СВАЯ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ШПУНТОВОЙ СТЕНКИ

Полезная модель относится к шпунтовым металлическим сваям и выполненным из них шпунтовым стенкам и может быть использована в гидротехнике при сооружении морских и речных причалов, а также в строительстве при возведении в грунте подпорных стенок различного назначения, для которых не нужно дополнительное усиление.
Известны металлические шпунтовые сваи различной конфигурации.
Известна шпунтовая стенка (патент RU59083U, опубл. 10.12.2006), содержащая шпунтовые сваи из труб с приваренными к ним шпунтовыми замками и Т-образными шпунтовыми выступами, размещенными во внутренних полостях шпунтовых замков смежных сваи, отличающаяся тем, что каждый упомянутый Т-образный выступ выполнен из двух уголковых профилей, приваренных одними полками к трубе, а другими полками - обращенных в противоположные стороны, при этом между приваренными полками уголковых профилей образован зазор, размер которого выбран из условия обеспечения возможности изгиба приваренных полок под воздействием внешних сил в пределах упругой деформации и составляет не менее 10% от высоты приваренной полки.
Известна свая (патент RU19542U, опубл. 10.09.2001). Корпус сваи имеет форму цилиндрического сегмента с центральным углом не более 180°, вырезанного из круглой трубы по линиям, параллельным ее оси, то есть полученного продольным разрезом. К одной из ее боковых кромок прикреплен охватывающий замковый элемент, к другой - охватываемый замковый элемент.
Изготовление свай такой конструкции, в которой на одну кромку нужно приварить охватываемый замковый элемент - стержень, а на другую охватывающий элемент - трубу с продольной прорезью, ориентированной строго определенным образом, сопряжено с определенными технологическими трудностями. Это вызвано тем, что для формирования каждой из продольных кромок одной сваи нужна своя оснастка. Наличие «разноименных» замковых элементов на одной свае усложняет автоматизацию процесса.
Стенка, описанная в данном аналоге, собрана из одинаковых шпунтовых свай, выполненных из сегментов труб, при этом на одной боковой кромке этой сваи имеются охватываемые элементы, а на другой кромке - охватывающие элементы.
Специалисту понятно, что для повышения прочностных характеристик шпунтовой стенки требуется максимально увеличить площадь опоры. Это можно достигнуть только при формировании волнистой поверхности стенки, то есть при установке свай из цилиндрических сегментов при обращении гребней смежных свай в противоположные стороны, когда стенка в сечении имеет синусообразную форму (а не зубчатую, однонаправленную). В этом случае, для введения охватываемого элемента одной сваи в охватывающий элемент другой (смежной) сваи, каждую вторую сваю, доставаемую из общего штабеля одинаковых свай, нужно переворачивать не только ориентируя гребень, но и разворачивать по длине, то есть опускать другим торцом. Для свай длина до 6 и более метров вызывает при монтаже существенные трудности, а при ограниченных площадках для монтажа вообще может быть исключено. Таким образом, проблемы с технологичностью монтажа свайной стенки вытекают из конструкции применяемых свай.
Повышение технологичности изготовления и сборки за счет унификации формы кромок свай и разделение их на два типа конструкции несет решение (патент RU118648U, опубл. 27.07.2012). Решение выбрано за прототип.
В прототипе описана шпунтовая свая синусоидальной формы, характеризующаяся тем, что имеет корпус, представляющий собой сегмент цилиндрической металлической трубы, полученный ее продольным разрезом, на боковых кромках корпуса закреплены идентичные продольные охватывающие элементы замкового соединения.
Однако, данная свая (как в прототипе) редко применяется в таком виде для возведения шпунтовых стен без усиления.
Сегмента труб могут усиливаться любым элементом, играющим роль усиливающей сваи: тавром, балкой, сегментами этой же трубы или других труб, полосой, большим кругом, и т.д., по аналогии с тем, как описано в RU59083U.
Но усиление свай подобными способами существенно усложняет процесс установки шпунтовой стенки, требует больших затрат на дополнительный шпунт, сварку и его установку для усиления стенки.
Кроме того, наблюдается так называемая "проблема овальности" (изменение диаметра свай при нагрузках), которая возникает из-за разных нагрузок на разные участки стенки.
Задачей полезной модели является устранение указанных технических проблем.
Техническим результатом является упрощенный процесс возведения синусоидальной шпунтовой стенки, не требующий дополнительного усиления, устраняется проблема изменения диаметра свай при нагрузках (проблема овальности).
Указанный технический результат достигается за счет того, что свая для возведения синусоидальной шпунтовой стенки имеет корпус, представляющий собой сегмент цилиндрической металлической трубы, полученный ее продольным разрезом, где на боковых кромках корпуса закреплены элементы замкового соединения, отличающаяся тем, что в средней части сваи приварена накладка, представляющая собой полученный продольным разрезом сегмент цилиндрической металлической трубы того же диаметра, что и используемый в свае, но имеющий меньшую длину, чем сегмент сваи.
Допустимо, что сегмент сваи сформирован углом от 90° до 270°.
Предпочтительно, накладка приварена торцами к поверхности сегмента трубы сваи.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показан принцип соединения накладки к сегментной свае.
На Фиг.2 - Фиг.4 показаны диаграммы сравнения шпунтовых стен, согласно заявленного способа и шпунтовых стен согласно прототипа.
На Фиг.5 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 180°.
На Фиг.6 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 270°.
На Фиг.7 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 120°.
На Фиг.8 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 90°.
