СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ШПУНТОВОЙ СТЕНКИ Российский патент 2022 года по МПК E02D5/02 

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 RU 59083U, 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 RU 19542U, 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 RU 118648U, 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 RU 59083 U.

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, устраняется проблема изменения диаметра свай при нагрузках (проблема овальности).

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 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 поверхности сегмента трубы сваи.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показан принцип соединения накладки к сегментной свае.

На Фиг.2-Фиг.4 показаны диаграммы сравнения шпунтовых стен согласно заявленного способа и шпунтовых стен согласно прототипа.

На Фиг.5 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 180 градусов.

На Фиг.6 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 270 градусов.

На Фиг.7 показан пример выполнения синусоидальной шпунтовой стенки из свай с углом сегмента 120 градусов.

На Фиг.8 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.5-Фиг.8.

Новым является то, что в средней части шпунтовых свай 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.4 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.

Из диаграмм Фиг.2-Фиг.4 следует, что для любого выбранного решения шпунтовой стенки всегда найдётся множество решений с накладками, у которых каждый кг массы м² 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 1420, 1520, 1620, 1820, 2020 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.

Чем меньшую сегмент накладки имеет длину при формировании, тем меньше напряжение изгиба стенки трубы, которое формировалось при изготовлении трубы на трубопрокатном цехе изготовителя, и напряжение уменьшается тем меньше, чем меньше сегмент нарезается.

Таким образом, при наложении на сваю сегмента накладки меньшей длины, чем длина сегмента самой сваи, сегмент накладки имеет уже больший диаметр, чем имеет сегмент самой сваи. А сам сегмент сваи, соответственно, имеет меньший диаметр, чем диаметр неразрезанной трубы.

Вышесказанное обеспечивает условие плотного контакта сегментов накладки к сегменту сваи. А это в свою очередь, устраняет проблему овальности, которая может присутствовать в шпунтах по прототипу, поскольку плотное прилегание сегмента накладки к сегменту сваи исключает изменение диаметра обоих при нагрузках.

С помощью сегментных шпунтовых стен с накладками можно с выгодой заместить любое решение усиленной шпунтовой стенки на множество решений согласно заявленного способа в следующих вариантах:

- с бо́льшим упругим моментам W(см³/м) при сохранении массы м²;

- со значительным уменьшением массы м² при сохранении упругого момента W(см³/м);

- с одновременным уменьшением массы м² и увеличением упругого момента W(см³/м).

Сегментные шпунтовые стены с накладками успешно решают задачу замещения многих классических шпунтов не только со значительной экономией по массе м², но одновременно и с существенным уменьшением количества погружений.

Так, например, дорогой г/к шпунт Л5УМ можно заместить множеством уникальных решений согласно заявленного способа с максимальной экономией по массе до 45,41% с одновременной экономией по числу погружений до 142,2%. Или заместить вариантом с экономией массы м² до 40,68%, но при этом с экономией по числу погружений до 182% (см. далее таблицу замещения классических шпунтов).

Широкая возможность выбора формирования усиления шпунтовой стенки обусловлена возможностью манипуляций выбора угла сегмента как при формировании шпунтовой сваи, где сегмент сваи может быть сформирован с углом от 90 до 270 градусов, так и при формировании размера сегмента самих накладок.

При формировании шпунтовой сваи, сегмент остатка цилиндрической металлической трубы, полученный после ее продольного разреза, можно использовать в качестве накладки либо целиком, либо путем продольного разреза на равные части. Причем выбор количества разделения на равные части сегментов остатка для формирования накладок также произволен. Все это позволяет манипулировать размерами сегментов шпунта стенки и сегментов накладок совершенно произвольно.

Фиксацию накладки к сегменту шпунтовой сваи осуществляют сваркой - путем приваривания торцами накладки к поверхности сегмента трубы сваи.

Накладки фиксируют в средней части шпунтовых свай, чтобы от одного края накладки до края сегмента сваи было такое же расстояние как и от другого края накладки до другого конца сегмента сваи. Без такого расположения расчет степени усиления шпунтовой стенки будет невозможен из-за неравномерного усиления стенок и невозможности прогнозировать степень будущих нагрузок с высокой точностью.

