УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СВАЙ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
DEVICE FOR CONTROL OF PILES AND METHOD OF ITS USE

[0001] По настоящей заявке заявляется приоритет по дате подачи предварительной патентной заявки №61/305303, которая включена в описание настоящей заявки посредством ссылки.
[0002] Изобретение по настоящей заявке относится к устройству для контроля свай. Более конкретно, изобретение по настоящей заявке относится к системе контроля одноразового применения, которую можно погружать непосредственно в сваю или устанавливать на ней или другом строительном объекте.
ВКЛЮЧЕНИЕ ПОСРЕДСТВОМ ССЫЛКИ
[0003] В патенте США №6533502 автора Маквэй и др., включенном в настоящее описание посредством ссылки, раскрывается беспроводное устройство и способ для контроля свай. Кроме того, в патенте США №6783273 автора Муллинз и др., также включенном в настоящее описание посредством ссылки, раскрывается способ проверки целостности бетонных шахт. В патенте США №6301551 автора Писксалко и др., включенном в настоящее описание посредством ссылки, раскрывается дистанционный анализатор забивки свай. В патенте США №5978749 автора Ликинс младшего и др., включенном в настоящую заявку посредством ссылки, раскрывается система регистрации параметров при установке свай.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0004] Заявитель установил, что изобретение по данной заявке особенно хорошо работает применительно к установке и контролю свай, и на всем протяжении настоящей заявки описывается такое применение. Однако настоящая заявка не ограничивается сваями, и ссылка на сваи в ней не ограничивает объем настоящей заявки.
[0005] Измерительные устройства много лет используются в строительстве. Такие измерительные устройства включают в себя широкий ассортимент устройств, используемых для широкого диапазона целей на строительных площадках. К этим устройствам относятся измерительные устройства, которые используются при установке и эксплуатации опорных конструкций, таких как сваи, которые предназначены для восприятия веса верхней части конструкций, например зданий и мостов. Понятно, что важно обеспечить как правильную установку опорной конструкции, например сваи, так и ее надлежащее состояние во время всей эксплуатации на месте использования.
[0006] В отношении установки свай важно, чтобы эти конструкции были правильно построены, для того чтобы свая могла нести вес здания или верхней части конструкции. Таким образом, на протяжении нескольких лет были разработаны работающие при установке сваи системы, гарантирующие, что свая отвечает строительным требованиям к конструкции. К таким системам относятся измерительные устройства, которые работают при забивке свай, как описано в патенте США №6301551 автора Писксалко и др. Этот патент включен в настоящее описание в качестве описания известного устройства, касающегося контроля и забивки строительных свай. Такие устройства помогают забивающим сваи рабочим определить, что свая была забита в грунт правильно, без ее чрезмерного напряжения в процессе забивания.
[0007] Известны также устройства, которые используются для мониторинга сваи после ее забивки. В вышеупомянутом патенте Писксалко описаны устройства, которые можно использовать для мониторинга сваи даже после процесса забивки. Кроме того, в патенте США №6533502 автора Маквэй и др. описано устройство, используемое для мониторинга сваи после завершения процесса забивки. Информацию, получаемую этими системами, можно использовать для определения текущего состояния сваи и для оценки повреждений, которые могут или не могут произойти в результате тех или иных происшествий, включая стихийные бедствия.
[0008] Однако эти устройства работоспособны не полностью в отношении буронабивных и литых свай, когда заливка сваи и качество заливки могут определять конструкционную целостность сваи после отверждения залитого материала. В патенте США №6783273 автора Муллинз и др. предпринята попытка преодолеть недостатки известных устройств путем разработки способа тестирования целостности бетонных колонн или свай. Однако описанное в этом патенте устройство оказалось неэффективным и дорогим в эксплуатации, поэтому все еще не преодолены недостатки известных устройств для мониторинга процесса твердения литой сваи и для ее проверки на наличие дефектов в ней.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Настоящее изобретение относится к датчикам для контроля свай, более конкретно к системе контроля, которая может быть встроена в сваю и которая может считывать различные физические характеристики сваи как в процессе ее формования, так и после завершения этого процесса.
[0010] Более конкретно, одним из аспектов настоящего изобретения является система для мониторинга заливки и/или твердения отлитой сваи с помощью датчиков, установленных внутри скважины, предназначенной для заливки.
[0011] Более конкретно, в одном из вариантов множество датчиков подвешено на системе проводов, которые распределены по скважине, предназначенной для заливки. Следует, однако, иметь в виду, что термин "провод", используемый в данном описании, не ограничен металлическим многожильным проводом. В системе проводов могут использоваться любые линии связи и/или проводники, которые известны в технике и которые будут известны, в том числе, среди прочего, одиночный гибкий металлический провод или стержень, многожильные гибкие металлические провода или стержни, оптоволокно и/или беспроводные системы.
[0012] Согласно другому аспекту изобретения эта проводная система может содержать соединенные с проводом температурные датчики, вокруг которых заливается свая, и температурные датчики могут отслеживать температуру отлитой сваи. Данный отливаемый материал может быть, например, цементом, бетоном, цементным раствором и/или другим наливным материалом, а температурные датчики могут использоваться для мониторинга температурных изменений в этом отливаемом материале в процессе выдержки или твердения.
[0013] Согласно еще одному аспекту изобретения эти измеренные температурные данные могут быть введены в компьютерную систему для получения схематической или матричной интерпретации процесса твердения с целью определения целостности сваи.
[0014] Согласно еще одному аспекту изобретения цепочка датчиков, помимо температурных сенсоров, может включать в себя другие сенсорные устройства, которые могут быть использованы для мониторинга других физических характеристик сваи как в процессе заливки, так и после него.
