ПРИЧАЛЬНОЕ СООРУЖЕНИЕ НА СЛАБОМ ГРУНТЕ И СПОСОБ ЕГО ВОЗВЕДЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК E02B3/06 

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при строительстве морских и речных причалов на слабых грунтах, преимущественно на илах большой мощности.

Известно причальное сооружение, включающее лицевой элемент, анкерное устройство и грунт обратной засыпки, закрепленный вяжущим материалом, и способ его возведения, при котором для снижения давления грунта на лицевой элемент причального сооружения грунт обратной засыпки закреплен вяжущим материалом путем инъекции его в грунт через перфорированный элемент анкерного устройства [1] Закрепленный грунт оказывает меньшее давление на лицевой элемент, чем не закрепленный.

Однако такое сооружение и способ его возведения не применимы на слабых водосодержащих илистых грунтах поскольку для выполнения обратной засыпки необходимо заменить илистый грунт на песок, что связано с большими объемами земляных работ, потребностью в большом количестве замещающего грунта, а также необходимостью отвода площадей для складирования удаляемых илов, что неблагоприятно для окружающей среды.

Известно причальное сооружение на слабых грунтах, включающее лицевую стенку, закрепленные массивы грунта в виде контрфорсных стен, выполненных из слабого грунта естественного залегания, перемешанного с цементом, и анкерные тяги, соединенные попарно горизонтальными ригелями, опирающимися на тыловые торцы контрфорсных стен [2]
В указанном известном сооружении контрфорсные стены лишь частично экранируют лицевую стенку от бокового давления грунта, однако значительные горизонтальные усилия от давления слабого несвязного грунта передаются на лицевую стенку, что делает конструкцию неприменимой на слабых илистых грунтах большой мощности. Неприменима она и для районов с повышенной сейсмичностью.

Наиболее близким техническим решением является причальное сооружение на слабом грунте, включающее лицевую стенку, соединенную с анкерными устройствами, и размещенные в слабом грунте естественного залегания и выполненные из смеси этого грунта с вяжущим материалом закрепляющие колоннообразные элементы, центры поперечных сечений которых образуют в плане узлы регулярной сетки [3]
В указанном причальном сооружении лицевая стенка значительно разгружена от бокового давления грунта, однако конструкция его очень сложная, материалоемкая и дорогостоящая.

Известен способ сооружения причального сооружения на слабом грунте, включающий установку лицевой стенки, выполнение закрепленных массивов в виде контрфорсных стен путем разбуривания слабого грунта естественного залегания и перемешивания его с цементом и последующее крепление анкерных тяг, соединенных попарно горизонтальными ригелями, с опиранием их на тыловые торцы контрфорсных стен [2]
Указанный способ не позволяет возвести причальное сооружение, в котором исключалось бы боковое давление на лицевую стенку.

Наиболее близким к предлагаемому является способ возведения причального сооружения на слабом грунте, включающий установку лицевой стенки, закрепление слабого грунта естественного залегания выполняемыми путем перемешивания этого грунта с вяжущим материалом колоннообразными элементами, центры поперечных сечений которых располагают в плане в узлах регулярной сетки, и последующую анкеровку лицевой стенки [3] Колоннообразные элементы выполняют путем разбуривания в слабом грунте естественного залегания при помощи специальных буровых машин вертикальных скважин и перемешивания разбуренного грунта с вяжущим материалом, например, цементом.

Указанный известный способ позволяет возводить на слабом грунте причальное сооружение, в котором лицевая стенка существенно разгружена от бокового давления слабого грунта, однако способ требует чрезмерно больших затрат труда, материалов и времени на возведение причального сооружения.

Целью изобретения является создание простой и экономичной конструкции причального сооружения, работающего на слабых грунтах в районах с повышенной сейсмической активностью, и эффективного высокопроизводительного способа его возведения.

