способ для испытания несущей способности с использованием кольцевого датчика (варианты)

Формула изобретения

1. Способ приложения нагрузки к свае, в котором:

размещают верхнюю часть ниже первого участка сваи, при этом верхнюю часть крепят к первому участку сваи;

размещают донную часть вблизи от верхней части, при этом зону отделения создают таким образом, что введение текучей среды под давлением в зону отделения обеспечивает силу, стремящуюся продвинуть верхнюю часть и донную часть друг от друга, и вызывает продвижение вверх верхней части на первом участке сваи, причем, по меньшей мере, часть поперечного сечения верхней части и, по меньшей мере, часть поперечного сечения донной части открыта для обеспечения прохождения материалов сверху от верхней части книзу от донной части,

размещают верхнюю часть и донную часть перед отливкой сваи, при этом материалы для отливки сваи проходят через открытую часть поперечного сечения верхней части и открытую часть поперечного сечения донной части и, если происходит отделение верхней части и донной части, то верхняя часть и донная часть сохраняют относительное боковое положение в течение отделения; и

вводят текучую среду в зону отделения, чтобы приложить нагрузку к свае.

2. Способ по п.1, в котором донную часть размещают над вторым участком сваи, при этом донную часть крепят ко второму участку сваи.

3. Способ по п.2, в котором первый участок сваи, верхняя часть, донная часть и второй участок сваи действуют как единая свая.

4. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, 20% площади поперечного сечения верхней части и, по меньшей мере, 20% площади поперечного сечения донной части открыты.

5. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, 40% площади поперечного сечения верхней части и, по меньшей мере, 40% площади поперечного сечения донной части открыты.

6. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, 60% площади поперечного сечения верхней части и, по меньшей мере, 60% площади поперечного сечения донной части открыты.

7. Способ по п.1, в котором текучая среда является самоуплотняющей.

8. Способ по п.1, в котором текучую среду под давлением вводят в эластичный баллон в зоне отделения.

9. Способ по п.1, в котором верхнюю часть выполняют кольцеобразной с u-образным поперечным сечением, а донную часть выполняют кольцеобразной с формой поперечного сечения, дополняющей u-образное поперечное сечение верхней части.

10. Способ по п.9, в котором верхняя часть содержит внутреннюю стенку и наружную стенку, которые формируют боковые стороны с u-образной конфигурацией, и первый наполнительный материал, способный противостоять высокому давлению, который формирует первую границу зоны отделения, при этом донная часть содержит второй наполнительный материал, способный противостоять высокому давлению, который формирует вторую границу зоны отделения, а, когда верхняя часть и донная часть отделены, внутренняя стенка и наружная стенка верхней части становятся дополнительными границами зоны отделения.

11. Способ по п.1, в котором верхнюю часть выполняют кольцеобразной с u-образным поперечным сечением, донную часть выполняют кольцеобразной с u-образным поперечным сечением, имеющим открытый конец, при этом открытый конец донной части расположен в u-образной верхней части, причем, когда текучую среду под давлением вводят в зону отделения, наружная стенка донной части будет продвинута к наружной стенке верхней части, чтобы создать уплотнение, и внутренняя стенка донной части будет продвинута к внутренней стенке верхней части, чтобы создать уплотнение.

12. Способ по п.2, в котором донная часть содержит донную пластину, при этом донную пластину крепят ко второму участку сваи.

13. Способ по п.1, в котором дополнительно осуществляют определение нагрузки, прилагаемой к свае.

14. Способ по п.2, в котором дополнительно осуществляют определение нагрузки, прилагаемой к первому участку сваи и ко второму участку сваи.

15. Способ по п.1, в котором после введения текучей среды в зону отделения дополнительно осуществляют заполнение зоны отделения материалом, способным затвердевать, так чтобы сохранять отделение верхней части и донной части, при этом верхняя часть и донная часть действуют как единая свая.

16. Способ по п.1, в котором текучую среду под давлением вводят в зону отделения после отливки сваи.

17. Способ по п.14, в котором донную часть размещают над вторым участком сваи, при этом первый участок сваи и второй участок сваи граничат через открытую часть поперечного сечения верхней части и открытую часть поперечного сечения донной части, причем после введения текучей среды в зону отделения дополнительно осуществляют заполнение трещин между первым участком сваи и вторым участком сваи в части сваи, сопрягающейся через открытую часть поперечного сечения верхней части и открытую часть поперечного сечения донной части.

18. Способ по п.14, в котором донную часть размещают над вторым участком сваи, при этом первый участок сваи и второй участок сваи прилегают вокруг внешнего периметра поперечного сечения верхней части и внешнего периметра поперечного сечения донной части, причем после введения текучей среды в зону отделения дополнительно осуществляют заполнение трещин между первым участком сваи и вторым участком сваи в части сваи, прилегающей вокруг внешнего периметра поперечного сечения верхней части и внешнего периметра поперечного сечения донной части.

19. Способ по п.1, в котором открытую часть поперечного сечения верхней части размещают по центру поперечного сечения верхней части, а открытую часть поперечного сечения донной части размещают по центру поперечного сечения донной части.

