Анкерные и якорные устройства в гидротехническом строительстве Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

АНКЕРНЫЕ И ЯКОРНЫЕ УСТРОЙСТВА В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

ANKERS AND ANCHORS DEVICES IN HYDRAULIC ENGINEERING

C.H. Левачев, B.C. Халецкий S.N. Levachev, V.S.Haletsky

МГСУ, ОПК ТрансГидроПроект

В статье рассматриваются наиболее современные анкерные и якорные устройства, применяемые при строительстве портов, шлюзов и сооружений на континентальном шельфе.

The article discusses with the most modern ankers and anchor the device used in the construction of ports, sluices and offshore structures.

В строительстве наблюдается повышенный интерес к заанкерованным конструкциям различного назначения. Накоплен существенный опыт применения прогрессивных конструкций с применением заанкерованных тонких стенок (для крепления стенок глубоких котлованов и карьеров, при строительстве подземных сооружений, АЭС, для крепления потенциально неустойчивых масс грунт). К этому виду сооружений могут быть отнесены, например, сооружения больших пролетов с сильно нагруженными перекрытиями, ангары, подземные емкости, а также плавучие аэропорты, волноломы, мосты, подводные тоннели, дюкеры, хранилища и др.

Широкое применение имеют и заанкерованные, тонкостенные конструкции (больверки) в гидротехническом строительстве. Опыт применения подобных сооружений убедительно доказал их надежность и рентабельность как в мировой, так и в отечественной практике.

Сегодня заанкерованные конструкции применяются в морском и речном строительстве (причалы, набережные, швартовные палы, камеры шлюзов и т.д.). Весьма перспективными, но пока малоприменимыми являются двухрядные взаимно заанкерованные конструкции из металлического шпунта.

Так же широко применяются анкерные устройства и при строительстве гидротехнических сооружений континентального шельфа. Повышенный интерес к сооружениям континентального шельфа использующим анкерное или якорное (в случае с плавучими сооружениями) крепление, проявляется с необходимостью освоения нефтегазовых месторождений на значительных глубинах и в районах с суровыми климатическими условиями.

Привлекательность заанкеренных и заякоренных сооружений заключается в их технологичности и относительной простоте возведения. Применение анкеров и якорей различных конструкций позволяет снизить материалоёмкость сооружений, а в некоторых случаях сооружения с подобными крепежными устройствами и приспособлениями не имеют альтернатив.

Сооружения, использующие анкерное/якорное крепление и типы анкерных

устройств

Больверк - тонкостенная подпорная стенка, воспринимающая горизонтальную нагрузку от грунта за счет заделки самой стенки в грунте, а так же с помощью анкерной тяги, установленной за элементом подпорной стены. Анкерные тяги должны обладать достаточной несущей способностью для восприятия и перераспределения усилий, действующих на анкеруемые лицевые элементы подпорных стен.

Анкера, использующиеся при строительстве больверков бывают следующих видов железобетонные (в том числе инъектируемые), металлические, синтетические, металлические типа МаЩаЯау.

Железобетонные анкерные тяги подразделяются на тяги из предварительно напряженного железобетона и инъектируемые анкера (рис. 1).

Рис. 1. Пример устройства инъектируемого анкера с обсадной трубой.

Тяги из предварительно напряженного железобетона целесообразно использовать лишь в случае применения лицевых и тыловых анкеруемых элементов также из предварительно напряженного железобетона. Наиболее эффективно применение этого типа анкерных тяг при сравнительно короткой их длине - до 10 м. В целях повышения эффективности применения предварительно напряженных железобетонных анкерных тяг используют напрягаемую арматуру из высокопрочных сталей.

Опыт применения анкерных тяг из предварительно напряженного железобетона говорит о целесообразности их применения для анкеровки подпорных стен их железобетонного шпунта. Железобетонные анкерные тяги удобны в транспортировке, не подвержены коррозии, особенно удобны при необходимости установки анкерных плит ниже уровня воды. К основному недостатку этих тяг следует отнести необходимость более тяжелого строительно-монтажного оборудования при производстве работ.

