ШПУНТОВАЯ СТЕНКА ДЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
PILOT WALL FOR HYDRO ENGINEERING STRUCTURES

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано в морском и речном строительстве портовых сооружений, строительстве набережных и причалов, опор мостов, подпорных стенок при берегоукрепительных работах, в том числе в условиях крайнего Севера.
Известна шпунтовая стенка (Патент RU 161409U1, МПК В02В 3/06, опубл. 20.06.2016 г.). Шпунтовая стенка, включает сваи в виде цилиндрических труб и замковые соединения, каждое из которых состоит из пары привариваемых к трубам профилей, при этом один из профилей представляет собой выступ, а второй привариваемый профиль выполнен в виде захвата, имеющего замковую полость, в котором размещен гребень шпунтового выступа, причем замковая полость образована двумя зеркально симметричными элементами в виде крюков.
Недостатком известного технического решения является большая металлоемкость шпунтовой стенки и ограниченная возможность работы в тяжелой ледовой обстановке на крайнем Севере из-за значительных распорных нагрузок, воздействующих на сваи от ледяных торосов, приводящим к обрыву замковых соединений и нарушению целостности шпунтовой стенки. Отклонение свай от проектного положения на незначительную величину при монтаже и эксплуатации приводит также к значительным нагрузкам на замковые соединения, превышающим расчетные.
Известна шпунтовая стенка для строительства причалов, набережных, каналов, подпорных стенок при берегоукрепительных работах и других гидротехнических сооружений, содержащая сваи в виде металлических труб, погруженных в грунт, и замковых элементов, соединяющих их в единую стенку вдоль линии строительства. Как и в предыдущем техническом решении центры свай находятся на нейтральной (продольной) линии, делящей сечение шпунтовой стенки на две равновесные части (Патент РФ № 2293158, МПК Е02В3/06, Е02D5/08, E02D5/12, опубл. 10.02.2007 г.).
Недостатком известной шпунтовой стенки, как и в предыдущем известном техническом решении, является большая металлоемкость шпунтовой стенки и ограниченная возможность работы в тяжелой ледовой обстановке на крайнем Севере из-за значительных распорных нагрузок, воздействующих на сваи от ледяных торосов, приводящим к обрыву замковых соединений и нарушению целостности шпунтовой стенки. Отклонение свай от проектного положения на незначительную величину при монтаже и эксплуатации приводит также к значительным нагрузкам на замковые соединения, превышающим расчетные.
Известна шпунтовая стенка для гидротехнических сооружений ( ESC Group General Cataloque, 2022 Edition, page 53; https://www.escpile.com/general-catalogue) Шпунтовая стенка по известному техническому решению содержит сваи в виде цилиндрических труб, промежуточные шпунтовые элементы U-образного сечения, при этом замковые элементы, расположенные на подошве промежуточных элементов и образующих цилиндрических труб находятся на линии, соединяющей центры труб между собой.
Недостатком известного технического решения является низкая нагрузочная способность и высокая металлоемкость шпунтовой стенки, а также высокий уровень распорных нагрузок от ледяных торосов в условиях эксплуатации на крайнем Севере, действующих на трубные сваи
Известна шпунтовая стенка, наиболее близкая к заявляемому техническому решению (Патент RU 2382846C1, МПК B02B 3/06, B02D 5/20, опубл. 27.06.2010 г.). Шпунтовая стенка согласно изобретению предназначена для возведения на скальном грунте и содержит сваи , установленные в ряд и забетонированные в предварительно разбуренных в скальном основании стаканах-фиксаторах, и размещенные между ними замыкающие тонкостенные арочные промежуточные элементы. Каждая свая снабжена двумя шпунтовыми замками, в которых размещены утолщенные боковые кромки арочных элементов, которые установлены с опиранием непосредственно на скальный грунт, без заглубления. Шпунтовые замки закреплены на сваях в плоскостях, проходящих через ось сваи под углами соответственно ± α к плоскости, перпендикулярной плоскости подпорной стенки. Угол α выбирается от 10 до 55 градусов, преимущественно равен 45 градусам. Подпорная стенка содержит также анкерное устройство, включающее анкерные тяги, соединенные со сваями, и анкерные опоры, которые преимущественно забетонированы в скальное основание. При этом промежуточные и замковые элементы расположены со стороны засыпки шпунтовой стенки.
