Способ управления движением фундамента реактивными двигателями

Изобретение относится к области строительства промышленных и гражданских сооружений на просадочных грунтах с неравномерной осадкой и в районах развития карста. Технический результат - управление движением фундамента реактивными двигателями, управление пространственным положением всего сооружения, полное восстановление проектного положения фундамента, каркаса сооружения, предотвращение возникновения крена и осадки. Способ управления движением фундамента реактивными двигателями, включающий в себя выполнение в теле фундамента сквозных сопел, заполнение их рабочим телом и присоединение к каждому из фланцев сопел грунтонасосов. Оснащают ветви внецентренно сжатой колонны опорным тавром, соединенным с фундаментом при помощи анкерных болтов, которые имеют крепежные гайки сверху и опорные рихтовочные гайки под опорным тавром. Устраивают сопла, раструбы которых выведены в подошву и в боковые грани фундамента. Соединяют с каждым из фланцев сопел грунтонасосы, оснащенные гидродомкратами двойного импульсного действия. Включают гидродомкраты грунтонасосов, закачивают, впрессовывают рабочее тело в сопла упомянутыми двигателями и струей рабочего тела, вытекающего из сопел, создают реактивную тягу. Экструдируют рабочее тело из сопел вниз под фундамент и реактивной тягой управляют движением фундамента двигателями. Сообщают фундаменту движение вверх, выдавливают и выдергивают фундамент из грунтового основания до проектной отметки. Интрудируют, внедряют рабочее тело в ослабленные зоны грунтового основания под фундамент и упрочняют грунтовое основание в ослабленных зонах. Экструдируют рабочее тело из сопел назад и сообщают фундаменту движение вперед. Экструдируют рабочее тело из сопел вперед и сообщают фундаменту соответственно движение назад. Экструдируют рабочее тело вправо и сообщают фундаменту соответственно движение влево. Экструдируют рабочее тело влево и сообщают фундаменту движение вправо. Восстанавливают проектное положение фундамента, прекращают управление реактивным движением фундамента, выключая двигатели, и этим заклинивают рабочее тело в соплах и стопорят фундамент в проектном положении. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к строительству промышленных и гражданских зданий на просадочных грунтах с неравномерной осадкой и в районах развития карста и особенно при возведении сооружений повышенной надежности, например на атомных электростанциях [2].

Неравномерная сжимаемость слоев и провалы грунтового основания под фундаментом вызывают направленное движение его вниз, сопровождаемое осадкой и креном. В неразрезном каркасе сооружения и в его узлах возникают опасные напряжения, приводящие к появлению трещин в его несущих конструкциях и полному выходу их из строя, вплоть до разрушения [1, с.361].

Известен способ восстановления проектного положения фундамента после неравномерной осадки и устройство [3], являющееся макрорегулятором внецентренно сжатой колонны. Устройство включает в себя установку домкратной балки, закрепленной на ветвях колонны, устройство в теле фундамента реактивных движителей - сквозных сопел с расширяющимися раструбами к основанию фундамента, установку гидродомкратов импульсного действия. Сопла заполнены сыпучим рабочим телом. Гидродомкраты вдавливают рабочее тело под фундамент на ход поршня, затем возвращаются в исходное положение и циклами повторяют до полного восстановления первоначального проектного положения фундамента, создавая в нем избыточное внутреннее давление, образуют тем самым реактивную тягу и упрочняют основание под фундаментом.

Движитель - это устройство для преобразования работы двигателя (в нашем случае гидродомкрата импульсного действия) или источника энергии в работу по перемещению машины (объекта, в нашем случае фундамента). Движитель для перемещения по суше - колеса, гусеницы и др., по воде - винты, водометы и др., по воздуху (в грунте) - винты, реактивные сопла и др. [4, с.332].

Сопла [4, с.1128] расширяются раструбами к выходу из фундамента. Сопла полностью заполнены рабочим телом из сыпучего заполнителя, например шлака, щебня, боя кирпича, взаимодействующим с грунтовым основанием под фундаментом. Рабочее тело [4, с.985] - это газообразное, жидкое вещество (в нашем случае сыпучий заполнитель), с помощью которого какая-либо энергия преобразуется в механическую работу.

Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату является способ управления креном и осадкой, реализованный устройством [6], которое включает в себя выполнение в теле фундамента сквозных сопел, раструбы которых направлены в его подошву, присоединение к каждому из фланцев сопел грунтонасосов, импульсами впрессовывающих рабочее тело в сопла и под фундамент.

Производительность вышеприведенного способа управления отметкой фундамента должна быть повышена.

Задача изобретения - управление движением фундамента реактивными двигателями, создающими реактивную тягу, управление пространственным положением всего сооружения и полным восстановлением проектного положение фундамента, каркаса сооружения и предотвращением возникновения крена и осадки.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе управления движением каркаса сооружения, включающем в себя выполнение в теле фундамента сквозных сопел и присоединение к каждому из фланцев сопел грунтонасосов, согласно изобретению оснащают ветви внецентренно сжатой колонны опорным тавром, соединенным с фундаментом при помощи анкерных болтов, которые имеют крепежные гайки сверху и опорные рихтовочные гайки под опорным тавром, и устройство сопел, раструбы которых выведены в подошву и в боковые грани фундамента.

Соединяют с каждым из фланцев сопел грунтонасосы, оснащенные гидродомкратами двойного импульсного действия. Включают гидродомкраты грунтонасосов. Закачивают, впрессовывают рабочее тело в сопла упомянутыми двигателями и струей рабочего тела, вытекающего из сопел, создают реактивную тягу.

Экструдируют рабочее тело из сопел вниз под фундамент и реактивной тягой управляют движением фундамента двигателями, сообщают фундаменту движение вверх, выдавливают и выдергивают фундамент из грунтового основания до проектной отметки.

Интрудируют, внедряют рабочее тело в ослабленные зоны грунтового основания под фундамент и упрочняют грунтовое основание в ослабленных зонах.

Экструдируют рабочее тело из сопел назад и сообщают фундаменту движение вперед. Экструдируют рабочее тело из сопел вперед и сообщают фундаменту соответственно движение назад. Экструдируют рабочее тело вправо и сообщают фундаменту соответственно движение влево. Экструдируют рабочее тело влево и сообщают фундаменту движение вправо.

Восстанавливают проектное положение фундамента, прекращают управление реактивным движением фундамента, выключая двигатели, и этим заклинивают рабочее тело в соплах и стопорят фундамент в проектном положении.

В качестве рабочего тела применяют, например, шлак, требующий утилизации. Грунтонасосы [6] закачивают рабочее тело в сопла и приводятся в возвратно-поступательное импульсное действие гидродомкратами.

Рабочее тело равномерно распределяет внутреннее давление в зоне взаимодействия его с пограничным слоем грунтового основания.

Грунтонасосы выдавливают рабочее тело и создают реактивную тягу, направленную вверх, экструдируют, внедряют его в ослабленных зонах в грунтовое основание, а при передаче реактивного отпора от грунтового основания снизу вверх рабочее тело заклинивается в сопле. Заклинивание объясняется наличием у сыпучего рабочего тела угла внутреннего трения ϕ [7, с.856, табл.19.2].

Каждая из ветвей внецентренно сжатой колонны снабжена опорным тавром, взаимодействующим с фундаментом. Ветви колонны соединены анкерными болтами с фундаментом, а друг с другом соединены домкратной балкой.

Рабочее тело, например шлак, песок, щебень, пластифицировано глинистой пульпой.

Для повышения эффективности управления креном и осадкой фундамента и всего сооружения устанавливают несколько грунтонасосов.

Струя рабочего тела вытекает под давлением из сопла вниз и с боков по контуру, а в обратном направлении рабочее тело заклинивается из-за конусности сопла и угла внутреннего трения ϕ. Рабочее тело создает реактивную тягу и сообщает фундаменту, а затем и внецентренно сжатой колонне направленное движение.

На фиг.1 показан план фундамента. На фиг.2 и 3 показаны характерные разрезы фундамента с реактивной тягой, являющегося макрорегулятором и соединенного анкерными болтами внецентренно сжатой колонны.

В фундаменте 1 имеются движители - сопла 2, расширяющиеся к его подошве. Рабочим телом 3 является шлак, щебень, песок, бой кирпича и тому подобное. Поток рабочего тела 3 направленно вытекает под давлением из сопла и создает реактивную тягу в противоположном направлении. В рабочее тело добавлен пластификатор для увеличения его текучести. В качестве пластификатора применена обычная глинистая пульпа. Реактивное сопло 2, рабочее тело 3 в нем и грунтонасос 4 образуют реактивный двигатель. Гидродомкраты грунтонасосов приводят реактивные двигатели в пульсирующее действие.

