Результат интеллектуальной деятельности: Шпунтовая стенка

Изобретение относится к гидротехническому и общегражданскому строительству и может быть использовано в морском и речном строительстве портовых сооружений, строительстве набережных и причалов, подпорных стенок при берегоукрепительных работах, а также при дорожном строительстве, сооружении тоннелей и фундаментов в стесненных условиях.

Известна шпунтовая стенка для строительства причалов, набережных, каналов, подпорных стенок при берегоукрепительных работах и других гидротехнических сооружений, содержащая сваи в виде металлических труб, полностью или частично погруженных в грунт, и замковых элементов, соединяющих их в единую стенку вдоль линии строительства (Патент РФ №2185476, МПК Е02В 3/06, опубл. 20.07.2002 г.).

Недостатком известной шпунтовой стенки является то, что при возведении шпунтовых стенок с большим перепадом уровня грунта в зоне сооружения требуется применять дорогостоящие трубные сваи с большим диаметром и высоким моментом сопротивления сечения сваи на изгиб. При строительстве причалов для обслуживания судов с большим водоизмещением и осадкой необходимо обеспечить весьма большой перепад уровней причала и дна подводной части, при этом длина свай из труб достигает 60 м. При погружении длинных свай с большой глубиной погружения в грунт возникают проблемы с отклонением их от проектного положения (веерность), при этом существует возможность раскрытия и разрыва замковых соединений. Для обеспечения минимальных отклонений от проектного положения применяют сваи с запасом устойчивости при приложении вертикальной нагрузки и диаметром, превышающим диаметр серийно изготавливаемых труб с индивидуальным изготовлением на заводах металлоконструкций, что значительно удорожает строительство.

Известна шпунтовая стенка для строительства причалов, набережных, каналов, подпорных стенок при берегоукрепительных работах и других гидротехнических сооружений, содержащая сваи в виде металлических труб, полностью или частично погруженных в грунт, и замковых элементов, соединяющих их в единую стенку вдоль линии строительства. (Горячекатаные шпунтовые соединения ESC, стр. 52 http://www.escpilehk.com/downloads/ESC_Russian_General_Catalogue_20162017_Revision_1_Q42016.pdf). В каталоге приведены характеристики трубных свай с внешним диаметром 609,6-2133,6 мм и моментом сопротивления сечения погонного метра стенки 3358-33857 см³. При проектировании шпунтовых подпорных стенок, временно и постоянно ограждающих место строительных работ и используемых при берегоукрепительных и дноуглубительных работах в морском и речном строительстве портовых сооружений, набережных и причалов, особое внимание обращают на способность стенки воспринимать изгибающую нагрузку от водонасыщенных и насыпных грунтов в зоне строительства, а также на жесткость свай, составляющих стенку и их способность к погружению в грунт без деформаций и отклонений от проектного положения (устойчивость). Для гидротехнических сооружений часто применяют шпунтовые стенки, выполненные из цилиндрических труб большого диаметра с приварными замковыми соединениями, обладающими высокими характеристиками по моменту сопротивления и коэффициенту использования металла. При этом трубы устанавливают вдоль линии шпунтовой стенки и соединяют между собой замковыми элементами. В зависимости от перепада уровня и типа грунта, разделенного шпунтовой стенкой в зоне строительства, применяют типовые электросварные трубы диаметром 426-1420 мм и более.

Недостатком известной шпунтовой стенки, как и в предыдущем известном техническом решении, является то, что при возведении шпунтовых стенок с большим перепадом уровня грунта в зоне сооружения и большой глубиной погружения в грунт требуется применять трубные сваи с большим диаметром с высоким моментом сопротивления сечения сваи на изгиб и высокой жесткостью. При погружении длинных свай в грунт возникают проблемы с отклонением их от проектного положения (веерность), при этом возникает возможность разрыва замковых соединений. Для обеспечения минимальных отклонений от проектного положения применяют сваи с запасом устойчивости при приложении вертикальной нагрузки и диаметром, превышающим диаметр серийно изготавливаемых труб с индивидуальным изготовлением на заводах металлоконструкций, что значительно удорожает строительство.

