Шпунтовая U-образная многогранная свая Российский патент 2023 года по МПК E02D5/04 

Изобретение относится к сфере строительства в области инженерной защиты территории от опасных геологических процессов (оползней, обвалов и т.п.) и гидротехническому строительству сооружений с использованием металлического шпунта. Шпунтовые стены, образованные из металлических шпунтовых свай, могут быть использованы в качестве подпорных стен и инженерных сооружений различного назначения, в том числе при строительстве портовых и гидротехнических берегозащитных сооружений, опор мостов и ограждений котлованов.

Шпунтовые сваи предназначены для выполнения функции ограждений, обеспечивая предотвращение подвижки грунтовой массы, защиту котлованов и траншей от проникновения в них подземных вод. Шпунтовые сваи способны выдерживать значительные нагрузки и могут быть применены при строительстве гидротехнических сооружений.

Ограждения из шпунтовых свай могут быть применены в качестве противофильтрационной завесы для защиты от затопления грунтовыми водами; для предотвращения возникновения оползней во время проведения земляных работ или при эксплуатации разных строений, для предотвращения разрушения насыпей автомобильных дорог и железнодорожных путей, для обустройства причалов и пристаней в портах, для укрепления береговых линий; при строительстве мостов и рытье каналов.

Шпунтовые сваи устанавливают в виде сплошных стен, отдельные элементы которых вплотную стыкуются между собой. Для этого в конструкции шпунтовых свай предусмотрено наличие специальных коннекторов замковых соединений из фасонных профилей.

Наличие коннекторов замковых соединений позволяет комбинировать шпунтовые сваи с другими типами шпунтов, например, со шпунтом трубчатым сварным.

Из уровня техники известна шпунтовая свая корытного типа, конструкция которой включает желоб, замки и пазы. Материалом для изготовления элемента служит легированная сталь16ХГ (холодное штампование) или обычная сталь Ст3сп, Ст3кп горячей прокатки. Ширина шпунтовой сваи корытного типа находится в диапазоне 466 – 543 мм, а высота в диапазоне 196 – 237 мм (http://stroilkino.ru/articles/12_shpunt-larsena-l5-i-l5-um/).

Недостатком такой конструкции шпунтовой сваи является ограниченная ширина шпунтовой сваи, что приводит к использованию большего количества элементов шпунтового контура и стыковых соединений на погонный метр шпунтовой стенки, в результате чего увеличивается металлоемкость шпунтового контура, повышается трудоемкость строительных работ и увеличиваются сроки строительства.

Известна шпунтовая свая (патент RU 19542 U1, МПК E02D5/12, опубл. 10.09.2001 г.), включающая корпус с боковыми кромками, охватывающий и охватываемый замковые элементы, прикрепленные к боковым кромкам корпуса, отличающаяся тем, что корпус имеет форму цилиндрического сегмента с радиальным углом не более 180⁰, вырезанного из круглой трубы по линиям, параллельным ее оси.

Недостатком конструкции шпунтовой сваи полукруглого типа является трудоемкий неэффективный способ ее изготовления, высокая себестоимость изготовления сваи и низкий коэффициент использования металла. Другом недостатком шпунтовой сваи полукруглого типа является зависимость от сортамента трубы большого диаметра, что затрудняет подбор оптимального варианта при строительстве шпунтовой стены.

Ближайшим аналогом заявленного устройства является сварная шпунтовая свая (патент RU 208422 U1, МПК E02D5/12, опубл. 17.12.2021 г.), конструкция которой расположена по линии полукруга и содержит присоединенные к боковым сторонам профили для создания замкового соединения, отличающаяся тем, что шпунтовая свая выполнена из семи граней, расположенных по линии полукруга в виде хорд, соединяющие смежные участки под тупым углом, при этом пять внутренних граней имеют ширину, находящуюся в диапазоне 0,95-1,05 от их наименьшей ширины, а две боковые грани расположены по краям и имеют ширину в 1,9-2,1 раза меньше, чем наименьшая ширина одной из пяти внутренних граней, при этом к двум граням присоединены профили для создания замкового соединения.

Недостатком данного технического решения является низкий коэффициент использования металла из-за ограничения расположения граней по форме полукруга и, соответственно, ограничения соотношения ширины сваи к ее высоте (2:1), большие площади для складирования и низкая загрузка транспорта при перевозке свай при ограничении складирования и упаковки свай одна в одну и, как следствие, большой высоты пакетов из-за выполнения крайних боковых граней параллельными оси симметрии сваи.