В процессе работы грунтонасоса создается интрузив из сыпучего рабочего тела 5 в грунтовом основании 6 под фундаментом. Объем рабочего тела увеличивается его добавлением. Фундамент опирается на грунтовое основание непосредственно сам и через рабочее тело в соплах.

При устранении крена сооружения реактивные двигатели включают со стороны максимальных осадок фундамента, то есть они действуют с эксцентриситетом и создают контрмомент.

Фундамент соединяется с колонной 7 при помощи опорного тавра 8. Опорные тавры колонны соединяются с фундаментом при помощи анкерных болтов 9, которые имеют крепежные гайки 10 сверху и опорные рихтовочные гайки 11 под опорным тавром.

Для предотвращения возникновения крена и осадки сооружения этапами производят стабилизацию и упрочнение грунтового основания под фундаментами, с реактивной тягой, в процессе возведения сооружения. Эффективность стабилизации нарастает по мере увеличения массы сооружения.

1 этап

Первую стабилизацию выполняют после возведения фундаментов. Она необходима также для осуществления точного безвыверочного монтажа каркаса сооружения. То есть первая стабилизация обеспечивает точное перемещение всех фундаментов в проектное положение.

Последовательность работ следующая:

- производят геодезическую разбивку здания и откапывают котлованы под фундаменты;

- в соответствии с геодезической разбивкой в проектных точках монтируют пневматическую опалубку из мягкого воздухонепроницаемого материала [5, с.327], имеющую форму сопел, и напрягают ее избыточным давлением газа или жидкости;

- смазывают ее внешнюю поверхность составом, предотвращающим сцепление с бетоном;

- по шаблону устанавливают анкерные болты ветвей и пространственный арматурный каркас фундамента и фиксируют его относительно пневматической опалубки;

- устанавливают внешнюю опалубку фундамента, например стальную, фиксируют ее по отношению к арматурному пространственному каркасу фундамента и бетонируют его;

- заполняют опалубку бетоном необходимой марки до отметки ниже проектной на 100...150 мм, подавая его бетононасосам по принципу "снизу вверх", исключая образование пустот, одновременно производят уплотнение бетона глубинными вибраторами;

- после схватывания бетона демонтируют пневматическую и стальную опалубки и заполняют сопла сыпучим рабочим телом, оставляя место для поршней в них;

- для увеличения текучести в рабочее тело добавляют какой-либо пластификатор, например глинистую пульпу, а пазухи вокруг фундамента заполняют грунтом;

- навертывают на анкерные болты нижние рихтующие гайки и шайбы, контролируя их высотную отметку, например, лазерным нивелиром, и бетонируют фундамент до проектной отметки;

- до схватывания бетона безвыверочно монтируют внецентренно сжатую колонну до упора тавров в рихтующие гайки;

- одновременно выдавливают лишний бетон;

- закрепляют упомянутую колонну крепежными гайками и монтируют каркас сооружения целиком;

- включают пульсирующую насосную станцию, приводят в действие гидродомкраты грунтонасосов и впрессовывают, интрудируют импульсами рабочее тело в движители - сопла и в грунтовое основание, и уплотняют, упрочняют этим ослабленные зоны пограничного слоя грунтового основания и создают интрузив из сыпучего рабочего тела в грунтовом основании под фундаментом;

- циклы повторяют, увеличивают диаметр интрузива из сыпучего рабочего тела до тех пор, пока свойства грунта под подошвой фундамента не стабилизируются до проектной величины давления, создаваемого реактивными двигателями;

- стабилизируют прочность и деформативность грунтового основания до проектной величины внутрипластового давления грунтового основания под фундаментом;

- циклы повторяют, одновременно выдергивают и выдавливают фундамент вверх реактивной силой вместе с закрепленной на нем внецентренно сжатой колонной на величину Δ расчетной осадки фундамента с течением времени;

- записывают величину давления, создаваемого внутри рабочего тела, и в дальнейшем на других фундаментах создают такое же внутрипластовое давление, обеспечивая этим стабилизацию деформативности и прочности слабых зон грунтового основания на одну и ту же величину.

