Способ погружения тонкостенных стальных оболочек с заглублением в плотный водоупорный грунт
Владельцы патента RU 2549789:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" (RU)
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении ограждающих водонепроницаемых ячеистых перемычек котлованов на акваториях при сооружении искусственных островов, причальных и ограждающих сооружений. Устанавливают тонкостенные стальные оболочки 2 в плотный водоупорный грунт 1 на дно акватории. Закрепляют на свободном торце оболочек 2 вибротехнические средства посредством соединительных элементов. Вибротехнические средства выполнены в виде свободных беспружинных вибромолотов 4. Соединительные элементы выполнены в виде вилочных направляющих 3. Заглубление тонкостенных стальных оболочек 2 производят в виброударном низкочастотном режиме с подскоком ударной массы. Свободные беспружинные вибромолоты 4 подвешивают через стержни 5 с пружинами 6 на жесткую траверсу-пригрузку 7 для дополнительной статической нагрузки на плотный водоупорный грунт 1 и устойчивого режима работы свободных беспружинных вибромолотов 4. Обеспечивается усталостное разрушение плотного водоупорного грунта и снижение сил лобового сопротивления грунта заглублению в него тонкостенных стальных оболочек. 1 табл., 3 ил.
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении ограждающих водонепроницаемых ячеистых перемычек котлованов на акваториях при сооружении искусственных островов, перемычек, причальных и ограждающих сооружений, в том числе сооружений для защиты от наводнений и т.п.
Известен способ возведения ограждающего сооружения из тонкостенных стальных оболочек на слабых грунтах акватории, включающий скрепление кондуктора с верхом оболочки, установку оболочки на дно и заполнение ее полости сыпучим материалом, предварительно в полости оболочки размещают трубы, нижний торец которых располагают выше нижнего торца оболочки, скрепляют их с кондуктором и в процессе заполнения полости сыпучим материалом, который выдавливает слабый грунт акватории в трубы, одновременно по трубам отсасывают его за пределы оболочки с помощью шламоподъемного оборудования, а после заполнения оболочки сыпучим материалом трубы извлекают, и вдавливают в грунт оболочку посредством реактивных усилий, возникающих при извлечении труб и воздействующих через кондуктор на оболочку.
При этом трубы размещают по окружности, коаксиальной оболочке, а в случае установки оболочки с перекосом, трубы со стороны их более заглубленного края извлекают с вибрированием (см. пат. РФ №2032788, E02B 3/06).
Недостатком известного способа является низкая надежность возводимых сооружений в виду невозможности обеспечить вертикальность и водонепроницаемость тонкостенных стальных оболочек. Это обусловлено тем, что реактивные усилия, возникающие при извлечении труб за счет сил бокового трения по их поверхности, не позволяют в полной мере выровнять и преодолеть силы лобового сопротивления, которые возникают при погружении тонкостенных стальных оболочек, что приводит к нарушению вертикальности и соосности стальных оболочек и снижает их водонепроницаемость.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ погружения тонкостенных стальных оболочек с заглублением в плотный водоупорный грунт, включающий установку тонкостенных стальных оболочек на дно акватории, закрепление на их свободном торце вибротехнических средств посредством соединительных элементов и заглубление указанных оболочек в плотный водоупорный грунт. При этом вибротехнические средства выполнены в виде свайных вибраторов, размещение которых на свободном торце тонкостенных стальных оболочек зависит от направления развития их крена, а в случае необходимости дополнительного заглубления указанных оболочек свайные вибраторы равномерно распределяют по всей длине их окружности. При этом соединительные элементы выполнены в виде специальных наголовников, а заглубление тонкостенных стальных оболочек производят в вибрационном режиме продольно-направленных колебаний (РТМ 36.44.12.1-90 Проектирование и строительство портовых гидротехнических сооружений с применением стальных оболочек большого диаметра. - СПб.: ВНИИГС. 1992. - С. 33-34, рис. 10).
Недостатком данного способа является невысокая надежность возводимых ограждающих сооружений в виду низкой водонепроницаемости тонкостенных стальных оболочек. Это обусловлено тем, что при использовании свайных вибраторов в указанных оболочках возникают поперечные изгибы, которые приводят к необратимым деформациям их стенок, что приводит к неустойчивому режиму работы вибротехнических средств и возникновению деформации цилиндрической формы оболочек, что, в свою очередь, не позволяет выполнить герметичный стык между смежными оболочками.
