СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ШПУНТОВОЙ СТЕНКИ
METHOD FOR CONSTRUCTION OF SINUSOIDAL PILING WALL

Изобретение относится к шпунтовым металлическим сваям и выполненным из них шпунтовым стенкам и может быть использовано 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, описанная в патенте 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, описанная в патенте 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 длиной до 6-и и более метров это 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, описанное в патенте 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 изобретения является устранение указанных технических проблем.
Техническим результатом является упрощенный процесс возведения синусоидальной шпунтовой стенки, не требующий дополнительного усиления, снижается проблема изменения диаметра свай при нагрузках (проблема овальности), обеспечивается снижение затрат на материалы при возведении шпунтовой стенки.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ возведения синусоидальной шпунтовой стенки, характеризующийся тем, что шпунтовая стенка монтируется из шпунтовых свай, представляющих собой сегмент цилиндрической металлической трубы, полученный ее продольным разрезом, где на боковых кромках корпуса закреплены элементы замкового соединения, которыми соединяются шпунтовые сваи, отличающийся тем, что в средней части шпунтовых свай с внутренней стороны приваривают накладки, каждая из которых представляет собой полученный продольным разрезом сегмент цилиндрической металлической трубы того же диаметра, что и используемый в шпунтовой свае, но имеющий меньшую длину, чем сегмент сваи.
Допустимо, что при формировании шпунтовой сваи, сегмент сваи формируют углом от 90 до 270 градусов.
Предпочтительно, при формировании шпунтовой сваи, сегмент остатка цилиндрической металлической трубы, полученный после ее продольного разреза, используют в качестве накладки либо целиком, либо путем продольного разреза на равные части.
Предпочтительно, накладку приваривают торцами к внутренней поверхности сегмента трубы сваи.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показан принцип соединения накладки к сегментной свае.
На Фиг. 2 - Фиг. 3 показаны диаграммы сравнения шпунтовых стен согласно заявленного способа и шпунтовых стен согласно прототипа.
На Фиг. 4 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 180 градусов.
На Фиг. 5 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 270 градусов.
На Фиг. 6 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 120 градусов.
На Фиг. 7 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 90 градусов.
На чертежах: 1 - сегмент шпунтовой сваи, 2 - сегмент накладки, 3 - зона сварного соединения, 4 и 5 - элементы замкового соединения «гнездо и шарик», соответственно.
Осуществление изобретения
Способ возведения синусоидальной шпунтовой стенки, характеризуется тем, что шпунтовая стенка монтируется из шпунтовых свай (см. Фиг. 1), представляющих 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. 4 - Фиг. 7.
Новым является то, что в средней части шпунтовых свай с внутренней их стороны приваривают накладки 2, каждая из которых представляет собой полученный продольным разрезом сегмент цилиндрической металлической трубы того же диаметра, что и используемый в шпунтовой 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 заявленного способа и шпунтовых стен согласно прототипа показаны на Фиг. 2 - Фиг. 3 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. 3 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 до 1420 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.
При наложении и приваривании на сваю сегмента накладки с внутренней стороны сваи, и при том условии, что сегмент накладки имеет тот же диаметр, что имеет сегмент самой сваи, сегмент накладки образует подобие хорды с внутренней стороны сваи, которая усиливает прочность сваи в этой области сегмента по аналогии с тем, как дает усиление эллиптическая рессора. А это в свою очередь, снижает проблему овальности, которая может присутствовать в шпунтах по прототипу, поскольку изменение диаметра свай при нагрузках значительно снижается за счет повышения прочности сваи в зоне приваренного сегмента. Рессорный эффект, возникающий в этом случае за счет приваренного сегмента, позволяет более надежно сохранять форму сваи.
Практическая проверка заявленного решения состояла в исследовании более 5600 решений синусоидальной шпунтовой стены с накладками (СШСТ-Н) внутри основного сектора. Свойства и возможности секторных шпунтовых стен с усиливающей накладкой внутри выбранного сектора трубы проще всего и более наглядно можно продемонстрировать на замещении широко известных и широко применяемых в России шпунтов трубчатых сварных (ШТС) с приваренными замками (прототип).
Исходные данные и пояснения по результатам проведенного исследования.
Центральный угол трубы α (см. Фиг. 1, Фиг. 4 - Фиг. 7) 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.