Недостатком известного технического решения является большая металлоемкость шпунтовой стенки и ограниченная возможность работы в тяжелой ледовой обстановке на крайнем Севере из-за значительных распорных нагрузок, воздействующих на сваи от ледяных торосов, приводящим к обрыву замковых соединений и нарушению целостности шпунтовой стенки. Шпунтовая стенка воспринимает только нагрузку со стороны засыпки грунта и передается через промежуточные арочные элементы на сваи. При этом арочные элементы монтируют на предварительно установленные трубные сваи, что значительно усложняет проведение строительно-монтажные работы
Целью настоящего изобретения является увеличение нагрузочной способности и надежности монтажа и эксплуатации шпунтовой стенки, упрощение проведения строительно-монтажных работ и возможность применения заявляемого технического решения для тяжелой ледовой обстановки в условиях крайнего Севера.
Поставленная цель достигается тем, что в шпунтовой стенке для гидротехнических сооружений, содержащей сваи в виде металлических цилиндрических труб, промежуточных и замковых элементов соединяющих их в единую стенку вдоль линии строительства, согласно изобретения промежуточные элементы выполнены корытообразной формы и размещены с лицевой стороны вдоль линии шпунтовой стенки, замковые элементы установлены между концевыми частями боковых стенок промежуточных элементов и поверхностями соединяемых с ними труб, а боковые стенки промежуточных элементов расположены на продолжении линий, соединяющих центры цилиндрических труб и замковые элементы, расположенные на внешней стороне труб, с допустимыми отклонениями от указанных линий на угол поворота промежуточного элемента в замковом элементе β не более ±20°.
Боковые стенки промежуточного элемента установлены под углом α, равным 30° - 60° к его донной части, при этом донная часть располагается на расстоянии Н, равном 0,8-1,2 радиуса труб от оси О-О, соединяющей центры труб шпунтовой стенки, между которыми он установлен.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
Фиг. 1 - поперечный разрез шпунтовой стенки для гидротехнических сооружений;
Фиг. 2 - вид А, фрагмент шпунтовой стенки с расположением промежуточных и замковых элементов.
Шпунтовая стенка 1 для гидротехнических сооружений, преимущественно причалов и других портовых сооружений, набережных, каналов, подпорных стенок при берегоукрепительных работах содержит сваи 2 в виде металлических цилиндрических труб 3 диаметром Dт, погруженных в грунт 4, промежуточных 5 и замковых элементов 6, соединяющих их в единую стенку вдоль линии строительства. Шпунтовая стенка 1 разделяет между собой водную акваторию 7 и несущую конструкцию 8 гидротехнического сооружения, заполненную грунтом 9. Промежуточные элементы 5 выполнены корытообразной формы и размещены с лицевой стороны 13, обращенной в сторону водной акватории 7, вдоль линии шпунтовой стенки 1. Замковые элементы 6 установлены между концевыми частями боковых стенок 11, 12 промежуточных элементов 5 и поверхностями соединяемых с ними труб 3, а боковые стенки 11, 12 расположены на продолжении линий, соединяющих центры цилиндрических труб 3 и замковых элементов 6, расположенных на внешней стороне труб, с отклонениями от линий на угол поворота промежуточного элемента 5 в замковом элементе 6 β не более ±20°. Боковые стенки 11, 12 промежуточных элементов 5 установлены под углами α , равными 30° - 60° к его донной части 10, при этом донная часть 10 располагается на расстоянии Н, равного 0,8 - 1,2 радиуса труб 3 от оси О-О центров соединяемых труб 3 шпунтовой стенки 1. При этом установка боковых стенок 11, 12 под углом α к донной части 10 менее 30° и более 60° не целесообразно из-за уменьшения диапазона компенсации не параллельности труб 3 и изменения расстояния между замковыми элементами 6 по высоте соседних труб 3 при монтаже за счет деформации боковых стенок 11, 12 относительно донной части 10 и, соответственно, изменения расстояния между концевыми частями боковых стенок 11, 12 по высоте промежуточного элемента 5. Установка донной части 10 на расстоянии Н менее 0,8 и более 1,2 радиуса труб 3 от оси О-О центров соединяемых труб 3 не целесообразно из-за значительной разницы в расстоянии между донной частью 10 промежуточного элемента 5 и наружной поверхностью труб 3 и, как следствие, больших распорных нагрузок при ледоставе, воздействующих на промежуточные элементы 5 или сваи 2 в виде металлических труб 3.
Ниже приведены примеры расчета несущей способности шпунтовых стенок со сваями из труб ∅ 1420 мм (таблица 1) и труб ∅ 2520 мм (таблица 2).