Это достигается тем, что в причальном сооружении на слабом грунте, включающем лицевую стенку, соединенную с анкерными устройствами, и размещенные в слабом грунте естественного залегания и выполненные из смеси этого грунта с вяжущим материалом закрепляющие колоннообразные элементы, центры поперечных сечений которых образуют в плане узлы регулярной сетки, колоннообразные элементы расположены с интервалами между ними, а площадь каждой ячейки сетки, образованной центрами поперечных сечений колоннообразных элементов, удовлетворяет условию, что вес объема грунта естественного залегания, находящегося между колоннообразными элементами, ограничивающими ячейку сетки, не превышает пятикратного значения суммарной силы сцепления этого грунта с боковыми поверхностями упомянутых колоннообразных элементов.

При этом сетка, образованная центрами поперечных сечений колоннообразных элементов, может иметь прямоугольные ячейки, причем соотношение сторон прямоугольных ячеек сетки может быть в пределах от 1:1 до 2:1.

Сетка, образованная центрами поперечных сечений колоннообразных элементов, может иметь ромбовидные ячейки. В этом случае соотношение диагоналей ромбовидных ячеек сетки может составлять не более 2:1.

Сетка, образованная центрами поперечных сечений колоннообразных элементов, может иметь в тыловой части причального сооружения ячейки большей площади, чем в его прикордонной части.

Грунт естественного залегания на участках причального сооружения, находящихся под действием сосредоточенных эксплуатационных нагрузок, может быть закреплен дополнительными колоннообразными элементами.

Колоннообразные элементы могут быть выполнены в поперечном сечении круглыми, и/или кольцевыми, и/или овальными, и/или дугообразными, и/или Т-образными, и/или V-образными и/или L-образными, и/или полигональными.

Колоннообразные элементы могут быть выполнены по высоте с уширениями.

В части способа поставленная задача решается за счет того, что в способе возведения причального сооружения на слабом грунте, включающем установку лицевой стенки закрепление слабого грунта естественного залегания выполняемыми путем перемешивания этого грунта с вяжущим материалом колоннообразными элементами, центры поперечных сечений которых располагают в плане в узлах регулярной сетки, и последующую анкеровку лицевой стенки, колоннообразные элементы располагают с интервалами между ними, а сетку размечают на поверхности закрепляемого грунта таким образом, чтобы площадь каждой ячейки сетки удовлетворяла условию, что вес объема грунта естественного залегания, находящегося между колоннообразными элементами, ограничивающими ячейку сетки, не превышает пятикратного значения суммарной силы сцепления этого грунта с боковыми поверхностями упомянутых колоннообразных элементов.

После закрепления грунта естественного залегания, до или после анкеровки лицевой стенки, может быть произведена выемка грунта перед лицевой стенкой со стороны акватории.

При разметке сетки на поверхности закрепляемого грунта можно выполнять ее ячейки прямоугольными. При этом соотношение сторон прямоугольных ячеек может быть в пределах от 1:1 до 2:1.

При разметке сетки на поверхности закрепляемого грунта ее ячейки можно выполнять ромбовидными. В этом случае ромбовидные ячейки сетки могут быть выполнены с соотношением их диагоналей, не превышающим 2:1.

При разметке сетки на поверхности закрепляемого грунта ее ячейки можно выполнять в тыловой части причального сооружения большей площадью, чем в его прикордонной части. Грунт естественного залегания на участках причального сооружения, находящихся под действием сосредоточенных эксплуатационных нагрузок, можно закреплять дополнительными колоннообразными элементами.

Колоннообразные элементы можно выполнять в поперечном сечении круглыми, и/или кольцевыми, и/или дугообразными, и/или Т-образными, и/или V-образными, и/или L-образными и/или полигональными.

Колоннообразные элементы можно выполнять по высоте с уширениями.

При создании колоннообразных элементов грунт естественного залегания можно перемешивать с порошкообразным вяжущим материалом.

При этом в качестве последнего можно использовать цемент, или известь, или их смесь.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в упрощении конструкции причального сооружения, снижении его материалоемкости при одновременном обеспечении оптимальной разгрузки лицевой стенки от бокового давления грунта.

В части способа технический результат заключается в снижении трудозатрат, сокращении стоимости и сроков строительства.