[0015] Согласно дальнейшему аспекту изобретения предложена система мониторинга формованного монолитного объекта, изготовленного путем введения нетвердого материала в формообразующую конструкцию и затвердевания в ней материала посредством процесса твердения в формованный монолитный объект, имеющий первый предел и противоположный второй предел. Эта система содержит цепочку датчиков, устанавливаемую в формообразующую конструкцию перед процессом твердения, и линию связи, расположенную вдоль оси цепочки между ее первым и вторым концами. Цепочка содержит также множество датчиков, соединенных с линией связи между первым и вторым концами, а каждый датчик установлен в заданной позиции на этой линии. Каждый датчик содержит основную часть и оболочку, а основная часть датчика имеет электрический коннектор для электрического подключения электрической схемы датчика к линии связи в заданной позиции. Электрическая схема содержит температурный сенсор для проведения в режиме реального времени мониторинга температуры материала рядом с заданной позицией, а также электронный идентификационный код, соответствующий заданной позиции датчика вдоль оси цепочки. Датчик содержит также передающее устройство для избирательной передачи температуры в реальном времени и идентификационного кода на линию связи.
[0016] Согласно другому аспекту изобретения предложена цепочка датчиков для системы мониторинга формованного монолитного объекта. Цепочка датчиков устанавливается в формообразующую конструкцию перед процессом твердения нетвердого материала и содержит линию связи, образованную проводником, имеющим по меньшей мере один окруженный оболочкой провод, расположенный вдоль оси цепочки между ее первым и вторым концами. Первый конец имеет по меньшей мере один вывод для создания электрического соединения. Цепочка содержит также множество датчиков, соединенных с линией связи между первым и вторым концами, а каждый датчик установлен на указанном электрическом проводнике в заданной позиции вдоль линии связи. Датчик содержит основную часть и оболочку, а основная часть содержит электрический коннектор для электрического соединения электрической схемы датчика с электрическим проводником в заданной позиции. Электрическая схема содержит температурный сенсор для мониторинга в реальном времени температуры материала рядом с заданной позицией. Электрическая схема содержит также электронный идентификационный код, соответствующий заданной позиции датчика на оси цепочки, и передающее устройство для избирательной передачи величины температуры в режиме реального времени и идентификационного кода на линию связи.
[0017] Согласно другому аспекту изобретения предложен способ определения по меньшей мере одного состояния литой конструкции, заключающийся в том, что:
[0018] обеспечивают формообразующую конструкцию, имеющую первый предел и противоположный второй предел и расположенную вдоль своей оси между указанными первым и вторым пределами;
[0019] обеспечивают систему для мониторинга, содержащую по меньшей мере одну цепочку датчиков, имеющую линию связи, расположенную вдоль оси цепочки между ее первым и вторым концами, а также множество датчиков, соединенных с линией связи между первым и вторым концами; каждый датчик из множества датчиков установлен в заданной позиции вдоль линии связи между первым и вторым концами и содержит основную часть и оболочку; основная часть содержит электрический коннектор для электрического соединения электрической схемы датчика с линией связи в заданной позиции вдоль оси цепочки, а электрическая схема содержит температурный сенсор для мониторинга в реальном времени температуры рядом с указанной заданной позицией; электрическая схема содержит также идентификационный код, соответствующий заданной позиции датчика вдоль оси цепочки, и передающее устройство для избирательной передачи температуры в режиме реального времени и идентификационного кода на линию связи;
[0020] размещают по меньшей мере одну цепочку в формообразующей конструкции с расположением первого конца у первого предела и с направлением по меньшей мере части оси цепочки в сторону второго предела;
[0021] заливают отверждаемый материал внутрь формообразующей конструкции, в результате чего цепочка по меньшей мере частично оказывается залитой отверждаемым материалом;
[0022] проводят мониторинг температуры, определяемой множеством датчиков после стадии заливки по меньшей мере через установленные интервалы;
[0023] ассоциируют в реальном времени температуру от множества датчиков с каждым датчиком и с заданной позицией каждого датчика;
[0024] сочетают ассоциированную температуру с позицией множества датчиков; и/или
[0025] определяют по меньшей мере одно состояние литой конструкции.
[0026] Эти и другие задачи и преимущества станут понятны из последующего описания в сочетании с прилагаемыми чертежами.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0027] Фиг.1 - вид в разрезе буронабивной сваи с устройством контроля по настоящему изобретению.
[0028] Фиг.2 - вид в разрезе буронабивной сваи, на котором показан еще один вариант настоящего изобретения.
[0029] Фиг.3A - вид в разрезе по линии 3-3 на фиг.2, на котором показан другой вариант настоящего изобретения.
[0030] Фиг.3B - другой вид в разрезе по линии 3-3 на фиг.2, на котором показан следующий вариант настоящего изобретения.
[0031] Фиг.3C - следующий вид в разрезе по линии 3-3 на фиг.2, на котором показан еще один вариант настоящего изобретения.
[0032] Фиг.3D - еще один вид в разрезе по линии 3-3 на фиг.2, на котором показан еще один вариант настоящего изобретения.
[0033] Фиг.4 - увеличенный местный разрез датчика, изображенного на фиг.1.
[0034] Фиг.5 - частичный вид в перспективе верхней части конструкции, иллюстрирующий некоторые применения устройств по настоящему изобретению.
[0035] Фиг.6 - вид в перспективе плиты проезжей части, изображенной на фиг.5.