На чертежах: 1 - сегмент шпунтовой сваи, 2 - сегмент накладки, 3 - зона сварного соединения, 4 и 5 - элементы замкового соединения «гнездо и шарик», соответственно.
Осуществление полезной модели
Шпунтовая стенка монтируется из шпунтовых свай (см. Фиг.1), корпус которых представляет собой сегмент 1 цилиндрической металлической трубы, полученный ее продольным разрезом, где на боковых кромках корпуса закреплены элементы замкового соединения 4 и 5, которыми соединяются шпунтовые сваи 1 между собой.
При монтаже стенки фиксируемый элемент следующей сваи 1 вводится в фиксирующий элемент предыдущей. При монтаже осуществляют поворот каждой сваи так, чтобы гребни сегментов смежных свай были ориентированы в противоположные стороны, и формировалась стенка, симметричная относительно продольной плоскости симметрии (в сечении - синусоида) - (см. Фиг.5-Фиг.8).
Новым является то, что в средней части шпунтовой сваи приварена накладка 2, представляющая собой полученный продольным разрезом сегмент цилиндрической металлической трубы того же диаметра, что и используемый в свае, но имеющий меньшую длину, чем сегмент сваи 1.
Данные накладки 2 обеспечивают упрощенный процесс возведения синусоидальной шпунтовой стенки, не требующий дополнительного усиления.
Диаграммы сравнения шпунтовых стен согласно полезной модели и шпунтовых стен, согласно прототипа, показаны на Фиг.2 - Фиг.4 при различных диаметрах труб и различных нагрузках с однотипными элементами замкового соединения «шарик в гнезде».
Диаграммы показывают, что применение накладок 2 позволяет достичь таких прочностных характеристик, которые невозможно достичь существующими на данный период шпунтовыми стенами в их рабочем диапазоне диаметров и толщин труб.
2
Из диаграмм Фиг.2 - Фиг.4 следует, что для любого выбранного решения шпунтовой стенки всегда найдётся множество решений с накладками, у которых каждый кг массы м шпунтовой стены даст больше единиц упругого момента, чем у соразмерного решения для стены без накладок (т.е. как в прототипе).
Для погружения шпунтовой стенки с накладками даже с большим диаметром можно использовать менее мощную технику для погружения, чем это требуется для равнопрочных стен без накладок, поскольку вес шпунтовой сваи с накладкой больше и процесс ее погружения становится проще. Соответственно, это позволяет вести упрощенный процесс возведения синусоидальной шпунтовой стенки.
Перевозка компактно упакованных сегментных шпунтовых стен с накладками, также быстра и требует столько же транспорта как и перевозка шпунта по прототипу, поскольку отсутствует «перевозка воздуха», так как накладки помещаются внутрь сегментов основного шпунта.
Важным является то, что для получения накладки используют полученный продольным разрезом сегмент цилиндрической металлической трубы того же диаметра. Поскольку для шпунтовых свай используются трубы диаметров 1420, 1520, 1620, 1820, 2020 мм, произвести наложение сегмента накладки на трубу можно без больших зазоров между сегментами (чтобы обеспечивался их плотный контакт друг к другу) только в отношении сегментов труб одинакового диаметра.
Чем меньшую сегмент накладки имеет длину при формировании, тем меньше напряжение изгиба стенки трубы, которое формировалось при изготовлении трубы на трубопрокатном цехе изготовителя, и напряжение уменьшается тем меньше, чем меньше сегмент нарезается.
Таким образом, при наложении на сваю сегмента накладки меньшей длины, чем длина сегмента самой сваи, сегмент накладки имеет уже больший диаметр, чем имеет сегмент самой сваи. А сам сегмент сваи, соответственно, имеет меньший диаметр, чем диаметр неразрезанной трубы.
Вышесказанное обеспечивает условие плотного контакта сегментов накладки к сегменту сваи. А это в свою очередь, устраняет проблему овальности, которая может присутствовать в шпунтах по прототипу, поскольку плотное прилегание сегмента накладки к сегменту сваи исключает изменение диаметра обоих при нагрузках.
С помощью сегментных шпунтовых стен с накладками можно с выгодой заместить любое решение усиленной шпунтовой стенки на множество решений, согласно заявленного решения в следующих вариантах
3
2
с бо́льшим упругим моментом W(см/м) при сохранении массы м;
2
3
со значительным уменьшением массы м при сохранении упругого момента W(см/м);
2
3
с одновременным уменьшением массы м и увеличением упругого момента W(см/м).
2
Сегментные шпунтовые стены с накладками успешно решают задачу замещения многих классических шпунтов не только со значительной экономией по массе м, но одновременно и с существенным уменьшением количества погружений.
2
Так, например, дорогой г/к шпунт Л5УМ можно заместить множеством уникальных решений, согласно заявленного способа, с максимальной экономией по массе до 45,41% с одновременной экономией по числу погружений до 142,2%. Или заместить вариантом с экономией массы м до 40,68%, но при этом с экономией по числу погружений до 182% (см. далее таблицу замещения классических шпунтов).
Широкая возможность выбора формирования усиления шпунтовой стенки обусловлена возможностью манипуляций выбора угла сегмента как при формировании шпунтовой сваи, где сегмент сваи может быть сформирован с углом от 90° до 270°, так и при формировании размера сегмента самих накладок.
При формировании шпунтовой сваи, сегмент остатка цилиндрической металлической трубы, полученный после ее продольного разреза, можно использовать в качестве накладки либо целиком, либо путем продольного разреза на равные части. Причем выбор количества разделения на равные части сегментов остатка для формирования накладок также произволен. Все это позволяет манипулировать размерами сегментов шпунта стенки и сегментов накладок совершенно произвольно.
