[发明专利]夯头及使用方法

说明书

本申请享有2005年9月29日提交的共同未决的美国临时申请第60/721,594号的权利并由此要求其优先权。

发明领域

本发明涉及在基土中安装集料墩(aggregate pier)，以用于支撑建筑物、墙壁、工业设施及与运输相关的结构。特别是，本发明是对方法和装置的改进，该方法和装置用于通过使用一般伸长的角锥或圆锥形状的改进的夯头来有效地安装夯实的集料墩。角锥或圆锥夯头设计成更有效地增大周围基质土壤中的横向应力，从而允许更快更有效的墩建造过程。

背景

位于包含软土或松软土壤的区域内的重型设备或对沉降敏感的设备通常支撑在由打入桩或钻孔的混凝土墩组成的深地基上。深地基设计成将结构负载通过软土转移到更强的土层。

近年来，集料墩越来越多地用于支撑位于包含软土的区域中的结构。墩设计成增强并加固软层，使因而产生的沉降最小。使用各种方法来建造墩，包括在美国专利No.5,249,892和No.6,354,766(“短集料墩”)中描述的钻孔和夯实方法、在美国专利No.6,425,713(“横向移位墩”)中描述的打入心轴方法(driven mandrel method)、称为“撞击墩(impact Pier)”的夯头打入心轴方法(待决的美国专利)和打入锥形心轴方法(待决的美国专利)。

当被安装在粘性土中时，包括钻或挖掘腔的短集料墩方法(美国专利No.5,249,892和No.6,354,766)是一种有效的地基解决方案，孔的侧壁稳 定性在粘性土中容易维持。该方法通常由下列步骤组成：a)在基土中钻通常为圆柱形的腔或孔；b)在腔的底部将土压实；c)将相对薄层(thin lift)的集料安置到腔内；d)用特殊设计的斜面夯头夯实集料层；以及e)重复该工序，以形成一般延伸到地表面的集料墩。该工序的基本原理是将足够的能量应用于斜面夯头，使得该工序在连续的夯实期间沿腔的侧面增加基质土壤内的横向应力。横向应力增大很重要，这是因为它降低了基质土壤的可压缩性，从而在墩装载期间允许所施加的负载有效地转移到基质土壤。

公开在美国专利No.5,249,892中的夯头的底部是平的，并具有斜侧面。在商业实践中，斜面夯的平底部分占夯横截面面积的约70％，而斜面部分只包括夯横截面面积的约30％。这样，约70％的夯横截面面积专门用于向下压实每个集料层(由平底部分完成)，而只有30％的夯横截面面积专门用于增加基质土中的横向应力(由斜面部分完成)。如这样构造的，短集料墩方法的斜面夯头最经常用于在30英寸直径的孔中压实12英寸的集料层。

夯头打入心轴方法(“撞击墩”方法)是短集料墩方法的替换形式。“撞击墩”方法包括将中空管子(心轴)打入地中而无需钻孔。管子在底部安装有夯头，夯头具有比管子大的直径且具有平底和斜侧面。将充满集料的心轴打入到墩高度的设计底部，并接着升高，从而允许集料从管子中流出，并进入由于抽回心轴而产生的腔中。然后，将夯头向下打回到集料中，以压实集料。夯头的平底形状压实集料；斜侧面迫使集料进入孔的侧壁中，因而增加了周围地面中的横向应力。

打入锥形心轴方法是用移位心轴来形成集料墩的另一方法。在这种情况下，心轴的形状为截锥形，其顶部大于底部，具有与垂直面成约1度至约5度的锥角。将心轴打入到地面中，从而在打入期间使基质土壤向下和横向移动。在到达墩高度的设计底部后，抽回心轴，从而在地中留下圆锥形的腔。心轴的圆锥形状允许孔的侧壁的暂时稳定性，以便可以将集料从地表面注入腔内。在放置一层集料之后，将心轴重新向下打入到集料中，以压实集料，并迫使它横向进入到孔的侧壁中。有时，用较大的心轴来压实在墩的顶部附近的集料。

发明内容

本发明可称为“伸长的角锥形或圆锥形夯头夯实的集料墩”方法和装置，并描述对已有技术的集料墩方法的改进，特别是对美国专利No.5,249,892的短集料墩方法的改进。本发明利用具有为伸长的角锥或圆锥的一般形状的主体的全腔直径夯头(full-cavity-diameter tamper head)。更具体地，角锥主体具有在其基部或顶部的规则多边形和其侧面的等腰三角形，该等腰三角形朝主体的底部尖端部位逐渐变细。这样的角锥形夯头主体在图1、2A和2B中示出。圆锥形主体通常具有圆形基部或顶部，该主体朝尖端部位逐渐变细。这样的圆锥形夯头主体在图3、4A和4B中示出。