[0036] Фиг.7 - вид в разрезе, на котором показан процесс укладки бетона согласно одному из вариантов настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ
[0037] На сопроводительных чертежах, на которых предпочтительные и альтернативные варианты изобретения показаны только в иллюстративных целях, а не в качестве ограничения, на фиг.1 и 4 показана система 10, которая используется для измерения одной или нескольких характеристик сваи Р во время и/или после заливки бетона. Более подробно, система по данному варианту содержит первую цепочку 20 датчиков и вторую цепочку 22 датчиков для измерения изменений температуры и/или других параметров в свае во время и/или после отливки сваи. Как более подробно будет описано ниже, в системе 10 может использоваться любое количество цепочек датчиков, которые могут использоваться как в процессе твердения бетона, так и/или после этого процесса.
[0038] В этом отношении, как известно из уровня техники, свая может быть изготовлена многими различными способами. Один из этих способов заключается в заливке бетона и/или цементного раствора в скважину 26 для сваи, которая будет в целом называться формообразующей конструкцией, поскольку данное изобретение может использоваться для конструкций, не ограничивающихся буронабивными и наливными сваями. Вместе с тем, в пределах настоящего изобретения, заливаемый материал может быть любым заливаемым материалом, предназначенным для создания опорных конструкций. Указанную скважину можно делать любым известным в технике способом, в том числе, помимо прочего, путем бурения с целью создания указанной скважины в слое грунта 30. Эта скважина имеет отверстие 32 на поверхности 34 слоя грунта. Указанное отверстие может представлять собой верхний или первый предел 40 скважины 26. В данном расположении скважина тянется вниз до второго или нижнего предела 42 и имеет боковую стенку(и) 44 между верхним и нижним пределами вдоль оси 48 скважины. Кроме того, данную систему можно использовать для любых технологий, включая среди прочих буронабивные сваи (Auger Cast in Place (A.C.I.P.)), кесонные сваи (Drilled Shaft poured dry or under slurry (D.S.)), технологию с вытеснением грунта (Drilled Displacement pile (D.D.)) и/или технологию непрерывного перемещающегося шнека (Continuous Flight Auger (C.F.A.)).
[0039] Скважина 26 для сваи может также содержать арматурные конструкции, включая среди прочего арматурный каркас 50, имеющий вертикальные части 52 и горизонтальные части 54, соединенные друг с другом проволочными скрутками или соединительными элементами 58. В пределах настоящего изобретения указанная каркасная конструкция может располагаться по всей длине скважины и иметь любую форму. Цепочки могут быть присоединены к арматурному каркасу или опираться на него, или могут поддерживаться отдельной опорной конструкцией, служащей только в качестве опоры для цепочки и не связанной с какой-либо усиливающей каркасной конструкцией.
[0040] Кроме того, может быть установлено любое количество цепочек датчиков, которые могут простираться вниз внутрь скважины для сваи в продольном направлении параллельно оси 48 скважины или, в другом варианте, в других направлениях, например горизонтально в дорожных или мостовых конструкциях, что более подробно будет описано ниже. Показано расположение двух цепочек - цепочки 20 и 22. Каждая из этих цепочек расположена внутри скважины для сваи в продольном направлении и перед заливкой бетона в скважину может быть закреплена на каркасе с целью сохранения ее заданного положения.
[0041] Каждая из этих цепочек расположена между первым концом 60 и вторым концом 62 вдоль оси 64 цепочки, которая может быть параллельна оси 48 скважины. В одном из вариантов первый конец 60 может быть концом для передачи данных, а второй конец 62 может быть нижним концом, расположенным на дне скважины или недалеко от него. При этом не требуется, чтобы второй или нижний конец или концы лежали на одном уровне, а цепочки были параллельными, хотя это может быть предпочтительным с целью максимизирования точности системы, что будет более подробно описано ниже.
[0042] Между концами цепочки имеется множество датчиков 70, каждый из которых расположен в заданной позиции вдоль оси 64, причем эти заданные позиции расположены на заданном расстоянии друг от друга вдоль линии цепочки. Это расстояние может быть любым требуемым расстоянием. В одном из вариантов это расстояние может быть одинаковым. В другом варианте это расстояние может быть около шести дюймов (15,24 см). В других вариантах эти датчики могут располагаться на расстоянии около двенадцати дюймов (30,48 см) друг от друга. В других вариантах в каждой цепочке датчики могут располагаться на разных расстояниях. Опять же, имеется широкий диапазон расстояний, которые можно использовать в настоящем изобретении. Каждый датчик 70 соединен с другим и закреплен на несущей линии и/или линии связи 74, которая, по существу, может образовывать цепочки 20, 22, в которых все датчики могут закрепляться на линии 74, что более подробно будет описано ниже.