Фиксацию накладки к сегменту шпунтовой сваи осуществляют сваркой - путем приваривания торцами накладки к поверхности сегмента трубы сваи.
Накладки фиксируют в средней части шпунтовых свай так, чтобы от одного края накладки до края сегмента сваи было такое же расстояние, как и от другого края накладки до другого конца сегмента сваи. Без такого расположения расчет степени усиления шпунтовой стенки будет невозможен из-за неравномерного усиления стенок и невозможности прогнозировать степень будущих нагрузок с высокой точностью.
Для шпунтовых сегментных стен с накладками, согласно заявленного решения, характерны следующие свойства.
При использовании шпунтовых стен с накладками:
2
моменты сечений (прочностные параметры) W и J растут быстрее, чем масса м,
моменты инерции растут быстрее, чем упругие моменты,
повышения упругого момента стены можно быстрее добиться увеличением диаметра трубы, нежели увеличением ее толщины,
увеличение толщины сегмента синусоидальных шпунтовых стен с накладками имеет существенно меньшее влияние на возрастание упругих моментов, чем увеличение диаметров труб.
Использование синусоидальных стен без накладок (как в прототипе) или без усиления не дает возможности замещения всех типов российских шпунтовых стен.
Замещение сразу всей номенклатуры шпунтовых стен синусоидальными шпунтами стенками с накладками возможно только с центральным углом сегмента не менее 240° (из
всей номенклатуры не будет замещено только 1 решение).
Результаты исследования взаимного влияния центральных углов сегментов сваи (α) и сегментов накладки (β) на результаты решений при формировании шпунтовых стен.
Исходные данные и пояснения по результатам проведенного исследования.
Центральный угол трубы α однозначно определяет сегмент выбранной шпунтовой сваи для синусоидальной шпунтовой стены с накладками.
Центральный угол β такой же трубы однозначно определяет другой сегмент, который характеризует накладку усиления.
Накладка с углом β усиливает сегмент с углом α.
Выводы о свойствах решений в зависимости от углов α и β получены на основе исследования решений синусоидальной шпунтовой стены с накладками (СШСТ-Н) из трубы 1420×20 для всех углов α и β, представленных в Таблице 1.
Таблица 1.
Сегмент
Накладки
βα
0
60
90
120
150
180
210
240
270
90
Х
Х
Х
120
Х
Х
Х
Х
150
Х
Х
Х
Х
Х
180
Х
Х
Х
Х
Х
Х
210
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
240
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
270
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
2
3
Для исследования взаимовлияния углов α и β на параметры решений сегментных шпунтов удобно использовать общепринятый коэффициент эффективности (полезности) Kэфф, связывающий одновременно два основных параметра Mкг/м и W см/м.
2
Коэффициент Kэфф показывает, сколько единиц упругого момента доставляет каждый кг массы 1 мстены.
Результаты исследований
Об изменении коэффициента эффективности с ростом сегментов свай и сегментов накладок.
Во всех семи исследуемых сегментах решения с нулевой накладкой (β=0) имеют самый низкий коэффициент эффективности относительно решений в своих сегментах, что подтверждает неэффективность применения сегментных решений в синусоидальных шпунтовых стенах без накладок (СШСТ).
В каждом сегменте коэффициент эффективности решений непрерывно растёт вместе с ростом угла накладки β, но только до определенного его значения. В каждом сегменте значение этого параметра индивидуально и зависит от угла α: β=α/2. При дальнейшем увеличении угла накладки β значение параметра Kэфф в исследуемом сегменте падает.
Самый низкий Kэфф в каждом сегменте получим тогда, когда угол накладки β станет равным углу α исследуемого сегмента (α=β).
1
2
2
1
1
2
При сравнении двух сегментов с углами α<α все решения из сегмента α всегда более эффективны, чем все решения из сегмента α при одинаковых накладках, включая даже самые эффективные решения сегмента αи неэффективные решения из сегмента α (при β=0 и β=α).
Об изменении масс и упругих моментов с ростом сегментов свай и сегментов накладок.
3
2
2
В каждом сегменте у всех решений с накладками при увеличении угла β (для накладок) упругие моменты W (см/м) и массы м (кг/м) только растут.
В каждом сегменте, несмотря на самый низкий коэффициент эффективности, решение при α=β всегда имеет самый большой среди решений в своём сегменте упругий момент W и массу М.
1
2
2
1
При сравнении решений двух сегментов с углами α<α все упругие моменты и массы решений из сегмента αвсегда больше упругих моментов и масс из сегмента αпри одинаковых накладках, включая решения с углами β=0 и β=α.
Самое большое увеличение упругого момента (до 92%) внутри каждого сегмента наблюдается при сравнении решения без накладки (β=0) с решением с самой минимальной накладкой (60°) из этого же сегмента.
Это еще раз подчеркивает низкую эффективность решений без накладок (СШСТ).
При увеличении угла накладки внутри одного и того же сегмента массы растут примерно в среднем вдвое медленней, чем растет упругий момент W.
эфф
О значениях и взаимовлиянии параметров W, M, k в сегментных решениях СШСТ-Н 1420хt при изменении параметра t=[10,11..20].
Сравнение с решениями СШСТ 1420хt
Таблица 2
Исследование сегментных решений СШСТ-Н 1420х20 по всем сегментам и накладкам
Исходные данные и пояснения для исследования.
