KR20230144598A - 흙 및 입상 재료를 압축하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

흙 및 입상 재료를 압축하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 일부 실시예에서, 흙 압축 장치는, 팽창된 상태에서 더 큰 압축 표면을 형성하는 직경 확장 요소의 배열체를 포함한다. 다른 실시예에서, 압축 챔버에는, 직경 제한 요소, 및 구동 샤프트의 외부에서 챔버의 상측 부분에 있는 관류 통로가 제공될 수 있다. 직경 확장 또는 제한 요소는, 예를 들어, 개별 체인, 케이블 또는 와이어 로프, 또는 수직 및 수평으로 연결된 체인, 케이블 또는 와이어 로프의 격자로 제작될 수 있다. 흙 압축 장치의 실시예는 단부 폐쇄형 구동 샤프트, 단부 개방형 구동 샤프트, 관류 통로, 비관류 통로, 직경 확장/제한 요소를 유지하기 위한 제거 가능한 링, 및 이것들의 임의의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

Description

흙 및 입상 재료를 압축하기 위한 방법 및 장치

현재 개시된 주제는 2021년 2월 9일에 출원된 미국 특허 출원 제17/171,664에 관련되어 있고 그에 대해 우선권을 주장하며, 그 미국 특허 출원의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.

현재 개시된 주제는 일반적으로 입상 표면하 재료의 압축 및 조밀화에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 자연적으로 배치되어 있거나 건물, 기초, 바닥 슬래브, 벽, 제방, 포장 및 기타 개량물과 같은 구조물의 후속 지지를 위한 사람에 의해 배치된 메움 재료로 이루어진 흙 및 입상 재료를 압축하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

연질이거나 느슨하거나 또는 약한 흙을 포함하는 지역에 위치되는 무겁거나 침하에 민감한 시설은 종종 깊은 기초 상에 지지된다. 이러한 깊은 기초는 전형적으로 천공 후에 설치되는 피구동 말뚝 또는 콘크리트 교대(pier)로 만들어진다. 깊은 기초는 구조 하중을 연질 흙을 통해 더 적합한 흙 지층에 전달하도록 설계된다. 깊은 기초는 종종 다른 건설 방법과 비교할 때 상대적으로 비싸다.

그러한 구조물을 지지하는 다른 방법은, 연질이거나 느슨하거나 약한 흙을 파낸 다음에 그 파낸 부분을 더 유능한 재료로 메우는 것이다. 건물 기초 아래의 전체 영역은 일반적으로 파여지고, 연질이거나 느슨하거나 약한 흙의 깊이로 대체된다. 이 방법은 종래의 토공 방법으로 수행되기 때문에 유리하지만, 도시 지역에서 수행될 때에는 비용이 많이 드는 단점이 있으며, 파낸 부분을 안정화하기 위해 값비싼 배수나 지주 작업이 수행되는 것을 필요로 할 수 있다.

그러한 구조물을 지지하는 또 다른 방법은, 지면에 무거운 중량물을 떨어뜨리는 것으로 이루어지는 "깊은 동적 압축"으로 흙을 처리하는 것이다. 중량물은 큰 압축파가 흙에 발생되게 하기에 충분한 높이에서 낙하된다. 흙이 처리 가능하도록 충분한 그라데이션(gradation)을 가지면, 압축파는 흙을 압축한다. 미국 특허 제6,505,998호에 설명된 것과 같이, 이 방법에 의해 압축을 달성하기 위해 다양한 중량체 형상이 이용 가능하다. 깊은 동적 압축이 특정 장소에서는 경제적일 수 있으나, 중량체가 땅에 부딪힘으로 인해 큰 파동을 유발한다는 단점이 있다. 이러한 파동은 구조물에 손상을 줄 수 있다. 이 기술은 작은 대역의 흙 그라데이션(입자 크기)에만 적용 가능하고 현저하게 미세한 크기의 입자를 갖는 재료에는 적합하지 않기 때문에 불충분하다.

최근에는, 연질 흙을 포함하는 지역에 위치되는 구조물을 지지하기 위해 골재 기둥이 점점 더 많이 사용되고 있다. 이 기둥은 연질 층을 보강 및 강화하고 결과적인 침하를 최소화하도록 설계된다. 기둥은 미국 특허 제5,249,892호 및 제6,354,766호에 설명된 천공 및 탬핑(tamping) 방법; 미국 특허 제7,226,246호에 설명된 탬퍼(tamper) 헤드 구동식 맨드릴 방법; 미국 특허 제7,604,437호에 설명된 제한 요소 방법을 갖는 탬퍼 헤드 구동식 맨드릴; 및 미국 특허 제7,326,004호에 설명된 피구동 테이퍼형 맨드릴 방법을 포함하는 다양한 방법을 사용하여 건설되며, 그 미국 특허들의 전체 개시 내용은 전체적으로 참조로 포함된다.

공동부를 천공하거나 파는 것을 포함하는 단(short) 골재 기둥 방법(미국 특허 제5,249,892호 및 6,354,766호)은, 구멍의 측벽 안정성이 쉽게 유지되는 점착성 흙에 설치될 때 효과적인 기초 방안이다. 이 방법은 일반적으로 a) 기초 흙에 일반적으로 원통형인 공동부 또는 구멍(전형적으로 약 30 인치)을 천공하는 단계; b) 공동부의 바닥에서 흙을 압축하는 단계; c) 상대적으로 얇은 골재 리프트를 공동부(전형적으로 약 12 - 18 인치) 안으로 설치하는 단계; d) 특별히 설계된 경사형 탬퍼(tamper) 헤드로 골재 리프트를 탬핑하는 단계; 및 e) 일반적으로 지면까지 연장되는 골재 기둥을 형성하기 위해 그 공정을 반복하는 단계를 포함한다. 순차적인 탬핑 중에 공정에 의해 공동부의 측면을 따라 매트릭스 흙 내에 횡방향 응력이 발생되도록 경사형 탬퍼 헤드에 충분한 에너지를 가하는 것이 그 공정의 기본이다. 이 횡방향 응력의 발생이 중요한데, 왜냐햐면, 매트릭스 흙의 압축성을 감소시키고 또한 가해지는 하중이 기둥 로딩 중에 매트릭스 흙에 효율적으로 전달될 수 있게 하기 때문이다.

탬퍼 헤드 구동식 맨드릴 방법(미국 특허 제7,226,246호)은 단(short) 골재 기둥 방법의 변위 형태이다. 이 방법은 일반적으로 천공에 대한 필요 없이 중공 파이프(맨드릴)를 땅 속으로 구동시키는 것으로 이루어진다. 파이프에는 바닥에서 탬퍼 헤드가 설치되어 있고, 이 탬퍼 헤드는 파이프 보다 큰 직경을 가지며 평평한 바닥 및 경사진 측면을 갖는다. 맨드릴은 기둥 입면의 설계 바닥까지 구동되고 골재로 채워진 다음 들어 올려져, 골재가 파이프 밖으로 흘러, 맨드릴을 빼서 생성된 공동부 안으로 들어갈 수 있게 한다. 그런 다음 탬퍼 헤드는 골재를 압축하기 위해 다시 골재 안으로 아래로 구동된다. 탬퍼 헤드의 평평한 바닥 형상은 골재를 압축하며, 경사진 측면이 골재를 구멍의 측벽 안으로 밀어 넣어 주변 땅에서 횡방향 응력을 증가시킨다. 제한 요소를 갖는 탬퍼 헤드 구동식 맨드릴 방법(미국 특허 제7,604,437호)은, 압축 동안에 탬퍼 헤드 안으로의 골재의 역류를 제한하기 위해 탬퍼 헤드(112) 내에 설치된 복수의 제한 요소를 사용한다.

피구동 테이퍼형 맨드릴 방법(미국 특허 제7,326,004호)은 변위 맨드릴로 골재 기둥을 만드는 다른 수단이다. 이 경우, 맨드릴의 형상은 절두 원추형이고, 바닥보다 정상부에서 더 크며, 수직에 대한 테이퍼 각도는 약 1 내지 약 5도이다. 맨드릴은 땅 속으로 구동되어 매트릭스 흙이 구동 중에 아래쪽으로 그리고 횡방향으로 변위된다. 기둥 입면의 설계 바닥에 도달한 후, 맨드릴이 후퇴되어, 땅 속에 원추형 공동부를 남기게 된다. 맨드릴의 원추형 형상은 구멍의 측벽을 일시적으로 안정화시켜, 골재가 지면에서 공동부 안으로 도입될 수 있도록 한다. 골재 리프트를 배치한 후, 맨드릴은 골재를 압축하고 구멍의 측벽 안으로 옆으로 밀어 넣기 위해 골재 안으로 다시 아래쪽으로 구동된다. 때로는 더 큰 맨드릴이 기둥 정상부 근처의 골재를 압축하기 위해 사용된다.

본 개시는 일반적으로 입상 재료를 조밀화하고 압축하기 위한 장치에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 본 장치는 단부 폐쇄형 구동 샤프트 및 하나 이상의 직경 확장 요소를 포함할 수 있다. 직경 확장 요소는, 그의 팽창된 상태에서, 구동 샤프트의 직경보다 큰 직경을 갖는 압축 표면을 형성할 수 있다. 직경 확장 요소는 구동 샤프트의 바닥면에 부착되거나, 구동 샤프트의 바닥 단부에 부착되는 기부 플레이트에 부착될 수 있다. 기부 플레이트는 교환 가능하다.

직경 확장 요소는 하나 이상의 체인, 케이블, 와이어 로프 및/또는 수직 및/또는 수평으로 연결된 체인, 케이블 또는 와이어 로프의 격자를 포함할 수 있다. 직경 확장 요소는 재료 유형 및/또는 프로젝트 요구 사항에 따라 원하는 리프트 두께, 압축 표면적 및/또는 흙 흐름을 달성하도록 구성되고 그에 따라 크기 결정된다. 추가로, 직경 확장 요소는 구동 샤프트의 바닥 부분에 해제 가능하게 연결될 수 있는 희생 팁 내에 수용될 수 있다. 장치는 또한 구동 샤프트에 부착되는 하나 이상의 날개 구조를 포함할 수 있고, 이 날개 구조는 구동 샤프트 주위의 자유 필드 흙을 느슨하게 하도록 구성된다.

특정한 다른 실시예에서, 본 장치는 구동 샤프트, 이 구동 샤프트의 하단부에 있는 압축 챔버, 및 하나 이상의 직경 확장 요소를 포함하고, 상기 장치는, 구동 샤프트의 외부에 있는 관류 통로를 형성하고 구동 샤프트의 외부로부터 입상 재료를 받도록 구성되어 있는 압축 챔버의 상측 표면에 있는 개구를 더 포함한다. 구동 샤프트는 압축 챔버와 동일한 크기 및/또는 직경, 더 큰 크기 및/또는 직경, 또는 더 작은 크기 및/또는 직경을 가질 수 있다. 추가적으로, 압축 챔버는 하중 전달 플레이트를 통해 구동 샤프트에 연결될 수 있고, 구동 샤프트 및 하중 전달 플레이트에 연결되는 하나 이상의 보강 플레이트를 더 포함할 수 있다.

본 장치의 특정 실시예는 압축 챔버의 내부 또는 외부 중의 하나 또는 둘 모두에 부착되는 하나 이상의 직경 확장 및 제한 요소를 포함할 수 있다. 하나 이상의 직경 확장 및 제한 요소는 하중 전달 플레이트에 부착될 수 있다. 본 장치는 내부 직경 제한 요소 및 외부 직경 확장 요소 둘 다를 포함할 수 있다. 더욱이, 내부 직경 제한 요소 및 외부 직경 확장 요소는 서로에 연결되거나 그렇지 않을 수 있다. 구동 샤프트는 중공 튜브, 실질적으로 Ｉ-빔 구성(Ｉ-빔 구성에서 개구를 더 포함할 수 있음), 또는 솔리드 원통형 샤프트 구성을 포함할 수 있다. 본 장치는 미리 천공된 공동부에 삽입되도록 더 구성될 수 있다.