[0043] Линия 74 может быть изготовлена любым известным в технике способом, чтобы нести на себе датчики и/или передавать данные. Понятно, что несущая линия может иметь много форм. Аналогично, линия 74, используемая в качестве линии связи может иметь много форм и может быть любой известной в технике линией для передачи данных, включая среди прочего отдельный гибкий металлический провод или стержень, несколько гибких металлических проводов или стержней и/или оптоволоконный кабель, которые при необходимости помещены в защитную оболочку и/или на которые нанесено покрытие. Далее, независимо от того, является ли линия 74 несущей или линией связи, в одной группе вариантов может использоваться беспроводная сеть для полной или частичной передачи данных. Линия 74 может использоваться даже для подвода энергии к системе по настоящему изобретению. Для краткости эти возможные линии будут в целом называться проводкой. В одном варианте линия 74 является электрическим проводником 80 с двумя проводами 82 и 84, сгруппированными в оболочке 86. В качестве проводника 80 в пределах настоящего изобретения может использоваться любой электрический проводник, кабель или провод. В одном варианте провода 82 и 84 могут быть стандартными проводами 18 калибра (диаметр около 1 мм). В одних вариантах может использоваться один провод, а в других - более двух проводов. В любом случае датчики 70 соединены с проводником 80 так, чтобы они оставались зафиксированными относительно проводника в заданном положении вдоль оси цепочки. В одном варианте датчики 70 содержат электрический коннектор 90, который является коннектором зажимного типа. Однако в пределах настоящего изобретения можно использовать любой электрический коннектор. Данный зажим может быть простым фиксирующим зажимом, который имеет первый зубец 92 и второй зубец 94, при этом зубец 92 имеет форму, позволяющую прокалывать оболочку 86 провода 82 с целью получения электрического контакта с проводом 82. Аналогично, зубец 94 может иметь форму, позволяющую прокалывать оболочку 86 провода 84 с целью получения электрического контакта с проводом 84. Коннектор 90 может также содержать фиксирующее приспособление 96, которое может поддерживать требуемое поджатие зубцов к соответствующему проводу, чтобы между ними сохранялся электрический контакт. В данном варианте провод может выполнять функции "цепочки" и полностью нести на себе датчики системы в соответствующих заданных точках внутри скважины для сваи. Понятно, что эта система может быть недорогой в производстве и позволяет разместить внутри скважины для сваи большое количество датчиков температуры. Кроме того, при использовании множества датчиков они могут быть точно зафиксированы в заданных положениях, при этом показания температуры для каждого датчика могут быть точно связаны с определенным местоположением внутри сваи, что позволяет получить трехмерную матрицу температур, что более подробно будет описано ниже.
[0044] Еще в одном варианте один или несколько датчиков 70 могут содержать компенсатор натяжения 98 для снижения напряжения, действующего на соединение между датчиком и линией. Понятно, что в процессе укладки бетона на это соединение может действовать нагрузка, а компенсатор натяжения может перенаправлять эту нагрузку, снимая ее с электрического соединения.
[0045] В других вариантах настоящего изобретения датчики могут быть присоединены к линии связи или залиты в нее, при этом и линия, и датчик покрыты одной кабельной оболочкой (или вторым слоем), благодаря чему обеспечивается дополнительная защита датчика, повышается жесткость и снижается стоимость производства. В этом и других вариантах могут использоваться паяные соединения датчика и линии или другие известные в технике способы соединения, применимые для линий связи.
[0046] Остальные цепочки могут иметь подобную конфигурацию и поэтому для краткости подробно не описаны. Кроме того, для получения любого желаемого внутреннего схематического или матричного отображения процесса отверждения бетона может быть использована фактически любая схема размещения датчиков.
[0047] Датчик 70 может быть изготовлен любым известным в технике способом, например датчик может иметь основную часть 100, которая с помощью зажимного коннектора 90 закреплена на проводнике 80, причем эта основная часть может быть выполнена в виде электронной платы. Датчик 70 также содержит электрическую схему 102, которая внутри датчика 70 обеспечивает внутреннюю связь между любыми устройствами, которые могут присутствовать в датчике 70. Понятно, что это могут быть любые известные в технике сенсорные устройства, а также те, которые станут известны в будущем. В этом отношении датчик 70 может содержать устройство 110 для измерения температуры и одно или несколько устройств 111 для измерения давления, звука, ускорения, вибраций, электрического сопротивления, деформаций, электрической емкости, влажности и/или содержания химических веществ. Датчик 70 может также содержать запоминающее устройство 112, которое может хранить данные, команды, данные о положении и/или калибровочные данные. Датчик 70 может также содержать передающее устройство 114, которое может быть передатчиком, приемником и/или приемопередатчиком (проводным, как показано, или беспроводным) и которое может использоваться для передачи данных, полученных датчиком 70, что более подробно будет описано ниже. Датчик 70 может также содержать электронный идентификационный код 120, соответствующий заданному положению датчика на оси цепочки, чтобы передаваемые датчиком 70 данные могли быть локализованы внутри скважины, что позволяет создать подробное схематическое представление о точках измерения внутри скважины. Понятно, что на фиг.4 показано только схематическое изображение датчика, который может иметь разнообразные формы, а его компоненты могут быть комбинированными, например код 120 может находиться в составе запоминающего устройства 112. Кроме того, идентификационный код 120 может быть уникальным адресом для каждого из датчиков.
[0048] Датчик 70 может также содержать оболочку 122, которая полностью или частично покрывает датчик 70 и защищает некоторые или все электронные устройства от заливаемого в скважину для сваи материала. Эта оболочка может быть любой известной в технике оболочкой, в том числе помимо прочего она может быть в виде компаунда, конформного покрытия и/или нанесенного полимерного покрытия. Кроме того, как отмечалось выше, датчик может быть залит в линию. В другом варианте оболочка может быть складной оболочкой, форма которой позволяет частично или полностью помещать в нее электронные устройства. Кроме того, оболочку можно наносить кистью, распылением или погружением. Более того, эта оболочка может быть неполной, закрывающей только соединение с линией.
[0049] Затем датчик 70 может быть настроен для контроля заданных параметров, таких как температура и ее изменения, чтобы иметь возможность точно контролировать процесс отверждения и обеспечить должное затвердевание залитого материала. Датчики могут также использоваться для обнаружения дефектов внутри отлитой конструкции, исходя из различий в показаниях датчиков. Это можно осуществлять посредством контроля температур каждого датчика в реальном времени и/или посредством сбора такой информации, что более подробно будет описано ниже.