Благодаря тому, что закрепляющие грунт колоннообразные элементы расположены в слабом грунте с интервалами между ними по сетке в плане, значительно снижается расход вяжущего материала, снижаются трудозатраты на закрепление грунта. При этом слабый грунт разбивается на ячейки, каждая из которых ограничена четырьмя колоннообразными элементами, выполненными в грунте естественного залегания без его выемки путем разбуривания в грунте скважин и перемешивания разбуренного грунта с вяжущим материалом.

Слабый грунт армируется закрепляющими колоннообразными элементами. Помимо экранирующего эффекта, способствующего снижению бокового давления на лицевую стенку, колоннообразные элементы оказывают на грунт некоторое стабилизирующее действие за счет появления сил сцепления грунта с боковыми поверхностями колоннообразных элементов.

При этом благодаря выполнению площади каждой ячейки сетки, образованной центрами поперечных сечений колоннообразных элементов, удовлетворяющей условию, что вес объема грунта естественного залегания, находящегося между колоннообразными элементами, ограничивающими ячейку сетки. не превышает пятикратного значения суммарной силы сцепления этого грунта с боковыми поверхностями упомянутых колоннообразных элементов, грунт разбивается на объемы такого размера, вес которых частично или полностью уравновешен силами сцепления грунта с боковыми поверхностями четырех ограничивающих ячейку колоннообразных элементов.

Если площадь ячейки выбрана из условия, что вес грунта в пределах ячейки сетки равен или меньше суммарной силы сцепления с колоннообразными элементами, то грунт как бы "зависает" на колоннообразных элементах, т.к. вес его уравновешивается силами сцепления с грунтом, и, следовательно, в этом случае боковое давление грунта на лицевую стенку практически исключается.

Если площадь ячейки удовлетворяет условию, что вес грунта, находящегося между колоннообразными элементами в пределах одной ячейки, превышает суммарную силу сцепления с колоннообразными элементами, то его вес лишь частично уравновешен силой сцепления, и грунт в этом случае уже оказывает боковое давление на лицевую стенку. Это давление тем больше, чем больше площадь ячейки.

Экспериментально установлено, что увеличение площади ячеек до размера, при котором вес объема грунта превышает пятикратное значение суммарной силы сцепления, неэффективно, т.к. для восприятия бокового давления не полностью закрепленного грунта необходимо увеличить несущую способность самой лицевой стенки, что ведет к увеличению ее материалоемкости.

Образованная центрами поперечных сечений колоннообразных элементов сетка может иметь прямоугольные или ромбовидные ячейки, при этом эффективнее закрепляется грунт в случае, когда соотношение сторон прямоугольных ячеек или диагоналей ромбовидных ячеек выполнено близким к 1:1, т.к. в этом случае колоннообразные элементы равноудалены друг от друга. При увеличении соотношения эффект "зависания" грунта на колоннообразных элементах уменьшается.

Формы поперечного сечения колоннообразных элементов, отличные от круглой, выполняют для улучшения работы элементов на сдвиг при оптимальных затратах труда и материалов на их изготовление.

Уширения по высоте колонн выполняют для более эффективного снижения бокового давления грунта за счет повышения эффекта "зависания" грунта на колоннообразных элементах.

Благодаря тому, что колоннообразные элементы выполняют из грунта естественного залегания путем перемешивания его с порошкообразным вяжущим материалом (сухой цемент, известь или их смесь), происходит связывание воды водонасыщенных грунтов. Вследствие протекающих реакций долговременного действия водосодержания грунта уменьшается, прочность его увеличивается, происходит глубинная стабилизация грунта.

Так, массив слабого илистого грунта, имеющего в естественном состоянии угол внутреннего трения Φ = 5-7^°, после армирования его илоцементными колоннообразными элементами (илоцементными сваями) по предлагаемому способу приобретает качественно новые свойства и характеристики, соответствующие грунтам-аналогам с углом внутреннего трения Φ = 30-40^°, модулем деформации Е 50 кг/см и более, а коэффициент бокового давления грунта на стенку μ_c, как показали исследования сейсмо-акустическими методами, снижается при землетрясении в 1,5-2 раза.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез причального сооружения; на фиг. 2- сечение А-А на фиг.1, вариант с прямоугольными ячейками сетки; на фиг. 3 то же, вариант с ромбовидными ячейками сетки; на фиг. 4 варианты форм поперечного сечения колоннообразных элементов; на фиг. 5 сечение Б-Б на фиг.2; на фиг. 6 узел 1 на фиг. 2.

