СНАБЖЕННОЕ ЭКРАНОМ ТРАМБОВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАБИВНОЙ СВАИ Российский патент 2013 года по МПК E02D5/44 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к трамбовочной головке и способу формирования набивной сваи в мягких или нестабильных грунтах. В частности, изобретение относится к таким трамбовочной головке и способу, которые эффективно предотвращают обвал грунта боковой стенки во время трамбовки и, в то же время, обеспечивают возможность использования более толстых насыпок наполнителя.

Уровень техники

Тяжелые или чувствительные к осадке фундамента сооружения, которые расположены в областях, содержащих мягкие или слабые грунты, зачастую бывают возведены на глубоких фундаментах, содержащих забивные сваи или буровые железобетонные сваи. Глубокие фундаменты предназначены для передачи нагрузок, создаваемых сооружением, сквозь мягкие грунты более устойчивым пластам грунта.

В последние годы набивные сваи все больше использовались для поддержания сооружений, расположенных в областях, содержащих мягкие грунты. Эти сваи предназначены для укрепления и упрочнения мягкого слоя и сведения к минимуму осадки фундамента. Сваи формируют разнообразными способами, к числу которых относятся способ бурения и трамбовки, описанный в патентах US 5,249,892 и 6,354,766; способ, в котором используется снабженное приводом долото, описанный в патенте US 6,425,713; способ, в котором используется долото в виде трубы, на конце которого установлена трамбовочная головка, описанный в патенте US 7,226,246; и способ, в котором используется снабженное приводом коническое долото, описанный в патенте US 7,326,004; упоминание названных патентов означает их полное включение в описание настоящей заявки.

Способ формирования набивной сваи с использованием тонких насыпок (патенты US 5,249,892 и 6,354,766), который включает бурение или выкапывание полости, позволяет создавать эффективный фундамент при его формировании в связных грунтах, где легко сохраняется стабильность боковой стенки отверстия. Этот способ в целом состоит из а) бурения в целом цилиндрической полости или цилиндрического отверстия в грунте (обычно диаметром приблизительно 30 дюймов (75 см)); b) уплотнения грунта на дне полости; с) введения внутрь полости относительно тонкой насыпки наполнителя (обычно толщиной приблизительно 12-18 дюймов (30-45 см)); d) трамбовки насыпки наполнителя конусной трамбовочной головкой, имеющей особую конструкцию; и е) повторения процесса для формирования набивной сваи, в целом проходящей до поверхности грунта. Принципиально важным для этого процесса является приложение достаточной энергии к конусной трамбовочной головке, с тем чтобы в процессе последовательной трамбовки насыпок создавались поперечные напряжения внутри грунта вдоль стенок полости. Создание поперечного напряжения является важным, поскольку оно снижает сжимаемость грунта и обеспечивает эффективную передачу прикладываемых нагрузок грунту во время нагрузки сваи.

Способ (патент US 7,226,246), в котором используется долото в виде трубы, на конце которого установлена трамбовочная головка, отличается от способа формирования набивной сваи с использованием тонких насыпок. Этот способ в целом состоит из забивания полой трубы (долота) внутрь грунта без необходимости бурения. На трубу в нижней части установлена трамбовочная головка, которая имеет больший диаметр, чем труба, и которая имеет плоскую нижнюю часть и конусные боковые стороны. Долото забивают до проектной глубины сваи, наполняют наполнителем, а затем поднимают, позволяя наполнителю выйти из трубы внутрь полости, создаваемой извлечением долота. Трамбовочную головку затем перемещают обратно вниз внутрь наполнителя для уплотнения наполнителя. Плоская нижняя часть трамбовочной головки уплотняет наполнитель, а конусные боковые стороны вдавливают наполнитель внутрь боковых стенок отверстия, тем самым повышая поперечные напряжения в окружающем грунте.

Способ (патент US 7,326,004), в котором используется коническое долото, - это еще одно средство формирования набивной сваи с помощью движущегося долота. В этом случае форма долота представляет собой усеченный конус, больший в верхней части, чем в нижней, с углом наклона от приблизительно 1° до приблизительно 5° относительно вертикали. Долото забивают внутрь грунта, вынуждая грунт смещаться вниз и в стороны во время забивания. После достижения проектной глубины сваи долото извлекают, оставляя в грунте конусообразную полость. Коническая форма долота позволяет временно стабилизировать боковые стенки отверстия, так что наполнитель может быть введен внутрь полости с поверхности грунта. После помещения насыпки наполнителя долото повторно перемещают вниз внутрь наполнителя для уплотнения наполнителя и его смещения в стороны внутрь боковых стенок отверстия. Иногда более крупное долото используется для уплотнения наполнителя вблизи верхней части сваи.

Одной проблемой, которую долгое время не удается, но требуется решить, является то, что в мягких или нестабильных грунтах сформированная полость для сваи может иметь тенденцию к деформированию, обвалу стенок или иному повреждению при формировании в ней сваи. Обрушение боковой стенки происходит, когда трамбовочное устройство уровня техники при уплотнении наполнителя приводится в движение вниз, тем самым прикладывая поперечное давление к боковой стороне полости. Это давление приводит к повороту мягких грунтов вблизи окружности трамбовочной головки, а это приводит к обрушению боковой стенки над трамбовочной головкой. Обрушение боковой стенки требует удаления грунта во время процесса формирования сваи и может приводить к потере предварительного напряжения. Эта проблема является особенно острой при использовании относительно толстых уплотняемых насыпок. Кроме того, обвал грунта может замедлять процесс формирования сваи, поскольку необходимо извлекать дополнительный грунт или, в других случаях, повторно формировать полость. Ввиду этого, является желательным создание способа формирования набивной сваи, который снижает вероятность повреждения полости для сваи (в том числе обрушения боковой стенки) во время формирования сваи. Также является желательным создание способа формирования набивной сваи, который позволяет уплотнять более толстые насыпки наполнителя, тем самым повышая эффективность процесса и уменьшая время, в течение которого снабженное приводом трамбовочное устройство должно присутствовать в полости.