[0050] Как описано ранее, идентификационный код или уникальный адрес каждого датчика может передаваться по электрическому проводнику 80, позволяя определять точное положение отдельного датчика, чтобы его показания температуры можно было отнести к определенному местоположению внутри скважины для сваи и создать трехмерную схему или матрицу. Содержащая идентификационный код датчика информация от многих датчиков внутри скважины для сваи может быть локализована и представлена в виде перечня для получения четкой трехмерной схематической картины изменений температуры внутри залитой сваи во время затвердевания залитого материала. Данная информация может предоставляться инженеру на месте или даже инженеру на удаленном пункте, так что подробные трехмерные схемы многих заливок могут контролироваться одновременно на одном удаленном пункте. Понятно, что эта информация может быть загружена в вычислительное устройство, которое может обеспечить трехмерную схематическую диаграмму процесса твердения в реальном времени, и все изменения температуры во время твердения сваи могут быть изображены в виде графика и/или загружены в вычислительную систему, которая может рассчитать или оценить целостность отлитой сваи. Как известно, температурные отклонения могут быть признаками дефектов внутри отлитой сваи, что может быть учтено при расчетах.
[0051] При использовании недорогих датчиков, прикрепленных к висячему проводу, внутри скважины для сваи можно в виде матрицы расположить большое количество датчиков. Данная матрица из датчиков может дать подробную информацию, которая не была доступна ранее при использовании известных в технике устройств. Кроме того, поскольку датчики зафиксированы в заданном положении, минимизируется ошибка, связанная с человеческим фактором. Более того, поскольку температурные сенсоры датчика 70 находятся в прямом контакте с бетоном, достигается большая точность. Кроме того, чтобы создать трехмерное схематическое отображение данных о затвердевании, может использоваться метод триангуляции, и эти данные могут быть снова загружены в вычислительное устройство с целью получения важной информации для определения целостности сплошной отлитой сваи.
[0052] Поскольку каждый датчик имеет связанный с ним идентификационный код и установлен в заданном положении на измерительной цепочке, и если цепочка правильно установлена внутри скважины для сваи, то можно рассчитать точную картину изменений температуры и/или текущих температур во всей свае. Кроме того, принимая во внимание расположение цепочек проводов в устройстве по настоящему изобретению, внутри сваи могут быть установлены дополнительные датчики температуры, при этом итоговым результатом будет получение более точной трехмерной матрицы температур сваи в процессе твердения. Это действительно так, поскольку каждая цепочка датчиков температур является значительно менее дорогой, чем известные в технике устройства для измерения температуры и поскольку эти цепочки для измерения температуры не требуют открытых углублений, необходимых для известных устройств. Отчасти это преимущество достигается благодаря недорогой конструкции данного измерительного устройства, причем оно может быть одноразовым. Однако понятно, что в некоторых случаях применения цепочки для измерения температуры могут использоваться повторно и/или многократно.
[0053] В других вариантах цепочки 20, 22 могут присоединяться к арматурному каркасу 50 с помощью одного или нескольких зажимов 130 для лучшего закрепления каждого датчика в заданном положении внутри скважины и уменьшения какого-либо перемещения цепочки внутри скважины во время укладки бетона. Это может использоваться опять же для повышения точности матрицы или схемы температур, получаемой с помощью системы.
[0054] После того как цепочки для измерения температуры установлены внутри скважины для сваи, их можно присоединить к системе обработки данных или вычислительному устройству 150, которое может в любое время снимать показания температуры и эти показания могут контролироваться с помощью компьютера без вмешательства человека. При этом, когда система установлена для контроля затвердевания сваи, компьютерная система может взаимодействовать с датчиками 70 посредством передающего устройства 114 (приемопередатчика), чтобы в любое время или через заданные интервалы снимать температурные данные, которые можно использовать для создания трехмерной матрицы или схемы температур заливаемой и/или отверждаемой сваи в режиме реального времени, непрерывно и/или в течение установленных интервалов времени. Затем, после основного затвердевания сваи, которое занимает около 18-30 часов, эти данные можно получить из хранилища данных устройства 150 или из запоминающего устройства 112 для оценки качества отлитой конструкции. Эту информацию можно просмотреть на месте или передать с помощью приемопередающего оборудования 152 на удаленный пункт. Кроме того, если данные передаются с места строительства на удаленный пункт, то просмотр в реальном времени можно проводить на любом из этих мест. При этом могут быть использованы приемопередатчики внутри измерительного устройства и/или компьютер на месте строительства и сохраненные в компьютере данные. Датчики 70 могут сообщаться с устройством 150 беспроводным способом или посредством одной или нескольких групп линий связи 160 и 162, которые могут поддерживаться над отверстием для сваи посредством опоры 164.
[0055] Как показано на фиг.2 и 3A-3D, массивы цепочек по настоящему изобретению могут быть выполнены в разных формах. В системе 10 можно использовать любое количество цепочек датчиков для контроля залитой бетоном полости в соответствии с настоящим изобретением. Фиг.3A-3D демонстрируют примеры таких компоновок, но не все возможные компоновки. Понятно, что увеличение числа цепочек 21 датчиков, используемых в системе 10, может обеспечить более точную схематическую матрицу характеристик, которые система 10 должна контролировать. Все эти цепочки могут быть подсоединены к подобной системе обработки данных 150 или, по желанию, к отдельным системам обработки данных. Кроме того, каждая цепочка и/или датчик могут иметь систему обработки данных в пределах объема настоящего изобретения. Вдобавок, в одной или нескольких цепочках расстояние между датчиками может быть различным в пределах объема настоящего изобретения.
[0056] По другим вариантам в одной или нескольких цепочках датчики могут быть скомпонованы различным образом, например каждый второй датчик может иметь температурный сенсор, а другие датчики в цепочке - один из других сенсоров, указанных ранее. Хотя это может снизить разрешение матрицы, отдельные параметры могут контролироваться отдельно. На фиг.2 представлена компоновка 170 датчиков, в которой имеются цепочки 21A-21B. Цепочка 21A датчиков содержит лишь температурные датчики 70, а цепочка 21B содержит как датчики 70, так и датчики 70А для измерения других параметров. В цепочке 21С датчики расположены на разных расстояниях друг от друга, что опять же можно использовать для регулирования матрицы, полученной с помощью этой системы. Цепочка 21D содержит как датчики 70, так и датчик 70A, который расположен на другом расстоянии от соседних датчиков.
