Шпунтовая стенка для гидротехнических сооружений и способ ее возведения Российский патент 2023 года по МПК E02D5/02 E02B3/06 

Изобретение относится к гидротехническому и строительству и может быть использовано в морском и речном строительстве портовых сооружений, строительстве набережных и причалов, опор мостов, подпорных стенок при берегоукрепительных работах.

Известна шпунтовая стенка (Патент RU 161409U1, МПК В02В 3/06, опубл. 20.06.2016г.).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. Замковые элементы на сваях расположены диаметрально вдоль

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 Е02В 3/06, E02D 5/08, E02D 5/12, опубл. 10.02.2007г.).

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. 27.06.2010г.). 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 плюс α и минус 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. Применение в шпунтовой стенке тонкостенных промежуточных элементов приводит к снижению коррозионной стойкости стенки.

Известна шпунтовая стенка, наиболее близкая к заявляемому техническому решению (Патент KR20120127357A, МПК E02D 005/02, E02D 005/04, опубл. 21.11.2012 г.). Шпунтовая стенка содержит сваи в виде цилиндрических труб, погруженные в грунт, промежуточные элементы, состоящие из двух Z-образных частей и замковые элементы, соединяющие их между собой и со сваями в единую стенку вдоль линии строительства. Замковых элементы на цилиндрических трубах и концевых частях промежуточных элементов расположены на линии, соединяющей центры соседних свай между собой.

Недостатком известного технического решения является высокая металлоемкость промежуточных элементов и низкая нагрузочная способность шпунтовой стенки из-за расположения промежуточных элементов близко к нейтральной линии стенки, а также высокий уровень распорных нагрузок от ледяных торосов в условиях эксплуатации на крайнем Севере, действующих на трубные сваи.

Целью (техническим результатом) настоящего изобретения является увеличение нагрузочной способности и надежности монтажа и эксплуатации шпунтовой стенки, упрощение проведения строительно-монтажных работ с проведением раздельного монтажа свай и промежуточных элементов с компенсацией изменения расстояния между частями замковых элементов на сваях и возможность применения заявляемого технического решения для тяжелой ледовой обстановки в условиях крайнего Севера.

Поставленная цель достигается тем, что шпунтовая стенка содержит сваи в виде цилиндрических труб, погруженные в грунт, промежуточные элементы, состоящие из двух частей и замковые элементы, соединяющие их между собой и со сваями в единую стенку вдоль линии строительства. Части замковых элементов на цилиндрических трубах и концевых частях промежуточных элементов расположены под углами α = 0 - 60° к оси О-О, соединяющей центры свай между собой, с возможностью взаимного смещения на угол ϕ, а замковые элементы, соединяющие части промежуточных элементов между собой выполнены с возможностью смещения между собой на угол 2ϕ, при этом расстояние между частями замковых элементов на соседних сваях составляет 0,98 - 1,0 расстояния между частями замковых элементов на концевых частях промежуточного элемента при их одинаковом угловом положении α на сваях и концевых частях промежуточного элемента, при этом средние части промежуточных элементов (от изгиба промежуточного элемента до замкового элемента 7, 16) находятся в одной плоскости.

Геометрическая форма промежуточных элементов, соединяющих соседние сваи между собой соответствует формуле:

K = 2H_пр / B_пр,

где K - коэффициент формы профиля промежуточного элемента, численно равный 0,35 - 1,2,

Н_пр - высота (номинальная) промежуточного элемента, мм,

В_пр - ширина (номинальная) промежуточного элемента, мм.

Промежуточные элементы могут располагаться с лицевой или внутренней стороны стенки, так и одновременно с внутренней и лицевой сторон стенки.

Промежуточные элементы выполнены в виде состоящих из двух симметрично расположенных Г-образных или Z-образных частей.

Также технический результат достигается тем, что в способе возведения шпунтовой стенки для гидротехнических сооружений, включающем погружение в грунт свай в виде цилиндрических труб с приваренными замковыми элементами и последующий монтаж и погружение промежуточных элементов между сваями для объединения их в единую шпунтовую стенку, согласно изобретению расстояние между цилиндрическими сваями контролируют по приваренным к ним частям замковых элементов, а перед монтажом промежуточных элементов производят контроль и корректировку расстояния между частями замковых элементов, расположенных на их концевых частях, путем углового перемещения частей промежуточного элемента относительно друг друга вокруг замковых элементов, соединяющих их между собой.

Техническая сущность полезной модели поясняется чертежами (Фиг. 1 - 4), на которых изображено:

Фиг. 1 - фрагмент шпунтовой стенки с промежуточными элементами, состоящими из двух частей Г-образной формы;

Фиг. 2 - промежуточный элемент, состоящий из двух частей Г-образной формы;

Фиг. 3 - фрагмент шпунтовой стенки с промежуточными элементами, состоящими из двух частей Z-образной формы;

Фиг. 4 - промежуточный элемент, состоящий из двух частей Z-образной формы.

