устройство и способ сооружения строительных опорных свай из одного или последовательных слоев, образованных в грунтовой породе

Формула изобретения

1. Устройство для сооружения многослойной уплотненной сваи в грунтовой породе, содержащее в комбинации удлиненную полую трубу, имеющую продольную ось, верхний входной конец для материала, открытый нижний разгрузочный конец для материала и диаметр первой наружной поверхности; и единый сформированный нижний головной элемент у открытого разгрузочного конца, имеющий диаметр второй наружной поверхности, больший, чем диаметр первой наружной поверхности, и выполненный с возможностью передачи комбинации из осевой и поперечной составляющих напряжения при опускании полой трубы, причем головной элемент содержит единое крепление к полой трубе, при этом головной элемент включает ведущий нижний конец, имеющий в общем конфигурацию усеченного конуса между головным элементом наружной поверхности и нижним разгрузочным отверстием в ведущем нижнем конце, и задний конец, имеющий в общем конфигурацию усеченного конуса; и колпачок головного элемента, покрывающий нижнее разгрузочное отверстие; причем нижний головной элемент с колпачком и полая труба сформированы для введения в грунтовую породу и осуществления смещения грунта при опускании полой трубы с нижним головным элементом и указанным колпачком в грунтовую породу, чтобы образовать полость в грунтовой породе, при этом колпачок по меньшей мере частично удаляют из нижнего разгрузочного отверстия, когда полую трубу впоследствии поднимают от образованной полости для осуществления прохождения материала через нижнее разгрузочное отверстие в участок полости, освобожденный полой трубой и нижним головным элементом, причем нижний головной элемент имеет форму поперечного сечения и размеры, большие, чем форма поперечного сечения и размеры полой трубы для уменьшения сил трения на полую трубу при проникновении в грунтовую породу и вытягивании из нее.

2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее механизм подачи текучей среды для направления материала текучей среды в полую трубу и механизм подачи твердого материала для подачи заполнителя во входной конец полой трубы.

3. Устройство по п.1, содержащая заполнитель в полой трубе, причем полая труба имеет в общем круглое внутреннее поперечное сечение и дополнительно включает в себя механизм подачи заполнителя, соединенный с верхним входным концом для материала для подачи объектов материала заполнителя в полую трубу, при этом минимальный размер внутреннего диаметра полой трубы по меньшей мере в 4,0 раза превышает максимальный размер наибольшего объекта материала заполнителя в полой трубе.

4. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя по меньшей мере одну вспомогательную трубу подачи, соединенную с полой трубой через отверстия на конце полой трубы для подачи материала текучей среды в полую трубу.

5. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя загрузочную воронку для подачи материала в полую трубу и по меньшей мере одну вспомогательную трубу подачи, соединенную с загрузочной воронкой для подачи жидкого материала в полую трубу.

6. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя отверстия прохода в полой трубе над нижним головным элементом для материалов текучей среды внутри полой трубы, для вытекания из полой трубы над нижним головным элементом и с внешней стороны полой трубы в кольцо, образованное между полой трубой и грунтовой породой.

7. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя механизм подачи загрузочной воронки, соединенный с верхним входным концом для материала полой трубы.

8. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя загрузочную воронку и по меньшей мере один изолирующий амортизатор, соединяющий загрузочную воронку с полой трубой.

9. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя механизм приложения усилий, соединенный с полой трубой, для передачи направленного вниз усилия на полую трубу.

10. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя механизм приложения усилий, соединенный с полой трубой, для передачи направленного вниз статического осевого усилия.

11. Устройство по п.1, включающее в себя механизм приложения усилий для передачи усилия на полую трубу, выбранного из группы, состоящей из вертикального возвратно-поступательного усилия, вертикального вибрирующего динамического осевого усилия и их комбинаций.

12. Устройство по п.1, в котором колпачок содержит защитный колпачок.

13. Устройство по п.12, в котором защитный колпачок содержит поперечный элемент пластины для удерживания у нижней части образованного элемента сваи.

14. Устройство по п.12, в котором колпачок также содержит по меньшей мере один осевой стержень в комбинации с элементом пластины.

15. Устройство по п.1, в котором головной элемент и полая труба каждый имеет равномерный цилиндрический профиль поперечного сечения.

16. Устройство по п.14, в котором по меньшей мере один стержень простирается по направлению оси от нижней части образованной сваи к наземному уровню поверхности.

17. Устройство по п.1, в котором колпачок содержит механизм для открывания и закрывания нижнего разгрузочного отверстия для обеспечения возможности прохождения материала от нижнего разгрузочного отверстия при открывании и предотвращения прохождения материала из нижнего разгрузочного отверстия при закрывании.

18. Устройство по п.1, в котором ведущий нижний конец образует поверхность, передающую энергию для уплотнения заполнителя в полости.

19. Способ образования сваи в грунте материнской породы, включающий этапы, на которых осуществляют:

a) образование удлиненной полости, имеющей нижнюю часть и продольную ось в грунте материнской породы, посредством продавливания полой трубы, имеющей открытый верхний конец и открытый нижний головной элемент с механизмом закрывания для того, чтобы селективно закрывать полую трубу, причем упомянутый нижний головной элемент выполнен с возможностью передачи осевого и поперечного векторных усилий на грунтовую породу, при этом механизм закрывания, поддерживающий разгрузку материала из нижнего головного элемента, закрыт во время образования полости,

b) подъем полой трубы на первое увеличивающееся расстояние в полости,

c) открывание механизма закрывания при подъеме полой трубы,

d) подачу заполнителя через нижний головной элемент полой трубы в участок полости, открываемый при подъеме полой трубы на упомянутое первое увеличивающееся расстояние, и

e) уплотнение заполнителя в полости осевым и поперечным усилиями, воздействующими на него от сформированного нижнего головного элемента, когда полую трубу опускают.

20. Способ по п.19, в котором полую трубу первоначально продавливают на заданное расстояние в грунт материнской породы.

21. Способ по п.19, в котором этап b) выполняют на заданном расстоянии.

22. Способ по п.19, в котором осуществляют повторение этапов b) -е).

23. Способ по п.19, в котором выполняют этап закрывания механизма закрывания перед уплотнением.

24. Способ по п.19, в котором выполняют дополнительный этап отдельной подачи жидкого материала в комбинации с заполнителем для облегчения протекания заполнителя.

25. Способ по п.24, в котором жидкий материал выбирают из группы, состоящей из воды, жидкого цементирующего раствора, бентонита, цемента, зольной пыли и их комбинаций.

26. Способ по п.19, в котором полая труба имеет равномерное внутреннее поперечное сечение.

27. Способ по п.19, в котором нижний головной элемент имеет внешнее поперечное сечение, превышающее внешнее поперечное сечение остальной части полой трубы.

28. Способ по п.20, в котором выполняют этап передачи статического усилия на полую трубу для осуществления погружения полой трубы и уплотнения заполнителя.

29. Способ по п.20, в котором выполняют этап передачи динамического осевого усилия на полую трубу для осуществления погружения полой трубы и уплотнения заполнителя.

30. Способ по п.19, в котором выполняют повторение этапов с) - е).

31. Способ по п.19, в котором этап первоначального увеличения, по существу, равен высоте подлежащей образованию сваи.

32. Способ по п.19, в котором этап первоначального увеличения меньше, чем высота подлежащей образованию сваи.