[0057] На фиг.5 и 6 представлены другие примеры использования настоящего изобретения. Показано использование устройства по настоящему изобретению для контроля некоторых или всех участков строительных конструкций или верхних частей сооружений после стадии строительства. Как было подробно описано выше, цепочки датчиков в данном применении могут образовывать постоянную часть отлитой конструкции в том затвердевшем материале, который был залит прямо на массив датчиков, поэтому они будут навсегда замоноличены в сваю или опорную конструкцию. Такое решение обеспечивает не только снижение себестоимости и повышение точности, как отмечалось ранее, но это может быть использовано для контроля конструкции даже после завершения строительства. Поэтому эти устройства для контроля и система обработки данных могут функционировать после окончания строительства с целью постоянного наблюдения за физическими характеристиками, такими как температурные изменения, чтобы можно было обнаруживать дефекты в процессе работы конструкции или для другой цели.
[0058] Представлен вид в перспективе конструкции моста, имеющего одну или несколько систем контроля в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения. Эти системы встроены в разные составные части наземной конструкции моста. Более конкретно, мостовая конструкция 200 включает в себя сваю 202, дорожное полотно 204 и боковую конструкцию 206. Каждый из этих компонентов может включать в себя одну или несколько цепочек 21 датчиков, которые можно использовать как в процессе отливки этих компонентов, так и после завершения строительства моста.
[0059] Температурные изменения могут быть признаком дефектов в этих конструкциях в течение процесса заливки и после того, как конструкция полностью затвердела. На боковом участке 212 сваи 202 изображен дефект 210. Цепочка 21А датчиков проходит через этот дефект и может быть использована для его обнаружения, с тем чтобы рабочая бригада смогла оценить и исправить дефект до того, как он станет трудноустранимым. При этом датчики 70A и 70B находятся в дефекте, а датчик 70C - рядом с ним. Так как на датчики 70A и 70B внешняя среда влияет в большей степени, то они могут зарегистрировать большие температурные изменения, чем датчик 70C. Информацию об этом можно сохранить на короткое или долгое время или переслать посредством сменного запоминающего устройства или информационного выхода (например, с помощью USB-порта или беспроводным путем). Эта информация может быть также передана с помощью приемопередатчика 216 на удаленную станцию мониторинга, которая затем может использовать эту информацию, чтобы определить возможность наличия аномалии или дефекта в данной конструкции. Затем, как только будет установлено, что имеется вероятность дефекта или аномалии внутри конструкции сваи, можно направить бригаду обслуживания для проверки конструкции и подтверждения необходимости проведения нужных работ. Это может быть использовано для более эффективного исправления возможных конструкционных проблем рабочей бригадой. В других вариантах эта система и/или станция мониторинга может послать сигнал, который может быть обнаружен проходящим дорожно-ремонтным транспортным средством, и дорожная бригада может остановиться и проверить возможный дефект.
[0060] Боковая конструкция 206 аналогично может содержать цепочки 21B и 21C датчиков, соединенные с приемопередатчиком 220, при этом дефект в виде трещины 222 может вызывать температурное отклонение на датчике 70D в отличие от соседних датчиков в этой конструкции. Опять же, за данными можно наблюдать в течение некоторого времени, чтобы определить, требуются ли дальнейшие действия по ремонту этой конструкции.
[0061] То же самое относится и к дорожному покрытию 204, которое согласно представленному чертежу содержит трещину 230 и выбоину 232, расположенные рядом с некоторыми датчиками. Трещина 230 проходит рядом с датчиком 70Е цепочки 21D, причем датчик 70Е может обнаружить температурные изменения в большей степени, чем соседний датчик 70F, поэтому станция мониторинга и/или данная система может достаточно достоверно определить необходимость дальнейших работ.
[0062] Аналогично этому можно контролировать и состояние дорожной поверхности, Например, датчики можно использовать для обнаружения выбоины 232, расположенной рядом с датчиком 70G. Опять же, температурные изменения на датчике 70G можно сравнить с температурными изменениями на соседнем датчике 70Н для определения возможного дефекта в дорожном покрытии. В других вариантах систему можно использовать для определения состояния дороги, например условий обледенения зимой.
[0063] В других вариантах в данной системе может использоваться генератор 240 электроэнергии, который может быть любым генератором электроэнергии, известным в технике в настоящее время или в будущем, например, среди прочего, солнечной энергетической системой или устройством, производящим энергию с использованием вибраций. Этот генератор можно использовать для получения энергии, требуемой для работы системы. Это может оказаться полезным для работы в дистанционном режиме, при отсутствии источника электроэнергии. Кроме того, для экономии энергопотребления данная система может работать с передачей информации лишь через установленные интервалы времени.
[0064] На фиг.7 показан процесс отливки сваи согласно нескольким вариантам настоящего изобретения. Более конкретно, представлена система 10 контроля по настоящему изобретению, используемая в процессе заливки или заполнения скважины для сваи. Заполнение скважины для сваи может быть сложной процедурой, так как бетонный раствор 300 обычно закачивают внутрь скважины 26 с помощью загрузочной трубы 310 для обеспечения сохранности стенок 44 скважины перед заливкой бетона в скважину и в процессе заливки.
