Способ и устройство для крепления стальных трубных свай в стационарных гидротехнических сооружениях с использованием эластомера
METHOD AND DEVICE FOR ATTACHMENT OF STEEL PIPE PILES IN STATIONARY HYDRAULIC STRUCTURES USING ELASTOMER

Настоящее изобретение относится к строительству морских стационарных гидротехнических сооружений, а именно к технологии крепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных сооружений (платформ).
Из существующего уровня техники известен способ крепления трубных стальных свай в направляющих гильзах опорного основания путем гидроразжима участка/участков сваи во внутренние круговые проточки прямоугольной формы в направляющей гильзе под действием давления воды, подаваемой вовнутрь изолированного участка сваи (патент US 4501514 от 26.02.1985). Изоляция (герметизация) выбранного участка, обеспечение подачи воды и создание необходимого давления осуществляется с помощью спускаемого вовнутрь сваи устройства, на концах которого установлены надувные гибкие уплотняющие элементы (см. фиг. 1).
Основные недостатки данного способа:
- применение внутренних круговых проточек прямоугольной формы, что даже при скругленных углах не обеспечивают полное заполнение полости проточки металлом разжатой стенки сваи (см. фиг. 2);
наличие скругленных углов не предотвращают возникновение зон концентрации напряжений в теле контактирующей разжатой стенки сваи;
предлагаемое устройство для гидроразжима сложно в изготовлении, а также пригодно только для одного конкретного размера сваи и направляющей гильзы;
- кроме того, смена надувных гибких уплотняющих элементов в полевых условиях трудоемка, что в итоге значительно удорожает весь процесс крепления свай в опорном основании морских стационарных сооружений (платформ).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ крепления трубных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, при котором разжим верхнего участка забитой в дно моря сваи в направляющей гильзе осуществляется при помощи спускаемого во внутрь сваи устройства, оснащенного гидравлическими домкратами. При создании давления в гидросистеме домкратов штоки, движущиеся одновременно в радиальном направлении по отношению к оси сваи, через накладки разжимают стенки сваи во внутреннюю круговую проточку направляющей гильзы (патент RU2689471C1 опубл. 28.05.2019 г.).
Недостатками данного технического решения являются:
- применение стальных накладок даже с закругленными краями не исключают возникновение зон концентрации напряжений в теле сваи в зоне контакта с накладкой (см. фиг. 3);
- значительные силы трения, возникающие в зоне контакта «накладка штока домкрата - внутренняя поверхность разжимаемой сваи» вызывают необходимость дополнительно увеличивать давление разжима на преодоление сил трения;
- при применении гидравлических домкратов не достигается за один процесс 100% разжим сваи по внутреннему диаметру круговой проточки направляющей гильзы (см. фиг. 4);
- применение внутренних круговых проточек прямоугольной формы не обеспечивают полное заполнение полости проточки металлом разжатой стенки сваи (см. фиг. 2);
- наличие скругленных углов не предотвращает возникновение зон концентрации напряжений в теле контактирующей разжатой стенки сваи.
Задачей заявленного изобретения является создание способа крепления трубных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, включая устройство, позволяющего устранить вышеуказанные недостатки.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности крепления свай в направляющих гильзах опорного основания за счет применения направляющих гильз с оптимальными по форме и количеству внутренних круговых проточек, а также простого по конструкции и изготовлению устройства, оснащенного гидравлическими домкратами, обеспечивающими разжим сваи с использованием эластомеров, а также сокращение трудозатрат и удешевление работ.
Технический результат достигается за счет того, что
1. Способ крепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, при котором устанавливают опорное основание морского сооружения на морское дно, забивают трубные стальные сваи через направляющие трубные стальные гильзы опорного основания в дно моря, отличающийся тем, что внутренние круговые проточки в направляющих гильзах, ввариваемых в опорное основание морских стационарных платформ, выполнены торообразной усеченной формы (см. фиг. 5), размеры и количество которых выбирается в зависимости от выбранных параметров сваи, применяемого способа разжима и допустимой максимальной грузоподъемности соединения «свая - направляющая гильза»;
2. Способ по п. 1 с применением устройства для разжима свай, оборудованного гидравлическими домкратами, отличающийся тем, что внутренняя проточка в направляющих трубных стальных гильзах выполняются не по всей окружности, а равномерно в местах в соответствии с расположением и количеством гидравлических домкратов на устройстве для разжима сваи в направляющей гильзе (см., например, фиг. 6);
пр
н
х
х
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что длина хорды каждой проточки (L) равна длине хорды накладки штока (l) гидравлического домкрата устройства, увеличенной на (1,25…1,43), т. е.