20. Способ создания большого количества свай для выдерживания рабочей нагрузки, в котором:

размещают большое количество свай в требуемом положении в толще породы для выдерживания рабочей нагрузки, при этом, по меньшей мере, две из свай включают в себя датчик нагрузки, причем каждый датчик нагрузки содержит:

верхнюю часть, расположенную ниже первого участка сваи;

донную часть, расположенную вблизи от верхней части, при этом создана зона отделения, так что введение текучей среды под давлением в зону отделения создает силу, стремящуюся переместить верхнюю часть и донную часть друг от друга, и вызывает продвижение верхней части вверх на первом участке сваи, причем, по меньшей мере, часть поперечного сечения верхней части и поперечного сечения донной части открыта для обеспечения прохождения материала сверху от верхней части книзу от донной части,

причем верхнюю часть и донную часть размещают перед отливкой сваи, при этом материалы для отливки сваи проходят через открытую часть поперечного сечения верхней части и открытую часть поперечного сечения донной части и, если происходит отделение верхней части и донной части, то верхняя часть и донная часть сохраняют относительное боковое положение в течение отделения;

осуществляют приложение нагрузки к каждому датчику нагрузки, по меньшей мере, двух свай, включающих в себя датчики нагрузки;

измеряют результат приложенной нагрузки, по меньшей мере, на двух сваях;

осуществляют определение того, отвечает ли большое количество свай, по меньшей мере, одному конструктивному критерию для выдерживания рабочей нагрузки, при этом такое определение выполняют на основе приложенной нагрузки и измеренного результата приложенной нагрузки, по меньшей мере, на двух сваях.

21. Способ по п.20, в котором один, по меньшей мере, из одного конструктивного критерия представляет собой коэффициент безопасности.

22. Способ по п.20, в котором датчики нагрузки включены, по меньшей мере, в 10% большого количества свай.

23. Способ по п.20, в котором датчики нагрузки включены, по меньшей мере, в 50% большого количества свай.

24. Способ по п.20, в котором датчики нагрузки включены, по меньшей мере, в 80% большого количества свай.

25. Способ по п.20, в котором датчики нагрузки включены, по меньшей мере, в 90% большого количества свай.

26. Способ по п.20, в котором датчики нагрузки включены в 100% большого количества свай.

27. Способ по п.20, в котором коэффициент сопротивления большого количества свай составляет, по меньшей мере, 0,6.

28. Способ по п.20, в котором коэффициент сопротивления большого количества свай составляет, по меньшей мере, 0,9.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу и к устройству для испытания несущей способности бетонных стволов с использованием кольцевого датчика нагрузки.

Создаваемые с использованием бурения стволы или опоры часто применяют в фундаментах глубокого заложения, поскольку они обеспечивают экономичную альтернативу другим типам фундаментов глубокого заложения. Буровые опоры обычно формируют посредством выполнения в грунте цилиндрической скважины, последующего расположения в скважине армирующей стали и ее заполнения литым бетоном. Выемке грунта может содействовать использование бурового раствора, трубных креплений или чего-то подобного. Когда бетон затвердевает, будет образована опора конструкции, пригодная для выдерживания нагрузки. Диаметр этих опор может составлять несколько футов, а глубина 50 футов или более. Их обычно конструируют таким образом, чтобы выдерживать осевые и разрывные сдавливающие нагрузки.

Сваи, как правило, изготавливаемые из бетона, обычно используют для формирования фундаментов зданий и других больших сооружений. Может быть выполнена жесткая или гибкая свая. Назначение свайного фундамента заключается в передаче и распределении нагрузки. Сваи могут быть введены или сооружены посредством широкого разнообразия способов, включая, но не ограничиваясь этим, забивание, вдавливание или иное введение посредством толкающего, оказывающего давление (как в случае монолитных свай, отформованных в пробуренной скважине) или ударного воздействия, и заливкой по месту с различными типами арматуры или без нее, и в любом сочетании. Широкий диапазон типов свай может быть использован в зависимости от типа почвы и конструктивных требований, предъявляемых к зданию или к другой большой конструкции. Примеры типов свай включают в себя деревянные сваи, сваи из стальных труб, забивные бетонные сваи и отливаемые по месту бетонные сваи, также известные как буронабивные сваи, монолитные сваи, отформованные в пробуренной скважине, и буровые стволы. Монолитные сваи, отформованные в пробуренной скважине, представляют собой обычную форму буронабивных свай, в случае которых полый бур вводят в грунт и затем отводят с помощью вводимого под давлением жидкого цементирующего раствора в донном конце, так чтобы оставить в грунте приблизительно цилиндрическую колонну из жидкого строительного раствора, в которую опускают любую требуемую стальную арматуру. Когда жидкий строительный раствор затвердевает, получение сваи будет завершено. Стороны свай могут быть параллельными или сужающимися. Сваи в виде стальных труб могут быть забиты в грунт. В дальнейшем такие сваи могут быть заполнены бетоном или оставлены незаполненными. Предварительно отлитые бетонные сваи могут быть забиты в грунт. Часто предварительно отлитый бетон представляет собой предварительно напряженный бетон, чтобы он противостоял напряжениям, возникающим при забивке и при обращении с ним. Отлитые по месту бетонные сваи могут быть образованы в виде стволов из бетонного литья в трубах, представляющих собой тонкую оболочку, которые забивают в грунт. В случае буронабивных свай в грунте может быть пробурена скважина, которую в дальнейшем заполняют арматурой и бетоном. Для формирования сваи, бетонируемой в обсадной трубе, обсадная труба может быть введена в скважину перед ее заполнением бетоном. Буронабивные сваи, бетонные сваи-оболочки, формируемые в стальной, погруженной в грунт обойме, буронабивные монолитные железобетонные сваи, формируемые в вынимаемой из грунта стальной оболочке многоразового использования, и монолитные сваи, формируемые в пробуренной скважине, можно считать не смещаемыми сваями.