Для шпунтовых сегментных стен с накладками, согласно заявленного способа, характерны следующие свойства.

При использовании шпунтовых стен с накладками:

- моменты сечений (прочностные параметры) W и J растут быстрее, чем масса м²,

- моменты инерции растут быстрее, чем упругие моменты,

- повышения упругого момента стены можно быстрее добиться увеличением диаметра трубы, нежели увеличением её толщины,

- увеличение толщины сегмента синусоидальных шпунтовых стен с накладками имеет существенно меньшее влияние на возрастание упругих моментов, чем увеличение диаметров труб.

Использование синусоидальных стен без накладок (как в прототипе) или без усиления не дает возможности замещения всех типов российских шпунтовых стен.

Замещение сразу всей номенклатуры шпунтовых стен синусоидальными шпунтами стенками с накладками возможно только с центральным углом сегмента не менее 240° (из всей номенклатуры не будет замещено только 1 решение).

Результаты исследования взаимного влияния центральных углов сегментов сваи (α) и сегментов накладки (β) на результаты решений при формировании шпунтовых стен.

Исходные данные и пояснения по результатам проведенного исследования.

Центральный угол трубы α 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 1420х20 для всех углов α и β, представленных в Таблице 1.

Таблица 1

Сегмент Накладки β
α 0 60 90 120 150 180 210 240 270 90 Х Х Х 120 Х Х Х Х 150 Х Х Х Х Х 180 Х Х Х Х Х Х 210 Х Х Х Х Х Х Х 240 Х Х Х Х Х Х Х Х 270 Х Х Х Х Х Х Х Х Х

Для исследования взаимовлияния углов α и β на параметры решений сегментных шпунтов удобно использовать общепринятый коэффициент эффективности (полезности) Kэфф, связывающий одновременно два основных параметра Mкг/м² и W см³/м.

Коэффициент Kэфф показывает, сколько единиц упругого момента доставляет каждый кг массы 1 м²стены.

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).

При сравнении двух сегментов с углами α₁<α₂ все решения из сегмента α₂ всегда более эффективны, чем все решения из сегмента α₁ при одинаковых накладках, включая даже самые эффективные решения сегмента α₁ и неэффективные решения из сегмента α₂ (при β=0 и β=α) .

Об изменении масс и упругих моментов с ростом сегментов свай и сегментов накладок.

В каждом сегменте у всех решений с накладками при увеличении угла β (для накладок) упругие моменты W (см³/м) и массы м² (кг/м²) 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.

При сравнении решений двух сегментов с углами α₁<α₂ все упругие моменты и массы решений из сегмента α₂ всегда больше упругих моментов и масс из сегмента α₁ при одинаковых накладках, включая решения с углами β=0 и β=α.

Самое большое увеличение упругого момента (до 92%) внутри каждого сегмента наблюдается при сравнении решения без накладки (β=0) с решением с самой минимальной накладкой (60°) из этого же сегмента.

Это ещё раз подчёркивает низкую эффективность решений без накладок (СШСТ).

При увеличении угла накладки внутри одного и того же сегмента массы растут примерно в среднем вдвое медленней, чем растёт упругий момент W.

О значениях и взаимовлиянии параметров W, M, k_эфф

в сегментных решениях СШСТ-Н 1420хt

при изменении параметра t=[10,11..20].

Сравнение с решениями СШСТ 1420хt

Таблица 2

Исследование сегментных решений СШСТ-Н 1420х20 по всем сегментам и накладкам

Исходные данные и пояснения для исследования.

Значения упругих моментов шпунтовых стен СШСТ-Н с сегментами и накладками из трубы 1420хt при максимальных коэффициентах эффективности

Сравнение * с решениями шпунтовых стен СШСТ 1420хt показаны в Таблице 3.

