[发明专利]改进的钻孔和打桩的方法和设备

说明书

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第二种公知的方法是连续螺旋叶片(flight)螺旋推进器(auger)打桩方法，在该方法中一个具有连续螺旋叶片的螺旋推进器通过旋转进入到地层内。在螺旋推进器从地层内回缩之前或者在从地层内回缩过程中螺旋推进器的螺旋叶片挖掘土壤。当回缩(withdrawn)螺旋推进器时，通过螺旋推进器的杆体将混凝土泵入到螺旋推进器的尖端，因此导致形成一个承载桩或者柱。该方法描述于本申请人的申请号为9515652.7的英国专利中，该专利所公开的内容作为本申请的参考。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