пр
н
х
х
L = (1,25…1,43) * l.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что количество внутренних проточек в направляющей гильзе должно быть, как минимум, удвоено из расчета, что сумма длин дуг всех внутренних проточек по предложенному способу не должна быть меньше расчетной суммарной длины окружностей внутренних круговых проточек для данного типа-размера соединения «свая - направляющая гильза».
5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что внутренние проточки последующего ряда по высоте должны быть расположены в шахматном порядке.
6. Устройство для крепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, оснащенное гидравлическими домкратами, штока которых перемещаются в радиальном направлении по отношению к оси сваи, при этом на штоках расположены накладки, отличающееся тем, что поверхности накладок, выполнены идентично внутренней поверхности сваи (в поперечном и продольном направлениях), разжатой во внутреннюю круговую проточку направляющей гильзы;
7. Способ по п. 6, Устройство для крепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, оснащенное гидравлическими домкратами, штока которых перемещаются в радиальном направлении по отношению к оси сваи, при этом на штоках расположены накладки, отличающееся тем, что на накладках штоков домкратов прочно закреплены (например, наклеены, или закреплены методом напыления) пластины эластомера (полиуретана) (см. фиг. 7), обеспечивающие, благодаря свойствам эластомера, изменение под нагрузкой формы поверхности в соответствии с изменяемой формой внутренней поверхности разжимаемой сваи, равномерное распределение нагрузки по поверхности стенки, находящейся в контакте с накладками штоков гидравлических домкратов, а также снижение коэффициента трения, что в итоге сказывается на целостности разжимаемого металла и возможности образования зон концентрации напряжений.
8. Устройство для крепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, оснащенное гидравлическими домкратами, штоки которых перемещаются в радиальном направлении по отношению к оси сваи, отличающееся тем, что устройство оборудовано телескопическими гидравлическими домкратами, внутренние штока которых оснащены эластомером (полиуретаном), участвующим в качестве пуансона в процессе разжима стенки сваи (см. фиг. 8). В этом случае процесс крепления сваи в направляющей гильзе осуществляется следующим образом. После спуска устройства для разжима сваи на глубину, при которой штока (21, 22 и 23) телескопических гидравлических домкратов (24) располагаются посередине внутренних проточек (14) (см фиг. 8, п. А) в направляющей гильзе (2), создается давление в гидросистеме телескопических гидравлических домкратов, под действием которого штока (21, 22 и 23) выдвигаются в радиальном направлении и, достигая внутреннюю поверхность сваи (1), центрируют устройство для разжима (см. фиг. 8, п. В), а в дальнейшем разжимают сваю (1). При достижении сваей внутренней стенки направляющей гильзы (2) в месте расположения наружного стального штока (22) движение штока (22) прекращается в связи с дополнительным ростом сопротивления со стороны направляющей гильзы (2). В дальнейшем наружный стальной шток (22) выполняет роль направляющего цилиндра для движения эластомера (21) внутреннего штока (23). Процесс разжима стенки сваи (1) во внутреннюю проточку (14) направляющей гильзы (2) продолжается до тех пор, пока наружная поверхность сваи (1) не достигнет внутренней поверхности проточки (14) направляющей гильзы (2). При соприкосновении стенки сваи с поверхностью внутренней проточки сопротивление движению внутреннего штока возрастает, давление в гидросистеме резко повышается, что является сигналом о прекращении разжима стенки сваи. При разжиме наружная поверхность эластомера (21) изменяется в соответствии с изменением внутренней поверхности стенки сваи (1) при разжиме, тем самым снижается сила трения контактирующих поверхностей, вероятность повреждения внутренней поверхности разжимаемой сваи (1) и образования зон концентрации напряжений в теле разжимаемой сваи (1). После сброса давления в гидросистеме телескопических гидравлических домкратов (24) штока (21, 22 и 23) возвращаются в транспортное положение под действием возвратной пружины, или гидравлического давления в случае применения домкратов двойного действия.
