专利名称：扭矩下降桩底层结构支承系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及土基中基桩的安置，尤其用于安置涉及高负载旋转底
层结构打桩系统的方法和设备。
背景技术：
常规基桩的安置以前是通过将预铸混凝土桩或钢梁打入土基或 将H型钢桩振动打入土基而完成。打基桩时，桩周围的土可能以各种方 式压紧并因打桩机自身的地震冲击而断裂。将桩打入硬土中时，桩移置 的土壤使得桩周围的地面隆起。另一方面，将桩打入软土中时，可能引 起周围土壤沉降。这些情况可对打桩地区的任何立式结构造成问题。
常规桩的安置以前也通过使用螺丝钻在土基中预钻孔并降低预 制桩进入孔中而完成。打桩和钻孔法之间也存在混合系统，由此将开口 桩如管桩打入土基中，之后钻出桩内的土壤并将混凝土倒入其间形成的 空腔。也可使用浇铸和凿孔法以及沉箱(casons)，特别是考虑到保存附 近的建筑物以预防上述问题。但是，所有这些方法都价格昂贵和/或在实 地实施较慢。另外，在认为工作场地的地面将受污染的地方，从地面移 除的土壤，如螺丝钻产生的土壤，必须适当处理，这意味着又一问题以 及有关成本的产生。已知较复杂的系统，由此桩连于大于桩自身直径的钻头。桩与钻 头通过钻机一起转动，在土基中产生桩可通过的通道。管道穿过桩的中 心，使水或薄泥浆可经钻头顶端泵入、抽出，从而流出碎屑或固定桩于 土基中的最终停留位置。另一系统，称为扩孔系统特征在于双扭矩头， 其在管道的中心转动钻头，这样管道自身与钻头以相反方向转动。尽管 与其它己知系统相比，这些系统确实具有一定优势，两个钻孔系统明显 比上述前几个现有技术系统更复杂因而也更昂贵用于移动基桩的打桩和钻孔系统部分依赖于强力以将桩打入土
5基或切割并移除材料。需要更巧妙的方法移动基桩，提供包括桩移动速 度更快、成本更低、使用更容易以及桩负载更高等利益。
发明内容
因此，在示例性实施例中，扭矩下降桩底层结构支承系统包括具
有中心线和第一直径的管状桩；与管状桩中心线相同的基本圆锥形桩头，
基本圆锥形桩头具有第一端和第二端，第二端连于管状桩，且具有第二
直径；以及连于基本圆锥形桩头的外表面的螺旋叶片，其中第一直径与 第二直径基本相等。在另一实施例中，扭矩下降桩底层结构支承系统具有长度，且第 一直径在整个长度上基本恒定。在又一实施例中，扭矩下降桩底层结构 支承系统包括连于基本圆锥形桩头的外表面并从中心线径向向外延伸的 至少一刀齿。
图1示出了根据本发明一实施例的圆锥形桩头；图2示出了根据本发明另一实施例的混凝土填充钢管桩；图3A、 3B和3C示出了沿图2所示线3A、 3B和3C所截的具体
详细视图；图4示出了圆锥形桩头的另一实施例；图5示出了圆锥形桩头的又一实施例；图6示出了与圆锥形桩头一起使用的刀齿的各种实施例；图7示出了桩头另一实施例的端支承面区细节；图8示出了桩头又一实施例的另一端支承面区细节；图9示出了具有一系列打桩机销孔90的钢管桩的实施例；以及图10示出了安置本发明的扭矩下降桩的可再用打桩工具的实施在详细说明本发明的实施例前，应理解本发明不限于应用于以下 说明中提出的建筑和部件结构的细节。本发明可有其它实施方式，并可 以各种方法实践或实施。具体地说，以下附图中出现的数字尺寸仅表示
6示例性实施例的尺寸，如条件允许本领域技术人员可对其进行修改。同 样，应理解，本文使用的术语仅用于示例性说明而不是限制。
