СПОСОБ ЛИКВИДАЦИИ КРЕНА СООРУЖЕНИЯ РЕАКТИВНЫМИ КОНТРФОРСАМИ Российский патент 2007 года по МПК E02D35/00 E02D37/00 

Предлагаемое изобретение относится к строительству и эксплуатации сооружений на просадочных грунтах с неравномерной осадкой и в районах развития карста, преимущественно к дымовым и вентиляционным трубам, водонапорным башням и сооружениям башенного типа, имеющим значительную высоту.

Провалы и неравномерные осадки грунтового основания под дымовыми трубами, башнями и каркасами сооружений являются основными причинами, приводящими к возникновению предельного состояния в них.

Известны случаи наступления предельного состояния - появление опасных трещин и даже обрушение сооружения [1, с.272, рис.19-5], [2, с.253, рис.8.8.]. Увеличение неравномерных локальных осадок грунтового основания вызывает увеличение крена сооружения. Центр тяжести сооружения отклоняется от вертикальной оси, и масса его начинает действовать с эксцентриситетом. Силы гравитации создают момент М_опр, опрокидывающий сооружение. Величина его увеличивается по мере увеличения крена и отклонения центра тяжести сооружения.

Увеличение опрокидывающего момент М_опр приводит к увеличению пластического сдвига сегмента грунта вместе с фундаментом в нем относительно центра О дуги сдвига по круглоцилиндрической поверхности скольжения [1, с.270, рис.19-3, рис.19-4, рис.19-5], [3, с.100, рис.46].

В конечном итоге под подошвой фундамента возникает пластический шарнир [4, с.839], происходит катастрофический сдвиг по круглоцилиндрической поверхности дуги скольжения, и здание обрушается.

Известен способ усиления фундамента [2, с.257, рис.8.13].

Недостатки этого технического решения следующие:

- невозможно восстановить проектное положение сооружения после неравномерной осадки и крена фундаментов, так как отсутствуют какие-либо устройства в фундаменте, позволяющие восстановить его проектное положение;

- большая трудоемкость усиления фундаментов;

- опасность выполнения усиления, так как ослабленный фундамент подкапывается.

Известен способ усиления сооружения [1, с.247, рис.17-25] контрфорсами. Однако контрфорсы противостоят нарастающему крену сооружения пассивно и не создают реактивного регулируемого контрмомента, нейтрализующего опрокидывающий момент.

Известен также реактивный двигатель, силу тяги которого создает реакция (отдача) вытекающего из его сопла рабочего тела [7, с.1000]. Направленно действующая реактивная сила тяги перемещает реактивный двигатель, соединенный с конструкцией, в сторону, противоположную истечению рабочего тела.

Используем принцип действия реактивного двигателя для создания в контрфорсе направленной вдоль него реактивной силы тяги.

Техническая задача изобретения - ликвидация крена сооружения и полное восстановление его проектного положения реактивными контрфорсами, создающими реактивные силовые воздействия и реактивные изгибающие моменты. Реактивные изгибающие моменты нейтрализуют и ликвидируют нарастающий крен сооружения.

Техническая задача реализована тем, что производят геодезическую нивелировку сооружения, устанавливают угол и ориентацию крена сооружения, равного крену фундамента, и ликвидируют крен фундамента реактивными контрфорсами.

Наклеивают на фундамент в характерных точках мишени с координатной сеткой и направляют на каждую из мишеней в начало координат луч от лазерного нивелира или от лазерного прицела.

Монтируют реактивные контрфорсы, причем к базе каждого реактивного контрфорса присоединены сопла и грунтонасосы, соединенные с входными фланцами сопел его базы. Оголовок каждого реактивного контрфорса шарнирно соединен с массивным сооружением.

Включают гидродомкраты грунтонасосов импульсного действия [5, с.369, фиг.277], закачивают в сопла базы реактивного контрфорса пластифицированное рабочее тело. Вытекающим потоком из сопел базы рабочим телом создают реактивную тягу (отдачу), включают в работу реактивный двигатель и выдавливают реактивный контрфорс из грунтового основания. Давят реактивными контрфорсами на сооружение, создают контрмомент М_контр, нейтрализуют и ликвидируют опрокидывающий момент М_опр, превосходящим его по модулю на 20...25%.

