Соединение свайных и опорных конструкций
CONNECTION OF PILE AND SUPPORT STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства, в частности к свайному фундаментостроению, а точнее к составным металлическим трубным сваям и может быть использовано как при строительстве морских сооружений, например при строительстве морских сооружений, газо- и нефтедобывающих платформ, так и в наземном строительстве, например в условиях вечной мерзлоты, а также может быть использовано при осуществлении других видов строительно-монтажных работ, в ходе которых предусматривается стыковка сборных  трубных элементов без использования сварных соединений, включая стыковку в ограниченном пространстве (например под водой).
Для строительства морских сооружений, газо- и нефтедобывающих платформ, а также для строительства фундаментов в вечной мерзлоте, фундаментов небоскребов, мостов требуются сваи большой длины, достигающие нескольких десятков метров. В одних случаях это необходимо для установки на основание, расположенное на морском дне. В других случаях это необходимо для достижения необходимого опорного слоя, который представляет собой твердое основание присутствующее под мягким грунтом.
Однако, производство конструкций трубных свай большой длины на заводе нецелесообразно из-за сложности их транспортировки к месту установки и монтажа.
Для решения вопроса производство элементов стальных трубных свай производят на заводе удобной для транспортировки длины, а затем, после доставки на строительную площадку, осуществляют соединение необходимого количества этих элементов стальных свай вертикально друг с другом одна за другой непосредственно на месте строительства до достижения проектной длины сваи.
В настоящее время известно много вариантов механического соединения трубных свай. Так, например, в патенте Японии № 3158081, приоритет от 15 июля 1997 г. описана конструкция механического соединения труб. Она состоит из внешнего установочного элемента с внутренней окружной канавкой и внутреннего установочного элемента с наружной окружной канавкой, которые имеют одинаковую ширину канавки. Также установлен кольцевой фиксирующий элемент с изменяемым диаметром, который выполнен так, что он может быть размещен в, например, сжатом состоянии на участке внешней канавки или в разжатом состоянии на участке внутренней канавки. Для соединения труб внутренняя окружная канавка и наружная окружная канавка приводятся в противоположное положение друг к другу, когда концы труб устанавливаются друг в друга. Затем ключевой элемент, например, встроенный во внутреннюю круговую канавку, выталкивается к наружной кольцевой канавке для осуществления установки фиксирующего элемента поперек и между внутренней периферийной канавкой и наружной круговой канавкой. В патенте приведены и другие способы деформации фиксирующего элемента для установки его поперек и между внутренней периферийной канавкой и наружной круговой канавкой. В результате пара стальных трубных свай механически соединяется так, что не перемещается относительно друг друга вдоль продольного направления этих стальных трубных свай.
Предложенное в аналоге механическое соединения пары стальных трубных свай позволяет избежать операций, связанных с использованием сварочного оборудования, а также необходимость в использовании дополнительных соединительных материалов, например клеев или цементно-бетонных смесей.
Недостатком предлагаемого решения является сложность его реализации. Вышеописанное устройство, в котором фиксирующий элемент заранее встроен во внутреннюю окружную канавку для выталкивания к наружной окружной канавке во время соединения, сложное в изготовлении. Также для гарантии установки фиксирующего элемента в нужное положение в патенте предлагается применять дополнительные вспомогательные элементы, которые усложняют технологический процесс крепления свайных труб, что особенно важно при выполнении монтажа в офшорных проектах.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство по патенту US 20170183837 с приоритетом от 20 февраля 2015 (PCT/JP2015/085892), выбранным в качестве прототипа. В патенте описано механическое соединение пары первой и второй стальных трубных свай, которое включает в себя круговую проточку, предусмотренную на внешней поверхности первой стальной трубной сваи, и круговую проточку, предусмотренную на внешней поверхности второй стальной трубной сваи. Блок охватывающих элементов расположен по окружности поверх круговой проточки, предусмотренной на внешней поверхности первой стальной трубной сваи и круговой проточки, предусмотренной на внешней поверхности второй стальной трубной сваи. Стопорный элемент, выполнен с возможностью предотвращения относительного перемещения между собой первой и второй трубных свай в продольном их направлении. Блок охватывающих элементов включает в себя сквозной паз для вставки с его внешней круговой поверхности разделенных стопорных элементов, составляющих общий стопорный элемент. Пазами для стопора служат круговая проточка на внешней поверхности первой стальной трубной сваи и круговая проточка на внешней поверхности второй стальной трубной сваи.
Предложенное в прототипе механическое соединения пары стальных трубных свай упрощает процесс механической сборки трубной сваи.
Однако недостатком предложенного механизма является большое количество установочных деталей, которые необходимо изготавливать и транспортировать к месту сборки, что повышает общую стоимость проводимых работ.