Раскрытие изобретения

Согласно одному аспекту, изобретение относится к трамбовочному устройству, включающему стержень, приводимую в движение трамбовочную головку и экран. Трамбовочная головка прикреплена на конце стержня для трамбовки насыпки наполнителя в полости, сформированной в грунте. Экран проходит вверх от трамбовочной головки на предварительно определенную высоту, достаточную для того, чтобы не позволять боковым стенкам полости, в которой используется трамбовочное устройство, обваливаться и обрушаться внутрь полости.

Трамбовочная головка может дополнительно содержать наклонную поверхность, проходящую в окружном направлении от нижней поверхности к боковой поверхности трамбовочной головки. Наклонная поверхность может проходить вверх от тупой нижней поверхности под углом приблизительно 45°.

Экран может иметь такой диаметр, что он соприкасается его нижним краем с верхней поверхностью трамбовочной головки вблизи ее края. Экран может опираться на трамбовочную головку и может иметь отверстие для возможности прохождения указанного стержня, к которому прикреплена указанная трамбовочная головка. Предварительно определенная высота экрана может находиться в диапазоне приблизительно от 3 до 5 футов (приблизительно от 0,9 до 1,5 м). Диаметр трамбовочной головки может находиться в диапазоне приблизительно от 12 до 36 дюймов (приблизительно от 30 до 90 см). Трамбовочная головка может быть по существу круглой.

Согласно альтернативному аспекту изобретение относится к способу формирования набивных свай. Способ включает формирование удлиненной полости в поверхности грунта. Полость имеет в целом постоянную площадь поперечного сечения. Насыпку наполнителя помещают в полость. Эту насыпку затем трамбуют трамбовочным устройством, имеющим трамбовочную головку, присоединенную на конце стержня. Трамбовочная головка имеет в целом плоскую, тупую нижнюю поверхность и имеет экран, проходящий вверх от трамбовочной головки на предварительно определенную высоту, достаточную для того, чтобы не позволять боковым стенкам полости обваливаться и обрушаться внутрь полости. Способ используют предпочтительно в мягком грунте. В частности, такой мягкий грунт может представлять собой пылеватую глину, песчанистую глину, глину из диапазона от непластичной до жирной глины, песчанистую непластичную глину или мягкую глину, в некоторых случаях с грунтовыми водами.

Трамбовочная головка, используемая в способе, может содержать наклонную поверхность, проходящую в окружном направлении от указанной нижней поверхности до боковой поверхности трамбовочной головки. Наклонная поверхность может проходить вверх от тупой нижней поверхности под углом приблизительно 45°.

Экран, используемый в способе, может иметь такой диаметр, что он соприкасается его нижним краем с верхней поверхностью трамбовочной головки вблизи ее края. Экран может опираться на трамбовочную головку и может иметь отверстие для возможности прохождения указанного стержня, к которому прикреплена указанная трамбовочная головка.

Трамбовку в способе могут проводить путем приведения в движение трамбовочной головки с помощью указанного стержня, проходящего от нее вверх, при этом указанный экран проходит вверх на предварительно определенную высоту, достаточную для того, чтобы не позволять указанным боковым стенкам удлиненной полости обваливаться и обрушаться внутрь полости во время операций трамбовки, и экран имеет отверстие в верхней части, позволяющее стержню проходить сквозь него для присоединения к указанной трамбовочной головке.

Предварительно определенная высота экрана, используемого в способе, может находиться в диапазоне приблизительно от 3 до 5 футов (приблизительно от 0,9 до 1,5 м). Диаметр трамбовочной головки может находиться в диапазоне приблизительно от 12 до 36 дюймов (приблизительно от 30 до 90 см). Трамбовочная головка может иметь по существу круглую форму.

Толщина насыпки наполнителя в способе может быть приближенно равна двум-трем поперечным размерам полости. Трамбовку могут проводить в полости, сформированной в мягком грунте.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А и 1В - виды сбоку трамбовочного устройства согласно изобретению,

Фиг.2 иллюстрирует бур/шнековый бур и ударное устройство с установленным на него трамбовочным устройством согласно изобретению,

Фиг.3 - местный вид сбоку в разрезе, иллюстрирующий, как наполнитель помещается в виде насыпок внутрь полости, подготовленной для использования с изобретением,

Фиг.4 - местный вид сбоку в разрезе, иллюстрирующий трамбовку наполнителя трамбовочным устройством согласно изобретению,

Фиг.5 - местный вид сбоку в разрезе, иллюстрирующий наполнитель после трамбовки,

Фиг.6 - таблица, иллюстрирующая результаты нагрузочных испытаний, проведенных на набивных сваях, сформированных с помощью предлагаемого трамбовочного устройства в Примере I,

Фиг.7 иллюстрирует график, показывающий зависимость усадки от продолжительности трамбовки для свай, которые формировали в Примере II,

Фиг.8 иллюстрирует результаты трех испытаний давлением на жесткость свай, которые формировали в Примере II, и

Фиг.9 иллюстрирует результаты испытаний давлением на жесткость свай, которые формировали в Примере III.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение направлено на формирование набивных свай в грунтах для поддержания зданий, стен, промышленных объектов и транспортных сооружений. В частности, изобретение направлено на эффективное формирование набивных свай посредством использования усовершенствованной трамбовочной головки, включающей новый экран. Снабженное экраном трамбовочное устройство предназначено для обеспечения более быстрого и более эффективного процесса формирования сваи за счет предотвращения обвала грунта боковой стенки во время трамбовки. Кроме того, трамбовочное устройство или снабженное экраном трамбовочное устройство, о котором идет речь в настоящем документе, позволяет использовать более толстые насыпки наполнителя, чем могут быть использованы в стандартных процессах формирования набивной сваи.

