MX2011000815A - Apisonadora protegida y metodo de uso para producir columnas de agregado. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de apisonadora incluye un árbol para impulsar un cabezal de apisonadora. Se une a un cabezal de apisonadora al extremo del árbol para apisonar un elevador o elevación de agregado en una cavidad formada en una superficie de tierra. Un protector se extiende hacia arriba a una altura predeterminada desde el cabezal de apisonadora a una cantidad suficiente para impedir que las paredes laterales de la cavidad fallen y colapsen. También se describen métodos para construir columnas de agregado con elevadores o elevaciones más gruesas.

Description

i APISONADORA PROTEGIDA Y MÉTODO DE USO PARA PRODUCIR COLUMNAS DE AGREGADO Campo de la Invención La invención se refiere a un cabezal de apisonadora y a un método para- instalar una columna de agregado en ambientes de suelo blando o inestable. De manera más particular, la invención se refiere a este cabezal de apisonadora y a un método efectivo para impedir la falla de suelo de paredes laterales durante el apisonamiento en tanto que permite que se usen elevadores más gruesos de agregado.

Antecedentes de la Invención Las instalaciones pesadas o sensibles a asentamiento que están localizadas en áreas que contienen suelos blandos o débiles frecuentemente se soportan en cimentaciones profundas, que consisten de lotes impulsados o columnas perforadas de concreto. Las cimentaciones profundas se diseñan para transferir las cargas de la estructura a través de los suelos blandos a extractos de suelo más componentes.

En años recientes, se han usado cada vez más columnas de agregado para soportar las estructuras localizadas en áreas que contienen suelos blandos. Las columnas se diseñan para reforzar y fortalecer la capa blanda ya reducir al mínimo los asentamientos resultantes.

Las columnas se construyen usando una variedad de métodos que incluyen el método de perforación y apisonamiento descrito en las patentes de los Estados Unidos Nos. 5,249,892 y 6,354,766; el método de mandril impulsado descrito en la patente de los Estados Unidos No. 6,425,713; el método de mandril impulsado de cabezal de apisonadora descrito en la Patente de los Estados Unidos No. 7,226,246; y el método de mandril ahusado, impulsado, descrito en la Patente de los Estados Unidos No. 7,326,004; las descripciones de las cuales se incorporan como referencia en su totalidad.

El método de columna corta de agregado (Patentes de los Estados Unidos Nos. 5,249,892 y 6,354,766), que incluye perforación o excavación de una cavidad, es una solución efectiva de cimentación cuando se instala en suelos cohesivos donde se mantiene fácilmente la estabilidad de la pared lateral del agujero. El método consiste en general de: a) perforar una cavidad o agujero en general cilindrico en el suelo de cimentación (típicamente cerca de 76.2 cm (30 pulgadas) ) ; b) compactar el suelo en el fondo de la cavidad; c) instalar un elevador relativamente delgado de agregado en la cavidad (típicamente cerca de 30.48-45.72 cm (12-18 pulgadas) ) ; d) apisonar el elevador de agregado con un cabezal de apisonadora, sesgado, especialmente diseñado; y e) repetir el proceso para formar una columna de agregado que se extiende en general a la superficie de tierra. Lo fundamental al proceso es la aplicación de suficiente energía al cabezal sesgado de apisonadora tal que el proceso acumule esfuerzo lateral dentro del suelo de matriz a lo largo de los lados de la cavidad durante el apisonamiento secuencial. Esta acumulación de esfuerzo lateral es importante debido a que disminuye la compresibilidad de los suelos de matriz y permite que se transfieran eficientemente las cargas aplicadas a los suelos de matriz durante la carga de la columna.

El método de mandril impulsado de cabezal de apisonadora (Patente de los Estados Unidos No. 7,226,246) es una forma de desplazamiento del método de columna corta de agregado. Este método consiste en general del impulso de un tubo hueco (mandril) en la tierra sin la necesidad de perforación. El tubo se adapta con un cabezal de apisonadora en el fondo que tiene un mayor diámetro que el tubo y que tiene un fondo plano y lados sesgados. El mandril se impulsa al fondo de diseño de la elevación de columna, se rellena con un agregado y luego se levanta, permitiendo que el agregado fluya hacia afuera del tubo y hacia la cavidad creada al retirar el mandril. El cabezal de apisonadora entonces se impulsa de regreso hacia abajo al agregado para compactar el agregado. La forma de fondo plano del cabezal de apisonadora compacta el agregado; los lados sesgados fuerzan al agregado en las paredes laterales del agujero incrementando de este modo los esfuerzos laterales en la tierra circundante.

El método de mandril sesgado, impulsado (Patente de los Estados Unidos No. 7,326,004) es otro medio para crear una columna de agregado con un mandril de desplazamiento. En este caso, la forma del mandril es un cono truncado, más largo en la parte superior que en el fondo con un ángulo de ahusamiento de aproximadamente 1 a aproximadamente 5 grados desde la vertical. El mandril se impulsa a la tierra, provocando que el suelo de matriz se desplace hacia abajo y lateralmente durante la impulsión. Después de alcanzar el fondo de diseño de la elevación de columna, se retira el mandril, dejando una cavidad en forma de cono en la tierra. La forma cónica del mandril permite la estabilización temporal de las paredes laterales del agujero tal que se puede introducir agregado en la cavidad desde la superficie de tierra. Después de colocar un elevador de agregado, el mandril se re-impulsa hacia abajo hacia al agregado para compactar el agregado y forzarlo hacia los lados en las paredes laterales del agujero. Algunas veces, se usa un mandril más grande para compactar el agregado cerca de la parte superior de la columna.