Известна шпунтовая стенка, наиболее близкая к заявляемому техническому решению, преимущественно причала либо набережной, выполненная из шпунтовых свай, в которой каждая свая состоит из трубы и жестко закрепленных на ее наружной поверхности пары замковых элементов, посредством которых смежные сваи соединены между собой (Патент RU 37113, МПК Е02В 3/06, опубл. 10.04.2004 г.). В известном техническом решении сваи выполнены из металлических труб и соединены между собой замковыми элементами, расположенными в одной плоскости, в параллельных плоскостях или в пересекающихся плоскостях.

Недостатком известной шпунтовой стенки, как и в предыдущих известных технических решениях, является недостаточная жесткость и устойчивость сваи при ее забивании в грунт. В известном техническом решении жесткость сваи увеличена только в одном направлении (в направлении сопряжения труб между собой), что не приводит к повышению устойчивости сваи при ее погружении, при этом возможно раскрытие и разрыв замкового соединения свай между собой и потеря герметичности сооружаемой стенки. Поэтому при сооружении шпунтовых стенок для причалов и других гидротехнических сооружений с большим перепадом уровня грунта в зоне строительства и большой глубиной погружения применяют трубы большого диаметра, в том числе индивидуального изготовления с диаметром, превышающим серийно изготавливаемые, что значительно увеличивает стоимость строительства.

Задачей настоящего изобретения является повышение жесткости сечения и устойчивости свай при их погружении в грунт методом забивания копром при сооружении шпунтовой стенки, повышение надежности соединения свай в стенке без раскрытия замковых соединений, а также увеличение нагрузочной способности шпунтовой стенки с возможностью применения при ее сооружении более дешевых сварных труб, прокатанных из рулона методом продольной прокатки, снижение себестоимости строительства.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в шпунтовой стенке, содержащей сваи из металлических труб, соединенных между собой промежуточными элементами посредством сварки, снабженные замковыми элементами для соединения свай в шпунтовую стенку, линия шпунтовой стенки в плане образована одной из граней многогранных свай и замковыми элементами, соединяющими сваи между собой, а каждая из граней свай образована двумя трубами и промежуточным элементом, установленным между ними, при этом в сваях с числом граней более трех между трубами разных граней установлены дополнительные промежуточные элементы, делящие сечение сваи на части треугольного сечения. При этом величина граней многогранных свай может быть, как одинаковой, так и разной. Шпунтовая стенка может быть выполнена, как сочетанием многогранных свай с одинаковым количеством граней, так и сочетанием многогранных свай с разным количеством граней.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:

на Фиг. 1 - поперечный разрез шпунтовой стенки,

на Фиг. 2 - сечение А-А шпунтовой стенки, комбинация трех- и четырехгранных свай.

Шпунтовая стенка 1 содержит сваи 2 из металлических труб 3, соединенных между собой промежуточными элементами 5 посредством сварки, полностью или частично погруженные в грунт 4 и снабженные замковыми элементами 6 и 7 для соединения свай 2 в шпунтовую стенку 1. Шпунтовая стенка 1, например, образована сочетанием граней 8 трехгранных свай 9 и граней 10 четырехгранных свай 11. Каждая из граней 8 трехгранной сваи 9 образована двумя трубами 3 с наружным диаметром «Dн», толщиной стенки «s», расстоянием «l» между центрами труб в углах сваи и промежуточным элементом 5, связывающим их между собой посредством сварки. К трубам 3 одной из граней приварены замковые элементы 6 и 7 для соединения свай 9 в шпунтовую стенку 1. Четырехгранная свая 11 образована четырьмя гранями 10, при этом каждая из граней 10 образована двумя трубами 3 с наружным диаметром «Dн», толщиной стенки «s», расстоянием «l» между центрами труб и промежуточным элементом 5, связывающих их между собой. К трубам 3 одной из граней 10 приварены замковые элементы 6 и 7 для соединения свай 11 в шпунтовую стенку 1. При этом две трубы 3 четырехгранной сваи 11, расположенные по диагонали сваи, связаны между собой посредством сварки дополнительным промежуточным элементом 12, делящим сечение сваи на две части 13 и 14 треугольного сечения.