본 개시의 특정한 다른 양태에서, 입상 재료를 조밀화하고 압축하기 위한 장치가 다른 실시예에 따라 제시된다. 이 장치는 구동 샤프트, 압축 챔버, 및 하나 이상의 직경 제한 요소를 포함할 수 있으며, 여기서 압축 챔버는 파이프를 포함하고 구동 샤프트는 파이프의 한 단부 안으로 끼워진다. 본 장치는 미리 천공된 공동에 삽입되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 샤프트는 I-빔 구성을 포함하고, I-빔 구성에서 개구를 더 포함할 수 있으며, 여기서 구동 샤프트에 있는 개구의 적어도 일부분은 파이프 안으로 연장될 수 있다. 특정 실시예는 또한 압축 챔버의 바닥 단부 주위에 끼워지는 보강 링을 포함할 수 있고, 이 보강 링에 접하는 실질적으로 링형의 마모 패드를 더 포함할 수 있다.

본 장치의 실시예는 또한, 압축 챔버에 고정될 수 있고 직경 제한 요소의 배열체를 포함하는 구동 샤프트의 단부 근처에 위치될 수 있는 링을 포함할 수 있다. 직경 제한 요소의 제2 배열체가 구동 샤프트에 고정될 수 있다. 링은 선택적으로 제거 가능하다.

특정한 다른 실시예에서, 본 장치는 구동 샤프트의 하단부에 부착된 구동 파이프를 포함할 수 있고, 여기서 구동 파이프의 바닥 단부는 압축 챔버 안으로 연장될 수 있고, 추가로 구동 파이프는, 압축 챔버의 측면으로부터 그 구동 파이프의 반경 방향 내측으로 연장되는 하나 이상의 스트러트 또는 플레이트에 의해 압축 챔버에 고정될 수 있다. 하나 이상의 스트러트 또는 플레이트는, 압축 챔버의 측면으로부터 말단 지점까지 테이퍼져 있으면서, 압축 챔버 위쪽의 구동 파이프를 따라 그 말단 지점까지 연장될 수 있다. 추가적으로, 구동 파이프의 바닥 단부는 플레이트 또는 캡을 사용하여 폐쇄될 수 있고, 그 플레이트 또는 캡은 하나 이상의 스트러트 또는 플레이트의 하단부 아래로 연장될 수 있다.

본 장치의 다른 실시예는 또한 압축 챔버 내부의 주변 링을 포함할 수 있으며, 이 링은 직경 제한 요소의 배열체를 포함하고, 하나 이상의 스트러트 또는 플레이트의 실질적으로 하단에서 압축 챔버의 내측 주변부를 따라 배치된다. 링은 제거 가능하다. 본 장치는 또한 하나 이상의 스트러트 또는 플레이트의 하단부 및 플레이트 또는 캡의 주변부에 결합되는 직경 제한 요소를 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 맨드릴을 따라 적어도 하나의 배출 포트를 가지면서 구동 샤프트를 따라 연장되는 공기 주입 라인이 사용되어, 설치 동안 내부 및/또는 외부 골재 흐름을 증가시키기 위해 필요한 양(positive)의 공기 압력을 제공할 수 있다. 배출 포트는 예를 들어 압축 챔버 위쪽의 위치에서 구동 샤프트를 따라 위치될 수 있다. 특정한 다른 실시예는 구동 샤프트를 따라 하나 이상의 배출 포트를 갖는 다수의 공기 주입 라인을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 배출 포트는, 공기압력이 외부 골재 흐름을 용이하게 하기 위해 외측으로 흙 공동부 쪽으로 향하도록, 또는 내부 골재 흐름을 용이하게 하기 위해 내측으로 구동 샤프트 쪽으로 또는 구동 샤프트를 따라 아래쪽으로 향하도록, 또는 이의 조합이 일어나도록 배향될 수 있다.

본 개시의 특정한 다른 양태는 입상 재료를 조밀화하고 압축하는 방법을 포함하고, 이 방법은 (a) 압축 장치를 제공하는 단계 - 이 압축 장치는 제1 직경을 갖는 단부 폐쇄형 구동 샤프트 및 하나 이상의 직경 확장 요소를 포함하고, 장치가 아래쪽으로 구동되면 하나 이상의 직경 확장 요소가 확장되어, 구동 샤프트의 제1 직경 보다 큰 제2 직경을 갖는 압축 표면을 형성하게 됨 -; (b) 압축 장치를 자유 필드 흙 안으로 특정된 깊이까지 구동하는 단계; (c) 압축 장치를 특정된 거리 만큼 들어 올리는 단계; 및 (d) 압축 장치의 구동 및 들어 올림을 반복하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 압축 장치가 원래의 지면 높이까지 또는 그 부근으로 들어 올려질 때까지 구동 및 들어 올림 단계를 증분적으로 반복하는 것을 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, 압축 챔버의 반복된 구동 각각은, 압축 장치가 이전에 들어 올려진 거리 보다 일반적으로 작은 거리로 될 수 있다.

압축 장치의 구동은 충격 해머 또는 진동 해머를 사용하여 행해질 수 있다. 특정 실시예에서, 압축 장치의 들어 올림에 의해, 주변 재료가 압축 장치 주위를 흘러, 압축 장치를 들어 올림으로써 생성된 공간을 채울 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 직경 확장 요소는 희생 팁 내부에 배치될 수 있고, 압축 장치의 초기 들어 올림시에 하나 이상의 직경 확장 요소는 희생 팁으로부터 제거되고 압축 장치에 대해 아래쪽으로 이동하여 압축 장치의 바닥 부분으로부터 매달리게 된다. 일부 실시예에서, 본 방법은 하나 이상의 지경 확장 요소의 아래 및 주위에서 조밀화된 흙의 잘 압축된 기둥을 생성할 수 있다.

입상 재료를 조밀화하고 압축하는 방법의 특정한 다른 실시예는 (a) 압축 장치를 제공하는 단계 ― 이 압축 장치는 구동 샤프트, 이 구동 샤프트의 하단부에 있는 압축 챔버, 및 하나 이상의 직경 확장 요소를 포함하고, 본 장치는, 구동 샤프트의 외부에 있는 관류 통로를 포함하고 구동 샤프트의 외부로부터 입상 재료를 받도록 구성되어 있는 압축 챔버의 상측 표면에 있는 개구를 더 포함함 ―; (b) 압축 장치를 자유 필드 흙 안으로 특정된 깊이까지 구동하는 단계; (c) 하나 이상의 직경 제한 요소가 압축 장치에 대해 아래쪽으로 이동하여 압축 장치에 대한 연결부로부터 매달려 압축 챔버의 정상부 위쪽에 위치된 입상 재료가 관류 통로를 통해 흐를 수 있도록 압축 장치를 특정된 거리 만큼 들어 올리는 단계; (d) 장치를 아래쪽으로 자유 필드 흙 안으로 재구동하여 하나 이상의 직경 제한 요소가 뭉쳐 압축 표면을 형성하게 하는 단계; 및 (e) 압축 장치의 구동 및 들어 올림을 반복하는 단계를 포함한다. 더욱이, 입상 재료를 조밀화하고 압축하는 다른 방법은 (a) 압축 장치를 제공하는 단계 ― 이 압축 장치는 구동 샤프트, 압축 챔버, 및 하나 이상의 직경 제한 요소를 포함하고, 압축 챔버는 파이프를 포함하고 구동 샤프트는 그 파이프의 한 단부 안으로 끼워짐 ―; (b) 압축 장치를 자유 필드 흙 안으로 특정된 깊이까지 구동하는 단계; (c) 하나 이상의 직경 제한 요소가 압축 장치에 대해 아래쪽으로 이동하여 압축 장치에 대한 연결부로부터 매달려 압축 챔버의 정상부 위쪽에 위치된 입상 재료가 구동 샤프트의 외측면 주위를 흘러 압축 챔버 안으로 들어가도록 압축 장치를 특정된 거리 만큼 들어 올리는 단계; (d) 장치를 아래쪽으로 자유 필드 흙 안으로 재구동하여 하나 이상의 직경 제한 요소가 뭉쳐 압축 표면을 형성하게 하는 단계; 및 (e) 압축 장치의 구동 및 들어 올림을 반복하는 단계를 포함한다.

이렇게 현재 개시된 주제를 일반적으로 설명했지만, 이제 첨부 도면을 참조할 것이며, 이 도면은 반드시 축척에 따라 그려질 필요는 없다.
도 1a 및 도 1b는 각각 상승 위치 및 하강 위치에 있고 직경 확장 요소의 배열체를 포함하는 현재 개시된 흙 압축 장치의 일 예의 측면도를 도시한다.
도 2는 희생 팁을 더 포함하는, 도 1a 및 1b의 흙 압축 장치의 측면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 직경 확장/제한 요소의 다른 배열체를 포함하는 현재 개시된 흙 압축 장치의 다른 예의 측면도 및 평면도를 각각 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 직경 제한 요소의 또 다른 배열체를 포함하는 현재 개시된 흙 압축 장치의 또 다른 예의 측면도 및 평면도를 각각 도시한다.
도 5는 도 4a 및 도 4a의 흙 압축 장치의 측면도를 도시하며, 이 장치는 미리 형성된 공동부 내의 입상 재료를 압축하기 위해 사용된다.
도 6은 직경 제한 요소의 제거 가능한 링을 포함하는 흙 압축 장치의 다른 예의 측면도를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 흙 압축 장치의 평면도 및 저면도를 각각 도시한다.
도 8a는 또 다른 실시예에 따른, 직경 제한 요소를 포함하는 흙 압축 장치의 측면도를 도시한다.
도 8b 및 도 8c는 도 8a의 흙 압축 장치의 평면도 및 저면도를 각각 도시한다.
도 9a는 또 다른 실시예에 따른, 직경 제한 요소를 포함하는 흙 압축 장치의 측면도를 도시한다.
도 9b 및 도 9c는 도 9a의 흙 압축 장치의 평면도 및 저면도를 각각 도시한다.
도 10은 예 Ⅰ에서 도 6, 7a 및 7b의 맨드릴과 실질적으로 유사한 16인치(40.6cm) 맨드릴에 대한 모듈러스 하중 시험의 플롯을 나타낸다.
도 11은 예 Ⅱ에서 도 8a - 8c의 맨드릴과 실질적으로 유사한 28인치(71.1cm) 맨드릴에 대한 모듈러스 하중 시험 결과의 플롯을 나타낸다.
도 12a 및 12b는, 상승 위치와 하강 위치에 각각 있고 별도의 직경 제한 및 확장 요소의 배열체를 포함하는 추가 실시예의 흙 압축 장치의 측면도를 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 도 12a 및 12b를 참조하여 설명된 장치의 상승 위치와 하강 위치의 도시를 각각 나타낸다.
도 14a 및 14b는, 상승 위치와 하강 위치에 각각 있고 직경 확장 요소의 배열체 및 내부 흐름 통로를 갖는 이송 관을 포함하는 현재 개시된 흙 압축 장치의 일 예의 측면도를 도시한다.
도 15a 및 도 15b는, 상승 위치와 하강 위치에 각각 있고 직경 확장 요소의 배열체 및 단부 폐쇄형 구동 샤프트를 포함하는 현재 개시된 흙 압축 장치의 일 예의 측면도를 도시한다.
도 16a 및 도 16b는 내부 골재 흐름을 증가시키기 위한 하나 이상의 내부 공기 주입 관을 포함하는 추가 실시예의 흙 압축 장치의 측면도와 평면도를 각각 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 외부 골재 흐름을 증가시키기 위한 하나 이상의 외부 공기 주입 관을 포함하는 추가 실시예의 흙 압축 장치의 측면도와 평면도를 각각 도시한다.
도 18은 두 교대(pier)의 중심 아래에서 측정된 깊이에 따른 원추 침투 저항의 플롯을 나타내며, 한 교대는 도 17a 및 도 17b에 있는 맨드릴과 유사한 공기 주입 관을 갖는 본 발명을 사용하여 설치되었고, 다른 교대는 공기 주입 관이 없는 흙 압축 장치를 사용하여 설치되었다.

