КОМБИНИРОВАННАЯ ШПУНТОВАЯ СТЕНКА И ЗАМКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ
COMBINED SHEET PILE WALL AND LOCKING CONNECTION

Изобретение относится к комбинированным подпорным шпунтовым стенкам и может быть использовано в гидротехнике при строительстве морских и речных причалов, а также в гражданском и промышленном строительстве.
В гидротехническом строительстве в настоящее время нашли широкое применение шпунтовые стенки из стальных трубчатых свай, соединенных между собой с помощью приваренных к их наружным поверхностям элементов шпунтового соединения. Известна, например, шпунтовая стенка по патенту на полезную модель №106264, содержащая совокупность стальных трубчатых свай, к каждой из которых приварена пара шпунтовых замков (захватов), и совокупность чередующихся с ними замыкающих элементов в виде трубчатых свай, к каждой из которых приварена пара шпунтовых выступов, размещенных во внутренних полостях захватов смежных свай. Каждый шпунтовый выступ выполнен с гребнем круглого или овального поперечного сечения, а каждый захват выполнен в виде обоймы с зевом и с полостью, повторяющей форму гребня шпунтового выступа и охватывающей его с возможностью частичного поворота. В каждой замковой паре обойма, охватывающая гребень, имеет зев, ориентированный, т.е. направленный вдоль нейтральной оси стенки, и выступы с гребнями также ориентированы вдоль оси шпунтовой стенки. При этом нагрузка от воздействия грунта направлена поперек нейтральной оси шпунтовой стенки и действует в направлении раскрытия замков.
Указанная известная шпунтовая стенка обладает очень высокой несущей способностью, но существует проблема снижения ее металлоемкости.
Известна комбинированная шпунтовая стенка, содержащая несущие сваи, выполненные из труб с приваренными к ним продольными элементами замкового соединения, а именно захватами и выступами с гребнями, и расположенные между ними замыкающие элементы, выполненные из пары соединенных между собой Z-образных шпунтовых свай (евразийский патент №014860, фиг. 10). В этой известной стенке каждая несущая трубчатая свая содержит захват с замковой полостью и устьем и выступ с гребнем, которые расположены на нейтральной оси шпунтовой стенки и также ориентированы вдоль нейтральной оси шпунтовой стенки. Соединенные между собой две Z-образные шпунтовые сваи замыкающих элементов имеют на свободных концах элементы замковых соединений, т.е. захват и выступ с гребнем, которые могут соединяться соответственно с выступами и захватами смежных несущих трубчатых свай и также расположены на нейтральной оси шпунтовой стенки.
Эта известная шпунтовая стенка менее металлоемка благодаря использованию тонкостенных замыкающих элементов, однако, как показывает практика, часто имеет место разрушение замков Z-образных шпунтовых свай, т.к. нагрузки от веса грунта направлены на раскрытие замков, что ведет к нарушению герметичности и потере прочности шпунтовой стенки.
Известно замковое соединение для шпунтовой стенки, включающее захват, имеющий в поперечном сечении форму буквы С и образованный двумя элементами в форме крюков, которые ограничивают замковую полость, а обращенные друг к другу свободные концы крюков ограничивают зев, т.е. устье захвата. В замковой полости захвата размещен гребень (головка) замкового выступа, благодаря чему обеспечено соединение двух элементов шпунтовой стенки, т.е. образовано замковое соединение, ось которого расположена на нейтральной оси шпунтовой стенки (евразийский патент №014860, фиг. 6). Гребень замкового выступа имеет круглое или овальное поперечное сечение.
В этом известном замковом соединении устье захвата и выступ с гребнем расположены и ориентированы вдоль нейтральной оси шпунтовой стенки, в то время как нагрузка от воздействия грунта на шпунтовую стенку направлена поперечно нейтральной оси стенки, вследствие чего может происходить раскрытие замкового соединения. Недостатком указанного известного замкового соединения является недостаточная прочность.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков уровня техники и повышение прочности, надежности и долговечности шпунтовой стенки и ее элементов без увеличения металлоемкости путем создания такой конструкции стенки, в которой замковые соединения работали бы на сжатие и не испытывали усилий, действующих на раскрытие замков или такие усилия были бы минимальны.