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 M кг/м и W см/м.
2
Коэффициент Kэфф показывает, сколько единиц упругого момента доставляет каждый кг массы 1 м стены.
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 α и 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 α всегда больше упругих моментов и масс из сегмента αпри одинаковых накладках, включая решения с углами β=0 и β=α.
Результаты сравнения продемонстрированы на диаграммах Фиг. 2 и Фиг. 3, в которых отражено сравнение решений СШСТ-Н с внутренним расположением накладок и решений ШТС при диаметре труб D до 1420 мм и толщине стенок t до 20 мм.
Для сравнения решения ШТС выбраны в их основном рабочем диапазоне
630 ≤ D ≤ 1420; 7 ≤ t ≤ 20
где D - наиболее часто встречающиеся диаметры труб с присущими каждому диаметру толщинами t.
Конкурирующие решения СШСТ-Н с усиливающей накладкой внутри сектора трубы используют тот же самый диапазон диаметров труб с теми же самыми присущими каждому диаметру толщинами t.
Все конкурирующие решения получены в секторах α=90°, 120°, 150°, 180°, 210°, 270° с подходящими каждому сектору усиливающими накладками β=60°, 90°, 120°, 150°, 180°, 210°, 270°.
3
2
2
Сравнение на диаграмме Фиг. 2 продемонстрировано в вечных координатах W см/м и М кг/м, где W - приведенный упругий момент, М - масса м шпунтовой стены. Выбранные координаты - основные параметры любой шпунтовой стены и не зависят ни от какой конъюнктуры (поэтому они вечные).
Преимущества секторных шпунтовых стен с накладками внутри сектора трубы
уникальны
Результаты исследования по диаграмме Фиг. 2 показали, что все решения СШСТ-Н : каждому решению соответствует свой сектор, своя накладка, диаметр и толщина выбранной трубы. Каждое решение СШСТ-Н отличается от другого как минимум одним входным параметром.
Для любого выбранного решения ШТС со своей массой М и упругим моментом W всегда найдётся множество решений СШСТ-Н с массой, не больше М, у которых упругие моменты всегда выше, чем у решений ШТС.
Иными словами, каждое решение ШТС всегда можно заместить на множество (до нескольких сотен уникальных решений СШСТ-Н) более эффективных, чем соответствующие сравниваемые решения ШТС.
Из диаграммы Фиг. 2 также следует, что каждое решение ШТС с массой М и упругим моментом W можно заместить на множеством решений СШСТ-Н (множеством способов):
с максимальным упругим моментом, но массой М, как у ШТС;
с  упругим моментом, чем W, но с меньшей массой М;
с таким же упругим моментом W, как у ШТС, но с существенно меньшей массой.
Возможность замещения решений ШТС на решения СШСТ-Н множеством уникальных способов дает широкую возможность выбора наиболее подходящих под требование проекта вариантов решений, что способствует экономии средств.
классических шпунтов
Известно, что целый ряд  можно заместить на решение ШТС. Тем более это можно осуществлять решениями СШСТ-Н с  эффективностью (т.е. меньшей массой), замещая при этом  количество классических шпунтов, чем это возможно с помощью ШТС.
3
Применение СШСТ-Н с усиливающими накладками внутри сектора трубы позволяет достичь таких упругих моментов (до 70000 см/м), которые невозможно достичь существующими на данный момент шпунтовыми стенами ШТС.
Однако, самый важный аспект преимущества секторных шпунтов с накладкой внутри сектора трубы заключается в том, в отличие от ШТС, секторные шпунтовые стены с накладками (СШСТ-Н) - незамкнутые системы, в них нет полости, следовательно, нет и необходимости обустраивать бетонные пробки с армокаркасом, заполнять полость специальными привозным грунтом, решать проблему захоронения извлеченного грунта. Всё это, кроме дороговизны, требует больших временных затрат, что, например, для условий Арктики, критично.
Поскольку секторные шпунтовые стены с усиливающими накладками - незамкнутые системы, то для их погружения (даже с секторами больших диаметров) можно использовать менее мощную технику, чем требуется для равнопрочных стен ШТС.
Перевозка компактно упакованных СШСТ-Н получается существенно дешевле перевозки ШТС, поскольку отсутствует «перевозка воздуха», характерная для готовых элементов шпунтов ШТС, которые не возможно уложить компактно друг с другом.
