ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ФУНДАМЕНТНАЯ ПЛАТФОРМА Российский патент 2003 года по МПК E02D27/32 E02D27/34 E02D27/35 

Изобретение относится к строительству фундаментов на вечномерзлых, слабых, просадочных, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах под различные сооружения, в том числе фундаментов под резервуары.

Известен фундамент, у которого опорой днища резервуара является система перекрестных балок (главных и второстепенных) из стального проката, опирающихся на железобетонные колонны, жестко заделанные в бетонный фундамент. Расположение балок радиально-кольцевое в пределах днища резервуара. Данное фундаментное устройство является сталежелезобетонным (См. кн: Аварии и катастрофы (предупреждение к ликвидации последствий). Книга 4, М.: АСВ, 1998, с. 87-92).

Недостатками данного фундамента является его неэффективная конструкция для строительства на вечномерзлых, слабых, просадочных, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах за счет того, что система перекрестных балок это плоская система, эквивалентная работе одной плиты. Балочная система, железобетонные колонны и их бетонный фундамент являются раздельными конструкциями, не обеспечивающими эффективную пространственную работу всей данной фундаментной конструкции. В связи с этим расход материала повышается. Фундамент заглублен в грунт, что в условиях сейсмики не создает защиты резервуаров от горизонтальных сейсмических воздействий.

Устройство трудоемкое и его осуществление затруднено, особенно в зимний период. При слабых и просадочных грунтах данный фундамент неэффективен, т.к. остаются все трудности для устройства фундаментов под колонны и повышенная чувствительность к неравномерным осадкам.

Известно устройство фундамента под сооружения, возводимого на вечномерзлых грунтах, которое содержит заглубленную подсыпку и опорные блоки в виде железобетонных лотков, представляющие собой вентиляционные каналы, на которые опирается верхняя железобетонная плита. Опорные блоки могут быть выполнены из лотковых элементов, уложенных со смещением относительно продольных осей вентилируемых каналов, образованных рядами этих блоков (см. SU 1776103: Фундамент сооружения, возводимого на вечномерзлых грунтах, М.кл. 5 Е 02 D 27/35, 1988 г.).

Недостатком данной конструкции является неэффективная конструкция для строительства на вечномерзлых, слабых, просадочных, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах за счет необходимости заглубления в грунт и устройства подсыпки, а также то, что все несущие элементы фундамента (железобетонные лотки, верхняя железобетонная плита и подсыпка) не образуют единую полносвязную совместно работающую пространственную конструкцию.

Поэтому данный фундамент не может уберечь воздвигнутое на нем сооружение (в том числе резервуар) от неблагоприятных неравномерных осадок основания.

Заглубление фундамента создает неблагоприятные условия для сооружений при горизонтальных сейсмических толчках, а также не оберегает от грунтовых вод.

Известна конструкция Рибо (см. Сафарян М.К., Иванцов О.М. Проектирование и сооружение стальных резервуаров. Гостотехиздат, 1961, с. 36-37), представляющая собой фундамент под резервуар емкостью 3,5 тыс. м³ (диаметр днища 21,4 м, высотой примерно 12,2 м), железобетонную фундаментную плиту толщиной 0,40 м, стальные опорные стойки. Плита покоится на 101 железобетонной свае сечением 30х30 см длиной от 5 до 7 м, опирающихся на скалу (см. Сафарян М.К. , Иванцов О. М. Проектирование и сооружение стальных резервуаров. Гостотехиздат, 1961, с. 36-37).

Данная конструкция Рибо имеет следующие недостатки: большой расход бетона около 170 м³ (на плиту толщиной 0,4 м и 101 сваю сечением 30х30 см при длине от 5 до 7 м), наличие скального основания, без которого вместо свай-стоек требуются более длинные сваи, наличие стальных опорных стоек. Весьма велика трудоемкость работ (забивка 101 сваи, бетонирование монолитной плиты толщиной 0,4 м).

Данная конструкция не пригодна для строительства на слабых, вечномерзлых грунтах и в сейсмических районах. Чем больше площадь опирания резервуара на основание, тем более вероятность (возможность) неравномерных осадок, которые могут служить причиной аварии.

Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату является пространственная фундаментная платформа для строительства на вечномерзлых грунтах, включающая объединенные между собой посредством металлических элементов верхнюю и нижнюю плиты, причем нижняя плита установлена без заглубления на наружной поверхности грунта (см. RU 2060324 С1, Е 02 D 27/33, 20.05.1996).

Задачей изобретения является создание пространственной фундаментной платформы для строительства на вечномерзлых, слабых, просадочных, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах за счет повышенной жесткости всей пространственной фундаментной платформы, из малого расхода металла, удобства транспортировки и производства работ, удобства эксплуатации, в проведении планово-предупредительных ремонтов при аварийных ситуациях, использование в сейсмических районах, а также для слабых и просадочных грунтов.

Поставленная задача решается за счет того, что в пространственной фундаментной платформе для строительства на вечномерзлых грунтах, включающей объединенные между собой посредством металлических элементов верхнюю и нижнюю плиты, причем нижняя плита установлена без заглубления на наружной поверхности грунта, согласно изобретению при строительстве на слабых, пучинистых, просадочных грунтах и в сейсмических зонах, верхняя плита ребрами вниз и нижняя плита ребрами вверх связаны между собой металлическим пространственным шпренгелем со стойками и раскосами с образованием единой пространственной конструкции для установки на верхней плите, как на общей фундаментной платформе, одного или нескольких резервуаров вместе с обслуживающими их трубопроводами и оборудованием, причем все элементы пространственной конструкции при любом приложении нагрузки работают совместно, на верхней плите смонтировано надфундаментное строение, нижняя плита установлена на уплотненном основании после снятия растительного слоя, а верхние и нижние плиты выполнены из сборных элементов, которые под малые нагрузки изготовлены из обычного железобетона, а под большие нагрузки - из сталежелезобетона с армированием прокатными металлическими элементами, причем сборные элементы плит соединены между собой путем сварки закладных деталей и замоноличивания швов, присоединение стоек и раскосов шпренгеля к верхним и нижним плитам из обычного железобетона выполнено в узлах с помощью металлических закладных деталей с выступающими пластинами, замоноличенных в верхней и нижней плитах, к которым узлы шпренгелей присоединены на сварке или болтах, а в сталежелезобетонных плитах - с помощью фасонок, присоединенных к выступающим прокатным элементам также на сварке или на болтах, при этом размеры площади опирания пространственной фундаментной платформы выбираются большими, чем размеры площади опирания надфундаментного строения, верхние и нижние плиты совместно с металлическим пространственным шпренгелем образуют вентилируемое во всех направлениях продуваемое подполье, предотвращающее теплообмен между подогреваемым наполнителем резервуара и вечномерзлым грунтом, обеспечивая тем самым его прочностные свойства, между нижней плитой и основанием грунта в сейсмических зонах установлен скользящий слой из материалов с низким значением коэффициента трения скольжения по основанию, уменьшающий трение между фундаментной платформой и основанием, по контуру пространственной фундаментной платформы установлены щиты, которые герметично состыкованы с верхними и нижними плитами и образуют резервную емкость для слива жидкости из резервуара при аварийных ситуациях, в верхней плите выполнены отверстия с крышкой для осмотра и аварийного наполнения резервной емкости, образованной нижней плитой и щитами, причем в щитах установлены приточные и вытяжные трубы для естественной или принудительной вентиляции.

Указанная пространственная фундаментная платформа, образуя единую пространственную фундаментную платформу в виде пространственной конструкции, все элементы которой при любом приложении нагрузки работают совместно, обладает повышенной жесткостью и обеспечивает сохранность надфундаментного строения при просадках и неравномерных осадках грунтов, а также на слабых и пучинистых грунтах.

Выполнение верхних и нижних плит из сборных элементов под малые нагрузки из обычного железобетона, а под большие нагрузки - из сталежелезобетона с армированием прокатными металлическими элементами позволяет создавать конструкцию под различные нагрузки.

