ПИРАМИДАЛЬНЫЙ ИЛИ КОНИЧЕСКИЙ ТРАМБОВОЧНЫЙ НАКОНЕЧНИК И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ ТРАМБОВАННЫХ ЩЕБЕНОЧНЫХ ОПОР
PYRAMID OR CONE RAMMING TIP AND METHOD OF ITS USE TO ERECT RAMMED CRUSHED STONE SUPPORTS

Приоритет этой заявки заявляется по предварительной заявке США №60/721594, поданной 29 сентября 2005 года.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к сооружению щебеночных опор в подстилающих слоях для опоры зданий, стен, промышленных объектов и сооружений, связанных с транспортировкой. В частности, изобретение относится к усовершенствованию способа и устройства для эффективного сооружения трамбованных щебеночных опор с помощью усовершенствованного трамбовочного наконечника в целом в форме удлиненной пирамиды или конуса. Пирамидальные и конические наконечники разработаны для более эффективного создания поперечных напряжений в окружающих матричных грунтах и осуществления более быстрого и эффективного создания опоры.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Тяжелые или чувствительные к осадке объекты, которые расположены в областях, содержащих мягкие или слабые грунты, часто строятся на фундаментах глубокого заложения, состоящих из забивных свай или буронабивных бетонных опор. Фундаменты глубокого заложения предназначены для передачи нагрузок строительных конструкций через мягкие грунты к более прочным геологическим слоям.
В последние годы щебеночные опоры все более широко используются для несущих конструкций, расположенных в областях с содержанием мягких грунтов. Опоры предназначены для укрепления и усиления мягкого слоя и минимизации происходящей осадки. Опоры сооружаются с использованием разнообразных способов, включая буротрамбовочный способ, описанный в патентах США №5249892 и 6354766 ("короткие щебеночные опоры"), способ строительства опор с использованием обсадной трубы, описанный в патенте США №6425713 ("Опоры с боковым смещением), способ с использованием обсадной трубы с ударной головкой, известный под названием "Забивная опора" (заявка на патент США), и способ с конической обсадной трубой (заявка на патент США).
Способ строительства коротких щебеночных опор (патенты США №5249892 и 6354766), который включает в себя бурение скважины или выемку породы для формирования канала, является эффективным решением для строительства фундамента, если он устанавливается в связных грунтах, где легко обеспечить устойчивость боковой стенки скважины или канала. Способ обычно включает в себя: а) бурение, как правило, цилиндрической скважины или канала в подстилающем слое; б) уплотнение грунта в основании скважины; в) укладка относительно тонкого слоя щебня в скважине; г) утрамбовка слоя щебня при помощи трамбовочного наконечника специальной конструкции со скошенными боковыми гранями и д) повторение процесса формирования щебеночной опоры с доведением ее длины обычно до поверхности земли. Существенным фактором для данного процесса является приложение такого количества энергии к наконечнику со скошенными гранями, которого достаточно для создания поперечных напряжений в матричном грунте со стороны стенок канала в ходе процесса последовательного трамбования. Создание такого поперечного напряжения важно потому, что оно уменьшает уплотняемость слоя матричного грунта и позволяет эффективно передавать к матричным грунтам нагрузки, прикладываемые к опорам.
Трамбовочный наконечник, раскрытый в патенте США №5249892, имеет плоскую нижнюю часть и скошенные боковые грани. На практике плоская нижняя часть скошенного наконечника составляет приблизительно 70% площади поперечного сечения наконечника, в то время как поверхность скошенной части составляет лишь приблизительно 30% площади поперечного сечения наконечника. Таким образом, приблизительно 70% площади поперечного сечения наконечника предназначены для трамбования слоев щебня (плоской частью основания), и только 30% площади поперечного сечения наконечника предназначены для увеличения бокового давления в матричном грунте (выполняемого скошенной частью). В этом случае скошенная поверхность трамбовочного наконечника для способа строительства коротких щебеночных опор чаще всего используется для уплотнения слоев щебня толщиной 30 см (12 дюймов) в скважинах диаметром 75 см (30 дюймов).