具体实施例方式提供了土基中基桩的安置方法和设备。与使用钻孔完成后必须从 钻孔场地收回的低扭矩有效钻尖的现有钻孔基桩系统不同，在本发明的 示例性实施例中，桩具有固定桩头，其上具有扭矩施于桩时将桩引入土 基的螺旋叶片。图1示出了根据本发明一实施例的连于桩1的圆锥形桩 头10，其中桩头IO通过使用标准钻机向桩1的远端(未示出)施加扭矩 使桩1移入土基中。施加扭矩外，钻机还可向桩1施加推力以进一步帮 助桩1移入土基，为大规模建筑工程提供底层结构支承系统。
在一实施例中，桩头IO包括与其连接的桩1中心线相同的基本 圆锥形主体，和连于桩头IO外表面的螺旋叶片15，以及从桩头10的中 心线径向伸出的刀齿16。螺旋叶片15有助于桩头IO在移动中向下引入 土基，刀齿16用于打碎土壤以允许桩头10更好地刺入土中。在示例性 实施例中，叶片15由半英寸厚板制成，螺距3英寸，且连于桩头10的 主体，使得最下边位于端板19上方3英寸处。端板19罩住桩头10的圆 锥形主体末端，将其闭合与将移入的土壤隔开。尖轴17和刀齿18从桩 头10的端板19轴向伸出。尖轴17有助于保持桩头10在安置桩1时在 土基中居中，并且尖轴17和刀齿18，如刀齿16，用于打碎土壤以允许 桩头10更好地刺入土中。在一实施例中，桩头IO总共具有七个刀齿。
桩头10可由按规范切割形成之后焊接为一体的独立块制成。桩 头10的主体以及叶片15和端板19可由板材块切割而成。主圆锥形主体 和叶片可在沿焊缝11与端板19焊接为一体前辊轧、加热并另外制成所 需形状。在一实施例中，为此目的可使用全焊透焊缝。刀齿16、尖轴17 以及刀齿18也可由钢材制成并焊接于桩头10上。在一实施例中，这些 部件可使用A35级标准轧钢。在另一实施例中，桩l直径为12.75"，壁 厚3/8"，且桩头IO可使用制造桩头10自身所使用的相同类型焊缝11连 于桩1。为节约成本，桩1的材料可由改制的煤气管道提供。钢制造业的 技术人员可以理解制造桩头10和桩头10与桩1的组件可有许多其它方法可用，而不背离本文所述本发明的原理。例如，桩头io可浇铸为单个
单元而不是从钢材的独立块人工制造而成。图2示出了包括安置于土基中的完整桩1以及桩头10的组件。 如本领域已知，桩底层结构系统通常用于包括填充层和潜在液体层、其 下具有可为砂层或颗粒层的固体层20的土基中。固体层20可位于土壤 表面以下至少40'或50'。这样，桩1必须向下经过许多英尺较松的土壤 部分，之后才能固定于固体层20几英尺处。为提供长度足够的桩l，可 以通过使用管道接头22纵向如图所示连接几段管道，其可为图l通过焊 缝ll所示类型的全焊透焊缝。在一实施例中，管道l可为混凝土填充钢 管桩。多个接合构件可组装为不同长度的完整的桩1，其长度取决于桩安 置场地的固体层20的深度。安置桩1后，可在其上放置桩帽23以支承 板材24，其可为灌注混凝土板。标准钻机可用于转动桩1和桩头10组件进入土基，并最终进入 固体层20。连接桩1至钻机的方法的细节在后图中详细示出。在多数实 施例中，如果不是全部，不需要预钻桩1的安置场地，如果土壤条件允 许。相反，桩1和所连桩头10将设于标准钻机中并转动进入之前未扰动 的土基中，同时钻机向桩1施加向下的推力。如参照图1所述，桩头10 上包括螺旋叶片15有助于钻机转动桩1时将桩1引入土基中，刀齿16 和18以及尖轴17有助于打碎土壤以便于桩头10向下穿过土基。