В таблицах 1-4 приведены результаты компьютерного моделирования по изменению моментов инерции, жесткости и моментов сопротивления изгибу сечений труб в составе треугольной и четырехугольной свай в зависимости от расстояний между центрами труб в сваях, наружного диаметра и толщины стенок труб (без учета промежуточных элементов между трубами). Обозначения в таблицах 1-4 и на Фиг. 2 означают:

L - расстояние между центрами труб в углах трехгранной и четырехгранной свай, см;

Dн - наружный диаметр цилиндрической трубы, см;

S - толщина стенки трубы, см;

Jx3, Jx4 - моменты инерции сечений цилиндрических труб, соответственно, трехгранной и четырехгранной свай относительно нейтральных осей х3-х3 и х4-х4 (без учета промежуточных элементов), см⁴;

Jx30, Jx40 - моменты инерции сечений трех и, соответственно, четырех цилиндрических труб, выстроенных в линию х0-х0, см⁴;

Сх3, Сх4 - жесткости сечений цилиндрических труб трехгранной и, соответственно, четырехгранной свай (Сх=Jx*E, где Е - модуль упругости, Н/м²), Н/м²;

Сх30, Сх40 - жесткости сечения трех и четырех цилиндрических труб, выстроенных в линию х0-х0, Н/м²;

Wx3, Wx4 - моменты сопротивления сечений труб трехгранной и четырехгранной свай относительно нейтральных осей х3-х3 и х4-х4, см³;

Wx30, Wx40 - моменты сопротивления сечений трех и четырех цилиндрических труб, выстроенных в линию х0-х0, см³;

Значения l/Dн и s/Dн приведены в относительных величинах (долях);

Значения Jx/Jx0, Сх/Сх0 и Wx/Wx0 приведены в процентах.

Результаты проведенного моделирования говорят о значительном увеличении жесткости и устойчивости трехгранных и четырехгранных свай, составленных из цилиндрических труб по сравнению со сваями, выполненными из цилиндрических труб и установленными в одну линию по линии шпунтовой стенки.

При погружении сваи в грунт на нее действует вертикальная сжимающая сила. Критическая сжимающая сила, при действии которой свая теряет устойчивость, определяется формулой Эйлера: Fкр=π² Е J min/ (μ Н)², где Е - модуль упругости (Н/м²); J min - минимальный момент инерции сечения сваи (см²); μ - коэффициент приведенной длины; Н - высота сваи (см). Из приведенной формулы видно, что при увеличении минимального момента инерции сваи (J min) прямо пропорционально увеличивается критическая сила (Fкр), при которой свая теряет свою устойчивость. Указанное подтверждает, что с целью повышения устойчивости сваи при погружении в грунт целесообразно использование многогранных свай, например, трехгранных или четырехгранных, составленных из цилиндрических труб.

Анализ таблиц 2, 4 показывает, что с увеличением жесткости и устойчивости свай при их погружении в грунт одновременно увеличивается и нагрузочная способность шпунтовой стенки, выполненной из трехгранных или четырехгранных свай, составленных из цилиндрических труб. Следует отметить, что выполнение свай с образованием жестких треугольных сочленений с помощью промежуточных элементов между трубами позволяет исключить взаимное смещение труб в сечении свай.

Изобретение может быть использовано при строительстве причалов набережных, набережных каналов и других гидротехнических сооружений с большой высотой шпунтовой стенки, а также позволяет снизить затраты на строительство за счет использования более дешевых сварных труб меньшего диаметра, изготавливаемых из горячекатаной полосы, смотанной в рулон.