[0065] Более конкретно, представлен процесс закачки бетона 302 в скважину 26 через загрузочную трубу 310, расположенную в скважине так, чтобы закачка или заливка бетона 302 через трубу 310 начиналась у нижнего предела 42 скважины. В этом процессе бетонный раствор 300 вынужден подниматься вверх и выходить из отверстия 32 скважины 26. В результате чего при закачке бетона в нижнюю часть скважины бетонный раствор выталкивается вверх по скважине. Когда верхний уровень 314 бетона 302 поднимается в скважине, загрузочную трубу следует подтягивать вверх от дна скважины, чтобы нижний конец 316 загрузочной трубы 310 оставался в непосредственной близости с уровнем 314. Однако слишком быстрый подъем загрузочной трубы с поднятием нижнего конца 316 над уровнем 314 бетонного раствора 300 может привести к дефектам в заливаемой свае. С другой стороны, слишком глубокое удерживание загрузочной трубы в слое бетона ниже уровня 314 препятствует вытеканию бетона из трубы и приводит к чрезмерной нагрузке на оборудование для закачки бетона.
[0066] Вследствие этого необходимо наблюдать за данным процессом и поддерживать отверстие загрузочной трубы как можно ближе к уровню 314, но ниже его. Известные технологии заливки включают в себя мониторинг объема бетона, заливаемого в скважину для сваи, и использование этой информации для определения скорости, с которой загрузочную трубу следует вытаскивать из отверстия. Из-за того что слишком быстрое вытаскивание загрузочной трубы может приводить к дефектам сваи, всегда имеется возможность ошибки в слишком глубоком удерживании загрузочной трубы в отверстии, что отрицательно влияет на эффективность процесса и сокращает вероятный срок службы оборудования.
[0067] Использование сенсорной системы по настоящему изобретению позволяет точно определить линию раздела между бетоном и раствором по изменениям температуры на каждом датчике 70. Эта точность может быть достигнута вследствие того, что расположение всех датчиков внутри сваи известно. При прохождении линии раздела через датчик он начинает показывать повышение температуры, вызываемое твердением бетона. Информацию об этом можно передавать операторам, производящим заливку, при этом можно точно отслеживать эту линию раздела и соответственно регулировать скорость вытаскивания загрузочной трубы 310 из скважины 26.
[0068] В одном из вариантов датчики расположены на цепочках через каждые шесть дюймов (около 15 см), и устройство для контроля может быть приведено в действие во время процесса заливки. Выдаваемые этими датчиками данные можно передать по проводникам 80A-80D цепочек 21А-21B в систему обработки данных или на дисплей, и операторы, ответственные за операцию заливки, будут в реальном времени обладать информацией об изменении уровня 314 в скважине. Потом эту информацию можно использовать в процессе вытаскивания загрузочной трубы и для удерживания ее отверстия в требуемом расположении ниже линии раздела между бетоном и раствором. В другом варианте эту полученную с датчиков информацию можно отправлять непосредственно в систему обеспечения операции заливки, с тем чтобы автоматически управлять загрузочной трубой.
[0069] Затем, по завершении процесса заливки цепочки датчиков можно оставить на своих местах, и их можно использовать для наблюдения за процессом твердения, как описано выше. Таким образом, с помощью датчиков по настоящему изобретению проводят как процесс заливки, так и последующее определение целостности сваи после завершения этого процесса. Когда датчики продолжают находиться внутри сваи, они могут быть использованы для дальнейших измерений после затвердевания сваи. Информацию от датчиков можно использовать для подтверждения того, что заливка проведена должным образом и что была залита должная бетонная смесь.
[0070] В одном из вариантов данную систему можно использовать для определения момента затвердевания сваи до желаемого состояния, чтобы ускорить процесс строительства. Так как преждевременная нагрузка на сваю может повредить ее конструкционной целостности, то перед нагружением сваи рабочие бригады обычно выжидают 28 дней. Этот 28-дневный период основан на отраслевых данных о том, что залитые материалы, такие как бетон и цементный раствор, затвердевают за 28 дней. Но поскольку заранее трудно определить время, в которое свая действительно достигает состояния "полного затвердевания", то данный 28-дневный цикл твердения выбран со значительным запасом, и свая на самом деле может достигнуть "полного затвердевания" задолго до истечения 28 дней. Поэтому выжидание должного затвердевания может привести к потере времени. Система по настоящему изобретению может быть применена для установления момента, когда в свае достигается "начальное затвердевание", которое обычно занимает около 18-30 часов. После этого система может продолжать работать для установления момента, когда свая или конструкционный элемент "полностью затвердеют", чтобы строительная бригада не была вынуждена ждать все 28 дней. Во многих условиях залитый материал способен "полностью затвердеть" задолго до истечения 28 дней, и информация о таком затвердевании может быть использована для сокращения времени простоя между заливкой сваи и началом ее нагружения. При проведении дорожных работ эта информация может сократить простой между заливкой дорожного покрытия и открытием дороги для транспортных средств. Будет понятно, что эта информация может быть использована при любых работах для установления момента достижения "полного затвердевания" с целью сокращения времени, отведенного на выдержку бетона. Будет также понятно, что и в других ситуациях, в которых конструкционный элемент не "полностью затвердеет" за 28 дней, система по настоящему изобретению может быть использована, чтобы предупредить об этом рабочих и предотвратить преждевременное нагружение конструкции. Проверка состояния процесса твердения может включать в себя проверку уровня энергии гидратации бетона в свае. Установление отсутствия энергии гидратации может использоваться для определения момента "полного затвердевания". Опять же, как только в свае или другой конструкции достигается требуемая энергия гидратации или "полное затвердевание", ее можно нагружать или использовать по назначению.