Un problema antiguo que se ha buscado solucionar es que en ambientes de suelo blando o inestable, una cavidad de columna formada tiende a distorsionarse, derrumbarse, o a llegar a dañarse de otro modo conforme la columna se forma in situ. El colapso de la pared lateral se presenta conforme la apisonadora de la técnica anterior se impulsa hacia abajo aplicando de este modo presión lateral al lado de la cavidad conforme se comprime el agregado. Esta presión da por resultado una rotación de los suelos blandos en la vecindad alrededor del cabezal de apisonadora y da por resultado el colapso de la pared lateral por arriba de la elevación del cabezal de apisonadora. El colapso de la pared lateral se debe remover durante el proceso de construcción y puede conducir a una pérdida de pre-tensado. El problema se contraria particularmente para elevadores compactados relativamente gruesos. Adicionalmente, esta falla de suelo puede desacelerar el proceso de construcción de la columna puesto que se debe remover suelo adicional o de otro se tiene que reabrir la cavidad. Por lo tanto, es deseable proporcionar una técnica de construcción de columnas de agregado que reduzca el potencial de daño a la cavidad de la columna (incluyendo el colapso de la pared lateral) durante la construcción de la columna. También es deseable proporcionar una técnica de construcción de columnas de agregado que permita que espesores más grandes de agregado se compacten por elevación, incrementando de este modo la eficiencia del proceso y limitando la cantidad de tiempo en que debe estar presente el mandril impulsado en la cavidad.

Breve Descripción de la Invención En un aspecto, la invención se refiere a un dispositivo de apisonadora que incluye un árbol, un cabezal impulsado de apisonadora, y un protector. El cabezal de apisonadora se une al extremo del árbol para apisonar un elevador o elevación de agregado en una cavidad formada en la tierra. El protector se extiende hacia arriba a una altura predeterminada desde el cabezal de apisonadora a una cantidad suficiente para impedir que las paredes laterales de una cavidad en la cual se usa el dispositivo de apisonadora fallen y colapsen en la cavidad.

El cabezal de apisonadora puede comprender además una superficie sesgada que se extiende circunferencialmente desde la superficie de fondo a un borde del mismo. La superficie sesgada puede extenderse hacia arriba desde la superficie de fondo contundente a un ángulo de aproximadamente 45 grados.

El protector puede ser de un ancho en donde está en unión a tope en un borde de fondo del mismo con el cabezal de apisonadora en una superficie superior aproximadamente un borde del mismo.

El protector puede descansar en el cabezal de apisonadora y puede tener una abertura para permitir el paso del árbol que tiene unido a este el cabezal de apisonadora. La altura predeterminada del protector puede estar en el intervalo de aproximadamente 0.92 a 1.53 metros (3 a 5 pies) . El ancho de la apisonadora puede estar en el intervalo de aproximadamente 30.48 a 91.44 centímetros (12 a 36 pulgadas) . El cabezal de apisonadora puede ser de una forma sustancialmente circular.

En un aspecto alternativo, la invención se refiere a un método para construir columnas de agregado. El método incluye formar una cavidad alargada en una superficie de tierra. La cavidad tiene un área en sección transversal en general uniforme. Se coloca un elevador de agregado en la cavidad. El elevador entonces se apisona con un dispositivo de apisonadora que tiene un cabezal de apisonadora unido al extremo de un árbol. El cabezal de apisonadora tiene una superficie de fondo contundente, en general plana, y tiene un protector que se extiende hacia arriba a una altura predeterminada desde el cabezal de apisonadora a una cantidad suficiente para impedir que las paredes laterales de la cavidad fallen y colapsen en la cavidad. El método se lleva a cabo preferencialmente en tierra blanda. De manera más particular, esta tierra blanda puede ser arcilla limosa, arcilla arenosa, arcilla magra a grasa, arcilla magra arenosa o arcilla blanda, en algunos casos con agua subterránea.

El cabezal de apisonadora usado en el método puede comprender una superficie sesgada que se extiende circunferencialmente desde la superficie de fondo a un borde del mismo. La superficie sesgada puede extenderse hacia arriba desde la superficie de fondo contundente a un ángulo de aproximadamente 45 grados.

El protector usado en el método puede ser de un ancho en donde está en unión a tope en un borde de fondo del mismo con el cabezal de apisonadora en una superficie superior a aproximadamente un borde del mismos. El protector puede descansar en el cabezal de apisonadora y puede tener una abertura para permitir el paso del árbol que tiene unido a este el cabezal de apisonadora.

El apisonamiento en el método se puede llevar a cabo al impulsar el cabezal de apisonadora con el árbol que se extiende hacia arriba desde el mismo, el protector que se extiende hacia arriba a una altura predeterminada suficiente para impedir que las paredes laterales de la cavidad alargada fallen y colapsen en la cavidad durante las operaciones de apisonamiento, y el protector que tiene una abertura en la parte superior que permite que el árbol pase a través de la misma para conectarse al cabezal de apisonadora .

La altura predeterminada del protector usado en el método puede estar en el intervalo de aproximadamente 0.92 a 1.53 metros (3 a 5 pies) . El ancho del cabezal de apisonadora puede estar en el intervalo de aproximadamente 30.48 centímetros a 91.44 centímetros (12 a 36 pulgadas) . El cabezal de apisonadora puede ser de una forma sustancialmente circular.

El espesor del elevador de agregado en el método puede ser aproximadamente igual a dos o tres veces la distancia a través de la cavidad. El apisonamiento se puede llevar a cabo en una cavidad formada en suelo blando.