Технический результат изобретения состоит в уменьшении металлоемкости шпунтовой сваи, повышении ее нагрузочной способности, упрощении производства, повышении коэффициента использования металла, уменьшении площадей при складировании и увеличении загрузки транспорта при перевозке свай.

Указанный технический результат достигается тем, что шпунтовая U-образная многогранная свая, содержит нечетное количество граней, в том числе донную грань, симметрично расположенные относительно вертикальной оси Y-Y боковые грани и замковые элементы, установленные на свободных концах крайних боковых граней, при этом грани сопряжены между собой под углом, град:

α=180°х(1-1/(n-2)) ÷ 180°х(1-1/(n+2)),

а крайние боковые грани установлены к горизонтальной оси X-X под углом, град:

β=90°х(1-1/n) ÷ 90°,

где n – число граней сваи,

при этом Σ(α+β)=(180° ± Δα)x(n-1),

где Σ(α+β) - сумма всех углов, ограниченных внутренней поверхностью сваи и горизонтальной осью X-X,

± Δα - отклонение угла между гранями от номинала,

а ширина донной грани составляет 1,0 ÷ 2,0 максимальной ширины боковой грани.

Способ изготовления заявленной шпунтовой сваи более простой и технологичный и позволяет изготовить шпунтовую сваю более прочной конструкции с меньшей металлоемкостью (по отношению к аналогам).

Способ производства сваи включает следующие стадии: изготовление заготовки (горячекатаного листа), роспуск горячекатаного листа на необходимую ширину, профилирование заготовки в профилегибочном прокатном стане, присоединение к заготовке профилей замковых соединений.

Возможно, также, изготовление шпунта методом гибки граней на кромкогибочном прессе.

Выполнение крайних боковых граней с наклоном β=90°х(1-1/n) ÷ 90° к горизонтальной оси X-X сваи позволяет эффективно складировать сваи в пакеты одна в одну и, соответственно, уменьшить высоту пакетов свай, снизить площади под складирование и увеличить загрузку транспорта при перевозке свай.

Экспериментально установлено, что сопряжение граней сваи между собой под углом α=180°х(1-1/(n-2)) ÷ 180°х(1-1/(n+2)) и выполнение ширины донной грани сваи величиной равной 1,0÷2,0 максимальной ширины боковой грани, позволяют повысить нагрузочную способность сваи и увеличить коэффициент использования металла. Соединение двух боковых граней сваи поперечными пластинами позволяет обеспечить складирование и транспортировку свай в пакетах с минимальными зазорами между боковыми гранями и замковыми соединениями без повреждений.

Также, экспериментально установлено, что для обеспечения симметрии сваи по оси Y-Y необходимо выполнение условия: Σ(α+β)=(180° ± Δα)x(n-1). При этом, Δα принимается не более 2,0°.

Конструкция заявленной шпунтовой сваи поясняется фигурами 1 и 2.

На фиг. 1 показано сечение профиля сваи где:

Х-Х – горизонтальная ось по центрам замковых соединений;

Y-Y – вертикальная ось симметрии сваи;

α₁, α₂ – углы сопряжения между гранями сваи;

β – угол между крайними боковыми гранями гранями и горизонтальной осью Х-Х;

1 - конструкция шпунтовой сваи;

2, 3 – боковые грани сваи;

4 – донная грань сваи;

5, 6 – профили замкового соединения;

7 – поперечная пластина (затяжка).

На фиг. 2 показано выполнение шпунтовой стенки по синусоидальной линии с использованием заявленного изобретения, где:

8 – замковое соединение;

9 – тело шпунтовой сваи.

Шпунтовая U-образная многогранная свая (1) содержит нечетное количество граней (например: 5 или 7), в том числе боковые (2, 3) и донную (4), симметрично расположенные относительно вертикальной оси Y-Y. На свободных концах крайних боковых граней (3) установлены профили (5, 6) для создания замкового соединения в шпунтовой стенке. Грани (2, 3, 4) сваи (1) сопряжены между собой под углом α=180°х(1-1/(n-2)) ÷ 180°х(1-1/(n+2)), а крайние боковые грани установлены под углом β=90°х(1-1/n) ÷ 90° к горизонтальной оси X-X, где n – число граней сваи, при этом ширина донной грани составляет 1,0 ÷ 2,0 максимальной ширины боковой грани. Две боковые грани (2) соединены между собой, по длине сваи, по меньшей мере двумя поперечными пластинами (7). При этом, выполнение сваи с шириной донной грани менее 1,0 максимальной ширины боковой грани не целесообразно из-за снижения несущей способности профиля сваи (момент сопротивления сечения профиля сваи изгибу), а выполнение донной грани шириной более 2,0 максимальной ширины боковой грани приводит к снижению местной устойчивости профиля сваи.