Инъектируемые анкера имеют сравнительно простую конструкцию и не сложную защиту от коррозии. Обычно в качестве антикоррозийных покрытий приме-

няют синтетические материалы и лакокрасочные изделия. В некоторых видах инъек-тируемых анкеров сплошное противокоррозионное покрытие, нанесенное на всю длину анкера, защищается от механических повреждений дополнительной оболочкой, а пространство между оболочкой и анкером заполняется специальной пастой или смаз-

Как показал опыт строительства и эксплуатации сооружений с инеъктируемыми анкерами, этот вид анкерного крепления имеет некоторые преимущества перед другими способами:

- малая материалоемкость сооружения;

- небольшая трудоемкость,

- более высокая степень индустриализации и механизации способа производства работ;

- сокращение сроков строительства и уменьшение его стоимости.

К недостаткам этого способа анкерного крепления можно отнести отсутствие точных и проверенных практикой методик расчета, малый опыт проектирования, строительства и эксплуатации сооружений с подобными анкерными креплениями (в отечественной практике), необходимость дополнительного оборудования.

Анкера из синтетических материалов обладают существенными преимуществами, и главный из них это легкость и высокая коррозийная устойчивость. Однако, широкого применения они не нашли из-за недостаточности данных по изменениям физико-механических свойств синтетического материала анкера при длительной его работе в составе сооружения.

В настоящее время наибольшее распространение получили металлически анкера. Изготовляют их, как правило, из прокатной стали круглого или прямоугольного сечения. При больших расчетных усилиях используют иногда анкера из прокатных стальных профилей. Кроме того, возможно изготовление анкерных тяг из металлических тросов. Широкое применение металлических анкеров объясняется их относительной легкостью (в сравнении с железобетонными тягами), высокой прочностью и отработанной технологией устройства.

Сегодня строители сталкиваются с необходимостью строительства в стесненных условиях городов, необходимостью ремонта и реконструкции гидротехнических объектов, построенных с применением анкерных устройств. Ремонт подобных сооружений, как правило, связан с большим объемом земляных работ - замена, устройство анкерных плит (стенок). Для возможности применения тонкостенных подпорных стен в стесненных условиях, а также для экономии времени строительства и средств, сегодня все большую популярность получают анкера типа \fantaRay (рис 2).

Торном пкорь бынныавм Тянем ы Пршрлем

устлновсыиыи старжэнъ {тестируем)

стержень яклрядоего якврь

блокировки

Рис.2 Принцип установки анкера/якоря типа МаПаЯау

_МГСУ

Данный вид анкера позволяет уйти от наиболее неприятной части строительства больверка - устройства анкерной плиты и ее откапыванию/засыпке (при ремонте или реконструкции).

Анкерная тяга в сборе состоит из тяг (стержней), соединительных муфт, подкладок (опорных пластин) и гаек.

Анкерные тяги (стержни) по всей длине имеют винтовую резьбу, выполненную методом накатывания, а не стандартной нарезки. Данный вид нанесения резьбы не уменьшает прочностные характеристики тяги. Уникальность анкерных тяг в том, что стержень можно отрезать в любом месте по нужной длине, а при необходимости увеличения длины тяги - соединить стержни муфтами.

Рабочая часть анкера, так называемый «грунтовый якорь», представляет собой опрокидывающуюся в грунте пластину, изготовленную из горячеоцинкованной стали, которая несет растягивающую нагрузку. Горячее цинкование является антикоррозийной обработкой и значительно увеличивает срок службы грунтового анкера (якоря).

Закрепление анкерной тяги к удерживаемой конструкции производится с использованием опорных пластин (так называемых шайб) и гаек (обычных, сферических, конусных, либо с проушиной).

