ЯЧЕИСТАЯ ШПУНТОВАЯ СТЕНА
CELLULAR PILING WALL

Изобретение относится к области строительства подпорных стен из стального шпунта, преимущественно к строительству гидротехнических сооружений: причальных, оградительных, судоподъемных, берегозащитных, а также опор мостов.
Сооружения с несущими стальными шпунтовыми стенами получили широкое распространение вследствие высокой эффективности при строительстве на воде в широком диапазоне грунтовых условий, экономичности по затратам ресурсов, меньшей чувствительности к перегрузкам по сравнению с другими известными конструкциями (Смирнов Г.Н. и др. Порты и портовые сооружения, Москва, Стройиздат, 1993, с.371-374).
Известна шпунтовая стена, возводимая из волнообразных в плане стальных шпунтовых элементов, каждый из которых имеет полки, расположенные по разные стороны от оси стены параллельно ей со смещением вдоль этой оси относительно смежных полок и соединенные между собой поперечными стенками. Стенки располагаются под тупым углом к полкам с образованием в каждом шпунтовом элементе крайних полустенок, имеющих на своих свободных краях соответственно кулачок и обойму, образующие замковые соединения шпунтовых элементов в стене, причем каждая обойма расположена на внешней, а каждый кулачок - на внутренней поверхности соответствующих полустенок (RU 2151236 С1, кл Е02D 5/08, опубликовано 20.06.2000).
3
3
3
3
Данная конструкция может быть реализована в области значений момента сопротивления сечения стены до 8-10×10 см/м. Для более мощных стен волнообразная форма сечения становится технологически недостижимой вследствие необходимости существенно увеличивать высоту сечения, длину этой волны, толщину стенки и полок. В стенках с моментом сопротивления свыше 10×10 см/м эффективным решением являются ячеистые конструкции, возводимые из двутавровых шпунтовых элементов.
Наиболее близким по своей технической сущности аналогом предлагаемого изобретения является шпунтовая стена, возводимая из двутавровых элементов, каждый из которых имеет две полки, расположенные симметрично относительно оси стены и в центре жестко соединенные между собой стенкой, располагаемой к полкам под прямым углом, причем на продольных краях полок с их внешней стороны выполнены треугольной формы выступы, предназначенные для соединения с надеваемыми на края полок замковыми элементами - стержнями, в которых выполнены полости для заводки выступов полок и объединения тем самым смежных двутавровых элементов между собой (US 2018625, кл. 405-277, 22.10.1935).
Недостатком данной конструкции шпунтовой стены является расположение замковых соединений двутавровых элементов за внешней лицевой гранью стены, т.е. в зоне, где они подвергаются наиболее интенсивному воздействию волн, потоков, наносов, что негативно влияет на их долговечность, не исключая возможности повреждения, как при возведении стены, так и при ее эксплуатации, также и вследствие расположения ответственных замковых соединений в зоне сечения с большим моментом инерции.
Задачей настоящего изобретения является сокращение удельной металлоемкости шпунтовой стены с равной по отношению к известным решениям несущей способностью (изгибной жесткостью), обеспечивающейся определенными параметрами двутавровых элементов и параметрами замковых соединений при заданной несущей способности, и обеспечение защиты замковых соединений шпунтовой стены от эрозионных воздействий.
Эта задача решается тем, что в шпунтовой стене, образованной из металлических элементов двутавровой формы поперечного сечения, каждый из которых имеет две полки, расположенные симметрично относительно оси стены и параллельно ей и в центре жестко соединенные между собой стенкой, располагаемой к полкам под прямым углом, а на продольных краях каждой полки выполнены объемлющие - в виде обоймы или объемлемые - в виде кулачков замковые элементы, соединением которых посредством заведения кулачков в обоймы осуществлено объединение смежных металлических элементов в шпунтовую стену с образованием в ней замкнутых в плане ячеек - полостей; на одной из полок каждого металлического элемента выполнены две обоймы, а на противолежащей ей полке - два кулачка, причем центры кулачков расположены на линиях, параллельных оси металлического элемента и проходящих через обоймы в сечениях с максимальной высотой полости, и все замковые элементы расположены на внутренних обращенных к оси шпунтовой стены поверхностях полок, при этом отношение ширины полки к ширине стенки металлического элемента выдержано в пределах от 0,6 до 0,8 у металлического элемента с отношением толщины полки к ее ширине в пределах от 0,020 до 0,0225 и от 0,55 до 0,7 у металлического элемента с отношением толщины полки к ее ширине в пределах от 0,0225 до 0,025. При этом, по крайней мере, часть ячеек и/или полостей, в которых расположены замковые элементы, заполнены твердеющим материалом, например бетоном.
