ФУНДАМЕНТ ПЛАВУЧЕГО МАССИВА, УСТАНАВЛИВАЕМОГО НА ОСНОВАНИЕ НАПЛАВНЫМ СПОСОБОМ
FOUNDATION OF FLOATING MASSIF INSTALLED ONTO BASE BY FLOAT-ON METHOD

Изобретение относится к строительству и гидротехническому строительству, а именно к наплавному способу строительства, и может быть использовано для сопряжения плавучих массивов с неподготовленным дном акватории.
В строительстве и гидротехническом строительстве общепринято называть фундаментом часть сооружения, передающую усилия от этого сооружения на основание. Точно в этом же смысле трактуется термин "фундамент" в настоящем документе: фундамент плавучего массива - это часть плавучего массива, передающая усилия от этого массива на основание. При этом не является существенным, как именно реализована связь фундамента с остальной частью сооружения: полностью жесткое сопряжение или соединение, имеющее сферические и/или циллиндрические шарниры.
Наплавной способ строительства по сравнению с традиционным (за перемычками) обеспечивает существенное уменьшение расхода бетона, облегчение конструкций, перенесение основных, наиболее сложных работ в индустриальные условия стройбазы и ускорение темпов строительства. Одной из важнейших проблем при возведении сооружений наплавным способом остается задача о сопряжении плавучих массивов с дном акватории. Особенно привлекательным по сравнению с другими вариантами такими как, например, способ опускного колодца, подводное бетонирование, устройство свайного основания, использование подставок, разработка и выемка грунта дна акватории и др., представляется решение этой задачи с использованием отсыпки из грунтовых материалов в виду их доступности и низкой стоимости.
Известна конструкция фундамента плавучего массива, использованного, например, при возведении мола в порту Понта Дельгада [Опыт зарубежного строительства. Вып.9. Методы строительства отдельных сложных инженерных сооружений. М.: Госстройиздат, 1963. - 132 с; рис.67]. Фундамент, являющийся частью плавучего массива, представляет собой плоскую днищевую плиту.
Недостаток решения состоит в необходимости подготовки подводного основания фундамента массива, что приводит к следующим проблемам:
- для отсыпки грунта подводного основания (постели) возникает потребность в специализированной технике, включающей, как правило, плавсредства с резервом грунта, специальные устройства для ровнения постели и др., работа которых в значительной степени зависит от погодных условий;
- крупность фракции грунта постели зависит от придонных скоростей течения воды, возрастающих при уменьшении зазора между плавучим массивом и поверхностью постели в процессе посадки массива на основание, что часто приводит к необходимости применения камня такой крупности, при которой исключается возможность ровнения постели раздавливанием весом массива, затруднены механизированные способы ровнения постели и становятся неизбежными подводно-технические работы, в том числе с использованием труда водолазов;
- при подготовке подводного основания методом инъецирования грунта в пространство между поверхностью дна акватории и фундаментной плитой возникает необходимость в установке массива на временные опоры и использовании специальных устройств для инъецирования, а сам процесс инъецирования является относительно продолжительным.
Известна выбранная в качестве прототипа конструкция фундамента плавучего массива, использованного в проекте плотины, отсекающей бассейны от моря, французской ПЭС Аргенон и Лансье [Приливные электростанции / Л.Б.Бернштейн, В.Н.Силаков, С.Л.Гельфер и др.; Под ред. д-ра техн. наук Л.Б.Бернштейна. - М.: Энергоатоииздат, 1987. - 296 с.; рис.13.3, г]. Фундамент, являющийся частью плавучего массива, представляет собой железобетонную оболочку воронкообразной формы, уширение которой обращено вниз.
Недостаток решения состоит в необходимости отсыпки грунта основания фундамента массива после установки плавучего массива на дно акватории, что приводит к следующим проблемам:
- обеспечение проектного положения массива и его устойчивости в строительный период достигается установкой массива на временные опоры или внедрением массива в грунт, например, способом опускного колодца;
- для отсыпки грунта основания возникает потребность в специализированной технике, включающей, как правило, плавсредства с резервом грунта, плавкран и др.
Таким образом, общим недостатком приведенных аналогов является низкая технологичность и, как следствие, высокая стоимость и продолжительность работ, а также повышенный риск для здоровья водолазов при производстве работ на больших глубинах.
Задачей настоящего изобретения является повышение технологичности сопряжения плавучего массива (наплавных конструкций) с неподготовленным дном акватории.