Сегмент α<sup>0</sup>
Накладка β<sup>0</sup>
Wсм<sup>3</sup>/м
М кг/м<sup>2</sup>
k<sub>эфф</sub>
Рост Кэфф
90
0
2531
187,79
13,48
До β=45<sup>0</sup>β/α=0,5
90
45
4445
269,6
16,49
90
60
4853
297,79
16,3
90
90
5141
354,18
14,51
120
0
4595
201,33
22,82
До β=60<sup>0</sup>β/α=0,5
120
60
8156
292,83
27,85
120
120
9048
339,45
26,66
150
0
7457
223,71
33,33
До β=75<sup>0</sup>β/α=0,5
150
60
12446
307,18
40,52
150
75
13366
328,28
40,71
150
90
14069
349,37
40,27
150
150
15023
433,74
34,64
180
0
11361
258,05
44,03
До β=90<sup>0</sup>β/α=0,5
180
60
18091
340,21
53,18
180
90
20566
381,29
53,94
180
100
21180
395,00
53,162
180
110
21688
408,68
53,07
180
120
22093
422,37
52,31
180
150
22772
463,45
42,14
180
180
22914
504,54
45,42
210
0
16760
310,94
53,9
До β=105<sup>0</sup>β/α=0,5
210
60
25772
397,95
64,76
210
90
29305
440,86
66,47
210
105
30673
462,3
66,33
210
120
31767
483,74
65,67
210
150
33182
526,62
63,01
210
180
33772
569,5
59,3
210
210
33888
612,38
55,34
240
0
24579
396,31
62,02
До β=120<sup>0</sup>β/α=0,5
240
60
36869
496,41
74,27
240
90
41847
544,7
76,83
240
120
45561
592,98
76,83
240
150
47982
641,26
74,82
240
180
49285
689,55
71,47
240
210
49795
737,83
67,49
240
240
49891
786,11
63,46
270
0
37008
547,54
67,59
До β=135<sup>0</sup>β/α=0,5
270
60
54677
675,94
80,89
270
90
61915
735,86
84,14
270
120
67540
795,78
84,87
270
135
69710
825,74
84,42
270
150
71466
855,7
83,52
270
180
73857
915,61
80,66
270
210
75060
975,53
76,94
270
240
75500
1035,45
72,92
270
270
75580
1095,36
69,00
Значения упругих моментов шпунтовых стен СШСТ-Н с сегментами и накладками из трубы 1420хt при максимальных коэффициентах эффективности.
Сравнение * с решениями шпунтовых стен СШСТ 1420хt показаны в Таблице 3.
* для сравнения выбирались только те решения СШСТ-Н с элементами труб 1420хt, у которых Кэфф был самый высокий.
Таблица 3
Dxt
max K<sub>эфф</sub> СШСТ
max K<sub>эфф </sub> СШСТ-Н
Wmax СШСТ, см<sup>3</sup>/м
Wmax СШСТ-Н, см<sup>3</sup>/м
1420х20
42,98
84,42
20 514
69 710
1420х19
42,99
84,42
19 529
66 293
1420х18
43,00
84,41
18 541
62 868
1420х17
42,99
84,39
17 548
59 437
1420х16
42,98
84,35
16 551
55 998
1420х15
42,96
84,30
15 549
52 553
1420х14
42,93
84,23
14 543
49 100
1420х13
42,89
84,14
13 533
45 640
1420х12
42,82
84,01
12 519
42 173
1420х11
42,74
83,85
11 500
38 699
1420х10
42,63
83,63
10 477
35 217
Выводы: при условии достижения решениями сегментных шпунтов СШСТ-Н максимальных коэффициентов эффективности можно с сегментами и накладками из труб 1420хt достичь таких упругих моментов, которые в 3,4 раза больше, чем упругие моменты решений СШСТ 1420хt.
Значения упругих моментов шпунтовых стен СШСТ-Н с сегментами и накладками из трубы 1420хt.
Сравнение * с решениями шпунтовых стен СШСТ 1420хt показаны в Таблице 4.
* для сравнения выбирались только те решения с элементами трубы 1420хt, у которых упругий момент был наивысший, невзирая на значение коэффициента эффективности.
Таблица 5
Dxt
max K<sub>эфф</sub> СШСТ
max K<sub>эфф </sub> СШСТ-Н
Wmax СШСТ, см<sup>3</sup>/м
Wmax СШСТ-Н, см<sup>3</sup>/м
1420х20
42,98
69
20 514
75 580
1420х19
42,99
69
19 529
71 858
1420х18
43,00
69
18 541
68 130
1420х17
42,99
68,99
17 548
64 397
1420х16
42,98
68,97
16 551
60 657
1420х15
42,96
68,94
15 549
56 912
1420х14
42,93
68,89
14 543
53 161
1420х13
42,89
68,84
13 533
49 403
1420х12
42,82
68,76
12 519
45 640
1420х11
42,74
68,65
11 500
43 733
1420х10
42,63
68,53
10 477
38 095
Выводы: с помощью сегментных решений СШСТ-Н с элементами трубы 1420хt (без требований максимальной эффективности сегментных решений) можно достичь таких упругих моментов, которые в 3,6 раза больше, чем у решений СШСТ с такой же трубой 1420 и с теми же толщинами t.
Типичные результаты замещения шпунтов СШСТ на сегментные решения СШСТ-Н.
В качестве примера замещается одно решение СШСТ 1420х20 на различные варианты сегментных шпунтовых стен с различными углами сегментов α и накладками с различными углами β.