33. Устройство для сооружения усиливающей грунт сваи в грунтовой породе, содержащее в комбинации удлиненную полую трубу, имеющую продольную ось, причем удлиненная полая труба содержит верхний входной конец для материала, открытый разгрузочный конец нижнего головного элемента, содержащий единое крепление к полой трубе, при этом нижний головной элемент и полая труба сформированы для осуществления смещения грунта при введении в грунтовую породу, причем внешнее поперечное сечение разгрузочного конца нижнего головного элемента больше, чем внешнее поперечное сечение полой трубы, примыкающей к нему, чтобы таким образом образовать бульбообразную секцию полой трубы, имеющую форму и размер внешнего поперечного сечения больше, чем форма и размер внешнего поперечного сечения полой трубы, примыкающей к бульбообразному концу, и бульбообразный конец, имеющий поверхность, выполненную с возможностью передачи осевого и поперечного усилий при перемещении вниз на материал.

34. Устройство для сооружения усиливающей грунт сваи в грунтовой породе, содержащее в комбинации

в общем цилиндрическую удлиненную полую трубу, имеющую продольную ось, верхний входной конец для материала, открытый нижний разгрузочный конец для материала; и сформированный нижний головной элемент, прикрепленный к разгрузочному концу для материала и с проходом через него, в общем коаксиальный с указанной продольной осью; причем головной элемент включает разгрузочное отверстие с колпачком, удаляемым с разгрузочного отверстия; при этом нижний головной элемент и полая труба сформированы для введения в грунтовую породу для осуществления смещения грунта при опускании полой трубы и головного элемента в грунтовую породу, чтобы образовать полость в грунтовой породе, а колпачок выполнен с возможностью удаления от нижнего головного элемента разгрузочного отверстия, когда полую трубу впоследствии поднимают от нижней части образованной полости, причем головной элемент имеет площадь поперечного сечения, поперечную продольной оси, большую, чем площадь поперечного сечения полой трубы, поперечной продольной оси, при этом головной элемент также имеет конфигурацию, примыкающую к разгрузочному отверстию, сформированному для одновременной передачи осевого и поперечного усилий на грунтовую породу при опускании в грунтовую породу.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к устройству и способу сооружения опорных свай, состоящих из одного или больше уплотненных слоев бетонирования из материала заполнителя. Устройство обеспечивает возможность образования или сооружения сваи из одного или из множества слоев внутри грунтовой породы, одновременно укрепляя грунт, примыкающий к свае. Таким образом, устройство образует полость в грунтовой породе посредством продавливания полой трубы в грунтовую породу, сопровождаемого подъемом трубы, введения заполнителя через трубу в секцию полости ниже поднятой трубы и затем погружения трубы вниз для уплотнения материала заполнителя, одновременно продавливая материал заполнителя вбок в грунтовую породу.

В патенте США № 5249892, приведенном здесь в качестве ссылки, раскрыты способ и устройство для сооружения коротких свай из заполнителя на месте. Способ включает в себя бурение полости в грунтовой породе и затем введение и уплотнение последовательных пластов или слоев из материала заполнителя в полость для образования сваи, которая может обеспечивать опору для конструкции. Такие сваи выполняют сначала посредством бурения шурфа или полости в грунтовой породе, затем удаления бура, затем помещения относительно маленького отдельного пласта заполнителя в полость и затем трамбования или уплотнения пласта заполнителя в полости механической трамбовкой. Механическую трамбовку обычно удаляют после уплотнения каждого пласта, а затем помещают дополнительный заполнитель в полость для образования следующего уплотненного пласта или слоя. Слои или пласты заполнителя, которые уплотняют во время процесса образования сваи, обычно имеют диаметр 2-3 фута и вертикальную высоту приблизительно 12 дюймов.

Это устройство и способ создают жесткую и устойчивую колонну или сваю, пригодную для поддерживания конструкции. Однако этот способ сооружения сваи имеет ограничение в отношении глубины, на которой целесообразно выполнять способ образования сваи, и скорости, с которой можно проводить этот процесс. Другое ограничение состоит в том, что в некоторых типах грунтов, особенно в песчаных грунтах, во время бурения или процесса образования полости происходят обрушения и может потребоваться использование временной обсадной трубы, такой как стальная обсадная труба. Использование временной стальной обсадной трубы значительно замедляет сооружение сваи и поэтому увеличивает стоимость образования свай. Таким образом, обычно способ, описанный в патенте № 5249892, является ограниченным формированием свай в ограниченных типах грунта на глубинах, не превышающих приблизительно 25 футов.

В результате возникла необходимость в способе сооружения свай и связанной с ним механическом устройстве, которые можно эффективно и экономно использовать для формирования или сооружения свай на больших глубинах, с большими скоростями установки, и в песчаных или других грунтах, которые являются нестабильными при бурении, без необходимости во временной обсадной трубе, а также имеющих признаки и преимущества, связанные со способом, устройством и сооружением коротких свай из заполнителя, раскрытыми в патенте № 5249892, а также обладают дополнительными преимуществами.

Таким образом, настоящее изобретение касается способа установки сваи, образованной из одного или больше пластов или образованных слоями из материала заполнителя, с добавками или без них, который включает в себя этапы размещения или проталкивания или продавливания удлиненной полой трубы, имеющей нижний головной элемент специальной формы и уникальную конфигурацию трубы, в грунтовую породу, заполнения полой трубы, включающей в себя нижний головной элемент, материалом заполнителя, выпуска заданного объема материала заполнителя из нижнего головного элемента, когда полую трубу поднимают на заданное увеличивающееся расстояние в полости, образованной в грунтовой породе, и затем передачи осевого, статического векторного усилия и дополнительных динамических векторных усилий на полую трубу и ее специальный нижний головной элемент для передачи энергии через нижний конец полой трубы в верхнюю часть слоя выпущенного материала заполнителя, таким образом уплотняя слой материала заполнителя, а также продавливая материал заполнителя в боковом или поперечном направлении в боковые стенки полости. Подъем полой трубы, имеющей специальный нижний головной элемент, сопровождаемый проталкиванием вниз с прикладываемым осевым или вертикальным статическим векторным усилием и дополнительными динамическими векторными усилиями, воздействует на материал заполнителя, который не защищен полой трубой от боковых стенок полости во время сжатия, таким образом загущая и уплотняя материал заполнителя, а также продавливая материал наружу в грунтовую породу, благодаря боковым усилиям, прикладываемым к материалу заполнителя и грунтовой породе. Таким образом, уплотненный материал заполнителя образует "слой", который в общем имеет боковой размер или диаметр больше, чем диаметр полости, образованной полой трубой и головным элементом, приводя к сооружению сваи, образованной из одного или больше слоев.

Материал заполнителя выпускают из специального нижнего головного элемента полой трубы, когда специальный нижний головной элемент поднимают, предпочтительно заданными прирастающими шагами, сначала над основанием полости, а затем над верхним участком каждого из последовательных слоев сваи, которые образуются в полости и примыкающей грунтовой породе посредством этого процесса. Материал заполнителя, выпускаемый из полой трубы, уплотняют уплотняющими усилиями, доставляемые полой трубой и специальным нижним головным элементом после того, как полая труба поднята, чтобы открыть участок полости, выпуская материал заполнителя в этот открытый участок. Полую трубу затем продавливают вниз, чтобы уплотнять заполнитель и проталкивать его в боковом направлении в грунтовую породу. Материал заполнителя, таким образом, уплотняют с заданными последовательными приращениями или слоями. Процесс непрерывно повторяют по длине или глубине полости, так что в итоге внутри грунтовой породы образуется свая или колонна из заполнителя из отдельно уплотненных слоев или пластов. Сваю, имеющую длину сорок (40) футов или больше, можно соорудить, таким образом, в относительно короткий период времени, не удаляя полую трубу из грунта. Получающаяся свая также в общем имеет размер поперечного сечения, превышающий размер поперечного сечения полой трубы.