Объектом изобретения является фундамент плавучего массива, устанавливаемого на основание наплавным способом, являющийся частью плавучего массива, включающий уширяющуюся к низу оболочку, отличающийся согласно изобретению тем, что геометрия оболочки обеспечивает гравитационное истечение из нее сыпучего материала, резерв которого оболочка вмещает, а нижнее ее выпускное отверстие перекрыто затвором, удерживаемым в закрытом состоянии за счет связей, передающих усилия (нагрузку) от веса затвора и сыпучего материала на корпус массива.
Использование предлагаемого устройства позволяет избежать необходимости отсыпки грунта основания после установки плавучего массива на дно акватории за счет того, что роль отсыпаемого грунта выполняет резерв сыпучего материала, транспортируемый совместно с массивом. Это также позволяет в некоторых случаях (когда не удается обеспечить остойчивость без дополнительного балласта) достичь необходимой остойчивости при меньшей по сравнению с прототипом осадке.
Фундамент плавучего массива имеет развитие, заключающееся в том, что связи передают усилия от веса затвора и резерва сыпучего материала на корпус массива через анкер, позволяющий два режима работы: "закрыто" - усилия передаются на массив, и "открыто" - усилия в связях отсутствуют. Это позволяет использовать резерв грунта в качестве балласта плавучего массива, установленного на дно, а также более оперативное и удобное включение в работу фундаментов.
Другое развитие устройства состоит в том, что связи передают усилия от веса затвора и резерва сыпучего материала на корпус массива через устройства, позволяющие контролируемое и управляемое изменение длин связей. Это позволяет отказаться от использования временных опор для обеспечения проектного положения массива в строительный период, а также дает возможность производить регулировку пространственного положения массива, в т.ч. после запроектных воздействий. При необходимости реализуют изменение длин связей, состоящее в их укорочении, что приводит к их натяжению и позволяет изменять напряженно-деформированное состояние отсыпанного из оболочки фундамента сыпучего материала, в т.ч. с целью создания эффекта преднапряжения и, соответственно, повышения сдвиговой жесткости и прочности при действии горизонтальных сдвигающих нагрузок.
В частных вариантах изобретения устройства, передающие усилия от связей на массив обеспечивают возможность передачи на связи и далее, на затвор переменного периодического силового воздействия, что позволяет генерировать в затворе колебания и, как следствие, вибрационное воздействие на окружающий грунт. Это может быть использовано для достижения высокого качества контакта сооружения с естественным основанием за счет разжижения и эффективного раздавливания микрорельефа естественной поверхности дна, а также для вибрационного упрочнения грунта основания.
Следующее развитие изобретения состоит в том, что фундамент плавучего массива включает источник вибрационного воздействия (например, спускаемый в полость оболочки вибратор), что позволяет повысить надежность реализации процесса истечения сыпучего материала из оболочки фундамента, а также использовать фундамент с оболочкой, имеющей геометрическую форму, обеспечивающую надежное истечение из нее сыпучего материала только при условии его вибрационного разжижения или использовать доступные сыпучие материалы, имеющие характеристики, при которых истечение без вибровоздействия затруднено. Это позволяет также производить виброуплотнение сыпучего материала, отсыпанного из оболочки фундамента, а также разжижение при управлении НДС сыпучего материала (грунта).
Как правило, плавучий массив включает несколько фундаментов, соответствующих изобретению, а конкретные технические решения затвора, связей и устройств, через которые передаются усилия от связей на корпус массива определяются при проектировании.
Использование предложенного технического решения позволяет обеспечить достижение нескольких новых технических результатов по сравнению с прототипом. Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемыми техническими результатами приведена в таблице 1 (см. стр.9-11).
Сущность предлагаемого устройства и принцип его действия поясняются чертежами:
- на фиг.1 представлен фундамент плавучего массива, устанавливаемого на дно акватории наплавным способом строительства, в момент позиционирования над местом установки;
- на фиг.2 то же, но после завершения работ по сопряжению его с дном акватории;
- на фиг.3-6 изображена конструкция гравитационного опорного блока морской платформы, представляющего собой плавучий массив, имеющий фундаменты, согласно изобретению;
- на фиг.7-12 приведены иллюстрации этапов производства работ по сопряжению опорного блока морской платформы с дном акватории;
- на фиг.13-20 приведены иллюстрации этапов производства работ по установке плавучего массива на участке дна акватории со значительными перепадами глубин.