2
3
Параметры замещаемого решения СШСТ 1420х20: М=477,26 кг/м; W=20 514 см/м показаны в Таблице 5.
Замещения осуществляются с целью
Получить максимально возможный упругий момент W при сохранении или незначительном повышении массы решения СШСТ 1420.
Минимизировать массу шпунтовой стены при сохранении или незначительном увеличении W, являющимся решением СШСТ 1420х20.
Одновременно минимизировать и массу, и увеличить упругий момент для замещения решения СШСТ1420х20.
Таблица 5
Замещающие решения СШСТ-Н 1420хt
Параметры замещающих решений СШСТ-Н 1420х20
Результаты замещения*
α
β
Dхt
W см<sup>3</sup>/м
ΔW
ΔW%
М кг/м<sup>2</sup>
ΔМ
ΔМ%
Вариант б)
180
90
1420х20
20566
32
+0,16%
381,29
-95,97
-20,11
При чуть большем упругом моменте W экономия на массе м<sup>2</sup> 20,11%
Вариант б)
240
60
1420х11
20537
23
+0,11%
279,02
-198,24
-41,54
При чуть большем упругом моменте Wэкономия на массе м<sup>2</sup> 41,54%
Вариант а)
270
120
1420х14
38586
+18072
+88,1%
478,08
+0,82
+0,17
При чуть большей массе увеличение упругого момента W на 88,10%
Вариант с)
240
120
1420х??
27574
+7065
+34,44%
361,11
-116,15
-24,34
Одновременно уменьшение массы на 24,34%с увеличением упругого момента W на 34,44%
* Данные замещения показаны как пример. Сегментный метод позволяет сделать аналогичные замещения сотнями различных способов.
Исследование изменения параметров W, М и Кэфф в решениях СШСТ-Н 1420хt с ростом параметра t.
Сравнение решений СШСТ-Н 1420хt с решениями СШСТ 1420хt показаны в Таблице 6 для сегмента сваи 270° + сегмента накладки 135°.
Таблица 6
Dxt
K<sub>эфф </sub>СШСТ
MAX K<sub>эфф </sub>СШСТ-Н
W СШСТ
W СШСТ-Н
ΔW см<sup>3</sup>/м
ΔW%
W<sub>СШСТ-Н</sub>/ MAX W<sub>СШСТ</sub>
M кг/м<sup>2</sup> СШСТ
M кг/м<sup>2</sup> СШСТ-Н
ΔM кг/м<sup>2</sup>
ΔM %
M<sub>СШСТ-Н</sub>/ M<sub>СШСТ</sub>
1420х20
42,98
84,42
20514
69710
49196
240,0
3,398
477,26
825,74
348,48
73,02
1,730
1420х19
42,99
84,42
19529
66293
46764
239,1
3,395
454,26
785,26
331,00
72,87
1,729
1420х18
43,00
84,41
18541
62868
44327
239,1
3,391
431,23
744,79
313,56
72,71
1,727
1420х17
42,99
84,39
17548
59437
41889
238,7
3,387
408,16
704,32
296,16
72,56
1,726
1420х16
42,98
84,35
16551
55998
39447
238,3
3,383
385,06
663,85
278,79
72,40
1,724
1420х15
42,96
84,30
15549
52553
37004
238,0
3,380
361,93
623,39
261,46
72,24
1,722
1420х14
42,93
84,23
14543
49100
34557
237,6
3,376
338,76
582,92
244,16
72,07
1,721
1420х13
42,89
84,14
13533
45640
32107
237,3
3,373
315,56
542,46
226,90
71,90
1,719
1420х12
42,82
84,01
12519
42173
29654
236,9
3,369
292,33
502,00
209,67
71,72
1,717
1420х11
42,74
83,85
11500
38699
27199
236,5
3,365
269,06
461,54
192,48
71,54
1,715
1420х10
42,63
83,63
10477
35217
24740
236,1
3,361
245,76
421,08
175,32
71,34
1,713
Исследование изменений максимальных параметров W, М и Кэфф в решениях СШСТ-Н 1420хt с ростом параметра t.
Сравнение решений СШСТ-Н 1420хt с решениями СШСТ 1420хt показано в Таблице 7 для сегмента сваи 270° + сегмента накладки 210°.
Таблица 7
Dxt
K<sub>эфф </sub>СШСТ
K<sub>эфф </sub>СШСТ-Н
W СШСТ
MAX W СШСТ-Н
ΔW см<sup>3</sup>/м
ΔW%
MAX W<sub>СШСТ-Н</sub>/ W<sub>СШСТ</sub>
M кг/м<sup>2</sup> СШСТ
MAX M кг/м<sup>2</sup> СШСТ-Н
ΔM кг/м<sup>2</sup>
ΔM %
MAX M<sub>СШСТ-Н</sub>/ M<sub>СШСТ</sub>
1420х20
42,98
69,00
20514
75580
55066
268,43
3,684
477,26
1095,36
618,1
129,51
2,295
1420х19
42,99
69,00
19529
71858
52329
267,96
3,680
454,26
1041,4
587,14
129,25
2,293
1420х18
43,00
69,00
18541
68130
49589
267,46
3,675
431,23
987,44
556,21
128,98
2,290
1420х17
42,99
68,99
17548
64397
46849
266,98
3,670
408,16
933,49
525,33
128,71
2,287
1420х16
42,98
68,97
16551
60657
44106
266,49
3,665
385,06
789,54
494,48
128,42
2,284
1420х15
42,69
68,94
15549
56912
41363
266,02
3,660
361,93
825,58
463,65
128,10
2,281
1420х14
42,93
68,89
14543
53161
38618
265,54
3,655
338,76
771,64
432,88
127,78
2,278
1420х13
42,89
68,84
13533
49403
35870
265,06
3,651
315,56
717,69
402,13
127,43
2,276
1420х12
42,82
68,76
12519
45640
33121
264,57
3,646
292,33
663,75
371,42
127,06
2,271
1420х11
42,74
68,65
11500
41870
30370
264,09
3,641
269,06
609,81
340,75
126,64
2,266
1420х10
42,63
68,53
10477
38095
27618
263,61
3,636
245,76
555,87
310,11
126,18
2,262
Ниже показаны примеры замещения решений СШСТ с использованием заявленного способа.