Способ с использованием обсадной трубы с ударной головкой (способ "Забивной опоры") является разновидностью способа строительства коротких щебеночных опор. Способ "Забивной опоры" включает в себя вбивание полой трубы (обсадной колонны) в грунт без применения бурения. В нижней части трубы закреплен ударный наконечник с диаметром большим, чем у трубы, имеющий плоскую нижнюю часть и скошенные боковые стороны. Трубу забивают на нужную глубину установки опоры, заполняют щебнем и затем поднимают, позволяя щебню высыпаться из трубы в канал, создаваемый при подъеме трубы. Затем ударный наконечник опускают в щебень для уплотнения слоя щебня. Нижняя часть ударной головки плоской формы уплотняет щебень; скошенные стенки втрамбовывают щебень в боковые стенки канала, увеличивая поперечные напряжения в окружающем грунте.
Способ с вбиваемой конической обсадной трубой является еще одним способом создания щебеночных опор с помощью вбиваемой обсадной трубы. В этом случае обсадная труба имеет форму усеченного конуса, расширяющегося кверху, с углом конусности приблизительно 1÷5 градусов по вертикали. Обсадную трубу вбивают в грунт, заставляя матричный грунт при этом смещаться вглубь и в сторону от трубы. После достижения необходимой отметки заглубления опоры обсадную трубу извлекают, оставляя в грунте канал конической формы. Коническая форма обсадной трубы предназначена для создания временной устойчивости боковых стенок канала, чтобы можно было засыпать щебень в созданный канал. После засыпки слоя щебня обсадную трубу повторно опускают вниз в щебень, чтобы уплотнить щебень и втрамбовать его в боковые стенки канала. Иногда для уплотнения щебня в верхней части опоры используют обсадную трубу большего калибра.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение может рассматриваться как "Способ и устройство для строительства трамбованных щебеночных опор при помощи удлиненного пирамидального или конического трамбовочного наконечника" и представляет собой усовершенствование известных способов строительства щебеночных опор, главным образом способа строительства коротких щебеночных опор по патенту США №5249892. В данном изобретении используется трамбовочный наконечник по диаметру канала, имеющий корпус в целом в форме удлиненной пирамиды или конуса. Более конкретно, пирамидальный наконечник в своем основании или в верхней части имеет форму правильного многоугольника и стороны в форме равнобедренных треугольников, которые придают коническую форму и смыкаются у вершины в его нижней части. Такой пирамидальный наконечник показан на фиг.1, 2А и 2В. Конический наконечник имеет в целом круглое основание или верхнюю часть, сужающуюся на конус к вершине его нижней части. Такой конический наконечник показан на фиг.3, 4А и 4В.
Основание или верхняя часть предложенного пирамидального и конического трамбовочного наконечника (которая находится противоположно заостренному трамбующему концу или нижней вершине) имеет размер, приблизительно равный диаметру пробуренной скважины или канала, и предназначена для создания максимальных поперечных напряжений в матричном грунте в процессе трамбования. Каждый тип наконечника увеличивается в поперечном сечении от нижней вершины к основанию или верхней части с углом конуса, равным приблизительно 60 градусов. Верхняя часть трамбовочного наконечника предпочтительно содержит плоскую круглую пластину, приваренную к основанию или к верхней части пирамидального корпуса и имеющую такой же диаметр, как и диаметр заполняемой щебнем пробуренной скважины. Поперечное сечение пирамидального корпуса трамбовочного наконечника, показанного на фиг.1, представляет собой правильный восьмиугольник (все восемь сторон равны по длине), хотя могут использоваться и другие формы правильного многоугольника, например квадрат и шестиугольник. Поперечное сечение конического корпуса имеет круглую форму с формированием конуса.
