[1]Изобретение относится к гидротехническому и общегражданскому строительству и может быть использовано в морском и речном строительстве портовых сооружений, строительстве набережных и причалов, подпорных стенок при берегоукрепительных работах, а также при дорожном строительстве, сооружении тоннелей и фундаментов в стесненных условиях.
[2]Известна шпунтовая свая типа Ларсен (патент RU 2740561, МПК E05D5/04, опубл. 2021.01.15). Изобретение относится к строительным материалам, в частности, к шпунтовым профилям корытной формы типа Ларсена, производимым горячекатаным способом.
[3]Данная свая имеет высокую трудоемкость при изготовлении и монтаже, а также низкую возможность повторного использования сваи после ее извлечения из грунта.
[4]Известна U-образная стальная шпунтовая свая (ArcelorMittal. Стальные шпунтовые сваи. Общий каталог 2018. Свая типа GU13N - GU33N. Стр.24-25. https://spundwand.arcelormittal.com/uploads/files/AMCRPS_Gen_Cat_RU_2018_web.PDF).
[5]Свая производится горячекатаным способом. Свая содержит днище, наклонные боковые стенки и основание с замковыми элементами. Свая имеет разную толщину днища и боковых стенок. Угол наклона боковых стенок к днищу составляет 54,3° - 68,1°. Сваи при складировании и транспортировке вкладываются друг в друга с опорой на замковые элементы и зазором между боковыми стенками.
[6]Свая, как и в предыдущем техническом решении, имеет высокую трудоемкость при изготовлении и монтаже, а также низкую возможность повторного использования после ее извлечения из грунта.
[7]Известна шпунтовая стенка (патент RU 2701265, E02D5/08, опубл. 25.09.2019) с использованием холоднокатаных U или Ω или Z-образные свай с крючкообразными замковыми элементами, расположенными с противоположных краев каждой из свай и соединяющими их в шпунтовую стенку. Изобретение направлено на конструкцию свай с использованием замковых элементов с высокой гидроплотностью. Угол наклона боковых стенок к днищу и основанию не оговаривается.
[8]Указанные сваи имеют низкую нагрузочную способность.
[9]Известна, наиболее близкая к заявляемому техническому решению, U-образная холодногнутая шпунтовая свая (Oriental sheet piling. ArcelorMittal. Cold formed sheet/ piles, pg 02. https://orientalsheetpiling.com/wp-content/uploads/2018/11/cfsp_catalgue.pdf).
[10]Шпунтовая U-образная холодногнутая свая из металлической полосы, включает симметричное корытообразное тело, состоящее из днища с двумя боковыми наклонными стенками с отгибами на концевых частях, с которыми соединены С-образные замковые элементы, совместно образующие основание сваи. Конструкция свай предусматривает их складирование вкладыванием друг в друга, при этом замковые элементы одной сваи опираются на замковые элементы другой сваи с образованием зазоров между боковыми стенками свай. Этим обеспечивается отсутствие деформации свай при складировании и транспортировке.
[11]Шпунтовая стенка, составленная из известных свай, имеет низкий коэффициент использования металла: K = Wxx/M, где Wxx - упругий момент сопротивления изгиба погонного метра стенки, М - масса квадратного метра стенки.
[12]Задачей настоящего изобретения является повышение нагрузочной способности сваи и шпунтовой стенки в целом при низкой металлоемкости, снижение затрат на монтаж за счет уменьшения количества погружений при сооружении стенки, а, также, повышение устойчивости сваи при погружении и эксплуатации.
[13]Выполнение поставленной задачи достигается тем, что шпунтовая U-образная холодногнутая свая из металлической полосы, включающая симметричное корытообразное тело, состоящее из днища с двумя боковыми наклонными стенками с отгибами на концевых частях, с которыми соединены крючкообразные замковые элементы, совместно образующие основание сваи, характеризуется тем, что боковые стенки тела сваи расположены под углами β по отношению к днищу и основанию, соответствующим условию:
[14]arccos (S/0,3*H) > β > arccos (S/h),
[15]при этом высота тела сваи Н составляет 23-33 толщины сваи, высота замкового элемента сваи h составляет 3,6-5,0 толщины сваи, ширина тела сваи Вт составляет 45-65 толщины сваи, а полная ширина Вс сваи составляет 60-80 толщины сваи, где:
[16]S - толщина тела сваи, мм; Н - высота тела сваи, мм; h - высота замкового элемента, мм; Вт - ширина тела сваи, а Вс - полная ширина сваи с замковыми элементами, мм.
[17]На нижних частях боковых стенок сваи выполнены ступени величиной 0,8-1,2 высоты h замковых элементов с углом α к основанию сваи, равным 88,0-90,0°.