Breve Descripción de las. Figuras Las Figuras 1A y IB son vistas laterales del dispositivo de apisonadora de la invención; La Figura 2 ilustra un taladro/barrena y un dispositivo de impacto que incluye el dispositivo de apisonadora de la invención; La Figura 3 es una vista en sección transversal, parcial, lateral que ilustra cómo se adiciona el relleno de agregado conforme se levanta en una cavidad preparada para el uso con la invención; La Figura 4 es una vista en sección transversal, parcial, lateral que ilustra el apisonamiento del relleno de agregado con el dispositivo de apisonadora de la invención; La Figura 5 es una vista en sección transversal, parcial, lateral ilustra el relleno de agregado después del apisonamiento; La Figura 6 es una tabla que ilustra los resultados de las pruebas de carga en una columna de agregado montado usando el dispositivo de apisonadora de la invención como en el Ejemplo I; La Figura 7 ilustra la deflexión versus tiempo en columnas instaladas como en el Ejemplo II; La Figura 8 ilustra los resultados de tres pruebas de módulo en columnas instaladas como en el Ejemplo II; y La Figura 9 ilustra los resultados de las pruebas de esfuerzo en columnas instaladas como en el Ejemplo III .

Descripción Detallada de la Invención La presente invención se refiere a la instalación de columnas de agregado en suelos de cimentación para el soporte de construcciones, paredes, instalaciones, industriales, y estructuras relacionadas al transporte. En particular, la invención se refiere a la instalación eficiente de columnas de agregado a través del uso de un cabezal mejorado de apisonadora que incorpora una nueva porción protectora. La apisonadora protegida se diseña para permitir un proceso más rápido y más eficiente de construcción de columnas al impedir la falla del suelo de paredes laterales durante el apisonamiento. Adicionalmente, el dispositivo de apisonadora o la apisonadora protegida contemplada en la presente permite que se usen elevadores más gruesos de agregado que lo que se pueden usar en procesos convencionales de construcción de columna de agregado .

A todo lo largo de este documento, el dispositivo 11 de apisonadora de la presente invención, contemplado en la presente, se puede referir como un dispositivo o herramienta de "apisonadora protegida" como se muestra en las Figuras 1A y IB. El dispositivo 11 de apisonadora puede comprender un árbol 13 para impulsar un cabezal 15 de apisonadora unido al extremo del árbol 13 para apisonar un elevador o elevación de agregado 47 (Figuras 3-5) en una cavidad 41 formada en una superficie de tierra. Un protector 17 se extiende hacia arriba a una altura predeterminada desde el cabezal 15 de apisonadora a una cantidad suficiente para soportar las paredes laterales 51 de la cavidad 41 en la cual se usa el dispositivo 11 de apisonadora, e impedir que las paredes laterales 51 fallen y colapsen en la cavidad 41.

El cabezal 15 de apisonadora puede tener una superficie 19 (Figura 1A) de fondo contundente en general plana y opcionalmente una superficie 21 sesgada que se extiende circunferencialmente desde la superficie 19 de fondo a un borde de la misma (Figura IB) . En una modalidad, la superficie sesgada 21 se extiende hacia arriba desde la superficie 19 de fondo contundente a un ángulo de aproximadamente 45 grados. El protector 17, que se puede producir de metal, plástico, caucho, u otros materiales, puede ser de un ancho que en general es similar al ancho del cabezal 15 de apisonadora. En general, el protector 17 se configura cercanamente al cabezal 15 de apisonadora para impedir la intrusión de suelo entre el cabezal 15 de apisonadora y el protector 17.

En una modalidad, el protector 17 tiene una altura por arriba de la superficie superior del cabezal 15 de apisonadora de aproximadamente 0.92 metros (3 pies). En un aspecto más general, la altura del protector 17 se selecciona para que sea efectiva para impedir el colapso de las paredes laterales como será fácilmente evidente de la descripción de la presente. El ancho del cabezal 15 de apisonadora (y de esta manera del protector) puede ser de aproximadamente 30.48 a 76.2 centímetros (12 a 30 pulgadas) y el cabezal 15 de apisonadora puede ser sustancialmente circular. En forma más general, el ancho se selecciona para que sea efectivo para lograr el apisonamiento deseado en tanto que impide el colapso de las paredes laterales .

El protector es preferentemente una estructura de peso ligero. Las modalidades de ejemplo del protector 17 pueden consistir de un cilindro hueco de acero o plástico firme (con o sin armadura transversal interna) , un cilindro de acero o plástico firme relleno con espuma de peso ligero, o correaje sintético firme enrollado alrededor del árbol 13.

Con referencia a las Figuras 2-5, también se contempla un método de uso. El método incluye formar una cavidad 41 vertical alargada, o agujero, que tiene un área en sección transversal en general uniforme de un ancho 45, como se muestra en la Figura 3, en una superficie de tierra. El agujero o cavidad 41 se puede producir con un dispositivo perforador 33 como se muestra en la Figura 2. El dispositivo perforador 33 tiene un cabezal de taladro o barrena 35 para formar el agujero o cavidad 41. El dispositivo o herramienta 11 de apisonadora entonces se impulsa a la cavidad 41 para comprimir el agregado 47 por un dispositivo 31 de impacto o de impulsión. De manera preferente, la cavidad vertical 41 en general es cilindrica y se forma de cualquier manera adecuada y opcionalmente por el dispositivo perforador como se muestra en la Figura 2. La cavidad 41, que es de una profundidad predeterminada 53 también se puede formar al penetrar y extraer un tubo o mandril alargado.