В настоящем документе трамбовочное устройство 11 согласно настоящему изобретению, о котором идет речь, может называться снабженным экраном трамбовочным устройством или приспособлением и показано на Фиг.1А и 1В. Трамбовочное устройство 11 может содержать стержень 13 для приведения в движение трамбовочной головки 15, прикрепленной на конце стержня 13 для трамбовки насыпки 47 наполнителя (Фиг.3-5) в полости 41, сформированной в поверхности грунта. Экран 17 проходит вверх от трамбовочной головки 15 на предварительно определенную высоту, достаточную для поддержания боковых стенок 51 полости 41, в которой используется трамбовочное устройство 11, и для предотвращения обвала и обрушения боковых стенок 51 внутрь полости 41.

Трамбовочная головка 15 может иметь в целом плоскую, тупую нижнюю поверхность 19 (Фиг.1А) и, что не является обязательным, наклонную поверхность 21, проходящую в окружном направлении от нижней поверхности 19 к боковой поверхности трамбовочной головки 15 (Фиг.1В). В одном варианте осуществления наклонная поверхность 21 проходит вверх от тупой нижней поверхности 19 под углом приблизительно 45°. Экран 17, который может быть изготовлен из металла, пластика, полимера или других материалов, может иметь диаметр, который в целом равен диаметру трамбовочной головки 15. В целом экран 17 находится близко к трамбовочной головке 15 для предотвращения проникновения грунта между трамбовочной головкой 15 и экраном 17.

В одном варианте осуществления экран 17 имеет высоту над верхней поверхностью трамбовочной головки 15, равную приблизительно 3 футам (0,9 м). Говоря в более широком смысле, высоту экрана 17 выбирают таким образом, чтобы он эффективно предотвращал обрушение боковой стенки, что должно быть совершенно понятно из раскрытия, приведенного в настоящем документе. Диаметр трамбовочной головки 15 (а, следовательно, и экрана) может быть приблизительно 12-30 дюймов (30-75 см), и трамбовочная головка 15 может быть по существу круглой. Говоря в более общем смысле, диаметр выбирают таким образом, чтобы он эффективно обеспечивал желаемую трамбовку, при этом предотвращая обрушение боковой стенки.

Экран предпочтительно представляет собой легкую конструкцию. Примеры вариантов осуществления экрана 17 могут представлять собой полый цилиндр из стали или прочного пластика (с внутренними поперечными распорками или без них), заполненный легкой пеной, либо ленту из прочного синтетического материала, навитую вокруг стержня 13.

Фиг.2-5, которые показывают способ использования предлагаемого оборудования. Способ включает формирование в поверхности грунта удлиненной вертикальной полости 41 или удлиненного вертикального отверстия с в целом постоянной площадью поперечного сечения и диаметром 45, как показано на Фиг.3. Отверстие или полость 41 могут получать с помощью бурильного устройства 33, показанного на Фиг.2. Бурильное устройство 33 имеет бурильную головку или шнековый бур 35 для формирования отверстия или полости 41. В дальнейшем трамбовочное устройство или приспособление 11 с помощью ударов или привода 31 вводят внутрь полости 41 для уплотнения насыпки 47 наполнителя. Предпочтительно, вертикальная полость 41 является в целом цилиндрической и формируется любым подходящим способом, и использование бурильного устройства, показанного на Фиг.2 не является обязательным. Полость 41, которая имеет предварительно определенную глубину 53, может также быть сформирована введением и извлечением удлиненной трубы или удлиненного долота.

Как показано на Фиг.3, насыпку 47 наполнителя затем помещают внутрь нижней части полости 41 с предварительно определенной толщиной 49 насыпки. Благодаря конструкции снабженного экраном трамбовочного приспособления 11 согласно настоящему изобретению, каждая насыпка наполнителя, помещаемая внутрь полости, может иметь в полости толщину, большую, чем это возможно в стандартных способах формирования набивной сваи. Например, как описывается ниже, являются возможными неуплотненные насыпки 47 наполнителя толщиной из диапазона 3-5 футов (0,9-1,5 м) в полостях диаметром 20-24 дюйма (50-60 см). Это повышает эффективность процесса, поскольку в стандартных способах формирования набивных свай обычно используются неуплотненные насыпки наполнителя толщиной 1,5 фута (0,45 м), что требует большего количества насыпок и больше времени для формирования сваи, в то время как трамбовочное приспособление 11, о котором идет речь в настоящем документе, способно уплотнять насыпки 47 наполнителя, в два или более раз более толстые, чем стандартные приспособления. Насыпку 47 наполнителя затем трамбуют, как показано на Фиг.4, снабженным экраном трамбовочным приспособлением 11 согласно настоящему изобретению, конструкция которого специально направлена на удовлетворение давно испытываемой потребности в предотвращении обвала и обрушения боковых стенок 51 полости 41 внутрь полости 41 во время процесса трамбовки. Как было сказано выше, обрушение боковой стенки часто происходило в мягких или нестабильных грунтах, когда трамбовочные устройства уровня техники приводили в движение вниз, тем самым прикладывая поперечное давление к боковой стороне полости во время уплотнения наполнителя и вынуждая повернувшийся мягкий грунт вблизи окружности трамбовочной головки обрушаться над трамбовочной головкой.

Сваю формируют путем последовательного добавления и трамбовки насыпок. Фиг.5 иллюстрирует уплотненную насыпку 61 предварительно определенной глубины после уплотнения и ее поперечное расширение с вдавливанием в боковую стенку 51 в областях 37 и 43 полости 41. Грунт, окружающий уплотненную насыпку 61, в результате тоже уплотняется в области 36.