Удлиненная пирамидальная или коническая форма предложенного трамбовочного наконечника позволяет использовать его для утрамбовывания слоя свободно засыпанного щебня, толщина которого приблизительно равна диаметру основания или верхней части трамбовочного наконечника; диаметр наконечника, в свою очередь, примерно равен диаметру заполняемой скважины или канала. Таким образом, для 60-сантиметровых (24-дюймовых) скважин толщина слоев щебня может быть увеличена с 30 см (12 дюймов) (у прототипов) до 60 см (24 дюймов), повышая, таким образом, эффективность строительства. Изготовление, в соответствии с данным изобретением, трамбовочного наконечника с диаметром верхней части, приблизительно равным диаметру заполняемой скважины или канала, обеспечивает локализацию и удержание щебня в процессе трамбования. Увеличение поперечного напряжения, которое обеспечивается пирамидальным или коническим наконечником, дает увеличение несущей способности опоры по сравнению с применением известных наконечников. Таким образом, данное изобретение обеспечивает одновременно повышение эффективности строительства и увеличение несущей способности опоры.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показано аксонометрическое изображение предпочтительного пирамидального трамбовочного наконечника в соответствии с данным изобретением.
На фиг.2А показан вид сбоку, а на фиг.2В - вид в плане трамбовочного наконечника, изображенного на фиг.1.
На фиг.3 показано аксонометрическое изображение предпочтительного конического трамбовочного наконечника в соответствии с данным изобретением.
На фиг.4А показан вид сбоку трамбовочного наконечника, изображенного на фиг.3, а на фиг.4В показан разрез по линии В-В на фиг.4А.
На фиг.5 схематично проиллюстрирован способ сооружения опоры в соответствии с данным изобретением, включая формирование канала, например, путем бурения, размещение первого слоя щебня в канале, трамбование слоя при помощи пирамидального наконечника (по фиг.1) для создания поперечного напряжения, а также засыпка и трамбование последующих слоев щебня с доведением высоты опоры до поверхности земли.
На фиг.6 в виде графика изображены результаты первого испытания под нагрузкой двух опор, выполненных известным способом (обозначенные как "трамбовочный наконечник с плоской нижней частью") и опоры, выполненной в соответствии с данным изобретением (обозначенные "пирамидальный трамбовочный наконечник").
На фиг.7 в виде графика изображены результаты второго испытания под нагрузкой двух опор, выполненных известным способом (обозначенные как "трамбовочный наконечник с плоской нижней частью") и опоры, выполненной в соответствии с данным изобретением (обозначенной "пирамидальный трамбовочный наконечник").
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Прежде чем подробно описывать какой-либо вариант выполнения изобретения, необходимо понять, что изобретение не ограничено в своем применении в отношении деталей конструкции и расположения компонентов, как это раскрыто в последующем описании или в иллюстрациях на чертежах. Изобретение допускает альтернативные варианты выполнения и различные способы его осуществления. В частности, размеры, которые приведены в описании и на чертежах, являются лишь вариантом осуществления изобретения и могут быть изменены специалистами в данной области в соответствии с условиями применения.
Способ и оборудование в соответствии с данным изобретением предусматривают эффективное устройство щебеночных опор в подстилающих грунтах. Способ, проиллюстрированный на фиг.5, включает в себя формирование в подстилающих слоях удлиненного вертикального канала или скважины 1, имеющего в целом равномерное поперечное сечение. Предпочтительно вертикальный канал имеет в целом цилиндрическую форму и формируется любым подходящим способом, например бурением. Канал может быть также сформирован при помощи забивания и извлечения длинной трубы или обсадной колонны.
После формирования канала в нижнюю часть скважины 1 засыпается слой щебня 2. В соответствии с формой предложенных трамбовочных наконечников каждый слой щебня в скважине может иметь толщину, приблизительно равную диаметру скважины. Затем слой щебня утрамбовывается предложенными пирамидальным трамбовочным наконечником 3 или коническим наконечником 13, которые специально предназначены для того, чтобы прикладывать достаточную энергию для значительного увеличения бокового давления в матричном грунте вокруг скважины. Дальнейшее формирование опоры выполняется добавлением и трамбованием дополнительных слоев щебня.
Трамбовочный наконечник, пирамидальный или конический, имеет верхнюю часть, или основание, с размером поперечного сечения, приблизительно равным размеру поперечного сечения канала. Если канал имеет в целом цилиндрическую форму, диаметр поперечного сечения верхней части трамбовочного наконечника соответствует диаметру канала.