Como se muestra en la Figura 3, entonces se coloca un elevador o elevación de agregado 47 en el fondo de la cavidad 41 a un espesor 49 predeterminado de elevador. Debido a la configuración de la herramienta 11 de apisonadora protegida de la presente invención, cada elevador o elevación de agregado colocado en la cavidad puede tener un espesor en la cavidad mayor que el espesor de elevador posible con las técnicas convencionales de formación de columnas de agregado. Por ejemplo, como se analiza más adelante, los elevadores no compactados de agregado 47 en el intervalo de 0.92 a 1.53 metros 3 a 5 pies) en cavidades con diámetros de 50.8 a 60.96 centímetros (20 a 24 pulgadas) de diámetro, son posibles. Este aspecto permite que el proceso sea más eficiente debido a que los métodos convencionales de columna de agregado usan típicamente elevadores no compactados de 0.46 metros (1.5 pies) de agregado, que requieren más elevadores y más tiempo para construir la columna, en tanto que la herramienta 11 de apisonadora contemplada en la presente puede compactar elevadores 47 dos veces y más tan gruesos como las herramientas convencionales. El elevador 47 de agregado entonces se apisona como se muestra en la Figura 4 con la herramienta 11 de apisonadora protegida de la presente invención, que se diseña de manera especial para afrontar la necesidad antigua de impedir que las paredes laterales 51 de la cavidad 41 fallen y colapsen en la cavidad 41 durante el proceso de apisonamiento. Como se analiza anteriormente, este colapso de las paredes laterales ha sido prevalente en ambientes de suelo blando inestable cuando los dispositivos de apisonamiento de la técnica anterior se han impulsado hacia abajo aplicando de este modo presión lateral a la pared de la cavidad conforme el agregado se comprime y provocando que el suelo blando hecho girar, en la vecindad alrededor del cabezal de la apisonadora, colapse por arriba de la elevación del cabezal de apisonadora.

La columna se termina con la adición y apisonamiento de sucesivos elevadores. La Figura 5 ilustra un elevador 61 compactado de profundidad predeterminado después de la compactación, y la expansión lateral para penetrar la pared lateral 51 en las regiones 37 y 43 de la cavidad 41. El suelo que circunda el elevador compactado 61 entonces se densifica como resultado, en la región 36.

Para el uso con las modalidades preferida como se describe en la presente y como se ilustra, un agregado adecuado 63 consiste del agregado de camino base de carretera "bien graduado" con un tamaño máximo de partícula de 5.08 centímetros (2 pulgadas) y menos de 12 % que pasa el tamaño de tamiz No. 200 (0.074 pulgadas). También se pueden usar agregados alternativos tal como piedra limpia, los tamaños máximos de partícula que varían hasta por aproximadamente 7.62 centímetros (3 pulgadas), agregados con menos del 5 % que pasa el tamaño de tamiz No. 200, concreto reciclado, escoria, arena, asfalto reciclado, base tratada de cemento y otros materiales de construcción. El tamaño máximo del agregado no debe exceder 25 % del diámetro de la cavidad .

Una ventaja principal de la presente invención es que la apisonadora protegida soluciona el problema encontrado con el uso de las técnicas convencionales de formación de columnas de agregado de falla y colapso del suelo en la cavidad formada. Por lo tanto, la presente invención es más eficiente en la acumulación de presión lateral de tierra durante la construcción que lo que son los cabezales de apisonadora descritos en la técnica anterior. Otra ventaja es que la apisonadora protegida de la presente invención se puede aplicar a elevadores más gruesos de agregado que lo que se pueden usar en la técnica anterior. Para la modalidad preferida, esto significa que el cabezal de apisonadora se puede aplicar a elevadores de 0.92 a 1.53 metros (3 a 5 pies) de grueso de agregado colocado de forma suelta. En la práctica, esto significa que las columnas con la misma o mayor capacidad de soporte ahora se pueden construir con alturas de elevadores más gruesos.

Ahora se describirá la operación y prueba de ejemplo con referencia a los siguientes ejemplos.

Ejemplo I La Figura 6 ilustra las ventajas descritas anteriormente que resultan de las pruebas de carga llevados a cabo en columnas construidas usando un proceso convencional y usando la presente invención como se analizará más adelante en la presente. La apisonadora protegida 11 usada en las pruebas consistió esencialmente de lo que se describe anteriormente y se muestra en las Figuras anexas. En este ejemplo, la apisonadora protegida 11 fue un cilindro protegido, de 1.53 metros (5 pies) de largo, 45.72 centímetros (18 pulgadas) de diámetro adaptado en la parte superior de un cabezal 15 de apisonadora sesgada. El protector 17 se soldó al cabezal 15 de apisonadora. Un perímetro 21 sesgado de la superficie se sesgó hacia abajo a 45 grados, desde el extremo superior del cabezal de apisonadora a una superficie de fondo plano.

Para esta prueba, se perforaron agujeros en una profundidad de 3.66 metros (12 pies) antes de volver a llenar con piedra caraliza triturada de menos de 2.54 centímetros (1 pulgada) . En el primer día de prueba, inicialmente se perforó un agujero con un diámetro de 45.72 centímetros (18 pulgadas) , pero se determinó que sería preferible un agujero con un diámetro ligeramente mayor que el cilindro protegido. Como tal, se adicionaron, "cortadores" a cada lado de una barrena 35 usada para incrementar el diámetro del agujero a 50.8 centímetros (20 pulgadas) . La penetración de la herramienta 11 de apisonadora protegida fue más eficiente con el agujero más grande .