1, 2, 10, 11 - сваи в виде цилиндрических труб,

3, 4, 7, 14, 15, 16 - замковые элементы,

5, 6 - части (Г-образных) промежуточных элементов,

8, 9 - концевые части (Г-образных) промежуточных элементов,

12, 13 - части (Z-образные) промежуточных элементов,

17, 18 - концевые части (Z-образных) промежуточных элементов

α - угол между осью О-О свай и замковыми элементами, расположенными на цилиндрических трубах,

ϕ - угол смещения частей (Г-образных) промежуточных элементов,

β - угол между линией, соединяющей замковый элемент, примыкающий к свае и замковый элемент между частями промежуточного элемента и линией О-О, соединяющей центры соседних свай между собой и определяемый по формуле:

β=arctg(2H_пр/B_пр).

Шпунтовая стенка (Фиг. 1, Фиг. 2) содержит сваи в виде цилиндрических труб 1, 2 диаметром D_тр, погруженные в грунт, промежуточные элементы высотой Н_пр и шириной В_пр, состоящие из двух Г-образных частей 5, 6 и замковые элементы 3, 4, 7, соединяющие их между собой и со сваями 1, 2 в единую стенку с шагом Т вдоль линии строительства. Части замковых элементов 3, 4 на цилиндрических трубах 1, 2 и концевых частях 8, 9 промежуточных элементов расположены под углами α = 0 - 60° к оси, соединяющей центры О-О свай 1, 2 между собой, с возможностью взаимного смещения на угол ϕ, а замковые элементы 7, соединяющие части 5, 6 промежуточных элементов между собой выполнены с возможностью смещения между собой на угол 2ϕ, при этом расстояние Втр между частями замковых элементов 3, 4 на соседних сваях 1, 2 составляет 0,978 - 1,0 расстояния между частями замковых элементов 3, 4 на концевых частях 8, 9 промежуточного элемента при их одинаковом угловом положении α на сваях 1, 2 и концевых частях 8, 9 промежуточного элемента, при этом средние части промежуточных элементов 5, 6 находятся в одной плоскости.

Геометрическая форма промежуточных элементов, соединяющих соседние сваи между собой соответствует формуле: K = 2H_пр/B_пр,

где K - коэффициент формы профиля промежуточного элемента, численно равный 0,35 - 1,2,

Н_пр - высота (номинальная) промежуточного элемента, мм,

В_пр - ширина (номинальная) промежуточного элемента, мм.

Шпунтовая стенка (Фиг. 3, Фиг. 4) содержит сваи в виде цилиндрических труб 10, 11 диаметром D_тр, погруженные в грунт, промежуточные элементы высотой Н_пр и шириной В_пр, состоящие из двух Z-образных частей 12, 13 и замковые элементы 14, 15, 16, соединяющие их между собой и со сваями 10, 11 в единую стенку с шагом Т вдоль линии строительства. Части замковых элементов 14, 15 на цилиндрических трубах 10, 11 и концевых частях 17, 18 промежуточных элементов расположены под углами α = 0 - 60° к оси, соединяющей центры О-О свай 10, 11 между собой, с возможностью взаимного смещения на угол ϕ, а замковые элементы 16, соединяющие части 12, 13 промежуточных элементов между собой выполнены с возможностью смещения между собой на угол 2ϕ, при этом расстояние В_тр между частями замковых элементов 12, 13 на соседних сваях 10, 11 составляет 0,978 - 1,0 расстояния между частями замковых элементов 14, 15 на концевых частях 16,17 промежуточного элемента при их одинаковом угловом положении α на сваях и концевых частях 17, 18 промежуточного элемента, при этом средние части промежуточных элементов 12, 13 находятся в одной плоскости.

В таблице 1 приведены расчетные единичные величины C_max(min) - максимальной и минимальной ширины промежуточных элементов.