Размеры площади опирания пространственной фундаментной платформы выбираются значительно большими, чем размеры площади опирания надфундаментного строения, т.е. площадь опирания фундамента велика, а давление на грунт мало. Благодаря повышенной жесткости пространственной фундаментной платформы нейтрализуется неблагоприятное влияние неравномерных осадок на слабых и просадочных грунтах. На основание передается относительно небольшое давление, причем в основном близкое к равномерному. Это уменьшает давление на основание нижней плиты и снижает влияние неравномерности осадок основания, что также позволяет устраивать пространственную фундаментную платформу на грунтах относительно небольшой прочности.

В целях повышения жесткости и уменьшения трещиностойкости железобетонные плиты могут предварительно напрягаться.

В целом пространственная фундаментная платформа работает как пространственная двухслойная система, в которой эффективно используются свойства материалов (бетон на сжатие, металл на растяжение). Она имеет повышенную жесткость (малые прогибы), при этом регулирующими параметрами могут служить высота, рациональная величина которой определяется расчетом, а также густота расположения решетки шпренгеля.

Пространственная фундаментная платформа устанавливается сразу на грунт и не требует заглубления, что практически сводит к минимуму производство земляных работ, кроме снятия растительного слоя и возможной утрамбовки грунта, но можно без последнего.

Установка на верхней плите, как на общей фундаментной платформе одного или нескольких резервуаров вместе с обслуживающими их трубопроводами и оборудованием, создает удобство в эксплуатации. Это предотвращает пагубное влияние неравномерных осадок при их расположении на разобщенных фундаментах. Традиционно резервуар и оборудование устанавливаются на разные фундаменты, что создает большие трудности при эксплуатации из-за разных осадок грунта.

Устройство скользящего слоя в сейсмических зонах предотвращает негативное воздействие горизонтальных сейсмических сил на пространственную фундаментную платформу и верхнее строение.

Таким образом создана пространственная фундаментная платформа, эффективность которой складывается из малого расхода материала, повышенной жесткости всей пространственной фундаментной платформы, удобства транспортировки элементов и производства работ, удобства эксплуатации, в проведении планово-предупредительных ремонтов при аварийных ситуациях, из использования в сейсмических районах, а также на слабых, просадочных, пучинистых и вечномерзлых грунтов.

Данное устройство при использовании технологии подогрева хранимой жидкости обеспечивает надежность эксплуатации в зимних и сезонных условиях на вечномерзлых грунтах.

Изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображен общий вид пространственной фундаментной платформы,
- на фиг.2 - пространственная фундаментная платформа с надфундаментным строением,
- на фиг. 3 - узел соединения железобетонной плиты со шпренгелем через закладные детали,
- на фиг.4 - узел соединения плиты со шпренгелем в случае использования сталежелезобетонных плит из сталежелезобетона с армированием прокатными металлическими элементами.

Пространственная фундаментная платформа 1 (фиг. 1) для строительства на вечномерзлых грунтах и в сейсмических зонах включает объединенные между собой посредством металлических элементов верхнюю 2 и нижнюю 3 плиты.

Нижняя плита 3 установлена без заглубления на наружной поверхности грунта 11.

Верхняя плита 2 ребрами вниз и нижняя плита 3 ребрами вверх связаны между собой металлическим пространственным шпренгелем 4 со стойками 5 и раскосами 6 с образованием единой пространственной конструкции для установки на верхней плите 2 как на общей фундаментной платформе, например, одного резервуара 10 вместе с обслуживающими его трубопроводами и оборудованием. При этом все элементы пространственной конструкции при любом приложении нагрузки работают совместно.

На верхней плите 2 смонтировано надфундаментное строение, например резервуар 10. Нижняя плита 3 установлена на уплотненном основании после снятия растительного слоя. Верхние 2 и нижние 3 плиты выполнены из сборных элементов (фиг. 1), которые под малые нагрузки изготовлены из обычного железобетона, а под большие нагрузки - из сталежелезобетона с армированием прокатными металлическими элементами 9 (фиг.4). Сборные элементы плит соединены между собой путем сварки закладных деталей 7 и замоноличивания швов.

