Z-ОБРАЗНАЯ ШПУНТОВАЯ СВАЯ С ВЫСОКИМ МОМЕНТОМ СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК E02D5/04 

Настоящее изобретение относится к Z-образной шпунтовой свае с высоким моментом сопротивления.

Z-образные шпунтовые сваи известны достаточно давно. Они имеют наклонную стенку, соединенную с двумя, по существу, параллельными полками. Каждая полка имеет соединительный захват, который при его соединении с аналогичным захватом соседней шпунтовой сваи используется для соединения свай друг с другом в одну несущую стену. В такой стене у собранных друг с другом Z-образных свай полки оказываются расположенными, по существу, параллельно друг другу на равном расстоянии от нейтральной плоскости изгиба стены. Произведение, полученное умножением момента сопротивления стены относительно этой нейтральной плоскости на максимально допустимое напряжение материала сваи, определяет максимальный изгибающий момент, который может выдержать стена.

Под "моментом сопротивления на единицу длины" состоящей из шпунтовых свай стены понимается момент сопротивления стены относительно нейтральной плоскости изгиба на погонный метр стены. Под "удельным моментом сопротивления" или "показателем несущей способности" состоящей из шпунтовых свай стены понимается момент сопротивления стены на единицу длины, деленный на массу квадратного метра стены. Под "состоящей из шпунтовых свай стеной" в описании понимается стена, состоящая из соединенных друг с другом Z-образных шпунтовых свай по существу с параллельными и расположенными на равных расстояниях от нейтральной плоскости изгиба стены полками.

Фирма ProfilARBED S. A. (Люксембург) в настоящее время выпускает Z-образную шпунтовую сваю марки "AZ36", у которой момент сопротивления составляет 3600 см³ на погонный метр стены. Масса сваи марки AZ36 составляет 194 кг на м², а удельный момент сопротивления соответственно равен 18,6 (см³/м) (кг/м²). Такая свая имеет соединительные захваты типа LARSSEN и стенку, которая под углом, равным приблизительно 63^o, наклонена к плоскости, параллельной полкам. Фирма ProfilARBED S.A. (Люксембург) выпускает также Z-образную шпунтовую сваю марки "BZ42" с моментом сопротивления, равным 4200 см³ на погонный метр стены, и массой, равной 271 кг/м², и поэтому меньшим удельным моментом сопротивления, равным 15,5 (см³/м) (кг/м²). Такая шпунтовая свая имеет соединительные захваты типа BELVAL и стенку, которая под острым углом, равным приблизительно 83,5^o, наклонена к плоскости, параллельной полкам. В настоящее время выпускаются и другие Z-образные шпунтовые сваи, у которых момент сопротивления доходит до 4550 см³ на погонный метр стены. Однако такие сваи с более высоким моментом сопротивления представляют собой очень тяжелые секции с очень большим весом на квадратный метр стены и поэтому с очень низким удельным моментом сопротивления. Очевидно, что чем меньше у сваи удельный момент сопротивления, тем выше себестоимость стены.

Основные причины, по которым в настоящее время не выпускаются шпунтовые сваи с моментом сопротивления, большим 4550 см³, заключаются в следующем:
А) Чаще всего это связано с существующими ограничениями на максимальную толщину полок. Эти ограничения связаны с тем, что при прокатке шпунтовых свай на прокатном стане во время последнего прохода их полки сгибаются и на них образуются соединительные захваты, в частности захваты типа LARSSEN. Согнуть имеющие большую толщину полки на существующих прокатных станах достаточно сложно. Иначе говоря, в настоящее время не существует промышленного способа прокатки свай с имеющими захваты типа LERSSEN полками толщиной больше 20 мм.

Б) Существуют также ограничения и на максимальную протяженность полок и на максимальное расстояние между внешними поверхностями полок (высота сечения сваи). Эти ограничения связаны с тем, что при заданном угле наклона стенки от ширины полки и высоты сечения зависит размер всей сваи, а следовательно, и ширина валков клетей стана. В настоящее время ширина этих валков ограничена шириной клетей существующих прокатных станов. При прокатке шпунтовых свай с высоким моментом сопротивления на существующих прокатных станах размер сваи между осями расположенных на ее полках захватов должен быть меньше фактической ширины клети прокатного стана.

В) Уменьшение ширины прокатки может быть достигнуто за счет увеличения острого угла наклона стенки сваи к плоскости, параллельной полкам (угла наклона стенки). Однако с увеличением этого угла до 90^o возрастает и сопротивление, которое приходится преодолевать при забивке сваи. Поэтому по причинам, которые связаны с особенностями использования шпунтовых свай, рекомендуется, чтобы угол наклона стенки не превышал 75^o.