Можно использовать множество типов материалов заполнителя при применении этого процесса, включая щебень многих типов из карьеров или повторно используемый дробленый бетон. Добавки могут включать в себя воду, сухой цемент или жидкий цементный раствор типа жидкого цементно-песчаного раствора с добавкой зольной пыли, гидратированной извести или негашеной извести, или можно использовать любую другую добавку, которая может улучшать грузоподъемность или технические характеристики образованной сваи. В данном процессе также можно использовать комбинации этих материалов.

Полую трубу со специальным нижним головным элементом можно располагать внутри грунтовой породы с помощью проталкивания и/или вертикальной вибрации или вертикального трамбования полой трубы, имеющей ведущий конец, специального нижнего головного элемента в грунт с применением осевого или вертикального векторного статического усилия и, возможно, с сопровождением динамических векторных усилий. Грунт, который вытесняют посредством начального продавливания, проталкивания и/или вибрирования полой трубы со специальным нижним головным элементом, в общем перемещают и уплотняют в боковом направлении в ранее имеющуюся грунтовую породу, а также уплотняют вниз. Если встречается твердый или плотный пласт грунта, через твердый или плотный пласт можно проникать посредством бурения или забуривания такого пласта для образования полости или прохода, в который можно помещать и погружать полую трубу и специальный нижний головной элемент.

Полую трубу обычно выполняют из трубы равномерного диаметра с бульбообразным нижним головным элементом, и она может включать в себя механизм внутреннего клапана рядом или внутри нижнего головного элемента или механизм клапана на нижнем конце головного элемента. Полая труба является в общем цилиндрической с постоянным, равномерным, меньшим диаметром по верхней секции трубы. Нижний конец бульбообразного или большего внешнего диаметра полой трубы (то есть нижний головной элемент) выполнен за одно целое с полой трубой или может быть отдельно образован и прикреплен к нижнему концу полой трубы меньшего диаметра. Таким образом, нижний головной элемент также является в общем цилиндрическим, обычно имеет больший внешний диаметр или внешний профиль поперечного сечения, чем остальная часть полой трубы, и является концентрическим относительно центральной оси полой трубы. Ведущий конец нижнего головного элемента имеет определенную форму для облегчения проникновения в грунтовую породу и передачи требуемого векторного усилия окружающему грунту, а также материалу заполнителя, выпускаемому из полой трубы. Переход от секции полой трубы меньшего внешнего диаметра к нижнему головному элементу может иметь форму усеченного конуса. Точно так же, для нижней части головного элемента можно использовать форму усеченного конуса или коническую форму для облегчения проникновения и уплотнения грунта. Ведущий конец нижнего головного элемента может включать в себя элемент защитного колпачка, который проникает через грунтовую породу после начального размещения полой трубы в грунтовой породе, препятствуя проникновению грунта в полую трубу. Защитный колпачок затем высвобождают с конца полой трубы, чтобы открыть проход на конце, когда полую трубу сначала поднимают так, чтобы материал заполнителя мог поступать в полость, что происходит в результате поднятия полой трубы.

В качестве альтернативы, или в дополнение к этому, нижний головной элемент ведущего конца может включать в себя выпускной проход с механическим клапаном, который закрыт во время начального проникновения в грунтовую породу полой трубы и нижнего головного элемента, но который можно открывать во время подъема, чтобы выпускать материал заполнителя. Можно использовать другие типы и формы механизмов клапана ведущего конца для облегчения начального проникновения в грунтовую породу и обеспечения возможности выпускания материала заполнителя, когда поднимают полую трубу, и передачи векторного усилия в комбинации с элементом ведущего конца или нижним головным элементом, чтобы уплотнять последовательные слои.

Кроме того, устройство может включать в себя средство для размещения подъемного анкерного элемента внутри образованной сваи, а также контрольного механизма для измерения перемещения нижней части образованной сваи при нагрузке, например во время испытания под нагрузкой. Такие вспомогательные детали или средства вводят через полую трубу во время образования сваи.

Задачей настоящего изобретения является создание полой трубы с нижним головным элементом специальной конструкции, пригодной для создания уплотненной сваи из заполнителя, с добавками или без них, которая продолжается на большую глубину, и создание улучшенного способа образования сваи, которая продолжается на большую глубину, чем обычная приспособленная или выполненная по известной технологии короткая свая из заполнителя.

Еще одна задача изобретения состоит в создании улучшенных способа и устройства для образования сваи из уплотненного материала заполнителя, которые не требуют использования временной стальной обсадной трубы во время процесса образования сваи, в частности в грунтах, чувствительных к обрушению, типа песчаных грунтов.

Еще одна задача изобретения состоит в создании улучшенных способа и устройства для образования сваи из уплотненного материала заполнителя, который может включать в себя множество возможных добавок, включающих в себя смесь из камня, добавки воды, добавки сухого цемента, добавки цементирующего жидкого раствора, добавки воды-песка-цемента, добавки зольной пыли, добавки гидратированной извести или негашеной извести и добавления других типов добавок для улучшения технических свойств грунта материнской породы, материалов заполнителя и образованной сваи.

Еще одна дополнительная задача изобретения состоит в сооружении сваи из материала заполнителя, которая приспособлена для установки во многих типах грунта и которая дополнительно приспособлена к образованию на б льших глубинах и при б льших скоростях сооружения, чем известные предшествующие сооружения свай из заполнителя.

Другая задача изобретения состоит в создании устройства для образования свай, пригодного для быстрого и эффективного сооружения уплотненных многослойных свай и/или свай, состоящих только из одного слоя.

Эти и другие задачи, преимущества и признаки изобретения будут сформулированы в подробном описании, которое приведено ниже.

В подробном описании, которое приведено ниже, будут сделаны ссылки на чертежи, состоящие из следующих фигур:

фиг.1 представляет схематичный вид полой трубы с нижним головным элементом, проталкиваемым, продавливаемым или погружаемым в грунт вертикальным, статическим векторным усилием и возможными динамическими усилиями;

фиг.2 представляет схематичный вид последующего этапа от фиг.1, на котором материал заполнителя помещают в загрузочную воронку и подают в полую трубу;

фиг.3 представляет вид в разрезе загрузочной воронки, которая имеет двойные изоляционные амортизаторы и которую можно использовать в комбинации с полой трубой;

фиг.3A представляет изометрический вид в разрезе загрузочной воронки и полой трубы фиг.3;

фиг.3B представляет изометрический вид загрузочной воронки и полой трубы фиг.3;

фиг.4 представляет схематичный вид в разрезе полой трубы, имеющей внутреннее сужение или запорный клапан;

фиг.5 представляет схематичный вид, изображающий этап дополнительного введения воды, цементирующего жидкого раствора или другого дополнительного материала в полую трубу с рециркуляцией, обеспеченной к резервуару с жидким цементным раствором или водой;

фиг.6 представляет схематичный вид, изображающий этап, следующий за этапом фиг.2, на котором полую трубу с ее нижним головным элементом поднимают на заданное расстояние, чтобы временно открыть полую полость в грунтовой породе для обеспечения возможности быстрого заполнения заполнителем открываемой полой полости;

фиг.7 представляет схематичный вид этапа процесса, следующего за этапом фиг.6, на котором донный клапан в нижней части полой трубы открывают, выпуская заполнитель в незащищенную или полую секцию полости;

фиг.8A и 8B представляют схематичные виды в разрезе альтернативного варианта устройства и этапа, представленного или иллюстрируемого на фиг.7, на котором нижний головной элемент полой трубы включает в себя защитный колпачок, который высвобождают в нижнюю часть образованной полости на фиг.8B;

фиг.8C представляет вид в разрезе защитного колпачка фиг.8, взятом по линии 8C-8C на фиг.8B;