지금부터, 현재 개시된 주제는 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 보다 완전하게 설명될 것이며, 도면에는 현재 개시된 주제의 모든 실시예가 아니라 일부가 나타나 있다. 같은 번호는 전체에 걸쳐 같은 요소를 나타낸다. 현재 개시된 주제는 많은 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 오히려, 이들 실시예는 본 개시가 적용 가능한 법적 요건을 충족하도록 제공된 것이다. 실제로, 전술한 설명 및 관련 도면에 제시된 교시의 이점을 갖는, 여기서 설명되는 현재 개시된 주제의 많은 수정 및 다른 실시예가 현재 개시된 주제가 관련된 기술 분야의 숙련자에게 떠오를 것이다. 따라서, 현재 개시된 주제는 개시된 특정 실시예에 제한되지 않고 변형 및 다른 실시예가 첨부된 청구 범위 내에 포함되도록 의도됨을 이해할 것이다.

일부 실시예에서, 현재 개시된 주제는, 자연적으로 배치되어 있거나 건물, 기초, 바닥 슬래브, 벽, 제방, 포장 및 기타 개량물과 같은 구조물의 후속 지지를 위한 사람에 의해 배치된 메움 재료로 이루어진 흙 및 입상 재료를 압축하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 즉, 현재 개시된 주제는, 각각의 흙 압축 장치가 직경 확장/제한 요소의 배열체를 포함하는 흙 압축 장치의 다양한 실시예를 제공한다. 직경 확장/제한 요소는 예를 들어 개별 체인, 케이블 또는 와이어 로프 또는 수직 및 수평으로 연결된 체인, 케이블 또는 와이어 로프의 격자로 제작될 수 있다. 특정 예에서, 직경 확장/제한 요소는 0.5인치의 등급 100 합금 체인으로 형성될 수 있다.

흙 압축 장치의 실시예는 단부 폐쇄형 구동 샤프트, 단부 개방형 구동 샤프트, 관류 통로, 비관류 통로, 직경 확장/제한 요소를 유지하기 위한 제거 가능한 링 및 이것들의 임의의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

현재 개시된 흙 압축 장치를 사용하는 예시적인 방법에서, 초기 구동 후에, 흙 압축 장치가 상승되고 직경 확장 요소는 중력에 의해 구동 샤프트의 바닥에 자유롭게 매달린다. 구동 샤프트가 상승됨에 따라, 자유 필드 흙은 그 구동 샤프트에 의해 남겨진 공동부 안으로 유입한다. 구동 샤프트를 규정된 거리만큼 상승시킨 후, 구동 샤프트는 아래의 재료 안으로의 초기 구동 깊이보다 바람직하게 작은 깊이까지 아래쪽으로 재구동된다. 이로써, 직경 확장 요소는 반경 방향으로 확장하는 기회를 가질 수 있어, 구동 샤프트보다 큰 직경을 가진 압축 표면을 형성하게 된다. 이 과정으로, 직경 확장 요소의 아래 및 주변에 조밀화된 흙의 잘 압축된 칼럼이 생성된다. 구동 샤프트를 위쪽으로 들어올리고 다시 아래로 구동하는 이 과정은, 구동 샤프트가 원래의 지면 높이까지 또는 그 부근으로 들어 올려질 때까지 증분적으로 반복된다

이제 도 1a 및 1b를 참조하면, 한 실시예에 따른 흙 압축 장치(100)가 도시되어 있으며, 여기서 흙 압축 장치(100)는 입상 재료를 압축하는 데에 사용된다. 즉, 도 1a 및 도 1b는, 각각 상승 및 하강 위치에 있고 직경 확장 요소(114)의 배열체를 포함하는 현재 개시된 흙 압축 장치(100)의 측면도이다. 도 1a 및 1b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)는 자유 필드(free-field) 흙(즉, 지반면 아래에 자연적인 또는 배치된 상태로 존재하는 흙) 안으로 삽입되거나 구동될 수 있다. 흙 압축 장치(100)는 구동 샤프트(110)를 포함한다. 이 예에서, 구동 샤프트(110)는, 정상부가 폐쇄되어 있는 단부 폐쇄형 구동 샤프트이다. 즉, 흙 안으로 구동되는 구동 샤프트(110)의 단부에는 기부 플레이트(112)가 제공되어 있어, 단부 폐쇄형 또는 바닥 폐쇄형 구동 샤프트를 형성한다.

또한, 직경 확장 요소(114)의 배열체는 예를 들어 장착 플레이트(116)를 통해 구동 샤프트(110)의 바닥에 부착된다. 예를 들어, 직경 확장 요소(114)는 장착 플레이트(116)에 체결될 수 있다. 그런 다음에, 장착 플레이트(116)는 기부 플레이트(112)에 볼트로 고정될 수 있다. 이 예에서, 직경 확장 요소(114)는, 입상 재료를 압축하기 위해 사용되는 구동 샤프트(110)의 폐쇄 바닥에 위치된다.

직경 확장 요소(114)는 개별적인 체인, 케이블, 와이어 로프 등, 또는 수직 및 수평으로 연결된 체인, 케이블, 와이어 로프 등의 격자로 제작될 수 있다. 특정 예에서, 직경 확장 요소(114)는 0.5인치의 등급 100 합금 체인이다. 도 1a 및 1b에 나타나 있는 실시예에서. 흙 압축 장치(100)가 처음에 자유 필드 흙 안으로 아래쪽으로 구동될 때, 직경 확장 요소(114)는, 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 희생 팁(118) 내에 배치될 수 있다. 이 희생 팁(118)은 직경 확장 요소(114)를 수용하기에 충분한 깊이(예를 들어, 6인치(15.2cm))를 가질 수 있다.

초기 구동 후(도 1b 참조), 흙 압축 장치(100)가 상승되고 직경 확장 요소(114)가 구동 샤프트(110)의 바닥으로부터 중력에 의해 자유롭게 매달린다(도 1a 참조). 구동 샤프트(110)가 상승됨에 따라, 자유 필드 흙(또는 추가적으로 붙어 있는 골재)이, 구동 샤프트(110)에 의해 남겨진 공동부 안으로 유입된다. 선택적으로, 하나 이상의 날개부(120)가 구동 샤프트(110)의 외측면에 부착되어 있다. 날개부(120)는 구동 샤프트(110) 주위의 자유 필드 흙을 풀어주는 작용을 할 수 있다.

구동 샤프트(110)를 규정된 거리만큼 상승시킨 후, 구동 샤프트(110)는 바람직하게는 아래의 재료 안으로 초기 구동 깊이보다 바람직하게 작은 깊이로 아래쪽으로 다시 구동된다. 이로써, 직경 확장 요소(114)는 반경 방향으로 확장될 수 있는 기회를 가져(도 1b 참조), 기부 플레이트(112)보다 더 큰 직경을 갖는 압축 표면(CS)을 형성하게 된다. 한 예에서, 구동 샤프트(110) 및 기부 플레이트(112)의 직경(Di1)은 약 12인치(30.5cm)이고, 확장된 압축 표면의 직경(Di2)은 약 18인치(45.7cm) 이다. 이 공정에 의해, 직경 확장 요소(114)의 아래 및 주위에 조밀화된 흙의 잘 압축된 기둥이 생성된다. 구동 샤프트(110)를 위쪽으로 들어올리고 다시 아래쪽으로 구동시키는 이 공정은. 구동 샤프트(110)가 원래의 지면 높이까지 또는 그 부근으로 들어 올려질 때까지 증분적으로 반복된다.

직경 확장 요소(114)는, 재료 유형 및 프로젝트 요구 사항에 근거하여 원하는 리프트 두께, 압축 표면적 및 흙 흐름을 달성하도록 구성되고 및 그에 따라 크기 결정된다. 기부 플레이트(112) 및 직경 확장 요소(114)(장착 플레이트(116)를 가짐)는 전형적으로 교환 가능하다. 직경 확장 요소(114)가 부착된 교환 가능한 기부 플레이트(112)의 구성은 프로젝트 요구 사항에 맞게 될 수 있으며, 이리하여, 별도의 구동 샤프트 맨드릴을 만들지 않아도 되고 그래서 낮은 비용의 효과적인 방법이 얻어진다. 도 1a 및 1b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)는 제작, 구성 및 유지 관리가 간단하다는 이점을 갖는다.

이제 도 3a 및 도 3a를 참조하면, 현재 개시된 흙 압축 장치(100)의 다른 예의 측면도 및 평면도가 각각 도시되어 있으며, 이 흙 압축 장치는 직경 확장/제한 요소(114)의 다른 배열체를 포함한다. 이 예에서, 구동 샤프트(110) 주위에서 압축 챔버(124) 내부에 있는 관류(flow-through) 통로(122)가, 골재가 구동 샤프트(110)의 외부로부터 압축 챔버(124) 안으로 유입하는 것을 용이하게 해준다. 이 예에서, 구동 샤프트(110)는 "관류" 장치를 제공하는 I-빔 또는 H-빔이며, 흙은 구동 샤프트(110)를 통해 I-빔 또는 H-빔(및 압축 챔버(124))의 관튜 통로(122) 안으로 흐를 수 있다. H-빔이 구동 샤프트(110)로 사용되는 경우에, 그 H-빔에 있는 2개의 외측 플랜지는, 맨드릴이 공동부에서 하강 및 상승되고 있는 중에 흙 공동부 벽을 케이싱하는 데에 도움을 줄 수 있다. 구동 샤프트(110)는 (압축 챔버에 대한 스트러트(strut) 또는 유사한 연결부를 갖는) 솔리드 원통형 샤프트 등일 수 있다는 것이 또한 고려된다

도 3a 및 도 3b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)는 압축 챔버(124)를 더 포함한다. 즉, 압축 챔버(124)는 구동 샤프트(110)의 바닥 단부에 기계적으로 연결된다. 압축 챔버(124)는, 예를 들어, 원통형이다. 압축 챔버(124)는 구동 샤프트(110)와 동일한 크기 또는 직경일 수 있거나 또는 압축 챔버(124)는 구동 샤프트(110)보다 크거나 작을 수 있다. 도 3a 및 도 3b에서, 압축 챔버(124)는 구동 샤프트(110)보다 단면적이 더 크다. 한 예에서, 압축 챔버(124)의 길이는 약 24인치(61.0cm)이다.

압축 챔버(124)는 하나 이상의 보강 플레이트(128)를 선택적으로 사용하여 하중 전달 플레이트(126)로 구동 샤프트(110)에 연결될 수 있다. 압축 챔버(124)는 그의 하측 표면에서 열려 있어, 흙 압축 장치(100)가 아래쪽으로 구동될 때 입상 재료가 압축 챔버(124) 안으로 들어갈 수 있다. 도 3a 및 도 3b에 나타나 있는 실시예에서, 압축 챔버(124)는 일반적으로 그의 상측 표면에서 열려 있어, 관류 통로(들)(122)를 용이하게 할 수 있다. 즉, 하중 전달 플레이트(126)는 그의 중심 부분에서 개구를 갖는 링형 플레이트일 수 있다.