Данный вид анкерного крепления применяется не только для устройства тонкостенных подпорных стен, но и для крепления различных плавающих объектов: буев, створных знаков и др., а так же для закрепления оттяжек мачт, труб и др. высотных объектов.

К основным преимуществам таких анкеров следует отнести:

- низкую начальную стоимость;

- быструю и легкую установку без помощи специальных устройств и механизмов;

- высокую степень индустриализации.

Анкеры типа МаЩаЯау обладают значительными преимуществами перед традиционными анкерными устройствами. Это делает их весьма привлекательными, особенно при реконструкции портовых и воднотранспортных сооружений. К сожалению, на сегодняшний день в России отсутствуют нормирующие документы по применению данных анкеров.

Анкерные и якорные устройства так же часто применяют при строительстве сооружений континентального шельфа, которые могут быть стационарными и плавучими. Наиболее распространены стационарные сооружения, которые очень часто возводятся с применением анкерных устройств.

Но наибольшее распространение анкерные/якорные устройства получают при необходимости крепления плавучих сооружений континентального шельфа (нефтега-зопромысловые платформы, выносные точечные причалы, нефтехранилища.)

Анкерные и якорные устройства в конструкциях сооружений континентального

шельфа.

В настоящее время при строительстве гидротехнических сооружений на континентальном шельфе используются следующие анкерные/якорные устройства.

1. Якоря традиционной или флотской конструкции.

Традиционные якоря - якоря традиционной флотской конструкции, воспринимающие нагрузку в основном за счет врезания в грунт, представляют собой металлическую сварную конструкцию массой до 65 т (рис. 3).

Рис.3. Современный якорь повышенной держащей силы

Преимущества якорей данной конструкции:

- относительная простота изготовления;

- существенная держащая сила;

- простота установки на необходимой глубине.

Несмотря на данные плюсы, якоря традиционного типа имеют существенные недостатки и ограничения по их использованию:

- необходимость наличия плотных грунтов (глин, песков) под небольшим слоем ила или других слабых грунтов;

- возможность "ползучести" якоря при больших нагрузках;

2. Свайные конструкции

В гидротехническом строительстве свайные фундаменты получили широкое распространение при возведении в первую очередь воднотранспортных и портовых сооружений, а также при устройстве опор мостов. С середины XX века роль свай в гидротехническом строительстве резко возросла в связи с развитием добычи углеводородов на шельфе

Сваи представляют собой погруженные в грунт стержни, которые передают нагрузку от сооружения на более плотные и глубокие слои грунта. На свайные фундаменты по сравнению с гравитационными фундаментами расходуется, как правило, меньше материала, они имеют более низкую стоимость и позволяют в большей степени использовать прочность материала фундамента.

2.1 Традиционные сваи

Наибольшее распространение получили забивные трубчатые сваи, они применяются практически при всех видах грунта кроме скальных.

_МГСУ

При забивке сваи, ее нижний конец остается открытым, по окончании забивки для стабилизации положения грунтовой пробки внутри сваи может устраиваться бетонная диафрагма.

В соответствии с расчетными напряжениями толщина стенок трубчатых свай может приниматься постоянной или переменной по длине. Сваи проектируются из звеньев, длина которых определяется условиями производства работ. В современном строительстве сооружений континентального шельфа применят трубчатые забивные сваи диаметром более 2 ми толщиной стенки до 60 мм.

При строительстве сооружений сквозного типа на незначительных глубинах применяют крепление опорных блоков платформы одиночными сваями, располагаемыми, как правило, в углах опорных блоков

Одиночные сваи применяются обычно для крепления платформ на глубинах до 80-100 м. С увеличением глубины моря несущая способность таких свай, особенно на слабых грунтах основания, оказывается недостаточной даже при увеличении диаметра свай до 2 ми выше при их длине до 100 ми более. В таких условиях стали применять свайные кусты, располагаемые в плане на определенных расстояниях друг от друга в зависимости от конструкции опорного блока платформы. Кусты свай также нашли применение при закреплении опорных боков платформ, возводимых в условиях замерзающих акваторий, в сложных природных условиях арктического шельфа при действии значительных ледовых и волновых нагрузок и при наличии на морском дне грунтов с низкими физико-механическими характеристиками.