Анализ проведенных расчетов, сведенных в таблицу 1, показывает, что величина максимальной и минимальной ширины промежуточного элемента зависит от отношения 2Н_пр / В_пр или угла β и максимальной величины углового смещения ϕ частей промежуточных элементов в замковых элементах, расположенных на сваях. Применение промежуточных элементов при отношении 2Н_пр / В_пр < 0,35 (β < 20°) не целесообразно из-за малого диапазона максимальной и минимальной ширины промежуточного элемента и не целесообразно при отношении 2Н_пр / В_пр > 1,20 (β > 50°) из-за снижения устойчивости частей промежуточных элементов. Применение замковых элементов с максимальным углового смещения ϕ < 4° (2ϕ < 8°) не целесообразно из-за малого диапазона максимальной и минимальной ширины промежуточного элемента и не целесообразно при ϕ > 12° (2ϕ > 24°) из-за сложности создания замковых элементов с угловым смещением более 24°. Монтаж шпунтовой стенки с расстоянием между частями замковых элементов на соседних сваях 0,978 - 1,0 от расстояния между частями замковых элементов на концевых частях промежуточного элемента при их одинаковом угловом положении α на сваях и концевых частях промежуточного элемента, обеспечивает равномерные отклонения ширины от номинального положения.

Возведения шпунтовой стенки для гидротехнических сооружений включает в себя погружение в грунт свай в виде цилиндрических труб 1, 2 (фиг. 1) или 10, 11 (фиг. 3) с приваренными замковыми элементами 3, 4 (фиг. 1) или 14, 15 (фиг. 3) и последующий монтаж и погружение промежуточных элементов, состоящими из двух Г-образных частей 5, 6 (фиг. 1, 2) или Z-образных частей 12, 13 (фиг. 3, 4) между сваями для объединения их в единую шпунтовую стенки. Расстояние В_тр между цилиндрическими сваями 1, 2 или 10, 11 контролируют по приваренным к ним частям замковых элементов 3, 4 или 14, 15, а перед монтажом промежуточных элементов, производят контроль и корректировку расстояния В_пр между частями замковых элементов 3, 4 или 14, 15, расположенных на концевых частях 8, 9 (фиг. 1, 2) или 16, 17 (фиг. 3, 4), путем углового перемещения частей 5, 6 или 14, 15 промежуточных элементов относительно друг друга вокруг замковых элементов 7 (фиг. 1, 2) или 16 (фиг. 3, 4), соединяющих части 5, 6 или 12, 13 промежуточных элементов между собой. При корректировке, ширина промежуточного элемента может меняться в диапазоне В_min ≤ В_пр ≤ B_max при соответствующем изменении высоты промежуточного элемента в диапазоне H_max ≥ H_пр ≥ H_min.

Применение для шпунтовой стенки свай из цилиндрических труб промежуточных элементов из двух частей позволяет производить предварительный монтаж свай и последующий монтаж промежуточных элементов с регулированием ширины в соответствии с расстоянием между замковыми элементами на соседних сваях за счет углового смещения частей промежуточных элементов относительно друг друга. Указанное техническое решение позволяет значительно снизить сроки строительства и повысить надежность замковых соединений стенки и возможность применения заявляемого технического решения для тяжелой ледовой обстановки в условиях крайнего Севера.

Таблица 1 ϕ С_ср β - 2H_пр/B_пр 20°-0,36 30°-0,58 40°-0,84 50°-1,19 4° 0,9976 C_max 1,0230 1,0378 1,0561 1,0807 - - C_min 0,9722 0,9573 0,9390 0,9144 8° 0,9903 C_max 1,0409 1,0706 1,1071 1,1561 - - C_min 0,9396 0,9099 0,8735 0,8244 12° 0,9782 C_max 1,0538 1,0982 1,1526 1,2259 - - C_min 0,9025 0,8581 0,8037 0,7304

Обозначения в таблице:

В_пр - номинальная ширина промежуточного элемента по центрам замковых элементов;

В_max(min) - максимальная (минимальная) ширина промежуточного элемента, определяется формулой: B_max(min) = B_пр × С_max(min);

β - угол между линией, соединяющей замковый элемент, примыкающий к свае и замковый элемент между частями промежуточного элемента и линией О-О, соединяющей центры соседних свай между собой и определяемый по формуле: β=arctg(2H_пр/B_пр);

Н_пр - номинальная высота промежуточного элемента;

ϕ - максимальный угол поворота промежуточного элемента в замковом элементе на сваях;

C_max(min) - единичная максимальная (минимальная) величина ширины промежуточного элемента при В_пр = 1,0, определяется формулами:

C_max = cos(β-ϕ) / cosβ,

C_min = cos(β+ϕ) / cosβ;

