Конструкция крепления свайной трубной опоры
PILING PIPE SUPPORT FIXING STRUCTURE

Изобретение относится к строительству искусственных сооружений, например, морских платформ, а именно к конструкции крепления свайной трубной опоры в предварительно изготовленном основании морской стационарной платформы и может быть использовано как при строительстве новых сооружений, так и при ремонте или реконструкции действующих объектов.
Такие конструкции, как отдельно стоящие платформы для добычи нефти и газа, прикрепляются к морскому дну путем вставки трубчатой сваи в гильзы узла крепления, закрепленные в основании морской платформы, установленном на морском дне.
Для закрепления трубчатой сваи в гильзе используют способ гидроразжима.
В патенте США (US 4501514 от 26.02.1985) описан такой способ крепления конструкции к морскому дну. Он включает размещение основания морской платформы на морском дне и вставку трубчатой сваи в морское дно так, чтобы трубчатая свая и направляющая гильза, являющаяся частью основания морской платформы образовывали пару вложенных элементов, из которых трубчатая свая является  внутренним элементом, а гильза является внешним элементом. После чего вводят внутрь трубчатой сваи оправку, несущую на своей внешней поверхности надувные средства, снабженные усилением для предотвращения их осевого деформирования, получая замкнутую камеру. Вводят жидкость внутрь трубчатой сваи для расширения образовавшейся камеры в радиальном направлении и тем самым пластически деформируют трубчатую сваю в радиальном направлении, что заставляет ее взаимодействовать с гильзой, чтобы образовать механическое соединение между ними.
Основной недостаток данного способа связан с устройством для гидроразжима, которое 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).
Указанные недостатки решены в патенте РФ № 2689471 (приор. 01.08.2018, опубл. 28.05.2019) «Способ крепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных гидротехнических сооружений (платформ), а также устройство для его осуществления».
В патенте, выбранном в качестве прототипа, предлагается способ крепления трубных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, например, морской платформы, при котором устанавливают опорное основание платформы на морское дно и забивают трубные сваи через направляющие гильзы опорного основания в дно моря. Затем спускают внутрь сваи устройство, оснащенное гидравлическими домкратами, на такую глубину, чтобы накладки штоков гидравлических домкратов располагались посередине внутренней круговой проточки в направляющей гильзе. Создают давление в гидросистеме домкратов. В результате чего штоки через накладки давят на внутреннюю поверхность сваи до достижения давлением величины, при которой напряжение в теле трубной сваи достигает предела текучести материала сваи. Таким образом осуществляют деформацию тела сваи во внутреннюю круговую проточку направляющей гильзы. По окончании процесса деформации давление в гидросистеме домкратов сбрасывают, штоки вместе с накладками возвращаются в исходное положение, осуществляют подъем устройства.
Недостатком прототипа является необходимость использования трубных свай с большой толщиной стенок, около 100 мм, так как трубы с меньшей толщиной стенок в результате гидроразжима могут получить деформации, которые при последующем воздействии на них внешних сил, связанных с переменными поперечными и продольными нагрузками, вызванными перемещением морской платформы из-за морских течений, волнения моря, приливов и отливов, сейсмических нагрузок и пр. могут вызвать разрушение труб.
Кроме того, для возможности деформации тела металлических труб с целью применения способа гидроразжима трубы с большой толщиной стенок необходимо изготавливать из специальных сталей с добавками, обеспечивающими заданный предел текучести металла сваи и исключающий возникновения внутренних дефектов (трещин, расслоений) в тела разжимаемой сваи.
Необходимо учитывать, что от толщины стенки трубной сваи зависит ее вес, а для доставки к месту строительства и установки трубы с большим весом требуются специальные суда. Также требуются специальные крановые судна для процесса погружения свай в гильзы опорного основания.
Все вышеперечисленное приводит к значительным временным затратам, обусловленным сложностью работы с тяжелыми конструкциями, а также высокой стоимости производства работ ввиду привлечения к строительству специализированной и уникальной техники.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является сокращение времени производства и уменьшение стоимости работ по установке и закреплении свай в гильзы узла крепления.
Техническим результатом является уменьшение веса свайной трубной опоры за счет использования свайных труб с уменьшенной толщиной стенки.
Задача решается, а технический результат достигается, тем, что конструкция крепления свайной трубной опоры в гильзе узла крепления основания стационарного сооружения методом разжима снабжена сформированным жестким фиксирующим элементом из прочного композитного материала, размещенным внутри свайной трубной опоры по меньшей мере в зоне деформации металла сваи, произведенной воздействием разжима. Причем жесткий фиксирующий элемент установлен на опорной поверхности, образованной в свайной трубной опоре перпендикулярно ее продольной оси.
В частном случае фиксирующий элемент, сформированный внутри свайной трубной опоры, выполнен из затвердевшей смеси и имеет арматурный каркас.
