Способ возведения опоры на водной преграде

Изобретение относится к строительству оснований и фундаментов на водных акваториях и может быть использовано в мостостроении для возведения фундаментов мостовых опор. Способ включает мониторинг водной преграды в месте установки опоры, в том числе исследование параметров воды, регистрацию уровня воды в течение года, определение рельефа дна, изучение донного грунта, воздействия внешних возмущающих факторов и на основании этого расчет веса и габаритов оболочки фундамента опоры, изготовление пустотелой оболочки с отсеками, ее транспортировку к месту установки, загрузку оболочки для погружения в воду и посадки на дно, фиксацию сваями, выравнивание дна. При загрузке и посадке выполняют стабилизацию вертикального положения оболочки путем контроля и заполнения соответствующих отсеков. Выравнивание дна выполняют путем нагнетания под днище оболочки искусственного материала, такого, как слои бетона с прослойками щебня. При посадке оболочку фиксируют ножами, встроенными в ее днище, и сваями, пропущенными через ее отсеки. Из условия устойчивости оболочки на грунте определяют соответствие между весом оболочки, количеством ножей, их лобовым сопротивлением и боковым трением для заданного вида грунта. Верхнюю грань погруженной оболочки располагают выше максимально возможной высоты волны. Вокруг подводной части погруженной оболочки сооружают каменную отсыпку. Изобретение обеспечивает быструю, надежную, с минимальными трудозатратами организацию возведения в условиях Арктического бассейна мостовых опор с повышенной надежностью их устойчивого положения на грунте, безопасностью и многолетней эксплуатацией. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способам возведения гидротехнических сооружений, а именно к способам строительства оснований и фундаментов на водных акваториях, и может быть использовано, например, в мостостроении для возведения фундамента мостовых опор.

Известны платформы (см. патент US №4666341, кл Е 02 В 17/00,1987 г.) и аналогичные платформы производства России, которые были установлены в Северном море. Эти платформы имеют скрепленную с днищем металлическую “юбку” и закрепленные по углам четыре пустотелые сваи. Высота такой “юбки” соответствовала 4-5 м, а диаметр свай - 600-1250 мм при их длине, равной 6-7 м. “Юбку” и пустотелые сваи в этом случае используют для торможения оболочки перед посадкой на придонную постель и для уменьшения ее увода течением в горизонтальном направлении от заданного места посадки. Кроме того, юбку используют дополнительно для контроля положения оболочки относительно дна.

Известна гравитационная платформа, содержащая корпус в виде оболочки, фундаментную часть с плитой, которую размещают на дне и которая оборудована анкерами в виде ребер-юбок, заглубленных в грунт основания, а пространство между плитой и дном водной преграды заполняют цементным раствором. Это позволило повысить устойчивость, получить равномерные контактные напряжения и отказаться от выравнивания дна перед загрузкой (см з-ку Франции №2335133, 1977 г.).

Однако установка этой платформы, как и приведенных выше, сопровождается необходимостью значительных усилий для задавливания в грунт основания плоских полосовых ребер-юбок, закрепленных на платформе, что ведет к ограничению глубины задавливания, к не достижению ребрами-юбками прочных слоев грунта водной преграды, к снижению несущей способности фундамента платформы.

В а.с. SU №1791528, 1990 г. снижения сил сопротивления задавливанию ребер-юбок в грунт основания при сохранении устойчивости гравитационной платформы добиваются подбором таких параметров ребер-юбок, как расстояние между гребнями юбок, высота гребней, угол внутреннего трения грунта, угол “выпирания”, зависящий от угла внутреннего трения.

Однако такой способ установки платформы приводит к недостаточно эффективной устойчивости и несущей способности, поскольку не учитывается ее вес и такие параметры ножа, как лобовое сопротивление и боковое трение ножа о грунт. Кроме того, при расчете не учтены внешние возмущающие воздействия и не предусматривается выравнивание дна водной преграды в месте установки платформы. Это ведет, как и в предыдущих решениях, к снижению надежности сохранения устойчивого вертикального положения платформы на грунте. Указанные обстоятельства приводят к неравномерной осадке платформы из-за воздействия подводного течения или давления льда, к снижению надежности крепления водной преграды ко дну.

Более близким к предложенному изобретению следует считать способ возведения опоры на водной преграде, описанный в патенте RU №2057845, 1996 г. и включающий мониторинг водной преграды в месте установки опоры, в том числе исследование параметров воды, регистрацию уровня воды в течение года, определение рельефа дна, изучение донного грунта, воздействия внешних возмущающих факторов и на основании этого расчет веса и габаритов оболочки, изготовление пустотелой оболочки с отсеками, ее транспортировку к месту установки, загрузку оболочки для погружения в воду и посадки на дно, фиксацию сваями, выравнивание дна.