Особо важным недостатком предлагаемого механизма состоит в увеличении размеров внешнего диаметра свай по длине в местах их соединения, что существенно ограничивает область их применения.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание сборной конструкции трубной сваи удобной для транспортировки и монтажа, конструкция которой предотвращает относительное перемещение между первой и второй конструкциями трубной сваи в продольном направлении в собранном состоянии, при этом сборная  трубная свая имеет одинаковый внешний диаметр сваи по всей длине, включая места соединения.
Техническим результатом, который достигается заявленным изобретением, является сокращение объема операций и времени, затрачиваемого на сборку конструкции сваи.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что соединение конструкций состоит из по меньшей мере двух стыкуемых между собой секций трубных свай. В месте стыка первая секция снабжена внешней поверхностью, которая сопряжена с внутренней поверхностью второй секции. При этом на внешней поверхности первой секции и на внутренней поверхности второй секции выполнены проточки, которые при совмещении образуют замкнутый канал, в котором расположен замковый элемент. Канал имеет по меньшей мере одно отверстие, выполненное в стенке одной из секций трубной сваи для установки в канал замкового элемента.
Как вариант, возможно выполнение внешней поверхности первой секции трубной сваи, сопрягаемой с внутренней поверхностью второй секции трубной сваи на вставке, которая жестко закреплена в первой секции свай.
В качестве замкового элемента возможно использование набора металлических шаров.
Также в качестве замкового элемента возможно использование стального троса.
Предпочтительно выполнять кольцевой канал с круглым профилем.
В частном случае возможно выполнение сопрягаемых поверхностей первой секции трубной сваи и второй секции трубной сваи коническими.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере стенка одной из трубной сваи выполнена с упором, поверхность которого перпендикулярна оси сваи.
Возможно выполнение отверстия в стенке одной из секций трубной сваи для установки в канал стопорного элемента под углом к диаметральному направлению сваи.
В частном случае замковый элемент (шары, трос и т.д.) может быть зафиксирован в канале компаундом.
Выполненные проточки на внешней поверхности первой секции трубной сваи и на внутренней поверхности второй секции трубной сваи при их совмещении позволяют получить внутренний канал. При этом наличие по меньшей мере одного отверстия, выполненного в стенке одной из секций трубных свай, позволяет установить в канал замковый элемент. Установленный во внутренний канал замковый элемент предотвращает относительное перемещение стыкуемой пары секций трубных свай в продольном направлении.
При этом в случае тонкостенности соединяемых секций трубных свай внешняя поверхность первой секции, сопрягаемая с внутренней поверхностью второй секции, может быть выполнена на вставке, которая жестко закреплена в первой секции трубной сваи.
Использование набора шаров, стального троса и т.д в качестве замкового элемента позволяет установить их во внутренний канал соединения секций трубных свай.
Выполнение внутреннего канала с круглым профилем увеличивает площадь соприкосновения замкового элемента с поверхностью канала, что повышает надежность крепления трубных свай.
Выполнение сопрягаемых поверхностей первой секции и второй секции коническими облегчает процесс установки одной секции в другую.
Наличие по меньшей мере в стенке одной из секций упора с поверхностью, перпендикулярной оси трубной сваи, позволяет производить совмещение внутренних проточек трубных свай в процессе установки одной секции в другую, вдвигая секцию до упора.
Выполнение отверстия в стенке одной из секций для установки во внутренний канал замкового элемента под углом к диаметральному направлению секции трубной сваи позволяет легко вводить замковый элемент во внутренний канал соединения. Особенно предпочтительно выполнять отверстие в стенке под углом в случае использования в качестве замкового элемента стального каната.
Применение в качестве дополнительного фиксатора замкового элемента во внутреннем канале компаунда не только упрощает сам процесс фиксации, но и в дальнейшем служит хорошим изолятором замкового элемента от воздействия внешней среды, например при использовании сборной конструкции трубной сваи в качестве опоры морских сооружений и газо- и нефтедобывающих платформ.
Таким образом, применение конструкции сборной трубной сваи согласно изобретению, позволяет достичь заявленный результат, а именно значительно минимизировать количество операций при ее сборке. По сути, необходимо выполнить только две операции, во-первых, установить одну секцию трубной сваи в другую до упора, и во-вторых, в образовавшийся внутренний канал через отверстие в стенке трубной сваи ввести замковый элемент. При необходимости возможно зафиксировать замковый элемент дополнительно введя в это же отверстие компаунд.
В последующем изобретение поясняется подробным описанием конкретного, но не ограничивающего настоящее решение, примера его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых изображены:
фиг. 1 – вертикальный разрез соединяемых свайных конструкций, выполненный согласно предлагаемому изобретению;
фиг. 2 - вертикальный разрез соединенных свайных конструкций, выполненный согласно предлагаемому изобретению;
фиг. 3 – вертикальный разрез соединенных свайных конструкций, выполненный согласно предлагаемому изобретению со вставкой;
фиг. 4 - схематично горизонтальный разрез внутреннего канала с шарами в качестве замкового элемента и выполнением установочного отверстия в стенке трубной сваи под углом к диаметральному направлению трубной сваи
фиг. 5 - схематично горизонтальный разрез внутреннего канала с шарами в качестве замкового элемента и выполнением установочного отверстия в стенке секции трубной сваи по диаметральному направлению сваи;
фиг. 6 - схематично горизонтальный разрез кольцевого внутреннего канала со стальным канатом в качестве замкового элемента.