фиг.9 представляет схематичный вид, на котором полая труба и ее связанный специальный нижний головной элемент обеспечены вертикальным статическим векторным усилием с возможными динамическими усилиями для перемещения полой трубы и нижнего головного элемента вниз на заданное расстояние, воздействуя и уплотняя материал заполнителя, выпущенный из полой трубы, и проталкивая материал заполнителя в боковом направлении в грунтовую породу;

фиг.10 представляет схематичный вид полой трубы и ее специального нижнего головного элемента, поднятых на заданное расстояние для образования второго слоя;

фиг.11 представляет схематичный вид полой трубы и нижнего головного элемента, действующего, чтобы обеспечивать вертикальное векторное усилие для перемещения полой трубы и нижнего головного элемента вниз на заданное расстояние для образования второго уплотненного слоя наверху первого уплотненного слоя;

фиг.12 представляет схематичный вид полой трубы с возможным элементом стального арматурного стержня или контрольным элементом, прикрепленным к пластине для установки внутри сваи;

фиг.13 представляет схематичный вид полой трубы, на котором возможные вода или жидкий раствор воды-песка-цемента объединены в полой трубе с заполнителем;

фиг.14 представляет вид в вертикальном разрезе специального нижнего головного элемента с донным клапаном типа опускной дверцы;

фиг.15 представляет вид в разрезе нижнего головного элемента фиг.14, взятом по линии 15-15;

фиг.15А представляет вид в разрезе участка альтернативного нижнего головного элемента типа, изображенного на фиг.14;

фиг.16 представляет вид в разрезе специального нижнего головного элемента, включающего в себя защитный колпачок на нижнем конце, подобный фиг.8A;

фиг.17 представляет вид в разрезе специального нижнего головного элемента с возможным подъемным анкерным элементом или контрольным устройством, прикрепленным к пластине;

фиг.18 представляет вид в разрезе частично образованной многослойной сваи, образованной посредством полой трубы и специального нижнего головного элемента и способа по изобретению;

фиг.19 представляет вид в разрезе полностью образованной многослойной сваи, образованной посредством полой трубы и специального нижнего головного элемента и способа по изобретению;

фиг.20 представляет вид в разрезе образованной многослойной сваи с возможным стальным арматурным стержнем, имеющим прикрепленную пластину, которая обеспечивает возможность образованной свае содержать сваю с подъемным анкерным устройством или включать в себя контрольный элемент для последующего испытания под нагрузкой;

фиг.21 представляет вид в разрезе образованной сваи, предварительно нагруженной или имеющей индикаторный модуль испытаний под нагрузкой, выполняемых на завершенной свае;

фиг.22 представляет график, иллюстрирующий сравнительные диаграммы испытаний под нагрузкой по настоящему изобретению, сравниваемые с буровой бетонной сваей в той же формации грунтовой породы;

фиг.23 представляет схематичный вид в разрезе способа использования аппаратуры по изобретению для образования однослойной сваи или сваи, в которой один или больше слоев образованы последовательно, для подъема аппаратуры, продолжающейся на расстоянии от нижней части полости, образованной аппаратурой первоначально в грунтовой породе;

фиг.24 представляет схематичный вид в разрезе продолжения способа, изображенного на фиг.23;

фиг.25 представляет схематичный вид в разрезе дальнейшего продолжения этапа, изображенного на фиг.24; и

фиг.26 представляет схематичный вид в разрезе дальнейшего продолжения способа фиг.22-24.

На фиг.1, 2, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 18, 19, 20 и 23-25 изображена общая полная конструкция образующего сваю устройства или механизма и различные, а также альтернативные последовательные этапы выполнения способа по изобретению, которые производят образующееся в результате сооружение сваи. Со ссылкой на фиг.1 следует отметить, что способ применим к размещению свай в грунтовой породе, в которых требуется укрепление грунта, чтобы он стал более плотным или более прочным. Для большого разнообразия грунтов может требоваться применение на практике этого изобретения, включающих в себя, в частности, песчаный и глинистый грунт. С помощью данного изобретения можно сооружать сваи, состоящие из одного или более слоев, с использованием материалов заполнителя и, возможно, с использованием материалов заполнителя с материалами добавок типа жидкого раствора воды-песка-цемента, которые имеют большую жесткость и прочность, чем многие сваи из заполнителя предшествующего уровня техники, которые можно экономно продлевать или сооружать на большие глубины, чем многие сваи предшествующего уровня техники, которые можно образовывать без использования временной стальной обсадной трубы в отличие от многих свай предшествующего уровня техники, и которые можно устанавливать быстрее, чем многие сваи предшествующего уровня техники.

В качестве первого этапа полую трубу или полый вал 30, имеющий продольную ось 35, включающий в себя специальный нижний головной элемент 32 или вместе с ним, и связанную верхнюю концевую загрузочную воронку 34 для заполнителя проталкивают посредством устройства 37, приводящего в действие статическое осевое векторное усилие, показанного на фиг.3, и возможно, вертикально (по оси) вибрирующие или трамбующие, или оба, с динамическими векторными усилиями в грунтовую породу 36. Участок грунтовой породы 36, который содержит объем материала, вытесненного проталкиванием отрезка полой трубы 30, включающей в себя специальный нижний головной элемент 32, продавливают, прежде всего, в боковом направлении, таким образом, уплотняя примыкающую грунтовую породу 36. Как показано на фиг.1, полая труба 30 может содержать цилиндрическую стальную трубу 30, имеющую продольную ось 35 и внешний диаметр, например, в диапазоне 6-14 дюймов. В случае, когда пласт твердого или плотного грунта препятствует проталкиванию полой трубы 30 и специального нижнего головного элемента 32 в грунтовую породу 36, такой твердый или плотный пласт можно бурить или забуривать, а затем можно продолжать процесс проталкивания, используя устройство 37 приведения в действие.

Как правило, полая труба 30 имеет постоянную цилиндрическую внешнюю форму, хотя можно использовать другие формы. Хотя внешний диаметр полой трубы 30 обычно составляет 6-14 дюймов, в применении на практике изобретения можно использовать другие диаметры. Кроме того, обычно, полую трубу 30 продлевают или проталкивают в грунтовую породу 36 на максимальную глубину сваи, например до 40 футов или больше. Полую трубу 30 обычно прикрепляют к удлинителю 42 привода верхнего конца, который можно захватывать устройством или механизмом 37 приведения в действие, чтобы проталкивать и, возможно, вибрировать или трамбовать полую трубу 30 в грунтовую породу 36. Загрузочная воронка 34, которая содержит резервуар 43 для материалов заполнителя, обычно изолирована изоляционными амортизаторами 46, 48 от удлинителя 42. Вибрационное или трамбовочное устройство 37, которое прикреплено к удлинителю 42, можно поддерживать от кабеля или рычага экскаватора или подъемного крана. Вес загрузочной воронки 34, вибрационного или трамбовочного устройства 37 (с возможным дополнительным весом) и полой трубы 30 может быть достаточным для обеспечения вектора статического усилия без необходимости в отдельном приводном механизме статического усилия. Вектор статического усилия можно, если требуется, увеличивать с помощью механизма вертикального вибрационного и/или трамбовочного динамического усилия.

На фиг.3, 3A и 3B изображен специальный признак, предпочтительно связанный с загрузочной воронкой 34. Двойные изоляционные амортизаторы 46, 48 прикреплены с верхней и нижней сторон загрузочной воронки 34 для уменьшения усиления вибрации загрузочной воронки 34 и обеспечения сборки загрузочной воронки большей структурной целостности. Удлинитель 42 прикреплен к трубе 30 для передачи трубе 30 статических и динамических усилий. Удлинитель 42 изолирован от загрузочной воронки 34 и, таким образом, он способен скользить относительно амортизаторов 46, 48.