如本领域已知，系住相邻或之前安置的桩或另一适当拉桩可用于 避免施加推力时钻机抬升。同样，根据现有土壤调节对工作的要求，可 要求不同级别的推力和扭矩，包括达50,000或60,000磅推力和212,000 英尺磅扭矩，该级别处于标准商用钻机的负载范围内。
本文所述配有桩头10的桩1的示例性实施例在安置于包括硬粘 土的粘土含量高的土壤中表现极佳。扭矩下降桩也可安置于砂土中，尽 管可能难度较大，尤其是含有非常细或轻的砂石的砂土。但是，与在该 砂土条件下安置打入桩的已知方法相比，本扭矩下降桩系统的实施例仍 可以相当小的难度安置。另外，本扭矩下降桩系统可安置于比如捶击数 高于约50且介于60和70之间的细砂土条件中，这时即使可以安置打入 桩，安置难度也极大。
如参照图l进一步所述，螺旋叶片15可作为桩头10的部分提供， 螺距为3英寸。螺距可根据预期土壤条件变化；例如如果预期土壤稍硬， 螺距可稍减少为2 3/4"。如果减少叶片的螺距减少桩头IO转动进入土壤 的速度同时允许刺入较硬土壤条件，而增加叶片的螺距的效果相反，则 需要提供螺距可使桩1沉入土基中时扰动桩1周围土壤最小的叶片15的 实施方式。如上所述，移动桩的现有技术方法，不论是打桩还是钻孔， 对桩1周围土壤的扰动较大。但是，本扭矩下降桩可置于预存结构附近 而不必担心隆起、沉降或地震扰动会损坏结构。另外，与现有技术系统 不同，在本文所述本发明的实施例中，尽管桩沉降时与桩和桩头等量的 土量将移出，剩余的土壤将被压紧或未受扰动。桩1和桩头10组件如图 2所示安置于土基中时，压紧的土壤性质提供了卓越的稳定性。
提高的稳定性为桩自身提供了更好的支承，使得以此方式安置的 桩的负载公差增加，且能使用较小直径的桩支承负载要求。如本领域已 知，安置的桩可使用千斤顶试验机检测以检验其完整性。以此方式，置 于代表性土壤条件中的直径为12.75"且壁厚3/8"的扭矩下降桩以及灌注 的混凝土内部已经过检测，并发现可支承约一百万磅；远大于直径相同 的打入桩或钻孔桩可能支承的重量。因此，该扭矩下降桩可支承的负载 超过桩自身要求的结构公差。除了与先有技术桩相比支承负载增加外，本文所述根据本发明实 施例的扭矩下降桩的安置比先有技术桩更快。尽管使用常规打入桩的速 度总是取决于本领域已知的土壤条件，在有利土壤条件中预期的最好速 度是每小时打入一个长度为40和60英尺间的约两个桩。相反，相同时 间内可将约三至四个相同长度的本发明的扭矩下降桩被转动进入相同土 基中。这样，与先有技术桩系统相比，相同数量的人员可更快速的完成 桩数量确定的工作。这为基础工程承包商节省了成本，且随工作量大小 的增加，节省的成本将倍增。图3A、 3B和3C示出了沿图2所示线3A、 3B和3C所截的具体 详细视图。图3A中，所示桩帽23以本领域已知方式连于桩1的顶部。 也可提供钢筋30。图3B示出了直径指定的混凝土填充桩1的剖面。图 3C示出了管道接头22连接形成用于具体工作的长度适当的整体桩1的独立段材料。图4和5示出了圆锥形桩头40的其它实施例，包括基本圆锥形 主体，与其连接的桩41中心线相同，和连于桩头40外表面的螺旋叶片 45，以及从桩头40的中心线径向伸出的刀齿46。在所示实施例中，刀齿 46以螺旋形式位于桩头40的外表面并相互竖直隔开一英寸距离。端板 49用作桩头40的圆锥形主体的底面。三角形刀齿48从桩头40的端板 49轴向伸出，所示实施例中桩头40不具有尖轴，与图1所示桩头10相 反。