또한, 도 3a 및 도 3b에 나타나 있는 실시예에서, 내부 직경 제한 요소(114I) 및 외부 직경 확장 요소(114E) 모두가 하중 전달 플레이트(126)에 부착된다. 이 예에서, 내부 직경 "제한" 요소(114I)는 압축 챔버(124)의 내부를 의미하고, 외부 직경 "확장" 요소(114E)는 압축 챔버(124)의 외부를 의미한다. 내부 직경 제한 요소(114I) 및 외부 직경 확장 요소(114E)는 서로에 연결되거나 연결되지 않을 수 있다. 직경 확장/제한 요소(114)(일반적으로 내부 직경 제한 요소(114I) 및 외부 직경 확장 요소(114E)를 포함함)는 전형적으로 개별적인 체인 링크, 케이블 또는 와이어 로프 또는 하중 전달 플레이트(126)로부터 아래쪽으로 매달리는 연결된 요소의 격자로 이루어질 수 있다. 특정 예에서, 직경 확장/제한 요소(114)는 0.5인치의 등급 100 합금 체인이다.

도 3a 및 도 3b에 나타나 있는 실시예에서, 흙 압축 장치(100)는 자유 필드에 또는 미리 천공된 공동부 내에 있는 입상 흙을 압축하고 조밀화하기 위해 사용될 수 있다. 흙 압축 장치(100)가 자유 필드 흙을 통해 또는 미리 형성된 공동부 내에서 위쪽으로 추출될 때, 직경 확장/제한 요소(114)는 수직으로 아래쪽으로 매달려, 흙 압축 장치(100)의 상향 이동에 거의 저항을 주지 않다. 흙 압축 장치(100)가 아래쪽으로 구동될 때, 직경 확장/제한 요소(114)는, 흙 압축 장치(100)가 안으로 구동되고 있는 재료와 결합하는데, 이들 재료(즉, 자유 필드 흙 또는 미리 천공된 구멍에 배치된 골재)가, 아래쪽으로 구동되는 흙 압축 장치(100)에 대해 위쪽으로 이동하고 있기 때문이다.

결합된 재료에 의해, 직경 확장/제한 요소(114)가 함께 "확장되거나" "뭉쳐", 흙 또는 골재 재료의 추가 상향 이동을 실질적으로 억제한다. 따라서 내부 직경 제한 요소(114I)는 압축 챔버(124)의 내부에서 "뭉쳐", 맨드릴의 하향 이동 동안에 압축 챔버(124)가 위쪽으로 이동하는 흙 재료로 "막히게" 된다. 이리하여, 흙 압축 장치(100)의 바닥 바로 아래에 있는 재료를 압축하는 데에 사용되는 효과적인 압축 표면(CS)이 생성된다. 외부 직경 확장 요소(114E)는 마찬가지로 압축 챔버(124)의 외부에서 "확장"되어, 압축 챔버의 외부에서 흙 또는 골재 재료가 위쪽으로 이동하는 것을 억제한다. 따라서 이러한 기구는 하향 압축 스트로크 중에 압축 표면(CS)의 단면적을 효과적으로 증가시킨다. 단면적의 증가에 의해, 추출 동안 보다 압축 동안에 더 큰 유효 단면적을 갖는 흙 압축 장치(100)의 사용이 가능하게 되어, 건설 중에 큰 효율성 및 기계 및 공구 비용의 절감이 제공된다.

이제 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 직경 제한 요소(114)의 또 다른 배열체를 포함하는 현재 개시된 흙 압축 장치(100)의 또 다른 예의 측면도 및 평면도가 각각 도시되어 있다. 도 4a 및 도 4b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)는, 외부 직경 확장 요소(114E)를 포함하지 않는다는 것을 제외하고, 도 3a 및 도 3b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)와 실질적으로 동일하다. 이 예에서, 하중 전달 플레이트(126)는 압축 챔버(124)의 직경을 넘어 연장되지 않고, 내부 직경 제한 요소(114I)만이 하중 전달 플레이트에 부착된다. 도 3a, 3b, 4a 및 4b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100) 모두는 구동 샤프트(110)의 외부에 배치되는 효율적인 관류 통로(122)를 제공하며, 이 관류 통로는 압축 챔버(124) 안으로의 개선된 입상 재료 흐름을 가능하게 한다.

도 4a 및 도 4b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)에서, 흙 압축 장치(100)가 상승되면, 압축 챔버(124)의 정상부 위쪽에 위치되는 입상 재료가 압축 챔버(124)의 외측면 주위에서 그리고/또는 구동 샤프트(110)를 통해 또는 그 외부를 지나 관류 통로(122) 안으로 유입하여 위쪽에서 압축 챔버(124)에 들어갈 수 있다. 입상 재료가 관류 통로(122)를 통해 흐를 수 있음으로써, 흙 압축 장치(100)는 더 작은 추출력으로 따라서 더 큰 효율로 위쪽으로 상승될 수 있다(이는 종래 기술에서 볼 수 있는 압축 챔버의 더 일반적으로 "폐쇄된" 상측 부분과는 대조적임). 흙 압축 장치(100)가 상승된 후, 그 압축 장치는 다시 아래쪽으로 구동된다. 아래쪽으로의 작용에 의해, 내부 직경 제한 요소(114I)가 함께 "뭉쳐" 효과적인 플러그를 형성하게 되며, 그리고 이 플러그는 흙 압축 장치(100)의 바닥 아래에 있는 재료를 압축하기 위해 사용된다.

도 4a 및 도 4b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)는 미리 형성된 공동부 내의 골재를 조밀화하고 압축하는 데에 특히 효과적이다. 예를 들면, 도 5는 공동부(130)에 있는 도 4a 및 4b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)를 나타내고, 그 흙 압축 장치(100)는 미리 형성된 공동부 내의 입상 재료를 압축하기 위해 사용된다. 이 예에서, 흙 압축 장치의 압축 챔버(124)는 약 24인치(61.0cm)의 높이(H)를 갖는다.

예시적인 방법에서, 공동부(130)는 천공 또는 다른 수단에 의해 형성되고 흙 압축 장치(100)는 공동부(130) 안으로 하강된다. 그런 다음 골재가 지면으로부터 부어져, 공동부(130) 내의 압축 챔버(124) 위에 마운드를 형성한다. 흙 압축 장치(100)가 상승되면, 골재가 관류 통로(122)를 통해 그리고 그 주위에서 흘러 압축 챔버(124)의 내부 안으로 들어가게 된다. 흙 압축 장치(100)를 더 상승시키면, 골재가 압축 챔버(124)의 바닥 아래로 흐를 수 있다. 흙 압축 장치(100)가 배치된 골재 안으로 아래쪽으로 구동될 때, 내부 직경 제한 요소(114I)는 안쪽으로 움직여 함께 "뭉쳐" 압축 표면을 형성하게 된다. 이러한 기구는 압축 챔버(124) 아래의 골재 재료의 압축을 용이하게 한다. 이 실시예에 대해 전술한 흙 압축 장치(100) 및 방법은, 압축 사이클에 필요한 상향 및 하향 이동 중에 흙 압축 장치(100)가 공동부(130) 내에 남아 있도록 해주고 또한 종래 기술에서 요구되는 바와 같이 공동부(130) 밖으로 맨드릴을 "트립(trip)"할 필요성을 없애준다. 흙 압축 장치(100) 및 방법은, 현장에서 사용되는 전술한 변위 방법에 일반적으로 요구되는 중공 이송 관 및 호퍼에 대한 필요성을 추가로 없애준다. 압축 챔버(124)의 상측 부분에 있는 개방 관류 통로(122)의 다른 이점은, 골재가 추가되는 중에 공동부에 맨드릴을 남겨둘 수 있으면서, 교대(pier) 건설 중에 케이빙 공동부 흙을 일시적으로 케이싱하기 위해 압축 챔버 위에 돌의 헤드를 형성할 수 있다는 것이다.

도 1a 내지 도 3b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)는, 도 4a, 4b 및 도 5에서 위에서 설명한 바와 같이 미리 천공된 구멍에 있는 골재를 압축하고 조밀화하기 위한 방법과 함께 사용될 수 있다. 도 1a 내지 도 3b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)가 사용될 때, 외부 직경 확장 요소(114)는 상향 추출 동안 아래쪽으로 매달리고 하향 압축 스트로크 동안에는 확장되고 함께 뭉치게 된다. 이로써, 아래쪽의 골재가 구동 샤프트(110) 및/또는 압축 챔버(124)의 외부에 대해 위쪽으로 이동하는 것이 방지된다. 위쪽 이동의 방지는 골재의 압축 동안에 탬퍼(tamper) 헤드가 효과적으로 확대될 수 있게 한다. 더 큰 크기의 탬퍼 헤드가 배치된 골재의 리프트에 대한 더 큰 구속을 제공하고, 또한 배치된 리프트 내의 더 깊은 골재를 효과적으로 조밀화한다. 이러한 기구에 의해, 압축 동안에 골재의 더 두꺼운 리프트의 사용이 가능하여, 공정이 비용이 덜 들고 또한 더 효율저으로 된다.

이제 도 6을 참조하면, 다른 실시예에 따른, 직경 제한 요소(아래에서 더 자세히 규정됨)의 제거 가능한 링을 포함하는 다른 흙 압축 장치(200)의 측면도가 도시되어 있다. 도 7a 및 도 7b는 각각 도 6의 흙 압축 장치(200)의 평면도 및 저면도를 도시한다.

흙 압축 장치(200)는 구동 샤프트(210)를 포함한다. 이 구동 샤프트(210)는 일반적으로 "관류" 장치를 제공하는 I-빔 또는 H-빔이며, 여기서 흙/골재는 구동 샤프트(210)를 통해 또는 그 외부에서 흘러 I-빔 또는 H-빔의 관류 통로(122) 안으로 들어갈 수 있다(도 7a 및 도 7b 참조). 한 예에서, I-빔 또는 H-빔은 약 11.5인치(29.2cm)의 높이, 약 10.375인치(26.4cm)의 폭 및 약 112인치(2.84m)의 길이를 갖는다. 개구(212)가, 구동 샤프트(210)를 형성하는 I-빔 또는 H-빔의 웨브에 제공되어, 구동 샤프트의 바닥 단부 위쪽에서 공동부에 있는 골재 또는 다른 재료가 공동부의 한 절반부로부터 다른 절반부로 갈 수 있게 한다. 개구(212)는 구동 샤프트(210)의 바닥 단부 근처에 있을 수 있다. 한 예에서, 개구(212)는 라운딩된 단부를 가지며, 길이가 약 24인치(61.0cm)이고 폭은 약 6인치(15.2cm)이다. 개구(212)의 존재로 인한 구동 샤프트(210)의 강도 손실을 극복하기 위해, 한 쌍의 보강 플레이트(214)가 예를 들어 구동 샤프트(210)에 용접될 수 있는데, 즉 한 보강 플레이트(214)가 개구(212) 근처에서 한 측에 있고 다른 보강 플레이트(214)는 다른 측에 있다. 한 예에서, 각 보강 플레이트(214)는 폭이 약 5인치(12.7cm)이고 두께는 약 1인치(2.5cm)이다.

흙 압축 장치(200)에서, 개구(212)의 일부분이 파이프(216) 내부에 있도록 구동 샤프트(210)의 바닥 단부가 파이프(216)의 한 단부 안으로 끼워진다. 즉, 구동 샤프트(210)는 파이프(216) 안으로 깊이(d1)로 끼워진다. 한 예에서, 깊이(d1)는 약 11인치(27.9cm)이다. 일단 파이프(216) 안으로 끼워지면, 구동 샤프트(210)는 예를 들어 용접에 의해 그 파이프 안에 고정될 수 있다. 한 예에서, 파이프(216)는 약 36인치(91.4cm)의 길이(L1), 약 16인치(40.6cm)의 외경(OD), 약 14인치(35.6cm)의 내경(ID), 및 따라서 약 1인치(2.5cm)의 벽 두께를 갖는다.