El resto del primer día se pasó al variar el tiempo de compactación (típicamente de 20, 30, y 45 segundos por elevador) y los espesores de los elevadores (0.92 y 1.53 metros (3 y 5 pies)). Con espesores de elevador de 1.53 metros (5 pies) fue típica la compactación de 0.31 a 0.46 metros (1 a 1.5 pies) . Por elevador lo que da por resultado espesores de elevadores compactados de 1.07 a 1.22 metros (3.5 a 4 pies) . Para espesores de elevador de 0.92 metros (3 pies), fue típica la compactación de 0.23 a 0.31 metros (0.75 a 1 pie) lo que da por resultado espesores de elevadores compactados de 0.61 a 0.69 metros (2 a 2.25 pies) . A estos tiempos de compactación y espesores de elevador, las Pruebas de Estabilización de Fondo ("BST") produjeron 2.54 centímetros a 5.08 centímetro (1 a 2 pulgadas) de deflexión durante 10 segundos. Una prueba de penetración dinámica de núcleo ( "DCP" ) requirió 30 golpes para una penetración de 1.91 centímetro (0.75 pulgadas), indicando que estuvo suficientemente compactada la superficie superior del elevador.

En el segundo día de prueba, se instalaron cuatro columnas, incluyendo un diámetro de agujero de 50.8 centímetros (20 pulgadas) con elevadores sueltos de 1.52 metros (5 pies) de grueso, un diámetro de agujero de 50.8 centímetros (20 pulgadas) con elevadores sueltos de 91.44 centímetros (3 pies), un diámetro de agujero de 60.96 centímetros (24 pulgadas) con elevadores sueltos de 0.91 metros (3 pies) de grueso, y un diámetro de agujero de 76.2 centímetros (30 pulgadas) con elevadores sueltos de 0.3048 metros (1 pie) de grueso. Las tres primeras columnas se compactaron con la herramienta 11 de apisonadora protegida da la presente invención como se describe anteriormente (es decir, cilindro protegido de 1.52 metros (5 pies)) de largo y 45.72 centímetros (18 pulgadas) de diámetro equipado con un cabezal sesgado de apisonadora) . La cuarta columna se compactó con un cabezal convencional normal de apisonadora. Puesto que la barrena 35 de 50.8 centímetros (20 pulgadas) de diámetro tiene que ser modificada de una barrena de 45.72 centímetros (18 pulgadas) de diámetro, hubo una barrena normal de 60.96 centímetros (24 pulgadas) de diámetro en el sitio, la columna perforada de 60.96 centímetros (24 pulgadas) de diámetro también se construyó usando el cabezal de apisonadora de la presente invención y se probó. La columna convencional normal de 76.2 centímetros (30 pulgadas) de diámetro se usó como una referencia para las columnas de apisonadora protegida.

Para la columna con diámetro de 50.8 centímetros (20 pulgadas) con elevadores sueltos de 1.52 metros (5 pies) y un tiempo de apisonamiento de 45 segundos, se midió por elevador 0.3353 a 0.4267 metros (1.1 a 1.4 pies) de compactación . Una BST en el elevador inferior dio por resultado una deflexión de 3.75 centímetros (1.25 pulgadas).

Una prueba de DCP en el elevador superior produjo 1.27 centímetros (.5 pulgadas) por 25 golpes.

Para la columna con diámetro de 50.8 centímetros (20 pulgadas) con elevadores sueltos de 0.9144 metros (3 pies) y tiempo de apisonamiento de 30 segundos, se midió por elevador 0.2743 a 0.3353 metros (0.9 a 1.1 pies) de compactación . Una BST en el primero y segundo elevadores dio por resultado una deflexión de 2.54 centímetros (1 pulgada) y de 1.27 centímetros (0.5 pulgadas), respectivamente. Una DCP en el elevador superior produjo 0.9525 centímetros (0.375 pulgadas) por 25 golpes.

Para la columna con diámetro de 60.96 centímetros (24 pulgadas) con elevadores sueltos de 0.9144 metros (3 pies) y tiempo de apisonamiento de 30 segundos, se midió por elevador 0.3048 a 0.4267 metros (1.0 a 1.4 pies) de compactación. Una BST en el primero y segundo elevador dio por resultado deflexión de 3.81 centímetro (1.5 pulgadas) y de 2.54 centímetros (1 pulgadas), respectivamente. Una prueba de DCP en el elevador superior produjo 1.91 centímetros (0.75 pulgadas) por 25 golpes.

Para la columna con un diámetro de 76.2 centímetros (30 pulgadas) y elevadores sueltos de 0.3048 metros (1 pie) y tiempo de apisonamiento de 20 segundos, se midió por elevador de forma consistente 0.1524 metros (0.5 pies) de compactación. Una BST en el segundo y tercer elevadores dio por resultado una deflexión de 0.9525 centímetros (0.375 pulgadas) y 0.635 centímetros (0.25 pulgadas) de deflexión, respectivamente. Una prueba de DCP en el elevador superior produjo 1.91 centímetros (0.75 pulgadas) por 25 golpes.

En la Figura 6 se muestra una gráfica que muestra las curvas de módulo para las cuatro pruebas. En la parte superior de la deflexión del pilote de 1.27 centímetros (0.5 pulgadas), la columna de referencia con diámetro de 76.2 centímetros (30 pulgadas) se cargó a un esfuerzo o tensión de 26,000 psf. A este mismo criterio de deflexión, la parte superior del esfuerzo de los pilotes de 18,000 psf, 29,000 psf, y 29,000 psf, se logró para los pilotes de apisonadora protegida construidos dentro del agujero de 60.96 centímetros (24 pulgadas) y cada uno de los agujeros con diámetro de 50.8 centímetros (20 pulgadas), respectivamente.