В производственных условиях на реальных объектах строительства установлено, что из-за неравномерной плотности грунта дна акватории при следующих параметрах тонкостенных стальных оболочек: диаметр 15 м, высота 16 м и толщина стенки 10 мм, их вертикальность не достигается. Анализ известных конструктивных решений стыка ячеистых ограждений и экспериментальные работы показали, что непроницаемый стык может быть создан только в том случае, если тонкостенные оболочки устанавливают на грунт акватории с обеспечением вертикальности их осей. Поэтому при погружении стальных тонкостенных оболочек необходимо их выравнивание.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности возводимых ограждающих сооружений путем обеспечения вертикальности и соосности погружаемых тонкостенных стальных оболочек и их высокой водонепроницаемости.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в обеспечении усталостного разрушения плотного водоупорного грунта и снижении сил лобового сопротивления указанного грунта заглублению в него тонкостенных стальных оболочек, что приводит к устранению перекосов тонкостенных стальных оболочек при погружении их в плотный водоупорный грунт и исключению поперечного изгиба и деформации стенок указанных оболочек.
Поставленная задача решается тем, что известный способ погружения тонкостенных стальных оболочек с заглублением в плотный водоупорный грунт, включающий установку тонкостенных стальных оболочек на дно акватории, закрепление на их свободном торце вибротехнических средств посредством соединительных элементов и заглубление указанных оболочек в плотный водоупорный грунт, согласно изменению, вибротехнические средства выполнены в виде свободных беспружинных вибромолотов, а соединительные элементы - в виде вилочных направляющих, заглубление тонкостенных стальных оболочек производят в виброударном низкочастотном режиме с подскоком ударной массы, при этом свободные беспружинные вибромолоты подвешены через стержни с пружинами на жесткой траверсе-пригрузке для дополнительной статической нагрузки на плотный водоупорный грунт и устойчивого режима работы свободных беспружинных вибромолотов.
Известно применение вибромолотов, жестко закрепленных в наголовниках, для погружения свай призматического или кольцевого поперечного сечения за счет снижения сил сопротивления грунта по боковой поверхности погружаемых свай (Вибрационная техника и технология в свайных и буровых работах / В.В. Верстов, М.Г. Цейтлин, Г.Г. Азбель. - Л.: Стройиздат, 1987. - 262 с. Технологии устройства ограждений котлованов в условиях городской застройки и акваторий / В.В. Верстов, А.Н. Гайдо, Я.В. Иванов. СПб.: СПбГАСУ, 2014. 368 с.). В известном способе под острием погружаемых свай возникают знакопеременные гидродинамические давления, приводящие к разжижению и снижению сопротивления породы, и в результате погружение происходит под собственным весом свай и вибромолотов.
В заявляемом изобретении погружение тонкостенных стальных оболочек обеспечивается свободными беспружинными вибромолотами за счет усталостного разрушения породы под их торцом, приводящего к снижению сил лобового сопротивления плотного водоупорного грунта. В указанном способе за счет наличия подскока ударной массы свободных беспружинных вибромолотов на водоупорный грунт передается ударный импульс, преимущественно влияющий на погружение стальных оболочек, чем вибрационная составляющая.
Применение жесткой траверсы-пригрузки для обеспечения дополнительной статической нагрузки и устойчивого режима работы вибромолотов неизвестно из уровня техники.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ погружения тонкостенных стальных оболочек с заглублением в плотный водоупорный грунт не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Способ погружения тонкостенных стальных оболочек с заглублением в плотный водоупорный грунт поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 схематично изображена тонкостенная стальная оболочка с установленными на ее свободном торце свободными беспружинными вибромолотами, подвешенными через стержни с пружинами на жесткой траверсе-пригрузке;
- на фиг. 2 схематично изображен разрез А-А на фиг. 1;
- на фиг. 3 схематично изображен разрез Б-Б на фиг. 1.
На плотный водоупорный грунт 1 (фиг. 1) погружена тонкостенная стальная оболочка 2 (фиг. 1-3). На ее свободном торце установлены вилочные направляющие 3 (фиг. 1), которые жестко соединены со свободными беспружинными вибромолотами 4 (фиг. 1, 3). Указанные вибромолоты 4 через стержни 5 (фиг. 1-2) с пружинами 6 (фиг. 1) подвешены на жесткую траверсу-пригрузку 7 (фиг. 1-2). Последняя снабжена строповочными элементами 8 (фиг. 1-2), посредством которых она навешена на крюк 9 (фиг. 1) грузоподъемного крана (на фиг. не показан).