Ниже приведены характеристики свай с разным количеством граней:

- пятигранная свая - α°=120°÷154°; β°=72°÷90°, Σ(α+β)=716°÷724° при Δα=1,0°;

- семигранная свая - α°=144°÷160°; β°=77°÷90°, Σ(α+β)=1074°÷1086° при Δα=1,0°.

Многогранная шпунтовая свая выполняется из горячекатаного листа стали заданной ширины. Заявленное изобретение предусматривает возможность использования высокопрочных марок стали для изготовления указанной сваи.

За счет многогранности, где грани создают ребра жесткости по всей длине сваи, прочность конструкции заявленного изобретения повышается, по сравнению с прочностью конструкции из ближайшего аналога. В конструкции шпунтовой сваи предусматривается установка поперечных пластин (затяжек), предназначенных для выполнения условий транспортировки, хранения и обеспечивающих геометрическую неизменяемость в процессе погружения шпунтовых свай.

Снижение металлоемкости обусловлено тем, что применение заявленного изобретения позволяет подобрать оптимальную конструкцию сваи исходя из геометрических и механических характеристик, а также комбинировать с другими типами шпунта.

Заявленная конструкция шпунтовой сваи может быть применена для возведения шпунтовых стенок различного типа, расположенных синусоидально, арочно или в виде комбинированной системы, например, с использованием круглой трубы.

По сравнению с другими известными решениями, при использовании указанной конструкции сваи, снижается трудоемкость и сокращаются сроки возведения шпунтовой стенки. Также уменьшается количество стыковых соединений, приходящихся на погонный метр шпунтовой стенки (за счет увеличенных размеров, по отношению к другим типам шпунтовых свай, например, корытного типа). Применение заявленной сваи позволяет повысить коэффициент использования металла, уменьшить площади при складировании и увеличить загрузку транспорта при перевозке свай.

Изобретение относится к сфере строительства в области инженерной защиты территории от опасных геологических процессов (оползней, обвалов и т.п.) и гидротехническому строительству сооружений с использованием металлического шпунта. Шпунтовая U-образная многогранная свая содержит нечетное количество граней, в том числе донную грань, симметрично расположенные относительно вертикальной оси Y-Y боковые грани и замковые элементы, установленные на свободных концах крайних боковых граней. Грани сопряжены между собой под углом, град: α=180°×(1-1/(n-2)) ÷ 180°×(1-1/(n+2)), а крайние боковые грани установлены к горизонтальной оси X-X под углом, град: β=90°×(1-1/n) ÷ 90°, где n – число граней сваи, при этом ∑(α+β)=(180° ± Δα)×(n-1), где Σ(α+β) - сумма всех углов, ограниченных внутренней поверхностью сваи и горизонтальной осью X-X, ± Δα - отклонение угла между гранями от номинала, а ширина донной грани составляет 1,0 ÷ 2,0 максимальной ширины боковой грани. Технический результат изобретения состоит в уменьшении металлоемкости шпунтовой сваи, повышении ее нагрузочной способности, упрощении производства, повышении коэффициента использования металла, уменьшении площадей при складировании и увеличении загрузки транспорта при перевозке свай. 2 ил.

Шпунтовая U-образная многогранная свая, содержащая нечетное количество граней, в том числе донную грань, симметрично расположенные относительно вертикальной оси Y-Y боковые грани и замковые элементы, установленные на свободных концах крайних боковых граней, отличающаяся тем, что грани сопряжены между собой под углом, град:

α=180°×(1-1/(n-2)) ÷ 180°×(1-1/(n+2)),

а крайние боковые грани установлены к горизонтальной оси X-X под углом, град:

β=90°×(1-1/n) ÷ 90°,

где n – число граней сваи,

при этом ∑(α+β)=(180° ± Δα)×(n-1),

где ∑(α+β) - сумма всех углов, ограниченных внутренней поверхностью сваи и горизонтальной осью X-X,

± Δα - отклонение угла между гранями от номинала,

а ширина донной грани составляет 1,0÷2,0 максимальной ширины боковой грани.