Однако способ по описанию патент RU №2057845, 1996 г. сложен. В способе предусмотрено предварительное выравнивание дна до подхода оболочки к месту погружения. Это приводит к неоправданному увеличению сроков сооружения опоры. Кроме того, нецелесообразность такого выравнивания определяется невозможностью точно определить фазу торможения и уводом оболочки от места с выровненным дном. Дополнительно к этому наличие тормозных панелей по периметру приводит к нарушениям структуры природного залегания грунта, к рыхлению дна. Это, в свою очередь, приводит к неравномерной осадке платформы и к ее невысокой несущей способности. К тому же в способе не предусмотрена стабилизация вертикального положения оболочки, что ведет к недостаточной надежности устойчивого положения на грунте. Кроме того, в ближайшем аналоге, как и в указанных выше, установка оболочки сопровождается значительными усилиями при задавливании в грунт, а крепление оболочки ко дну только сваями ограничивает ее несущую способность.

Настоящим изобретением решалась задача упрощения способа, повышения надежности сохранения вертикального положения опоры, повышения устойчивости опоры на грунте при любом сочетании неблагоприятных внешних возмущающих факторов с одновременным увеличением несущей способности, сроков сооружения и снижением расходов на возведение, в частности, опоры моста на водной преграде.

Для решения поставленной задачи в предложенном способе возведения опоры на водной преграде, включающем мониторинг водной преграды в месте установки опоры, в том числе исследование параметров воды, регистрацию уровня воды в течение года, определение рельефа дна, изучение донного грунта, воздействия внешних возмущающих факторов и на основании этого расчет веса и габаритов оболочки фундамента опоры, изготовление пустотелой оболочки с отсеками, ее транспортировку к месту установки, загрузку оболочки для погружения в воду и посадки на дно, фиксацию сваями, выравнивание дна, согласно изобретению при загрузке и посадке выполняют стабилизацию вертикального положения оболочки путем контроля текущего вертикального положения каждого из отсеков и в случае отклонений от вертикали дополнительно заполняют соответствующие отсеки до восстановления вертикального положения оболочки, выравнивание дна выполняют путем нагнетания под днище вертикально расположенной оболочки искусственных материалов, при посадке оболочку фиксируют встроенными в ее днище ножами, количество ножей, их лобовое сопротивление и боковое трение о грунт определяют, исходя из следующего условия устойчивого положения оболочки на грунте:

n ≤ F/(αq_c+βf_s),

где n - количество ножей;

F - расчетный вес оболочки;

q_c - лобовое сопротивление ножа;

f_s - боковое трение ножа о грунт;

α, β - коэффициенты, зависящие от вида грунта,

при этом сваи пропускают через отсеки заполненной оболочки, а верхнюю грань погруженной оболочки располагают выше максимально возможной высоты волны на водной преграде.

Кроме того, согласно изобретению в частном случае способа в качестве искусственного материала при выравнивании дна могут использовать слои бетона, переслаивающегося с прослойками щебня.

Кроме того, вокруг подводной части заполненной оболочки могут сооружать каменную отсыпку.

Технический результат предложенного способа состоит в возможности обеспечения быстрой, надежной и минимальной по трудозатратам организации установки русловых мостовых опор в сложнейших условиях Арктического бассейна с повышенной надежностью устойчивого положения при одновременной безопасности и в увеличении сроков эксплуатации.

Предложенный способ может быть использован следующим образом.

Оболочка по предложенному способу представляет собой железобетонную конструкцию, разделенную на отсеки, перекрытые днищем и имеющую круглое, овальное сечение или сечение многоугольника.

Способ начинают с мониторинга водной преграды, при котором проводят исследование параметров воды, в том числе определение и регистрацию уровня воды в течение года, изучение донного грунта. Изучают параметры внешних возмущающих факторов, таких, как сила воздействия на оболочку со стороны волны при волнениях и штормах на водной преграде, изучают силу воздействия шквального ветра. Для этого проводят метеорологические, гидрологические и геологические исследования, изучают рельеф и строение донных грунтов на водной преграде в месте установки опоры, используют известные материалы.

На основании выполненного мониторинга выполняют компьютерный расчет параметров пустотелой оболочки, ее веса, формы и габаритов. Расчет проводят, исходя из условий плавучести собранной конструкции, чтобы после сборки конструкции можно было отбуксировать ее в предполагаемое место установки и, заполнив отсеки, опустить непосредственно на дно водной преграды с минимальным объемом работ вдали от берега, что особенно важно для удаленных от берега районов моря.