Способы создания трамбованных щебеночных опор известны специалистам в данной области и не нуждаются в том, чтобы их здесь описывать. Однако они присутствуют здесь в виде ссылки, как будут полностью здесь описаны.
Как показано на фиг.1, 2А и 2В, пирамидальный наконечник 3 предпочтительно включает в себя две части: удлиненный пирамидальный корпус 4 и круглую ограничительную пластину 5, приваренную сверху к обращенному кверху основанию 9 пирамидального корпуса. Трамбовочный наконечник может быть выполнен также без ограничительной пластины.
Традиционная трамбовочная штанга или колонна 6 привариваются к верхней части ограничительной пластины 5, чтобы поддерживать наконечник 3 и прикладывать к нему необходимую энергию в процессе трамбования каждого слоя щебня. Пирамидальный корпус 4 предпочтительно изготовляется из катаного стального листа толщиной 1,25 или 1,0 см (1/2 или 3/8 дюйма), который согнут с образованием пирамидального корпуса предпочтительно с равносторонним восьмиугольным основанием или верхней частью. Стороны корпуса 4 свариваются с образованием тела пирамидальной формы, как показано на фиг.1, 2А и 2В.
В предпочтительном варианте наконечник 3 составляет 61 см (24 дюйма) в диаметре в верхней своей части, то есть ограничительная пластина 5 имеет диаметр 61 см (24 дюйма), и расстояние между противоположными углами пирамидального корпуса в верхней части также составляет 61 см (24 дюйма). Равнобедренные треугольники 7, которые образуют боковые стороны пирамидального корпуса, имеют наклон предпочтительно около 60 градусов по отношению к горизонтали. При такой конструкции длина корпуса 4 трамбовочного наконечника составляет приблизительно 53,5 см (21 дюйм).
Конический наконечник 13 имеет корпус 14 в форме усеченного конуса и коническую головку 15, которая стыкуется с корпусом 14 так, чтобы получился единый конический узел, как показано на фиг.3, 4А и 4В. Головка представляет собой цельное твердое тело, предпочтительно из стали, как и пластина-основание 16, приваренная к верхней части корпуса 14. Корпус 14 обычно выполняется полым и имеет стальные ребра 17 жесткости на внутренней стенке 18, как показано на фиг.4В. Ребра 17 имеют толщину приблизительно 1,6 см (5/8 дюйма) и согласно предпочтительному варианту расположены с расстоянием 7,5 см (три дюйма) от центра.
Несмотря на то, что диаметр верхней части трамбовочного наконечника может отличаться от 61 см (24 дюймов), диаметр наконечника предпочтительно должен быть того же диаметра, что и диаметр скважины 1. Допустима некоторая разница между диаметром скважины и диаметром верхней части трамбовочного наконечника, но диаметр верхней части наконечника не должен превышать диаметр пробуренной скважины более чем на 10% или составлять менее 90% диаметра пробуренной скважины. Отношение диаметра трамбовочного наконечника к диаметру пробуренной скважины в диапазоне 0,9-1,1 важно для того, чтобы верхняя часть трамбовочного наконечника или ограничительная пластина 5, если она имеется, обеспечивали локализацию щебня 2 в процессе трамбования. Если верхняя часть трамбовочного наконечника слишком узка, щебень при трамбовании может выжиматься вверх между стенкой скважины и верхней частью наконечника; если верхняя часть трамбовочного наконечника слишком велика, то она обрушит и утрамбует часть боковых стенок скважины в процессе трамбования.
Угол конусности наконечника предпочтительно составляет около 60 градусов, но может находиться в диапазоне 45-75 градусов от горизонтали. Угол конусности наконечника 60 градусов позволяет трамбовочному наконечнику диаметром 61 см (24 дюйма) полностью уплотнить слой щебня толщиной приблизительно 0,6 м (2 фута) и предназначен для оптимизации создаваемого в процессе трамбования поперечного напряжения. Пирамидальные и конические трамбовочные наконечники в соответствии с данным изобретением являются усовершенствованием известного способа создания коротких щебеночных опор, так как в известных способах обычно используются слои щебня толщиной 0,3 м (1 фут), что при применении известного способа требует использования большего количества слоев и большего времени для устройства опоры, тогда как предложенные пирамидальные и конические трамбовочные наконечники могут уплотнять слои щебня удвоенной толщины. Наконечники с углами менее 60 градусов от горизонтали могут использоваться для уплотнения слоев с толщиной менее 0,6 м (2 футов); наконечники с углами более 60 градусов способны уплотнять более толстые слои, но обеспечивают меньшую вертикальную локализацию, чем наконечники с углом 60° от горизонтали.