Наполнитель 63, подходящий для использования с предпочтительными вариантами осуществления, описанными и изображенными в настоящем документе, представляет собой «хорошо отсортированный» наполнитель, используемый в качестве нижнего слоя дорожного покрытия, в котором максимальный размер частиц составляет 2 дюйма (5 см), и менее 12% частиц проходят сквозь сито №200 (с диаметром отверстий 0,074 дюйма (0,19 см)). Могут также использоваться альтернативные наполнители, в которых максимальный размер частиц составляет до приблизительно 3 дюймов (7,5 см), и в которых менее 5% частиц проходит сквозь сито №200, такие как щебень, повторно используемый бетон, шлак, песок, повторно используемый асфальт, частицы грунта, смешанные с портландцементом и водой (cement treated base) или другие строительные материалы. Максимальный размер частиц наполнителя не должен превышать 25% диаметра полости.

Главным преимуществом настоящего изобретения является то, что снабженное экраном трамбовочное устройство устраняет проблему, имеющуюся при использовании стандартных способов формирования набивной сваи и заключающуюся в обвале и обрушении грунта внутрь сформированной полости. Следовательно, настоящее изобретение является более эффективным с точки зрения создания поперечного давления на грунт во время формирования сваи, чем трамбовочные головки, известные в уровне техники. Еще одним преимуществом является то, что снабженное экраном трамбовочное устройство согласно настоящему изобретению может применяться с более толстыми насыпками наполнителя, чем могут быть использованы в уровне техники. Для предпочтительного варианта осуществления это означает, что трамбовочная головка может применяться с насыпками толщиной 3-5 футов (0,9-1,5 м) неуплотненного наполнителя. На практике это означает, что сваи с такой же или более высокой поддерживающей способностью, что и в уровне техники, можно теперь формировать, используя более толстые насыпки.

Практическое осуществление настоящего изобретения и испытания будут описаны ниже со ссылками на Примеры.

Пример 1

Фиг.6 иллюстрирует преимущества, которые были описаны выше, и которые получены из нагрузочных испытаний, проведенных над сваями, сформированными с использованием стандартного процесса и с использованием настоящего изобретения, как описано ниже. Снабженное экраном трамбовочное устройство 11, использованное в испытаниях, представляло собой по существу устройство, описанное выше и показанное на прилагаемых Фигурах. В этом примере снабженное экраном трамбовочное устройство 11 имело цилиндрический экран длиной 5 футов (1,5 м) и диаметром 18 дюймов (45 см), прикрепленный на верхней стороне конусной трамбовочной головки 15. Экран 17 был приварен к трамбовочной головке 15. Наклонная поверхность 21 проходила вниз под углом 45° от верхнего конца к плоской нижней поверхности трамбовочной головки.

Для этого испытания бурили отверстия глубиной 12 футов (3,6 м) с последующим обратным заполнением молотым известняком с размером частиц 1 дюйм (2,5 см) и меньше. В первый день испытаний сначала пробурили отверстие диаметром 18 дюймов (45 см), но определили, что отверстие с диаметром, немного большим, чем цилиндрический экран, будет предпочтительным. Поэтому «режущие элементы» добавили на каждую сторону используемого шнекового бура 35 для увеличения диаметра отверстия до 20 дюймов (50 см). Введение снабженного экраном трамбовочного устройства 11 было более эффективным при большем диаметре отверстия.

Остаток первого дня был потрачен на варьирование продолжительности уплотнения (обычно 20, 30 и 45 секунд на одну насыпку) и толщины насыпки (3 и 5 футов (0,9 и 1,5 м)). При уплотнении одной насыпки толщиной 5 футов (1,5 м) ее толщина обычно уменьшалась на 1-1,5 фута (0,3-0,45 м), в результате чего толщина уплотненной насыпки составляла 3,5-4 фута (1,05-1,2 м). При уплотнении одной насыпки толщиной 3 фута (0,9 м) ее толщина обычно уменьшалась на 0,75-1 фут (0,2-0,3 м), в результате чего толщина уплотненной насыпки составляла 2-2,25 фута (0,6-0,7 м). При этих продолжительностях уплотнений и толщинах насыпки испытания давлением на жесткость (Bottom Stabilization Tests (BST′s)) показали усадку на 1-2 дюйма (2,5-5 см) при приложении давления в течение более 10 секунд. Динамическое испытание стержнем на пенетрацию (Dynamic core penetration (DCP) test) потребовало 30 ударов для проникновения на ¾ дюйма (1,9 см), и это показывает, что верхняя поверхность насыпки была достаточно уплотнена.

Во второй день испытаний формировали четыре сваи:

- в отверстии диаметром 20 дюймов (50 см) с использованием насыпок толщиной 5 футов (1,5 м) (в неуплотненном состоянии),

- в отверстии диаметром 20 дюймов (50 см) с использованием насыпок толщиной 3 фута (0,9 м) (в неуплотненном состоянии),

- в отверстии диаметром 24 дюйма (60 см) с использованием насыпок толщиной 3 фута (0,9 м) (в неуплотненном состоянии) и

- в отверстии диаметром 30 дюймов (75 см) с использованием насыпок толщиной 1 фут (0,3 м) (в неуплотненном состоянии).