Используя компьютер с заложенной в него специальной программой оптимизации размеров сваи, были рассчитаны указанные выше оптимальные параметры шпунтовой сваи типа AZ с максимальным моментом сопротивления, равным 4400 см³ на погонный метр стены. У рассчитанной таким образом сваи типа AZ толщина стенки равна 15 мм, масса составляет 229 кг/м², а удельный момент сопротивления равен 19,21 (см³/м) (кг/м²). С учетом указанных выше ограничений момент сопротивления в 4400 см³ является предельным для Z-образной шпунтовой сваи. Дальнейшее увеличение толщины стенки в принципе возможно, однако такое решение при незначительном увеличении момента сопротивления приведет к заметному снижению удельного момента сопротивления сваи.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача найти такое решение, которое позволило бы в еще большей степени увеличить момент сопротивления горячекатаной Z-образной шпунтовой сваи без снижения ее удельного момента сопротивления и без увеличения ширины клети прокатного стана.

Для решения этой задачи в изобретении предлагается Z-образная шпунтовая свая, основные отличительные особенности конструкции которой указаны в главном пункте формулы изобретения.

Говоря о существующем уровне техники, следует также заметить, что расположенные в точках соединения полок со стенкой выступы, которые в настоящее время уже известны и описаны, в частности в US 1831427 и FR A-686816, принципиально отличаются от выступов, которые имеются в предлагаемой в изобретении свае. В патенте US 1831427 описаны специальные Z-образные шпунтовые сваи, которые позволяют вместе с промежуточными плоскими листами создать сплошную шпунтовую стену. Специальные сваи, описанные в этом патенте, больше аналогичных свай, изготовленных из чугуна. Стенка у этих свай расположена под углом, близким к 90^o, к плоскости, параллельной внешним плоскостям полок. В точках соединения стенки с полками у этих свай расположены ребра, приливы, буртики или выступы, которые являются частью самой сваи или соединены с ней соответствующим способом. Единственное назначение этих ребер, приливов, буртиков или выступов состоит в том, что они используются в качестве соединительных элементов и входят в имеющие соответствующую форму пазы, которые предусмотрены в промежуточных плоских листах. Наличие таких соединительных устройств позволяет закрепить промежуточные плоские листы между двумя Z-образными сваями, образовав тем самым из них сплошную шпунтовую стену. В патенте FR A-686816 описаны U-образные шпунтовые сваи небольшой высоты, которые имеют усиленные участки, расположенные в местах соединения стенки с полками. В собранных друг с другом таких сваях эти усиленные участки, расположенные непосредственно перед отверстием в захвате первой сваи, вместе с внутренней частью этого захвата образуют соединительный элемент, который взаимодействует с внешней частью захвата, расположенного на второй шпунтовой свае.

Предлагаемая в изобретении горячекатаная Z-образная шпунтовая свая, равно как и все другие горячекатаные Z-образные сваи, имеет две полки с, по существу, параллельными внешними сторонами и соединенную с ними наклонную стенку. Эта стенка образует острый угол, меньший или равный 75^o, с плоскостью, параллельной внешним сторонам полок и ограничена между местами ее соединения с полками двумя по существу плоскими поверхностями. Предлагаемая в изобретении горячекатаная шпунтовая свая отличается от обычной горячекатаной сваи главным образом тем, что каждая из двух ее полок имеет увеличивающий ее ширину участок, который выступает за воображаемую плоскость, совпадающую с плоской поверхностью стенки, расположенной на той же ее стороне, что и внешняя сторона соответствующей полки.

Преимущество предлагаемой в изобретении шпунтовой сваи состоит в том, что при незначительном увеличении расхода материала и поэтому при небольшом увеличении массы сваи, приходящейся на квадратный метр стены, у нее за счет значительного увеличения момента сопротивления увеличен и удельный момент сопротивления. Особенно необходимо подчеркнуть, что увеличение момента сопротивления сваи достигнуто без увеличения ширины клети прокатного стана, без увеличения толщины полок при возможном увеличении их полезной ширины. Предложенное решение позволяет повысить прочность углов сваи в местах соединения полок с внешней стороной стенки и, следовательно, снизить вероятность повреждения этих критических участков сваи при ее забивании в грунт. Такое упрочнение углов сваи, обеспечивающее ее более высокую коррозионную стойкость при низких уровнях грунтовых вод, является очень существенным моментом, поскольку в местах соединения стенки с полками Z-образные сваи больше, чем U-образные сваи, подвержены влиянию коррозии. Необходимо также отметить, что у предлагаемой в изобретении сваи полки имеют большие по площади несущие поверхности (внешние стороны фланцев), к которым примыкают ограждающие элементы анкерных плит, и что в предлагаемой свае обеспечивается лучшая передача анкерных усилий от полок к стенке и от стенки к полкам.