Готовый конструктивный элемент фундамента, такой как опора или свая, обладает способностью выдерживания осевой нагрузки, которая обычно отличается компонентами концевого опирания (q_b) и бокового опирания, который представляет собой функцию поверхностного трения (f_s). Нагрузки, приложенные у верхнего конца элемента, будут переданы к боковым стенкам элемента и к донной части элемента. Несущая способность у конца представляет собой меру максимальной нагрузки, которая может быть здесь выдержана, при этом она будет зависеть от ряда факторов, включая диаметр элемента и состав геоматериала (почвы, скальной породы и т.д.). Боковая несущая способность представляет собой меру способности выдерживания нагрузки, порождаемой поверхностным трением, развиваемым между боковой стороной опоры/сваи и геоматериалом. Она зависит от ряда факторов, включающих в себя состав элемента фундамента и геоматериала, формирующего боковую сторону элемента, которая может изменяться по длине (глубине). Сумма концевой и боковой несущих способностей, в общем, представляет собой полную нагрузку, которая может быть удержана элементом без просадки или скольжения, которые могут вызвать разрушительные перемещения готового здания или моста сверху от фундамента.

Хотя желательно знать максимальную конечную и боковую несущую способность для конкретной опоры или забитой сваи, затруднительно выполнить такие измерения с высокой степенью достоверности. Фундаментальные инженерные принципы учитывают эти затруднения посредством установления конечной и боковой несущей способности для элемента фундамента на основе его диаметра и глубины, геоматериала у конца элемента и вдоль его боковой стороны, а также других факторов. Далее к вычисленным конечной и боковой несущим способностям обычно добавляют коэффициент безопасности. Такие коэффициенты безопасности выбирают для учета большого количества неизвестных факторов, которые могут оказывать вредное влияние на боковое опирание и концевое опирание, включая напряженные состояния геоматериала и его свойства, шероховатость буровой скважины, получаемую в процессе бурения, разрушение геоматериала у поверхности раздела буровой скважины-ствола в течение бурения, продолжительность времени, в течение которого буровая скважина остается открытой перед размещением в ней бетона, остаточные воздействия буровых растворов, напряжения на стенках буровой скважины, создаваемые при размещении бетона, а также другие детали, связанные с конструкцией. Например, для боковой несущей способности обычно используют коэффициент безопасности порядка 2, чтобы уменьшить наполовину вычисленную величину, создаваемую поверхностным трением. Подобным же образом, к вычисленной несущей способности конца часто применяют коэффициент безопасности порядка 3, отражая этим приведенные выше конструктивные неопределенности и что-либо иное. Расчет коэффициента сопротивления нагрузке (LRFD) представляет собой альтернативный способ проведения анализа, используемый для проектирования безопасных и эффективных конструкций фундаментов посредством введения коэффициентов нагрузки и сопротивления на основании известного изменения прилагаемых нагрузок и свойств материалов.

Использование коэффициентов безопасности или коэффициентов (LRFD), хотя и обеспечивает разумный учет многих неопределенностей в конструкции с опорой в пробуренной скважине и при забивке свайного ряда, часто приводит к тому, что для таких элементов фундамента установленные способности безопасного выдерживания нагрузки будут весьма умеренными. Чтобы это компенсировать, строители сооружают большие, более глубокие элементы и/или большее количество элементов, чем это необходимо для безопасного выдерживания конструктивной нагрузки, что приводит к излишнему увеличению времени, усилий и расходов при возведении требуемого фундамента.

В качестве частичного решения известно непосредственное измерение несущей способности конца и поверхностного трения опоры в пробуренной скважине. Это обычно выполняют по месту производственного процесса посредством использования одной или более испытательных свай.

Ostenberg (патенты США № 4614110 и № 5576494) раскрывает сильфон с параллельными пластинами, расположенный в донной части скважины перед заливкой железобетонной опоры. В сильфоне создают давление посредством текучей среды, проходящей по трубе, сосной со сваей. Поверхностное трение определяют посредством измерения вертикального смещения опоры (соответствующего перемещению верхней пластины сильфона) как функции давления в сильфоне. Подобным же образом, несущую способность конца определяют посредством измерения давления при перемещении вниз нижней пластины сильфона, которое будет указано посредством штока, прикрепленного к ней и проходящего над поверхностью через трубу для текучей среды. После завершения нагрузочного испытания давление в сильфоне сбрасывают. В дальнейшем сильфон может быть оставлен или заполнен жидким цементным раствором, причем в последнем случае он по существу становится продолжением нижнего конца опоры.

