专利名称：夯头及使用方法
夯头及使用方法本申请享有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。角锥或圓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 ( "4黄向移位;敦")中描述的 打入心轴方法(driven mandrel method )、称为"^童击i教(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(thinlift) 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l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。心轴的圓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"伸长的角锥形或圓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 的一痛殳形状的主体的全月空直径夯头(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。本发明的角锥形和圆锥形夯头之中的每一个在其顶部或基部(与尖的 夯实端部或底部尖端相对)的尺寸都制定成接近于钻孔或腔的直径，并设 计成在压实期间最大限度地增大基质土壤中的横向应力。每种类型的夯头 都以大约60度的优选角度增加从夯的底部尖端到夯的基部或顶部的横截 面。夯头的顶部优选地包括焊接到角锥形主体的基部或顶部的扁平圓盘， 该扁平圆盘设计成具有与待填充的钻腔的直径相同的直径。尽管可使用其 它规则多边形形状，如正方形和六边形，但是图1所示夯头的角锥形主体 的横截面是规则的八边形(所有八条边在长度上都相等)。圆锥形主体的 横截面为圆形，以产生圆锥形状。根据本发明的夯头的伸长的角锥形或圓锥形结构允许夯应用于松散 放置的集料层，该松散放置的集料的深度大约与夯基部或顶部的直径一样 大，而夯基部或顶部的直径又接近于待填充的孔或腔的直径。因此，对于 24英寸直径的孔来说，集料层的厚度可从12英寸(对于已有技术的夯) 增加到24英寸，因而增加了建造效率。根据本发明，将夯头的顶部制造 成大约与待填充的孔或腔相同的直径提供了在夯实操作期间对集料的限 制。相对于已有技术的夯头，由角锥形或圓锥形夯头提供的横向应力的增 加允许墩性能的增加。因此，本发明能同时提供更有效的建造过程和墩性 能的增加。
图1是示出根据本发明的优选角锥形夯头的透视图的图示。图2A是示出图1夯头的侧视图的图示，以及图2B是示出图1夯头的 底视图的图示。图3是示出根据本发明的优选圓锥形夯头的透#见图的图示。图4A是示出图3夯头的侧视图的图示，以及图4B是示出沿图4A的 线B-B截取的横截面的图示。图5是示出根据本发明的墩建造工序的示意图，包括例如通过钻孔形 成腔、在腔中放置第一集料层、用图1中的角锥形夯来夯实集料以增大横 向应力、以及放置并夯实其他的集料层以将墩建到地表面。图6是绘出根据第一次测试的负载测试结果的曲线图，该测试对用已 有技术建造的两个墩(表示"平底夯头")和根据本发明建造的墩(表示 "角锥形夯头")进行。图7是绘出根据第二次测试的负载测试结果的曲线图，该测试对使用 已有技术建造的两个墩(表示"平底夯头")和根据本发明建造的墩(表 示"角锥形夯头")进行。详细描述在详细说明本发明的任何实施方式之前，应理解，本发明并不将其应 用限于在下面的描述或附图的图示中阐述的部件的结构和布置细节。本发 明可以有可替代的实施方式或以各种方式实践或实现。具体地，如所述的 尺寸以及它们在附图中出现的位置仅为示例性的实施方式，并且在条件允 许时可以由本领域的技术人员修改。本发明的方法和装置用于在基土中有效地安装集料墩。