Параметры отношения ширины полки к ширине стенки у металлических элементов по форме двутавров находится в пределах, определяемых по таблице 1 в зависимости от показателя ν жесткости полки, характеризуемого отношением ее толщины к ширине.
Таблица 1
Область значений показателя
Область значений отношения
ν - жесткости полки
ширины полки к ширине стенки
0,020-0,0225
0,6-0,8
0,0225-0,025
0,55-0,7
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
- на фиг.1 показан участок шпунтовой стенки (вид сверху), расположенной по оси 1 и собранной из двутавровых элементов 2;
- на фиг.2 - графики зависимости удельной металлоемкости шпунтовой стенки от соотношения размеров полки и стенки.
Располагаемые по оси 1 двутавровые элементы 2 шпунтовой стены имеют полки 3а и 3б, расположенные симметрично относительно оси стены и параллельно ей, и стенки 4, расположенные под прямым углом к полкам и жестко соединенные с ними в точках по центру полок. По продольным краям полок 3а выполнены замковые элементы - обоймы 5, а полок 3б - замковые элементы - кулачки 6. Заводкой кулачков в обоймы в процессе сборки шпунтовой стены осуществляется объединение двутавровых элементов в единую конструкцию стены, при этом в ней образуются ячейки 7 повышенной изгибной жесткости, а замковые элементы 5 и 6 описанным выше образом располагаются в этих ячейках. При необходимости для достижения водонепроницаемости стены и защиты замковых соединений ячейки 7 могут быть заполнены (бетоном или иным материалом).
3
Для решения задачи эффективного использования металла в конструкции шпунтовой стены требуемой несущей способности было проведено опытное конструирование двутавровых элементов, результаты которого (для стенки с удельным моментом сопротивления 180 см/см) приведены в таблице 2, на основе которой построены графики фиг.2 и выявлена зависимость удельной металлоемкости стены рассматриваемой конструкции от соотношения размеров полок и стенки двутавровых элементов, а именно от отношения ширины полки к ширине стенки и от показателя ν жесткости полки. На графиках фиг.2 линия 1 выражает эту зависимость при ν=0,027, линия 2 - при ν=0,025, линия 3 - при ν=0,023. Выделенная область 4 при данных значениях ν является областью оптимальных значений отношения ширины полки к ширине стенки, при которых достигается минимум удельной металлоемкости шпунтовой стенки.
Таким образом, было установлено, что для достижения эффективных показателей удельной металлоемкости шпунтовой стены отношение ширины полки к ширине стенки у двутавровых элементов должно быть выдержано в пределах, определяемых по таблице 1.
Таблица 2
Параметры двутавров, образующих стену с w - 180 см<sup>3</sup>/см
Высота сечения, h
Ширина полки, b<sub>f</sub>
Толщина полки, b<sub>f</sub>
Параметр, ν
Ширина стенки, b<sub>w</sub>
Толщина стенки, t<sub>w</sub>
Отношение b<sub>f</sub>/b<sub>w</sub>
Удельная масса, m
1118
522
12
0,023
1094
13
0,48
402,44
1087
565
13
0,023
1061
13
0,53
395,60
1053
609
14
0,023
1025
13
0,59
391,69
1019
652
15
0,023
989
13
0,66
390,30
985
696
16
0,023
953
13
0,73
391,07
952
739
17
0,023
918
13
0,80
393,68
920
783
18
0,023
884
13
0,89
397,87
889
826
19
0,023
851
13
0,97
403,44
1099
480
12
0,025
1075
13
0,45
416,90
1070
520
13
0,025
1044
13
0,50
408,93
1039
560
14
0,025
1011
13
0,55
403,99
1007
600
15
0,025
977
13
0,61
401.64
975
640
16
0,025
943
13
0,68
401,53
943
660
17
0,025
909
13
0,75
403,33
912
720
18
0,025
876
13
0,82
406,79
882
760
19
0,025
844
13
0,90
411,69
1080
444
12
0,027
1056
13
0,42
430,98
1054
481
13
0,027
1028
13
0,47
421,94
1025
519
14
0,027
997
13
0,52
416,01
995
556
15
0,027
965
13
0,58
412,75
965
593
16
0,027
933
13
0,64
411,79
934
630
17
0,027
900
13
0,70
412,82
905
667
18
0,027
869
13
0,77
415,57
876
704
19
0,027
838
13
0,84
419,82
848
741
20
0,027
808
13
0,92
425,36