Фундамент плавучего массива, устанавливаемого на основание наплавным способом, содержит (фиг.1) уширяющуюся к низу оболочку 1, в нижней части которой имеется выпускное отверстие, затвор 2, перекрывающий нижнее выпускное отверстие оболочки 1, связи 3, удерживающие затвор 2 в закрытом состоянии, резерв сыпучего материала 4, который вмещает оболочка 1.
При установке плавучего массива на основание (дно акватории) работа фундамента реализуется за счет выключения связей 3, удерживающих затвор 2, и, как следствие, истечения сыпучего материала 4 из оболочки 1. В результате затвор 2 оказывается лежащим на поверхности дна 5 акватории, а пространство между оболочкой 1 и затвором 2 заполненным сыпучим материалом 4, который и выполняет функцию искусственного отсыпанного основания (фиг.2).
В частных вариантах фундамент включает устройство 6, позволяющее контролируемое и управляемое изменение длин связей 3, а также источник вибрационного воздействия 7.
Истечение сыпучего материала 4 из уширяющейся к низу оболочки 1 обеспечивается за счет реализации разрушения преимущественно по механизму отрыва под действием гравитационных сил. Возможность образования сводов и пробок, препятствующих истечению, выявляется расчетом методами механики сплошных сред или экспериментально и исключается соответствующим выбором формы и геометрических размеров оболочки 1, а также сыпучего материала 4 с оптимальными физико-механическими свойствами (угол внутреннего трения, скорость дилатансии и т.д.).
Несущая способность основания, образованного за счет истечения сыпучего материала из оболочки 1, обеспечивается благодаря тому, что при движении сыпучего материала 4 в направлении действия реакции со стороны основания (снизу вверх) внутри уширяющейся к низу оболочки 1 происходит пластическая деформация формоизменения, которой препятствует дополнительное геометрическое упрочнение, получаемое материалом за счет увеличения отношения шарового тензора к девиатору тензора напряжений, происходящего в результате действия расклинивающей силы, возникающей в условиях стесненной деформации.
Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующими примерами.
Пример №1. Установка опорного блока морской платформы на неподготовленное дно акватории.
Опорный блок платформы имеет конструкцию, иллюстрируемую фигурами 3-6, и представляет собой плавучий массив с четырьмя колоннами трубчатого сечения. Для обеспечения технологичного сопряжения с неподготовленным дном акватории опорный блок имеет фундаменты согласно настоящему изобретению. Фундаменты, расположенные в колоннах и частично под ними имеют по четыре связи (канаты), пропущенные через вертикальные сквозные каналы в оболочках фундаментов, которые передают усилия от затворов (железобетонные плиты) на корпус опорного блока через устройства, позволяющие управляемое и контролируемое удлинение этих связей, а также их натяжение и передачу на них переменных периодических усилий (лебедки). Фундаменты, расположенные за пределами колонн, имеют по одной связи, расположенной по вертикальной оси симметрии фундамента, и передающей усилия на корпус опорного блока через управляемый анкер, разрешающий два режима работы: "закрыто" - усилия передаются на массив, и "открыто" - усилия в связях отсутствуют.
Работы производят следующим образом. Опорный блок позиционируют над местом установки на дно (фиг.7). Производят балластировку опорного блока водой до приобретения им отрицательной плавучести, в результате чего опорный блок тонет и встает на дно, получая при этом крен и дифферент, обусловленные неровностью естественного рельефа дна акватории (фиг.8). Затем включают устройства, регулирующие длины связей, удерживающих затворы фундаментов в колоннах. Связи плавно удлиняют до реализации контакта затворов с поверхностью дна (фиг.9). На следующем этапе производят контролируемое и управляемое опорожнение балластных отсеков опорного блока таким образом, что со стороны одной из четырех колонн опорный блок сохраняет отрицательную плавучесть, опираясь на дно, а с трех других сторон получает положительную плавучесть с вектором подъемной силы, направленным на восстановление пространственного положения сооружения в проектное. За счет полученной плавучести реализуется всплытие опорного блока с трех из четырех сторон с одновременным соответствующим удлинением связей в фундаментах и истечением сыпучего материала из оболочек в пространство между сооружением и затворами, лежащими на поверхности дна. Скорость всплытия определяется режимами работы балластно-осушительной системы и устройств, регулирующих удлинение связей, т.к. значительная часть веса сыпучего материала передается на опорный блок через связи. Если при всплытии не происходит истечения сыпучего материала, то для его разжижения используют вибраторы. Операции завершают при достижении сооружением проектного положения (фиг.10). Затем анкеры, передающие усилия на корпус опорного блока от связей фундаментов, расположенных за пределами колонн, переводят в режим "открыто". При этом сооружение получает опору на основание по всей своей площади (фиг.11). Затем производят натяжение связей фундаментов, расположенных в колоннах, после чего на них передают периодическое силовое воздействие, в результате которого в затворах, лежащих на дне акватории, возбуждаются колебания, приводящие к разжижению и раздавливанию неровностей микрорельефа дна, что обеспечивает высокое качество контакта и упрочнение грунта. В завершение производят окончательное расчетное натяжение связей фундаментов, расположенных в колоннах, с целью придания сыпучему материалу повышенной жесткости на сдвиг при действии горизонтальных нагрузок, а также переводят анкеры фундаментов, расположенных за пределами колонн, в режим "закрыто" для обеспечения работы отсыпанного из них материала в качестве балласта опорного блока платформы.
