专利名称：基础桩或类似的承载元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基础桩和类似的承载结构件。
背景技术：
现有技术中的桩和/或类似承载结构件设计需要满足下列所有的工程技术特性a)当暴露在淡水和/或海水和/或污水和/或水生生物、植物、虫类或其他腐蚀性物质中时，元件都不能生锈，腐蚀或者分解，b)不需要在现场事先混合混凝土，c)易于运输到现场，d)易于处理和装备，在海中和其他相似应用中，可以是但并不局限于桩的结构性元件部分都应该是可漂浮的，e)不需要新的昂贵处理和/或打桩驱动设置，f)并不局限于桩等的结构性元件部分可快速现场连接，g)并不局限于桩等的结构性元件部分的设计和结构都经由州立机构和联邦机构所鉴定和认同，h)可利用现有的工程设计代码，使得相关工程设计和标准、规范相一致，i)能够提供高“表面摩擦系数”，j)桩的设计者应该能够将桩的表面摩擦系数设置为和期望的其所放置的土壤体一样，k)并不局限于桩等的结构性元件部分的“磨损面”应该耐火，l)并不局限于桩等的结构性元件部分应该抗冲击损坏，桩设计利用“磨损面”应该能够在运输，放置，安装和使用时承载所能预见的载荷，m)并不局限于桩等的结构性元件部分应该能够进行现场检测。
由于经济和工程技术原因，在现有技术中海底桩设计受限于钢制、木质或金属加强混凝土结构。因金属元件的腐蚀和海中生物对木质元件的钻孔，而且为克服海底桩设计的缺陷而造成的维护成本都很高。
Grosse & Fehr的专利3,939,665(1976年2月24日)中记载“抗腐蚀涂层由硬质塑料外层构成”，用来保护现有的已经放置就位的H形金属桩。Grosse & Fehr的专利3,939,665“涉及在水下和半水下环境中保护金属桩免于腐蚀”。Grosse & Fehr的专利3,939,665参考了美国专利US 1,013,758(1912年1月2日，Fox)，2,874,548(1959年2月24日，Drusbel et al)，3,321,924(1967年5月30日，Liddell)，3,370,998(Wiswell)。这些现有技术都不同程度地公开了在桩上应用防腐蚀涂层设计，但在H形金属桩或其他不规则桩上应用防腐蚀涂层却并没有取得显著成功。事实上证明这非常困难，在很多情况下由于不方便，是不可能获得良好的条件来有效排出塑料外层内部和H形或L形桩外部之间的湿气。Grosse & Fehr的专利3,939,665描述了为什么利用金属桩不好。从Grosse & Fehr的专利3,939,665引用的记载“众所周知，当表面露在大气中时，铁并不稳定。在这种条件下，铁就会氧化生成各种铁的氧化物，从而比其他金属更加稳定。众所周知，这种氧化或腐蚀在水面以下，尤其是在海面以下更加迅速。金属表面的腐蚀在所谓‘溅水区’更加剧烈。该溅水区是靠近水面的区域，由于受潮汐变化而交替露出水面，使波浪等各种紊流和金属表面相接触，时而处于水中，时而处于空气中”。
Grosse & Fehr的专利3,939,665并不能满足所有的问题，H桩或L梁桩为何可用于打桩。Grosse & Fehr的专利3,939,665中陈述了“H桩或L梁桩刚性很大，也很牢固，但是由于巨大的表面面积而又由铁等金属制成，所以在腐蚀环境中易于氧化或被腐蚀”。尽管存在腐蚀问题，经常使用H桩或L梁桩的原因主要是因为“表面面积大”。桩可被“驱动”打到土壤体中。该桩的“驱动”动作会引起土壤和桩表面之间产生摩擦。这通常作为桩的表面摩擦。桩的表面摩擦通常说明土壤体所提供的物理支承。在表面摩擦为主要支承方式时，“表面积和截面面积的比值”就变为多个问题中的一个重要的经济因素。这些问题可以是当并不局限于A)将桩运输到安装现场的成本。这是一次可运输多大“表面面积”的函数。