* для сравнения выбирались только те решения СШСТ-Н с элементами труб 1420хt, у которых Кэфф был самый высокий

Таблица 3

Dxt max K_эфф СШСТ max K_эфф СШСТ-Н Wmax СШСТ, см³/м Wmax СШСТ-Н, см³/м 1420х20 42,98 84,42 20 514 69 710 1420х19 42,99 84,42 19 529 66 293 1420х18 43,00 84,41 18 541 62 868 1420х17 42,99 84,39 17 548 59 437 1420х16 42,98 84,35 16 551 55 998 1420х15 42,96 84,30 15 549 52 553 1420х14 42,93 84,23 14 543 49 100 1420х13 42,89 84,14 13 533 45 640 1420х12 42,82 84,01 12 519 42 173 1420х11 42,74 83,85 11 500 38 699 1420х10 42,63 83,63 10 477 35 217

Выводы: при условии достижения решениями сегментных шпунтов СШСТ-Н максимальных коэффициентов эффективности можно с сегментами и накладками из труб 1420хt достичь таких упругих моментов, которые в 3,4 раза больше, чем упругие моменты решений СШСТ 1420хt

Значения упругих моментов шпунтовых стен СШСТ-Н с сегментами и накладками из трубы 1420хt.

Сравнение * с решениями шпунтовых стен СШСТ 1420хt показаны в Таблице 4.

* для сравнения выбирались только те решения с элементами трубы 1420хt, у которых упругий момент был наивысший, невзирая на значение коэффициента эффективности.

Таблица 4

Dxt max K_эфф СШСТ max K_эфф СШСТ-Н Wmax СШСТ, см³/м Wmax СШСТ-Н, см³/м 1420х20 42,98 69 20 514 75 580 1420х19 42,99 69 19 529 71 858 1420х18 43,00 69 18 541 68 130 1420х17 42,99 68,99 17 548 64 397 1420х16 42,98 68,97 16 551 60 657 1420х15 42,96 68,94 15 549 56 912 1420х14 42,93 68,89 14 543 53 161 1420х13 42,89 68,84 13 533 49 403 1420х12 42,82 68,76 12 519 45 640 1420х11 42,74 68,65 11 500 43 733 1420х10 42,63 68,53 10 477 38 095

Выводы: с помощью сегментных решений СШСТ-Н с элементами трубы 1420хt (без требований максимальной эффективности сегментных решений) можно достичь таких упругих моментов, которые в 3,6 раза больше, чем у решений СШСТ с такой же трубой 1420 и с теми же толщинами t.

Типичные результаты замещения шпунтов СШСТ на сегментные решения СШСТ-Н.

В качестве примера замещается одно решение СШСТ 1420х20 на различные варианты сегментных шпунтовых стен с различными углами сегментов α и накладками с различными углами β.

Параметры замещаемого решения СШСТ 1420х20: М=477,26 кг/м²; W=20 514 см³/м показаны в Таблице 5.

Замещения осуществляются с целью:

- получить максимально возможный упругий момент W при сохранении или незначительном повышении массы решения СШСТ 1420,

- минимизировать массу шпунтовой стены при сохранении или незначительном увеличении W, являющимся решением СШСТ 1420х20,

- одновременно минимизировать и массу, и увеличить упругий момент для замещения решения СШСТ1420х20.

Таблица 5

Замещающие решения СШСТ-Н 1420хt Параметры замещающих решений СШСТ-Н 1420х20 Результаты замещения* α β Dхt W см³/м ΔW ΔW% М кг/м² ΔМ ΔМ% Вариант б) 180 90 1420х20 20566 32 +0,16% 381,29 -95,97 -20,11 При чуть большем упругом моменте W
экономия на массе м² 20,11% Вариант б) 240 60 1420х11 20537 23 +0,11% 279,02 -198,24 -41,54 При чуть большем упругом моменте W
экономия на массе м² 41,54% Вариант а) 270 120 1420х14 38586 +18072 +88,1% 478,08 +0,82 +0,17 При чуть большей массе увеличение
упругого момента W на 88,10% Вариант с) 240 120 1420х?? 27574 +7065 +34,44% 361,11 -116,15 -24,34 Одновременно уменьшение массы на 24,34%
с увеличением упругого момента W на 34,44%

* Данные замещения показаны как пример. Сегментный метод позволяет сделать аналогичные замещения сотнями различных способов.