Далее выполняют компьютерный расчет погружения оболочки на дно водной преграды и расчет параметров стабилизации вертикального положения при загрузке и посадке. С учетом результатов мониторинга на основании условия устойчивости оболочки на грунте и предотвращения горизонтального перемещения оболочки рассчитывают параметры ножей, встроенных в ее днище. Моделирование погружения и посадки со стабилизацией вертикального положения оболочки позволит учесть все неблагоприятные внешние возмущающие воздействия. Это дает возможность уточнить полученные расчетные параметры.

На основании полученных расчетов оболочку изготавливают в сухом доке или на открытой строительной площадке. Выбор стали или бетона для изготовления конструкции зависит от экономических факторов. Транспортировку к месту установки выполняют буксирами по воде.

По прибытии на место производят загрузку отсеков оболочки и ее погружение. Во время загрузки и посадки проводят стабилизацию вертикального положения оболочки путем контроля текущих положений каждого из отсеков оболочки и, в случае отклонения отсека от вертикального положения, управляют дополнительным заполнением соответствующего отсека пропорционально отклонению до восстановления вертикального положения оболочки. Выравниванием положения оболочки управляют по сигналу датчиков уровня, которые устанавливают на каждом отсеке. Это позволит повысить надежность устойчивого положения оболочки.

После того, как загруженная оболочка касается дна ножами, выполняют дальнейшую загрузку отсеков породой и искусственным материалом в режиме задавливания ножей в грунт. Расчет параметров ножей может быть выполнен при проектировании на основании проведенного мониторинга, исходя из следующего условия устойчивого положения оболочки на грунте

n ≤ F/(αq_c+βf_s),

где n - количество ножей;

F - расчетный вес оболочки;

q_c - лобовое сопротивление ножа;

f_s - боковое трение ножа о грунт;

α, β - коэффициенты, зависящие от вида грунта, его характеристик.

Выравнивание дна водной преграды выполняют одновременно с погружением в грунт путем нагнетания под днище вертикально расположенной оболочки искусственного материала. Это позволит повысить надежность устойчивого положения на грунте и сократить время сооружения опоры. В качестве искусственного материала при выравнивании дна используют слои бетона, переслаивающегося с прослойками щебня. Это позволяет дополнительно повысить устойчивость оболочки на грунте.

После этого оболочку фиксируют сваями. При этом сваи пропускают через отсеки заполненной оболочки.

Фиксирование оболочки одновременно ножами и сваями позволит увеличить надежность устойчивого положения опоры моста при его эксплуатации с учетом воздействия любых неблагоприятных внешних факторов, таких, как статические воздействия: собственный вес всех элементов загруженной оболочки, вес технологического и другого оборудования моста, а также динамическое воздействие со стороны передвигающихся по мосту объектов, воздействия шквального ветра и волнений моря.

При этом расчетная высота оболочки предполагает ее установку на дно и расположение верхней грани выше максимальной высоты волны при шторме водной преграды, что позволит расширить возможности опоры при эксплуатации моста.

Для повышения сейсмостойкости опор пролетных строений моста подводная часть каждой опоры может быть окружена каменной отсыпкой на всю или часть глубины воды.

Пример

Предложен способ для сооружения моста через Берингов пролив, длина которого 52 км.

Был проведен мониторинг водной преграды в месте установки опоры, при котором проведены исследования параметров воды, в том числе было определено и зарегистрировано, что максимальная глубина воды на участках возведения опор мостового перехода изменялась в течение года в пределах 20-25 м. Изучен рельеф и строение донных грунтов на водной преграде в зонах возведения опор моста.

Согласно предварительным данным по климатическим, гидрологическим, геологическим параметрам и сейсмологическим условиям района мостового перехода решен вопрос о возможности эффективной реализации проекта сооружения мостового перехода, в том числе о возможности возведения большей части опор предложенным способом. Эти данные приведены в статье Силина К.С., Косарева А.В., Фридкина В.М. “А может уникальные моcты?” юбилейного сборника “Труды кафедры “Мосты” МГУПС (МИИТ)”, Москва, Изд. МГУПС, 1998 г., с. 251, 187-194.

На основании данных мониторинга установлено, что для фундамента опоры моста нужна пустотелая оболочка, которая может быть выполнена в виде круглой (или овальной) конструкции из монолитного железобетона с диаметром 18-30 м (при диаметре 27 м ее вес 24000 кН). Предполагается разделение оболочки на 12 отсеков. Расчетная высота оболочки превышает максимально возможную высоту волны, в том числе высоту волны на водной преграде при шторме, что обеспечит возможность его безопасной эксплуатации в природно-климатических условиях акватории Берингового пролива.

Рассматривается изготовление пустотелой оболочки в сухом доке в режиме с благоприятными природными условиями с последующей транспортировкой морем в створе мостового перехода.