即，摩擦是一个重要设计参数，每结构元件长度产生的摩擦越大，运输的整个成本就越小，当然其他成本也是如此。这样，“圆形”截面比方形截面和三角形截面等都更加有效。本发明在某些特定情况下也可以是“锯齿”“片状”桩，更为有效。B)桩驱动操作是桩花费多长时间被“推”入土壤体中以产生抵消所需负载的摩擦量的函数。“表面积和截面面积的比值”越大，桩进入土壤体中的所需长度就越短。C)在极度“泥泞”的土壤条件下，桩自身的静载荷，作为表面积的单位长度的比值，也是一个设计因素。基础桩必须能够承载包括自身静载荷在内的所有载荷。可增加总表面积以适应桩和土壤体之间的摩擦，也可减小桩的重量，来节省基础桩所支承结构的使用材料。D)通常，现场的土壤体在宏观上包括“坚硬”层和“沼泽”层。较短的桩由于不能扎入到更深的沼泽层，所以在安装之后，基础桩并不稳定。举例来说，如果基础桩进入沼泽层或一系列沼泽层中，就会导致刺穿先前的“防水”层，从而导致这些层脱水，因而减小这些层的承载能力。Grosse & Fehr的专利3,939,665中安装桩是在现场利用“...将重型油脂或者其他石化产品应用于内表面...”。在1976年，或许可以实践Grosse & Fehr的这项专利(3,939,665)，但是在今天，美国环境保护机构的规章使得这种实践变得非常昂贵。
专利4,019,301(1977年10月24日，Fox)中记载有“用于混凝土，木质和钢制桩或其他结构的保护系统易于受水的腐蚀和磨损，该系统包括外壳套以及外壳套和桩之间的填料”，“外壳和填料恒久地设置在结构中以保护免受水的侵蚀，还可以重构磨损的部分，以保持结构的完整性”。专利4,019,301是一种更新发明，用以在现场修复桩。在专利4,019,301中记载“绕桩形成有纤维玻璃，环氧树脂或类似材料的插套，该插套可设置水面或水面之下，在外壳套和桩之间形成的空间内，灌有环氧树脂浆填料形成保护性涂层，却并不需要脱水程序”。如上所述，或许当时可以实践Fox的这项专利，但在今天即使EPA规程下立法允许，美国环境保护机构的规章也会使得这种实践变得非常昂贵。除了专利4,019,301的潜在环境问题以外，还有很多结构性问题。其中专利4,019,301(Fox，“外壳”)或者US4,023,374(1977年5月17日，Colbert et al“套管”)或者4,306,821(1981年12月22日，Moore，“外周形式”)，或者5,633,057(1997年5月27日，Fawley，“合成加强套管”)，或者5,925,579(1999年7月2日，Neuner al et)的实施都会导致结构性元件产生意想不到的结构性载荷。所以所有的这些发明都不得不增加结构性元件的直径。如果这样做，初始的截面系数就会增大。此外，如果使用上述专利中的材料，就不但会明显增大结构性元件的承载载荷，而且还会显著增加上述结构性元件在负载下的偏移程度。实际上，这种“刚度”的增加对于上述结构性元件来说并不重要。但是上述结构性元件通常为大而复杂的系统中的单一构件。即，在码头时，上述结构元件用于支承码头上的夹板，任何桩刚度的增加都会导致载荷从刚性较小的桩转移到刚性较大的桩上。载荷的集中将会导致整个码头结构系统中不可预料的载荷分布。
专利4,019,301中记载“众所周知，由混凝土，木质或钢制制成的传统桩在水中会快速腐烂，即使由这些材料进行加强时也是如此”。美国专利5,599,599(Mirmiran et al)克服了专利4,019,301中的问题，即“该发明具有防水和绝缘效果，露在外的混凝土柱和基础桩支承并保护水泥芯部中的钢制/金属加强件免于腐蚀”。专利5,599,599中认为防水制造，以及利用高绝热材料，例如FRP，并不能解决这种问题。专利5,599,599中由于FRP具有光滑表面性质，所以利用FRP元件在FRP外层和混凝土芯部之间进行剪切应力传递也是值得质疑的。最后，专利5,599,599并没有提出在外部FRP层和混凝土芯部之间进行粘接。由于混凝土随着时间的推移将会收缩，FRP层和混凝土芯部之间的任何初始剪切应力传递有时会下降。如专利5,633,057所记载“...混凝土浆收缩，因而载荷传递不足...”，也就是剪切应力传递不足。