Причальное сооружение включает лицевую стенку 1, погруженную в относительно прочный грунт 2 и проходящую через слабый грунт 3, колоннообразные элементы 4, центры поперечных сечений которых образуют в плане узлы сетки 5 с прямоугольными ячейками 6 или ромбовидными ячейками 7. Колоннообразные элементы 4 могут быть выполнены по высоте с уширениями 8 и размещены в слабом грунте 3 тела причала 9 и призмы отпора 10.

Способ возведения причального сооружения осуществляется следующим образом.

На сухом берегу на некотором удалении от воды погружают лицевую стенку 1, например, из шпунта, до относительно прочного грунта 2. До погружения стенки 1 или после ее погружения в слабом грунте естественного залегания 3 выполняют закрепленные массивы грунта в виде колоннообразных элементов 4, располагая их центры по сетке в плане. Для этого на закрепляемой территории производят разметку сетки выбранной конфигурации прямоугольную (квадратную) 6 или ромбовидную 7, после чего в узлах сетки выполняют колоннообразные элементы 4 заданной формы поперечного сечения.

Колоннообразные элементы 4 (грунтовые сваи) выполняют по известной технологии с помощью специальной буровой техники путем разбуривания в слабом грунте скважин и перемешивания разбуренного грунта с порошкообразным вяжущим материалом, который выбирают в зависимости от вида закрепляемого грунта. Для ила применяют сухой цемент, для глины негашеную известь, для илисто-глинистых грунтов используют соответствующие смеси цемента и извести. Кроме того, возможно применение в соответствии с технологией различных добавок - ускоряющих, замедляющих твердение и т.п.

Площадь каждой ячейки 5 рассчитывают из неравенства:
G≅kC
где G вес грунта, находящегося в объеме межколонного пространства, ограниченного в плане одной ячейкой сетки, кг;
С сила сцепления указанного объема грунта с боковыми поверхностями колоннообразных элементов, ограничивающих ячейку сетки (фиг. 6), кг;
k эмпирический коэффициент, принимаемый в интервале от 0,8 до 5.

Вес грунта в пределах одной ячейки сетки равен
G = γ(S_я- S)h (1)
Суммарная сила сцепления равна C mLh (2)
где S_я площадь ячейки сетки, м²;
s площадь сечения колоннообразного элемента, м²;
h толщина слоя закрепляемого грунта, равная высоте колоннообразного элемента, м;
γ объемный вес закрепляемого грунта, кг/м³;
m коэффициент сцепления материала колоннообразного элемента и слабого грунта, кг/м
L периметр поперечного сечения колоннообразного элемента, м.

Приравнивая (1) и (2), получаем:

Исходя из расчетной площади, полученной по формуле (3), и в зависимости от выбранной конфигурации ячейки, рассчитывают шаг а сетки 5 и размечают ее на поверхности закрепляемого грунта 3.

После этого в узлах сетки 5 выполняют колоннообразные элементы 4.

Колоннообразные элементы 4 можно выполнять с уширениями 8 (фиг. 5), преимущественно для варианта круглого поперечного сечения, т.е. когда колоннообразный элемент выполняют в виде цилиндрической сваи. Уширения 8 выполняют например, за счет уменьшения скорости вертикального перемещения бурового инструмента и увеличения расхода вяжущего материала.

Закрепление грунта путем выполнения в нем грунтоцементных (либо грунтоизвестковых) свай производят не только в теле причала 9, но и в призме отпора 10, выполняя при этом высоту колоннообразных элементов с учетом обеспечения необходимого защемления лицевой стенки 1 и последующих дноуглубительных работ.

