оболочка большого диаметра с опорным кольцом

Формула изобретения

1. Оболочка большого диаметра, включающая цилиндрическую обечайку, выполненную с возможностью размещения на грунтовом основании, снабженную опорным элементом, отличающаяся тем, что опорный элемент выполнен в виде, по меньшей мере, одного опорного кольца, жестко скрепленного с наружной поверхностью обечайки, выше ее нижней кромки, причем плоскость опорного кольца перпендикулярна продольной оси обечайки, также опорное кольцо укреплено ребрами жесткости, предпочтительно косынками, перпендикулярные кромки которых жестко скреплены с поверхностью обечайки и соответствующей стороной опорного кольца, при этом ширину опорного кольца определяют из выражения

m=F/(2 R _о),

где m - ширина опорного кольца, м;

F - вертикальная расчетная нагрузка на грунтовое основание, передаваемая оболочкой, кг;

R - внешний радиус цилиндрической обечайки;

_о - несущая способность материала основания, кг/м²,

также величина расстояния от опорного кольца до нижней кромки определяется соотношением

1/10 Н ÷ 1/40Н,

где H - высота оболочки, принимаемая в пределах от 1 до 20 м,

причем цилиндрическая обечайка, опорное кольцо и ребра жесткости выполнены из металла, кроме того, ребра жесткости размещены со стороны поверхности кольца, противоположной поверхности, воспринимающей отпор грунта.

2. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что ребра жесткости располагаются по обе стороны от плоскости опорного кольца, в зависимости от распределения зон отпора грунта по его поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области портового гидротехнического и гражданского строительства, а именно к заполненным грунтом оболочкам большого диаметра (ОБД), и может быть применено при строительстве морских и речных причальных и оградительных сооружений, в том числе возводимых при устройстве на акваториях ограждений котлованов и искусственных островов.

Наиболее распространено применение металлических или железобетонных ОБД без каких-либо дополнительных конструктивных элементов, предотвращающих потерю устойчивости оболочки на опрокидывание (см. Гуревич В.Б. Речные портовые гидротехнические сооружения. М., Транспорт, 1969 г., стр.97, рис.88). Основной причиной потери устойчивости такой конструкции является прорезание тонкой нижней кромкой оболочки поверхности грунтового основания. Опасность потери устойчивости ОБД значительно ограничивает область их применения, особенно если материалом ОБД служит металл (толщина стенки 8÷16 мм) (см. РТМ 36.44.12.1-90 Проектирование и строительство сооружений с применением стальных оболочек большого диаметра. ВНИИГС, С.-П., 1992 г., стр.7, рис.1).

К недостаткам данного технического решения относится следующее:

- ограничивается область применения, так как сооружения требуют качественного грунтового основания - наличия достаточно мощного слоя (не менее 5 м) плотных малосжимаемых грунтов с модулем деформации не менее 20 МПа, расчетным сопротивлением под подошвой элемента более 0,3 МПа, углом внутреннего трения не менее 25°;

- в практике гидротехнического строительства указанные условия крайне редки, и, как правило, требуется устройство искусственного основания в виде постели, которую необходимо дополнительно защищать от размыва волнами или действием винтов швартующихся кораблей. Это приводит к ограничению области применения и значительному удорожанию строительства сооружений с применением ОБД.

Известна конструкция приспособления для увеличения устойчивости ОБД на опрокидывание за счет шарнирного крепления горизонтальной двухконсольной анкерной плиты к укороченной тыловой плите оболочки (см. Бибмад Г.Е. Устойчивость оболочек большого диаметра с горизонтальным анкером. Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук, М., специальность 05.23.07, М., МИСИ, 1984 г., 24 с.).

Данное техническое решение обладает следующими недостатками:

- применимость решения только для ОБД из монолитного железобетона с вертикальным членением элементов;

- наличие растягивающих напряжений в части оболочки, примыкающей к месту крепления анкера;

- необходимость проведения дорогостоящих водолазных работ для установки в проектное положение анкерной плиты;

- возможность применения только в качестве сооружений типа «набережная» из-за необходимости наличия грунта засыпки хотя бы с одной стороны ОБД.

В качестве ближайшего аналога принята конструкция, предназначенная для повышения устойчивости ОБД на опрокидывание, представляющая собой горизонтальный одноконсольный анкер, соединенный тягами с железобетонным кольцом, установленным на верхнем торце оболочки (см. Алмазов В.О., Смирнов Г.Н. Железобетонные конструкции в портовом гидротехническом строительстве, М., «ТРАНСПОРТ», 1986 г., стр.80, Рис.6.4). Оболочка в своей тыловой части свободно опирается на анкерную плиту, а тяги обеспечивают совместность работы анкера, оболочки и грунта обратной засыпки.

Недостатками такого типа конструкции являются:

- применимость решения только для ОБД из монолитного железобетона;

- необходимость выполнения дополнительных монтажных работ плавкраном (железобетонное кольцо на верхнем торце ОБД);

- необходимость проведения дорогостоящих водолазных работ для монтажа одноконсольной анкерной плиты;

- возможность применения только в качестве сооружений типа «набережная» из-за необходимости наличия грунта засыпки хотя бы с одной стороны ОБД.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение устойчивости тонких заполненных грунтом оболочек большого диаметра за счет устройства дополнительной поверхности опирания оболочки на грунт основания (опорного кольца), а также за счет вовлечения в работу оболочки дополнительного объема грунта обратной засыпки.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в распределении давления, передаваемого оболочкой на грунт основания по поверхности опорного кольца, а также за счет включения в работу некоторого объема грунта, расположенного «над» опорным кольцом и поперечными ребрами жесткости.