在专利5,599,599由
图1A，图1B，图1C，图1D，图2A，图2B，图3A，图3B，图4A和图4B所提供的各个实施例中，记载有“本发明包括填充有混凝土的空FRP层”。但是专利5,599,599还建议“本发明可用作为混凝土桩”，但该专利不能满足上述FRP具有较大表面摩擦，也不能在放入土壤体中时保持其“防水”功能。对于用作为上述地面结构件，专利5,599,599不能满足保证防火和/或绝缘，以使外层免于损坏，这两个因素都将直接影响专利5,599,599中的结构完整性。
美国专利US5,658,519(1997年8月19日，March et al)既没有满足防火问题，也没有涉及表面摩擦问题，更没有利用塑料来节省成本。该专利在控制和驱动桩时没有解决缺乏“刚性”的问题。而且该专利也没有提供单个桩部分现场连接的方式和方法。
美国专利US5,218,810(1993年6月15日，Isley.Jr)公开了一种在外表面具有合成加强层的更新加强混凝土柱，用以加强上述柱的强度。该专利需要合成材料来保持在“卷绕”于上述加强混凝土柱时的恒定特性。本发明能够逐步在上述结构元件上设置合成材料，还可以应用到结构梁上。在海底基础桩的特定条件下，现有技术中的现场处理桩需要这些桩作为梁使用。该专利仅仅是更新发明，不能预先组装和/或预制和/或非现场制造/制作完整的结构件，因而该专利并不能解决现有技术中预先组装和预制结构件的问题。
可以相信本发明能够进一步提高基础桩和类似的承载元件。，发明内容因此，本发明的目的就是提供一种基础桩，能够避免现有技术中的缺陷。
根据上述目的，在下文将显而易见的是，本发明中的基础桩包括最内侧元件，环绕上述最内侧元件的结构性管状件，由非金属材料，环绕结构性管状件并与其相连的合成材料管状层，以及在合成材料层外表面上的摩擦涂层。
根据本发明设计的上述基础桩，并不像Grosse的专利中一样，应用外部抗腐蚀涂层，用以连接金属管，因而它不用解决该专利中的表面摩擦问题。而且还避免了使用金属，从而避免了腐蚀，并提供有耐磨表面，因此克服了Fox，Moore，Fawle和Neuner的上述专利中公开的很多问题。在利用混凝土时，也并不绝缘，从而在整个长度上保持连续的湿度。相比较Mirmiran的专利，本发明还消除了起火的隐患和损害，从而可放置不同的合成材料条带，而且相比较Isey的专利，还可以利用未加强混凝土芯部。
附图简述图1是示出本发明中基础桩纵向剖图的视图；图2是示出本发明中基础桩横向剖图的视图；图3和4示出本发明另外的两个实施例。
本发明的最佳实施方式本发明中基础桩可作为海底桩或者用于其他应用的承载支撑件。
基础桩的中心件为沿着纵向轴线延伸的可伸展腱1，其可由金属或塑料构成，通过已知的方法预张紧。本发明的基础桩整体作为参考标记1。
本发明的基础桩的最内处形成空管结构或者元件。图中所示的结构作为示意性实例形成管状壁，该管状壁可由塑料构成，附图标记为2。上述结构2的中空内部空间作为参考标记3。管状壁的内径相比上述管状壁的内表面和上述腱1之间形成的中空内部空间，由参考标记3所指定。
上述空管由结构管状件4所围绕。该结构管状件4可由不同的材料，但要是非金属的材料构成。这些材料可以是混凝土，塑料，橡胶，结构性泡沫等。在空管的管状壁上涂有摩擦涂层，从而可在空管壁和结构性管状件之间改善连接。上述摩擦涂层可由分布在粘接剂中的砂土构成，参考标记为5，这些粘接剂可以是树脂，例如环氧树脂。但并不是绝对需要摩擦涂层。