В этом случае не функциональный испытательный датчик служит в качестве основания опоры и, следовательно, может подвергнуть опасности целостность ствола. На практике от ствола, полученного с использованием бурения, в котором применяют «датчик Osterberg», часто отказываются после испытания в пользу близлежащих стволов, которые не содержат у своего основания не функциональный испытательный датчик. Поскольку расточительно в отношении времени, материалов, усилий и денежных средств оставлять образованный ствол лишь потому, что он был использован для испытаний, имеется необходимость в испытательном датчике, который в меньшей степени создает помеху использованию ствола после проведения испытания.

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способу и устройству для испытания несущей способности одних или более свай или стволов, используя кольцевой или кольцеобразный датчик нагрузки. Варианты осуществления изобретения могут обеспечить получение устройства и способа для испытания несущей способности одних или более свай или стволов, позволяющих уменьшить препятствие для использования одних или более свай или стволов после испытания.

Согласно характерному варианту осуществления изобретения при изготовлении свай (например, свай, используемых в качестве фундамента конструкции) может быть применен кольцеобразный узел. Кольцеобразный узел может быть использован при изготовлении свай, поскольку он может быть изготовлен с малыми затратами и обеспечивает возможность прохождения бетона и/или жидкого строительного раствора через узел, находясь на месте, в течение отливки сваи.

Согласно варианту изобретения в течение ведения строительства рассматриваемые кольцевые датчики могут быть расположены в большинстве свай или во всех из них, если это желательно. В других вариантах рассматриваемый кольцевой датчик может быть расположен в одной или более сваях и может оставаться в одной или более сваях после проведения испытания. В одном из вариантов изобретения, по меньшей мере, 10% изготавливаемых свай могут иметь кольцевые датчики. В других вариантах, по меньшей мере, 50%, по меньшей мере, 80%, по меньшей мере, 90% или 100% изготавливаемых свай могут иметь кольцевые датчики.

Сваи, имеющие кольцевые датчики, могут быть сконструированы с использованием более низкого коэффициента безопасности, либо повышенного коэффициента сопротивления (RF), поскольку испытываемые сваи представляют собой сваи, подлежащие использованию. Посредством испытания такого большого количества свай и большой доли свай, подлежащих использованию, когда многие сваи включают в себя варианты осуществления рассматриваемых кольцевых датчиков, в целом, может быть достигнута бóльшая достоверность несущей способности группы свай. В одном из вариантов коэффициент сопротивления может составлять 0,6. В другом варианте коэффициент сопротивления может составлять 0,9.

В варианте конструкции кольцевой датчик может быть объединен с определенной долей большого количества свай, которые будут использованы для удерживания нагрузки. В характерном варианте, по меньшей мере, 50%, по меньшей мере, 80%, по меньшей мере, 90%, а также все из свай включают в себя кольцевые датчики. В течение проведения испытания кольцевые датчики создают нагрузку, которая вызывает оседание сваи. В характерном варианте нагрузка равна той нагрузке, которую ожидают в течение предполагаемого использования сваи, либо больше нее. При этом часть ожидаемого оседания сваи, если не все оседание, можно обеспечить в течение испытания.

В варианте конструкции кольцевые датчики могут быть изготовлены с небольшими затратами, поскольку детали могут быть изготовлены из штампованного материала или предварительно сформированного, либо предварительно отлитого материала. Предпочтительно, чтобы согласно вариантам конструкции стенки кольцевого датчика могли быть изготовлены посредством штамповки материала вследствие их криволинейной формы. В частности, кольцевой датчик криволинейной формы может обеспечить возможность штамповки деталей вместо сварки и механической обработки, поскольку нет необходимости в узких допустимых отклонениях размеров.

Кроме того, компоненты кольцевых датчиков могут быть выбраны исходя из стоимости и простоты. Например, кольцевой датчик может включать в себя штампованный листовой металл, наполнительный материал, который может противостоять высоким давлениям, например, строительный раствор, обладающий высокой прочностью, и/или резину, либо мембраны из ткани или эластичные баллоны.

Следует заметить, что варианты осуществления рассматриваемого изобретения могут быть использованы совместно с одним или более типами и диаметрами скважин и/или свай. Кроме того, в одной скважине для сваи могут быть использованы один или более кольцевые датчики, либо кольцеобразные узлы согласно изобретению, при этом они могут быть расположены в разных местах вдоль скважины. Рассматриваемое изобретение предназначено для его расположения на любом уровне в пределах сваи, который можно считать приемлемым и который может находиться у донной части пробуренной скважины или сваи, либо вблизи от этой донной части. Обычно заданная высота или глубина должна быть выбрана таким образом, чтобы испытание не уменьшило несущую способность ствола или сваи. Характерный вариант осуществления изобретения включает в себя кольцевой нагрузочный испытательный узел, включающий в себя: наполнительный материал, способный противостоять высокому давлению; наружную цилиндрическую стенку, имеющую внутреннюю поверхность, которую смазывают для контакта с наполнительным материалом; внутреннюю цилиндрическую стенку, имеющую внутреннюю поверхность, которую смазывают для контакта с наполнительным материалом; одну или более линии для доступа текучей среды, предназначенные для подачи самоуплотняющей текучей среды под давлением к зоне отделения в наполнительном материале, при этом зону отделения создают посредством мембраны между наполнительным материалом. В характерном варианте осуществления изобретения может быть использована самоуплотняющая текучая среда под высоким давлением, при этом текучая среда обеспечивает уплотнение в отношении любых утечек, когда ее продвигают к возможному месту просачивания. Еще в одном варианте изобретения создан кольцевой нагрузочный испытательный узел, включающий в себя: наружный периметрический цилиндр, имеющий наружную стенку, внутреннюю стенку и верхнюю стенку, а также необязательную донную стенку; внутренний периметрический цилиндр, установленный внутри периметрического цилиндра; эластичный баллон, расположенный между верхней поверхностью внутреннего периметрического цилиндра и донной поверхностью верхней стенки наружного периметрического цилиндра; одну или более линии для доступа текучей среды, предназначенные для подачи текучей среды к эластичному баллону. В характерном варианте осуществления изобретения может быть использована самоуплотняющая текучая среда.

