U-образная шпунтовая свая
U-SHAPED SHEET PILE

Изобретение относится к области металлоконструкций подпорных стен инженерных сооружений различного назначения, в том числе портовых и гидротехнических сооружений, опор, мостов и ограждений котлованов зданий и сооружений и может быть использовано в строительной отрасли промышленности.
В качестве прототипа выбрана U-образная шпунтовая свая, содержащая основание с загнутыми навстречу друг другу стенками с замками на концах [RU199197, дата публикации: 21.08.2020 г., МПК: E02D 5/04].
Недостатком прототипа является сравнительно невысокая несущая способность U- образной шпунтовой сваи из-за низкой концентрации материала в ее поперечном сечении, в частности, в наиболее нагруженных местах сгиба стенок и основания, вследствие чего при забивке свай, а также в процессе их эксплуатации в составе шпунтовой стенки, снижается эффективность работы материала по сопротивлению нагрузкам, что может привести к дефекту U-образной шпунтовой сваи, что существенным образом ухудшает ее эксплуатационные характеристики.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик U-образной шпунтовой сваи.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении несущей способности U-образной шпунтовой сваи при сопутствующем исключении необходимости увеличения ее массы.
Сущность изобретения заключается в следующем.
U-образная шпунтовая свая содержит основание с загнутыми навстречу друг другу стенками с замками на концах, при этом внутренний и внешний углы сгиба стенки и основания скруглены. В отличие от прототипа внутренний и внешний углы сгиба стенки и основания скруглены таким образом, что коэффициент соотношения радиусов скругления внутреннего и внешнего угла находится в диапазоне от 2,1 до 2,2.
Основание с загнутыми навстречу друг другу стенками образуют U-образную шпунтовую сваю. Преимущественно они выполнены из металлического гнутого профиля. Замки на концах стенок обеспечивают возможность соединения шпунтовых свай между собой для получения шпунтовой стенки и имеют конструкцию, обладающую высокой несущей способностью на разрыв и изгиб.
Внутренний и внешний углы сгиба стенки и основания скруглены, что может обеспечиваться в процессе прокатки в фасонных калибрах U-образной шпунтовой сваи или посредством изгиба основания относительно стенок. Коэффициент соотношения радиусов скругления внутреннего и внешнего угла находится в диапазоне от 2,1 до 2,2, что повышает концентрацию материала, содержащегося в местах сгиба стенок и основания, позволяя повысить эффективность работы материала по сопротивлению нагрузкам и таким образом повысить несущую способность U-образной шпунтовой сваи при сопутствующем исключении необходимости увеличения ее массы. В случае выхода указанного коэффициента из приведенного диапазона, соотношение радиусов скругления не позволяет повысить концентрацию материала в местах сгиба стенок и основания до того уровня, при котором повышается эффективность работы материала по сопротивлению нагрузкам, приложенным к U-образной шпунтовой свае, либо требует увеличения толщины стенок или основания, что соответственно приводит к увеличению массы сваи, а увеличение массы стенок приводит к снижению момента сопротивления инерции шпунтовой сваи.
Дополнительно для повышения несущей способности U-образной шпунтовой сваи при сопутствующем исключении необходимости увеличения ее массы, стенка может быть выполнена и ориентирована относительно основания таким образом, чтобы коэффициент соотношения толщины ее центральной части к внешнему углу ее наклона к плоскости, проведенной через основание, находился в диапазоне от 0,125 до 0,145 мм/°. Также дополнительно, для повышения несущей способности U-образной шпунтовой сваи при сопутствующем исключении необходимости увеличения ее массы, основание может быть выполнено и ориентировано относительно стенки таким образом, чтобы коэффициент соотношения толщины основания в центральной его части к внешнему углу между стенкой и плоскостью, проведенной через основание, находился в диапазоне от 0,145 до 0,250 мм/°. В обоих представленных случаях выход за указанные диапазоны ведет к тому, что соотношение толщины центральной части стенки или основания к внешнему углу наклона боковой стенки, не будут обеспечивать повышение несущей способности U-образной шпунтовой сваи, либо будут увеличивать ее массу.
Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что: внутренний и внешний углы сгиба стенки и основания скруглены таким образом, что коэффициент соотношения радиусов скругления внутреннего и внешнего угла находится в диапазоне от 2,1 до 2,2, что повышает концентрацию материала, содержащегося в поперечном сечении сваи, в частности, в местах сгиба стенок и основания, вследствие чего при забивке сваи, а также в процессе ее эксплуатации в составе шпунтовой стенки, повышается эффективность работы материала по сопротивлению нагрузкам, без необходимости увеличения толщины стенок или основания, и соответственно увеличения массы шпунтовой сваи.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении несущей способности U-образной шпунтовой сваи при сопутствующем исключении необходимости увеличения ее массы, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики U-образной шпунтовой сваи.
Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники не известна U-образная шпунтовая свая, у которой внутренний и внешний углы сгиба стенки и основания скруглены таким образом, что коэффициент соотношения радиусов скругления внутреннего и внешнего угла находится в диапазоне от 2,1 до 2,2. Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 – U-образная шпунтовая свая, поперечное сечение.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
U-образная шпунтовая свая содержит основание 1 с загнутыми навстречу друг другу стенками 2 с замками 3 на концах, при этом внутренний и внешний углы сгиба стенки и основания скруглены по радиусам r и R таким образом, что их коэффициент соотношения находится в диапазоне от 2,1 до 2,2. При этом коэффициент соотношения толщины s стенки 2 в центральной ее части к внешнему углу α‎ между стенкой 2 и плоскостью, проведенной через основание 1 находится в диапазоне от 0,125 до 0,145 мм/°. Также коэффициент соотношения толщины t основания 1 в центральной его части к внешнему углу α между стенкой и плоскостью, проведенной через основание 1, находится в диапазоне от 0,145 до 0,250 мм/°.
4
3
3
2
Ниже представлена Таблица 1, в которой отражены геометрические параметры U-образной контрольной шпунтовой сваи и примеры 1-5 шпунтовой сваи по изобретению, в которой отражены полученные значения основных параметров несущей способности сваи, в том числе момент инерции погонного метра стены (Iy, см/м), момент сопротивления погонного метра шпунтовой стены (Wy, см/м), статический момент сопротивления Sy, см/м, удельный показатель использования материала Wy/G, где G – масса 1 м стенки, критерий концентрации материала в профиле Wy/(A*H), а также масса (М, кг/м).
Таблица 1
<b>s,мм</b>
<b>t,мм</b>
<b>α,</b>°
<b>R, мм</b>
<b>r,мм</b>
<b>Iy, см</b><sup><b>4</b></sup><b>/м</b>
<b>Wy, см</b><sup><b>3</b></sup><b>/м</b>
<b>Sy, см</b><sup><b>3</b></sup><b>/м</b>
<b>Wy/G</b>
<b>Wy/(A*H)</b>
<b>М, кг/м</b>
<b>Контрольная</b>
9,5
15,4
58
15
30
41320
1920
1125
14,2
0,26
103,98
<b>Пример 1</b>
8,5
11,2
64
26
55
38846
1850
1080
14,37
0,27
77,24
<b>Пример 2</b>
9,0
11,7
65
26
55
42725
2006
1171
14,50
0,27
82,98
<b>Пример 3</b>
9,2
11,6
70
26
55
50223
2252
1307
15,48
0,27
87,29
<b>Пример 4</b>
9,4
14,2
72
26
55
60726
2699
1579
16,53
0,29
97,97
<b>Пример 5</b>
9,5
15,4
74
26
55
66369
2949
1682
17,01
0,30
103,98
При сравнении контрольной U-образной шпунтовой сваи и сваи по примеру 5, видно, что при одинаковой массе и повышении концентрации материала, содержащегося в местах сгиба стенок 2 и основания 1, повышается эффективность работы материала по сопротивлению приложенным к основанию 1 и стенкам 2 нагрузкам при установке U-образных шпунтовых свай в грунт, а также при эксплуатации полученной из таких свай шпунтовой стенки.
Таким образом, обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении несущей способности U-образной шпунтовой сваи при сопутствующем исключении необходимости увеличения ее массы, тем самым улучшаются ее эксплуатационные характеристики.