Создают пластический сдвиг под подошвой фундамента и образуют пластический шарнир, заставляют сегмент из грунта вместе с фундаментом скользить по круглоцилиндрической поверхности.

Контрмоментом М_опр вызывают сдвиг в пластическом шарнире, вращают сегмент грунта и фундамент в нем относительно центра О дуги сдвига по круглоцилиндрической поверхности и постепенно ликвидируют крен сооружения. Одновременно контролируют уменьшение крена по зайчикам от лазерных лучей, перемещающимся по координатной сетке мишеней.

Корректируют уменьшение крена, включают тот или другой реактивный двигатель контрфорсов и полностью ликвидируют крен сооружения.

Выключают реактивные двигатели контрфорсов и этим ликвидируют пластический шарнир в сегменте грунта под подошвой фундамента сооружения и стопорят сооружение в проектном положении.

На фиг.1 показано сооружение - дымовая труба, получившая крен в результате неравномерной осадки грунтового основания; на фиг.2 - план фундамента и трубы; на фиг.3 - сопло реактивного контрфорса в разрезе; на фиг.4 - вид по В-В, на фиг.3; на фиг.5 - узел 1, сопряжение контрфорса 3 с трубой 1.

На фиг.1 труба 1 опирается на фундамент 2. Труба 1 наклонена к вертикали под углом α. Угол крена α фундамента 2 измерен относительно горизонтали. Правая сторона квадратного в плане фундамента 2 получила максимальную осадку, а левая сторона минимальную, поэтому и возник крен под углом α вправо. Возник эксцентриситет массы сооружения и опрокидывающий момент М_опр, нарастающий по мере увеличения неравномерной осадки грунтового основания и увеличивающий опасность обрушения сооружения.

Для устранения крена необходимо вызвать дополнительную осадку Δ_доп фундамента со стороны его минимальной осадки, то есть Δ_доп=Δ_min-Δ_max. А со стороны максимальной осадки фундамента вызвать выдавливание его из грунта.

Для устранения крена монтируют реактивные контрфорсы 3. База каждого реактивного контрфорса 3 снабжена соплами 4 внизу. Сопла базы выполнены литьем из ковкого чугуна и армированы стальной арматурой периодического профиля 5.

Сопла 4 базы присоединены болтами через фланец 7 к нижнему Т-образному концу реактивного контрфорса 3. Сопла 4 имеют верхние входные фланцы 6 для присоединения к ним грунтонасосов 8. Оголовок 9 каждого реактивного контрфорса 3 шарнирно соединен с массивной трубой 1. Массивная труба 1 усилена кольцом 10 в зоне его контакта с оголовком 9 реактивного контрфорса 3.

Иными словами для устранения крена сооружения мы должны пластически повернуть фундамент 2 со сдвигом вместе с сегментом грунта, вращая его вокруг центра О, по круглоцилиндрической дуге поверхности скольжения.

Объем, пластически сдвигаемого вместе с фундаментом, сегмента грунта равен [3, с.171] V=b·А,

где b - ширина этого сегмента из грунта;

А - площадь сечения сегмента из грунта.

Используя ползучесть и сжимаемость грунтов [1, с.129...145], легко повернуть сегмент грунта вокруг центра О, дуги скольжения, вместе с фундаментом на него опирающимся. Для этого необходимо приложить к сооружению контрмомент М_контр, противоположный по знаку опрокидывающему моменту М_опр и превосходящий его по модулю на 20...25%.

Сжимаемость грунтов, определяемая способностью пор в грунте уменьшаться в своем объеме при действии нагрузки, способствует в нашем случае устранению крена сооружения.

Ползучесть же грунтов, характеризуемая "долго не затухающей деформацией без изменения приложенной к ним нагрузки" [1, с.384], также способствует в нашем случае устранению крена сооружения.