На фиг.4 изображен дополнительный признак полой трубы 30. Внутри полой трубы 30 или в специальном нижнем головном элементе, или в нижней концевой секции 32 полой трубы 30 можно устанавливать дроссельный вентиль, прижимной клапан, запорный клапан или другой тип механизма 48 клапана, чтобы частично или полностью закрывать внутренний проход полой трубы 30 и останавливать или управлять потоком или движением материалов 44 заполнителя и возможных дополнительных материалов. Этот клапан 48 можно механически или гидравлически открывать, частично открывать или закрывать, чтобы управлять движением материалов 44 заполнителя через полую трубу 30. Также можно действовать с помощью силы тяжести способом запорного клапана, который открывается, когда поднят, и закрывается, когда опущен на материал 44 заполнителя.

На фиг.14 изображена конструкция специального нижнего головного элемента или секции 32. Специальный нижний головной элемент 32 является цилиндрическим, хотя можно использовать другие формы. Как правило, внешний диаметр специального нижнего головного элемента 32 больше, чем номинальный внешний диаметр верхней секции 33 полой трубы 30, и составляет 10-18 дюймов, хотя можно использовать другие диаметры и/или профили поперечного сечения в применении изобретения на практике. Таким образом, головной элемент 32 может иметь размеры поперечного сечения такие же, как у полой трубы 30, или меньше их, хотя такая конфигурация в общем не является предпочтительной.

На фиг.14, 15 и 15A изображен вариант осуществления изобретения, имеющий механизм клапана, введенный в головной элемент 32. Головной элемент 32 имеет донную секцию в виде усеченного конуса или донный участок 50 с разгрузочным отверстием 52 для материала 44 заполнителя, который открывается и закрывается, когда пластина 54 клапана открывает или закрывает отверстие 52. Пластина 54 клапана установлена на стержне 56, который скользит во втулке 59, поддерживаемой в заданном положении радиальными распорками 58, прикрепленными к внутренним стенкам прохода головного элемента 32 полой трубы 30. Пластина 54 скользит к закрытому положению, когда полую трубу 30 продавливают вниз в грунтовую породу 36, и скользит к открытому положению, когда полую трубу 30 поднимают, таким образом обеспечивая возможность протекания материалов 44 заполнителя. Отверстием клапана 54 управляют или ограничивают стержнем 56, который имеет головку 56a, ограничивающую скользящее движение стержня 56. Полую трубу 30 можно таким образом погружать на требуемую глубину 81 (фиг.6) с отверстием 52, закрываемым пластиной 54. Затем, когда полую трубу 30 поднимают (например, на расстояние 91 на фиг.10), пластина 54 проходит вниз из-за сил тяжести так, что материал 44 заполнителя будет протекать через отверстие 52 в полость, образованную благодаря поднятию полой трубы 30. После этого на трубу 30 воздействуют или погружают вниз, закрывая пластину 54 клапана и уплотняя выпущенный материал, чтобы образовать уплотненный слой 72. В варианте осуществления по фиг.14, 15, 15A пластина 54 клапана перемещается в ответ на действие силы тяжести. Однако стержень 56 можно в качестве альтернативы возвращать на место или помогать в перемещении гидравлическим приводом, механическим или электрическим механизмом. В качестве альтернативы, как описано ниже, пластину 54 можно заменять защитным колпачком 64 или нижней пластиной подъемного анкерного устройства или контрольного механизма 70, как описано далее. Кроме того, вместо механизма клапана, изображенного на фиг.14, 15, 15A, можно использовать запорный клапан 38 на фиг.4.

Как правило, внутренний диаметр полой трубы 30 и головного элемента 32 одинаковый или равный, хотя внешний диаметр головного элемента 32 обычно больше, чем внешний диаметр полой трубы 30. В качестве альтернативы, когда используют механизм 54 клапана, внутренний диаметр головного элемента 32 может быть больше, чем внутренний диаметр полой трубы 30. Головной элемент 32 можно выполнять за одно целое с полой трубой 30 или образовывать отдельно и прикреплять болтами или приваривать к полой трубе 30. Обычно внутренний диаметр полой трубы 30 находится между 6-10 дюймами, а внешний диаметр головного элемента 32 составляет приблизительно 10-18 дюймов. Отверстие 53 на фиг.14 на крайнем нижнем конце или ведущем конце головного элемента 32 может быть равным или меньше, чем внутренний диаметр головного элемента 32. Например, со ссылкой на фиг.14, отметим, что головной элемент 32 может иметь внутренний диаметр 12 дюймов, а отверстие 53 может иметь диаметр 6-10 дюймов, в то время как на фиг.16 с вариантом осуществления защитного колпачка, описанного далее, разгрузочное отверстие головного элемента 32 имеет такой же диаметр, как и внутренний диаметр головного элемента 32 и полой трубы 30.

Пластину или клапан 54 также можно выполнить таким образом, чтобы облегчить закрывание, когда полую трубу 30 проталкивают вниз в грунтовую породу 36 или относительно материала 44 заполнителя в образованной полости. Например, диаметр элемента 54 может превышать диаметр отверстия 53, как показано на фиг.14, или край 55 элемента клапана может быть скошен, как изображено на фиг.15A, для зацепления скошенного края 59 отверстия 53. Затем при прикладывании статического или другого направленного вниз усилия к полой трубе 30 пластина 54 клапана будет удерживаться в закрытом положении в отверстии 53.

Бульбообразный нижний головной элемент 32 полой трубы 30 обычно имеет длину в диапазоне одного-трех размеров его диаметра или максимального бокового размера. Головной элемент 32 обеспечивает увеличенные боковые усилия уплотнения на грунтовой породе 36, когда труба 30 проникает или продавливается в грунт, и таким образом вызывает более легкий последующий проход секции 33 меньшего диаметра полой трубы 30. Ведущая и задняя кромки 50, 63 головного элемента 32 в виде усеченного конуса или наклонные облегчают снижающее или погружающее проникновение и боковое уплотнение грунта 36 из-за их конструкции профиля. Задняя наклонная кромка 63 на фиг.14 облегчает подъем полой трубы 30 и головного элемента 32 и боковое уплотнение грунтовой породы 36 во время этапа подъема этим способом. Снова, форма или наклонная конфигурация головного элемента 32 обеспечивают возможность достижения этого. Обычно ведущая и задняя кромки 50, 63 образуют угол 45°, 15° с продольной осью 35 полой трубы 30.

На фиг.5 представлен другой признак полой трубы 30. Впускной канал 60 и выпускной канал 62 расположены на нижнем участке загрузочной воронки 34 или верхнем конце полой трубы 30 для обеспечения возможности добавления воды или жидкого раствора типа жидкого раствора вода-песок-цемент в качестве добавки к заполнителю для специальных конструкций свай. Назначение впускного канала 62 состоит в том, чтобы поддерживать уровень воды или добавок, который будет эффективен для облегчения протекания заполнителя, а также обеспечивать возможность рециркуляции жидкого раствора от резервуара и обратно в резервуар, чтобы облегчать смешивание и удерживать водяной столб или столб жидкого раствора (давление) относительно постоянным. Впускной канал 60 и выпускной канал 62 могут вести непосредственно в загрузочную воронку 34 или в полую трубу 30 (см. фиг.13), или их можно подсоединять отдельными каналами или трубопроводами с головным элементом 32. Отметим, что разгрузочные отверстия 31 для жидкого раствора можно выполнять через полую трубу 30 над головным элементом 32, как показано на фиг.2, чтобы добавлять разгрузку жидкого раствора в кольцеобразное пространство вокруг полой трубы 30 и предотвращать заполнение полости грунтом из породы 36.