Еще в одном варианте осуществления изобретения создан кольцевой нагрузочный испытательный узел, включающий в себя: наполнительный материал, способный противостоять высокому давлению; наружный периметрический цилиндр, имеющий наружную стенку, внутреннюю стенку, верхнюю стенку и необязательную донную стенку, при этом внутренняя поверхность наружного периметрического цилиндра входит в контакт с наполнительным материалом; одну или более линии для доступа текучей среды к зоне отделения между наполнительным материалом и внутренней поверхностью верхней стеночной части наружного периметрического цилиндра, при этом зона отделения включает в себя мембрану, находящуюся в контакте с наполнительным элементом. Еще в одном варианте осуществления изобретения разработан способ создания свай для конструкции, при этом способ включает в себя: введение кольцеобразного узла в одну или более сваи конструкции, увеличивая при этом несущую способность и/или жесткость материала ниже сваи, воспринимающего нагрузку; последующее заполнение незначительных трещин и разломов, образованных в течение нагрузочного испытания, жидким строительным раствором и/или бетоном.

Еще в одном варианте осуществления изобретения создан кольцеобразный нагрузочный испытательный узел, включающий в себя: наполнительный материал, способный противостоять высокому давлению; наружный периметрический u-образный цилиндр, имеющий наружную стенку, внутреннюю стенку, верхнюю стенку; внутренний периметрический u-образный цилиндр, имеющий наружную стенку, внутреннюю стенку и донную стенку, при этом внутренняя поверхность наружной стенки наружного периметрического цилиндра входит в контакт с наружной поверхностью наружной стенки внутреннего периметрического цилиндра, а внутренняя поверхность внутренней стенки наружного периметрического u-образного цилиндра входит в контакт с наружной поверхностью внутренней стенки внутреннего периметрического u-образного цилиндра; одну или более линии для доступа текучей среды, предназначенные для подачи самоуплотняющей текучей среды к зоне отделения между наполнительным материалом. Зона отделения может включать в себя мембрану, входящую в контакт с наполнительным материалом.

Еще в одном варианте осуществления изобретения создан способ изготовления свай для конструкции, при этом способ включает в себя: введение кольцеобразного узла в одну или более из свай конструкции, увеличивая тем самым несущую способность и/или жесткость материала ниже сваи, воспринимающего нагрузку; последующее заполнение незначительных трещин или разломов, образованных в течение нагрузочного испытания, строительным раствором и/или бетоном.

Следует иметь в виду, что предыдущее общее описание и последующее подробное описание настоящего изобретения представлены в качестве примера и носят пояснительный характер, при этом они предназначены для дополнительного разъяснения заявленного изобретения.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг. 1А-1В представлены вид в сечении и фрагментарный вид в сечении характерного варианта осуществления настоящего изобретения.

на фиг. 2А-2С представлен вид в сечении характерного варианта осуществления настоящего изобретения.

на фиг. 3А-3С представлен вид в сечении характерного варианта осуществления настоящего изобретения.

на фиг. 4А-4С представлен вид в сечении характерного варианта осуществления настоящего изобретения.

на фиг. 5А-5С представлен вариант осуществления рассматриваемого изобретения по отношению к буровой скважине.

на фиг. 6А-6С представлены варианты изменяющейся площади поперечного сечения.

на фиг. 7 представлен вариант осуществления изобретения, включающий в себя кольцевой датчик внутри сваи.

Теперь подробно рассмотрим предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, примеры которых представлены на прилагаемых фигурах. Там, где это возможно, для обозначения одних и тех же или подобных деталей на всех фигурах будут использованы одинаковые позиции.

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к устройству и способу для испытания несущей способности одних или более свай или стволов, используя кольцевой или кольцеобразный датчик нагрузки. В вариантах осуществления изобретения могут быть созданы устройство и способ для испытания несущей способности одних или более свай или стволов, и для повышения желаемого использования одной или более из испытанных свай в качестве производственных свай. Варианты осуществления изобретения могут быть использованы со сваей, отливаемой по месту, или с буронабивной сваей.

В частности, кольцевой узел может быть использован в производственных сваях (например, в сваях, применяемых в качестве фундамента конструкции). Кольцевой узел может быть использован в производственных сваях, поскольку он может быть изготовлен с небольшими затратами и обеспечивает возможность прохождения через него бетона и/или жидкого строительного раствора по месту в течение отливки сваи.