En resumen, el sistema 11 de apisonadora protegida ha construido dentro de los agujeros con diámetro de 50.8 centímetros (20 pulgadas) usando elevadores de 0.9144 y 1.524 metros (3 y 5 pies) proporcionó resultados superiores a la columna de referencia a pesar de los espesores incrementados de los elevadores. Para el agujero perforado con diámetro de 60.96 centímetros (24 pulgadas), compactado con la apisonadora protegida con diámetro de 45.72 centímetros (18 pulgadas) , los resultados de la prueba de carga muestran resultados inferiores en comparación al pilote de referencia. Como tal, la relación de diámetro de apisonadora a diámetro de agujero es crítica en el logro de un alto módulo, como se evidencia con el agujero con diámetro de 60.96 centímetros (24 pulgadas) compactado con una apisonadora protegida con diámetro de 45.72 centímetros (18 pulgadas) , que logró el módulo más bajo de las cuatro combinaciones probadas. Por consiguiente, será preferible que el diámetro de la apisonadora (y la porción protegida) sea ligeramente menor que el diámetro del agujero perforado. Ejemplo II Como otro ejemplo, se usó el sistema de la invención para instalar columnas en el sitio del Hospital del Condado de Jackson Madison en Jackson, Tennessee . Se probaron tres columnas para este proyecto: una con elevadores sueltos de 0.4572 metros (1.5 pies) de grueso y un tiempo de apisonamiento de 15 segundos por elevador, una con elevadores sueltos de 0.9144 metros (3 pies) de grueso y un tiempo de apisonamiento de 20 segundos por el elevado, y una con elevadores sueltos de 0.9144 metros (3 pies) de grueso y un tiempo de apisonamiento de 30 segundos por el elevador. Las tres columnas se instalaron con longitudes de árbol de 3.66 metros (12 pies).

Las condiciones de las sub-superficie consistieron de arcilla limosa a una profundidad de aproximadamente 2.133 metros (7 pies) , sobre arena arcillosa a aproximadamente 3.05 metros (10 pies), sobre arena a aproximadamente 4.57 meteros (15 pies) . Los valores N de SPT variaron de 3 a 10 en la arcilla limosa, e incrementándose con la profundidad; 11 en la arcilla arenosa; 27 en la arena arcillosa; y 20 a negativo en la arena, incrementándose nuevamente con la profundidad .

Se usó un cabezal de apisonadora protegida con un diámetro de 55.88 centímetros (22 pulgadas) dentro de un agujero perforado con un diámetro de 60.96 centímetros (24 pulgadas) .

Se realizó una serie de pruebas para medir la deflexión versus tiempo de apisonamiento para espesores de elevadores sueltos de 0.4572 metros, 0.61 metros y 0.9144 metros (1.5, 2.0, y 3.0 pies) de grueso. En la Figura 7 se ilustra una gráfica que muestra los resultados. La gráfica indica que se señalan mayores deflexiones durante el apisonamiento de elevadores de 0.9144 metros (3 pies) de grueso que para los elevadores de 0.4572 metros (1.5 pies) o 0.61 metros (2 pies) de grueso. Los resultados de deflexión por apisonamiento para las columnas de elevación o de elevador de 0.4572 metros y 0.61 metros (1.5 y 2 pies) de grueso siguen esencialmente la misma trayectoria después del incremento por primera vez. Las deflexiones crecientes como se observa después de 10 segundos a apisonamiento son esencialmente las mismas para ambas columnas.

En la Figura 8 se ilustra una gráfica compuesta de los tres resultados de módulo. Los resultados indican que la respuesta de módulo de la columna de elevación suelta de 0.4572 metros (1.5 pies) es esencialmente la misma como la columna de elevación suelta de 0.9144 metros (3 pies) compactada a 20 segundos por elevador o elevación. Se muestran valores de módulo ligeramente menores para la columna de elevación suelta de 0.9144 metros (3 pies) compactada a 30 segundos por elevación o elevador.

Ejemplo III Como un ejemplo adicional, se usó el sistema que incluye el dispositivo de apisonadora de la invención para instalar columnas en un sitio Tower Tech Systems en Brandon, Dakota del Sur. Las columnas de prueba se colocaron a 3.66 metros y 7.32 metros (12 y 24 pies) al sur de la columna de prueba, construida normal, más al sur. El objetivo de esta prueba particular fue producir una comparación directa del dispositivo 11 de apisonadora de la presente invención a una columna instalada, normal usando una herramienta convencional tal como se muestra en la Patente de los Estados Unidos 5,249,892.

Las condiciones del suelo en el sitio consistieron de arcilla blanda que se extiende a 4.7244 metros (15.5 pies) por abajo de la arena. Los valores N de SPT en la arcilla dentro de la zona reforzada variaron de 2 a 4 bpf. El contenido de humedad varió de 22 a 36 %. Se localizó agua subterránea a una profundidad de aproximadamente 2.7432 metros (9 pies) .

Tanto las columnas normales con diámetro de 76.2 centímetros (30 pulgadas) y las columnas con diámetro de 50.8 centímetros (20 pulgadas) que usan un cabezal de apisonadora protegida con diámetro de 45.72 centímetros (18 pulgadas) se instalaron para la prueba en el sitio. Las columnas convencionales de prueba con diámetro de 76.2 centímetros (30 pulgadas) se extendieron a profundidades de 4.88 metros y 5.334 metros (16 pies y 17.5 pies), y las columnas de prueba con diámetro de 50.8 centímetros (20 pulgadas) instaladas con el cabezal de apisonadora protegida se extendieron a una profundidad de 4.27 metros (14 pies) .