[0071] В других вариантах настоящего изобретения температурные цепочки могут быть размещены внутри продольно установленных каналов, например в трубах из ПВХ, помещенных в скважину для сваи перед ее заливкой. При использовании таких труб расположение датчиков по-прежнему зафиксировано, и они могут выдавать температурную матрицу, упомянутую в других вариантах настоящего изобретения, но при этом цепочки можно извлекать и использовать повторно.
[0072] В следующих вариантах настоящего изобретения линия связи может включать в себя несколько точек передачи данных. В одной группе вариантов линия связи имеет первый и второй концы, при этом один из этих концов является концом для передачи данных, который может быть подключен к системе обработки данных или к передающему устройству для передачи данных от датчиков на обработку и/или анализ. В других вариантах как первый, так и второй концы могут быть концами для передачи данных. Кроме того, эта линия может иметь одну или несколько дополнительных точек 350 передачи данных (см. фиг.1) между первым и вторым концами линии, и такие цепочки могут иметь более двух концов. В одном из вариантов линия содержит точку 350 передачи данных между первым и вторым концами, причем эта точка подключена к системе обработки данных любым известным в технике способом, включая прямое линейное или радиочастотное соединение. В другом варианте эта точка передачи данных является линейным коннектором, соединяющим две соседние линии или все линии системы. Будет понятно, что отказ в какой-либо линии связи может привести к потере всех данных от всей цепочки датчиков. За счет включения в систему нескольких точек передачи данных эти потери можно ограничить потерями только в одном участке цепочки. В следующих вариантах каждый датчик может быть точкой передачи данных и может включать в себя трансивер для непосредственного соединения с системой обработки данных с помощью любых известных в технике средств, включая среди прочих радиосвязь.
[0073] В следующих вариантах цепочки проводов по настоящему изобретению могут производиться серийно в любом числе конфигураций. В одной из таких конфигураций изготовленная проводка содержит 100 датчиков, расположенных в заданных местах, причем каждый датчик от 1 до 100 может содержать встроенный электронный идентификатор расположения, поэтому каждое показание температуры ассоциировано с конкретным датчиком и конкретным местом на проводе. В других вариантах идентификационный код или адрес можно при необходимости назначить после изготовления цепочки или даже на месте ее использования. Кроме того, проводка с датчиками в соответствии с другими аспектами настоящего изобретения может изготавливаться разной стандартной длины с количеством датчиков, соответствующим конкретной длине. Например, можно изготовить имеющих разную длину пять цепочек проводов с датчиками, к примеру длиной 15, 25, 35, 65 и 100 метров, а конечный пользователь выберет один или несколько из этих размеров (или другие размеры) на основе размеров сваи, которая будет отливаться. В следующих вариантах эти цепочки определенной длины могут на обоих концах содержать соединительные устройства, чтобы можно было соединять последовательно несколько стандартных цепочек. Для закрытия конца последней цепочки в какой-либо последовательности можно использовать изолятор. В других вариантах можно изготавливать цепочки с заказанной длиной применительно к конкретному использованию или на основании требований заказчика. В следующих вариантах цепочки можно отрезать или подгонять по размеру на месте использования, а обрезанную часть герметизировать или поставить на нее оконечный резистор. Эти цепочки проводов могут поставляться на бобинах и могут содержать маркировку для идентификации каждого датчика. Например, датчики могут быть пронумерованы от 1 до 100, начиная с первого верхнего датчика до самого нижнего в скважине датчика, имеющего наибольший номер. Эти данные можно запомнить при установке цепочки проводов в скважине, причем каждый датчик можно расположить в известном месте внутри скважины для сваи, чтобы получить трехмерную матрицу данных как только информация с датчиков будет передана на монитор и/или вычислительное устройство.
[0074] Как указано выше, помимо температурных сенсоров, в системе по настоящему изобретению могут быть использованы и другие сенсорные устройства в пределах настоящего изобретения. Эти другие устройства могут быть выполнены на линии 74 как часть датчика 70 или отдельно о него. Кроме того, эти другие сенсорные устройства могут быть установлены на заводе или на месте использования и могут использоваться с любыми схемами их размещения, например в чередовании с датчиками 70, чтобы каждый датчик мог выдавать свой собственный трехмерный массив данных. Кроме того, в других вариантах настоящего изобретения температурные сенсоры и другие сенсорные устройства могут быть использованы и в других процедурах контроля. В этой связи, как отмечалось выше, система по настоящему изобретению может иметь один или несколько других сенсорных устройств, например для измерения давления, звука, ускорения, вибраций, электрического сопротивления, деформаций, электрической емкости, влажности и/или содержания химических веществ. Эти другие устройства можно использовать, например, для звукового контроля, при котором верх сваи простукивают молотком и анализируют образующиеся звуковые волны. Система по настоящему изобретению может содержать сенсоры для обнаружения и/или записи этих звуковых волн с целью контроля дефектов сваи.
[0075] Настоящее изобретение может быть применено также в системах энергетических свай, когда протоки в отлитой свае используются для нагревания и/или охлаждения строительной конструкции подобно геотермальным системам нагрева или охлаждения. Настоящее изобретение может использоваться для измерения энергии сваи или энергии в свае и для того, чтобы определить, достигнут ли в свае предел в передаче геотермальной энергии. Эта информация может быть использована для обеспечения более эффективной работы системы нагрева или охлаждения и для определения мест, в которых необходимо применить дополнительные методы охлаждения и/или нагрева для пополнения энергии, отбираемой от сваи.
[0076] Были описаны предпочтительные примеры осуществления изобретения. Очевидно, что после прочтения и осмысления вышеизложенного подробного описания можно догадаться о некоторых модификациях и изменениях изобретения. Следует понимать, что приведенные примеры осуществления изобретения истолковываются как включающие в себя все такие модификации и изменения в пределах приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.