В частных вариантах в одной колонне, вокруг которой происходит кренование и дифферентование затопленного опорного блока при его установке в проектное положение, может не быть фундаментов, соответствующих изобретению, что не является препятствием для достижения того же результата. В этом случае такую колонну рационально использовать для расположения в ней бурового оборудования.
Аналогичным образом могут быть установлены мостовые опоры, фундаментные блоки под монументы, опоры ЛЭП, плавучие массивы причальных сооружений и др.
Пример №2. Установка плавучего массива на участке дна акватории с большими перепадами глубин.
При строительстве плотин ПЭС, малых ГЭС, молов и др. сооружений, на участках их примыкания к берегу часто возникают особые трудности при сопряжении с дном плавучих массивов, имеющих классическое решение фундамента в виде сплошной плоской днищевой плиты, обусловленные большими перепадами глубин акватории. Так, например, применение подводного бетонирования требует наличия длинных юбок и повышенного расхода бетона, а отсыпка грунтовой постели, как правило, предполагает поэтапное производство работ таким образом, что под следующий массив постель отсыпается только после установки предыдущего. Другой возможный подход - это изготовление плавучего массива, днищевая плита которого с достаточной точностью повторяет рельеф дна. В этом случае повышается трудоемкость изготовления плавучего массива в доке, повышается его осадка (в т.ч. из условия обеспечения остойчивости), ухудшается ходкость при буксировке и т.д.
На фигурах 13-20 изображены продольные разрезы двух плавучих массивов, имеющих фундаменты согласно настоящему изобретению, один из которых установлен на участке дна с относительно пологим рельефом, а другой, соседний, на участке с большими перепадами глубин.
Сопряжение с дном первого массива может быть реализовано аналогично установке опорного блока морской платформы (см. пример №1). Второй плавучий массив швартуют к уже установленному первому массиву и производят его балластировку до приобретения им осадки, достаточной для реализации контакта нижней грани торцевой стенки устанавливаемого массива с консолью на торцевой стенке ранее установленного массива. Затем производят добалластировку массива со стороны больших глубин акватории для обеспечения надежной фиксации его соответствующего торца по линии циллиндрического шарнира, образованного на опорной консоли (фиг.13 и 14). Следующим этапом производят балластировку массива со стороны меньших глубин до реализации его контакта с поверхностью дна, но без передачи значительных усилий (фиг.15). Потом включают фундаменты и плавно увеличивают длины связей, в результате чего затворы оказываются лежащими на дне, сыпучий материал истекшим из оболочек фундаментов, а массив получает надежную опору на дно со стороны меньших глубин (фиг.16). Далее производят вывод массива в горизонтальное положение за счет контролируемого и управляемого опорожнения балластных отсеков и соответствующего контролируемого и управляемого удлинения связей фундаментов (фиг.17). После этого устанавливают пролетное строение для связи с берегом и с помощью автотранспорта производят заполнение сыпучим материалом полостей оболочек фундаментов массива (фиг.18). В завершение работ по сопряжению массива с дном производят опережение его балластных отсеков и подъем массива до проектной отметки, что приводит к исключению передачи усилий от второго массива на консоль первого массива (фиг.19), а также добалластировку сыпучим материалом первого и второго массивов (фиг.20).
Пример №3. Установка опорных элементов здания на акватории водоема, не имеющего водного сообщения со строительной базой.