Первые три сваи уплотняли с помощью описанного выше снабженного экраном трамбовочного приспособления 11 согласно настоящему изобретению (т.е. с цилиндрическим экраном длиной 5 футов (1,5 м), диаметром 18 дюймов (45 см), прикрепленным к конусной трамбовочной головке). Четвертую сваю уплотняли с помощью стандартной трамбовочной головки. Как в отверстии диаметром 20 дюймов (50 см), для получения которого модифицировали шнековый бур диаметром 18 дюймов (45 см) с целью увеличения его диаметра до 20 дюймов (50 см), так и в отверстии диаметром 24 дюйма (60 см), для получения которого использовали имевшийся на месте стандартный шнековый бур диаметром 24 дюйма (60 см), сваю формировали с использованием одной и той же трамбовочной головки (имеющей диаметр 18 дюймов (45 см)) согласно настоящему изобретению. Сваю, формируемую стандартным способом в отверстии диаметром 30 дюймов (75 см) использовали для сравнения со сваями, формируемыми с использованием снабженного экраном трамбовочного устройства.

Для сваи, формируемой в отверстии диаметром 20 дюймов (50 см) с использованием насыпок толщиной 5 футов (1,5 м) (в неуплотненном состоянии), при трамбовке в течение 45 секунд получили уплотнение на 1,1-1,4 фута (0,33-0,42 м) для каждой насыпки. Испытание давлением на жесткость, проведенное на нижней насыпке, показало усадку на VA дюйма (3,1 см). Динамическое испытание стержнем на пенетрацию на верхней насыпке показало проникновение на ½ дюйма (1,25 см) за 25 ударов.

Для сваи, формируемой в отверстии диаметром 20 дюймов (50 см) с использованием насыпок толщиной 3 фута (0,9 м) (в неуплотненном состоянии), при трамбовке в течение 30 секунд получили уплотнение на 0,9-1,1 фута (0,27-0,33 м) для каждой насыпки. Испытание давлением на жесткость, проведенное на первой и второй насыпках, показало усадку на 1 дюйм (2,5 см) и ½ дюйма (1,25 см), соответственно. Динамическое испытание стержнем на пенетрацию на верхней насыпке показало проникновение на 3/8 дюйма (0,9 см) за 25 ударов.

Для сваи, формируемой в отверстии диаметром 24 дюйма (60 см) с использованием насыпок толщиной 3 фута (0,9 м) (в неуплотненном состоянии), при трамбовке в течение 30 секунд получили уплотнение на 1,0-1,4 фута (0,3-0,4 м) для каждой насыпки. Испытание давлением на жесткость, проведенное на первой и второй насыпках, показало усадку на 1½ дюйма (3,8 см) и 1 дюйм (2,5 см), соответственно. Динамическое испытание стержнем на пенетрацию на верхней насыпке показало проникновение на 3/4 дюйма (1,9 см) за 25 ударов.

Для сваи, формируемой в отверстии диаметром 30 дюймов (75 см) с использованием насыпок толщиной 1 фут (0,3 м) (в неуплотненном состоянии), при трамбовке в течение 20 секунд получили уплотнение на 0,5 фута (0,15 м) для каждой насыпки. Испытание давлением на жесткость, проведенное на второй и третьей насыпках, показало усадку на 3/8 дюйма (0,9 см) и ¼ дюйма (0,6 см), соответственно. Динамическое испытание стержнем на пенетрацию на верхней насыпке показало проникновение на ¾ дюйма (1,9 см) за 25 ударов.

График, показывающий кривые испытаний всех четырех свай давлением на жесткость, изображен на Фиг.6. К вершине сваи, используемой для сравнения и сформированной в отверстии диаметром 30 дюймов (75 см), при усадке на 0,5 дюйма (1,25 см) было приложено давление 26000 фунтов/фут² (130000 кг/м²). При такой же усадке давления 18000 фунтов/фут² (90000 кг/м²), 29000 фунтов/фут² (145000 кг/м²) и 29000 фунтов/фут² (145000 кг/м²) были приложены к вершинам свай, сформированных с помощью снабженного экраном трамбовочного устройства в отверстии диаметром 24 дюйма (60 см) и каждом из отверстий диаметром 20 дюймов (50 см), соответственно.

Резюмируя вышесказанное, сваи, сформированные с помощью снабженного экраном трамбовочного устройства 11 в отверстиях диаметром 20 дюймов (50 см) с использованием насыпок толщиной 3 и 5 футов (0,9 и 1,5 м), показали более хорошие результаты по сравнению со справочной сваей, несмотря на увеличенные толщины насыпок. Что касается сваи, сформированной в пробуренном отверстии диаметром 24 дюйма (60 см), которую уплотняли снабженным экраном трамбовочным устройством с головкой диаметром 18 дюймов (45 см), нагрузочное испытание показало более плохие результаты по сравнению со справочной сваей. Следовательно, отношение диаметра трамбовочной головки к диаметру отверстия является важным для достижения высоких характеристик, о чем свидетельствует свая, сформированная в отверстии диаметром 24 дюйма (60 см) и уплотнявшаяся с помощью снабженного экраном трамбовочного устройства с головкой диаметром 18 дюймов (45 см), которая имела самые низкие характеристики из четырех испытанных свай. Соответственно, является предпочтительным, чтобы диаметр трамбовочной головки (и экрана) был лишь немного меньше диаметра пробуренного отверстия.

Пример 2

В качестве еще одного примера, систему согласно изобретению использовали для формирования свай на строительной площадке Jackson Madison Country Hospital, город Джексон, штат Теннеси. Три сваи испытывали для этого проекта:

- одну формировали с использованием насыпок толщиной 1,5 фута (0,45 м) (в неуплотненном состоянии) и трамбовки каждой насыпки в течение 15 секунд,

- одну формировали с использованием насыпок толщиной 3,0 фута (0,9 м) (в неуплотненном состоянии) и трамбовки каждой насыпки в течение 20 секунд, и

- одну формировали с использованием насыпок толщиной 3,0 фута (0,9 м) (в неуплотненном состоянии) и трамбовки каждой насыпки в течение 30 секунд.

Все три сваи формировали с использованием стержня длиной 12 футов (3,6 м).