Согласно варианту осуществления изобретения рассматриваемые кольцевые датчики, если желательно, могут быть расположены в большинстве производственных свай или во всех из них. Согласно другим вариантам осуществления изобретения рассматриваемый кольцевой датчик может быть расположен в одной или более сваях и может оставаться в одной или более сваях после проведения испытания. В одном из вариантов, по меньшей мере, 10% производственных свай могут иметь кольцевые датчики. В других вариантах кольцевые датчики могут иметь, по меньшей мере, 50%, по меньшей мере, 80%, по меньшей мере, 90% или 100% производственных свай.

Сваи, имеющие кольцевые датчики, могут быть сконструированы с использованием пониженного коэффициента безопасности или повышенного коэффициента сопротивления, поскольку испытуемые сваи представляют собой сваи, подлежащие использованию. В одном из вариантов конструкции коэффициент сопротивления может составлять 0,6. В другом варианте коэффициент сопротивления может составлять 0,9. В варианте изобретения кольцевые датчики могут быть изготовлены с низкими затратами, поскольку их детали могут быть выполнены из штампованного материала или, как вариант, могут быть выполнены из предварительно сформированного, либо предварительного отлитого материала. Предпочтительно, чтобы в вариантах конструкции стенки кольцевого датчика вследствие его криволинейной формы могли быть изготовлены посредством штамповки материала. В частности, кольцевой датчик криволинейной формы может обеспечить возможность штамповки деталей вместо сварки и механической обработки, поскольку для него не задают узкие допуски на размеры.

Кроме того, компоненты кольцевых датчиков могут быть выбраны, исходя из стоимости и простоты. Например, кольцевой датчик может включать в себя штампованный листовой металл, наполнительный материал, который может противостоять высоким давлениям, например, строительный раствор высокой прочности и/или резину, либо тканые мембраны или эластичные баллоны.

Следует заметить, что самоуплотняющая текучая среда под высоким давлением может быть использована для вариантов конструкции, не включающих в себя эластичный баллон. Эта самоуплотняющая текучая среда может быть использована в качестве заменителя гидравлической текучей среды и обычно представляет собой химическую смесь совместимых волокон, связующих полимеров и коагулирующих агентов, которые перемешиваются друг с другом и загущаются, чтобы сформировать непроницаемое уплотнение. Имеющееся в продаже соединение с подобными свойствами, которое может быть использовано в варианте конструкции, представляет собой соединение Slime^®.

Следует заметить, что варианты осуществления рассматриваемого изобретения могут быть использованы с одним или более типами стволов и свай. Кроме того, в одном стволе сваи могут быть использованы один или более кольцевые датчики или кольцеобразные узлы согласно изобретению, при этом они могут быть расположены в разных местах вдоль ствола.

На фиг. 1А показано поперечное сечение варианта осуществления рассматриваемого кольцевого датчика, а на фигуре 1В показано увеличенное сечение фрагмента L, указанного на фиг. 1А. Показанный кольцевой датчик включает в себя наружное кольцо 1 и внутреннее кольцо 2. Наружное кольцо 1 и внутреннее кольцо 2 могут иметь u-образное поперечное сечение, включающее в себя наружную кольцевую стенку, внутреннюю кольцевую стенку и верхнюю стенку. Наружное кольцо 1 может быть отштамповано из листа металла либо образовано посредством других технологий изготовления, например сварки. Внутреннее кольцо 2 также может быть отштамповано из листа металла либо может быть образовано посредством других технологий изготовления, например сварки. В варианте изобретения для предотвращения утечек текучей среды из кольцевого элемента может быть использовано уплотнение 3, 4 в оплетке. В других вариантах конструкции можно использовать прокладку или иной непроницаемый материал 3, 4 для предотвращения утечек текучей среды из кольцевого датчика. Эластичный баллон может быть заполнен гидравлической текучей средой. Когда текучая среда заполняет эластичный баллон, баллон будет расширяться. Количество текучей среды, подаваемое к эластичному баллону и создающее давление, в течение проведения нагрузочного испытания можно контролировать. В одном из вариантов конструкции для надувания эластичного баллона можно использовать гидравлический насос.

В альтернативном варианте, который показан на фиг. 2А, кольцевой датчик может включать в себя наружное кольцо 1 и наполнительный материал 6 вместо внутреннего кольца. В характерном варианте конструкции наполнительный материал может представлять собой строительный раствор высокой прочности или эластомерный эпоксидный материал. Для создания зоны отделения между верхней пластиной наружного кольца 1 и наполнительным материалом может быть расположена мембрана 7 из резины или ткани. Как вариант, вместо мембраны 7 может быть использован эластичный баллон 5. Могут быть использованы одна или более линии 8 для доступа гидравлической текучей среды к зоне отделения, проходящие через верхнюю пластину наружного кольца. При создании давления мембрана толкает наполнительный материал так, как показано на фиг. 2В.