Изобретение относится к гидротехническому и строительству и может быть использовано в морском и речном строительстве портовых сооружений, строительстве набережных и причалов, опор мостов, подпорных стенок при берегоукрепительных работах. Шпунтовая стенка содержит сваи в виде цилиндрических труб, погруженные в грунт, промежуточные элементы, состоящие из двух частей, и замковые элементы, соединяющие их между собой и со сваями в единую стенку вдоль линии строительства. Части замковых элементов на цилиндрических трубах и концевых частях промежуточных элементов расположены под углами α=0-60° к оси О-О, соединяющей центры свай между собой, с возможностью взаимного смещения на угол ϕ, а замковые элементы, соединяющие части промежуточных элементов между собой, выполнены с возможностью смещения между собой на угол 2ϕ. Расстояние между частями замковых элементов на соседних сваях составляет 0,98-1,0 расстояния между частями замковых элементов на концевых частях промежуточного элемента при их одинаковом угловом положении α на сваях и концевых частях промежуточного элемента. Средние части промежуточных элементов (от изгиба промежуточного элемента до замкового элемента) находятся в одной плоскости. Геометрическая форма промежуточных элементов, соединяющих соседние сваи между собой, соответствует формуле: K=2H_пр/B_пр, где K - коэффициент формы профиля промежуточного элемента, численно равный 0,35-1,2, Н_пр - высота (номинальная) промежуточного элемента, мм, В_пр - ширина (номинальная) промежуточного элемента, мм. Промежуточные элементы могут располагаться с лицевой или внутренней стороны стенки, так и одновременно с внутренней и лицевой сторон стенки. Промежуточные элементы выполнены в виде состоящих из двух симметрично расположенных Г-образных или Z-образных частей. Способ возведения указанной выше шпунтовой стенки для гидротехнических сооружений включает погружение в грунт свай в виде цилиндрических труб с приваренными замковыми элементами и последующий монтаж и погружение промежуточных элементов между сваями для объединения их в единую шпунтовую стенку, при этом согласно изобретению расстояние между цилиндрическими сваями контролируют по приваренным к ним частям замковых элементов, а перед монтажом промежуточных элементов производят контроль и корректировку расстояния между частями замковых элементов, расположенных на их концевых частях, путем углового перемещения частей промежуточного элемента относительно друг друга вокруг замковых элементов, соединяющих их между собой. Обеспечивается увеличение нагрузочной способности и надежности монтажа и эксплуатации шпунтовой стенки, упрощение проведения строительно-монтажных работ с проведением раздельного монтажа свай и промежуточных элементов с компенсацией изменения расстояния между частями замковых элементов на сваях и возможность применения заявляемого технического решения для тяжелой ледовой обстановки в условиях крайнего Севера. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Шпунтовая стенка, содержащая сваи в виде цилиндрических труб, погруженные в грунт, промежуточные элементы, состоящие из двух частей, и замковые элементы, соединяющие их между собой и со сваями в единую стенку вдоль линии строительства, отличающаяся тем, что части замковых элементов на цилиндрических трубах и концевых частях промежуточных элементов расположены под углами α=0-60° к оси О-О, соединяющей центры свай между собой, с возможностью взаимного смещения на угол ϕ, а замковые элементы, соединяющие части промежуточных элементов между собой, выполнены с возможностью смещения между собой на угол 2ϕ, при этом расстояние между частями замковых элементов на соседних сваях составляет 0,978-1,0 расстояния между частями замковых элементов на концевых частях промежуточного элемента при их одинаковом угловом положении α на сваях и концевых частях промежуточного элемента, при этом средние части промежуточных элементов находятся в одной плоскости.

2. Стенка по п. 1, отличающаяся тем, что геометрическая форма промежуточных элементов, соединяющих соседние сваи между собой, соответствует условию:

K = 2H_пр / B_пр,

где К - коэффициент формы профиля промежуточного элемента, численно равный 0,35-1,2,

Н_пр - высота (номинальная) промежуточного элемента,

В_пр - ширина (номинальная) промежуточного элемента.

3. Стенка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что промежуточные и замковые элементы расположены с лицевой стороны шпунтовой стенки.

4. Стенка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что промежуточные и замковые элементы расположены с внутренней стороны шпунтовой стенки.

5. Стенка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что промежуточные и замковые элементы расположены с внутренней и лицевой сторон шпунтовой стенки.

6. Стенка по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что промежуточные элементы выполнены в виде состоящих из двух симметрично расположенных Г-образных частей.

7. Стенка по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что промежуточные элементы выполнены в виде состоящих из двух симметрично расположенных Z-образных частей.

8. Способ возведения шпунтовой стенки для гидротехнических сооружений по пп. 1-7, включающий погружение в грунт свай в виде цилиндрических труб с приваренными замковыми элементами и последующий монтаж и погружение промежуточных элементов между сваями для объединения их в единую шпунтовую стенку, отличающийся тем, что расстояние между цилиндрическими сваями контролируют по приваренным к ним частям замковых элементов, а перед монтажом промежуточных элементов производят контроль и корректировку расстояния между частями замковых элементов, расположенных на их концевых частях, путем углового перемещения частей промежуточного элемента относительно друг друга вокруг замковых элементов, соединяющих их между собой.