По окончании выполнения колоннообразных элементов производят монтаж анкерных устройств, например, в виде анкерных плит 11 и анкерных тяг 12, производят насыпку распределительного верхнего слоя 13 из песка, установку подкрановых путей 14, выполняют покрытие причала.

Под анкерными тягами 12, подкрановыми путями 14 и железнодорожными путями (на чертеже не показаны) выполняют дополнительные колоннообразные элементы 15, рассчитанные на восприятие сосредоточенных эксплуатационных нагрузок.

После завершения закрепления грунта призмы отпора 10 производят удаление слоя слабого грунта, оставшегося над призмой отпора 10 со стороны акватории.

В этом случае закрепленный грунт тела причала 9 уже не оказывает значительного давления на лицевую стенку 1. Такая последовательность выполнения операций способа позволяет соорудить лицевую стенку 1, не увеличивая запас ее прочности.

Описанный способ возведения причального сооружения с суши является наиболее эффективным, т.к. в этом случае лицевая стенка разгружена от бокового давления грунта в процессе строительства и может быть выполнена без излишнего запаса прочности. Возможен вариант возведения причала со стороны акватории с применением плавсредств.

Предлагаемая конструкция причального сооружения на слабом, преимущественно илистом грунте проста, обладает пониженной материалоемкостью, дешева, при этом она может выдерживать значительные динамические нагрузки. Способ позволяет при рациональном расходовании вяжущего материала, сниженных трудозатратах возводить экономичные конструкции причальных сооружений на слабых грунтах. Выполнение по предлагаемому способу колоннообразных элементов в слабом грунте без его выемки значительно снижает загрязнение окружающей среды при производстве работ. При этом колоннообразные элементы не только армируют слабый грунт, они образуют с окружающим их слабым грунтом единый прочный грунт-композит, физико-механические свойства которого приближаются к свойствам крупнозернистого песка. Способ позволяет возводить причальные сооружения на илах большой мощности в районах с сейсмической активностью 8 баллов и более без замены илов, что прежде считалось невозможным. Помимо значительного сокращения стоимости строительства, транспортных расходов, затрат на материалы, изобретение позволяет возводить причалы в сжатые сроки.