Еще в одном варианте конструкции, показанном на фигуре 3А, кольцевой датчик может включать в себя внутреннюю цилиндрическую стенку 10 и наружную цилиндрическую стенку 11. Внутренняя цилиндрическая стенка 10 и наружная цилиндрическая стенка 11 могут быть изготовлены из стали, из полимера/пластика, обладающего высокой прочностью, или из других подходящих материалов, известных в этой области, которые способны противостоять высоким давлениям. Внутренняя цилиндрическая стенка 10 и наружная цилиндрическая стенка 11 могут быть фактически параллельными. Наполнительный материал 6, например строительный раствор высокой прочности, может быть расположен между параллельными боковыми стенками 10, 11. Внутренняя поверхность параллельных боковых стенок может быть смазана, так что наполнительный материал 6 может скользить с пониженным трением, создаваемым боковыми стенками, когда текучая среда наполняет эластичный баллон 5 или пространство между мембраной 7 из резины или ткани. Верхняя и нижняя части кольцевого датчика могут быть расположены внутри сваи таким образом, что верхняя поверхность наполнительного материала 6 входит в контакт с материалом сваи над кольцевым датчиком, а донная поверхность наполнительного материала 6 входит в контакт с материалом сваи ниже кольцевого датчика. Одна или более гидравлические линии 8 для доступа текучей среды могут обеспечить прохождение текучей среды к зоне отделения через верхнюю часть наполнительного материала 6. При создании давления мембрана толкает наполнительный материал так, как показано на фиг.3В. Для легкости позиционирования кольцевого датчика бетон или другие материалы для формирования сваи могут быть залиты через отверстие в центре этого кольцевого датчика.

Еще в одном варианте, который показан на фиг. 4А, кольцевой датчик может включать в себя верхнюю пластину 12 и донную пластину 13 или 13а, при этом внутренняя и наружная цилиндрические стенки 10, 11, а также верхняя и донная пластины 12, 13 или 13а охватывают наполнительный материал 6, например, строительный раствор высокой прочности или эластомерный эпоксидный материал, отделенный в верхней части и в донной части посредством мембраны из резины или ткани. Линия для доступа текучей среды входит в кольцевой датчик через верхнюю пластину и верхнюю часть наполнительного материал и подходит к мембранному разделителю, выполненному из резины или ткани. При необходимости также могут быть использованы О-образные кольца или другие уплотнения 18. Одна или более линии для доступа гидравлической текучей среды могут обеспечить подачу текучей среды к зоне отделения через верхнюю пластину 12 наружного кольца и верхний наполнительный материал 6. При создании давления мембрана надавливает на наполнительный материал так, как показано на фиг.4В.

Еще в одном варианте конструкции, который показан на фигуре 5А, кольцевой датчик может включать в себя наружный периметрический u-образный цилиндр 1, имеющий наружную стенку, внутреннюю стенку, верхнюю стенку; внутренний периметрический u-образный цилиндр 2, имеющий наружную стенку, внутреннюю стенку и донную стенку, при этом наружный периметрический цилиндр 1 и внутренний периметрический цилиндр 2 охватывают наполнительный материал 6, например строительный раствор, обладающий высокой прочностью, или эластомерный эпоксидный материал, отделенный в верхней части и донной части, но необязательно мембраной из резины или ткани. Линия 8 или линии для доступа текучей среды входят в кольцевой элемент через верхний периметрический u-образный цилиндр и верхний наполнительный материал к зоне отделения. Если используют самоуплотняющую текучую среду 23, то в мембране 7 из резины или ткани и в эластичном баллоне 5 нет необходимости. Как только текучая среда начинает поступать под давлением в зону отделения, внутренний u-образный цилиндр будет принудительно подан к наружному u-образному цилиндру с тенденцией уплотнения стенок внутреннего u-образного цилиндра относительно стенок наружного u-образного цилиндра, чтобы воспрепятствовать утечкам самоуплотняющей текучей среды.

Размер кольцеобразного узла может зависеть от размера ствола или буровой скважины. Наружная стенка кольцевого датчика может иметь радиус такого размера, который обеспечивает возможность ближайшего расположения по отношению к каркасу из арматурной стали, когда кольцевой элемент находится в стволе. Размер стенок может быть определен поверхностью, требуемой для приложения надлежащей силы. Варианты осуществления конструкции с верхними пластинами и/или донными пластинами могут иметь пластины, прикрепленные к участку сваи выше датчика нагрузки и/или к участку сваи ниже датчика нагрузки. Верхняя часть датчика нагрузки и донная часть датчика нагрузки расположены таким образом, что когда они отделены, их относительное боковое положение остается тем же самым. При этом участок сваи над донной частью датчика, верхняя часть датчика, и, как вариант, участок сваи ниже датчика действуют в качестве единой сваи, а не как два плавающих участка сваи. Если датчик расположен у донной части ствола, то датчик может лежать на грунте или, например, на детали из бетона, которая может иметь шесть дюймов на один фут толщины или другой соответствующей толщины. Открытый центр кольцевого датчика обеспечивает возможность легкого доступа для введения под давлением бетона или другого материала сваи за кольцевой датчик для формирования части сваи ниже кольцевого датчика. В разных характерных вариантах конструкции отверстие в центре кольцевого датчика может составлять, по меньшей мере, 25%, по меньшей мере, 50% и, по меньшей мере, 75% площади поперечного сечения кольцевого датчика. В характерном варианте конструкции, который показан на фигуре 6С, отверстие в центре кольцевого датчика может составлять, по меньшей мере, 20% площади поперечного сечения кольцевого датчика для содействия прохождению бетона через отверстие. Еще в одном варианте конструкции, показанном на фиг. 6В, отверстие составляет, по меньшей мере, 40% площади поперечного сечения кольцевого элемента, а еще в одном характерном варианте, который показан на фигуре 6А, отверстие составляет, по меньшей мере, 60% площади поперечного сечения кольцевого датчика.