Кроме того, следует отметить, что предлагаемое в настоящем изобретении решение позволяет создать шпунтовые сваи, имеющие следующие параметры:
толщина полок приблизительно от 19 до 20 мм;
ширина полок ≥ 200 мм;
высота сваи ≅ 500 мм;
момент сопротивления на единицу длины стены ≥ 4800 см³/м;
удельный момент сопротивления приблизительно 20 (см³/м) (кг/м²).

Ниже изобретение более подробно поясняется на примере предпочтительного варианта выполнения предлагаемой в изобретении шпунтовой сваи со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - поперечное сечение предлагаемой в изобретении сваи и
на фиг. 2 - в увеличенном масштабе место соединения полки сваи по фиг. 1 с ее стенкой.

Показанная на фиг. 1 Z-образная шпунтовая свая, как и все Z-образные шпунтовые сваи, имеет две полки 12', 12'' с, по существу, параллельными внешними сторонами 14', 14'' и соединенную с ними наклонную стенку 10. Стенка 10 образует острый угол α с плоскостью 16, которая расположена параллельно внешним сторонам 14', 14'' полок 12', 12''. Стенка имеет меньшую в сравнении с полками 12', 12'' толщину и ограничена между местами ее соединения с полками 12', 12'' двумя, по существу, плоскими и параллельными сторонами 18', 18''.

Каждая из полок 12', 12'' имеет соединительный захват 20', 20''. В качестве таких захватов используются захваты типа LARSSEN, которые вместе с аналогичными захватами соседних свай образуют в шпунтовой стене соединения типа LARSSEN.

Размеры показанной сваи были рассчитаны на компьютере по специальной программе оптимизации, позволяющей при различных ограничениях, упомянутых во вводной части описания, определить оптимальные размеры сваи с высоким моментом сопротивления.

В результате таких расчетов была выбрана свая со следующими размерами:
высота сечения сваи (расстояние между внешними сторонами полок) - h = 482 мм
ширина каждой полки 12', 12'' - a ≈208 мм
толщина стенки 10 - t₁ = 15 мм
толщина каждой полки 12', 12'' - t₂ = 19 мм
угол наклона стенки 10 - α = 71^°
У имеющей такие размеры шпунтовой сваи момент сопротивления составил 4400 см³ на единицу длины стены, собранной из таких свай с расположенными параллельно и на равных расстояниях от нейтральной плоскости изгиба стены внешними сторонами 14', 14'' полок 12', 12''. Удельный момент сопротивления такой шпунтовой стены оказался несколько меньшим 20 (см³/м) (кг/м²).

В изобретении была поставлена также задача дальнейшего увеличения момента сопротивления шпунтовой сваи с указанными выше и полученными в результате оптимизации размерами.

Эта задача была решена за счет выполнения на каждой из двух полок 12', 12'' сваи увеличивающего ее протяженность участка 22', 22'', выступающего за воображаемую плоскость 24', 24'', проходящую через плоскую внешнюю сторону 18', 18'' стенки, расположенную на той же стороне, что и внешняя сторона 14', 14'' соответствующей полки. Соединительная поверхность 25, которая расположена на краю полки 12' обычной Z-образной сваи, показана на фиг. 2 пунктирной линией. Эта соединительная поверхность 25 выполнена скругленной, а внешняя сторона 14' полки 12' и внешняя сторона 18' стенки 10 расположены к ней по касательной.

Показанная на фиг. 2 стенка 10 соединена с выступающим участком 22' полки местным утолщением 26' стенки 10, позволяющим избежать образования вогнутого угла между выступом 22' полки и стенкой 10. Утолщение 26' стенки 10 слегка снижает удельный момент сопротивления сваи, однако оно облегчает процесс прокатки сваи и устраняет деформации выступающего участка 22' полки во время забивки сваи. Наличие такого утолщения способствует лучшей передаче анкерных усилий от полок 12', 12'' к стенке 10 и от стенки к полкам.

На фиг. 2 показано, что выступающий участок 22' полки ограничен первой плоскостью 30, которая является продолжением плоской стороны 14' полки 12', второй плоскостью 34, которая, по существу, перпендикуляра упомянутой первой плоскости 30, и выпуклой цилиндрической соединительной поверхностью 32, которая соединяет упомянутую первую плоскость 30 с упомянутой второй плоскостью 34. Утолщение 26' стенки 10 далее ограничивает вогнутую цилиндрическую соединительную поверхность 36, которая соединяет сторону 18' стенки 10 с упомянутой второй плоскостью 34 выступающего участка 22' полки. Такая форма выступающих участков 22' и 22'' полок изготавливаемой прокаткой сваи является оптимальной с технологической точки зрения.