Пример 1. Заместить решения СШСТ с небольшой трубой 820хt на сегментные решения СШСТ-Н 820хt с этой же трубой, но с максимально возможными упругими моментами.
Выбираем сегмент α=270°, β=120°.
Таблица 8
Решения СШСТ 820хt
Решения СШСТ-Н 820хt
Приращения в %
СШСТ Dxt
М<sub>СШСТ</sub>
W<sub>СШСТ</sub>
М<sub>СШСТ-Н</sub>
W<sub>СШСТ-Н</sub>
K<sub>эфф</sub><sub>СШСТ-Н</sub>
%ΔМ
%ΔW
820х9
228,83
5226
526,39
20466
38,88
130,04
291,6
820х10
245,27
5785
581,65
22710
39,04
137,15
292,6
820х11
267,65
6340
636,91
24947
39,17
137,96
293,5
820х12
289,97
6891
692,19
27179
39,27
138,71
294,4
820х13
312,24
7438
747,47
29405
39,34
139,39
295,3
820х14
334,45
7981
802,75
31625
39,40
140,02
296,2
820х15
356,61
8520
858,05
33840
39,44
140,61
297,2
820х16
378,71
9054
913,35
36048
39,47
141,17
298,1
В сравнениях с решениями СШСТ 820х16 с небольшой трубой у сегментных решений с такой же небольшой трубой:
2
Массы м выросли в 2,3-2,4 раза;
Упругие моменты выросли в 3,3-3,8 раза;
Коэффициент эффективности вырос в 1,73 раза.
Упругие моменты сегментных решений росли быстрее масс в 1,65 раз.
Упругие моменты восьми представленных выше решений СШСТ-Н 820хt намного превышают упругие моменты старшего решения СШСТ1420х20.
2
Пример 2. Заместить решения СШСТ с небольшой трубой 820хt на сегментные решения с любыми параметрами, но с максимальной экономией по массе м и без потери исходных упругих моментов.
Таблица 9
Решения СШСТ 820хt
Решения СШСТ-Н
СШСТ Dxt
М<sub>СШСТ</sub>
W<sub>СШСТ</sub>
Dхt
α
β
М<sub>СШСТ-Н</sub>
W<sub>СШСТ-Н</sub>
K<sub>эфф</sub><sub>СШСТ-Н</sub>
% экономии по массе м<sup>2</sup>
Экономия по числу забивок
820х9
228,83
5226
1420х10
180
0
134,72
5758
42,74
41,13
60,2
820х10
245,27
5785
1420х11
180
0
147,05
3625
43,01
40,04
60,1
820х11
267,65
6340
1220х9
180
0
148,50
6599
44,43
44,52
32,3
820х12
289,97
6891
1420х12
180
0
159,38
6891
43,23
45,03
60,8
820х13
312,24
7438
1420х10
180
0
161,39
8483
52,57
48,31
54,0
820х14
334,45
7981
1420х10
180
0
161,39
8483
52,57
51,74
54,0
820х15
356,61
8520
1420х10
180
60
175,80
9192
52,28
50,70
60,2
820х16
378,71
9054
1420х10
180
60
175,80
9192
52,28
53,58
60,2
Результат:
Экономия по массе достигает ≈41-54%.
Упругие моменты – не ниже исходных.
2
В связи с тем, что в замещающих решениях используются сегмента труб с бóльшими диаметрами, возникает экономия до 60% по числу забивок на м.
Пример 3. Заместить решения СШСТ со средней трубой 1020хt на сегментные решения СШСТ-Н 1020хt с более высокими упругими моментами.
Выбираем сегмент α=270°, β=120° и замещаем решения СШСТ1020хt на решения СШСТ-Н только из этого сегмента.
Таблица 10
Решения СШСТ 1020хt
Решения СШСТ-Н 1020хt
Приращения в %
СШСТ Dxt
М<sub>СШСТ</sub>
W<sub>СШСТ</sub>
М<sub>СШСТ-Н</sub>
W<sub>СШСТ-Н</sub>
K<sub>эфф</sub><sub>СШСТ-Н</sub>
%ΔМ
%ΔW
1020х9
222,65
6631
281,47
15096
53,63
26,42
127,7
1020х10
245,49
7346
310,67
16748
53,91
26,55
128,0
1020х11
268,29
8057
339,86
18359
54,12
26,68
128,3
1020х12
291,05
8764
369,06
20037
54,29
26,8
128,6
1020х13
313,76
9466
398,27
21674
54,42
26,93
128,9
1020х14
336,42
10164
427,47
23306
54,52
27,06
129,3
1020х15
359,04
10858
456,67
24933
54,60
27,19
129,6
1020х16
381,61
11548
485,88
26555
54,65
27,32
129,9
1020х17
404,14
12233
515,08
28173
54,70
27,45
130,3
1020х18
426,62
12915
544,29
29785
54,72
27,58
130,6
1020х19
449,05
13592
573,5
31393
54,74
27,71
130,9
1020х20
471,44
14265
602,72
32996
54,75
27,85
131,3
Увеличение масс (в среднем) на 27,13% позволило сегментным шпунтам с трубой 1020хt увеличить упругий момент на 131% для каждого значения параметра t.