Сущность предлагаемого способа и устройства поясняются чертежами:
Фиг. 1 - Гидроразжим сваи в направляющей гильзе;
Фиг. 2 - Продольный разрез соединения «свая - направляющая гильза»;
Фиг. 3 - Моделирование процесса разжима стенки сваи устройством, оснащенным гидравлическими домкратами;
Фиг. 4 - Поперечный разрез соединения «свая - направляющая гильза», созданное при разжиме с использованием гидравлических домкратов;
Фиг. 5 - Направляющая гильза с внутренней круговой проточкой торообразной усеченной формы;
Фиг. 6 - Поперечное сечение направляющей трубной стальной гильзы с местным расположением внутренних проточек;
Фиг. 7 - Устройство для разжима свай, оснащенное гидравлическими домкратами, на накладках штоков которых закреплены пластины эластомера (полиуретана);
Фиг. 8 - Процесс разжима сваи устройством, оборудованное телескопическими домкратами, оснащенных эластомером (полиуретаном),
где:
1 - трубная стальная свая;
2 - трубная стальная направляющая гильза;
3 - внутренняя круговая проточка прямоугольной формы;
4 - устройство для гидроразжима сваи;
5, 7 - надувной гибкий уплотнительный элемент;
6 - проточки с внешней стороны устройства;
8 - канал для подачи жидкости к надувным уплотнительным элементам;
9 - канал для подвода жидкости в изолированный участок;
11 - изолированный участок затрубного пространства между корпусом устройства и внутренней поверхностью сваи;
12 - зона концентрации напряжений в теле разжатой сваи;
13 - вентиляционные каналы диаметром 12 мм;
14 - внутренняя круговая проточка торообразной усеченной формы;
15 - внутренняя местная проточка;
16 - пластина эластомера (полиуретан);
17 - накладка штока гидравлического домкрата;
18 - гидравлический домкрат;
19 - четырехгранная призма;
20 - толстенная труба устройства для разжима свай;
21 - эластомер (пуансон) внутреннего штока телескопического гидравлического домкрата;
22 - наружный стальной шток телескопического гидравлического домкрата;
23 - внутренний стальной шток гидравлического телескопического домкрата;
24 - телескопический гидравлический домкрат;
Способ крепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных сооружений (платформ) путем разжима участка свай с помощью эластомера включает следующие операции (см. фиг. 7):
1. После установки морской стационарной платформы на дно моря и забивки трубных стальных свай (1) в дно моря через трубные стальные направляющие гильзы (2) во внутрь сваи спускается устройство, оснащенное гидравлическими домкратами, на такую глубину, чтобы накладки (17) штоков гидравлических домкратов (18) с закрепленными на них эластомерными пластинами (16) располагались посередине внутренних круговых проточек (14) в направляющей гильзе (2). При создании давления в гидравлической системе домкратов (18) штока через накладки (17) и эластомерные пластины (16) давят на внутреннюю поверхность сваи (1) и разжимают стенки ее во внутреннюю круговую проточку (14) направляющей гильзы (2) (см. фиг. 7 п. В). Процесс разжима стенки сваи (1) во внутреннюю проточку (14) направляющей гильзы (2) продолжается до тех пор, пока наружная поверхность сваи (1) не достигнет внутренней поверхности проточки (14) направляющей гильзы (2) (см. фиг. 7 п. В). При этом эластомерные пластины (16) (см. фиг. 7 п. В) под действием нагрузок изменяют форму своей поверхности, контактирующей с внутренней поверхностью стенки сваи, в зависимости от формы изменяющейся поверхности разжимаемой стенки сваи. Процесс разжима сваи закончен. После сбрасывания давления в гидросистеме домкратов штока вместе с накладками (14) возвращаются в транспортное положение. Устройство поднимается из сваи (1). Процесс крепления свай (1) в направляющих гильзах (2) опорного основания закончен.
Устройство для разжима свай, оснащенное гидравлическими домкратами, может иметь:
- телескопические гидравлические домкраты, оснащенные эластомером (полиуретаном) (см. фиг. 8).
Направляющая гильза может иметь:
- внутреннюю круговую проточку торообразной усеченной формы (см. фиг. 5);
- внутренние проточки в направляющей трубной стальной гильзе (2) выполняемые не по всей окружности, а равномерно в местах в соответствии с расположением и количеством гидравлических домкратов (18) на устройстве для разжима сваи (см. фиг. 6);
пр
н
х
х
- длина хорды каждой проточки (L) равна длине хорды накладки штока (l) гидравлического домкрата устройства, увеличенной на (1,25…1,43), т. е.
пр
н
х
х
L = (1,25…1,43) * l.
- количество внутренних проточек в направляющей гильзе должно быть, как минимум, удвоено из расчета, что сумма длин дуг всех внутренних проточек по предложенному способу не должна быть меньше расчетной суммарной длины окружностей внутренних круговых проточек для данного типа-размера соединения «свая – направляющая гильза»;
- внутренние проточки последующего ряда по высоте должны быть расположены в шахматном порядке.