У сваи, показанной на фиг. 1, выпуклая цилиндрическая соединительная поверхность 32 имеет радиус 15 мм, а радиус вогнутой цилиндрической соединительной поверхности 36 составляет 125 мм. Момент сопротивления на единицу длины оптимизированной таким образом шпунтовой сваи с выступающими участками 22', 22'' полок составляет 4800 см³/м и приблизительно на 9% превышает момент сопротивления сваи, у которой полки не имеют таких выступающих участков 22', 22''. Удельный момент сопротивления сваи с выступающими участками 22', 22'' полок составляет приблизительно 20 (см³/м) (кг/м²).

Следует отметить, что прокатка сваи с выступающими участками 22', 22'' полок не сопряжена ни с какими-либо дополнительными проблемами и не требует, в частности, никакого увеличения ширины клетей прокатного стана, что делает применение изобретения особенно целесообразным для использования свай с большими размерами поперечного сечения.

Следует заметить, что изобретение никоим образом не ограничено описанной выше конструкцией шпунтовой сваи и может быть с успехом распространено на Z-образные шпунтовые сваи самых различных размеров, у которых момент сопротивления на единицу длины меньше или больше 4800 см³/м, а также на сваи с другими соединительными захватами, отличными от захватов типа LARSSEN.

Изобретение относится к области строительства. Z-образная шпунтовая свая состоит из двух полок с, по существу, параллельными внешними сторонами и соединенной с двумя полками наклонной стенки, расположенной под острым углом α ≅ 75^o к параллельной внешним сторонам полок плоскости и ограничена между местами ее соединения с полками двумя, по существу, параллельными сторонами. Новым является то, что каждая полка имеет увеличивающий ее протяженность участок, который выступает за воображаемую плоскость, совпадающую с плоской поверхностью стенки, расположенной на той же ее стороне, что и внешняя сторона соответствующей полки. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в возможности изготовления прокаткой шпунтовых свай с моментом сопротивления на единицу длины стены более 4800 см³/м и удельным моментом сопротивления около 20 (см³)(кг/м²). 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Горячекатанная Z-образная шпунтовая свая, состоящая из двух полок (12', 12'') c, по существу, параллельными внешними сторонами (14', 14'') и соединенной с двумя полками (12', 12'') наклонной стенки (10), которая расположена под острым углом α ≅ 75^o к параллельной внешним сторонам (14', 14'') полок (12', 12'') плоскости (16) и ограничена между местами ее соединения с полками (12', 12'') двумя, по существу, параллельными сторонами (18', 18''), отличающаяся тем, что каждая полка (12', 12'') имеет увеличивающий ее протяженность участок (22', 22''), который выступает за воображаемую плоскость (24', 24''), совпадающую с плоской поверхностью стенки (10), расположенной на той же ее стороне (18', 18''), что и внешняя сторона (14', 14'') соответствующей полки. 2. Шпунтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что стенка (10) соединена с каждым выступающим участком (22', 22'') полки своим местным утолщением (26', 26'') для избежания образования вогнутого угла между выступающим участком (22', 22'') полки и стенкой (10). 3. Шпунтовая свая по п. 2, отличающаяся тем, что выступающий участок (22', 22'') полки ограничен первой плоскостью (30), являющейся продолжением плоской стороны (14', 14'') соответствующей полки, второй плоскостью (34), перпендикулярной по существу первой плоскости (30), и выпуклой цилиндрической соединительной поверхностью (32), которая соединяет первую плоскость (30) со второй плоскостью (34). 4. Шпунтовая свая по п.3, отличающаяся тем, что вторая плоскость (34) соединена с соответствующей плоской стороной (18', 18'') стенки вогнутой цилиндрической соединительной поверхностью (36). 5. Шпунтовая свая по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что она имеет следующие параметры: а) момент сопротивления на единицу длины стены ≥ 4800 см³/м; б) удельный момент сопротивления около 20 (см³/см) (кг/м²). 6. Шпунтовая свая по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что она имеет следующие параметры: а) толщина полок приблизительно 19 - 20 мм; б) ширина полок ≥ 200 мм; в) высота сваи ≅ 500 мм. 7. Шпунтовая свая по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что ее стенка расположена под острым углом α, равным, по существу, 71^o, к плоскости (16), параллельной внешним сторонам (14', 14'') полок. 8. Шпунтовая свая по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что каждая полка имеет соединительный захват. 9. Шпунтовая свая по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что каждая полка имеет соединительный захват типа LARSSEN.