2.2 Буронабивные сваи

Сложные геологические условия, встречающиеся на морских месторождениях, часто не позволяют применять забивные сваи. В связи с этим применение получили буронабивные сваи.

Для устройства буронабивных сваи в грунте бурят скважину до глубины, предусмотренной проектом, диаметр скважины при этом должен быть на 150-200 мм больше диаметра сваи. Затем в скважину опускают сваю (арматурный каркас, стальной сердечник) и производят бетонирование. Кроме такой простейшей схемы, возможной лишь в тех случаях, когда не требуется крепление стенки скважины, применяют так называемые комбинированные бурозаливные сваи, состоящие из нескольких концен-трично расположенных труб. Трубу большего диаметра забивают в верхние слои грунта, она служит как водоотделительная колонна и одновременно является направляющей при бурении скважины под сваю. Через эту трубу бурят скважину на заданную глубину, в нее вставляют внутреннюю трубу (или несколько труб) и затем цементируют кольцевое пространство между нею и стенками скважины, а также все полости выше уровня дна.

В тех случаях, когда буронабивные сваи устраиваются в мощных слоях слабых грунтов, применяют сваи с уширением. Уширение устраивают с помощью разбурива-ния или с помощью взрыва.

Современные способы цементации предусматривают возможность подачи раствора под высоким давлением, что повышает несущую способность свай в 2-2,5 раза.

Несмотря на то, что буровые сваи могут иметь очень большую длину и воспринимать значительные нагрузки при строительстве морских платформ, они были вытеснены стальными трубчатыми сваями, благодаря более короткому сроку возведения свайного фундамента в этом случае. Использование современного сваебойного обору-

дования при устройстве свайных фундаментов из стальных труб осуществляется в 4-6 раз быстрее, чем монолитных бетонных.

2.3 Винтовые сваи

Еще один вид свай, который хорошо себя зарекомендовал, в том числе и в гидротехническом строительстве - винтовые сваи.

Якорь винт был запатентован в 1848 г. английским гидротехником Митчеллом.

Винтовая свая состоит из ствола и прикрепленного к его нижнему концу башмака с винтовой лопастью (Рис. 4). Ствол винтовой сваи выполняется из стальной трубы, заполняемой после погружения в грунт бетоном, или в виде железобетонной стойки. В последнем случае башмак завинчивается в грунт с помощью инвентарной съемной стальной трубы.

Рис.4 . Основные виды винтовых свай

Основная несущая способность винтовой сваи обеспечивается за счет уширения в ее основании в виде лопастей. Несущая способность винтовой сваи на выдергивающую нагрузку равна силе, необходимой для того чтобы вынуть грунт в объеме конуса с диаметром основания, равного диаметру винта. Для стволов свай применяются стальные трубы диаметром от 400 мм и более при толщине стенок 10-14 мм и более. Отдельные звенья труб соединяют по длине с помощью сварки, а стык усиливают накладками из обрезков труб. Башмак сваи состоит из наконечника и винтовой лопасти, литой из чугуна или сваренной из листовой стали. Предпочтение отдают чугунным лопастям, так как литье обеспечивает высокое качество изготовления и позволяет

МГСУ

лучше отработать наиболее рациональную форму винта. Кроме того, при литых лопастях намного снижается расход стали, да и коррозиеустойчивость чугуна выше.

Башмак винтовой сваи обычно имеет диаметр в 2,5-3,0 раза больший, чем диаметр ее ствола. Поэтому винтовые сваи обладают несущей способностью, достигающей 1000 т и более.

Завинчивание свай в грунт производится с помощью специального механизма -кабестана, устанавливаемого на голову сваи. При завинчивании сваи ствол ее испытывает значительное скручивающее усилие, вызванное сопротивлением грунта погружению винтового башмака. Поэтому при плотных грунтах применяют подмыв с помощью трубок, доведенных до уровня наконечника.