ТАБЛИЦА 1
Dт
мм
1420
1420
1420
1420
Sт
мм
20
20
20
20
Т
м
1,590
1,590
1,700
1,700
Н
мм
610
560
610
560
Sпз
мм
20
20
20
20
Fт
См<sup>2</sup>
879,6
879,6
879,6
879,6
Fпэ-к
См<sup>2</sup>
226,9
210,2
248,9
232,2
Yс
мм
108,02
92,14
117,62
101,20
Jх общ
См<sup>4</sup>
2661828
2546654
2714086
2591861
Jх общ/Т
См<sup>4</sup>/м
1674106
1601669
1596521
1524624
Wх min
См<sup>3</sup>
32540
31748
32794
31931
Wx max
См<sup>3</sup>
44218
41217
45817
42573
Wx min/T
См<sup>3</sup>/м
20465
19967
19291
18783
Wx max/T
См<sup>3</sup>/м
27810
25923
26951
25043
S экв
мм
21,5/29,7
21,0/27,6
21,7/30,9
21,1/28,6
ТАБЛИЦА 2
Dт
мм
2520
2520
2520
2520
Sт
мм
20
20
20
20
Т
м
2,690
2,690
2,800
2,800
Н
мм
1160
1110
1160
1110
Sпз
мм
20
20
20
20
Fт
См<sup>2</sup>
1570,8
1570,8
1570,8
1570,8
Fпэ-к
См<sup>2</sup>
354,0
331,2
376,0
353,2
Yс
мм
197,1
180,9
206,8
191,5
Jх общ
См<sup>4</sup>
16830556
16866652
17060786
16828378
Jх общ/Т
См<sup>4</sup>/м
6256712
6270131
6093138
6010135
Wх min
См<sup>3</sup>
115509,6
117056,0
116313,0
115937,8
Wx max
См<sup>3</sup>
158341,0
156303,0
161990,0
157495,3
Wx min/T
См<sup>3</sup>/м
42940,4
43515,2
41540,4
41406,4
Wx max/T
См<sup>3</sup>/м
58862,8
58105,2
57853,6
56248,3
S экв
мм
23,8/33,0
24,2/32,6
24,0/33,8
23,9/32,8
ОБОЗНАЧЕНИЯ: Dт - наружный диаметр трубы; Sт - толщина стенки трубы; Т - шаг между трубами; Н - расстояние от оси центров труб до донной части промежуточного элемента; Sпэ - толщина промежуточного элемента; Fт - площадь сечения трубы; Fпэ-к - площадь сечения промежуточного элемента с замковыми элементами; Yс - расстояние до центра тяжести трубного шпунта; Jх общ - момент инерции сваи из трубного шпунта; Jх общ/Т - момент инерции погонного метра шпунтовой стенки; Wx min, Wx max - минимальный, максимальный момент сопротивления изгибу сваи (труба + промежуточный элемент); Wx min/T, Wx max/T - минимальный, максимальный момент сопротивления изгибу погонного метра шпунтовой стенки; S экв - эквивалентная толщина стенки трубы с расположением замковых элементов по центру трубы (в числителе - минимальная толщина, в знаменателе - максимальная толщина).
Анализ проведенных расчетов, сведенных в таблицы 1, 2, показывает эффективность заявляемого технического решения. Повышение нагрузочной способности стенки на 7,5-65 % по сравнению с традиционной шпунтовой стенкой с расположением промежуточных и замковых элементов по оси, соединяющей центры труб между собой достигается за счет смещения промежуточных и замковых на периферию от центров труб.
Расположение промежуточных и замковых элементов с лицевой стороны шпунтовой стенки позволяет повысить надежность за счет значительного уменьшения распорных нагрузок от ледяных торосов в зимнее время и при строительстве гидротехнических сооружений на крайнем Севере РФ. При этом сваи в виде цилиндрических труб могут быть расположены на минимальном расстоянии друг от друга, что позволяет нагрузочную способность шпунтовой стенки.
Конструкция промежуточных элементов корытообразной формы позволяет значительно уменьшить выход из строя замковых элементов при погружении и эксплуатации свай с отклонениями от проектного положения с нарушением взаимной параллельности осей свай. Компенсация отклонений положения свай от проектного положения достигается за счет изменения углов между боковыми стенками и днищем промежуточных элементов.
При работе на шпунтовую стенку действует сложные нагрузки: от перепада уровней грунта в зоне строительства и от оборудования, транспорта и прочих нагрузок при эксплуатации, действующих с внутренней стороны, от гидравлического давления водяного столба и распорных нагрузок от действия ледяных торосов, действующих с лицевой стороны. Реализация заявляемого технического решения позволяет снизить на 10-60% металлоемкость, уменьшить на 15-50% затраты на строительство и на проведение текущих и капитальных ремонтов шпунтовых стенок, а также на 10-20% уменьшить сроки строительства.
Изготовление шпунтовых стенок для гидротехнических сооружений по заявляемому техническому решению можно производить с применением свай из серийно выпускаемых труб большого диаметра, а изготовление корытообразных промежуточных элементов из толстого листа возможно производить на кромкогибочном прессе. Перечисленное позволяет реализовать проекты по строительству надежных гидротехнических сооружений на крайнем Севере в минимальные сроки со значительной экономией капитальных затрат.