Исследование изменения параметров W, М и Кэфф в решениях СШСТ-Н 1420хt с ростом параметра t.

Сравнение решений СШСТ-Н 1420хt с решениями СШСТ 1420хt показаны в Таблице 6 для сегмента сваи 270° + сегмента накладки 135°

Таблица 6

Dxt K_эфф СШСТ MAX K_эфф СШСТ-Н W СШСТ W СШСТ-Н ΔW см³/м ΔW% W_СШСТ-Н/ MAX W_СШСТ M кг/м² СШСТ M кг/м² СШСТ-Н ΔM кг/м² ΔM % M_СШСТ-Н/ M_СШСТ 1420х20 42,98 84,42 20514 69710 49196 240,0 3,398 477,26 825,74 348,48 73,02 1,730 1420х19 42,99 84,42 19529 66293 46764 239,1 3,395 454,26 785,26 331,00 72,87 1,729 1420х18 43,00 84,41 18541 62868 44327 239,1 3,391 431,23 744,79 313,56 72,71 1,727 1420х17 42,99 84,39 17548 59437 41889 238,7 3,387 408,16 704,32 296,16 72,56 1,726 1420х16 42,98 84,35 16551 55998 39447 238,3 3,383 385,06 663,85 278,79 72,40 1,724 1420х15 42,96 84,30 15549 52553 37004 238,0 3,380 361,93 623,39 261,46 72,24 1,722 1420х14 42,93 84,23 14543 49100 34557 237,6 3,376 338,76 582,92 244,16 72,07 1,721 1420х13 42,89 84,14 13533 45640 32107 237,3 3,373 315,56 542,46 226,90 71,90 1,719 1420х12 42,82 84,01 12519 42173 29654 236,9 3,369 292,33 502,00 209,67 71,72 1,717 1420х11 42,74 83,85 11500 38699 27199 236,5 3,365 269,06 461,54 192,48 71,54 1,715 1420х10 42,63 83,63 10477 35217 24740 236,1 3,361 245,76 421,08 175,32 71,34 1,713

Исследование изменений максимальных параметров W, М и Кэфф в решениях СШСТ-Н 1420хt с ростом параметра t.

Сравнение решений СШСТ-Н 1420хt с решениями СШСТ 1420хt показано в Таблице 7 для сегмента сваи 270° + сегмента накладки 210°

Таблица 7

Dxt K_эфф СШСТ K_эфф СШСТ-Н W СШСТ MAX W СШСТ-Н ΔW см³/м ΔW% MAX W_СШСТ-Н/ W_СШСТ M кг/м² СШСТ MAX M кг/м² СШСТ-Н ΔM кг/м² ΔM % MAX M_СШСТ-Н/ M_СШСТ 1420х20 42,98 69,00 20514 75580 55066 268,43 3,684 477,26 1095,36 618,1 129,51 2,295 1420х19 42,99 69,00 19529 71858 52329 267,96 3,680 454,26 1041,4 587,14 129,25 2,293 1420х18 43,00 69,00 18541 68130 49589 267,46 3,675 431,23 987,44 556,21 128,98 2,290 1420х17 42,99 68,99 17548 64397 46849 266,98 3,670 408,16 933,49 525,33 128,71 2,287 1420х16 42,98 68,97 16551 60657 44106 266,49 3,665 385,06 789,54 494,48 128,42 2,284 1420х15 42,69 68,94 15549 56912 41363 266,02 3,660 361,93 825,58 463,65 128,10 2,281 1420х14 42,93 68,89 14543 53161 38618 265,54 3,655 338,76 771,64 432,88 127,78 2,278 1420х13 42,89 68,84 13533 49403 35870 265,06 3,651 315,56 717,69 402,13 127,43 2,276 1420х12 42,82 68,76 12519 45640 33121 264,57 3,646 292,33 663,75 371,42 127,06 2,271 1420х11 42,74 68,65 11500 41870 30370 264,09 3,641 269,06 609,81 340,75 126,64 2,266 1420х10 42,63 68,53 10477 38095 27618 263,61 3,636 245,76 555,87 310,11 126,18 2,262

Ниже показаны примеры замещения решений СШСТ с использованием заявленного способа.