Следует отметить, что выдавливание фундамента из грунта производят точно до проектной отметки.

В случае возникновения крена фундамента в плоскости y-z (ось z ориентирована вертикально), например, осадка правой стороны фундамента больше, чем левой, то циклы повторяют двигателями, справа от центра фундамента, до тех пор, пока крен не ликвидируют.

Аналогичным образом поступают при возникновении крена в плоскости x-z. Производят стабилизацию грунтового основания под всеми фундаментами сооружения, создавая расчетное внутрипластовое давление, контролируемое манометром. Стабилизацию грунтового основания производят, контролируя фактическое положение фундаментов, используя лазерные или обычные нивелиры.

Таким образом, реактивные двигатели нового фундамента обеспечили управление движением фундамента, и предотвратили, и исключили возникновение крена и осадки сооружения, а фундаменты выполнили функции макрорегуляторов. Обеспечено управление пространственным положением и напряженным состоянием всего сооружения.

После стабилизации грунтового основания все фундаменты возвращены в проектное положение, деформативность грунтового основания под ними уменьшена до минимума, несущая способность грунта значительно повышена, а величина прогнозируемой со временем осадки значительно уменьшена.

2 этап

Безвыверочным способом полностью монтируют каркас здания и после окончания строительства сооружения повышенной надежности, например атомной электростанции, производят повторную стабилизацию грунтового основания.

В этом случае внутрипластовое давление в грунтовом основании под подошвой фундамента уже достигло своего нормативного значения и распространилось на большую глубину и поэтому, несмотря на то, что первоначальная стабилизация грунта уже производилась, осадка здания, хоть и в меньшей степени, может произойти.

Для предотвращения осадки и крена сооружения используют фундамент, производят повторную стабилизацию грунтового основания описанным выше способом (1 этап).

3 этап

Эксплуатируют здание, регулярно производят нивелирование фундаментов, например один раз за полгода эксплуатации. В случае обнаружения осадки производят индивидуальную стабилизацию грунтового основания именно у этих осевших фундаментов.

Одновременно со стабилизацией грунтового основания производят ликвидацию осадки и крена описанным выше способом.

Таким образом, разработанный способ управляет реактивным движением фундамента в трех измерениях и предотвращает возникновение крена и осадки сооружения. Новые фундаменты-макрорегуляторы позволяют сооружать здания на любых грунтах и предотвращать их крен и осадку, регулировать внутрипластовое давление в грунтовом основании, а также деформации и напряжения каркаса сооружения, добиваясь его оптимального напряженного состояния.

Оптимальное же напряженное состояние каркаса приводит к значительному повышению надежности и снижению его материалоемкости.

Разработанный способ характеризуют следующими особенностями:

- фундамент снабжен реактивными двигателями и работает как макрорегулятор;

- фундамент снабжен сквозными соплами, раструбы которых выведены не только в подошву фундамента, но и в боковые грани;

- вышеуказанное расположение раструбов сопел позволяет регулировать положение конструкции фундамента в пространстве;

- каждое сопло, заполненное рабочим телом, вместе с грунтонасосом образует реактивный двигатель;

- реактивный двигатель экструдирует, выдавливает рабочее тело и интрудирует, внедряет его в грунтовое основание в ослабленных зонах и этим уплотняет и упрочняет грунтовое основание в пограничном слое;

- рабочее тело экструдируют, выдавливают вниз под фундамент и интрудируют, внедряют в слабые зоны основания, но оно заклинивается в сопле при обратном его движении вверх ввиду наличия угла внутреннего трения и конусности сопла;

- рабочее тело обеспечивает компенсацию недостающего объема грунта под фундаментом;

- после упрочнения грунтового основания под фундаментом в контактном пограничном слое реактивные силы импульсами поддомкрачивают, выдавливают фундамент вверх из грунта вместе с колонной;

- рабочее тело внедряют в грунтовое основание, что приводит к быстрому увеличению его прочности и чем обеспечена высокая производительность управления движением фундамента и сооружения;

- фундамент предотвращает и устраняет неравномерную осадку и крен сооружения и этим предотвращает появление в здании опасных трещин и разрушений;

- обеспечена полная стабилизация деформативности и прочности грунтового основания и выравнивание внутрипластового давления под фундаментом;