Грунт был следующим: пылеватая глина переходила в песчанистую глину на глубине приблизительно 7 футов (2,1 м), глинистый песок на глубине приблизительно 10 футов (3 м), песок на глубине приблизительно 15 футов (4,5 м). Стандартное испытание грунта на пенетрацию показало следующие значения сопротивления пенетрации: от 3 до 10 ударов/фут (ударов/0,3 м) в пылеватой глине, с возрастанием по мере увеличения глубины; 11 ударов/фут (ударов/0,3 м) в песчанистой глине; 27 ударов/фут (ударов/0,3 м) в глинистом песке; от 20 ударов/фут (ударов/0,3 м) до отказа в песке, тоже с возрастанием по мере увеличения глубины.

Пробуренные отверстия имели диаметр 24 дюйма (60 см), а используемая головка снабженного экраном трамбовочного устройства имела диаметр 22 дюйма (55 см).

Ряд испытаний провели для определения зависимости между усадкой и продолжительностью трамбовки для насыпок толщиной 1,5, 2,0 и 3,0 футов (0,45, 0,6 и 0,9 м) (в неуплотненном состоянии). График, показывающий результаты, изображен на Фиг.7. График показывает, что большие усадки отмечаются при трамбовке насыпок толщиной 3 фута (0,9 м), чем насыпок толщиной 1,5 или 2 фута (0,45 или 0,6 м). Графики усадки для насыпок толщиной 1,5 и 2 фута (0,45 и 0,6 м) имеют одинаковые траектории после первого контрольного временного отрезка. Приращения усадок, наблюдаемые после 10 секунд трамбовки, по существу одинаковы для обеих этих свай.

График испытаний давлением на жесткость этих трех свай изображен на Фиг.8. Результаты показывают, что реакция на давление сваи, сформированной с использованием насыпки толщиной 1,5 фута (0,45 м) (в неуплотненном состоянии) и трамбовки каждой насыпки в течение 15 секунд, является по существу такой же, что и сваи, сформированной с использованием насыпки толщиной 3 фута (0,9 м) (в неуплотненном состоянии) и трамбовки каждой насыпки в течение 20 секунд. Немного более низкие характеристики показаны сваей, сформированной с использованием насыпки толщиной 3 фута (0,9 м) (в неуплотненном состоянии) и трамбовки каждой насыпки в течение 30 секунд.

Пример 3

В качестве дополнительного примера, систему, включающую трамбовочное устройство 11 согласно изобретению, использовали для формирования свай на строительной площадке Tower Tech Systems, Брандон, Южная Дакота. Испытуемые сваи были расположены на 12 и 24 фута (3,6 и 7,2 м) южнее самых южных свай, формируемых стандартным способом. Целью этого испытания было непосредственное сравнение свай, сформированных с помощью трамбовочного устройства 11 согласно настоящему изобретению, и стандартных свай, сформированных с помощью стандартного оборудования, например, такого, что раскрыто в патенте US 5,249,892.

Грунт на строительной площадке был следующим: мягкая глина до глубины 15,5 футов (4,7 м), далее песок. Стандартные испытания грунта (глины в укрепленной зоне) на пенетрацию показали следующие сопротивления пенетрации: от 2 до 4 ударов/фут (ударов/0,3 м). Содержание влаги находилось в диапазоне от 22 до 36%. Грунтовые воды находились на глубине приблизительно 9 футов (2,7 м).

Сваи, сформированные в отверстии диаметром 30 дюймов (75 см) стандартным способом, и сваи, сформированные в отверстии диаметром 20 дюймов (50 см) с помощью головки диаметром 18 дюймов (45 см) предлагаемого снабженного экраном трамбовочного устройства, формировали для испытаний на строительной площадке. Испытуемые сваи, сформированные в отверстии диаметром 30 дюймов (75 см) стандартным способом, проходили на глубину 16 и 17,5 футов (4,8 и 5,25 м), а испытуемые сваи, сформированные в отверстии диаметром 20 дюймов (50 см) с помощью головки предлагаемого снабженного экраном трамбовочного устройства, проходили на глубину 14 футов (4,2 м).

Оборудование согласно изобретению состояло из цилиндрического экрана 17 длиной 5 футов (1,5 м) и диаметром 18 дюймов (45 см), прикрепленного к конусной трамбовочной головке 15, которая была прикреплена к длинному стержню 13, а стержень 13 соединен с гидравлическим молотом 31. В северное испытуемое отверстие, сформированное согласно изобретению, обычным способом помещали насыпки толщиной 3 фута (0,9 м) (в неуплотненном состоянии) и трамбовали каждую из них в течение 30 секунд, в то время как в южное испытуемое отверстие, сформированное согласно изобретению, обычным способом помещали насыпки толщиной 5 футов (1,5 м) (в неуплотненном состоянии) и трамбовали каждую из них в течение 45 секунд. Для формирования свай использовали молотый кварцит.

Приведенные ниже таблицы показывают исходную глубину отверстия, глубину верхней части следующей неуплотненной насыпки и глубину верхней части уплотненной насыпки, все в футах (метрах). Последние столбцы показывают толщину неуплотненной насыпки и величину уплотнения одной насыпки.