В абсолютном выражении упругие моменты в среднем выросли в 2,94 раза, а массы в среднем в 1,72 раза, т.е. упругие моменты росли в 2,3 раза росли быстрее, чем массы.
Восемь решений СШСТ-Н1020хt (t=13..20) способны заместить старшие решения СШСТ1420х20 с существенно большими упругими моментами и коэффициентами эффективности.
2
Пример 4. Заместить решения СШСТ со средней трубой 1020хt на сегментные решения СШСТ-Н с любыми параметрами, но с максимальной экономией по массе м и без потери исходных упругих моментов.
Таблица 11
Решения СШСТ 1020хt
Решения СШСТ-Н
СШСТ Dxt
М<sub>СШСТ</sub>
W<sub>СШСТ</sub>
Dхt
α
β
М<sub>СШСТ-Н</sub>
W<sub>СШСТ-Н</sub>
K<sub>эфф</sub><sub>СШСТ-Н</sub>
% экономии по массе м<sup>2</sup>
Экономия по числу забивок
1020х10
245,49
7346
1020х9
240
0
191,58
8127
42,42
21,96
1020х12
291,05
8764
1020х10
180
60
192,07
10554
54,95
34,01
60,2
1020х14
336,42
10164
1420х10
180
60
192,07
10554
54,95
42,91
60,2
1020х16
381,61
11548
1420х10
240
0
204,78
12431
60,71
46,34
37,5
1020х18
426,62
12915
1420х10
210
60
204,92
13080
63,83
51,97
53,5
1020х20
471,44
14265
1420х11
210
60
224,29
14366
64,07
52,44
53,4
Результат
При возрастании значения параметра t экономия по массе растёт от 21,6% до 52,44%
Упругие моменты – выше, чем у исходных, СШСТ1020хt.
2
В связи с тем, что в замещающих решениях используются сегмента труб с большими диаметрами, возникает экономия до 53,4% по числу забивок на м.
Пример 5. Чтобы получить (самые) высокие упругие моменты с любой трубой нужно искать решения СШСТ-Н с этой трубой в (самых) старших сегментах.
Для трубы 1020хt выбираем самый старший сегмент α=270°, β=269°.
Таблица 12
Решения СШСТ 1020хt
Решения СШСТ-Н 1020хt
Приращения в %
СШСТ Dxt
М<sub>СШСТ</sub>
W<sub>СШСТ</sub>
М<sub>СШСТ-Н</sub>
W<sub>СШСТ-Н</sub>
K<sub>эфф</sub><sub>СШСТ-Н</sub>
%ΔМ
%ΔW
1020х9
222,65
6631
514,87
25075
48,70
131,25
278,1
1020х10
245,49
7346
569,5
27831
48,87
131,99
278,8
1020х11
268,29
8057
624,14
30581
49,00
132,64
279,5
1020х12
291,05
8764
678,78
33324
49,09
133,22
280,2
1020х13
313,76
9466
733,42
36062
49,17
133,75
280,9
1020х14
336,42
10164
788,08
38794
49,23
134,25
281,6
1020х15
359,04
10858
842,73
41520
49,27
134,72
282,3
1020х16
381,61
11548
897,39
44240
49,30
135,16
283,1
1020х17
404,14
12233
952,06
46954
49,32
135,58
283,8
1020х18
426,62
12915
1006,73
49662
49,33
135,98
284,5
1020х19
449,05
13592
1061,4
52365
49,34
136,37
285,2
1020х20
471,44
14265
1116,08
55062
49,34
136,74
285,9
Массы у замещающего решения СШСТ-Н 1020хt выросли в диапазоне 2,31-2,36 раза.
Упругие моменты при этом выросли в существенно более высоком диапазоне 3,78-3,86 раза.
С увеличением значения параметра t упругие моменты в среднем растут в 1,63 раза быстрее, чем растут массы (при каждом значении параметра t).
Пример 6. Замещение * решений шпунтовых стен СШСТ с большой трубой 1420хt на решения сегментных шпунтов с тем же самым диаметром СШСТ-Н 1420хt с экономией по массе без понижения значений упругих моментов.
* замещаемый ряд шпунтов уже имеет высший коэффициент эффективности (k=43) среди всех решений СШСТ.