El equipo de acuerdo a la invención consistió de un cilindro protegido 17 con diámetro de 45.72 centímetros (18 pulgadas) y 1.524 metros (5 pies) de largo equipado con un cabezal 15 de apisonadora protegida unido a un árbol largo 13 y el martillo hidráulico 31. El agujero de prueba del norte construido de acuerdo a la invención se rellenó típicamente en elevadores sueltos de 0.9144 metros (3 pies) con 30 segundos de tiempo de apisonamiento por elevador o elevación, en tanto que el agujero de prueba del sur construido de acuerdo a la invención se construyó típicamente con elevadores sueltos de 1.524 metros (5 pies) con 45 segundos de tiempo de apisonamiento. Se usó cuarcita triturada para construir las columnas.

Las tablas posteriores incluyen la profundidad inicial, la profundidad a la parte superior del siguiente elevador suelto, y luego la profundidad a la parte superior del elevador compactado, todo en pies. Los números finales incluyen el espesor del elevador suelto y la cantidad de compactación por el elevador o elevación.

Tabla 1: Columna de Prueba del Norte de la invención, detalles de instalación (apisonamiento de 30 segundos/ elevador) Profundida Profundidad Parte Espesor de Compacta Espesor de d de f codo de parte superior de elevador -ción elevador de agujero superior de elevador suelto lograda compactado (pies) elevador compactado (pies) (pies) (pulgadas) suelto (pies) (pies) 14.0 11.0 12.7 3.0 1.7 1.3 12.7 9.7 11.8 3.0 2.1 0.9 11.8 8.8 10.0 3.0 1.2 1.8 10.0 7.0 8.0 3.0 1.0 2.0 8.0 5.0 5.7 3.0 0.7 2.3 5.7 2.7 4.0 3.0 1.3 1.7 4.0 1.0 2.25 3.0 1.25 1.75 De la tabla 1, se puede ver que hay considerable variabilidad en la compactación lograda de cada uno de los elevadores o elevaciones sueltas de 0.9144 metros (3 pies). El elevador de fondo se construyó de roca más grande usada en el sitio, de aproximadamente 7.62 centímetros (3 pulgadas) de diámetro máximo. Aún así, durante la compactación del primer elevador, la placa de fondo giró significativamente debido al fondo blando, de modo que las lecturas supuestas no pueden ser significativas de la prueba de módulo. Se instaló una tapa de columna con un diámetro de 45.72 centímetros (18 pulgadas) . La parte superior de la columna se mantuvo a aproximadamente 0.61 metros (2 pies) por abajo de la superficie y asiente de tierra para permitir la tapa de columna de concreto.

Una BST en el segundo elevador produjo 5.08 centímetros (2 pulgadas) de deflexión. Una BST en el tercer elevador produjo 2.86 centímetros (1.125 pulgadas), de deflexión. No se realizaron BST adicionales en un esfuerzo para mantener un tiempo de apisonamiento de 30 segundos.

Tabla 2 ; Columna de Prueba del Sur de acuerdo a la invención, detalles de instalación (apisonamiento de 45 segundos/elevador) Profundada Profundidad Parte Espesor de Conpacta Espesor de d de fondo de parte superior de elevador -ción elevador de agujero superior de elevador suelto lograda conpactado (pies) elevador conpactado (pies) (pies) (pulgadas) suelto (pies) (pies) 14.0 9.0 10.5 5.0 1.5 3.5 10.5 5.5 7.0 5.0 1.5 3.5 7.0 2.0 3.25 5.0 1.25 3.75 3.25 1.0 1.5 2.25 0.5 1.75 Tabla 2, se puede ver que la compactación lograda de cada uno de los elevadores sueltos de 1.524 metros (5 pies) fue relativamente constante a aproximadamente 0.381 metros (1.25) a 0.4572 metros (1.5 pies) . El elevador de fondo se construyó de 0.61 metros (2 pies) de la roca más grande usada en el sitio, de aproximadamente 7.62 centímetros (3 pulgadas) de diámetro máximo, y luego 0.9144 metros (3 pies) de la roca más pequeña, aproximadamente 2.54 centímetros (1 pulgada) de diámetro máximo de partícula. La parte superior de la columna se mantuvo 0.4572 metros (1.5 pies) por abajo de la superficie adyacente de tierra para permitir la tapa de columna de concreto. Se instaló una tapa de columna con un diámetro de 45.72 centímetros (18 pulgadas) .

Las columnas de la invención fueron comparables a un elemento de columna convencional, normal, con un diámetro de 76.2 centímetros (30 pulgadas) instalado con elevadores compactados típicos de 30.48 centímetros (12 pulgadas) de grueso. Los resultados de las pruebas de módulo se muestran en la Figura 9 en una base de esfuerzo o tensión. El esfuerzo en la parte superior de la columna para las columnas de acuerdo a la invención se calculó en base a una tapa de concreto con un diámetro de 45.72 centímetros (18 pulgadas) .