Таблица 1 Подробная информация о формировании северной испытуемой сваи (трамбовка каждой насыпки в течение 30 секунд) Глубина дна отверстия, футы (м) Глубина верхней части неуплотненной насыпки, футы (м) Глубина верхней части уплотненной насыпки, футы (м) Толщина неуплотненной насыпки, футы (м) Достигаемое уплотнение, футы (м) Толщина уплотненной насыпки, футы (м) 14,0(4,2) 11,0(3,3) 12,7(3,81) 3,0(0,9) 1,7(0,51) 1,3(0,39) 12,7(3,81) 9,7(2,91) 11,8(3,54) 3,0(0,9) 2,1(0,63) 0,9(0,27) 11,8(3,54) 8,8(2,64) 10,0(3) 3,0(0,9) 1,2(0,36) 1,8(0,54) 10,0(3) 7,0(2,1) 8,0(2,4) 3,0(0,9) 1,0(0,3) 2,0(0,6) 8,0(2,4) 5,0(1,5) 5,7(1,71) 3,0(0,9) 0,7(0,21) 2,3(0,69) 5,7(1,71) 2,7(0,81) 4,0(1,2) 3,0(0,9) 1,3(0,39) 1,7(0,51) 4,0(1,2) 1,0(0,3) 2,25(0,68) 3,0(0,9) 1,25(0,38) 1,75(0,52)

Из Таблицы 1 можно увидеть, что имелась значительная изменчивость уплотнения, достигаемого в насыпках толщиной 3 фута (0,9 м) (в неуплотненном состоянии). Нижнюю насыпку формировали из более крупной породы, используемой на строительной площадке, с максимальным диаметром частиц приблизительно 3 дюйма (7,5 см). Тем не менее, во время уплотнения первой насыпки дно отверстия значительно углублялось ввиду мягкости грунта, из-за чего испытания давлением на жесткость первой насыпки не могли дать достоверных данных. Формировали наголовник сваи диаметром 18 дюймов (45 см). Формирование сваи выполняли таким образом, чтобы ее вершина находилась приблизительно на 2 фута (0,6 м) ниже поверхности грунта для возможности формирования бетонного наголовника сваи.

Испытание давлением на жесткость второй насыпки показало усадку в 2 дюйма (5 см). Испытание давлением на жесткость третьей насыпки показало усадку в l¹/₈ дюйма (2,8 см). Больше испытания давлением на жесткость не проводили, с тем чтобы сохранить свойства сваи, соответствующие 30 секундам трамбовки каждой насыпки (поскольку давление, прикладываемое во время этих испытаний, действует как дополнительная трамбовка).

Таблица 2 Подробная информация о формировании южной испытуемой сваи (трамбовка каждой насыпки в течение 45 секунд) Глубина дна отверстия, футы (м) Глубина верхней части неуплотненной насыпки, футы (м) Глубина верхней части уплотненной насыпки, футы (м) Толщина неуплотненной насыпки, футы (м) Достигаемое уплотнение, футы (м) Толщина уплотненной насыпки, футы (м) 14,0(4,2) 9,0(2,7) 10,5(3,15) 5,0(1,5) 1,5(0,45) 3,5(1,05) 10,5(3,15) 5,5(1,65) 7,0(2,1) 5,0(1,5) 1,5(0,45) 3,5(1,05) 7,0(2,1) 2,0(0,6) 3,25(0,98) 5,0(1,5) 1,25(0,38) 3,75(1,12) 3,25(0,98) 1,0(0,3) 1,5(0,45) 2,25(0,68) 0,5(0,15) 1,75(0,53)

Из Таблицы 2 можно увидеть, что уплотнение, достигаемое в насыпках толщиной 5 футов (1,5 м) (в неуплотненном состоянии), было относительно постоянным и составляло приблизительно 1,25-1,5 футов (0,38-0,45 м). В нижней насыпке нижние 2 фута (0,6 м) формировали из более крупной породы, используемой на строительной площадке, с максимальным диаметром частиц приблизительно 3 дюйма (7,5 см), а верхние 3 фута (0,9 м) формировали из более мелкой породы с максимальным диаметром частиц приблизительно 1 дюйм (2,5 см). Формирование сваи выполняли таким образом, чтобы ее вершина находилась приблизительно на 1,5 фута (0,45 м) ниже поверхности грунта для возможности формирования бетонного наголовника сваи. Формировали наголовник сваи диаметром 18 дюймов (45 см).

Сваи, сформированные согласно настоящему изобретению, сравнивали со сваями, сформированными в отверстии диаметром 30 дюймов (75 см) стандартным способом с использованием насыпок толщиной 12 дюймов (30 см). Результаты испытаний давлением на жесткость показаны на Фиг.9, где по горизонтальной оси отложено давление. При испытании свай, сформированных согласно изобретению, давление прикладывали к бетонному наголовнику диаметром 18 дюймов (45 см).

Результаты испытаний показывают, что при одних и тех же давлениях сваи, сформированные с помощью снабженного экраном трамбовочного устройства согласно настоящему изобретению и насыпок толщиной 3 и 5 футов (0,9 и 1,5 м) (в неуплотненном состоянии), имели немного большую жесткость по сравнению со сваями, сформированными в отверстиях диаметром 30 дюймов (75 см) стандартным способом. При высоких уровнях давления сваи, сформированные согласно изобретению, показывали излом кривой, подобный стандартной характеристике. Это показывает, что уплотнение сваи было достаточным для достижения упругой реакции при давлениях, меньших приблизительно 30000 фунтов/фут² (150000 кг/м²).

В приведенном выше подробном описании вариантов осуществления даются ссылки на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют конкретные варианты осуществления изобретения. Тем не менее, в объем изобретения входят и другие варианты осуществления, имеющие отличные конструкции и принципы работы. Термин «изобретение» и подобные используется применительно к конкретным примерам, которые разработчик настоящего изобретения раскрыл в настоящем документе, из множества аспектов или вариантов осуществления, но наличие или отсутствие раскрытия того или иного аспекта или варианта осуществления не ограничивает объем изобретения или объем формулы изобретения. Настоящее описание разделено на разделы лишь для удобства читателя. Заголовки не следует истолковывать как ограничивающие объем изобретения. Определения следует рассматривать как часть описания изобретения. Необходимо понимать, что различные элементы изобретения могут быть изменены без выхода за рамки объема изобретения. Кроме того, приведенное выше описание носит пояснительный, но не ограничительный характер.