Также могут использоваться пирамидальные наконечники других размеров и формы, например стальные наконечники с сечением в форме квадрата, шестиугольника и т.п. Толщина стенок пирамидального или конического корпуса наконечника может изменяться от 0,6 см (1/4 дюйма) до 2,5 см (1 дюйма), в зависимости от диаметра наконечника, его длины, материала наконечника и условий его привода. Пирамидальный корпус 4 и конический корпус 14 могут быть полыми, для чего должны использоваться более толстые и более прочные конструкционные материалы, или могут иметь внутренние силовые ребра или пластины, в этом случае могут использоваться более тонкие или менее прочные конструкционные материалы. Как было указано выше, угол конуса трамбовочного наконечника может изменяться от 45 до 75 градусов, поскольку наклонные стороны пирамидального корпуса 4 или конического корпуса 14 обеспечивают и уплотнение слоя щебня, и поджатие слоя в поперечном направлении к боковым стенкам скважины, чтобы увеличить давление в окружающем грунте.
Предпочтительно пирамидальный корпус 4 или конический корпус 14 наконечников 3 сужаются к обычно заостренному концу, соответственно 8 или 20. Однако заостренные концы 8 и 20 могут быть усечены или затуплены. В этом случае площадь тупого конца должна быть не более 20% площади верхней части или основания корпуса наконечника или круглой ограничительной пластины. Поскольку конец 8 или 20 со временем тупеет, толщина слоев щебня, которые могут быть должным образом утрамбованы при помощи наконечника в соответствии с данным изобретением, уменьшается. Следовательно, предпочтительно иметь заостренный наконечник.
Для применения предпочтительных наконечников 3 и 13, описанных и проиллюстрированных на чертежах, подходят "хорошо отсортированные" щебневые массы, используемые для подстилающего слоя автомагистралей, с максимальной крупностью частиц 50 мм (2 дюйма) и менее 12%, прошедших через сито с размером ячеек №200 (2 мм или 0,074 дюйма). Могут использоваться также другие виды щебня, например чистый камень с максимальным размером камней 6 мм-76 мм (1/4-3) дюйма, щебни с составом менее 5%, прошедших через сито размера №200, переработанный бетон, шлак, переработанный асфальт, переработанный цемент и другие строительные материалы. Максимальный размер элементов щебневой массы не должен превышать 25% диаметра канала.
Основное преимущество данного изобретения состоит в том, что пирамидальный или конический наконечники более эффективны при создании бокового давления грунта в процессе строительства, чем наконечники, известные из уровня техники. Такое улучшенное создание поперечного напряжения происходит благодаря уникальной форме наконечников 3 и 13. До 100% площади поперечного сечения пирамидального или конического трамбовочного наконечника участвует в повышении поперечного напряжения, в то время как в известном трамбовочном наконечнике в повышении поперечного напряжения участвует приблизительно 30% площади поперечного сечения. Другое преимущество состоит в том, что благодаря увеличенному углу конуса предложенный наконечник может использоваться с более толстым слоем щебня, чем в прототипе. В предпочтительном варианте трамбовочный наконечник может уплотнять слои засыпанного щебня толщиной 60-75 см (24-30 дюймов). Практически это означает, что опора с той же самой несущей способностью теперь может иметь меньшие диаметры и может состоять из более толстых слоев щебня.