在另一实施例中，二分尖轴可提供为具有两个尖头的桩头40的 部件，且在又一实施例中，尖头可弯成螺旋状以更好的打碎土壤以允许 桩头40更轻松地转动移入土基中。在另一实施例中，桩头40可具有硬 化和硬质合金刀齿46和48以更好地承受较硬土壤条件；同样原因，叶 片45的边缘也可为硬面。在又一实施例中，可在桩头40的外表面上添 加附加叶片45。在又一实施例中，桩头40可具有直径小于端板49的延 伸轴，从端板49径向伸出，取代尖轴。该延伸轴包括与位于桩头40外 表面叶片45独立的自身的螺旋叶片。图6示出了用于圆锥形桩头的刀齿的各种实施例。即，示出了可 从桩头40的端板轴向伸出的尖轴62和刀齿63。也示出了可从桩头的中 心线径向伸出的刀齿63。图7示出了组装并沿焊缝72连于桩71的简化的桩头70的另一 实施例的端支承面区细节。端板79也通过焊缝72连于桩头70的剩余部 分。图7所示力向量反映了桩头70通过连于桩71远端(未示出)的钻 机施加的推力打入土壤中时施于周围土基的力。同样，周围土基响应所 示力向量向桩头70施加反作用力。这些力，尽管很大，但没有大到打入 桩和钻孔桩系统遇到的力的级别。这样，桩71沉入土基时对桩71周围 的土壤扰动最小，这使得周围的土壤压的更紧，因而为桩71提供了更坚 固的支承，使得最终负载能力更大。图8示出了组装并经焊缝82连于桩 81的桩头80的又一实施例的另一端支承面区细节。端板89也使用焊缝 82连于桩头80的剩余部分。图9示出了图1所示桩1的远端的实施例，其中桩1具有一系列
10打桩机销孔90。打桩机销孔的提供使得桩1可固定于图10所示可用于安 置根据本发明实施例的扭矩下降桩的可再用的打桩机工具100。打桩机工 具100可使用转接件119固定于标准钻机钻头110。转接件119包括具有 匹配打桩机工具IOO上的相应孔使得转接件托架120可连于其上的孔121 的一个或多个转接件托架120、连于标准钻机钻头110的转接件板130以 及连接转接件托架120和转接件板130的转接件枢轴125。约为管状的打 桩机工具100 —端连于允许打桩机工具100相对钻机钻头110转动的转 接件119，另一端具有一系列孔190。孔l卯匹配桩1中的相应孔90使 得桩1可在打桩机工具100的末端滑动并通过一系列穿过孔190及其相 应孔90的销钉固定。打桩机工具IOO与钻机钻头IIO—起使用使得可以快速安置桩1 。 仅需要工作人员使用连于打桩机工具100的连接点101的缆线102将打 桩机工具100提升至基本水平位置。为此目的，缆线102的另一端可固 定于高架起重机或绞盘。 一旦打桩机工具100处于水平位置，可提升并 在打桩机工具100的末端上方操纵桩1，之后通过一系列穿通销钉固定。 可使用叉式升降机或其它设备提升桩l。在一实施例中，打桩机工具IOO 转动桩1时，穿过孔90和190以固定桩1于打桩机工具100的销钉通过 重力或摩擦力自身固定到位。在另一实施例中，图IO所示钻机钻头110可用液压卡盘替换， 并省去转接件119，使得钻机的液压卡盘直接抓住桩l，桩被转动移入土 基时桩部分桩1向上穿过卡盘中开口。尽管在此实施例中，操作人员不 能轻松将桩置于水平位置，允许桩的多余长度段穿过卡盘使得可移动并 安置较长的桩。 一些当前可用的钻机仅允许钻机钻头一定量的竖直行程， 因而不能通过使用转接件119转动长度大于约65'的单个桩进入土壤。液 压卡盘允许桩的多余长度段向上穿过钻机钻头，因而安装了这种卡盘， 可以转动一定长度的桩进入土基，如果必要，松开卡盘并向上运行以重 复该操作，直至尺寸过大的桩完全转动移入土壤。在又一实施例中，在安置期间可使用扭矩规以检测打桩机的具体 力锤插入打入桩的深度大致相似的方法确定特定桩的额定负载。桩的竖 直行程与引导行程的要求扭矩比较以估计桩与下层土基的接合的坚固性