Пример 1. Заместить решения СШСТ с небольшой трубой 820хt на сегментные решения СШСТ-Н 820хt с этой же трубой, но с максимально возможными упругими моментами

Выбираем сегмент α=270°, β=120°

Таблица 8

Решения СШСТ 820хt Решения СШСТ-Н 820хt Приращения в % СШСТ Dxt М_СШСТ W_СШСТ М_СШСТ-Н W_СШСТ-Н K_{эфф СШСТ-Н} %ΔМ %ΔW 820х9 228,83 5226 526,39 20466 38,88 130,04 291,6 820х10 245,27 5785 581,65 22710 39,04 137,15 292,6 820х11 267,65 6340 636,91 24947 39,17 137,96 293,5 820х12 289,97 6891 692,19 27179 39,27 138,71 294,4 820х13 312,24 7438 747,47 29405 39,34 139,39 295,3 820х14 334,45 7981 802,75 31625 39,40 140,02 296,2 820х15 356,61 8520 858,05 33840 39,44 140,61 297,2 820х16 378,71 9054 913,35 36048 39,47 141,17 298,1

В сравнениях с решениями СШСТ 820х16 с небольшой трубой у сегментных решений с такой же небольшой трубой:

- массы м² выросли в 2,3-2,4 раза;

- упругие моменты выросли в 3,3-3,8 раза;

- коэффициент эффективности вырос в 1,73 раза;

- упругие моменты сегментных решений росли быстрее масс в 1,65 раз;

- упругие моменты восьми представленных выше решений СШСТ-Н 820хt намного превышают упругие моменты старшего решения СШСТ1420х20.

Пример 2. Заместить решения СШСТ с небольшой трубой 820хt на сегментные решения с любыми параметрами, но с максимальной экономией по массе м² и без потери исходных упругих моментов

Таблица 9

Решения СШСТ 820хt Решения СШСТ-Н СШСТ Dxt М_СШСТ W_СШСТ Dхt α β М_СШСТ-Н W_СШСТ-Н K_{эфф СШСТ-Н} % экономии по массе м² Экономия по числу забивок 820х9 228,83 5226 1420х10 180 0 134,72 5758 42,74 41,13 60,2 820х10 245,27 5785 1420х11 180 0 147,05 3625 43,01 40,04 60,1 820х11 267,65 6340 1220х9 180 0 148,50 6599 44,43 44,52 32,3 820х12 289,97 6891 1420х12 180 0 159,38 6891 43,23 45,03 60,8 820х13 312,24 7438 1420х10 180 0 161,39 8483 52,57 48,31 54,0 820х14 334,45 7981 1420х10 180 0 161,39 8483 52,57 51,74 54,0 820х15 356,61 8520 1420х10 180 60 175,80 9192 52,28 50,70 60,2 820х16 378,71 9054 1420х10 180 60 175,80 9192 52,28 53,58 60,2

Результат:

- экономия по массе достигает ≈41-54%,

- упругие моменты – не ниже исходных,

- всвязи с тем, что в замещающих решениях используются сегмента труб с бóльшими диаметрами, возникает экономия до 60% по числу забивок на м².

Пример 3. Заместить решения СШСТ со средней трубой 1020хt на сегментные решения СШСТ-Н 1020хt с более высокими упругими моментами.

Выбираем сегмент α=270°, β=120° и замещаем решения СШСТ1020хt на решения СШСТ-Н только из этого сегмента.