Поставленная задача решается за счет того, что в комбинированной шпунтовой стенке, включающей несущие трубчатые сваи и чередующиеся с ними замыкающие элементы, соединенные со сваями посредством захватов и выступов шпунтовых замковых соединений, причем каждый захват выполнен с замковой полостью и устьем, а каждый выступ выполнен с гребнем, размещенным в замковой полости захвата смежной сваи, согласно предлагаемому изобретению каждая свая снабжена двумя захватами, каждый из захватов выполнен в виде обоймы, приваренной боковой поверхностью к трубчатой свае таким образом, что устья обойм всех трубчатых свай шпунтовой стенки направлены поперечно к нейтральной оси шпунтовой стенки и обращены в сторону грунтовой засыпки, а каждый замыкающий элемент выполнен в виде арки, к обеим продольным кромкам которой приварены выступы, причем гребни указанных выступов размещены в полостях обойм смежных трубчатых свай с образованием замковых соединений, оси которых расположены поперечно нейтральной оси шпунтовой стенки.
Обоймы захватов предлагаемой шпунтовой стенки могут быть расположены на нейтральной оси шпунтовой стенки или со смещением относительно нейтральной оси шпунтовой стенки, при этом радиус арки каждого замыкающего элемента равен половине расстояния между устьями обойм смежных трубчатых свай.
Каждый замковый выступ может состоять из полосовой части, приваренной одной кромкой к продольной кромке арки замыкающего элемента, и гребня, приваренного к другой продольной кромке упомянутой полосовой части.
Замыкающие элементы могут быть выполнены из полутруб, диаметр которых равен расстоянию между устьями обойм смежных трубчатых свай.
Согласно другому аспекту изобретения, поставленная задача решается также за счет того, что в замковом соединении для соединения двух смежных элементов шпунтовой стенки, содержащем приваренный к трубчатой свае шпунтовой стенки захват, имеющий замковую полость и устье, и приваренный к смежному элементу шпунтовой стенки выступ, состоящий из полосовой части и гребня, размещенного в замковой полости захвата с образованием замкового соединения, ось которого совпадает с осью устья, согласно предлагаемому изобретению захват выполнен в виде обоймы, приваренной к трубчатой свае боковой поверхностью таким образом, что ее устье расположено поперечно нейтральной оси шпунтовой стенки, а выступ приварен полосовой частью к продольной кромке арки замыкающего элемента шпунтовой стенки, при этом на внутренней поверхности замковой полости обоймы выполнен контактный плоский участок, расположенный поперечно оси устья, для взаимодействия с торцом гребня выступа.
В шпунтовой стенке согласно предлагаемому изобретению все трубчатые сваи снабжены захватами, устья которых ориентированы поперечно нейтральной оси шпунтовой стенки, что обусловливает соответственно и поперечное расположение замковых соединений. Такое поперечное расположение замковых соединений является основным преимуществом предлагаемой конструкции комбинированной шпунтовой стенки по сравнению с известными из уровня техники.
Нагрузка от веса грунта, действующая на выпуклую поверхность арки каждого замыкающего элемента, передается практически перпендикулярно нейтральной оси шпунтовой стенки через торцы гребней выступов на контактные поверхности обойм и действует на центральную массивную часть каждой обоймы, сжимая ее и не раскрывая обойму.
Выполнение захватов в виде компактных массивных обойм повышает их прочность и, следовательно, прочность замкового соединения. Выполнение плоских контактных участков на внутренней поверхности обоймы и на торце гребня служит для снижения удельного контактного давления.
Выполнение замыкающих элементов в виде продольных арок обеспечивает возможность поперечной ориентации выступов шпунтовой стенки за счет расположения их на продольных кромках арок и, соответственно, возможность поперечной передачи усилия от веса грунта на обоймы.
Преимущество арочного заполнения межтрубного пространства предлагаемой комбинированной шпунтовой стенки по сравнению с замыкающим элементом из зетового шпунта в прототипе заключается в следующем. При неизбежных отклонениях несущих трубошпунтовых свай в плановом расположении либо от вертикали, арка, как тонкостенный элемент, за счет своей гибкости без особых напряжений компенсирует эти отклонения и передает дополнительные усилия, возникающие при деформации, на замковые соединения, которые благодаря своему поперечному расположению к нейтральной оси шпунтовой стенки работают на сжатие и способны воспринимать усилия многократно, в разы большие, чем замки корытного или зетового профилей. Это позволяет снизить металлоемкость замкового соединения более чем в два раза.