Присоединение стоек 5 и раскосов 6 шпренгеля к верхним 2 и нижним 3 плитам из обычного железобетона выполнено в узлах с помощью металлических закладных деталей 7 с выступающими пластинами 8, замоноличенных в верхней 2 и нижней 3 плитах, к которым узлы пространственного шпренгеля 4 присоединены на сварке или болтах.

В сталежелезобетонных плитах присоединение стоек 5 и раскосов 6 пространственного шпренгеля 4 к верхней 2 и нижней 3 осуществляется с помощью фасонок, присоединенных к выступающим прокатным металлическим элементам 9 также на сварке или на болтах.

Размеры площади опирания нижней плиты 3 пространственной фундаментной платформы 1 выбираются большими, чем размеры площади опирания надфундаментного строения в виде резервуара 10 на верхнюю плиту 2. Это уменьшает давление на основание 11 нижней плиты 3 и снижает неравномерность осадок основания.

Верхние 2 и нижние плиты 3 совместно с металлическим пространственным шпренгелем 4 образуют вентилируемое во всех направлениях продуваемое подполье 12, предотвращающее теплообмен между подогреваемым наполнителем резервуара 10 и вечномерзлым грунтом 11, обеспечивая тем самым его прочностные свойства.

Между нижней плитой 3 и основанием грунта 11 в сейсмических зонах установлен скользящий слой 13 из материалов с низким значением коэффициента трения скольжения по основанию, например фторопласт, уменьшающий трение между фундаментной платформой 1 и основанием.

По контуру пространственной фундаментной платформы 1 установлены щиты 14, которые герметично состыкованы с верхними 2 и нижними 3 плитами и образуют резервную емкость для слива жидкости из резервуара 10 при аварийных ситуациях. В верхней 2 плите выполнены отверстия с крышкой 15 для осмотра и аварийного наполнения резервной емкости, образованной нижней плитой 3 и щитами 14, причем в щитах 14 установлены приточные и вытяжные трубы 16 для естественной или принудительной вентиляции.

Устройство монтируется следующим образом.

На выровненную поверхность основания грунта 11 после снятия растительного слоя и утрамбовки грунта на горизонтальную поверхность укладываются нижние плиты 3 ребрами вверх, закладные детали 7 которых свариваются в узлах, а швы замоноличиваются. К закладным деталям выступающей пластины 8 нижних плит 3 крепятся раскосы 6 и стойки 5 металлического пространственного шпренгеля 4, противоположные концы которых образуют узлы.

Затем монтируются верхние плиты 2, уложенные ребрами вниз, и к закладным деталям 7 с выступающей пластиной 8 на болтах или сварке присоединяются раскосы 6 и стойки 5 металлического пространственного шпренгеля 4. При этом для удобства соединения шпренгеля 4 с верхними 2 и нижними 3 плитами могут использоваться монтажные приспособления, соединительные пластины, стержни, домкратные стойки.

Сборка пространственной фундаментной платформы сопровождается проведением защитных антикоррозийных мероприятий.

Закладные детали 7 плит 2 и 3 свариваются между собой, швы между плитами замоноличиваются. Верхняя поверхность плит 2 может иметь некоторую выпуклость или вогнутость для удобства устройства и работы днища резервуара.

Расстояние между плитами 2 и 3 порядка 1,5-2 м позволяет осуществить сборочные работы по присоединению стоек 5 и раскосов 6 шпренгеля 4.

Верхняя плита 2 имеет закладные детали (на чертежах не показаны), к которым крепится днище резервуара.

В сейсмических районах между нижней плитой 3 и утрамбованным основанием 11 укладывается скользящий слой 13 из материалов с низким значением коэффициента трения скольжения по основанию, например фторопласт, уменьшающий трение между фундаментной платформой 1 и основанием грунта 11.

Скользящий слой 13 основания устраивается при строительстве в сейсмических зонах для уменьшения коэффициента трения между основанием и пространственной фундаментной платформы. Благодаря скользящему слою горизонтальные сейсмические воздействия Т на фундаментную платформу не могут быть больше, чем сила трения между основанием и пространственной фундаментной платформой: T≤K_o•J, где К_о - коэффициент трения, J - собственный вес всего верхнего строения с фундаментом. При Т>К_о•J происходит проскальзывание основания.