Согласно вариантам осуществления конструкции текучая среда для создания давления может обеспечивать свойства самоуплотнения посредством ее подачи по линиям 8, что позволяет избежать необходимости в уплотнениях для сохранения высокого давления. В характерных вариантах осуществления конструкции может быть использована самоуплотняющая текучая среда, которая может обеспечить уплотнение для предотвращения любых утечек в узле. Такие уплотняющие текучие среды могут, например, представлять собой волокна. Использование самоуплотняющей текучей среды может уменьшить необходимость соответствия узкому диапазону допусков на размеры и/или применения других уплотняющих механизмах, например, о-образных колец. Использование самоуплотняющей текучей среды позволяет снизить стоимость изготовления и/или выполнения операции вариантами кольцевого датчика. В других вариантах могут быть использованы уплотнения 18, например о-образные кольца, когда желательно или необходимо уплотнение. Такой пример показан на фиг. 4А. В вариантах осуществления конструкции, включающих в себя эластичный баллон, могут быть использованы разнообразные текучие среды, например вода.

Бетонная свая может полностью окружать кольцеобразный узел. Бетон может быть залит через отверстие кольцевого датчика и заполняет объем вокруг всего кольцеобразного узла. Наружная стенка кольцевого датчика может иметь механизм, прикрепляемый к каркасу 21 из стальной арматуры, показанному на фигуре 2. Механизм может представлять собой одну или более скобы 9.

В течение испытания сваи бетон сваи может растрескиваться при расширении кольцевого датчика. Соответственно, в свае могут появиться незначительные трещины или разломы. Они могут быть заполнены бетоном и/или строительным раствором. Такие трещины могут быть заполнены посредством использования технологий, известных в этой области, например, с помощью средств подачи или вентиляционных линий. В вариантах конструкции кольцеобразного узла, в которых используют эластичный баллон, баллон может быть заполнен строительным раствором, который затвердевает или застывает после завершения испытания. В характерных вариантах конструкции кольцевой датчик может быть расположен у донной части пробуренной скважины или вблизи от нее. В других вариантах кольцевой датчик может быть расположен в других частях сваи, либо в большом количестве мест в свае. Если обратиться к фигуре 7, то на ней показан вариант конструкции, в котором кольцевой датчик 20 расположен внутри сваи. Кольцевой датчик 20 может быть прикреплен к каркасу 21 из стальной арматуры, например, скобой 9. В одном из вариантов линии 8 для подачи текучей среды вместо воды или гидравлической текучей среды под давлением могут подавать к эластичному баллону или к зоне расширения жидкий строительный раствор. В другом варианте, где для испытаний используют воду под давлением, вода может быть удалена через выходную линию (не показана), когда к кольцевому датчику подают жидкий строительный раствор. Еще в одном варианте конструкции полость, создаваемая между участком сваи выше кольцевого датчика и участком сваи ниже кольцевого датчика, может быть заполнена, например, строительным раствором с заполнением при этом зоны расширения. Предпочтительно, чтобы кольцевой датчик был сконструирован таким образом, чтобы при расширении часть (верх) кольцевого датчика, которая стремится продвинуться вверх при его расширении, была бы в достаточной степени прикреплена к части сваи над кольцевым датчиком, а часть (дно) кольцевого датчика, которая при его расширении стремится продвинуться вниз, была бы в достаточной степени прикреплена к части сваи ниже кольцевого датчика, при этом верхняя и донная части остаются в достаточной степени взаимосвязанными для предотвращения относительного бокового движения части сваи, соединенной с верхней частью, и части сваи, соединенной с донной частью. В этом случае, как только зона расширения кольцевого датчика будет заполнена материалом, который предотвращает прохождение верхней части и донной части назад друг к другу после расширения, кольцевой датчик будет связан с частью сваи над кольцевым датчиком и с частью сваи ниже кольцевого датчика, так чтобы сохранить целостность сваи как единой сваи, а не приводить к двум участкам сваи, плавающим относительно друг друга по вертикали или в боковом направлении.

Одно из контролируемых измерений может представлять собой измерение объема текучей среды, используемой для подачи по предназначенным для нее линиям к зоне отделения/расширения. Измерение объема может обеспечить средство для контроля отверстия кольцеобразного узла. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения могут быть использованы многие способы для измерения перемещения. В одном из вариантов перемещение гибкой детали может быть измерено так, как это известно в данной области техники. Во втором варианте перемещение можно контролировать гидроакустическим средством. В третьем варианте конструкции для контроля расстояния может быть использована система на основе света, например, лазерная или фотоэлектрическая система. В четвертом варианте конструкции можно контролировать количество текучей среды, подаваемой к эластичному баллону, и давление текучей среды. Может возникнуть необходимость в тарировании измерений вследствие разнообразия факторов, например, расширения рукава.

Следует иметь в виду, что примеры и описанные здесь варианты конструкции приведены только в иллюстративных целях и что в свете этих примеров и вариантов квалифицированным специалистам в данной области будут очевидны различные модификации и изменения, которые следует считать включенными в существо и содержание этой заявки на патент.