本发明中基础桩的下一个部件就是用作为环绕结构管状件4外层的合成材料。该合成材料层的参考标记为6。合成材料层6可由玻璃纤维或者碳纤维和/或类似材料构成。其可形成单独一层或者由多个薄层组成。还可以包括金属元件，在放置基础桩时在介质内氧化。上述合成材料可由不同材料成分的单个条带构成。上述结构管状件可通过中间连接层和各层合成材料相连。该中间连接层可由树脂，尤其是环氧树脂构成，参考标记为7。
本发明中基础桩的最外层元件为摩擦涂层，参考标记为8。该摩擦涂层可以形成为包含多个粘接剂中摩擦颗粒(friction-imparting)的层。该粘接剂可以是树脂，例如环氧树脂，上述颗粒可根据基础桩所在的介质而选定。举例来说细小的聚合土壤，例如沙土等。上述摩擦涂层填料的摩擦成分也可是砂子。对于有机土壤，例如沼泽等低黏性土壤，摩擦涂层中的填料还可以是碎岩石。
加工工序包括下列过程i)摩擦涂层涂覆在上述空管上，但是并不总是这样，ii)环绕上述空管形成混凝土和/或塑料和/或橡胶和/或结构性泡沫，iii)将合成材料层形成并固定为混凝土和/或塑料和/或橡胶和/或结构性泡沫元件的表面，iv)选择并将摩擦涂层材料固定在合成材料层上。
v)可替换地将内摩擦涂层增添到合成层上，并利用芯部材料填充该层。
就“驱动基础桩”而言，当基础桩在顶部受振动或敲击而驱动时，驱动载荷需要传递到基础桩的尖端以及和土壤层相接触的基础桩表面，土壤层阻碍着这种“驱动”力。当基础桩的桶部不必设计成具有抗击锤冲击的能力时，基础桩朝向击锤露出的端部就必须得以加强来平衡冲击，以便于将驱动载荷均匀地传递到基础桩的桶部。
寻找各个基础桩部的连接点，给定标准设置的通常长度限制为40到45英尺，这通常是固定或连接多个基础桩部分的安装条件。也就是当第一部分被驱动到土壤中后，桩驱动操作必须将下一个基础桩部分固定。从经济原因考虑，需要快速的连接过程。
经由密封和/或再密封入口后张紧到上述结构的后张管中，可使得再制造，运输，安装以及在安装之后，用以监视结构的整体性，以及在安装的基础桩上设置的上层结构之前，之中，之后检测载荷设置，此之后均可在后张钢索上放置应变规。
本发明中能够逐步地将结构元件芯部上的合成材料应用于不只是“围住”加强芯部压缩材料。这就可以用、但并不局限于结构性梁。在为海底桩、处理桩的特定情况下，现场就需要将这些桩设计作为“梁”。
下列提供的实例是说明如何利用本发明中设计的海底桩来满足下列工程特性需要a)当暴露在淡水和/或海水和/或污水和/或水生生物、植物、虫类或其他腐蚀性物质中时，元件不能生锈，腐蚀或者分解，b)在现场不需要事先混合混凝土，c)易于运输到现场，d)易于处理和装备，在海中和其他相似应用中，可以是但并不局限于桩的结构性元件部分都应该是可漂浮的，e)不需要新的昂贵处理和/或桩驱动设置，f)并不局限于桩等的结构性元件部分的快速现场连接，g)并不局限于桩等的结构性元件部分的设计和结构都经由州立机构和联邦机构所鉴定和认同，h)可利用现有的工程设计代码，使得相关工程设计和标准、规范相一致，i)能够提供高“表面摩擦系数”，j)桩的设计者应该能够将桩的表面摩擦系数设置为和期望的其所放置的土壤体一样，k)并不局限于桩等的结构性元件部分的“磨损面”应该耐火，l)并不局限于桩等的结构性元件部分应该抗冲击损坏，桩设计利用“磨损面”应该能够在运输，放置，安装和使用时承载所能预见的载荷，m)并不局限于桩等的结构性元件部分应该能够进行现场检测。
如上a)所述，合适的海底桩设计应该满足现场桩定位的所需条件。照此，单独元件的选择应该包括这些不能腐蚀、生锈，分解或者不会变质的元件。实际上，设计者也会需要可为腐蚀的单独零件设计，这种特殊情况，我们在后叙述。本发明可以利用环境所能允许的塑料，纤维玻璃，碳纤维，橡胶，环氧树脂，混凝土和金属元件。