Описанные выше преимущества подтверждаются испытаниями под нагрузкой, проведенными на опорах, которые были созданы с применением известного способа и предложенного способа; результаты испытаний приведены на фиг.6 и 7. На фиг.6 показаны результаты трех испытаний под нагрузкой на первой строительной площадке. Два теста (обозначенные "RAP с плоской нижней частью") были проведены на опорах диаметром 75 см (30 дюймов), созданных с использованием известного способа, описанного в патенте США №5249892, с уплотняемыми слоями щебня толщиной 30 см (12 дюймов). Один тест (обозначенный "RAP с пирамидальным наконечником") был проведен на опоре диаметром 60 см (24 дюйма), созданной с использованием пирамидального наконечника диаметром 60 см (24 дюйма) и углом конуса 60°, как показано на фиг.1, с уплотняемыми слоями щебня толщиной 60 см (24 дюйма). Результаты тестов на фиг.6 показывают зависимость между напряжением, которое приложено к верхним частям опор в процессе испытания под нагрузкой (ось X), и отклонением, которое происходит при приложении напряжения (ось Y). Отношение напряжения к отклонению представляет собой модуль жесткости опоры, где более пологий наклон соответствует большей жесткости. Также приведены величины отклонения у основания опоры.
2
2
2
Результаты испытаний под нагрузкой, приведенные на фиг.6, показывают, что жесткость верхних участков всех трех опор приблизительно одинакова при приложенных нагрузках до 73200 кг/м (15 тысяч фунтов на квадратный фут (ksf)). При приложении к опорам напряжения более 73200 кг/м (15 ksf) "RAP с плоской нижней частью наконечника" №1 обнаруживает меньшую жесткость. При приложении напряжения более 122000 кг/м (25 ksf) жесткость опор "RAP с плоской нижней частью" №1 и "RAP с плоской нижней частью" №2 значительно меньше жесткости опоры "RAP с пирамидальным наконечником". Этот результат объясняется тем, что опора "RAP с пирамидальным наконечником", созданная в соответствии с данным изобретением, более эффективно создает ограничительные напряжения вокруг опоры в процессе ее устройства, обеспечивая большую несущую способность опоры под нагрузкой. Важный момент состоит в том, что даже если бы жесткости всех трех опор были равны, то данное изобретение все равно бы давало преимущество в более эффективном создании опор, чем при строительстве опор по способу прототипа.
2
2
На фиг.7 показаны результаты трех испытаний под нагрузкой на второй строительной площадке. Два теста были проведены на опорах диаметром 30 дюймов, созданных с использованием известного способа согласно патенту США №5249892, с уплотняемыми слоями щебня толщиной 30 см (12 дюймов). Один тест (обозначенный "конический наконечник") был проведен на опоре диаметром 60 см (24 дюйма), созданной с использованием пирамидального наконечника с диаметром 60 см (24 дюйма) и углом конуса 60 градусов, как показано на фиг.1, с уплотняемыми слоями щебня толщиной 60 см (24 дюйма). Результаты испытаний под нагрузкой показывают, что жесткость верхних участков всех трех опор приблизительно одинакова при приложенных нагрузках до 49000 кг/м (10 тысяч фунтов на квадратный фут (ksf)). При приложении к опорам напряжения более 49000 кг/м (10 ksf) опора, созданная наконечником с плоской нижней частью, показывает меньшую жесткость. Жесткость же опоры, созданной с использованием наконечника пирамидального профиля, больше, чем у опоры, созданной известным способом.
Данное изобретение позволяет осуществлять намного более быстрое строительство щебеночных опор вследствие того, что строительство ведется с использованием более толстых слоев щебня. На одной строительной площадке, где использовалось данное изобретение, опора была построена в два раза быстрее, чем опора, строящаяся по известному способу. Следовательно, более быстрое сооружение опор по данному изобретению предлагает существенную экономию времени и снижение издержек по сравнению с известными способами.
Приведенные выше описания и чертежи должны рассматриваться лишь как иллюстрация принципов изобретения. Изобретение может быть осуществлено в разнообразных формах и размерах и не ограничивается размерами предпочтительного варианта. Специалисты в данной области найдут много вариантов применения данного изобретения. Поэтому изобретение не ограничивается специфическими раскрытыми примерами или точными конструкцией и принципом работы, приведенными в описании. Необходимо лишь, чтобы все соответствующие изменения и альтернативные варианты применения осуществлялись в рамках объема изобретения.