Контрмоментом М_контр вызывают пластический сдвиг фундамента вместе с сегментом грунта по круглоцилиндрической поверхности скольжения. Этим вызывают пластический сдвиг и неравномерную осадку грунтового основания, компенсирующие осадку возвышающейся части фундамента и выдавливание из грунтового основания осевшей части его. Этим ликвидируют крен сооружения [1, с.271].

Одновременно контролируют уменьшение крена сооружения по зайчикам от лазерных лучей, перемещающимся по координатной сетке мишеней.

Для создания контрмомента М_контр, монтируют реактивные контрфорсы с грунтонасосами и гидродомкратами импульсного действия. Реактивные контрфорсы имеют оголовки и зубья фиксаторы.

Для восстановления вертикальности трубы грунтонасосами базы реактивных контрфорсов вызывают горизонтальное перемещение сооружения на отметке ее оголовков

Последовательность работ следующая:

- производят геодезическую разбивку осей здания, снимают растительный слой грунта;

- на монтажной площадке подготавливают 2 контрфорса 3, соединенных с соплами 4 в единое целое;

- на трубе 1 устанавливают кольцо 10 на проектной отметке;

- краном монтируют контрфорсы и соединяют их оголовки с упорами на кольце 10;

- устанавливают и соединяют грунтонасосы с гидродомкратами импульсного действия на соплах 4;

- в один из бункеров грунтонасоса засыпают рабочее тело 11, а в другой глинистую пульпу для пластифицирования рабочего тела;

- снабжают гидродомкраты грунтонасосов манометрами и соединяют их маслопроводами с насосной станцией импульсного действия;

- для обеспечения безопасности работ производят пробный пуск насосной станции, включают грунтонасосы и производят обжатие реактивного контрфорса;

- наклеивают на фундамент в характерных точках мишени 12 с координатной сеткой и направляют на каждую из мишеней в начало координат луч от лазерного нивелира или от лазерного прицела 13;

- включают грунтонасосы реактивных контрфорсов и закачивают ими пластифицированное рабочее тело в сопла базы реактивного контрфорса 4;

- вытекающим из сопел базы рабочим телом создают реактивную тягу (отдачу), включают в работу реактивный двигатель и выдавливают реактивный контрфорс из грунтового основания;

- выдавливают сопла базы из грунтового основания, создают реактивными контрфорсами контрмомент М_контр, и уменьшают крен сооружения;

- одновременно контролируют уменьшение крена сооружения по зайчикам от лазерных лучей, перемещающимся по координатной сетке мишеней;

- оголовки реактивных контрфорсов исключают проскальзывание трубы по ним;

- корректируют уменьшение крена;

- реактивными контрфорсами, создающими контрмомент М_контр, полностью ликвидируют крен сооружения и эксплуатируют его;

- в случае возникновения крена фундамента вправо - осадка правой стороны фундамента больше, чем левой, то включают реактивные контрфорсы справа;

- в случае возникновения крена фундамента влево - осадка левой стороны фундамента больше, чем правой, то включают реактивные контрфорсы слева;

- выключают реактивные контрфорсы, этим ликвидируют пластический шарнир в сегменте из грунта под подошвой фундамента сооружения и стопорят сооружение в проектном положении.

Таким образом, разработанный способ обеспечил ликвидацию крена фундамента и сооружения.

Эксплуатируют сооружение и регулярно производят нивелирование его фундамента, например, один раз за полгода эксплуатации. В случае обнаружения крена производят его ликвидацию описанным выше способом.

Таким образом, разработанный способ ликвидации крена сооружения позволяет строить его на более слабых грунтах и регулировать напряженное состояние сооружения, добиваясь его оптимального состояния.

Оптимальное же состояние напряженного состояния сооружения приводит к значительному повышению надежности и снижению его материалоемкости.