如图5所示的 方法包括在基土中形成具有 一般一致的横截面面积的细长形垂直腔或孔 1。优选地，垂直腔一般为圆柱形，并以任何合适的方式如钻孔来形成。 腔还可以通过穿入和抽出细长形管子或心轴来形成。接着，将集料层2放置到孔1的底部中。由于本发明的夯头的结构， 放置到孔中的每个集料层在孔内可具有约等于腔的直径的厚度。之后，用本发明的角锥形夯头3或圓锥形夯头13来夯实集料层，这些夯头尤其设计成应用足够的能量以极大地增加孔周围的基质土^t裏中的横向压力。随着 连续地添加和夯实集料层来完成墩。不论是角锥形还是圓锥形，夯头都具有横向尺寸约等于腔的横向尺寸 的顶部或基部。在腔一般为圆柱形的情况下，夯头顶部的横向尺寸接近于 腔的直径。用于制造夯实的集料墩的方法对于本领域的技术人员来说是众所周 知的，因此不需要在这里陈述。然而，它们以引用方式被明确地并入，如 在这里充分阐述的。如图1、 2A和2B所示，角锥形夯头3优选地包括两个组成部分伸 长的角锥主体4和圆形限制盘(confinement plate) 5，该圆形限制盘5被 焊接在角锥主体的面向上的基部9的顶上。也可将夯头构造成没有限制盘。常规的夯杆或心轴6焊接到限制盘5的顶部，以便支撑夯头3，并在 夯实每个集料层的过程中将必要的能量应用于夯头。优选地使用1/2英寸 或3/8英寸厚的轧制钢构造角锥主体4，将轧制钢弯曲成形为优选地具有 规则的八边形基部或顶部的角锥形主体。主体4的边焊接在一起，以形成 如图1、 2A和2B所示的一^:的角锥形形状。在优选实施方式中，夯头3在夯顶部的直径为24英寸，即，限制盘5 的直径为24英寸，且角锥主体顶部的对角之间的距离也为24英寸。形成 角锥形主体的边的等腰三角形7优选地定向成与水平面成约60度。对于 夯头主体4，该结构导致约21英寸的夯头长度。圆锥形夯头13包括锥形主体14和圓锥形尖端15,其中主体14的锥度相 应于尖端15的锥度，以形成统一的锥形，如图3、 4A和4B所示。尖端^^优 选为钢的实体，与焊接到主体14顶部的底盘16—样。主体14实质上为中空 的，并包括用于加固的在内壁18上的钢加力板(steelgusset) 17,如图4B所 示。加力板17约5/8英寸厚，且根据优选的实施方式在中心被间隔开3英寸。虽然夯头顶部直径可从24英寸变化，但是直径优选为与孔1的直径 相同。可容许孔的直径与夯头顶部的直径之间的少许偏差，-f旦夯头顶部的直径不应比钻孔的直径大于约10%，或小于钻孔直径的约90%。约0.9到 约1.1的夯头与钻孔的直径比很重要，以便夯头的顶部或限制盘5,如果 包括，在夯实期间对集料2提供限制。如果夯头的顶部太小，那么在夯实 期间，集料就可能向上推到顶部周围；如果夯头的顶部太大，那么它就会 在夯实期间将孔的侧壁的一部分向下推。夯的圆锥角优选为约60度，但范围可从与水平面成45度到约75度。 60度的夯头角允许24英寸直径的夯头在压实期间充分压实约两英尺厚的 集料层，并且设计成使夯实期间增大的横向应力达到最优。本发明的角锥 形和圆锥形夯头是对已有技术的短集料墩方法的改进，这是因为已有技术 一般用于一英尺厚的集料层，从而要求已有技术使用更多的集料层和更多 的时间来建造墩，而本发明的角锥形和圓锥形夯头可压实高达两倍厚的集 料层。与水平面成小于60度的夯头角用于厚度小于2英尺的集料层；大 于60度的夯头角能够压实较厚的集料层，但比与水平面成60度定向的夯 头提供较小的垂直限制。也可使用可替换的角锥形夯头尺寸和形状，例如由钢制成的夯头主 体，以形成正方形、六边形或其他连贯的横截面形状。角锥形或圆锥形夯 头的壁厚可以从1/4英寸变化到1英寸，取决于夯头的直径、长度、夯头 构造材料和打入条件(driving condition )。角锥主体4和圆锥主体14可为 中空的，对其应使用较厚和较结实的构造材料，或者可包括内部支柱或盘， 其中可使用较薄或较不结实的构造材料。