Винтовые сваи имеют следующие достоинства:

- высокая производительность работ при сравнительно небольшой их стоимости (при незначительных глубинах);

- возможность устройства наклонных опор и производства работ на местности, покрытой водой, и без сотрясения окружающего грунта;

- малый собственный вес опоры и ее высокая несущая способность, в том числе и на выдергивающую нагрузку.

Редкое применение винтовых свай при обустройстве нефтегазовых месторождений на морском шельфе обуславливается некоторыми недостатками:

- невозможность устройства в грунтах, имеющих твердые прослойки, крупные камни и валуны;

- высокая сложность производства работ на больших глубинах;

- отсутствие технологий по подводному производству работ.

2.4 Вакуумные сван (якоря) и их разновидности

С увеличением глубины, на которой устанавливаются плавучие морские платформы и выносные точечные причалы, инженеры столкнулись со следующими проблемами:

- сложность применения традиционных свай, буронабивных свай, винтовых свай, ввиду сложности производства работ на таких глубинах;

- необходимость быстрой установки свайных фундаментов в короткие сроки;

- обеспечение надежной работы фундамента как на циклическую горизонтальную, так и на вертикальную нагрузку.

Именно в связи с необходимостью решения этих задач была разработана конструкция, использующая силу давления воды. В отечественной практике такие сваи получили название - сваи стаканного типа, в международной практике сваи такого типа называют - вакуумными сваями.

Вакуумные сваи (рис. 5) представляют собой пустотелый цилиндр, нижний конец которого открыт и имеет заостренные кромки, а к верхнему закрытому подведен трубопровод от насоса, расположенного на судне. На верхнем конце цилиндра установлен груз и предусмотрена скоба для крепления троса или цепи, при помощи которых якорь опускается на дно. Вторая скоба для крепления платформы, судна, причала и т.д. расположена на боковой поверхности цилиндра. Свая (якорь) опускается вертикально, открытым краем цилиндра, несколько погружается в грунт под собственным весом, после чего из цилиндра откачивают воду. Под действием созданной таким образом разницы давлений свая заглубляется в грунт.

Используя разницу давлений, вакуумные сваи обладают огромной держащей силой, на горизонтальные и вертикальные (выдергивающие) нагрузки.

Вакуумные сваи относительно недавно применяются для закрепления плавучих платформ на континентальном шельфе. Дело в том, что изучение и составление принципов расчета таких свай начались лишь во второй половине XX века, когда возникла необходимость в надежном креплении нефтегазодобывающих платформ с помощью оттяжек на больших глубинах, а также на грунтах с низкими физико-механическими показателями. На сегодняшний день за рубежом накоплен достаточный опыт применения подобных анкерных/якорных устройств, они уже широко используются для крепления платформ, точечных выносных причалов и судов. В отечественном гидротехническом строительстве вакуумные сваи пока не применяются, Рис. 5 Схема расположения вакуумной также отсутствуют нормативные доку-сваи после установки. менты и принципиальная схема расчета

таких устройств. Но, несмотря на недостаточную изученность и малый опыт применения, вакуумные сваи обладают рядом преимуществ, которые повышают к ним интерес инженеров гидротехников во всем мире, особенно в связи с освоением месторождений континентального шельфа на больших глубинах.

Сегодня фундаменты на основе вакуумных свай/якорей представляют собой отдельные сваи или группу (куст) свай, объединенных ростверком. Диаметр вакуумного якоря может превышать 10 м, а длина приближаться к 30 м. При установке на больших глубинах вакуумные сваи испытывают большие нагрузки, поэтому толщина стенки таких свай может превышать 70 мм.