Таблица 10

Решения СШСТ 1020хt Решения СШСТ-Н 1020хt Приращения в % СШСТ Dxt М_СШСТ W_СШСТ М_СШСТ-Н W_СШСТ-Н K_{эфф СШСТ-Н} %ΔМ %ΔW 1020х9 222,65 6631 281,47 15096 53,63 26,42 127,7 1020х10 245,49 7346 310,67 16748 53,91 26,55 128,0 1020х11 268,29 8057 339,86 18359 54,12 26,68 128,3 1020х12 291,05 8764 369,06 20037 54,29 26,8 128,6 1020х13 313,76 9466 398,27 21674 54,42 26,93 128,9 1020х14 336,42 10164 427,47 23306 54,52 27,06 129,3 1020х15 359,04 10858 456,67 24933 54,60 27,19 129,6 1020х16 381,61 11548 485,88 26555 54,65 27,32 129,9 1020х17 404,14 12233 515,08 28173 54,70 27,45 130,3 1020х18 426,62 12915 544,29 29785 54,72 27,58 130,6 1020х19 449,05 13592 573,5 31393 54,74 27,71 130,9 1020х20 471,44 14265 602,72 32996 54,75 27,85 131,3

Увеличение масс (в среднем) на 27,13% позволило сегментным шпунтам с трубой 1020хt увеличить упругий момент на 131% для каждого значения параметра t.

В абсолютном выражении упругие моменты в среднем выросли в 2,94 раза, а массы в среднем в 1,72 раза, т.е. упругие моменты росли в 2,3 раза быстрее, чем массы.

Восемь решений СШСТ-Н1020хt (t=13..20) способны заместить старшие решения СШСТ1420х20 с существенно бóльшими упругими моментами и коэффициентами эффективности.

Пример 4. Заместить решения СШСТ со средней трубой 1020хt на сегментные решения СШСТ-Н с любыми параметрами, но с максимальной экономией по массе м² и без потери исходных упругих моментов

Таблица 11

Решения СШСТ 1020хt Решения СШСТ-Н СШСТ Dxt М_СШСТ W_СШСТ Dхt α β М_СШСТ-Н W_СШСТ-Н K_{эфф СШСТ-Н} % экономии по массе м² Экономия по числу забивок 1020х10 245,49 7346 1020х9 240 0 191,58 8127 42,42 21,96 1020х12 291,05 8764 1020х10 180 60 192,07 10554 54,95 34,01 60,2 1020х14 336,42 10164 1420х10 180 60 192,07 10554 54,95 42,91 60,2 1020х16 381,61 11548 1420х10 240 0 204,78 12431 60,71 46,34 37,5 1020х18 426,62 12915 1420х10 210 60 204,92 13080 63,83 51,97 53,5 1020х20 471,44 14265 1420х11 210 60 224,29 14366 64,07 52,44 53,4

Результат:

- при возрастании значения параметра t экономия по массе растёт от 21,6% до 52,44%,

- упругие моменты – выше, чем у исходных, СШСТ1020хt,

- в связи с тем, что в замещающих решениях используются сегмента труб с большими диаметрами, возникает экономия до 53,4% по числу забивок на м².

Пример 5. Чтобы получить (самые) высокие упругие моменты с любой трубой, нужно искать решения СШСТ-Н с этой трубой в (самых) старших сегментах.

Для трубы 1020хt выбираем самый старший сегмент α=270°, β=269°

Таблица 12

Решения СШСТ 1020хt Решения СШСТ-Н 1020хt Приращения в % СШСТ Dxt М_СШСТ W_СШСТ М_СШСТ-Н W_СШСТ-Н K_{эфф СШСТ-Н} %ΔМ %ΔW 1020х9 222,65 6631 514,87 25075 48,70 131,25 278,1 1020х10 245,49 7346 569,5 27831 48,87 131,99 278,8 1020х11 268,29 8057 624,14 30581 49,00 132,64 279,5 1020х12 291,05 8764 678,78 33324 49,09 133,22 280,2 1020х13 313,76 9466 733,42 36062 49,17 133,75 280,9 1020х14 336,42 10164 788,08 38794 49,23 134,25 281,6 1020х15 359,04 10858 842,73 41520 49,27 134,72 282,3 1020х16 381,61 11548 897,39 44240 49,30 135,16 283,1 1020х17 404,14 12233 952,06 46954 49,32 135,58 283,8 1020х18 426,62 12915 1006,73 49662 49,33 135,98 284,5 1020х19 449,05 13592 1061,4 52365 49,34 136,37 285,2 1020х20 471,44 14265 1116,08 55062 49,34 136,74 285,9

Массы у замещающего решения СШСТ-Н 1020хt выросли в диапазоне 2,31-2,36 раза.