На основании полученных данных выполнен предварительный расчет модели в виде оболочки с закрепленными на днище ножами. Уточнены параметры оболочки и ножей для конкретного грунта. По результатам расчета получены параметры ножей, исходя из следующего условия устойчивого положения оболочки на грунте:

n≤F/(αq_c+βf_s),

где n - количество ножей;

F - расчетный вес оболочки;

q_c - лобовое сопротивление ножа;

f_s - боковое трение ножа о грунт;

α, β- коэффициенты, зависящие от вида грунта, его характеристик.

Предположительно для устойчивого положения опоры с расчетными весом пустотелой оболочки 24000 кН, диаметром 27 м и высотой 25 м необходимо 12 встроенных в днище ножей с лобовым сопротивлением 320 кН и боковым трением одного ножа о грунт, равным 150 кН, при коэффициентах α=1,2 и β=1,3 (для донного грунта в виде песков и суглинков).

При проверке режима погружения учитывались возможные для Берингового пролива природные условия. Учитывалось, что при установке оболочки высота волны может быть 0,6-0,8 м и сила ветра до 10 м/с. Были учтены другие данные мониторинга и ранее полученные на практике данные, реальные статические и динамические возмущающие воздействия на оболочку. Установлено, что режим погружения оболочки должен быть выполнен с учетом равномерной загрузки отсеков оболочки. Проверен режим погружения в случае отклонений оболочки от вертикального положения, и подобрана необходимая программа загрузки. Выявлено, что необходимым условием является контроль вертикального положения отсеков, который может быть осуществлен с дополнительной загрузкой соответствующих отсеков, с выравниванием оболочки и ее установкой в вертикальное положение.

Установлено, что использование ножей, расчетные параметры которых приведены выше, даст возможность предотвратить горизонтальное перемещение оболочки при установке, повысить надежность устойчивого положения оболочки на грунте при многолетней эксплуатации, независимо от любых внешних воздействий на оболочку.

Проверен режим выравнивания дна. Этот режим предполагается выполнять при установке путем нагнетания под днище вертикально расположенной оболочки искусственного материала, например слоев бетона, переслаивающихся с прослойками щебня. Это позволит повысить прочность возводимой опоры фундамента предполагаемого моста и увеличить ее несущую способность.

Предложено оболочку дополнительно фиксировать 6 сваями диаметром до 2000 мм и длиной 60 м, которые следует пропускать через заполненные отсеки оболочки. Согласно расчету это даст возможность дополнительно повысить надежность устойчивого положения опоры на грунте с обеспечением ее многолетней эксплуатации.

Для сооружения моста через Берингов пролив с пролетами 500-550 м вокруг подводной части каждой заполненной оболочки предложено сделать каменную отсыпку на всю или часть глубины воды. Этим может быть достигнуто повышение сейсмостойкости опор.

Технико-экономический эффект предложенного решения состоит в возможности обеспечения быстрой, надежной и минимальной по трудозатратам организации возведения опор в сложнейших условиях Арктического бассейна с повышенной надежностью устойчивого положения мостовой опоры на грунте, безопасностью и многолетней эксплуатацией.

1. Способ возведения опоры на водной преграде, включающий мониторинг водной преграды в месте установки опоры, в том числе исследование параметров воды, регистрацию уровня воды в течение года, определение рельефа дна, изучение донного грунта, воздействия внешних возмущающих факторов и на основании этого расчет веса и габаритов оболочки фундамента опоры, изготовление пустотелой оболочки с отсеками, ее транспортировку к месту установки, загрузку оболочки для погружения в воду и посадки на дно, фиксацию сваями, выравнивание дна, отличающийся тем, что при загрузке и посадке выполняют стабилизацию вертикального положения оболочки путем контроля текущего вертикального положения каждого из отсеков и в случае отклонений от вертикали дополнительно заполняют соответствующие отсеки до восстановления вертикального положения оболочки, выравнивание дна выполняют путем нагнетания под днище вертикально расположенной оболочки искусственных материалов, при посадке оболочку фиксируют встроенными в ее днище ножами, количество ножей, их лобовое сопротивление и боковое трение о грунт определяют, исходя из следующего условия устойчивого положения оболочки на грунте:

n ≤ F/(αq_c+βf_s),

где n - количество ножей;

F - расчетный вес оболочки;

q_c - лобовое сопротивление ножа;

f_s - боковое трение ножа о грунт;

α, β - коэффициенты, зависящие от вида грунта,

при этом сваи пропускают через отсеки заполненной оболочки, а верхнюю грань погруженной оболочки располагают выше максимально возможной высоты волны на водной преграде.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при выравнивании дна в качестве искусственного материала используют слои бетона, переслаивающегося с прослойками щебня.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вокруг подводной части погруженной оболочки сооружают каменную отсыпку.