Сопоставление разработанного способа ликвидации крена сооружения с аналогом показывает его существенные отличия, а именно:

- контрмомент М_контр, для ликвидации крена сооружения, противоположный по знаку опрокидывающему моменту М_опр и превосходящий его по модулю на 20...25% создают вытекающим из сопел базы рабочим телом;

- вытекающим из сопел базы рабочим телом создают реактивную тягу (отдачу), включают в работу реактивный двигатель и выдавливают реактивный контрфорс из грунтового основания;

- контрмоментом М_контр создают пластический шарнир и пластический сдвиг грунтового основания вместе с фундаментом по круглоцилиндрической поверхности скольжения, создают его неравномерную осадку и компенсируют ранее полученную неравномерную осадку;

- реактивными двигателями создают реактивную силу и через реактивные контрфорсы давят на сооружение, со стороны максимальной осадки грунтового основания, создают контрмомент М_контр;

- действием контрмомента М_контр достигают возникновения пластического шарнира, заставляют сегмент из грунта сдвигаться вместе с фундаментом по круглоцилиндрической поверхности скольжения, вращаясь относительно центра О дуги скольжения;

- этим увеличивают осадку возвышающейся части фундамента и выдавливают из грунтового основания максимально осевшую часть фундамента, этим ликвидируют крен сооружения;

- полностью восстанавливают проектное положение фундамента, причем ликвидируют крен фундамента, как в продольном, так и поперечном направлении, а следовательно, устраняют напряжения, возникшие от неравномерной осадки каркаса сооружения или трубы;

- выключают грунтонасосы реактивных контрфорсов, этим ликвидируют пластический шарнир в сегменте из грунта под подошвой фундамента сооружения и стопорят сооружение в проектном положении.

- разработанный способ ликвидации крена сооружения и его фундамента механизировано ликвидирует крен в процессе возведения сооружения, причем такая операция может быть выполнена несколько раз по мере увеличения массы сооружения;

Таким образом, разработанный способ ликвидации крена сооружения и его фундамента существенно отличается от аналога.

Экономический эффект от разработанного способа ликвидации крена сооружения и его фундамента возник из-за следующего:

- способ исключил вредное влияние неравномерной осадки и крена сооружения и этим значительно повысил надежность и снизил материалоемкость его;

- упростил эксплуатацию сооружения, так как его проектное положение легко восстанавливают, используя грунтонасосы и реактивные контрфорсы;

- реактивные контрфорсы создают контрмомент М_контр и образуют пластический шарнир в сегменте грунта под фундаментом, пластически сдвигая его вместе с фундаментом по круглоцилиндрической поверхности скольжения, и этим ликвидируют крен сооружения.

Список литература

1. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии.

2. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции. Часть 2. Конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений. Учебник для вузов. М., Высшая школа. 1989 г.

3. Котов М.Ф. Механика грунтов в примерах. Высшая школа. 1968.

4. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. Редактор А.А.Уманский, М., Стройиздат, 1960, с.1040.

5. Серенсен С.В. и др., Машины для испытания на усталость. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, М., 1957, с.368.

6. Нежданов К.К. и др. Узел соединения двухветвевой внецентренно нагруженной колонны и способ восстановления проектной отметки фундамента. Патентный документ RU 2002 119942.

7. Большой энциклопедический словарь. БЭС. Председатель научно-редакционного совета А.М.Прохоров, М., Большая российская энциклопедия, 1998, с.1456.