- фундамент позволяет заранее предотвратить ожидаемую осадку и крен в процессе возведения сооружения; стабилизация грунтового основания и выравнивание внутрипластового давления может быть выполнена несколько раз, по мере увеличения массы сооружения;

- в случае же если стабилизация деформативных и прочностных свойств грунтового основания в процессе возведения сооружения не выполнена, то произошедшую неравномерную осадку и крен сооружения ликвидируют в процессе его эксплуатации и полностью восстанавливают его проектное положение, а следовательно, устраняют напряжения, вызванные неравномерной осадкой каркаса здания;

- каждая из ветвей внецентренно сжатой колонны снабжена опорным тавром, взаимодействующим и соединенным анкерными болтами с фундаментом;

- анкерные болты снабжены рихтовочными гайками и позволяют выполнять безвыверочный монтаж колонны;

- масса бетона фундамента значительно уменьшена, так как он имеет полости.

Экономический эффект от разработанного фундамента возник из-за следующего:

- управления движением фундаментов реактивными двигателями и ликвидации крена и осадки сооружения;

- регулирования внутрипластового давления в грунтовом основании, увеличения его прочности и уменьшения деформативности из-за впрессовывания рабочего тела в грунтовое основание в ослабленных зонах;

- увеличения площади подошвы фундамента посредством увеличения диаметра и объема интрузивов из рабочего тела под ним;

- вовлечения фундамента в эффективную работу и быстрого повышения его несущей способности;

- исключения вредного влияния неравномерной осадки фундаментов на несущие конструкции каркаса сооружения и этим значительного повышения надежности и снижения материалоемкости каркаса;

- упрощения эксплуатации сооружения, так как проектное положение фундаментов легко восстанавливают.

Список литературы

1. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии.

2. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции. Часть 2. Конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений. Учебник для вузов. Высшая школа. М., 1989 г.

3. Нежданов К.К., Туманов В.А. и др. Фундамент для внецентренно сжатой колонны. Патент России №2225480. Е02D 27/00, 27/50, Бюл. №28. 10.10.2003.

4. БЭС. Большой энциклопедический словарь. Гл. ред. А.М.Прохоров. Изд. 2-е. М., БРЭ, 1998, с.1456.

5. Серенсен С.В. и др. Машины для испытания на усталость. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Москва, 1957 г., с. 368.

6. Нежданов К.К. и др., Грунтонасос. Патент России №2228408, С2. Е02D 35/00, F04В 15/02, Бюл. №13. 10.05.2004.

7. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. Редактор А.А.Уманский, М., Стройиздат, 1960, с.1040.

Способ управления движением фундамента реактивными двигателями, включающий в себя выполнение в теле фундамента сквозных сопел, заполнение их рабочим телом и присоединение к каждому из фланцев сопел грунтонасосов, отличающийся тем, что оснащают ветви внецентренно сжатой колонны опорным тавром, соединенным с фундаментом при помощи анкерных болтов, которые имеют крепежные гайки сверху и опорные рихтовочные гайки под опорным тавром, устраивают сопла, раструбы которых выведены в подошву и в боковые грани фундамента, соединяют с каждым из фланцев сопел грунтонасосы, оснащенные гидродомкратами двойного импульсного действия, включают гидродомкраты грунтонасосов, закачивают, впрессовывают рабочее тело в сопла упомянутыми двигателями и струей рабочего тела, вытекающего из сопел, создают реактивную тягу, экструдируют рабочее тело из сопел вниз под фундамент и реактивной тягой управляют движением фундамента двигателями, сообщают фундаменту движение вверх, выдавливают и выдергивают фундамент из грунтового основания до проектной отметки, интрудируют, внедряют рабочее тело в ослабленные зоны грунтового основания под фундамент и упрочняют грунтовое основание в ослабленных зонах, экструдируют рабочее тело из сопел назад и сообщают фундаменту движение вперед, экструдируют рабочее тело из сопел вперед и сообщают фундаменту соответственно движение назад, экструдируют рабочее тело вправо и сообщают фундаменту соответственно движение влево, экструдируют рабочее тело влево и сообщают фундаменту движение вправо, восстанавливают проектное положение фундамента, прекращают управление реактивным движением фундамента, выключая двигатели, и этим заклинивают рабочее тело в соплах и стопорят фундамент в проектном положении.