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
Собранные на стенде укрупнительной сборки тонкостенные стальные оболочки 2 транспортируют к месту их установки на палубе плавкрана или на специально оборудованной барже. Указанные оболочки 2 устанавливают краном на дно акватории в створе возводимого сооружения. На свободном торце стальных тонкостенных оболочек 2 закрепляют свободные беспружинные вибромолоты 4 посредством вилочных направляющих 3. Указанные вибромолоты 4 через стержни 5 с пружинами 6 подвешивают на жесткую траверсу-пригрузку 7. Последнюю за строповочные элементы 8 монтируют на крюк 9 грузоподъемного крана. Жесткая траверса-пригрузка 7 позволяет достичь дополнительной статической нагрузки на плотный водоупорный грунт 1 и устойчивого режима работы свободных беспружинных вибромолотов 4. При достижении тонкостенной стальной оболочки 2 слоя плотного водоупорного грунта 1 в работу приводят свободные беспружинные вибромолоты 4 в низкочастотном виброударном режиме с частотой удара 400-420 кол/мин при высоте подскока ударной массы 20-40 мм и выдерживают отношение этой массы к вынуждающей силе вибромолота 4, равное 0,4. При этом в случае развития крена погружаемой тонкостенной оболочки его устраняют путем включения свободных беспружинных вибромолотов, расположенных с противоположной стороны по отношению к развиваемому крену. Другие вибромолоты при этом не работают. Заявляемый способ обеспечивает усталостное разрушение плотного водоупорного грунта и снижение сил лобового сопротивления указанного грунта заглублению в него тонкостенных стальных оболочек, что приводит к устранению перекосов тонкостенных стальных оболочек при погружении их в плотный водоупорный грунт и исключению поперечного изгиба и деформации стенок указанных оболочек. Это позволяет обеспечить вертикальность и соосность погружаемых тонкостенных стальных оболочек и их высокую водонепроницаемость, что способствует повышению надежности возводимых ограждающих сооружений.
При проведении производственных экспериментов осуществляли погружение стального шпунта в плотный водоупорный грунт посредством свайных вибраторов В-402 в вибрационном режиме и посредством свободных беспружинных вибромолотов ВП-1 в низкочастотном виброударном режиме. Результаты сравнительных экспериментов приведены в таблице.
Приведенные в таблице результаты показывают, что по сравнению с прототипом заявляемый способ позволяет увеличить глубину погружения стального шпунта в плотный водоупорный грунт.
В результате производственных экспериментов с погружением стального шпунта в плотный водоупорный грунт установлено, что для их максимального заглубления следует применять низкочастотный виброударный режим работы с частотой 400-420 кол/мин при высоте подскока ударной массы 20-40 мм. При этом необходимо выдерживать отношение массы свободного беспружинного вибромолота к его вынуждающей силе, равное 0,4.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить надежность возводимых оградительных сооружений путем обеспечения вертикальности и соосности погружаемых тонкостенных стальных оболочек и их высокой водонепроницаемости в виду усталостного разрушения плотного водоупорного грунта и снижения сил лобового сопротивления указанного грунта заглублению в него тонкостенных стальных оболочек, что приводит к устранению перекосов тонкостенных стальных оболочек при погружении их в плотный водоупорный грунт и исключению поперечного изгиба и деформации стенок указанных оболочек. При этом траверса-пригрузка обеспечивает дополнительную статическую нагрузку на плотный водоупорный грунт и устойчивый режим работы свободных беспружинных вибромолотов в режиме один удар на один оборот валов дебалансов.
Способ погружения тонкостенных стальных оболочек с заглублением в плотный водоупорный грунт, включающий установку тонкостенных стальных оболочек на дно акватории, закрепление на их свободном торце вибротехнических средств посредством соединительных элементов и заглубление указанных оболочек в плотный водоупорный грунт, отличающийся тем, что вибротехнические средства выполнены в виде свободных беспружинных вибромолотов, а соединительные элементы - в виде вилочных направляющих, заглубление тонкостенных стальных оболочек производят в виброударном низкочастотном режиме с подскоком ударной массы, при этом свободные беспружинные вибромолоты подвешены через стержни с пружинами на жесткой траверсе-пригрузке для дополнительной статической нагрузки на плотный водоупорный грунт и устойчивого режима работы свободных беспружинных вибромолотов.