Отсутствует проблема овальности, которая может присутствовать в ШТС.
В отличие от известных шпунтов типа «синусоиды» (прототип), шпунты СШСТ-Н с накладкой внутри основного сектора допускают многократное использование, ускоряется и упрощается погружение.
2
Возможно использование накладки с переменным сечением, что может существенно экономить массу м стены.
Исследование по результатам диаграммы на Фиг. 3 показывает следующее.
эфф
2
2
Диаграмма Фиг. 3 представлена в координатах k=W/M и параметра М - массы м стены в сравнении с решениями ШТС. Параметр Кэфф показывает, сколько единиц упругого момента доставляет каждый кг массы м стены.
Из диаграммы Фиг. 3 следует, что максимальные коэффициенты эффективности решений СШСТ-Н вдвое выше, чем коэффициенты эффективности ШТС.
Из диаграммы Фиг. 3 также следует, что любое решение ШТС всегда можно заместить на множество решений СШСТ-Н более эффективных, т.е. с большим коэффициентом эффективности, чем у любого сравниваемого решения ШТС.
Из диаграммы Фиг. 3 также следует, что существует множество решений СШСТ-Н, использующие трубы малых диаметров, способные заместить решения ШТС с большими диаметрами без понижения коэффициента эффективности, что также способствует понижению стоимости шпунтовой стены.
Сравнительные результаты исследований
2
Замещение решений ШТС на решения СШСТ-Н с накладками внутри для минимизации масс м шпунтовой стены произведено при минимальных толщинах труб с моментами W и J не меньшими или того же порядка, чем у замещаемых решений ШТС.
Результаты сравнения заявленного решения и прототипа ШТС показаны в таблице 2.
2
Замещение решений ШТС на решения СШСТ-Н с накладками внутри для минимизации масс м шпунтовой стены произведено при максимальных толщинах труб с моментами W и J не меньшими или того же порядка, чем у замещаемых решений ШТС.
Результаты сравнения заявленного решения и прототипа ШТС показаны в таблице 3.
2
Диапазон экономии массы м шпунтовой стены при замещении решений ШТС на секторные решения СШСТ-Н с накладкой внутри с моментами W и J не меньшими или того же порядка, чем у замещаемых решений ШТС показан в таблице 4.
где:
- D - диаметры труб из рабочего диапазона в решениях ШТС;
- tmin, tmax - минимальные и максимальные толщины труб, наиболее часто встречающиеся в решениях ШТС;
2
- значения экономии масс на м шпунтовой стены от замещения ШТС на СШСТ-Н при промежуточных значениях tmin<t<tmax находятся в указанных выше диапазонах экономии для каждого диаметра трубы.
2
Замещение решений ШТС на решения СШСТ-Н с накладками снаружи для минимизации масс м шпунтовой стены произведено при максимальных толщинах труб с моментами W и J не меньшими или того же порядка, чем у замещаемых решений ШТС.
Результаты сравнения заявленного решения и прототипа ШТС показаны в таблице 5.
Замещение произведено при минимальных толщинах труб с моментами W и J не меньшими или того же порядка, чем у замещаемых решений ШТС.
Результаты сравнения заявленного решения и прототипа ШТС показаны в таблице 6.
2
Диапазон экономии массы м шпунтовой стены при замещении решений ШТС на секторные решения СШСТ-Н с накладкой снаружи с моментами W и J не меньшими или того же порядка, чем у замещаемых решений ШТС показаны в таблице 7.
где:
- D - диаметры труб из рабочего диапазона в решениях ШТС;
- tmin, tmax - минимальные и максимальные толщины труб, наиболее часто встречающиеся в решениях ШТС;
2
- значения экономии масс на м шпунтовой стены от замещения ШТС на СШСТ-Н при промежуточных значениях tmin<t<tmax находятся в указанных выше диапазонах экономии для каждого диаметра трубы.
2
Проведенные исследования показывают, что заявленный способ возведения синусоидальной шпунтовой стенки с накладками обеспечивает качественное усиление шпунтовой стенки только за счет оптимального подбора углов сегментов для сваи и накладки без потребности дополнительного усиления. Экономия на массе м стены достигает от 21% до 53,6%, что подтверждает результат снижение затрат на материалы при возведении шпунтовой стенки.