Упругие моменты при этом выросли в существенно более высоком диапазоне 3,78-3,86 раза.

С увеличением значения параметра t упругие моменты в среднем растут в 1,63 раза быстрее, чем растут массы (при каждом значении параметра t).

Пример 6. Замещение * решений шпунтовых стен СШСТ с большой трубой 1420хt на решения сегментных шпунтов с тем же самым диаметром СШСТ-Н 1420хt с экономией по массе без понижения значений упругих моментов

* замещаемый ряд шпунтов уже имеет высший коэффициент эффективности (k=43) среди всех решений СШСТ.

Таблица 13

Решения СШСТ 1420хt Решения СШСТ-Н 1420хt СШСТ Dxt М_СШСТ W_СШСТ Dxt М_СШСТ-Н W_СШСТ-Н K_{эфф СШСТ-Н} α β %ΔМ экономия массы м² 1420х10 245,76 10477 1420х10 192,07 10554 54,95 240 60 21,85 1420х11 269,06 11500 1420х10 204,78 12431 60,71 240 0 22,44 1420х12 292,33 12519 1420х10 226,36 13080 63,83 210 60 29,90 1420х13 315,56 13533 1420х11 223,93 13659 61,00 240 0 29,04 1420х14 338,76 14543 1420х10 226,36 14841 65,56 210 90 33,18 1420х15 361,93 15549 1420х12 243,53 15649 64,26 210 60 32,71 1420х16 385,06 16551 1420х10 254,87 18697 73,36 240 60 33,81 1420х17 408,16 17548 1420х12 269,26 17763 65,97 210 90 34,03 1420х18 431,23 18541 1420х10 279,01 21184 75,92 240 90 35,30 1420х19 454,26 19529 1420х10 279,01 21184 75,92 240 90 38,58 1420х20 477,26 20514 1420х10 279,01 21184 75,92 240 90 41,54

Выводы: ряд шпунтов СШСТ1420хt (с высшим коэффициентом эффективности среди решений СШСТ) замещён на сегментные решения с теми же диаметрами с экономией по массе от 21,85% до 41,5% на м² без понижения упругих моментов.

Пример 7. Заместить решения СШСТ 1420хt на более эффективные сегментные решения.

Таблица 14

Решения СШСТ 1420хt Решения СШСТ-Н 2020хt СШСТ Dxt М_СШСТ W_СШСТ Dxt α β М_СШСТ-Н W_СШСТ-Н K_{эфф СШСТ-Н} %ΔМ экономия массы м² 1420х10 245,76 10477 1420х10 270 90 376,15 31331 83,29 31,53 1420х11 269,06 11500 1420х11 270 150 478,01 39656 82,96 30,31 1420х12 292,33 12519 1420х12 270 150 519,97 43220 83,12 35,86 1420х13 315,56 13533 1420х13 270 150 561,93 46775 83,24 40,58 1420х14 338,76 14543 1420х14 270 150 603,89 50329 83,33 40,24 1420х15 361,93 15549 1420х15 270 150 645,85 53864 83,40 43,29 1420х16 385,06 16551 1420х16 270 150 687,82 57399 83,45 43,55 1420х17 408,16 17548 1420х17 270 150 729,78 60926 83,48 43,73 1420х18 431,23 18541 1420х18 270 150 771,75 64446 83,51 44,70 1420х19 454,26 19529 1420х19 270 60 642,96 52014 80,90 47,51 1420х20 477,26 20514 1420х20 270 60 675,94 54677 80,89 50,07

Увеличение диаметров сегментных решений позволяет заместить СШСТ 1420хt с большей экономией по массе от 32 до 50% без понижения упругих моментов.