Использование: в области гидротехнического строительства, а именно, в конструкциях причальных сооружений на слабых грунтах и в способах их возведения. Сущность изобретения: в причальном сооружении на слабом грунте, включающем лицевую стенку, соединенное с ней анкерное устройство и размещенные в слабом грунте естественного залегания и выполненные из смеси этого грунта с вяжущим материалом закрепляющие колоннообразные элементы, центры поперечных сечений которых образуют в плане узлы регулярной сетки, колоннообразные элементы расположены с интервалами между ними, а площадь каждой ячейки сетки, образованной центрами поперечных сечений колоннообразных элементов, удовлетворяет условию, что вес объема грунта естественного залегания, находящегося между колоннообразными элементами, ограничивающими ячейку сетки, не превышает пятикратного значения суммарной силы сцепления этого грунта с боковыми поверхностями упомянутых колоннообразных элементов. При возведении причального сооружения после закрепления слабого грунта до или после анкеровки лицевой стенки производят выемку грунта перед лицевой стенкой со стороны акватории. 2 с. и 19 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Причальное сооружение на слабом грунте, включающее лицевую стенку, соединенную с анкерными устройствами, и размещенные в слабом грунте естественного залегания и выполненные из смеси этого грунта с вяжущим материалом закрепляющие колоннообразные элементы, центры поперечных сечений которых образуют в плане узлы регулярной сетки, отличающееся тем, что колоннообразные элементы расположены с интервалом между ними, а площадь каждой ячейки сетки, образованной центрами поперечных сечений колоннообразных элементов, удовлетворяет условию, что вес объема грунта естественного залегания, находящегося между колоннообразными элементами, ограничивающими ячейку сетки, не превышает пятикратного значения суммарной силы сцепления этого грунта с боковыми поверхностями упомянутых колоннообразных элементов. 2. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что сетка, образованная центрами поперечных сечений колоннообразных элементов, имеет прямоугольные ячейки. 3. Сооружение по п. 2, отличающееся тем, что соотношение сторон прямоугольных ячеек сетки находится в пределах от 1:1 до 2:1. 4. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что сетка, образованная центрами поперечных сечений колоннообразных элементов, имеет ромбовидные ячейки. 5. Сооружение по п. 4, отличающееся тем, что соотношение диагоналей ромбовидных ячеек сетки составляет не более 2:1. 6.Сооружение по пп. 1-5, отличающееся тем, что сетка, образованная центрами поперечных сечений колоннообразных элементов, имеет в тыловой части причального сооружения ячейки большей площади, чем в его прикордонной части. 7. Причальное сооружение по пп. 1-6, отличающееся тем, что грунт естественного залегания на участках причального сооружения, находящихся под действием сосредоточенных эксплуатационных нагрузок, закреплен дополнительными колоннообразными элементами. 8. Причальное сооружение по пп. 1-7, отличающееся тем, что коллоннообразные элементы выполнены в поперечном сечении круглыми, и/или кольцевыми, и/или овальными, и/или дугообразными, и/или Т-образными, и/или V-образными, и/или L-образными, и/или полигональными. 9. Причальное сооружение по пп. 1-7, отличающееся тем, что колоннообразные элементы выполнены по высоте с уширениями. 10.Способ возведения причального сооружения на слабом грунте, включающий установку лицевой стенки, закрепление слабого грунта естественного залегания выполняемыми путем перемешивания этого грунта с вяжущим материалом колоннообразными элементами, центры поперечных сечений которых располагают в плане в узлах регулярной сетки, и последующую анкеровку лицевой стенки, отличающийся тем, что колоннообразные элементы располагают с интервалами между ними, а сетку размечают на поверхности закрепляемого грунта таким образом, чтобы площадь каждой ячейки сетки удовлетворяла условию, что вес объема грунта естественного залегания, находящегося между колоннообразными элементами, ограничивающими ячейку сетки, не превышает пятикратного значения суммарной силы сцепления этого грунта с боковыми поверхностями упомянутых колоннообразных элементов. 11.Способ по п. 10, отличающийся тем, что после закрепления грунта естественного залегания, до или после анкеровки лицевой стенки, производят выемку грунта перед лицевой стенкой со стороны акватории. 12.Способ по п. 10 и 11, отличающийся тем, что при разметке сетки на поверхности закрепляемого грунта ее ячейки выполняют прямоугольными. 13.Способ по п. 12, отличающийся тем, что прямоугольные ячейки сетки выполняют с соотношением их сторон, находящимся в пределах от 1:1 до 2:1. 14. Способ по пп. 10 и 11, отличающийся тем, что при разметке сетки на поверхности закрепляемого грунта ее ячейки выполняют ромбовидными. 15.Способ по п. 14, отличающийся тем, что ромбовидные ячейки сетки выполняют с соотношением их диагоналей, не превышающим 2:1. 16. Способ по пп. 10-15, отличающийся тем, что при разметке сетки на поверхности закрепляемого грунта ее ячейки выполняют в тыловой части причального сооружения большей площадью, чем в его прикордонной части. 17. Способ по пп. 10-16, отличающийся тем, что грунт естественного залегания на участках причального сооружения, находящихся под действием сосредоточенных эксплуатационных нагрузок, закрепляют дополнительными колоннообразными элементами. 18. Способ по пп. 10-17, отличающийся тем, что колоннообразные элементы выполняют в поперечном сечении круглыми, и/или кольцевыми, и/или овальными, и/или дугообразными, и/или Г-образными, и/или V-образными, и/или L-образными, и/или полигональными. 19. Способ по пп. 10-17, отличающийся тем, что колоннообразные элементы выполняют по высоте с уширениями. 20. Способ по пп. 10-19, отличающийся тем, что при создании колоннообразных элементов грунт естественного залегания перемешивают с порошкообразным вяжущим материалом. 21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что в качестве порошкообразного вяжущего материала используют цемент, или известь, или их смесь.