如前所述，只要角锥主体4或圓 锥主体14的逐渐变细的侧面便于压实集料和将集料横向推到孔的侧壁中 以增加周围土中的压力，夯头圆锥角就可以在45度到75度之间变化。优选地，夯头3的角锥主体4或圆锥主体14分别会聚成一般的尖端8 和20。但是，尖端8和20可被截平或钝化。如果被截平或钝化，钝端的 面积应不大于夯主体的顶部或基部或者圓形限制盘的面积的20%。当端8 或20变得更钝化时，可用本发明的夯头来适当地夯实的集料层变得更薄。 所以， 一般尖锐的尖部是优选的。为了用于这里描述和附图中示出的优选夯头3或13 ，合适的集料由"优
良等级，，的公路底层集料组成，其具有2英寸的最大颗粒尺寸且少于12 %通过第200号筛眼孔径(0.074英寸)。还可以使用可替换的集料，如最 大颗粒尺寸范围在1/4英寸和3英寸之间的干净石料、少于5%通过第200 号筛眼孔径的集料、再生混凝土、矿渣、再生沥青、用水泥处理的基料和 其它构造材料。集料的最大尺寸应不超过腔直径的25 % 。
本发明的主要优点是，在构造期间增大横向土压力方面，角锥形或圆 锥形夯头比在已有技术中描述的夯头更有效。此改进的横向应力增大是夯 头3和13的独特性状的结果。与在已有技术中专用于横向应力增大的横 截面面积的约30%相比，角锥形或圆锥形夯头使其横截面面积的高达100 %专用于横向应力增大。另一优点是，与可在已有技术中使用的集料层相 比，由于增加的夯倾角的原因，本发明的夯头可应用于更厚的集料层。对 于优选的实施方式，这意味着夯头可应用于24英寸到30英寸厚的松散放 置的集料层。在实践中，这意味着现在可以将具有同样支撑能力的墩建造 成具有更小的直径和更厚的层高度。
上述优点通过对使用已有技术方法和使用本发明建造的墩进行的负 载测试来示出，并在图6和7中进行总结。图6示出在第一个工程地点处 的三个负载测试的结果。对使用美国专利No. 5,249,892的已有技术方法压 实12英寸厚的集料层建造的30英寸直径的墩进行两次测试(表示"平底 RAP")。对使用如图1所示的24英寸直径的60度角锥头压实24英寸厚的 集料层建造的24英寸直径的墩进行一次测试(表示"角锥形夯头RAP")。 测试结果绘制在图6中，其示出了在负载测试期间施加到墩的顶部的应力 (X轴)与当施加应力时出现的结果偏差(Y轴)之间的关系。应力与偏 差的比率为墩的劲度模量，其中较平的斜线表示较硬的特性。也绘出了墩 底部的偏差测量结果。
如图6所示的负载测试的结果表明，在所有三个墩的顶部的硬度大致 相同，直到施加约15千磅每平方英尺(ksf)的墩顶部应力。当施加到墩 的应力大于15ksf时，平底RAP弁1呈现较平坦的特性曲线。当施加大于 约25ksf的应力时，平底RAP并1和平底RAP弁2的硬度明显小于角锥形夯头RAP的硬度。这是因为根据本发明建造的角锥形夯头墩更有效地增加 了在建造期间墩周围的限制应力，从而在加载期间给墩提供了更大的强 度。重要的是，如杲所有三个墩的硬度相等，则本发明仍然提供优点，即 与根据已有技术建造的墩相比，墩可被更有效地建造。
图7示出在第二工程地点处的三个负载测试的结果。对使用美国专利 No. 5,249,892的已有技术方法压实12英寸厚的集料层建造的30英寸直径 的墩进行两次测试。对使用如图1所示的24英寸直径的60度角锥头压实 24英寸厚的集料层建造的24英寸直径的墩进行一次测试(表示"圓锥形 夯头，，)。负载测试的结果表明，在所有三个墩的顶部的硬度大致相同，直 到施加约10千磅每平方英尺(KSF)的墩顶部应力。当施加到墩的应力大 于10千磅时，平底墩结果呈现较平坦的特性曲线。使用角锥形夯建造的 墩的硬度大于通过已有技术获得的硬度。
由于通过使用较厚的层可便于建造的事实，因此本发明允许更快地建 造集料墩。在采用本发明的一个工程地点处，在使用已有技术方法建造墩 所需要的一半时间内建造了墩。因此，使用本发明的可能更快的安装在时 间和成本节约方面能提供优于已有技术的显著利益。
