Способ сооружения вакуумной сваи Российский патент 2025 года по МПК E02D27/52 

Изобретение относится к способам сооружения свай, в частности на дне акваторий. Изобретение может быть использовано при сооружении анкерных свай для фиксации плавающих буровых нефтегазовых платформ, при работе буев, снимающих энергию морских волн, в качестве якорей плавучих домов и других плавающих средств. Изобретение предназначено для использования в гидротехническом строительстве и судоходстве.

Известен способ и конструкция сооружения сваи в водоеме, включающий забивание трубчатой сваи в донный грунт акватории (Левачев С.Н., Халецкий В.С. Анкерные и якорные устройства в гидротехническом строительстве // Вестник МГСУ. 2011. № 5. С. 58-68). Недостатками этого способа являются невозможность установки трубчатых свай на больших глубинах, а также использование тяжелой техники для забивки свай.

Наиболее близким техническим решением к заявленному способу по совокупности признаков является способ сооружения вакуумных свай, включающий вертикальное размещение сваи на дне акватории в виде трубы, заглушенной в верхней части, откачку из трубы воды с созданием вакуума внутри нее и заглубление трубы в донный грунт силой атмосферного и гидростатического давления воды, действующей на заглушенную частью трубы (патент на изобретение RU 2813520, МПК C02F 1/44, F03B 13/14, опубл. 12.02.2024 г., Бюл. № 5). Недостатком этого способа является недостаточная скорость и глубина погружения вакуумной сваи (анкера) в донный грунт.

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание несложного способа сооружения вакуумной сваи (анкера), позволяющего увеличить скорость и глубину погружения вакуумной сваи в донный грунт.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение стабильности и надежности работы вакуумной сваи (анкера) в донном грунте за счет увеличения глубины погружения сваи в донный грунт.

Согласно изобретению, техническая задача решается, а технический результат достигается следующим образом.

Способ сооружения вакуумной сваи включает вертикальное размещение сваи в виде трубы, заглушенной в верхней части, на дне акватории, откачку из трубы воды с созданием вакуума внутри нее и заглубление трубы в донный грунт силой атмосферного и гидростатического давления воды, действующей на заглушенную частью трубы. На заглушенной части трубы устанавливают вибрационный насос, корпус насоса жестко закрепляют с заглушенной частью трубы для передачи вибрации работающего насоса телу сваи. Изменение частоты вибрации тела сваи регулируют варьированием частоты переменного тока, питающего вибрационный насос. Увеличивают скорость и глубину погружения вакуумной сваи (анкера) в донный грунт за счет снижения сил трения сваи о донный грунт при вибрационном ее заглублении.

Изобретение поясняется чертежом, где представлен общий вид конструкции.

На чертеже обозначены следующие позиции:

1 - труба с заглушенной верхней частью;

2 - вибрационный насос;

3 - обратный клапан.

Заявляемое техническое решение состоит из следующих основных элементов.

Вакуумная свая состоит из трубы (1) с заглушенной верхней частью и вибрационного насоса (2), снабженного обратным клапаном (3), который жестко закреплен с заглушенной частью трубы.

Способ сооружения вакуумной сваи осуществляется следующим образом.

Вертикальную сваю в виде трубы (1) с заглушенной верхней частью, к которой жестко закреплен корпус вибрационного насоса (2), снабженного обратным клапаном (3), устанавливают трубу (1) открытым концом на дне акватории. Вибрационным насосом (2) откачивают воду из трубы (1), создавая в ней вакуум, за счет которого под действием атмосферного и гидростатического давления воды свая погружается в донный грунт. При работе вибрационного насоса телу трубной сваи (1) передается вибрация, локально разрыхляющая донный грунт и снижающая силы трения сваи о грунт, что увеличивает скорость и глубину погружения трубной сваи (1) в донный грунт.

Заявляемое изобретение поясняется примером.

Для подтверждения эффективности заявленного способа был произведен расчет, в соответствии с выбранными исходными данными. Вертикальная свая выполнена из стальной трубы (1) длиной L=2 м и наружным диаметром D=920 мм=0,92 м с толщиной стенки δ=20 мм. Глубина акватории в месте размещения вертикальной сваи составляет Н=20 м. Коэффициент трения скольжения наружной поверхности трубы о донный грунт при погружении принят равным k_T=0,02.