ii及其估计的额定负载。
权利要求
1.扭矩下降桩底层结构支承系统，包括具有中心线和第一直径的管状桩；与所述管状桩中心线相同的基本圆锥形桩头，该基本圆锥形桩头具有第一端和第二端，该第二端连于该管状桩且具有第二直径；以及连于所述基本圆锥形桩头的外表面的螺旋叶片，其中第一直径与第二直径基本相等。
2. 权利要求1的扭矩下降桩底层结构支承系统，其中扭矩桩具有长 度，且第一直径在整个长度上基本恒定。
3. 权利要求1的扭矩下降桩底层结构支承系统，还包括连于基本圆 锥形桩头的外表面并从中心线径向向外延伸的至少一刀齿。
4. 权利要求1的扭矩下降桩底层结构支承系统，还包括连于桩头第 —端的端板。
5. 权利要求4的扭矩下降桩底层结构支承系统，还包括从端板伸出 以有助于安置桩时居中桩头的尖轴。
6. 权利要求4的扭矩下降桩底层结构支承系统，还包括从端板向外 伸出的至少一刀齿。
7. 权利要求1的扭矩下降桩底层结构支承系统，其中螺旋叶片的螺 距介于约1英寸至约5英寸范围内。
8. 权利要求7的扭矩下降桩底层结构支承系统，其中螺旋叶片螺距 约3英寸。
9. 权利要求1的扭矩下降桩底层结构支承系统，其中桩包括A35标 准轧钢，且直径介于约9英寸至约15英寸范围内，壁厚介于约l/4英寸 至约3/4英寸范围内。
10. 权利要求1的扭矩下降桩底层结构支承系统，其中管状桩填充 混凝土并连于由混凝土和钢筋制成的桩帽。
11. 权利要求1的扭矩下降桩底层结构支承系统，还包括沿桩头外 表面布置的多个刀齿。
12. 权利要求11的扭矩下降桩底层结构支承系统，其中刀齿以螺旋 形式布置。
13. 权利要求11的扭矩下降桩底层结构支承系统，其中刀齿以1/2 英寸至1-1/2英寸间距相互隔开。
14. 权利要求1的扭矩下降桩底层结构支承系统，还包括连于桩头 第一端的端帽，其中端帽包括从端帽的外表面向外伸出的的多个三角形 刀齿。
15. 权利要求1的扭矩下降桩底层结构支承系统，其中桩包括固定 桩到可再用打桩机工具的多个打桩机销孔。
16. 权利要求15的扭矩下降桩底层结构支承系统，还包括固定可再 用打桩机工具于钻机钻头的转接件，其中转接件包括也连于打桩机的转 接件托架、连于钻机钻头的转接件板以及连于转接件板和转接件托架的 转接件枢轴。
17. 扭矩下降桩底层结构支承系统，包括 具有第一端和第二端的管状桩；以及具有第一端和第二端的桩头，其中桩头第一端的直径大于桩头第二端的直径，其中桩头第一端连于桩的第二端，且其中桩头的表面基本 平坦且没有向外伸出的突起。
全文摘要
扭矩下降桩底层结构支持系统包括具有固定圆锥形桩头的管状桩，其上具有向桩施加扭矩时将桩引入土基的螺旋叶片。桩头为基本圆锥形，且桩头的最大直径与其连接的管状桩的直径基本相等。螺旋叶片连于桩头的外表面。桩头也可具有尖头，且其表面连有一个或多个刀齿。
文档编号E02D5/02GK101495701SQ200680015064
公开日2009年7月29日 申请日期2006年3月2日 优先权日2005年3月2日
发明者S·内韦里 申请人:S·内韦里