На Фиг.8A, 8B, 8C и 16 показан другой альтернативный признак нижнего головного элемента 32. Вместо задвижки 54 основания или нижнего конца можно использовать защитный колпачок 64, чтобы предотвращать засорение головного элемента 32, когда головной элемент 32 проталкивают через грунтовую породу 36. Колпачок 64 можно выполнить любым из множества способов. Например, он может быть плоским, заостренным или со скошенной кромкой. Он может быть дугообразным. Когда он скошен, он может образовывать угол 45°, 25° относительно горизонтальной оси 35. Колпачок 64 может включать в себя некоторое количество смещенных наружу лапок 87, расположенных так, чтобы входить без зазора в центральное отверстие 89 нижнего головного элемента 32 и удерживать колпачок 64 на месте до тех пор, пока полую трубу 30 сначала не поднимут, и заполнитель 44 не заставят вытекать из отверстия 52 в секцию открытой полости.

На фиг.17 изображен другой альтернативный признак специального нижнего головного элемента 32. Скользящая пластина 54 и стержень 56 для поддержки пластины 54 могут включать в себя проход или осевую трубу 57, которая обеспечивает возможность размещения арматурного элемента или стержня 68, прикрепленного к нижней пластине 70. Стержень 68 и пластина 70 будут освобождаться у нижней части образованной полости и использоваться для обеспечения подъемного анкерного устройства или контрольного механизма для того, чтобы измерять перемещение нижней части сваи во время испытания под нагрузкой. Скользящий стержень 68, прикрепленный к нижней пластине 70, можно заменять на защитный колпачок 64, закрывающий отверстие специального головного элемента 32 во время проталкивания в грунтовую породу 36, и выполнять в виде платформы для устанавливаемого подъемного анкерного устройства или контрольного механизма. Таким образом, пластину 54 донного клапана можно исключить или можно удерживать на месте при использовании подъемных анкерных или контрольных элементов. На фиг.20 изображено подъемное анкерное устройство 68, 70 или контрольный механизм на месте после образования сваи в соответствии с изобретением, в котором пластина или клапан 54 опущены.

Способ действия

На фиг.1 изображен обычный первый этап действия описанного устройства или механизма. Полую трубу 30 со специальным нижним головным элементом 32 и прикрепленным верхним удлинителем 42 и подсоединенной сборкой 34 загрузочной воронки толкают с вертикальным или осевым статическим векторным усилием, обычно дополненными динамическими векторными усилиями, в грунтовую породу 36 посредством устройства 37 приведения в действие или веса составляющих частей. Практически, используя трубу 30 со специальным нижним головным элементом 32, имеющим описанные размеры и конфигурацию, к ней прикладывают векторное усилие 5-20 тонн обычно на всем протяжении времени. На фиг.2 изображена загрузка заполнителя 44 в загрузочную воронку 34, когда полая труба 30 и приспособления достигают запланированной глубины 81 сваи в грунтовой породе 36. На фиг.6 показано последующее перемещение вверх или подъем полой трубы 30 на предварительно определенное расстояние 91 подъема, обычно 24-48 дюймов, чтобы открыть участок полости 102 под головным элементом 32 нижней секции в грунтовой породе 36.

На фиг.7 изображено открытие донного клапана 54, чтобы обеспечить возможность заполнителю 44 и возможным добавкам заполнять пространство или участок 85 полости 102 ниже специального головного элемента 32, в то время как полая труба 30 и приспособления подняты. Клапан 54 может открыться, когда полая труба 30 поднята, вследствие веса заполнителя 44 на верхней стороне клапана 54. В качестве альтернативы, клапан 54 можно приводить в действие, например, гидравлическим механизмом, или полую трубу 30 можно поднимать и затем добавлять заполнитель для протекания через отверстие 53 клапана под действием клапана 54. В качестве альтернативы, внутренний клапан 38 может открываться во время подъема или после подъема. В качестве альтернативы, если нет никакого клапана 54, защитный колпачок 64 будет высвобождаться с конца головного элемента 32 в общем под действием силы, прикладываемой весом материала 44 заполнителя, направляемого через полую трубу 30, когда специальный головной элемент 32 поднят от нижней части 81 образованной полости 102 сваи.

На фиг.9 изображено последующее проталкивание вниз полой трубы 30 и приспособлений и закрывание донного клапана 54 для уплотнения заполнителя 44 в участке 85 полости, таким образом продавливая заполнитель 44 и возможные добавки в боковом направлении, а также вертикально вниз, в грунтовую породу 36. Заданное расстояние перемещения для проталкивания вниз обычно равно расстоянию 91 подъема минус один фут, чтобы произвести завершенный слой 72 толщиной один фут после подъема на заданное расстояние 91 полой трубы 30. Проектируемая толщина слоя 72 может отличаться от одного фута в зависимости от определенных требований образуемой сваи и технических характеристик грунтовой породы 36 и заполнителя 44. Уплотнение материала 44 заполнителя, выпущенного в освобожденный участок 85 полости на фиг.7, чтобы произвести боковое перемещение материала 44 заполнителя в горизонтальном направлении, а также уплотнения в вертикальном направлении, является важным в применении изобретения на практике.

На фиг.10 изображено последующее или второе образование слоя, производимое посредством подъема полой трубы 30 и приспособлений на другое заданное расстояние 91A, обычно 24-48 дюймов, чтобы обеспечить возможность открывания донного клапана 54 (в случае использования варианта осуществления, использующего клапан 54) и прохождения или перемещения заполнителя 44 и возможных добавок в участок полости 85A, который был открыт или раскрыт при подъеме трубы 30.

Подъем полой трубы в диапазоне два (2)-четыре (4) фута, обычно сопровождаемый опусканием (как описано ниже) для образования слоя 72 сваи, имеющего вертикальный размер в один (1) фут, является обычным для материалов, образующих сваи, как здесь описано. Таким образом, осевой размер слоя 72 может находиться в диапазоне 3/4-1/5 расстояния 91, когда полая труба 30 поднята. Однако вариант осуществления, изображенный на фиг.23-26, составляет альтернативный протокол уплотнения.

На фиг.11 изображено проталкивание полой трубы 30 и приспособлений и закрывание донного клапана 54 для уплотнения заполнителя 44 в недавно открытом участке 85A полости фиг.10 и продавливание заполнителя 44 и возможных добавок в боковом направлении в грунтовую породу 36. Расстояние проталкивания равно расстоянию подъема минус планируемая толщина слоя. Когда используют способ с защитным колпачком 64, отверстие 50 основания при уплотнении заполнителя 44 можно оставлять открытым.

На фиг.18 изображена свая, частично образованная описываемым способом, в которой множество слоев 72 было последовательно образовано уплотнением, а полую трубу 30 поднимают, когда заполнитель 44 заполняет участок 85X полости. На фиг.19 изображена свая 76, полностью образованная посредством описанного способа. На фиг.20 изображена свая 76, образованная с установленным подъемным анкерным устройством 68, 70 или контрольным механизмом. На фиг.21 представлен дополнительный этап предварительной нагрузки на образованной свае 76, например, с помощью размещения груза 75 на образованной свае и дополнительного испытания модуля индикатора, выполняемого на образованной свае 76, состоящей из многочисленных уплотненных слоев 72.

На фиг.23-26 представлен альтернативный порядок образования сваи с использованием описанного устройства. Полую трубу 30 первоначально продавливают или погружают в грунтовую породу 36 до требуемой глубины 100. Крайний задний конец головного элемента 32 включает в себя механизм 54 клапана, защитный колпачок 64 или подобную деталь. Продавливание полой трубы 30 вертикально вниз в грунте образует полость 102 (фиг.23). Предполагается, что специальный нижний головной элемент 32 в общем цилиндрический, полость 102 является в общем цилиндрической и может или не может поддерживать полную конфигурацию диаметра, связанную с формой и диаметром специального нижнего головного элемента 32.