Поставленная задача решается тем, что в оболочке большого диаметра, включающей цилиндрическую обечайку, выполненную с возможностью размещения на грунтовом основании, опорный элемент выполнен в виде, по меньшей мере, одного опорного кольца, жестко скрепленного с наружной поверхностью обечайки выше ее нижней кромки, причем плоскость опорного кольца перпендикулярна продольной оси обечайки, также опорное кольцо укреплено ребрами жесткости, предпочтительно косынками, перпендикулярные кромки которых жестко скреплены с поверхностью обечайки и соответствующей стороной опорного кольца, при этом ширину опорного кольца определяют из выражения

m=F/(2 R _o),

где m - ширина опорного кольца, м;

F - вертикальная расчетная нагрузка на грунтовое основание, передаваемая оболочкой, кг;

R - внешний радиус цилиндрической обечайки;

_o - несущая способность материала основания, кг/м².

Расстояние от опорного кольца до нижней кромки цилиндрической обечайки зависит от характеристик грунтов основания и определяется соотношением:

1/10 H ÷ 1/40 Н,

где Н - высота оболочки, принимаемая в пределах от 1 до 20 м.

Цилиндрическая обечайка, опорное кольцо и ребра жесткости выполнены из металла. Кроме того, ребра жесткости могут быть размещены как со стороны поверхности кольца, противоположной поверхности, воспринимающей отпор грунта, так и с обеих сторон опорного кольца.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

На фиг.1 изображен общий вид ОБД для строительства гидротехнических сооружений в отдалении от берега.

На фиг.2 изображен вертикальный разрез ОБД с опорным кольцом для строительства гидротехнических сооружений в отдалении от берега.

На фиг.3 изображен общий вид ОБД для строительства берегоукрепительных (подпорных) сооружений.

На фиг.4 изображен вертикальный разрез ОБД с опорным кольцом для строительства берегоукрепительных (подпорных) сооружений.

На чертежах изображена ОБД 1, погруженная в воду 2 и установленная на грунте основания 3. Оболочка 1 выполнена из металла и заполнена грунтом 4, к ней при помощи сварного соединения прикреплено опорное кольцо 5, укрепленное ребрами жесткости 6, которые располагаются на плоскости кольца 5, противоположной поверхности, по которой формируется отпор грунта сверху или снизу. При строительстве берегоукрепительных (подпорных) сооружений опорное кольцо 5 не только упирается в грунт основания 3 со стороны воды 2, но и вовлекает в работу удерживаемый снаружи грунт со стороны берега 7.

Устройство работает следующим образом.

Заранее подготовленная к монтажу металлическая ОБД 1 с приваренным к ней опорным кольцом 5 и поперечными ребрами жесткости 6 устанавливается в проектное положение на грунт основания 3. Полость оболочки заполняется грунтом - наполнителем 4. Опорное кольцо 5 при этом является упором, препятствующим последующему врезанию тонкого нижнего края оболочки 1 в грунт основания 3. В случае применения ОБД для удержания наружных массивов грунта, когда засыпка оказывает внешнее давление с одной стороны оболочки по всей ее высоте (расширение береговой зоны, строительство сооружений типа «набережная»), оболочка стремится опрокинуться в сторону от берега, при этом опорное кольцо 5 не только упирается в грунт основания 3 со стороны воды 2, но и вовлекает в работу удерживаемый снаружи грунт со стороны берега 7, «приподнимая» его и создавая при этом дополнительные удерживающие силы, препятствующие опрокидыванию.

Устройство опорного кольца (полки) способствует образованию поверхности взаимодействия оболочки с грунтом, препятствующую прорезанию грунта основания тонким опорным краем оболочки и ее опрокидыванию.

Укрепление плоскости кольца дополнительными поперечными ребрами жесткости обеспечивает необходимую прочность кольца (полки) при его взаимодействии с грунтом основания и засыпки.

Различные варианты расположения ребер жесткости расширяют область применения - как для укрепления береговых линий (где часть опорного кольца передает давление на грунт основания: в области, где оболочка прижимается к основанию, а часть кольца вовлекает дополнительный объем наружного грунта в работу на устойчивость: в области, где на оболочку оказывает внешнее давление грунт береговой кромки), так и для строительства пирсов и молов в отдалении от берега, где по всей поверхности опорного кольца оболочка прижимается к основанию.

Постановкой одного или нескольких опорных колец можно добиться выравнивания давления нижней кромки ОБД на грунт основания и тем самым свести к минимуму возможность ее недопустимого отклонения или опрокидывания.

Устройство нескольких опорных колец по высоте оболочки позволяет создать под всеми кольцами, за исключением нижнего, пустоты, не заполненные грунтом обратной засыпки пазух, это снижает боковое давление грунта на стенки ОБД, повышая ее устойчивость.

К достоинствам предлагаемого технического решения в сравнении с аналогами можно отнести:

- отсутствие необходимости проведения дорогостоящих водолазных работ для монтажа дополнительных конструктивных элементов, предназначенных обеспечить устойчивость конструкции;

- отсутствие необходимости модернизации и переоснащения оборудования для производства и монтажа металлических ОБД;

- обеспечение устойчивости ОБД на опрокидывание без увеличения диаметра, что особенно важно в случае их применения в причальных сооружениях;

- возможность варьировать диаметр оболочки в зависимости от ширины опорного кольца и, наоборот, из условий устойчивости конструкции;

- возможность применения при незначительном изменении конструкции опорного кольца как для устройства пирсов и молов, со всех сторон омываемых водой, так и для строительства защитных ограждений, служащих для удержания грунта береговой кромки;

- опорное кольцо служит дополнительным приспособлением для соблюдения точности установки конструкции в проектное положение при монтаже на грунтовом основании.