关于上述b)，本发明可设计为预制桩。当使用混凝土时，混凝土就会预先“成形”，因此在现场就不需要事先混合混凝土了。
根据上述c)，从本发明的经济方面考虑，易于运输到现场是一个很重要的因素。受现场条件的影响，打桩驱动设备也应该受限于单个桩的长度。本发明通过设计满足这一要求。单个桩的长度仅仅受限于进入现场的运输工具和所采用的运输方式。
关于上述d)，易于处理和装备，在海中和其他场合下，桩应该是可漂浮的。本发明中的设计在桩“桶部”和/或桩“端部”上引入了特定的处理和/或装备结构“硬质点”。而和单独桩部分的结构无关，利用本发明中的设计，桩设计可通过调节直径从而调节张紧腱空管的体积来确保单个桩的“漂浮”性能。在海水条件下桩的“上船(over-the-side)”损失会非常危险而且浪费资金。关于漂浮问题是本发明的一个重要方面，另一方面就是每体积的重量，使用者最大提高运输的重量/体积限制就可以减小整个运输成本的损失。
关于上述e)，本发明不需要昂贵的新打桩驱动设备。本发明是利用现有的打桩驱动设备。
关于上述f)，本发明可使得一个桩部分和另一个能够快速在现场相连。通过利用现有技术，即联邦和州立运输协会所认同的预制混凝土结构性元件连接方法，本发明提供有一种比现有技术更快或者比现有技术更省成本的桩部分连接方法。
关于上述g)，本发明中的桩设计和结构都是一种由州立机构所使用并鉴定以及联邦机构所推荐的结构元件的新方式和方法。利用预先鉴定的元件可以更快的由工程群体所适应。
关于上述h)，由本发明中的g)所支持，利用现有的工程设计代码，就可满足相关的工程设计和标准、规范相一致。
关于上述I)，本发明提供一种高“表面摩擦系数”，可超过桩的设计载荷需要。基础桩的成本通常直接来自于桩“表面”和土壤体之间相接触总面积的摩擦。由于相接触面积的表面摩擦可限定海底桩的桩数，单独桩所驱动的长度也由这两个因素所直接限定。本发明通过零活设计单独桩部分的截面来满足桩和土壤体相接触的总面积问题。
关于上述j)，本发明中的设计使得设计者具有相当大的弹性来将桩的“表面摩擦系数”和其所放置的土壤体设置为相一致。如上所述，桩设计就是指表面摩擦和桩、土壤体之间的接触总面积。基础桩工程通常带有土壤穿孔。由此，可在桩表面设置涂层，通过混合泥土和/或碎岩石，可以是当并不局限于火石，和/或砂子和环氧树脂和/或树脂混合物来达到所期望的土壤体成分，以增大摩擦系数，从而减小桩的数量和所必须驱动的桩长度，因而可直接影响单个桩的成本和总基础成本。
关于上述k)，本发明满足桩耐火的要求。现有技术中提供多种装置和方法，利用包括纤维玻璃和碳纤维织物等材料的外层，但这些复合材料在受到高温和/或火时，便立即会失去强度。现有技术中还可以弯曲压卷和密封通常为混凝土的芯部材料。但实际上现有技术增强了外层的绝缘和防水效果。本发明并不需要合成材料具有“绝缘”和“防水”功能。在桩的顶部暴露于潜在火源的条件下，本发明的设计可使得上述合成材料被固定在“条带”上，该条带可纵向和/或周向和/或对角定位到桩的“桶部”。火能够触及的地方还应该设置有间隙和孔，以便于“芯部”材料露出外“摩擦”涂层。在使用混凝土作为“芯部”材料时，尤其是用作海底桩时，将海水引入到混凝土中是有益的。混凝土，尤其是预成形混凝土，如果在处理后保持湿度，实际上就能获得结构性强度。在遇到火的情况下，这种“开口”形式的优点就是可使上述芯部材料具有相当大的“热壑”，如果是混凝土，在合成材料层损失之前，可从合成材料层长时间散热。外“摩擦”涂层作为天然绝缘器，为热敏合成材料层提供保护。