После достижения требуемого проникновения в грунт 36 материнской породы (фиг.23) полую трубу 30 поднимают к верхней части образованной полости (фиг.24). Когда она поднята, материал 44 заполнителя и возможные материалы добавок разгружаются под нижний конец специального нижнего головного элемента 32.

Возможно, материалы заполнителя разгружаются в кольцеобразное пространство 104, образованное между верхней секцией 33 полой трубы 30 и внутренними стенками образованной полости 102. Отметим, что материалы заполнителя могут течь через вспомогательные боковые проходы 108 или дополнительные трубопроводы 110 в полой трубе 30. Когда полая труба 30 поднята, полость 102 заполняется. Кроме того, материалы заполнителя в кольцеобразном пространстве 104 могут продавливаться наружу в грунтовую породу 36 и из-за конфигурации специального нижнего головного элемента 32, когда он поднят.

Таким образом, полую трубу 30 обычно поднимают по существу на полную длину первоначально образованной полости 102 и затем, как изображено на фиг.25, снова продавливают вниз, вызывая уплотнение материала в полости 102 и продавливание в боковом направлении в грунтовую породу 36 (фиг.25). Степень нисходящего перемещения полой трубы 30 зависит от различных факторов, включающих в себя размер и форму полости 102, состав и перемешивание материалов заполнителя и добавок, усилия, передаваемые на полую трубу 30, и характеристики грунтовой породы 36. Как правило, нисходящее перемещение продолжается до тех пор, пока нижний конец или основание специального нижнего головного элемента 32 не подойдет к нижней части 81 предварительно образованной полости 102 или близко к ней.

После завершения второго нисходящего перемещения полую трубу 30 поднимают обычно на полную длину полости 102, снова разгружая заполнитель и, возможно, материалы добавок во время подъема и снова заполняют заново созданную полость 102A (фиг.26). Цикл полного опускания и полного подъема завершается по меньшей мере после двух, а возможно, трех или больше раз, продавливая больше заполнителя 44 и, возможно, материалов добавок в боковом направлении в грунт 36 материнской породы. Дополнительно, цикличность можно регулировать по различным схемам, например полный подъем и опускание вслед за полным подъемом и частичным опусканием, или частичный подъем и полное опускание и их комбинации.

Можно использовать воду или жидкий раствор или другую жидкость, чтобы облегчить протекание и подачу материала 44 заполнителя через полую трубу 30. Воду можно подавать непосредственно в полую трубу 30 или через загрузочную воронку 34. Это можно делать под давлением, или напор можно обеспечивать с помощью использования загрузочной воронки 34 в качестве резервуара. Таким образом, вода, жидкий раствор или другая жидкость обеспечивают возможность эффективного протекания заполнителя, в частности, в полой трубе 30 маленького диаметра, то есть трубе 30 с диаметром 5-10 дюймов. Отметим, что обычно размер внутреннего прохода трубы 30 и/или разгрузочного отверстия превосходит по меньшей мере в 4,0 раза максимальный размер заполнителя для всех описанных вариантов осуществления. С каждым слоем 72, составляющим приблизительно 12 дюймов по вертикальной высоте, и внутренним диаметром трубы 30, составляющим приблизительно 6-10 дюймов, использование воды в качестве смазки особенно желательно.

Следует отметить, что диаметр полости 102, образованной в грунте 36 материнской породы, сравнительно меньше, чем во множестве альтернативных технологий, образующих сваи. Однако способ использования полости 102 относительно маленького диаметра или отверстия маленького размера в грунтовой породе 36 обеспечивает возможность продавливания или погружения трубы 30 на существенную глубину и последующего образования сваи, имеющей горизонтальные размеры, соответственно превышающие внешние размеры трубы 30. Использование заполнителя 44 с добавками, включающими в себя жидкие вещества, или без них, для образования одного или больше слоев посредством уплотнения и горизонтального смещения, таким образом обеспечивается полой трубой 30 и специальным нижним головным элементом 32, как описано. Слои 72 уплотняют вертикально, и заполнитель 44 продавливают в поперечном направлении с образующейся в результате крепко сцементированной конструкцией сваи.

На фиг.22 представлены результаты испытания свай по настоящему изобретению в виде сопоставления с буровой железобетонной сваей. Графики иллюстрируют перемещения трех свай, сооруженных в соответствии с изобретением (кривые A, B, C), с буровой железобетонной сваей предшествующего уровня техники (кривая D), когда сваю нагружают возрастающими нагрузками до максимальных нагрузок, а затем уменьшающимися нагрузками до нулевой нагрузки. Испытания проводили при использовании следующих условий испытаний и использовании армированной сталью буровой железобетонной сваи в качестве сваи для контрольного испытания.

Отверстие или полость приблизительно 8 дюймов в диаметре было пробурено на глубину 20 футов и заполнено бетоном для образования буровой железобетонной сваи (испытание D). В центр буровой железобетонной сваи был помещен стальной арматурный стержень, чтобы обеспечить конструктивную целостность. Картонная цилиндрическая форма 12 дюймов в диаметре была помещена на верхний участок сваи, чтобы облегчить последующее испытание на сжатие под нагрузкой. Грунт материнской породы для всех четырех испытаний представлял собой от мелкодисперсных частиц до среднезернистого песка средней плотности со стандартным количеством ударов проникновения (SPT's) в диапазоне 3-17 ударов на фут. Грунтовая вода была расположена на глубине приблизительно 10 футов ниже поверхности земли.

Сваи из заполнителя по изобретению, описанные в испытаниях A, B и C, были выполнены посредством полой трубы 30 с внешним диаметром шесть (6) дюймов и со специальным нижним головным элементом 32 с внешним диаметром 10 дюймов. В испытаниях A и B использовали только заполнитель. В испытании C использовали заполнитель и цементирующий жидкий раствор. В испытании А использовали заданные перемещения подъема на два фута и заданные проталкивающие вниз перемещения на один фут, в результате которых получили множество слоев в один фут. В испытании B использовали заданные перемещения вверх на три фута и заданные перемещения проталкивания вниз на два фута, снова приводящие к слоям в один фут. В испытании C использовали заданные перемещения вверх на два фута и заданные перемещения проталкивания вниз на один фут и включенную добавку цементирующего жидкого раствора.

Анализ данных может быть отнесен к жесткости или модульности сооруженных свай. При отклонении 0,5 дюйма испытание А соответствовало нагрузке 27 тонн, испытание B соответствовало нагрузке 35 тонн, испытание C соответствовало нагрузке 47 тонн, а испытание D соответствовало нагрузке 16 тонн. Таким образом, при такой величине отклонения (0,5 дюйма) и использовании испытания B как стандартного испытания и базиса для сравнения коэффициент относительной жесткости для испытания B составил 1,0, для испытания A составил 0,77, для испытания C составил 1,34, а для испытания D составил 0,46. Стандартное испытание B в 2,19 раза более жесткое, чем для контрольной испытательной сваи испытания D. Стандартное испытание B в 1,30 раза более жесткое, чем испытание A, тогда как испытание C с добавкой из жидкого раствора в 2,94 раза более жесткое, чем железобетонная свая предшествующего уровня техники (испытание D). Это иллюстрирует, что модули свай, образованных в соответствии с изобретением, по существу превосходят модули буровой железобетонной армированной сталью сваи (испытание D). Эти испытания также иллюстрируют, что процесс перемещения с подъемом на три фута с перемещением проталкивания вниз на два фута превосходил процесс перемещения с подъемом на два фута и перемещения проталкивания вниз на один фут. Испытания также иллюстрируют, что использование добавки из жидкого цементирующего раствора по существу улучшило жесткость образованной сваи для отклонения меньше, чем приблизительно 0,75 дюйма, но по существу не улучшило жесткость образованной сваи по сравнению с испытанием B для отклонений больше, чем приблизительно 0,9 дюйма.