Изобретение относится к строительству и эксплуатации сооружений на просадочных грунтах с неравномерной осадкой и в районах развития карста, преимущественно к дымовым и вентиляционным трубам, водонапорным башням и сооружениям башенного типа, имеющим значительную высоту. Способ ликвидации нарастающего крена массивного сооружения, возникшего от увеличивающихся неравномерных осадок грунтового основания, вызывающих отклонение центра тяжести сооружения от вертикальной его оси, возникновения эксцентриситета массы сооружения и возникновения и увеличения опрокидывающего момента М_опр. Опрокидывающий момент М_опр приводит к пластическому сдвигу сегмента из грунта вместе с фундаментом по круглоцилиндрической поверхности скольжения. Производят геодезическую нивелировку сооружения, устанавливают угол и ориентацию крена сооружения равного крену фундамента. Наклеивают на фундамент в характерных точках мишени с координатной сеткой на них и направляют на каждую из мишеней в начало координат луч от лазерного нивелира или от лазерного прицела. Монтируют стальные реактивные контрфорсы, причем каждый из них снабжают соплами, присоединенными к базе реактивного контрфорса, соединяют с входным фланцем каждого из сопел грунтонасос для нагнетания в сопла пластифицированного рабочего тела, шарнирно соединяют оголовок каждого реактивного контрфорса с массивным сооружением, включают грунтонасосы реактивных контрфорсов. Импульсно закачивают в сопла пластифицированное рабочее тело, этим выдавливают сопла и базы контрфорсов из грунтового основания и создают контрмомент М_контр, нейтрализующий опрокидывающий момент М_опр, создают пластический сдвиг под подошвой фундамента, образуют пластический шарнир, заставляют сегмент из грунта скользить вместе с подошвой фундамента по круглоцилиндрической поверхности, вокруг центра О, дуги скольжения, в обратную сторону контрмоментом М_контр. Вызывают сдвиг в пластическом шарнире сегмента из грунта по круглоцилиндрической поверхности скольжения, вращающейся относительно центра О дуги скольжения вместе с фундаментом, и постепенно ликвидируют крен сооружения. Одновременно контролируют уменьшение крена по зайчикам от лазерных лучей, перемещающимся по координатной сетке мишеней. Корректируют уменьшение крена, включают тот или другой грунтонасос и полностью ликвидируют крен сооружения, выключают грунтонасосы реактивных контрфорсов и этим ликвидируют пластический шарнир в сегменте из грунта под подошвой фундамента сооружения и стопорят сооружение в проектном положении. Технический результат состоит в ликвидации крена сооружения и полном восстановлении его проектного положения. 5 ил.

Способ ликвидации нарастающего крена массивного сооружения, возникшего от увеличивающихся неравномерных осадок грунтового основания, вызывающих отклонение центра тяжести сооружения от вертикальной его оси, возникновения эксцентриситета массы сооружения и возникновения и увеличения опрокидывающего момент М_опр, причем опрокидывающий момент М_опр приводит к пластическому сдвигу сегмента из грунта вместе с фундаментом по круглоцилиндрической поверхности скольжения, отличающийся тем, что производят геодезическую нивелировку сооружения, устанавливают угол и ориентацию крена сооружения равными крену фундамента, наклеивают на фундамент в характерных точках мишени с координатной сеткой на них и направляют на каждую из мишеней в начало координат луч от лазерного нивелира или от лазерного прицела, монтируют стальные реактивные контрфорсы, причем каждый из них снабжают соплами, присоединенными к базе реактивного контрфорса, соединяют с входным фланцем каждого из сопел грунтонасос для нагнетания в сопла пластифицированного рабочего тела, шарнирно соединяют оголовок каждого реактивного контрфорса с массивным сооружением, включают грунтонасосы реактивных контрфорсов, импульсно закачивают в сопла пластифицированное рабочее тело, этим выдавливают сопла и базы контрфорсов из грунтового основания и создают контрмомент М_контр, нейтрализующий опрокидывающий момент М_опр, создают пластический сдвиг под подошвой фундамента, образуют пластический шарнир, заставляют сегмент из грунта скользить вместе с подошвой фундамента по круглоцилиндрической поверхности, вокруг центра О, дуги скольжения, в обратную сторону контрмоментом М_контр, вызывают сдвиг в пластическом шарнире сегмента из грунта по круглоцилиндрической поверхности скольжения, вращающейся относительно центра О дуги скольжения вместе с фундаментом, и постепенно ликвидируют крен сооружения, одновременно контролируют уменьшение крена по зайчикам от лазерных лучей, перемещающимся по координатной сетке мишеней, корректируют уменьшение крена, включают тот или другой грунтонасос и полностью ликвидируют крен сооружения, выключают грунтонасосы реактивных контрфорсов и этим ликвидируют пластический шарнир в сегменте из грунта под подошвой фундамента сооружения и стопорят сооружение в проектном положении.