В частном случае фиксирующий элемент, сформированный внутри свайной трубной опоры, имеет армирование с применением фибры и заполнен затвердевшей смесью.
Также фиксирующий элемент, сформированный внутри свайной трубной опоры, может быть выполнен из цементно-песчаной смеси.
Также фиксирующий элемент, сформированный внутри свайной трубной опоры, может быть выполнен из цементно-песчаной смеси, армированной фиброй и арматурным каркасом.
В другом варианте фиксирующий элемент, сформированный внутри свайной трубной опоры, выполнен из бетона, армированного фиброй и/или арматурным каркасом.
Как вариант жесткий фиксирующий элемент может быть выполнен из полого сердечника, установленного соосно внутрь свайной трубной опоры, а пространство между свайной трубной опорой и установленным сердечником заполнено затвердевшим материалом. В этом случае сердечник, установленный соосно внутрь свайной трубной опоры, может выполнен из бетона. Возможно выполнение сердечника, установленного соосно внутрь свайной трубной опоры, из армированного бетона. Также сердечник, установленный соосно внутрь свайной трубной опоры, может быть выполнен из металла или из любого другого твердого материала.
В другом варианте жесткий фиксирующий элемент может быть выполнен из сплошного сердечника, установленного соосно внутрь свайной трубной опоры, а пространство между свайной трубной опорой и установленным сердечником заполнено затвердевшим материалом.
Опорная поверхность, перпендикулярная продольной оси свайной трубной опоры, может быть образована мелкодисперсным материалом.
Также опорная поверхность, перпендикулярная продольной оси свайной трубной опоры, может быть выполнена из листовой стали и закреплена на внутренней поверхности свайной трубной опоры ниже зоны деформации, произведенной воздействием разжима.
Снабжение сформированным жестким фиксирующим элементом из прочного композитного материала, размещенным внутри свайной трубной опоры по меньшей мере в зоне деформации металла сваи, произведенной воздействием разжима, делает конструкцию крепления методом разжима свайной трубной опоры в гильзе узла крепления основания стационарного сооружения максимально прочной. Предложенная в изобретении конструкция крепления позволяет добиться отсутствия переменных поперечных и продольных перемещений свайной трубной опоры в гильзе узла крепления, возникающих в опорном основании морских стационарных платформ связанных с нагрузками, вызванными перемещением морской платформы из-за морских течений, волнения моря, приливов и отливов, а также сейсмическими воздействиями на конструкцию.
Это позволяет уменьшить толщину стенок металлических труб свай, используемых в качестве свайной трубной опоры, и таким образом достичь поставленного технического результата, а именно уменьшение веса свайной трубной опоры за счет использования свайных труб с уменьшенной толщиной стенки.
Расчеты показывают, что при диаметре равным 2400 мм, один метр длины стальной свайной трубной опоры будет весить: при толщине стенки 95 мм - 5560 кг, а при толщине стенки  50мм - 2950 кг. Таким образом экономия стали по весу на метр составляет - 2610 кг, что составляет около 46%.
Кроме того, следует иметь в виду, что при одинаковой нагрузке, когда за счет пластичности сталь толщиной 85 мм имеет прогиб 0,4 мм - бетон толщиной 150 мм имеет прогиб 0,05 мм. Этот параметр показывает возможность «раскачивания» свайной трубной опоры в гильзе основания при воздействии переменных нагрузок и возможной последующей деформации их взаимного крепления.
Как следствие достижения технического результата является и решение поставленной задачи - сокращение времени производства работ по установке свай в гильзы узла крепления опорного основания морской платформы, так как сокращается время доставки труб, а также таких операций как погружение и гидроразжим трубных свай в гильзе узла крепления основания стационарного сооружения.
Также достигается экономия в стоимости проведения работ, так как для доставки требуются суда меньшего водоизмещения, крановые суда меньшей грузоподъемности, а системы гидроразжима меньшей мощности. Следует понимать, что создаются условия использования труб и стандартных марок стали и сокращение общего объёма используемого металла, что также приведет к снижению общей стоимости и позволит избежать применение специальных сталей, а также позволяет получить более жесткое стыковое соединение, способное нести все установленные проектом нагрузки.
Также для достижения технического результата возможно использовать различных вариантов конструкций, предложенных в изобретении.
Так возможно формировать жесткий фиксирующий элемент, например, из бетонной смеси с арматурным каркасом и/или без арматурного каркаса. Как вариант, армирование возможно произвести с применением фибры.
В других вариантах возможно использование жесткого фиксирующего элемента, выполненного из сердечника, установленного соосно внутрь свайной трубной опоры с заполнением пространства между установленным сердечником и свайной трубной опорой затвердевшим материалом. Причем сердечник может быть как сплошным, так и полым внутри и выполнен из различных материалов.
Предложенная многовариантность выполнения жесткого фиксирующего элемента также позволяет достичь поставленный технический результат.