На фиг.1 показано соединение свайных конструкций согласно настоящему изобретению, которое состоит из двух стыкуемых между собой первой секции 1 трубной сваи и второй секции 2 трубной сваи. Первая секция 1 снабжена внешней поверхностью 3, а вторая секция 2 имеет внутреннюю поверхность 4, причем поверхность 3 и поверхность 4 выполнены сопрягаемыми, как это показано на фиг.2. В конкретном приведенном примере внешняя поверхность 3 и внутренняя поверхность 4 выполнены коническими. Однако они могут быть выполнены и цилиндрическим.
Также на фиг.1 показаны кольцевые проточки 5, которые выполнены на внешней поверхности 3 первой секции 1 и кольцевые проточки 6, которые выполнены на внутренней поверхности 4 второй секции 2. При совмещении кольцевые проточки 5 и кольцевые проточки 6 образуют внутренний канал 7, как это показано на фиг.2.
Предпочтительно, чтобы в месте соединения был выполнен кольцевой упор 8, поверхность которого перпендикулярна оси трубной сваи, как это показано на фиг.1 и 2. Кольцевой упор 8 позволяет упростить совмещение  проточек 5 и  проточек 6 для образования внутреннего канала 7, так как для этого достаточно, чтобы торцевая поверхность секции уперлась в  упор 8.
Однако, изготовление упора 8 делает часть стенки секции трубной сваи тоньше, что порой бывает нежелательно. В этом случае, как вариант, возможно использование вставку 9. При этом внешняя поверхность 3 первой секции 1, сопрягаемой с внутренней поверхностью 4 второй секции 2 выполнена на вставке 9, которая жестко закреплена в первой секции 1, как представлено на фиг. 3. Закрепление вставки 9 в первую секцию 1 производят в заводских условиях. Возможен различный способ крепления вставки 8 в первую секцию 1. Однако применение вставки позволяет использовать секции с меньшей толщиной стенки, так как нет необходимости изготавливать кольцевой упор 8 в стенке трубной сваи.
В кольцевом канале 7 расположен замковый элемент 10. Кольцевой канал 7 имеет отверстие 11, в конкретном примере выполненное во второй секции 2, как это показано на фиг. 4-7. Отверстие 11 предназначено для заведения и установки в кольцевом канале 7 замкового элемента 10.
Отверстие 11 может быть выполнено как под углом к диаметру секции (фиг.4 и 6), так по диаметру секции (фиг. 5). В конкретных примерах отверстия выполнены во второй секции 2 с внешней стороны. Однако возможно выполнение отверстия и с внутренней стороны первой секции 1.
Также может быть выполнено отверстие 12 для выхода воздуха при установке замкового элемента 10 в процессе установки. Для контроля заполнения кольцевого канала 7 замковым элементом 10 можно использовать отверстие 13, которое показано в конкретном варианте исполнения. Однако, этого отверстия может и не быть.
Предпочтительно, чтобы после установки замкового элемента 10 в кольцевой канал 7, все отверстия в стенках секций трубных свай были заполнены компаундом 14, что является наиболее простым способом фиксации замкового элемента 10 в установленном положении. Кроме этого, компаунд (или другой заполнитель) 14 в дальнейшем служит хорошим изолятором замкового элемента 10 от воздействия внешней среды.
Процесс соединения свайных конструкций, согласно настоящему изобретению, является простым и заключается в том, что необходимо установить первую секцию 1 трубной сваи во вторую секцию 2 трубной сваи до упора торцевой поверхности секции в кольцевой упор 8, как это показано в приведенном примере, а затем ввести в образовавшийся кольцевой канал 7 замковый элемент 8, что позволяет говорить, что в изобретении достигнут заявленный технический результат, а именно количество операций при соединении трубных конструкций сведено к минимуму.
Следует обратить внимание, что предложенное в изобретении соединение свайных конструкций было испытано на разрыв.
Таким образом соединение свайных конструкций, предложенное в изобретении, является новым, технически достижимым и обладает изобретательским уровнем.
Предполагается использование изобретения при строительстве морских сооружений, например при строительстве морских газо- и нефтедобывающих платформ. Также оно может использоваться в наземном строительстве, например в условиях вечной мерзлоты, предотвращая возможные продольные смещения секций трубных свай.
Кроме того, предложенное соединение свайных конструкций может быть использовано при осуществлении других видов строительно-монтажных работ, в ходе которых предусматривается стыковка сборных трубных элементов.