В предпочтительном варианте осуществления, поскольку нижний головной элемент 32 полой трубы или полого вала 30 имеет большую площадь поперечного сечения, это приводит к различным преимуществам. Во-первых, конфигурация устройства, при использовании механизма 54 донного клапана, уменьшает возможность того, что материал заполнителя засорит устройство во время образования полости 102 в грунтовой породе 36, а также когда полая труба 30 частично вытянута из грунтовой породы 36, чтобы открыть или образовать полость 85 внутри грунтовой породы 36. Кроме того, конфигурация обеспечивает возможность передачи дополнительной энергии от векторов статических усилий и векторов динамических усилий через нижний головной элемент 32 устройства и ударов по заполнителю 44 в полости 70. Другое преимущество состоит в том, что трение полой трубы 30 на стороне образованной полости 102 в земле уменьшено благодаря тому, что эффективный диаметр полой трубы 30 меньше, чем эффективный диаметр нижнего головного элемента 32. То есть площадь поперечного сечения остальной части полой трубы 30 уменьшена. Это позволяет быстрее проталкивать в грунт и обеспечивает возможность проталкивать через формации, которые можно считать более прочными или твердыми. Головной элемент 32 большей площади поперечного сечения также увеличивает способность обеспечить секцию 102 полости с определенными размерами для приема заполнителя 44, которая имеет больший объем, чем объем, связанный с остальной частью полого вала 30, таким образом обеспечивая возможность для дополнительного материала принимать и продольные (или осевые), и перпендикулярные (или поперечные) усилия при образовании слоя 72. Уменьшенное трение полой трубы 30 на стороне образованной полости 102 в грунте 36 также обеспечивает преимущество более легкого подъема полой трубы 30 во время образования сваи.

В способе по изобретению самый нижний слой 72 может быть большего эффективного диаметра и иметь другое количество обеспеченного в нем заполнителя. Таким образом, нижний слой 72 или самый нижний слой в свае 76 можно образовать имеющим большее поперечное сечение, а также большую глубину, образуя основу для сваи 76. Другими словами, посредством примера, самый нижний участок или самый нижний слой 72 можно создавать, поднимая полый вал 30 на три фута и затем уменьшая высоту слоя 72 до одного фута, тогда как последующие слои 72 можно создавать, поднимая полый вал 30 на два фута и уменьшая толщину слоя 72 до одного фута.

Завершенную сваю 76, как упоминалось выше, можно предварительно нагружать после того, как она была образована, прикладывая статическую нагрузку или динамическую нагрузку 75 на верхней части сваи 76 в течение установленного периода времени (см. фиг.21). Таким образом, нагрузку 75 можно прикладывать к верхней части сваи 76 в течение периода времени от 30 секунд до 15 минут или дольше. Это прикладывание усилия также может обеспечить "испытание индикатора модуля", поскольку статическая нагрузка 75, приложенная к верхней части сваи 76, может сопровождаться измерением отклонения, накапливающегося под действием статической нагрузки 75. Испытание индикатора модуля можно включать в предварительную нагрузку каждой сваи для достижения двух целей одним действием; а именно (1) прикладывание предварительной нагрузки и (2) выполнение испытания индикатора модуля.

Материал 44 заполнителя, который используют в создании сваи 76, может быть различным. То есть в полость 85 можно помещать чистый камень из заполнителя. Такой камень может иметь номинальный размер с диаметром 40 мм с менее 5%, имеющими номинальный диаметр меньше, чем 2 мм. Впоследствии в образованный материал можно вводить жидкий раствор, как описано выше. Жидкий раствор можно вводить одновременно с введением заполнителя 44 или до того, или после того.

Когда используют частоту вибрации для передачи динамического усилия, частота вибрации усилия, передаваемого на полый вал или полую трубу 30, находится предпочтительно в диапазоне между 300 и 3000 оборотов в минуту. Отношение различных диаметров полой трубы или вала 30 к головному элементу 32 находится обычно в диапазоне 0,92-0,50. Как предварительно упоминалось, угол наклона нижней части может находиться в диапазоне между 30° и 60° относительно продольной оси 35.

В качестве дополнительного признака изобретения способ образования сваи можно выполнять, вводя полую трубу 30 со специальным нижним головным элементом 32 до полной глубины 81 намеченной сваи. Впоследствии полую трубу 30 и специальный нижний головной элемент 32 поднимают на полную длину намеченной сваи с непрерывном перемещением, когда заполнитель и/или жидкий раствор, или другую жидкость вводят в полость, когда полая труба 30 и специальный нижний головной элемент 32 подняты. Впоследствии после достижения верхней части намеченной сваи полую трубу 30 и специальный нижний головной элемент 32 можно снова статически проталкивать и, возможно, усиливать посредством механизма динамического усилия вертикальной вибрации и/или трамбования вниз или к нижней части сваи в формации. Заполнитель 44 и/или жидкий раствор, или другой материал, заполняющий полость, предварительно разгруженный, будет перемещаться в поперечном направлении в грунтовую породу, поскольку его вытесняют перемещением вниз полой трубы 30 и головного элемента 32. Затем процесс можно повторять с полой трубой 30 и нижним головным элементом 32, поднимаемыми либо на оставшуюся длину или глубину намеченной сваи, либо на меньшую длину, в каждом случае с заполнителем и/или жидким веществом, заполняющим вновь созданную полость, когда полая труба 30 поднята. Таким образом, образующий сваи материал может содержать один слой или ряд слоев с дополнительным материалом заполнителя и возможным жидким раствором и/или другими добавками, перемещенными в боковом направлении к сторонам полой полости и в грунтовую породу.

Отметим, что механизм для реализации вышеупомянутых процедур и способов может работать ускоренным образом. Погружение полой трубы 30 и головного элемента 32 вниз можно производить несколько быстрее, например за две минуты или меньше. Подъем полой трубы 30 и головного элемента 32 с приращением на частичное или полное расстояние внутри образованной полости может занять даже меньше времени, в зависимости от расстояния перемещения подъема и скорости подъема. Таким образом, сваю образуют из грунтовой породы 36 за несколько минут. Следовательно, скорость производства, связанного со способом и устройством по изобретению, значительно быстрее.

Таким образом, для способа, а также устройства можно выполнять различные модификации и изменения в пределах объема изобретения. Таким образом, можно изменять конструкцию и способ действия по изобретению, не выходя за рамки его сущности и объема. Можно использовать альтернативные конфигурации полых труб, размеры, профили поперечного сечения и длины труб. Специальный головной элемент 32 может отличаться по своей конфигурации и использованию. Донный клапан 54 может отличаться по своей конфигурации и использованию, или может быть исключен при использовании защитного колпачка. Ведущий конец нижнего головного элемента 32 может иметь любую подходящую форму. Например, он может быть заостренным, конической формы, тупоконечным, в виде винта или любой формы, которая облегчает проникновение в грунт материнской породы и уплотнение материала заполнителя. Можно использовать расширенный или бульбообразный головной элемент 32 в комбинации с одной или больше секций увеличенного внешнего диаметра полой трубы 30, имеющих различные формы или конфигурации. Поэтому изобретение должно быть ограничено только последующей формулой изобретения и ее эквивалентами.