Таким образом, снижены горизонтальные сейсмические воздействия на фундаментную платформу 1 и надфундаментное строение 10.

Благодаря этому существенно снижается воздействие горизонтальных сейсмических сил на фундамент и надфундаментное строение.

Производство работ по монтажу фундамента надземного резервуара может производиться практически в любое время года и его трудоемкость мала по сравнению с аналогами, которые требуют забивки свай, отрывки котлована и др. ).

Благодаря большой опорной площади нижней плиты 3 и жесткости всей пространственной платформы 1, выполненной вместе с металлическим пространственным шпренгелем 4, соединенным с верхней плитой 2, данная конструкция может использоваться на слабых, пучинистых и просадочных грунтах.

Технико-экономические показатели предлагаемого изобретения.

Установка фундамента пространственной фундаментной платформы надземного резервуара практически сводит к минимуму производство земляных работ, кроме снятия растительного слоя и возможной утрамбовки грунта, но можно без последнего.

Устройство плитно-стержневой фундаментной конструкции нового типа отличается однотипной регулярной структурой, многосвязностью и пространственностью работы, включающей в напряженно-деформированное состояние все ее элементы при любом нагружении и потому осуществляющей эффективное перераспределение усилий между всеми ее элементами, при этом каждый из элементов и материалов ставится в выгодные условия работы (бетон на сжатие, металл на растяжение).

Данная фундаментная конструкция обладает повышенной жесткостью и обеспечивает сохранность надфундаментного строения при просадках и неравномерных осадках грунта.

Эффективность по расходу материалов и трудозатратам на изготовление и возможность производства строительно-монтажных работ в любое время года без привлечения сложного оборудования. Данная экономичность позволяет (в пределах традиционных расходов в известных конструктивных решениях) проектировать и осуществлять большие по площади опирания фундаментные платформы, создающие благоприятные условия опирания на слабых и других грунтах, а также позволяющие устраивать на данной платформе (как на общем фундаменте) необходимое оборудование и коммуникации (подводящие и отводящие трубы и т.п.), это позволяет упростить соединения и повысить их надежность. Создается возможность размещения на больших по площади платформах группы резервуаров (с соблюдением температурных и деформационных швов).

Устройство совмещает ряд функций:
- вентилируемого подполья с приточно-вытяжной вентиляцией (за счет образования межферменного пространства между верхним и нижним поясом);
- резервной аварийной емкости в виде межферменного объема, для чего по контуру устраиваются герметично присоединенные торцевые щиты, а в верхнем поясе люки и щели.

Эффективное антисейсмическое устройство благодаря скользящему слою под сплошной нижней плитой платформы и основания. Предложенная конструкция эффективна и надежна даже при сочетании неблагоприятных условий (сейсмики, слабых или просадочных или вечномерзлых грунтов), при одновременном их воздействии, благодаря свойствам пространственности, совмещению ряда функций, удобству производства работ и эксплуатации.

Выгодным условиям опирания и работы днища резервуара, опертого или совмещенного с верхней железобетонной плитой платформы в виде ее облицовки или включения в работу плиты в виде наружного армирующего слоя. С целью облегчения работы верхней плиты (исключения ее локального изгиба между узлами опирания на шпренгельную решетку), опирание металлического листа днища может быть осуществлено только на узлах, создающих небольшой зазор между днищем и железобетонной плитой. Опирание днища резервуара на сплошную железобетонную плиту повышает надежность конструкции резервуара, предотвращая возможные известные причины аварии из-за отрыва днища от стенок при неравномерных осадках основания.

Предложенная конструкция эффективна и надежна даже при сочетании неблагоприятных условий (сейсмики, слабых или просадочных и вечномерзлых грунтах), при одновременном их воздействии, благодаря свойствам пространственности, совмещению ряда функций, удобству производства работ и эксплуатации.

При этом каждый из элементов и материалов ставится в выгодные условия работы (бетон - на сжатие, металл - на растяжение), создаются благоприятные условия опирания на слабые и другие грунты.