Диапазоны основных параметров решений СШСТ-Н во всех сегментах приведены в Таблице 15.

Таблица 15

№
сегмента α Кэфф М W J 1 90 4,67-14,41 94,51-286,5 442-4128 4849-100977 2 120 8,26-24 94,54-386,07 781-9,267 13871-369217 3 150 12,41-34,64 100,4-433,74 1246-15023 31758-855334 4 180 16,72-45,42 112,24-504,54 1877-22914 63112-1721390 5 210 20,77-55,34 132,3-612,38 2748-33888 114366-315736 6 240 24,16-63,46 166,08-786,11 4012-49891 196255-54800 7 270 26,53-69 227,5-1095,36 6035-75580 332117-9371900

По результатам всех исследований пришли к выводу, что самые эффективные решения в сегменте α=270°, β=120°

Для них характерно:

выводы в абсолютном выражении:

- упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем в 3,38 раз выше, чем у решений СШСТ1420хt (для каждого значения t),

- массы в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем в 1,73 раза больше, чем в СШСТ 1420хt (для каждого значения t),

- упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt растут в 1,96 раз быстрее, чем массы м² шпунтовой стены (для каждого значения t),

- решения СШСТ-Н 1420хt эффективнее решений СШСТ 1420хt в 1,98 раза (при всех значениях t).

Выводы в процентном отношении:

- упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем на 238% больше, чем у решений СШСТ1420хt (для каждого значения t),

- массы сегментных решений СШСТ-Н 1420хt в среднем на 72,22% больше, чем в СШСТ 1420хt (для каждого значения t),

- решения СШСТ-Н 1420хt эффективнее решений СШСТ 1420хt на 96,3% (при всех значениях t).

Для решений в сегментах максимально возможных при α=270°, β=269°.

Выводы в абсолютном выражении:

- упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем в 3,66 раз больше, чем у решений СШСТ1420хt (для каждого значения t),

- массы в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем в 2,26 раза больше, чем в СШСТ 1420хt (для каждого значения t),

- упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt растут в 1,6 раза быстрее, чем массы м² шпунтовой стены (для каждого значения t),

- решения СШСТ-Н 1420хt эффективнее решений СШСТ 1420хt в 1,6 раза (при всех значениях t).

Выводы в процентном отношении:

- упругие моменты в решениях СШСТ-Н 1420хt в среднем на 266% раз больше, чем у решений СШСТ1420хt (для каждого значения t),

- массы сегментных решений СШСТ-Н 1420хt в среднем на 128% больше, чем в СШСТ 1420хt (для каждого значения t),

- решения СШСТ-Н 1420хt эффективнее решений СШСТ 1420хt на 66,65% (при всех значениях t).

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.

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. Способ возведения синусоидальной шпунтовой стенки характеризуется тем, что шпунтовую стенку монтируют из шпунтовых свай, представляющих собой сегмент цилиндрической металлической трубы, полученный ее продольным разрезом, где на боковых кромках корпуса закреплены элементы замкового соединения, которыми соединяют шпунтовые сваи. В средней части шпунтовых свай 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. Технический результат состоит в повышении прочностных характеристик шпунтовой стенки, а также обеспечении упрощения процесса возведения синусоидальной шпунтовой стенки, не требующий дополнительного усиления, устранения проблемы изменения диаметра свай при нагрузках, то есть проблемы овальности. 3 з.п. ф-лы, 15 табл., 8 ил.

1. Способ возведения синусоидальной шпунтовой стенки, характеризующийся тем, что шпунтовую стенку монтируют из шпунтовых свай, представляющих собой сегмент цилиндрической металлической трубы, полученный ее продольным разрезом, где на боковых кромках корпуса закреплены элементы замкового соединения, которыми соединяют шпунтовые сваи, отличающийся тем, что в средней части шпунтовых свай 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании шпунтовой сваи сегмент сваи формируют углом от 90 до 270 градусов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что накладку приваривают торцами к поверхности сегмента трубы сваи.