前述描述和附图应被考虑为仅说明本发明的原理。本发明可以各种形 状和尺寸配置，且不被优选实施方式限制。本领域的技术人员容易想到本 发明的很多应用。因此，不希望将本发明限制到所公开的具体实施例或所 展示和描述的确切结构和操作。确切地说，可釆取落入本发明的范围内的 所有适当的修改和等效形式。
权利要求
1. 一种建造集料墩的方法，其包括步骤在地表面中形成细长形腔，所述腔具有一般一致的横截面面积；将一集料层放置到所述腔内，其中层厚度约等于跨过所述腔的距离；用角锥形夯头或圆锥形夯头来夯实所述层，以增加孔的侧壁中的横向应力，所述角锥形夯头或圆锥形夯头具有约等于所述腔的所述横截面面积的顶部或基部；以及用连续的层来重复所述放置和夯实步骤。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述夯实步骤包括-使用具有倾角 的夯头，所述倾角与水平面呈45度到75度的变化范围。
3. 如权利要求1所述的方法，其中所述夯实步骤包括使用具有圓锥 形状的夯头。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述夯实步骤包括使用具有角锥形 状的夯头。
5. 如权利要求l所述的方法，其中所述细长形腔一般为圆柱形，且所 述夯实步骤包括使用具有约等于所述腔的直径的顶部横向尺寸的夯头。
6. ^权利要求5所述的方法，其中所述夯头的顶部尺寸不小于所述腔 的直径的约卯％和不大于约110%。
7. 如权利要求1所述的方法，其中放置一集料层的所述步骤包括使用 具有材料优良的石料、再生混凝土、再生沥青、矿渣及用水泥处理的基料 中的至少一种材料的集料。
8. 如权利要求5所述的方法，其中形成所述腔的所述步骤是通过钻孔。
9. 如权利要求1所述的方法，其中形成腔的所述步骤是通过穿入和抽 出细长形管子或心轴。
10. —种夯头，其用于在地表面内一般垂直的孔中形成夯实的集料墩，所述孔具有一般为圆形的横截面，所述夯头包括朝其下端处的部位逐渐变 细的 一般角锥形主体或圓锥形主体，并且在其上端处具有为所述孔横截面 的至少约90%的横截面。
11. 如权利要求IO所述的夯头，其还包括安装在所述角锥形或圆锥形 主体的上端处的圆形限制盘，所述限制盘具有实质上等于或大于所述角锥 形或圆锥形主体的上端的最长尺寸的直径。
12. 如权利要求IO所述的夯头，其中所述下端被钝化，具有不大于其 上端的面积20 %的钝化面积。
13. 如权利要求IO所述的夯头，其中所述一般角锥形主体或圆锥形主体 的所述上端具有等于所述孔的直径的约90%和约110%之间的最大尺寸。
14. 如权利要求IO所述的夯头，其中所述一般角锥形主体或圆锥形主 体以与水平面成约45度到约75度的角度逐渐变细。
15. 如权利要求14所述的夯头，其中所述一般角锥形主体或圓锥形主 体以与水平面成约60度的角度逐渐变细。
16. 如权利要求IO所述的夯头，其中所述夯头具有圆锥形状。
17. 如权利要求IO所迷的夯头，其中所述夯头具有角锥形状。
18. 如权利要求17所述的夯头，其中所述角锥形状的横截面是六边形。
19. 如权利要求17所述的夯头，其中所述角锥形状的横截面是八边形。
20. 如权利要求IO所述的夯头，其中所述夯头的上端具有与所述腔的 直径大约相同的直径。
全文摘要
一种夯头，其具有伸长的角锥或圆锥形状，所述夯头用于建造夯实的集料墩。夯头的角锥或圆锥形状在增大横向土压力方面更有效，并在墩的建造中提供比用依赖于具有平底和斜侧面的夯头的现有方法可得到的更大的节约。
文档编号E02D13/00GK101305135SQ200680041445
公开日2008年11月12日 申请日期2006年9月29日 优先权日2005年9月29日
发明者科尔德·J·维斯曼 申请人:土工技术强化公司