Изобретение относится к строительству на вечномерзлых, слабых, просадочных, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах под различные сооружения. В том числе строительство фундаментов надземных резервуаров. Пространственная фундаментная платформа включает объединенные между собой посредством металлических элементов верхнюю и нижнюю плиты. Новым является то, что при строительстве на слабых, пучинистых, просадочных грунтах и в сейсмических зонах верхняя плита ребрами вниз и нижняя плита ребрами вверх связаны между собой металлическим пространственным шпренгелем со стойками и раскосами с образованием единой пространственной конструкции для установки на верхней плите, как на общей фундаментной платформе, одного или нескольких резервуаров вместе с обслуживающими их трубопроводами и оборудованием. Размеры площади опирания пространственной фундаментной платформы выбираются большими, чем размеры площади опирания надфундаментного строения, верхние и нижние плиты совместно с металлическим пространственным шпренгелем образуют вентилируемое во всех направлениях продуваемое подполье, предотвращающее теплообмен между подогреваемым наполнителем резервуара и вечномерзлым грунтом. Техническим результатом изобретения является создание пространственной фундаментной платформы для строительства на вечномерзлых, слабых, просадочных, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах за счет повышенной жесткости всей пространственной фундаментной платформы, из малого расхода металла, удобства транспортировки и производства работ, удобства эксплуатации, в проведении планово-предупредительных ремонтов при аварийных ситуациях, использование в сейсмических районах, а также для слабых и просадочных грунтов. 4 ил.

Пространственная фундаментная платформа для строительства на вечномерзлых грунтах, включающая объединенные между собой посредством металлических элементов верхнюю и нижнюю плиты, причем нижняя плита установлена без заглубления на наружной поверхности грунта, отличающаяся тем, что при строительстве на слабых, пучинистых, просадочных грунтах и в сейсмических зонах, верхняя плита ребрами вниз и нижняя плита ребрами вверх связаны между собой металлическим пространственным шпренгелем со стойками и раскосами с образованием единой пространственной конструкции для установки на верхней плите, как на общей фундаментной платформе, одного или нескольких резервуаров вместе с обслуживающими их трубопроводами и оборудованием, причем все элементы пространственной конструкции при любом приложении нагрузки работают совместно, на верхней плите смонтировано надфундаментное строение, нижняя плита установлена на уплотненном основании после снятия растительного слоя, а верхние и нижние плиты выполнены из сборных элементов, которые под малые нагрузки изготовлены из обычного железобетона, а под большие нагрузки - из сталежелезобетона с армированием прокатными металлическими элементами, причем сборные элементы плит соединены между собой путем сварки закладных деталей и замоноличивания швов, присоединение стоек и раскосов шпренгеля к верхним и нижним плитам из обычного железобетона выполнено в узлах с помощью металлических закладных деталей с выступающими пластинами, замоноличенных в верхней и нижней плитах, к которым узлы шпренгелей присоединены на сварке или болтах, а в сталежелезобетонных плитах - с помощью фасонок, присоединенных к выступающим прокатным элементам также на сварке или на болтах, при этом размеры площади опирания пространственной фундаментной платформы выбираются большими, чем размеры площади опирания надфундаментного строения, верхние и нижние плиты совместно с металлическим пространственным шпренгелем образуют вентилируемое во всех направлениях продуваемое подполье, предотвращающее теплообмен между подогреваемым наполнителем резервуара и вечномерзлым грунтом, обеспечивая тем самым его прочностные свойства, между нижней плитой и основанием грунта в сейсмических зонах установлен скользящий слой из материалов с низким значением коэффициента трения скольжения по основанию, уменьшающий трение между фундаментной платформой и основанием, по контуру пространственной фундаментной платформы установлены щиты, которые герметично состыкованы с верхними и нижними плитами и образуют резервную емкость для слива жидкости из резервуара при аварийных ситуациях, в верхней плите выполнены отверстия с крышкой для осмотра и аварийного наполнения резервной емкости, образованной нижней плитой и щитами, причем в щитах установлены приточные и вытяжные трубы для естественной или принудительной вентиляции.