Los resultados de la prueba indican que las columnas instaladas con la apisonadora protegida de la presente invención y los espesores de elevadores sueltos tanto de 0.9144 metros y 1.524 metros (3 y 5 pies) exhibieron una ligeramente mayor rigidez a similares niveles de esfuerzo o tensión a la columna con un diámetro de 76.2 centímetros (30 pulgadas) instalada de manera convencional. A niveles altos de esfuerzo o tensión, la columna instalada con la invención exhibió una ruptura en la curva similar a una respuesta convencional. Esto sugiere que la compactación de la columna fue suficiente para lograr una respuesta dilatante a niveles de esfuerzo o tensión menores de aproximadamente 30,000 psf.

La descripción detallada anterior de las modalidades se refiere a las figuras anexas, que ilustran modalidades específicas de la invención. Otras modalidades que tienen diferentes estructuras y operaciones no se apartan del alcance de la invención. El término "la invención" o similar se usa con referencia a ciertos ejemplos específicos de muchos aspectos o modalidades alternativas de la invención del solicitante expuestos en esta especificación, y ni su uso ni su ausencia se propone que limiten el alcance de la invención del solicitante o alcance de las reivindicaciones. Esta especificación se divide en secciones para la conveniencia solo del lector. No se debe considerar a los encabezados como limitantes del alcance de la invención. Las definiciones se proponen como parte de la descripción de la invención. Se entenderá que se pueden cambiar varios detalles de la invención sin apartarse del alcance de la invención. Además, la descripción anterior es para el propósito de solo ilustración y no para el propósito de limitación.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de apisonadora, caracterizado porque comprende : a) un árbol para impulsar un cabezal de apisonadora; b) un cabezal de apisonadora unido al extremo del árbol para apisonar un elevador o elevación de agregado en una cavidad formada en una superficie de tierra, el cabezal de apisonadora que tiene una superficie de fondo contundente, en general plana,- y c) un protector que se extiende hacia arriba a una altura predeterminada del cabezal de apisonadora a una cantidad suficiente para impedir que las paredes laterales de una cavidad en un suelo blando en la cual se usa el dispositivo de apisonadora fallen y colapsen en la cavidad.

2. El dispositivo de apisonadora de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el cabezal de apisonadora comprende además una superficie sesgada que se extiende de manera circunferencial desde la superficie de fondo a un borde de la misma.

3. El dispositivo de apisonadora de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la superficie sesgada se extiende hacia arriba desde la superficie de fondo contundente a un ángulo de aproximadamente 45 grados.

4. El dispositivo de apisonadora de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el protector es de un ancho en donde está en unión a tope a un borde de fondo del mismo con el cabezal de apisonadora en una superficie superior aproximadamente a un borde del mismo.

5. El dispositivo de apisonadora de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el protector descansa en el cabezal de apisonadora y tiene una abertura para permitir el paso del árbol que tiene unido al mismo el cabezal de apisonadora.

6. El dispositivo de apisonadora de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la altura predeterminada del protector está en el intervalo de aproximadamente 0.9144 a 1.524 metros (3 a 5 pies) .

7. El dispositivo de apisonadora de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el ancho del cabezal de apisonadora está en el intervalo de aproximadamente 30.48 a 91.44 centímetros (12 a 36 pulgadas) .

8. El dispositivo de apisonadora de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el cabezal de apisonadora se forma de manera sustancialmente circular.

9. El dispositivo de apisonadora de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el cabezal de apisonadora tiene una superficie de fondo contundente en general plana y una superficie sesgada que se extiende desde la superficie de fondo a un borde del mismo.

10. Un método para construir columnas de agregado, caracterizado porque comprende los pasos de: a) formar una cavidad alargada en una superficie de tierra, la cavidad que tiene un área en sección transversal en general uniforme; b) colocar un elevador o elevación de agregado en la cavidad; y c) apisonar el elevador o elevación con un dispositivo de apisonadora que tiene un cabezal de apisonadora unido al extremo de un árbol, el cabezal de apisonadora que tiene una superficie de fondo contundente, en general plana, y que tiene un protector que se extiende hacia arriba a una altura predeterminada desde el cabezal de apisonadora a una cantidad suficiente para impedir que las paredes laterales de la cavidad fallen y colapsen en la cavidad .

11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el cabezal de apisonadora comprende además una superficie sesgada que se extiende de manera circunferencial desde la superficie de fondo a un borde del mismo.

12. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la superficie sesgada se extiende hacia arriba desde la superficie de fondo contundente a un ángulo de aproximadamente 45 grados.

13. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el protector es de un ancho en donde está en unión a tope a un borde de fondo del mismo con el cabezal de apisonadora a una superficie superior a aproximadamente a un borde del mismo.

1 . El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el protector descansa en el cabezal de apisonadora y tiene una abertura para permitir el paso del árbol que tiene unido al mismo el cabezal de apisonadora.

15. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el apisonamiento se lleva a cabo al impulsar el cabezal de apisonadora con el árbol que se extiende hacia arriba desde el mismo, el protector que se extiende hacia arriba a una altura predeterminada suficiente para impedir que las paredes laterales de la cavidad alargada falle y colapsen en la cavidad durante las operaciones de apisonamiento, y el protector que tiene una abertura en la parte superior que permite que el árbol pase a través de la misma para conectarse al cabezal de apisonadora.

16. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque la altura predeterminada del protector está en el intervalo de aproximadamente 0.9144 a 1.524 metros (3 a 5 pies).

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el ancho del cabezal de apisonadora está en el intervalo de aproximadamente 30.48 a 91.44 centímetros (12 a 36 pulgadas).

18. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el cabezal de apisonadora se forma sustancialmente circular.

19. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el espesor del elevador o elevación de agregado es aproximadamente igual a dos o tres veces la distancia a través de la cavidad.

20. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el apisonamiento se lleva a cabo en una cavidad formada en suelo blando.