Для формирования жесткого фиксирующего элемента соосно внутри свайной трубной опоры необходимо наличие опорной поверхности, образованной в свайной трубной опоре перпендикулярно ее продольной оси. Предложенные в изобретении варианты не исключают возможность применения других исполнений опорных поверхностей, которые позволяют достичь поставленного технического результата.
В последующем заявляемое изобретение поясняется подробным описанием конкретных, но не ограничивающих настоящее решение, примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 - конструкция крепления свайной трубной опоры с жестким фиксирующим элементом из армированного бетона;
фиг. 2 - конструкция крепления свайной трубной опоры с жестким фиксирующим элементом из полого стального сердечника с заполнением пространства между свайной трубной опорой и установленным сердечником армированным бетоном.
Вариант конструкции крепления свайной трубной опоры, представленный на фиг.1, содержит гильзу 1 узла крепления основания стационарного сооружения, свайную трубную опору 2, жесткий фиксирующий элемент 3 с арматурным каркасом 4, сформированный на опорной поверхности 5.
Сборку варианта конструкции крепления свайной трубной опоры 2, приведенного на фиг.1 производят следующим образом.
В гильзу 1 узла крепления основания стационарного сооружения размещенного на морском дне с использованием кранового судна производят вставку свайной трубной опоры 2. Затем забивают свайную трубную опору 2 в морское дно на проектную глубину. При необходимости производят откачку воды из внутренней полости свайной трубной опоры 2.
В зонах 6 методом гидроразжима производят деформацию металла свайной трубной опоры 2 во внутренние круговые проточки гильзы 1 узла крепления основания стационарного сооружения.
После удаления устройства гидроразжима засыпают полость свайной трубной опоры 2, например, грунтом. Производят формирование опорной поверхности 5. Устанавливают арматурный каркас 4, после чего производят заливку бетонной или фибробетонной смеси, причем залитая смесь должна заполнить весь внутренний объем по меньшей мере в зонах 6 деформации металла сваи. После отверждения бетона получают готовую конструкцию крепления свайной трубной опоры 2 в гильзе 1 узла крепления основания стационарного сооружения.
Вариант конструкции крепления свайной трубной опоры, представленный на фиг.2, содержит гильзу 7 узла крепления узла крепления основания стационарного сооружения, свайную трубную опору 8, жесткий фиксирующий элемент, выполненный сердечника, в качестве которого применен полый стальной цилиндр 9.
Полый стальной цилиндр 9 установлен на опорной поверхности 10. В пространстве 12 между полым стальным цилиндром 9 и гильзой 7 узла крепления установлен арматурный каркас 11, а само пространство 12 заполнено бетоном.
Опорная поверхность 10 выполнена из листовой стали и закреплена ниже зоны 13 деформации, произведенной воздействием разжима.
Сборку варианта конструкции крепления свайной трубной опоры 8, приведенного на фиг.2 производят следующим образом.
В гильзу 7 узла крепления основания стационарного сооружения размещенного на морском дне с использованием кранового судна производят вставку свайной трубной опоры 8. Затем забивают свайную трубную опору 8 в морское дно на проектную глубину. При необходимости производят откачку воды из внутренней полости свайной трубной опоры 8.
В зонах 13 методом гидроразжима производят деформацию металла свайной трубной опоры 8 во внутренние круговые проточки гильзы 7 узла крепления основания стационарного сооружения.
После удаления устройства гидроразжима во внутреннюю полость свайной трубной опоры 8 опускают и устанавливают на опорную поверхность 10 соосно свайной трубной опоре 8 полый стальной цилиндр 9 и арматурный каркас 11.
Затем производят заливку бетонной смеси, причем залитая бетонная смесь должна заполнить все пространство 12 между внешней поверхностью стального цилиндра 9 и внутренней поверхностью свайной трубной опоры 8 в зонах 13 деформации металла сваи. После того как залитый в пространство 12 бетон затвердеет, получают готовую конструкцию крепления свайной трубной опоры 8 в гильзе 7 узла крепления основания стационарного сооружения, размещенного на морском дне.
Таким образом, в варианте конструкции крепления свайной трубной опоры, представленный на фиг.2, полый цилиндр 9, по сути, является несъемная опалубкой, и может быть изготовлен из любого подходящего материала. Материал, заливаемый в пространство 12 между внешней поверхностью стального цилиндра 9 и внутренней поверхностью свайной трубной опоры 8, также может быть любым твердеющим материалом. Причем как толщина заливаемого материала, так и толщина стенок полого цилиндра 9 зависит от их прочностных характеристик и может быть рассчитана на этапе проектирования.
Предложенная в изобретении конструкция крепления свайной трубной опоры в гильзе узла крепления основания стационарного сооружения методом разжима оригинальна, достигает поставленный технический результат и имеет возможность промышленной применимости. Кроме того, использование заявляемого изобретения позволяет сократить время и объем производственных работ по установке свай и снизить стоимость строительства искусственных сооружений.