При строительстве зданий на акваториях водоемов часто используют свайные опоры. Это решение требует применения специальных, как правило, плавучих механизмов для погружения свай в грунт или отсыпки грунта на отметку выше уреза воды. Иногда погружение свай является затруднительным (твердые, скальные грунты), а отсыпка грунта экономически неоправданной.
Альтернативным решением может служить применение в качестве опор плавучих массивов, устанавливаемых на дно наплавным способом. В этом случае плавучий массив, имеющий фундаменты согласно настоящему изобретению, изготавливают на строительной базе, транспортируют к водоему с помощью сухопутного транспорта, с которого производят разгрузку массива на воду кранами на пневмоколесном или гусеничном ходу. Затем производят заполнение полостей оболочек фундаментов массива сыпучим материалом. После этого с помощью трех установленных на берегах водоема лебедок позиционируют массив над местом его установки и производят затопление массива. Потом, управляя плавучестью массива с помощью насоса, и одновременно, регулируя длины связей, достигают проектного положения массива.
Таблица 1.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемыми техническими результатами
Новый технический результат по сравнению с прототипом
Показатели
Отличительный признак (причина улучшения показателей)
Прототипа
Объекта изобретения
1
2
3
4
Повышение технологичности сопряжения плавучего массива с неподготовленным дном акватории.
Требуется эксплуатация специальной техники для отсыпки грунта основания массива после его установки в проектное положение.
Не требуется эксплуатация специальной техники для отсыпки грунта основания массива, т.к. основание образуется отсыпкой сыпучего материала из резерва, который вмещает оболочка фундамента.
Затвор, связи, резерв сыпучего материала (грунта), транспортируемый совместно с массивом. В частных вариантах - устройства, позволяющие контролируемое и управляемое изменение длин связей, что позволяет отказаться от временных опор.
Достижение необходимой остойчивости при меньшей по сравнению с прототипом осадке массива в воде.
Полость уширяющейся к низу оболочки не может быть забалластирована материалом, плотность которого превышает плотность воды.
Полость уширяющейся к низу оболочки может быть забалластирована материалом, плотность которого превышает плотность воды, т.к вес этого материала передается на затвор и, далее, через связи на корпус массива.
Затвор, связи, резерв грунта, который вмещает полая уширяющаяся к низу оболочка (при смещении центра тяжести массива к низу достигается увеличение плеча остойчивости)
Работа отсыпанного из фундамента сыпучего материала в качествебалласта установленного на дно массива.
Грунт основания (в т.ч. заполняющий внутреннюю полостьуширяющейся к низу оболочки) обладает пренебрежимо малой прочностью на растяжение, что приводит к его истечению из фундамента при подъеме массива.
Большая часть веса сыпучего материала, отсыпанного из фундаментапередается на массив через связи, удерживающие затвор (связи выполняют функцию арматуры, воспринимающей растягивающие усилия).
Затвор, связи, резерв грунта и устройства, позволяющиепередачу усилий в связях на корпус массива после его установки на дно.
Надежная и технологичная регулировка пространственного положения массива (крен, дифферент, высотная отметка), установленного на дно.
Процесс всплытия массива с одновременным истечением грунта из оболочки является неконтролируемым в связи с возможной неустойчивостью процесса истечения сыпучего материала (динамические эффекты при хрупком разрушении материала по поверхностям локализации деформаций), горизонтальными воздействиями (волны, течения, ветер), приливно-отливными явлениями и т.п.
Процесс всплытия массива с одновременным истечением грунта из оболочки является контролируемым, т.е. обеспечивается истечение сыпучего материала из фундамента строго на желаемую величину.
Затвор, связи, резерв грунта и устройства, позволяющие контролируемое и управляемое изменение длин связей. В частных вариантах - источник вибрационного воздействия.
Повышение технологичности управления напряжено-деформированным состояниемоснования массива за счет преднапряжения сыпучего материала (грунта), отсыпанного из фундаментов.
Для управления напряженно-деформированным состоянием основания массиватребуются специальные мероприятия, включающие использование дорогостоящей техники.
За счет натяжения связей и соответствующего обжатия сыпучего материала(грунта) достигается повышение его сопротивления горизонтальным нагрузкам и снижение сопротивления вертикальным раздавливающим усилиям.
Затвор, связи и устройства, позволяющие контролируемое и управляемоеизменение длин связей, в т.ч. контролируемое и управляемое натяжение связей. В частных вариантах - источник вибрационного воздействия, что позволяет дополнительно снижать прочность отсыпанного из фундамента грунта за счет виброразжижения, а также производить его виброупрочнение.