关于上述l)，上述外“摩擦”涂层可在运输，放置，安装和使用时承载所能预见的载荷。如果合成材料层在直到使用时的各个阶段中弄坏，碰撞或者其他损害，现有技术中就不能满足和结构位置相关的处理操作，可能产生潜在的损坏隐患。当作为利用纤维玻璃等材料设计的一对海底桩时，它们就可能会遇到多个缺点。首先，不会满足“表面摩擦”。这是影响工程和经济考虑的重要因素。海底桩的“表面摩擦系数”类似于砂纸的摩擦等级。通常，越“粗糙”的表面，“表面摩擦系数”越高。使用措词“通常”是因为桩被冲击进的土壤体也是和桩表面产生“摩擦”的一方。因此，桩的设计者可根据土壤体的性质设计桩表面的轮廓，从而使得桩进入土壤体的长度更短。这就会使生产商购买更短的桩和驱动更短的长度到土壤中，因而更加经济。“摩擦涂层”的应用包括砂子等级的选择和/或碎岩石和/或其他研磨材料等级的选择，这从而为土壤体的“表面摩擦系数”和火和/或潜在危害提供了合成涂层绝缘。
关于上述m)，传统基础桩的设计制约了地层基础桩的检测。本发明中提供的桩设计可借助于张紧腱空隙进行现场检测。在放置桩时，从一个桩的空隙到下一个桩的空隙都安装有密封通路，随后降低和/或“像蛇一样”驱动标准结构检测摄像设备经过整个桩。这种经过桩长度的过程可用于供给空气和/或氧气来氧化设置在合成材料层和外“摩擦”涂层之间的金属元件。氧化作用可使得金属氧化以推动“摩擦”涂层元件，从而增加环绕土壤体的摩擦阻力。如果使用空管，在使用设备时还可以提供土壤体内单个桩部分的实际位置信息。
根据图3所示的另一个实施例，最内侧元件的内空部分填充有填料，例如可回收塑料，可回收橡胶，混凝土等。根据图4所示的另一实施例，最内侧的元件也可以是实心的，由这些材料或其他材料构成。在所有实施例中腱1也可位于桩的内部。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1、一种基础桩，包括最内侧元件；径向向外地环绕上述最内侧元件的结构性管状件，由非金属材料构成；径向向外地环绕结构性管状件并与其相连的合成材料管状层；以及在合成材料层外表面上的摩擦涂层。
权利要求
1.一种基础桩，包括最内侧元件；环绕上述最内侧元件的结构性管状件，由非金属材料构成；环绕结构性管状件并与其相连的合成材料管状层；以及在合成材料层外表面上的摩擦涂层。
2.如权利要求1所述的基础桩，其特征在于，上述结构性管状件可从下列组中选择构成混凝土，塑料，橡胶和结构性泡沫。
3.如权利要求1所述的基础桩，其特征在于，上述合成材料层可从下列组中选择构成纤维玻璃和碳纤维。
4.如权利要求1所述的基础桩，其特征在于，上述合成材料层由多个单独的层构成。
5.如权利要求1所述的基础桩，其特征在于，上述合成材料层包括金属元件，用于在将桩放置于介质中后进行氧化。
6.如权利要求1所述的基础桩，进一步包括设置在上述结构性管状件和上述合成材料层之间的连接层。
7.如权利要求6所述的基础桩，其特征在于，上述连接层由树脂构成。
8.如权利要求1所述的基础桩，进一步包括设置在上述摩擦涂层和上述合成材料层之间的连接层。
9.如权利要求8所述的基础桩，其特征在于，上述连接层由树脂构成。
10.如权利要求1所述的基础桩，其特征在于，上述最内侧元件形成一个空管。
11.如权利要求10所述的基础桩，其特征在于，上述空管内填充有填料。
12.如权利要求10所述的基础桩，其特征在于，上述最内侧元件为实心。
13.如权利要求1所述的基础桩，进一步包括设置在最内侧元件之内的至少一个张紧腱，在纵向方向上延伸。
全文摘要
一种基础桩，包括最内侧元件(2)；环绕上述最内侧元件(2)的结构性管状件(4)，由非金属材料构成。还包括环绕结构性管状件(4)并与其相连的合成材料管状层(6)；以及在合成材料层外表面上的摩擦涂层。
文档编号E02D31/00GK1646774SQ02829243
公开日2005年7月27日 申请日期2002年5月10日 优先权日2002年5月10日
发明者大卫·艾伦·胡贝尔, 埃尔弗莱德·欧文 申请人:大卫·艾伦·胡贝尔, 埃尔弗莱德·欧文