보강 링(218)이 파이프(216)의 바닥 단부 주위에 장착될 수 있다. 한 예에서, 보강 링(218)은 약 3인치(7.6cm)의 높이(h1), 약 18인치(45.7cm)의 OD, 약 16인치(40.6cm)의 ID, 및 따라서 약 1인치(2.5cm)의 벽 두께를 갖는다. 한 예에서, 보강 링(218)은 용접에 의해 파이프(216)에 고정될 수 있다. 또한, 링형 마모 패드(220)가 파이프(216)의 단부와 보강 링(218)에 맞닿을 수 있다. 한 예에서, 마모 패드(220)는 약 1인치(2.5cm)의 두께(t1)를 갖는다. 마모 패드(220)는 필요에 따라 교체될 수 있다.

흙 압축 장치(200)는 또한 전형적으로 직경 제한 요소(114)의 배열체가 부착되는 제거 가능한 링(222)을 포함한다. 한 예에서, 제거 가능한 링(222)은 약 3인치(7.6cm) 내지 약 4인치(10.2cm)의 높이, 약 14인치(35.6cm)의 OD, 약 13인치(33.0cm)의 ID, 및 약 0.5인치(1.3cm)의 벽 두께를 갖는다. 직경 제한 요소(114)를 제거 가능한 링(222)에 부착함으로써, 직경 제한 요소(114)의 제거 가능한 링이 형성된다. 직경 제한 요소(114)를 갖는 제거 가능한 링(222)은 파이프(216)의 내부에 끼워질 수 있고, 직경 제한 요소(114)가 파이프(216)의 바닥 단부 쪽으로 아래로 매달려 있도록 구동 샤프트(210)의 단부 근처에 위치될 수 있다. 제거 가능한 링(222)은 예를 들어 볼트(224)에 의해 파이프(216) 내부에 고정될 수 있다.

다른 세트의 직경 제한 요소(114)가, 구동 샤프트(210)를 형성하는 I-빔 또는 H-빔의 웨브에 고정될 수 있다. 이후, 제거 가능한 링(222)에 부착된 직경 제한 요소(114)를 직경 제한 요소(114A)라고 한다. 이하, 구동 샤프트(210)의 웨브에 부착된 직경 제한 요소(114)를 직경 제한 요소(114B)라고 한다.

한 예에서, 제거 가능한 링(222)은 단일체의 연속적인 링일 수 있다. 이 예에서, 직경 제한 요소(114A)는, 예를 들어, 26개의 14인치(35.6cm) 길이, 0.5인치(1.3cm) 등급 100 합금 체인을 제거 가능한 링(222)에 용접하여 형성된다. 다른 예에서, 제거 가능한 링(222)은 파이프(216) 내부에 함께 위치되는 2개의 절반 링으로 이루어질 수 있다. 이 예에서, 직경 제한 요소(114A)는, 예들 들어, 13개의 14인치(35.6cm) 길이, 0.5인치(1.3cm) 등급 100 합금 체인을 제거 가능한 링(222)의 각 절반부에 용접하여 형성된다.

한 예에서, 구동 샤프트(210)의 웨브에 부착된 직경 제한 요소(114B)는 5개의 14인치(35.6cm) 길이, 0.5인치(1.3cm) 등급 100 합금 체인을, 구동 샤프트(210)를 형성하는 I-빔 또는 H-빔의 웨브에 용접함으로써 형성된다. 맨드릴이 골재 안으로 구동되면, 체인이 뭉쳐져 골재의 상향 흐름을 실질적으로 제한하고 또한 맨드릴이 그 골재를 압축할 수 있게 한다. 맨드릴이 추출되면 체인이 떨어져, 골재가 맨드릴에 대해 아래쪽으로 흐를 수 있다.

이제 도 8a를 참조하면, 다른 실시예에 따른, 직경 제한 요소(114)를 포함하는 흙 압축 장치(300)의 측면도가 도시되어 있다. 도 8b 및 도 8c는 도 8a의 흙 압축 장치(300)의 평면도 및 저면도를 각각 도시한다. 이 예에서, 흙 압축 장치(300)는 파이프(310)를 포함할 수 있다. 파이프(310)의 바닥 단부는 플레이트 또는 캡(312)을 사용하여 폐쇄될 수 있고, 그리하여 파이프(310)는 단부 폐쇄형 파이프가 된다. 파이프(310)의 정상 단부는 전형적으로 구동 샤프트(110)의 팁에 연결하기 위한 플랜지(314)를 갖는다. 한 예에서, 파이프(310)는 길이가 약 40인치(101.6cm)이고 약 10인치(25.4cm)의 OD, 약 8인치(20.3cm)의 ID, 및 따라서 약 1인치(2.5cm)의 벽 두께를 갖는다. 파이프(310), 플레이트 또는 캡(312) 및 플랜지(314)는 예를 들어 용접에 의해 함께 체결될 수 있다.

단부 폐쇄 파이프(310)의 바닥 단부는 압축 챔버(318)의 한 단부에 끼워진다. 한 예에서, 압축 챔버(318)는, 약 40인치(101.6cm)의 길이(L1), 약 33.5인치(85.1cm)의 OD, 약 31.5인치(80.0cm)의 ID, 및 따라서 약 1인치(2.5cm)의 벽 두께를 갖는 파이프이다. 한 예에서, 파이프(310)는 압축 챔버(318) 안으로 약 21인치(53.3cm)의 거리 만큼 끼워진다.

파이프(310)는 예를 들어 이 파이프(310) 주위에 반경 방향으로 배치되는 4개의 스트러트 또는 플레이트(320)(예를 들어, 12시 방향에 하나, 3시 방향에 하나, 6시 방향에 하나, 그리고 9시 방향에 하나 있음)에 의해 압축 챔버(318) 내에서 지지될 수 있다. 한 예에서, 스트러트 또는 플레이트(320)는 약 1인치(2.5cm) 두께를 갖는다. 스트러트 또는 플레이트(320)는 전형적으로 압축 챔버(318) 안으로 예를 들어 약 19인치(48.3cm)의 거리(d1) 만큼 연장된다. 스트러트 또는 플레이트(320)의 정상 단부는 나타나 있는 바와 같이 파이프(310) 쪽으로 테이퍼져 있을 수 있고, 반면에 스트러트 또는 플레이트(320)의 하단부는 전형적으로 직각으로 되어 있다. 대안적으로, 스트러트 또는 플레이트(320)는 하단부와 유사하게 정상부에서 직각으로 되어 있을 수 있다. 파이프(310)의 단부에 있는 플레이트 또는 캡(312)은 스트러트 또는 플레이트(320)의 하단부의 약간 아래로 연장될 수 있다. 파이프(310), 압축 챔버(318) 및 스트러트 또는 플레이트(320)는 예를 들어 용접으로 함께 체결될 수 있다.

또한, 링(322)이 압축 챔버(318)의 내부에서 스트러트 또는 플레이트(320)의 하단부 근처에 제공될 수 있다. 한 예에서, 링(322)은 약 2인치(5.1cm)의 높이, 약 31.5인치(80.0cm)의 OD, 약 29.5인치(74.9cm)의 ID, 및 따라서 약 1인치(2.5cm)의 벽 두께를 갖는다. 링(322)은 예를 들어 용접 또는 볼트 고정에 의해 압축 챔버(318)의 내부에 체결될 수 있다.

도 8c에 나타나 있는 바와 같이, 직경 제한 요소(114)는 링(322)의 하측 표면, 4개의 스트러트 또는 플레이트(320)의 하측 가장자리, 및 플레이트 또는 캡(312)의 주변부 주위에 부착되고 그로부터 아래로 매달릴 수 있다. 직경 제한 요소(114)는 개별적 체인, 케이블 또는 와이어 로프 또는 수직 및 수평으로 연결된 체인, 케이블 또는 와이어 로프의 격자로 제작될 수 있다. 특정 예에서, 직경 제한 요소(114)는, 링(322), 스트러트 또는 플레이트(320) 및 플레이트 또는 캡(312)에 용접되는 19인치(48.3cm) 길이의 0.5인치(1.3cm) 등급 100 합금 체인이다.

이제 9a를 참조하면, 다른 실시예에 따른, 직경 제한 요소(114)를 포함하는 흙 압축 장치(400)의 측면도가 도시되어 있다. 도 9b 및 도 9c는 각각 도 9a의 흙 압축 장치(400)의 평면도 및 저면도를 각각 도시한다.

이 예에서, 흙 압축 장치(400)는 전형적으로 구동 파이프(410)를 포함한다. 이 구동 파이프(410)의 바닥 단부는 플레이트 또는 캡(412)을 사용하여 폐쇄될 수 있고, 이리하여 구동 파이프(410)는 단부 폐쇄형 파이프가 된다. 구동 파이프(410)의 정상 단부는 전형적으로 구동 샤프트(110)의 팁에 연결하기 위한 플랜지(414)를 갖는다. 한 예에서, 구동 파이프(410)는 약 40인치(101.6cm)의 길이, 약 7인치(17.8cm)의 OD, 약 5인치(12.7cm)의 ID, 및 따라서 약 1인치(2.5cm)의 벽 두께를 갖는다. 구동 파이프(410), 플레이트 또는 캡(412) 및 플랜지(414)는 예를 들어 용접에 의해 함께 체결될 수 있다.

단부 폐쇄형 구동 파이프(410)의 바닥 단부는 압축 챔버(418)의 한 단부 안으로 끼워진다. 한 예에서, 압축 챔버(418)는, 약 40인치(101.6cm)의 길이(L1), 약 27인치(68.6cm)의 OD, 약 25인치(63.5cm)의 ID, 및 따라서 약 1인치(2.5cm)의 벽 두께를 갖는 파이프이다. 한 예에서, 구동 파이프(410)는 압축 챔버(418) 안으로 약 26인치(66.0cm)의 거리 만큼 연장된다.

구동 파이프(410)는, 예를 들어, 이 구동 파이프(410) 주위에 반경 방향으로 배치된 3개의 스트러트 또는 플레이트(420)(예를 들어, 12시 방향에 하나, 4시 방향에 하나, 그리고 8시 방향에 하나)에 의해 압축 챔버(418) 내에 지지될 수 있다. 시). 한 예에서, 스트러트 또는 플레이트(420)는 약 1인치(2.5cm)의 두께를 갖는다. 스트러트 또는 플레이트(420)는 압축 챔버(418) 안으로 예를 들어 약 24인치(61.0cm)의 거리(d1) 만큼 연장될 수 있다. 스트러트 또는 플레이트(420)의 정상 단부는 나타나 있는 바와 같이 구동 파이프(410)의 정상 가장자리 부근에서 직각으로 되어 있을 수 있다. 스트러트 또는 플레이트(420)의 하단부도 직각으로 되어 있을 수 있다. 구동 파이프(410)의 단부에 있는 플레이트 또는 캡(412)은 스트러트 또는 플레이트(420)의 하단부의 약간 아래로 연장될 수 있다. 구동 파이프(410), 압축 챔버(418) 및 스트러트 또는 플레이트(420)는 예를 들어 용접으로 함께 체결될 수 있다.

또한, 링(422)이 압축 챔버(418)의 내부에서 스트러트 또는 플레이트(420)의 하단부 근처에 제공될 수 있다. 한 예에서, 그 링(422)은 약 2인치(5.1cm)의 높이, 약 25인치(63.5cm)의 OD, 약 23인치(58.4cm)의 ID, 및 따라서 약 1인치(2.5cm)의 벽 두께를 갖는다. 링(422)은 예를 들어 용접 또는 볼트 고정으로 압축 챔버(418) 내부에 체결될 수 있다.