В этом случае, значение абсолютного давления внутри сваи ρ, Па, после погружения на дно акватории:

где ρ_атм=1,01325⋅10⁵ Па - нормальное атмосферное давление на уровне моря; ρ_ман - избыточное давление столба воды на глубине Н; ρ=1030 кг/м³ - плотность морской воды; g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

При откачке воды вибрационным насосом (2) из внутренней полости трубы (1), принятое значение абсолютного давления внутри трубы (1), при создании вакуума, составляет p₁=1,013⋅10⁴ Па, что является технически достижимым результатам.

В этом случае сила вдавливания сваи F, Н, при создании вакуума, с учетом веса сваи:

где площадь поперечного сечения трубы (1); - масса стальной трубы (1) при принятой плотности материала ρ_CT=7800 кг/м.

Сила трения Тн, Н, снаружи сваи, действующая на две части трубы (1) в вертикальном разрезе:

Сила трения Твн, Н, внутри сваи, действующая на две части трубы (1) в вертикальном разрезе:

Суммарная сила трения Т, Н, оказывающая воздействие на трубу (1):

Таким образом, сила вдавливания трубы (1) вакуумной сваи F, более чем в 4,5 раза превышает силу трения Т донного грунта, действующего на трубу (1). С учетом, что при работе вибрационного насоса телу трубной сваи (1) передается вибрация, локально разрыхляющая донный грунт и снижающая силы трения сваи о грунт, это отношение будет выше представленного расчетом.

Способ сооружения вакуумной сваи применим для организации оснований и фундаментов морских сооружений, таких как морские буровые платформы, плавучие дома, а также буи, снимающие энергию морских волн. Способ сооружения вакуумной сваи реализуем за счет снижения сил трения о донный грунт при заглублении сваи путем передачи вибрации от работающего насоса телу сваи. Заглубление сваи осуществляется за счет превышения внешнего абсолютного давления (атмосферного и гидростатического давления воды) над внутренним (недостаточным) в теле сваи.

Заявленное техническое решение позволяет упростить способ сооружения вакуумных свай (анкеров) в различных акваториях, повысить надежность их работы увеличением глубины и скорости погружения вакуумных свай в донный грунт, а также отказаться от применения дорогостоящей строительной техники для забивки сваи в донный грунт морских акваторий.

Изобретение относится к способам сооружения свай, в частности на дне акваторий, и может быть использовано при сооружении анкерных свай для фиксации плавающих буровых нефтегазовых платформ, при работе различных поплавковых устройств, снимающих энергию морских волн, и в качестве якорей плавающих средств, а также предназначено для использования в гидротехническом строительстве и судоходстве. Способ сооружения вакуумной сваи включает вертикальное размещение сваи в виде трубы, заглушенной в верхней части, на дне акватории, откачку из трубы воды с созданием вакуума внутри нее и заглубление трубы в донный грунт силой атмосферного и гидростатического давления воды, действующей на заглушенную часть трубы. На заглушенной части трубы устанавливают вибрационный насос, корпус насоса жестко закрепляют с заглушенной частью трубы для передачи вибрации работающего насоса телу сваи. Изменение частоты вибрации тела сваи регулируют варьированием частоты переменного тока, питающего вибрационный насос, увеличивают скорость и глубину погружения вакуумной сваи в донный грунт за счет снижения сил трения сваи о грунт при вибрационном ее заглублении. Технический результат состоит в повышении стабильности и надежности работы вакуумной сваи - анкера в донном грунте за счет увеличения глубины погружения сваи в донный грунт. 1 ил.

Способ сооружения вакуумной сваи, включающий вертикальное размещение сваи в виде трубы, заглушенной в верхней части, на дне акватории, откачку из трубы воды с созданием вакуума внутри нее и заглубление трубы в донный грунт силой атмосферного и гидростатического давления воды, действующей на заглушенную часть трубы, отличающийся тем, что на заглушенной части трубы устанавливают вибрационный насос, корпус насоса жестко закрепляют с заглушенной частью трубы для передачи вибрации работающего насоса телу сваи, изменение частоты вибрации тела сваи регулируют варьированием частоты переменного тока, питающего вибрационный насос, увеличивают скорость и глубину погружения вакуумной сваи в донный грунт за счет снижения сил трения сваи о грунт при вибрационном ее заглублении.