Настоящая заявка является родственной и испрашивает приоритет по заявке №61/084,520 на патент США, которая была подана 29 июля 2008, и ссылка на которую означает ее полное включение в описание настоящей заявки.

Изобретение относится к строительству, а именно к трамбовочным устройствам для формирования набивных свай в мягких или нестабильных грунтах. Трамбовочное устройство содержит стержень для приведения в движение трамбовочной головки, трамбовочную головку, прикрепленную на конце стержня для трамбовки насыпки наполнителя в полости, сформированной в поверхности грунта, и имеющую в целом плоскую, тупую нижнюю поверхность, экран, диаметр которого обеспечивает соприкосновение нижнего края экрана с верхней поверхностью трамбовочной головки вблизи края этой верхней поверхности и который проходит вверх от трамбовочной головки на предварительно определенную высоту, достаточную для предотвращения обвала и обрушения боковых стенок полости в мягком грунте, где используется трамбовочное устройство, внутрь указанной полости. Технический результат состоит в повышении производительности и снижении сроков строительства процесса формирования сваи, обеспечении предотвращения обвала грунта боковой стенки во время трамбовки. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 3 пр., 2 табл., 9 ил.

1. Трамбовочное устройство, содержащее стержень для приведения в движение трамбовочной головки, трамбовочную головку, прикрепленную на конце стержня для трамбовки насыпки наполнителя в полости, сформированной в поверхности грунта, и имеющую в целом плоскую, тупую нижнюю поверхность, и экран, диаметр которого обеспечивает соприкосновение нижнего края экрана с верхней поверхностью трамбовочной головки вблизи края этой верхней поверхности и который проходит вверх от трамбовочной головки на предварительно определенную высоту, достаточную для предотвращения обвала и обрушения боковых стенок полости в мягком грунте, где используется трамбовочное устройство, внутрь указанной полости.

2. Трамбовочное устройство по п.1, отличающееся тем, что трамбовочная головка дополнительно имеет наклонную поверхность, проходящую в окружном направлении от нижней поверхности к боковой поверхности трамбовочной головки.

3. Трамбовочное устройство по п.2, отличающееся тем, что наклонная поверхность проходит вверх от тупой нижней поверхности под углом порядка 45°.

4. Трамбовочное устройство по п.1, отличающееся тем, что экран опирается на трамбовочную головку и имеет отверстие для указанного стержня, к которому прикреплена трамбовочная головка.

5. Трамбовочное устройство по п.1, отличающееся тем, что предварительно определенная высота экрана находится в диапазоне порядка от 3 до 5 футов.

6. Трамбовочное устройство по п.5, отличающееся тем, что диаметр трамбовочной головки находится в диапазоне порядка от 12 до 36 дюймов.

7. Трамбовочное устройство по п.6, отличающееся тем, что трамбовочная головка имеет по существу круглую форму.

8. Трамбовочное устройство по п.7, отличающееся тем, что трамбовочная головка имеет в целом плоскую, тупую нижнюю поверхность и наклонную поверхность, проходящую от нижней поверхности к боковой поверхности трамбовочной головки.

9. Трамбовочное устройство по п.1, отличающееся тем, что экран представляет собой полый цилиндр.

10. Трамбовочное устройство по п.9, отличающееся тем, что полый цилиндр заполнен легкой пеной.

11. Трамбовочное устройство по п.1, отличающееся тем, что экран представляет собой ленту из синтетического материала, навитую вокруг стержня.

12. Способ формирования набивных свай, содержащий этапы: формирования в поверхности грунта удлиненной полости, имеющей в целом постоянную площадь поперечного сечения, помещения насыпки наполнителя внутрь указанной полости, и трамбовки насыпки трамбовочным устройством, содержащим трамбовочную головку, прикрепленную на конце стержня, причем трамбовочная головка имеет в целом плоскую, тупую нижнюю поверхность, а также содержащим экран, диаметр которого обеспечивает соприкосновение нижнего края экрана с верхней поверхностью трамбовочной головки вблизи края этой верхней поверхности и который проходит вверх от трамбовочной головки на предварительно определенную высоту, достаточную для предотвращения обвала и обрушения боковых стенок полости внутрь указанной полости.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что трамбовочная головка дополнительно имеет наклонную поверхность, проходящую в окружном направлении от нижней поверхности к боковой поверхности трамбовочной головки.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что наклонная поверхность проходит вверх от тупой нижней поверхности под углом порядка 45°.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что экран опирается на трамбовочную головку и имеет отверстие для указанного стержня, к которому прикреплена трамбовочная головка.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что трамбовку проводят путем приведения в движение трамбовочной головки указанным стержнем, проходящим вверх от трамбовочной головки, при этом экран проходит вверх на предварительно определенную высоту, достаточную для предотвращения обвала и обрушения боковых стенок удлиненной полости внутрь указанной полости во время операций трамбовки, и имеет отверстие в верхней части, сквозь которое может проходить указанный стержень для присоединения к трамбовочной головке.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что предварительно определенная высота экрана находится в диапазоне порядка от 3 до 5 футов.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что диаметр трамбовочной головки находится в диапазоне порядка от 12 до 36 дюймов.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что трамбовочная головка имеет по существу круглую форму.

20. Способ по п.12, отличающийся тем, что толщина насыпки наполнителя приблизительно равна 2-3 поперечным размерам полости.

21. Способ по п.12, отличающийся тем, что трамбовку проводят в полости, сформированной в мягком грунте.

22. Способ по п.12, отличающийся тем, что экран представляет собой полый цилиндр.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что полый цилиндр заполнен легкой пеной.

24. Способ по п.12, отличающийся тем, что экран представляет собой ленту из синтетического материала, навитую вокруг стержня.