Таблица 13
Решения СШСТ 1420хt
Решения СШСТ-Н 1420хt
СШСТ Dxt
М<sub>СШСТ</sub>
W<sub>СШСТ</sub>
Dxt
М<sub>СШСТ-Н</sub>
W<sub>СШСТ-Н</sub>
K<sub>эфф</sub><sub>СШСТ-Н</sub>
α
β
%ΔМ экономия массы м<sup>2</sup>
1420х10
245,76
10477
1420х10
192,07
10554
54,95
240
60
21,85
1420х11
269,06
11500
1420х10
204,78
12431
60,71
240
0
22,44
1420х12
292,33
12519
1420х10
226,36
13080
63,83
210
60
29,90
1420х13
315,56
13533
1420х11
223,93
13659
61,00
240
0
29,04
1420х14
338,76
14543
1420х10
226,36
14841
65,56
210
90
33,18
1420х15
361,93
15549
1420х12
243,53
15649
64,26
210
60
32,71
1420х16
385,06
16551
1420х10
254,87
18697
73,36
240
60
33,81
1420х17
408,16
17548
1420х12
269,26
17763
65,97
210
90
34,03
1420х18
431,23
18541
1420х10
279,01
21184
75,92
240
90
35,30
1420х19
454,26
19529
1420х10
279,01
21184
75,92
240
90
38,58
1420х20
477,26
20514
1420х10
279,01
21184
75,92
240
90
41,54
2
Выводы: ряд шпунтов СШСТ1420хt (с высшим коэффициентом эффективности среди решений СШСТ) замещён на сегментные решения с теми же диаметрами с экономией по массе от 21,85% до 41,5% на м без понижения упругих моментов.
Пример 7. Заместить решения СШСТ 1420хt на более эффективные сегментные решения.
Таблица 14
Решения СШСТ 1420хt
Решения СШСТ-Н 2020хt
СШСТ Dxt
М<sub>СШСТ</sub>
W<sub>СШСТ</sub>
Dxt
α
β
М<sub>СШСТ-Н</sub>
W<sub>СШСТ-Н</sub>
K<sub>эфф</sub><sub>СШСТ-Н</sub>
%ΔМ экономия массы м<sup>2</sup>
1420х10
245,76
10477
1420х10
270
90
376,15
31331
83,29
31,53
1420х11
269,06
11500
1420х11
270
150
478,01
39656
82,96
30,31
1420х12
292,33
12519
1420х12
270
150
519,97
43220
83,12
35,86
1420х13
315,56
13533
1420х13
270
150
561,93
46775
83,24
40,58
1420х14
338,76
14543
1420х14
270
150
603,89
50329
83,33
40,24
1420х15
361,93
15549
1420х15
270
150
645,85
53864
83,40
43,29
1420х16
385,06
16551
1420х16
270
150
687,82
57399
83,45
43,55
1420х17
408,16
17548
1420х17
270
150
729,78
60926
83,48
43,73
1420х18
431,23
18541
1420х18
270
150
771,75
64446
83,51
44,70
1420х19
454,26
19529
1420х19
270
60
642,96
52014
80,90
47,51
1420х20
477,26
20514
1420х20
270
60
675,94
54677
80,89
50,07
Увеличение диаметров сегментных решений позволяет заместить СШСТ 1420хt с большей экономией по массе от 32 до 50% без понижения упругих моментов.
Диапазоны основных параметров решений СШСТ-Н во всех сегментах приведены в Таблице 15.
Таблица 15
№сегмента
α
Кэфф
М
W
J
1
90
4,67-14,41
94,51-286,5
442-4128
4849-100977
2
120
8,26-24
94,54-386,07
781-9,267
13871-369217
3
150
12,41-34,64
100,4-433,74
1246-15023
31758-855334
4
180
16,72-45,42
112,24-504,54
1877-22914
63112-1721390
5
210
20,77-55,34
132,3-612,38
2748-33888
114366-315736
6
240
24,16-63,46
166,08-786,11
4012-49891
196255-54800
7
270
26,53-69
227,5-1095,36
6035-75580
332117-9371900
По результатам всех исследований пришли к выводу, что самые эффективные решения в сегменте α=270°, β=120°.
Для них характерно:
Выводы в абсолютном выражении
Упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем в 3,38 раз выше, чем у решений СШСТ1420хt (для каждого значения t).
Массы в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем в 1,73 раза больше, чем в СШСТ 1420хt (для каждого значения t).
2
Упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt растут в 1,96 раз быстрее, чем массы м шпунтовой стены (для каждого значения t.
Решения СШСТ-Н 1420хt эффективнее решений СШСТ 1420хt в 1,98 раза (при всех значениях t).
Выводы в процентном отношении
Упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем на 238% больше, чем у решений СШСТ1420хt (для каждого значения t).
Массы сегментных решений СШСТ-Н 1420хt в среднем на 72,22% больше, чем в СШСТ 1420хt (для каждого значения t).
Решения СШСТ-Н 1420хt эффективнее решений СШСТ 1420хt на 96,3% (при всех значениях t).
Для решений в сегментах максимально возможных при α=270°, β=269°.
Выводы в абсолютном выражении
Упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем в 3,66 раз больше, чем у решений СШСТ1420хt (для каждого значения t).
Массы в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем в 2,26 раза больше, чем в СШСТ 1420хt (для каждого значения t).
2
Упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt растут в 1,6 раза быстрее, чем массы м шпунтовой стены (для каждого значения t.
Решения СШСТ-Н 1420хt эффективнее решений СШСТ 1420хt в 1,6 раза (при всех значениях t).
Выводы в процентном отношении
Упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем на 266% раз больше, чем у решений СШСТ1420хt (для каждого значения t).
Массы сегментных решений СШСТ-Н 1420хt в среднем на 128% больше, чем в СШСТ 1420хt (для каждого значения t).
Решения СШСТ-Н 1420хt эффективнее решений СШСТ 1420хt на 66,65% (при всех значениях t).
Проведенные исследования показывают, что заявленное решение позволяет осуществлять возведение синусоидальной шпунтовой стенки с качественным упругим моментом только за счет оптимального подбора углов сегментов для сваи и накладки без потребности дополнительного усиления.