직경 제한 요소(114)는 전형적으로 링(422)의 하측 표면, 플레이트 또는 캡(412)의 주변부 주위 및 스트러트(420)의 바닥에 부착되고 그로부터 아래로 매달린다. 직경 제한 요소(114)는 개별적인 체인, 케이블 또는 와이어 로프, 또는 수직 및 수평으로 연결된 체인, 케이블 또는 와이어 로프의 격자로 제작될 수 있다. 한 예에서, 링(422)에 용접된 32개의 14인치(35.6cm) 길이, 0.5인치(1.3cm) 등급 100 합금 체인 및 플레이트 또는 캡(412)에 용접된 14개의 20인치(50.8cm) 길이, 0.5인치(1.3cm) 등급 100 합금 체인이 있다.

외부 및 내부 요소를 갖는 외부 링 실시예

이제 도 12a 및 12b를 참조하면, 각각 별도의 내부 및 외부 직경 제한/확장 요소(114I 및 114E)의 또 다른 배열체를 포함하는 현재 개시된 흙 압축 장치(100)의 또 다른 예의 각각 상승 및 하강 위치의 측면도가 도시되어 있다. 도 12a 및 12b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)는, 외부 직경 확장 요소(114E)가 내부 직경 제한 요소(114I)에 연결되어 있지 않다는 점을 제외하고, 도 3a 및 3b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)와 실질적으로 동일하다. 이 예에서, 외부 직경 확장 요소는, 압축 챔버(124)의 직경을 넘어 연장되는 하중 전달 플레이트(126)에 기계적으로 체결되고 또한 외부 부유 원주 방향 링(140)에 부착되며, 이 링은 수직 상하 방향으로 자유롭게 병진 이동하지만 측방 옆 방향으로는 구속된다.

도 12a 및 12b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)에서, 그 흙 압축 장치(100)가 상승되면, 압축 챔버(124)의 정상부 위쪽에 위치되어 있는 입상 재료가 외부 직경 확장 요소(114E)의 외부 주위 및/또는 구동 샤프트(110)를 통해 또는 그 외부를 지나 관류 통로(122) 안으로 흘러 위쪽에서 압축 챔버(124)에 들어갈 수 있다. 입상 재료가 관류 통로(122)를 통해 흐를 수 있음으로써, 흙 압축 장치(100)는 더 작은 추출력으로 따라서 더 큰 효율로 위쪽으로 상승될 수 있다(이는 종래 기술에서 볼 수 있는 바와 같은 압축 챔버의 더 일반적으로 "폐쇄된" 상측 부분과는 대조적임). 흙 압축 장치(100)가 상승된 후, 그 압축 장치는 다시 아래쪽으로 구동된다. 아래쪽으로의 작용에 의해 외부 부유 링(140)이 압축 챔버(124)의 외부를 따라 위로 병진 이동할 수 있고 또한 직경 확장 요소가 외측으로 확장하여 장치(100)의 바닥 아래로 압축 직경을 증가시킨다.

도 12a 및 도 12b에서 설명된 흙 압축 장치(100)는 도 13a 및 13b에 더 도시되어 있다. 장치(100)의 상승 위치가 도 13a에 나타나 있다. 하강 위치에서 장치(100)에 의해 달성된 증가된 압축 직경이 도 13b에 나타나 있다. 이 예에서, 20개의 18인치(45.7cm) 길이, 0.5인치(1.3cm), 등급 100 합금 체인이 압축 챔버(124)의 정상부로부터 대략 4인치(10.2cm) 아래에 용접되고 또한 흙 압축 장치(100)의 바닥으로부터 대략 2인치(5.1cm) 위쪽에 매달려 있는 외부 부유 링(140)에 의해 연결되어 있다. 이 예에서, 토압 압축 장치는 상승 위치에서 15인치(38.1cm)의 외경(Di1) 및 하강 위치에서 약 20인치(50.8cm)의 외경(Di2)을 갖는다.

외부 직경 확장 요소만의 실시예

이제 도 14a 및 14b를 참조하면, 외부 직경 확장 요소(114E)의 또 다른 배열체를 포함하는 현재 개시된 흙 압축 장치(100)의 또 다른 예의 각각 상승 위치 및 하강 위치의 측면도가 도시되어 있다. 도 14a 및 14b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)는, 외부 직경 확장 요소(114E)만이 존재하고 노치(notch) 지점(N)에서의 부착과 같은 다른 방식으로 구동 샤프트(110)에 기계적으로 체결되도록 맨드릴이 설계되어 있다는 것을 제외하고는, 도 12a 및 12b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)와 실질적으로 동일할 수 있다. 노치 지점(N)은 구동 샤프트의 상이한 벽 두께, 예컨대, 구동 샤프트(110)의 상측 부분에 형성되어 제1 직경(Di1)을 형성하는 제1 벽 두께와 구동 샤프트(110)의 하측 부분에 형성되어 제2 직경(Di2)을 형성하는 제2 벽 두께 사이에 형성된 노치로 이루어진다. 유사한 외부 부유 원주 방향 링(140)이 외부 직경 확장 요소(114E)의 말단부에 사용될 수 있고, 수직 상하 방향으로 자유롭게 병진 이동할 수 있으나 측방 옆 방향으로는 구속되어 있다. 도 14a 및 도 14b는 내부 흐름 통로(122)를 갖는 이송 관의 사용을 도시하는 반면, 도 15a 및 도 15b는 단부 폐쇄형 구동 샤프트 및 외부 직경 확장 요소(114E)의 유사한 배열체와 함께 사용하는 것을 나타낸다.

공기 강화 실시예

이제 도 16a 및 16b를 참조하면, 현재 개시된 흙 압축 장치(100)의 또 다른 예의 측면도와 평면도가 각각 도시되어 있고, 이 압축 장치는, 관튜 통로(들)(122)를 따라 아래로 가는 내부 골재 흐름을 증가시키기 위해 필요한 양(positive)의 공기 압력을 공급하기 위해 사용되는 적어도 하나의 주입 포트(152)를 갖는 적어도 하나의 내부 공기 주입 관(150)을 포함한다.

이 예에서 공기 주입 관(150)은 구동 샤프트(110)의 내부 플랜지에 체결되며, 다수의 배출 포트(152)가 압축 챔버(124)의 위쪽에 위치된다. 구동 샤프트(110) 내부에 공기 압력의 흐름을 포함하기 위해 공기 주입 포트(152)는 구동 샤프트(110)의 중심 쪽으로 또는 구동 샤프트(110)를 따라 아래쪽으로 향해 있을 수 있다. 구동 샤프트(110)의 내부로 집중되는 양의 공기 압력의 공급은, 구동 샤프트(110)의 내부 플랜지와 미리 형성된 또는 변위된 흙 공동부의 측벽 사이에 일어날 수 있는 골재 브리징을 감소시킴으로써 위쪽에서 압축 챔버(124)에 들어가기 위해 관류 통로(들)(22)를 통해 아래로 가는 골재의 흐름을 용이하게 하는 데에 유용하다. 한 예에서, 공기 주입 관(150)은 0.75인치(1.9cm)의 공칭 직경을 가지며, 약 0.125인치(3.18mm)의 직경을 갖는 다수의 공기 주입 포트(152)가 압축 챔버(124)로부터 1인치(2.54cm) 이상 위쪽에 위치되며, 구동 샤프트(110)의 길이를 따라 대략 3 피트(0.9 m)의 중심간 거리로 이격되어 있다.

현재 개시된 흙 압축 장치(100)의 추가 실시예가 도 17a 및 17b에 측면도 및 평면도로 각각 도시되어 있다. 도 17a 및 17b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)는, 공기 주입 관(150)이 구동 샤프트(110)의 외부 플랜지에 위치되어 있고 외부 골재 흐름을 증가시키기 위해 주입 포트(152)가 구동 샤프트(110)로부터 멀어지게 외측으로 향해 있다는 점을 제외하고는, 도 16a 및 16b에 나타나 있는 흙 압축 장치(100)와 실질적으로 동일하다.

이 예에서, 4개의 공기 주입 관(150)은 구동 샤프트 플랜지의 외부에 체결되고 있고, 다수의 배출 포트(152)가 압축 챔버(124) 위쪽에 위치되어 있고 자유 필드 흙 쪽으로 외측으로 향해 있다. 구동 샤프트(110)의 외부로 집중되는 양의 공기 압력의 공급은, 흙 압축 장치(100)를 땅 속으로 구동시킴으로써 생성되는 공동부 안으로 들어가는 입상 자유 필드 흙의 케이빙(caving)을 유도하는 데에 유용하다. 흙 압축 장치(100)가 상승되면, 케이빙 입상 재료는 압축 챔버의 외부 주위에서 또는 구동 샤프트(110) 플랜지 사이에서 관류 통로(122) 안으로 흘러 위쪽에서 압축 챔버(124)에 들어갈 수 있다. 흙 압축 장치(100)가 다시 아래쪽으로 구동될 때, 케이빙 입상 자유 필드 흙은 장치(100)의 바닥 아래에서 제 위치에서 압축될 수 있다. 외부 자유 필드 입상 재료가 압축 챔버(124) 안으로 유입할 수 있음으로써, 땅 아래에서 압축될 수 있는 골재의 부피가 증가된다.

본 발명을 일반적으로 설명하였지만, 흙 압축 장치의 상이한 실시예들을 추가로 설명하는 이하의 특정 예에서의 예시에 의해 다양한 실시예가 더 구체적으로 설명된다.

예 Ⅰ

한 예에서, 미리 천공된 공동부에서 여기서 개시된 주제의 실시예를 사용하여 골재를 압축하는 방법이 전체 규모의 현장 시험으로 시연되었다. 압축 맨드릴은, 도 6, 7a 및 7b에 나타나 있는 흙 압축 장치(200)와 유사하게, 바닥에서 16인치(40.6cm) 직경의 관류 압축 챔버를 갖는 "I-빔" 구동 샤프트로 구성되었다.

20인치(50.8cm)의 직경을 갖는 시험 교대가 30피트(9.1m)의 깊이로 설치되었다. 교대는 특정된 깊이까지 원통형 공동부를 천공하여 건설되었다. 천공 후, 공동부의 바닥에 압축되지 않은 돌의 대략 3피트 두께 리프트가 있을 때까지 돌 골재가 공동부 안으로 부어졌다. 그런 다음 맨드릴이 돌의 정상부에 도달할 때까지 공동부 안으로 하강되었다. 해머가 작동 시작되었고, 바닥에 있는 직경 제한 요소가 결합될 때까지 맨드릴이 돌 안으로 하강되었다. 그런 다음에, 맨드릴이 돌 안으로 구동되어, 돌을 압축하고 또한 돌을 아래쪽으로 그리고 횡방향으로 주변 흙 안으로 구동하였다.

맨드릴이 공동부에 있고 돌의 바닥 리프트를 압축하는 동안, 추가적인 골재가 압축 헤드로부터 대략 약 10피트(3.0m) 위쪽에 이를 때까지 공동부 안으로 부어졌다. 그런 다음에 맨드릴이 6피트(1.8m) 상승되어, 직경 제한 요소가 펼쳐지게 하고 또한 골재가 압축 헤드를 통과할 수 있게 하였다(관류 통로를 지나). 그런 다음 맨드릴이 골재 안으로 3피트(0.9m) 만큼 구동되어, 직경 제한 요소가 묶음지고 초기 리프트와 압축 헤드 사이의 골재를 압축하고 또한 골재를 횡방향으로 주변 돌 안으로 구동한다. 그런 다음 맨드릴이 이어서, 지면에 도달할 때까지 6피트(1.8m) 상승되고 3피트(0.9m) 하강되어, 지면에 도달할 때까지, 골재의 각 리프트를 3피트(0.9m) 증분으로 압축한다. 돌의 레벨은 교대의 건설 전체에 걸쳐 압축 헤드의 정상부 위쪽에 유지되었다.