Основные преимущества вакуумных свай в сравнении с остальными свайными конструкциями:

- возможность относительно простой установки на любой глубине;

- стоимость установки увеличивается с глубиной незначительно;

- за счет использования разницы давлений могут обладать огромной держащей силой не только на горизонтальные нагрузки, но и на вертикальные выдергивающие;

- возможность перестановки свай на другое место при необходимости; Наиболее новой разработкой в области анкерных/якорных устройств является

якорная система SEPLA (Suction Embedded PLate Anchor - Вакуумный встроенный плитный якорь).

Данный якорь представляет собой стальную плиту с проушиной для крепления троса (цепи), погружаемую с помощью инвентарной вакуумной сваи, удаляемой после установки плиты (рис. 6).

МГСУ

Схсча ус! йшрккн я кар« снстил

Рис. 6 Схема установки и расположения якоря системы ББРБЛ.

В случае применения якорей системы ББРБЛ, вакуумная свая используется лишь для установки (вдавливания) якоря ББРБЛ в более плотные слои грунта. Вдавливается вакуумная свая за счет создания разницы давлений внутри сваи и на ее поверхности. После установки якоря, вакуумная сваи извлекается, и может быть использована для установки следующего якоря.

Якоря системы ББРБЛ были запатентованы лишь в 1997 г., но уже получили широкое распространение за счет своих основных преимуществ:

- возможность относительно простой установки на любой глубине;

- стоимость установки увеличивается с глубиной незначительно;

- значительно экономичнее, даже относительно вакуумный свай, до 3 раз;

На сегодняшний день вакуумные сваи и якорные системы типа ББРБЛ не применяются в отечественной практике. Так же отсутствуют какие-либо методы расчетов данной конструкции. Но, учитывая преимущества, которыми обладают вакуумные сваи и якорные системы типа ББРБЛ, очевидна их привлекательность и актуальность изучения данного вопроса. Особый интерес к подобным конструкциям подогревает активное освоение нефтегазовых месторождений на шельфе России. Одним из наиболее перспективных проектов, в котором могут найти применение данные якорные системы - освоение Штокмановского газоконденсатного месторождения в Баренцевом море.

Единственным недостатком вакуумных свай/якорей и якорей системы ББРБЛ является отсутствие надежных, экспериментально обоснованных методов расчета в Рос-

Литература:

1. Основания и фундаменты морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений. С.И. Шибакин.

2. Порты и портовые сооружения. Г.Н. Смирнов, В.В. Аристархов, С.Н. Левачев, А.Г. Сидорова, Е.А. Корчагин.

3. Основы разработки шельфовых нефтегазовых месторождений и строительство морских сооружений в Артике. А.Б. Золотухин, О.Т. Гудместад, А.И. Ермаков, Р.А. Якобсен, И.Т. Мищенко, B.C. Вовк, С. Лосет, К. Н. Шхинек.

4. Сооружения континентального шельфа Носков Б.Д., Правдивец Ю.П.

Literature:

1. Osnovaniya i fundamenty morskih neftegazopromyslovyh gidrotehnicheskih soorujenii. S.I. Shibakin.

2. Porty i portovye soorujeniya. G.N. Smirnov, V.V. Aristarhov, S.N. Levachev, A.G. Sidorova, E.A. Korchagin.

3. Osnovy razrabotki shel'fovyh neftegazovyh mestorojdenii i stroitel'stvo morskih soorujenii v Artike. A.B. Zolotuhin, O.T. Gudmestad, A.I. Ermakov, R.A. Yakobsen, I.T. Mischenko, V.S. Vovk, S. Loset, K. N. Shhinek.

4. Soorujeniya kontinental'nogo shel'fa Noskov B.D., Pravdivec Yu.P.

Ключевые слова: анкер, якорь, вакуумная свая, фундамент, несущая способность, сооружения континентального шельфа.

Keywords: Ankers, anchors, vacuum pile, foundation, load bearing capacity, offshore structures.

e-mail авторов: Valgss5@inbox.ru levachev@inbox.ru

Рецензент: д.т.н. Шибакин С.И.