Далее изобретение поясняется с помощью чертежей, на которых изображено:
на фиг. 1 - комбинированная шпунтовая стенка согласно предлагаемому изобретению, состоящая из несущих трубчатых шпунтовых свай и арочных замыкающих элементов, поперечное сечение;
на фиг. 2 - то же, узел I на фиг. 1;
на фиг. 3 - захват замкового соединения в виде обоймы, поперечное сечение;
на фиг. 4 - выступ замкового соединения, поперечное сечение;
на фиг. 5 - пример выполнения выступа с гребнем из прутка круглого поперечного сечения.
O-O на чертежах обозначена нейтральная ось шпунтовой стенки (направление присоединения);
Х-Х - ось устья захвата, совпадающая с осью замкового соединения шпунтовой стенки согласно предлагаемому изобретению.
Шпунтовая стенка согласно предлагаемому изобретению включает несущие шпунтовые сваи 1, каждая свая состоит из трубы 2 и двух захватов замкового соединения, выполненных в виде обойм 3. Обоймы 3 имеют в поперечном сечении незамкнутую коробчатую форму или приблизительно форму горизонтально расположенной буквы С (см. фиг 3), которая ограничивает замковую полость 4 с устьем 5. Поперечное сечение обоймы 3 выполнено симметрично относительно оси Х-Х устья 5.
Каждая из обойм 3 приварена к трубе 2 сваи 1 одной из своих двух боковых наружных поверхностей в таком положении, при котором ее устье 5 расположено поперечно нейтральной оси O-O шпунтовой стенки, т.е. ось Х-Х устья перпендикулярна оси O-O в пределах допусков, принятых в гидротехническом строительстве.
На внутренней поверхности замковой полости 4 выполнен плоский контактный участок А, обращенный в сторону устья 5 и предназначенный для взаимодействия с торцевой поверхностью В гребня 8 замкового выступа 7.
Между смежными сваями 1 расположены замыкающие элементы в виде продольных арок 6, длина которых равна длине труб 2, причем выпуклые части арок 6 обращены в сторону грунтовой засыпки сооружения. На обеих продольных кромках каждой из арок 6 выполнены замковые выступы 7 с гребнями 8, размещенными в замковых полостях 4 обойм 3 смежных свай 1 и образующими, таким образом, шпунтовые замковые соединения.
В поперечном сечении ось каждого замкового соединения совпадает с осью Х-Х устья 5, которая проходит поперечно нейтральной оси O-O, и, следовательно, оси замковых соединений также практически перпендикулярны нейтральной оси O-O шпунтовой стенки.
Замковое соединение согласно предлагаемому изобретению состоит из захвата в виде обоймы 3 выступа 7.
Каждый замковый выступ 7 состоит из гребня 8 и полосовой части 9. Гребень 8 жестко закреплен на одном конце полосовой части 9, например, с помощью сварки (фиг. 5) или выполнен как одно целое с ней (фиг. 2 и фиг. 4). На фиг. 5 представлен пример выполнения гребня 8 из прутка круглого сечения. Более предпочтительным вариантом выполнения замкового выступа 7 является вариант, изображенный на фиг. 2 и фиг.4. Изображенный на этих фигурах гребень 8 выполнен как одно целое с полосовой частью 9 на одной из ее кромок. Другой кромкой полосовая часть 9 замкового выступа 7 приварена к продольной кромке арки 6 замыкающего элемента. Торец В гребня 8 выполнен плоским для более равномерного распределения нагрузки, но может иметь также слегка выпуклую поверхность (на показано).
Нагрузка от веса грунта, действующая на выпуклую поверхность арки 6 замыкающего элемента, в каждом замковом соединении передается перпендикулярно нейтральной оси шпунтовой стенки через торец В гребня 8 выступа 7 на контактную поверхность А обоймы 3 и действует на центральную массивную часть обоймы, сжимая ее и не раскрывая захват замкового соединения.
Поперечное расположение замковых соединений имеет существенное преимущество по сравнению с известными замковыми соединениями из уровня техники, поскольку обеспечивает такую схему распределения и восприятия сил от воздействия грунта, при которой шпунтовые замки работают на сжатие и практически не испытывают боковых нагрузок, направленных на их раскрытие.
Предложенная комбинированная шпунтовая стенка обладает более высокой прочностью замковых соединений при одновременно более низкой металлоемкости, а также высокой надежностью и долговечностью. Кроме того, она удобна в строительстве, а также в транспортировке ее элементов к месту сооружения.