건설된 교대 중의 2개에 대해 모듈러스 시험이 수행되었으며, 한 시험은 깨끗한 부서진 돌을 사용하여 30피트(9.1m)의 깊이로 건설된 교대에 대한 것이고, 다른 시험은, 깨끗한 부서진 돌로 이루어진 압축된 골재의 바닥 10피트(3.0m) 및 콘크리트 모래로 이루어진 압축된 골재의 상측 20피트(6.1m)를 가지고 30피트(9.1m) 깊이로 건설된 교대에 대한 것이다. 도 10의 플롯(1000)에 나타나 있는 결과는, 건설된 교대는 설계를 확인했으며 구조물을 지지하기에 충분했음을 나타낸다.

위에서 설명한 기술로 5,000개 이상의 교대가 이 장소에 설치되었다. 미국 특허 번호 5,249,892 및 6,354,766에 설명된 것과 같은 전통적인 교체 방법은, 천공된 공동부가 10피트(3.0m)의 깊이 아래에서는 불안정하였기 때문에, 이 장소에서는 실행 가능하지 않았다. 여기서 설명된 설치 방법은, 압축 챔버 위쪽의 돌의 헤드가 교대 건설 중에 케이빙 흙을 일시적으로 케이싱할 수 있게 하였다. 골재가 추가됨에 따라 공동부에 맨드릴을 남길 수 있는 이점은, 시간당 약 145피트(44.2m)의 교대의 평균 설치 속도를 허용했으며, 이 속도는 전통적인 교체 방법에 대해 전형적으로 관찰되는 것보다 약 30% 더 빠른 것으로 추정된다. 또한, 본 발명은 미국 특허 제7,226,246호에 설명된 변위 방법보다 유리했는데, 그 이유는 변위 방법에 비해 상부 점착성 흙에서 더 높은 능력이 나타날 수 있기 때문이다.

예 Ⅱ

여기에 개시된 주제의 일 실시예의 다른 예에서, 도 8a - 8c와 유사한 28인치(71.1cm) 직경의 관류 압축 챔버를 갖는 맨드릴로 미리 천공된 공동부에서 골재를 압축하는 방법이 전체 규모의 현장 시험으로 시연되었다. 건설 방법의 성능을 검증하기 위해 모듈러스 시험 교대가 건설되었다.

시험 교대를 위한 공동부가 12피트(3.7m)의 깊이로 천공되었다. 천공 후, 압축 챔버가 바닥에 도달할 때까지 맨드릴이 공동부 안으로 하강되었다. 2피트(0.6m) 두께의 압축된 리프트를 만들기에 충분한 압축되지 않은 돌이 있을 때까지, 깨끗한 돌 골재가 공동부 안으로 부어졌다. 맨드릴이 3피트(0.9m) 상승되고 또한 3피트(0.9m) 하강되어 돌을 아래의 흙 속으로 구동시켰다. 그런 다음에 맨드릴이 제거되었고 표시 어셈블리가 공동부 안으로 초기의 압축된 리프트 위에 배치되었다.

맨드릴이 공동부 안으로 다시 하강되었고, 부서진 돌 골재가 지면에 도달할 때까지 공동부 안으로 부어졌다. 맨드릴이 3피트(0.9m) 상승되어 골재가 압축 헤드를 통과할 수 있게 하였고(관류 통로를 통해), 그런 다음에 골재 안으로 1.5피트(0.5m) 아래로 구동되어, 직경 제한 요소가 묶음지고 골재를 압축하고 또한 골재를 횡방향으로 주변 흙 안으로 구동한다. 그런 다음 맨드릴이 이어서, 지면에 도달할 때까지 3피트(0.9m) 상승되고 1.5피트(0.5m) 하강된다. 돌의 레벨은 교대의 건설 전체에 걸쳐 압축 챔버의 위쪽에 유지되었다.

모듈러스 시험 결과가 도 11의 플롯(1100)에 나타나 있다. 그 시험은 ASTM D1493에 설명된 "신속 말뚝 하중 시험"에 사용되는 시험 셋업 및 시퀀스를 사용하여 수행되었다. 시험 결과는 x축에 있는 가해지는 교대 상단 응력 및 y축에 있는 교대 상단의 처짐(deflection)의 플롯을 나타낸다. 결과는, 건설된 교대가 설계를 확인했으며 구조물을 지지하기에 충분했음을 나타낸다.

위에서 설명한 기술로 최대 40피트(12.2m)의 깊이로 수백 개의 교대가 이 장소에 설치되었다. 골재가 추가됨에 따라 맨드릴을 공동부에 남길 수 있는 이점은 전통적인 교체 방법에서 전형적으로 관찰되는 것보다 더 빠른 설치 시간을 허용했다. 또한, 본 발명은 미국 특허 제7,226,246호에 설명된 변위 방법보다 유리했는데, 그 이유는 변위 방법에 비해 상측 점착성 흙에서 더 높은 능력이 나타날 수 있기 때문이다.

예 III

여기서 개시된 주제의 일 실시예의 또 다른 예에서, 15인치(38.1cm)의 외부 직경 및 도 12a - 13b와 유사한 관류 압축 챔버를 갖는 맨드릴로 흙 중의 골재를 압축하는 방법이 전체 규모의 시험으로 시연되었다.

맨드릴은 입상 돋움용 흙 안으로 대략 10피트(3.0m)의 깊이로 구동되었다. 맨드릴의 초기 구동 동안, 외부 직경 확장 체인이 위로 그리고 외측으로 "뭉쳐", 도 13b에 나타나 있는 것과 같은 확장된 압축 영역을 형성하는 것으로 관찰되었다. 맨드릴의 수직 변위 및 확장된 압축 영역에 의해 생성된 공동부의 직경은 대략 20인치(50.8cm)인 것으로 측정되었다. 공동부의 바닥에 맨드릴이 있는 상태에서, 깨끗한 골재가 지면에 도달할 때까지 공동부 안으로 부어졌다. 맨드릴은 3피트(0.9m) 상승되어, 골재가 압축 챔버를 통과하고(관류 통로를 지나) 그리고 상승 위치에 있는 맨드릴의 외경과 초기 구동 중에 맨드릴에 의해 생성된 확대된 공동부 사이의 환형 공간을 통과할 수 있게 하였다. 그런 다음 맨드릴이 2피트(0.6m) 구동되어, 직경 확장/제한 요소가 묶음지고 맨드릴 아래의 넓어진 영역에 있는 골재를 압축하도록 하였다. 지면에 도달할 때까지 3ft/2ft의 상하 스트로킹 패턴이 계속되었다. 깨끗한 골재의 레벨은 교대의 건설 전체에 걸쳐 압축 챔버 위쪽에 유지되었다.

외부 직경 확장 요소(체인)에 의해 생성된 증가된 압축 영역의 이점은, 맨드릴이 상승되는 중에 재료가 그 맨드릴의 외부 직경 주위로 흐를 수 있는 확대된 공동부를 생성함으로써 더 효율적인 골재 흐름을 허용하였다. 이 기술은 또한 충분한 관류 영역을 갖는 않는 것이 제한 요인인 경우에 메움 재료를 위한 더 미세한 골재를 사용할 수 있는 능력을 증가시킨다.

예 Ⅳ

여기서 개시된 주제의 일 실시예의 또 다른 예에서, 도 17a 및 17b와 유사한, 골재 흐름을 증가시키는 외부 공기 주입 관을 갖는 12인치(30.5cm) 직경의 관류 압축 챔버를 갖는 맨드릴로 흙 중의 골재를 압축하는 방법이 전체 규모의 시험으로 시연되었다.

분당 185 입방 피트의 정격 공기 체적 유량을 갖는 공기 압축기를 구비하는 Liebherr 125 기본 기계로 여러 개의 시험 교대가 설치되었다. 공기 호스가 공기 압축기로부터 나와, 맨드릴의 정상부에 장착된 공기 피팅에 연결되었다. 공기 피팅은, I-빔 구동 샤프트에 있는 상호 대향하는 플랜지들의 외부를 따라 아래로 이어지는 2개의 강재 1인치(2.5cm) 공칭 직경 공기 주입 관을 함께 묶는 스플리터 안으로 들어가 있다. 압축 챔버로부터 대략 약 3피트 위쪽에서, 공기 관은 구동 샤프트 플랜지의 외측 가장자리를 따라 아래로 이어지는 2개의 0.75인치(1.9cm) 공칭 직경 관으로 다시 두번째로 분할되어, 압축 챔버 위쪽에서 총 4개의 공기 주입 관이 만들어진다. 4개의 공기 주입 관 각각을 따라, 총 12개의 주입 포트에 대해 1피트의 중심간 거리로 이격되는 3개의 0.125인치(3.18mm) 직경의 주입 포트가 있었다. 주입 포트는 공기 압력을 주변 흙 안으로 파고들도록 외측으로 향하게 하기 위해 플랜지와 평행하게 배향되었다.

양의 공기 압력이 공급되는 맨드릴을 느슨한 깨끗한 모래 프로파일 안으로 대략 20피트(6.1m)의 깊이까지 구동하여 시험 교대가 건설되었다. 깨끗한 메우기용 골재가 지면에 도달할 때까지 공동부에 추가되었다. 맨드릴은 4피트(1.2m) 상승되어, 메우기용 골재 및 주변 흙으로부터의 케이빙 모래(외향 공기 압력에 의해 생김)가 (관튜 통로를 지나) 압축 챔버를 통과할 수 있게 하였다. 그런 다음, 맨드릴이 3피트(0.9m) 구동되어, 직경 제한 요소가 묶음지어져 맨드릴 아래의 골재를 압축하게 하였다. 4피트/3피트의 상하 스트로킹 패턴은 지면에 도달할 때까지 계속되었다. 깨끗한 골재의 레벨은 교대의 건설 전체에 걸쳐 압축 챔버 위쪽에 유지되었다. 공기 압축기가 켜졌고 전체 건설 공정 동안에 맨드릴에 양의 공기 압력을 공급했다.

이 예에서, 2개의 시험 교대의 중심을 통해 흙 밀도를 측정하기 위해 원추 침투 시험이 수행되었고, 한 시험 교대는 4ft/3ft 상하 스트로크 패턴 및 전술한 공기 주입 기술로 건설되었고, 다른 시험 교대는 공기의 사용 없이 4ft/3ft 상하 스트로크 패턴으로 건설되었다. 원추 침투 시험은, 약간 더 큰 1.45인치(3.7cm) 직경의 원추 팁이 부착된 1.25인치(3.2cm) 직경의 강 막대를 골재 교대의 중심을 통해 초당 약 2인치의 속도로 수직으로 전진시키면서 동시에 외부 로드 셀(load cell)을 사용하여 깊이에 따른 침투 저항을 측정함으로써 수행되었다. 침투 저항은 초당 2개 샘플 또는 동등하게 침투 깊이 1인치당 1개 샘플의 샘플링 속도로 외부 로드 셀에 의해 측정되었다.

도 18은, 공기 주입을 사용하여 건설된 교대 및 공기 주입을 사용하지 않고 건설된 교대 모두에 대해, 지면 아래의 깊이(단위: 피트)에 따른 원추 침투 저항(제곱 피트당 톤(tsf)으로 측정됨)의 플롯을 나타낸다. 도 18은, 공기 주입 기술을 사용하여 건설된 교대에 대한 원추 침투 저항은 공기 주입 없이 건설된 교대의 원추 침투 저항 보다 상측 10피트에서 약 25∼50 tsf 그리고 10∼20피트에서는 약 50∼75 tsf 더 큰 것을 보여준다. 원추 침투 저항의 증가는, 설치 중 더 큰 골재 투여량과 관련된 더 높은 강성의 교대를 나타낸다. 건설 중에 공기 압력을 주입하는 것의 이점으로 인해 더 양호한 골재 흐름이 얻어졌고, 이에 의해 결국 동일한 압축 노력에 대해 건설된 교대의 강성이 증가되었다.

