据权利要求20～23中任一权利要求所述的方法，其中，一个振动器协助所述的钻孔成形工具插入和/或取出。

25.根据权利要求20～24中任一权利要求所述的方法，其中，所述的钻孔成形工具在电子计算机装置的控制下进行推进和/或旋转。

26.根据权利要求20～25中任一权利要求所述的方法，其中，通过一个电磁流量计和流动控制装置来提供混凝土或者灰浆。

27.根据权利要求26所述的的方法，其中，所述的钻孔成形工具的转速作为混凝土或者灰浆的流速的函数进行控制，或者反过来进行控制。

28.根据权利要求26或者27所述的方法，其中，钻孔成形工具回缩的速率作为混凝土或者灰浆的流速的函数进行控制，或者反过来进行控制。

29.根据权利要求25～28中任一权利要求所述的方法，其中，混凝土或者灰浆的流速、钻孔成形工具的转速和/或钻孔成形工具的回缩速率由电子计算机装置进行监测和控制。

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