오랜 특허법 관례에 따라, "일" 및 "그"는 청구 범위를 포함하여 본 출원에서 사용될 때 "하나 이상"을 의미합니다. 따라서, 예를 들어, "일 주제"에 대한 언급은, 문맥이 명백히 반대가 아닌 한(예를 들어, 복수의 주제), 복수의 주제를 포함한다.

본 명세서 및 청구 범위 전반에 걸쳐, 용어 "포함한다" 및 "포함하는" 이라는 용어는, 문맥상 달리 요구되는 경우를 제외하고, 비배타적인 의미로 사용된다. 마찬가지로, "포괄한다"라는 용어 및 그의 문법적 변형어는 비제한적인 것으로 의도되며, 그래서 어떤 목록에 있는 항목의 인용은, 나열된 항목에 대체되거나 추가될 수 있는 다른 유사한 항목을 배제하지 않는다.

"약" 이라는 용어가 값, 양 또는 범위와 함께 명시적으로 나타나지 않을 수 있더라도, 본 명세서 및 첨부된 청구 범위의 목적상, 달리 표시되지 않는 한, 명세서 및 청구 범위에 사용된 양, 크기, 치수, 비율, 모양, 제제, 파라미터, 백분율, 파라미터, 수량, 특성 및 다른 수치를 나타내는 모든 숫자는, 모든 경우에 "약" 이라는 용어의 수식을 받는 것으로 이해될 것이다. 따라서, 달리 나타내지 않는 한, 다음 명세서 및 첨부된 청구 범위에 제시된 수치적 파라미터는 정확하지 않고 정확할 필요도 없고, 대략적일 수 있고/있거나 요구에 따라 더 크거나 더 작을 수 있으며, 허용 오차, 환산 계수, 반올림, 측정 에러 등, 및 현재 개시된 주제에 의해 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 당업자에게 공지된 다른 요인을 반영한다. 예를 들어, 어떤 값을 언급할 때, "약"이라는 용어는, 특정된 양으로부터 일부 실시예에서 ±100%, 일부 실시예에서 ±50%, 일부 실시예에서 ±20%, 일부 실시예에서 ±10%, 일부 실시예에서 ±5%, 일부 실시예에서 ±1%, 일부 실시예에서 ±0.5%, 일부 실시예에서 ±0.1%의 변동을 포함하도록 되어 있는데, 그러한 변동은 개시된 방법을 수행하거나 개시된 조성을 사용하는 데에 적합하기 때문이다.

또한, "약" 이라는 용어는, 하나 이상의 숫자 또는 숫자 범위와 관련하여 사용될 때, 어떤 범위 내의 모든 숫자를 포함하여 모든 그러한 숫자를 지칭하는 것으로 이해되어야 하며, 제시된 수치 값의 위아래로 경계를 확장하여 그 범위를 변경한다. 끝점에 의한 수치 범위의 언급은, 예를 들어 그 범위 및 그 범위 내의 임의의 범위 내에 포함되는 모든 수, 예컨대, 그의 분수를 포함하여 전체 정수를 포함한다(예컨대, 1 내지 5의 언급은, 1, 2, 3, 4 및 5 뿐만 아니라 그의 분수, 예컨대, 1.5, 2.25, 3.75, 4.1 등을 포함함).

전술한 주제가 명확한 이해를 위해 예시 및 예를 통해 어느 정도 상세하게 설명되었지만, 당업자는 첨부된 청구 범위 내에서 특정 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (26)

1. 입상 재료를 조밀화하고 압축하기 위한 장치로서,
   구동 샤프트, 이 구동 샤프트의 하단부에 있는 압축 챔버,
   압축 챔버의 내부에 부착되는 일 세트의 하나 이상의 직경 제한 요소, 및
   압축 챔버의 외부에 부착되는 일 세트의 하나 이상의 직경 확장 요소를 포함하고,
   상기 장치는, 상기 구동 샤프트의 외부에 있는 관류 통로를 포함하고 구동 샤프트의 외부로부터 입상 재료를 받도록 구성되어 있는 압축 챔버의 상측 표면에 있는 개구를 더 포함하는, 입상 재료를 조밀화하고 압축하기 위한 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 내부 직경 제한 요소 및 외부 직경 확장 요소는 서로에 연결되거나 연결되지 않는, 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 외부 직경 확장 요소는 원주 방향 링을 통해 서로에 연결되는, 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 구동 샤프트는 압축 챔버와 동일한 크기 및/또는 직경, 더 큰 크기 및/또는 직경, 또는 더 작은 크기 및/또는 직경을 갖는, 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 압축 챔버는 하중 전달 플레이트를 통해 상기 구동 샤프트에 연결되는, 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 구동 샤프트 및 하중 전달 플레이트에 연결되는 하나 이상의 보강 플레이트를 더 포함하는 장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 하나 이상의 직경 제한 및 확장 요소는 상기 하중 전달 플레이트에 부착되는, 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 구동 샤프트는 중공 관을 포함하는, 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 구동 샤프트는 실질적으로 I-빔 구성을 포함하는, 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 미리 천공된 공동부에 삽입되도록 구성되어 있는, 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 실질적으로 솔리드 원통형 샤프트 구성을 포함하는, 장치.
12. 입상 재료를 조밀화하고 압축하는 방법으로서,
    a. 압축 장치를 제공하는 단계 ― 상기 압축 장치는 구동 샤프트, 이 구동 샤프트의 하단부에 있는 압축 챔버, 압축 챔버의 내부에 부착되는 일 세트의 하나 이상의 직경 제한 요소, 및 압축 챔버의 외부에 부착되는 일 세트의 하나 이상의 직경 확장 요소를 포함하고, 상기 장치는, 상기 구동 샤프트의 외부에 있는 관류 통로를 포함하고 구동 샤프트의 외부로부터 입상 재료를 받도록 구성되어 있는 압축 챔버의 상측 표면에 있는 개구를 더 포함함 ―;
    b. 상기 압축 장치를 자유 필드 흙 안으로 특정된 깊이까지 구동하는 단계;
    c. 상기 내부 직경 제한 요소 및 외부 직경 확장 요소가 압축 장치에 대해 아래쪽으로 이동하여 압축 장치에 대한 연결부로부터 매달려 압축 챔버의 정상부 위쪽에 위치된 입상 재료가 관류 통로를 통해 흐를 수 있도록 상기 압축 장치를 특정된 거리 만큼 들어 올리는 단계;
    d. 상기 장치를 아래쪽으로 자유 필드 흙 안으로 재구동하여 상기 내부 직경 제한 요소 및 외부 직경 확장 요소가 뭉쳐 압축 표면을 형성하게 하는 단계; 및
    e. 상기 압축 장치의 구동 및 들어 올림을 반복하는 단계;
    를 포함하는, 입상 재료를 조밀화하고 압축하는 방법.
13. 입상 재료를 조밀화하고 압축하기 위한 장치로서,
    제1 직경과 압축 단부를 갖는 구동 샤프트, 및
    이 구동 샤프트의 압축 단부의 외부에 부착되는 일 세트의 하나 이상의 직경 확장 요소를 포함하고,
    상기 하나 이상의 직경 확장 요소는, 그의 확장된 상태에서, 구동 샤프트의 제1 직경 보다 큰 제2 직경을 갖는 압축 표면을 형성하는, 입상 재료를 조밀화하고 압축하기 위한 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 외부 직경 확장 요소는 서로에 연결되거나 연결되지 않는, 장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 외부 직경 확장 요소는 원주 방향 링을 통해 서로에 연결되는, 장치.
16. 제13항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 내부 흐름 통로를 갖는 이송 관인, 장치.
17. 제16항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 중공 관을 포함하는, 장치.
18. 제13항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 단부 폐쇄형 구동 샤프트인, 장치.
19. 제18항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 실질적으로 솔리드 원통형 샤프트 구성을 포함하는, 장치.
20. 제13항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 제1 벽 두께를 갖는 상측 부분 및 제1 벽 두께보다 작은 제2 벽 두께를 갖는 하측 부분을 가져, 구동 샤프트 벽에 노치(notch)를 형성하고, 상기 하나 이상의 직경 확장 요소는 상기 노치에 부착되는, 장치.
21. 제13항에 있어서,
    상기 장치는 미리 천공된 공동부에 삽입되도록 구성되어 있는, 장치.
22. 입상 재료를 조밀화하고 압축하는 방법으로서,
    a. 압축 장치를 제공하는 단계 ― 상기 압축 장치는 제1 직경과 압축 단부를 갖는 구동 샤프트, 및 이 구동 샤프트의 압축 단부의 외부에 부착되는 일 세트의 하나 이상의 직경 확장 요소를 포함하고, 상기 하나 이상의 직경 확장 요소는, 그의 확장된 상태에서, 구동 샤프트의 제1 직경 보다 큰 제2 직경을 갖는 압축 표면을 형성함 ―;
    b. 상기 압축 장치를 자유 필드 흙 안으로 특정된 깊이까지 구동하는 단계;
    c. 상기 외부 직경 확장 요소가 압축 장치에 대해 아래쪽으로 이동하여 압축 장치에 대한 연결부로부터 매달리도록 상기 압축 장치를 특정된 거리 만큼 들어 올리는 단계;
    d. 상기 장치를 아래쪽으로 자유 필드 흙 안으로 재구동하여 상기 외부 직경 확장 요소가 뭉쳐 압축 표면을 형성하게 하는 단계; 및
    e. 상기 압축 장치의 구동 및 들어 올림을 반복하는 단계;
    를 포함하는, 입상 재료를 조밀화하고 압축하는 방법.
23. 입상 재료를 조밀화하고 압축하기 위한 장치로서,
    구동 샤프트, 이 구동 샤프트의 하단부에 있는 압축 챔버, 및
    구동 샤프트에 체결되고 적어도 하나의 공기 주입 포트를 포함하는 적어도 하나의 공기 주입 관을 포함하며,
    상기 장치는, 상기 구동 샤프트의 외부에 있는 관류 통로를 포함하고 구동 샤프트의 외부로부터 입상 재료를 받도록 구성되어 있는 압축 챔버의 상측 표면에 있는 개구를 더 포함하는, 입상 재료를 조밀화하고 압축하기 위한 장치.
24. 제23항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 플랜지를 더 포함하고, 압축 챔버 안으로 유입하는 입상 재료의 증가 흐름을 용이하게 하도록 양(positive)의 공기 압력을 공급하기 위해 상기 적어도 하나의 공기 주입 포트가 내측으로 구동 샤프트의 중심 쪽으로 향하도록, 상기 적어도 하나의 공기 주입 관이 플랜지의 내부에 체결되는, 장치.
25. 제23항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 플랜지를 더 포함하고, 상기 장치 외부에서의 입상 자유 필드 흙의 케이빙(caving)을 용이하게 하도록 양의 공기 압력을 공급하기 위해 상기 적어도 하나의 공기 주입 포트가 외측으로 구동 샤프트의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 향하도록, 상기 적어도 하나의 공기 주입 관이 상기 플랜지의 외부에 체결되는, 장치.
26. 제23항에 있어서,
    상기 압축 챔버의 내부에 부착되는 일 세트의 하나 이상의 직경 제한 요소, 압축 챔버의 외부에 부착되는 일 세트의 하나 이상의 직경 확장 요소, 또는 일 세트의 직경 제한 및 확장 요소 둘 다를 더 포함하는, 장치.