[18]Внутри тела сваи, между ее боковыми стенками, приварены, по крайней мере, две стяжки из листа толщиной t на расстоянии С от основания сваи, равном 0,5 - 0,6 высоты сваи Н и расстоянии M от обеих торцов сваи, равном 0 - 30 толщины t стяжки.
[19]Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
[20]Фиг. 1 - профиль сваи (тип 1, без стяжки);
[21]Фиг. 2 - профиль сваи со ступенями на нижних частях боковых стенок (тип 2, без стяжки);
[22]Фиг. 3 - профиль сваи (со стяжкой);
[24]Фиг. 5 - фрагмент шпунтовой стенки.
[26]1 - корытообразное тело сваи;
[28]3, 4 - боковая стенка тела сваи;
[29]5, 6 - отгиб боковой стенки;
[30]7, 8 - крючкообразный замковый элемент;
[35]16 - U-образная свая;
[36]β - угол наклона боковой стенки к днищу и основанию;
[37]α - угол наклона ступени к основанию
[38]S - толщина тела сваи, мм;
[39]t - толщина стяжки, мм;
[40]Н - высота тела сваи, мм;
[41]h - высота замкового элемента сваи, мм;
[42]Вт - ширина тела сваи, мм;
[43]Вс - полная ширина сваи, мм;
[44]Е - длина стяжки, мм;
[45]С - расстояние стяжки от основания сваи, мм;
[46]Т - шаг свай в шпунтовой стенке;
[47]Нст - высота шпунтовой стенки;
[49]М - расстояние стяжки от торца сваи, мм.
[50]Шпунтовая U-образная холодногнутая свая из металлической полосы (Фиг. 1-4), включает симметричное корытообразное тело 1, состоящее из днища 2 с двумя боковыми наклонными стенками 3, 4 с отгибами 5, 6 на концевых частях, с которыми соединены крючкообразные замковые элементы 7, 8 , совместно образующими основание сваи 11. При этом боковые стенки 3, 4 тела 1 сваи расположены под углами β по отношению к днищу 2 и основанию 11, соответствующим формуле: arccos (S/0,3*H) > β > arccos (S/h), при этом Н = (23-33)*S, h = (3,6 - 5,0 )*S, Вт = (45-65)*S и Вс = (60-80)*S, где S - толщина тела 1 сваи (мм), Н - высота тела 1 сваи (мм), h - высота замкового элемента 7, 8 (мм), Вт - ширина тела 1 сваи (мм), а Вс - полная ширина сваи с замковыми элементами 7, 8 (мм). На нижних частях боковых стенок 3, 4 сваи могут быть выполнены ступени 9, 10 величиной hc, равной 0,8-1,2 высоты h замковых элементов 7, 8, с углом α к основанию 11 сваи, равным 88,0° - 90,0°. Внутри тела 1 сваи между боковыми стенками 3, 4 сваи приварены, по крайней мере, две стяжки 12, 13 длиной Е из листа толщиной t на расстоянии С от основания сваи, равном 0,5 - 0,6 высоты сваи Н и расстоянии М от обеих торцов сваи 14, 15, равном 0 - 30 толщины t стяжки.
[51]На фиг. 5 показана шпунтовая стенка высотой Нст, составленная из свай 16, расположенных с шагом Т между собой. При этом сваи 16 расположены в шахматном порядке.
[52]Примеры реализации изобретения.
[53]Разработана и рассчитана конструкция шпунтовых U-образных холодногнутых свай 600х500х10 (мм), 600х450х10 (мм) и 750х600х12 (мм), где 600, 750 - шаг свай в шпунтовой стенке; 500, 600 - высота шпунтовой стенки; 10, 12 - толщина тела сваи с разными углами β наклона боковых стенок к днищу и основанию сваи, равными 82,0°; 74,0°; 66,0°, причем полные габариты свай с замковыми элементами соответственно составляют: 655х277,5х10 (мм) и 816х333х12 (мм). При этом заявленный диапазон угла β наклона боковых стенок составляет 83,1° - 73,9°. Результаты расчета сведены в таблицу 1.
[55]| № п/п | Шпунт,
T x Hст x S | Fш, см2 | Jx,
см4 | Wx, см3 | Fст, см2 | М,
Кг/м2 | Jxx, см4 | Wxx, см3 | К, см3/м2 |
| 1 | 750x600x12,
Β=82,0° | 180,4 | 28210 | 1382,8 | 240,5 | 188,8 | 103099 | 3436,6 | 18,20 |
| 2 | 750x600x12,
Β=74,0° | 177,6 | 27602 | 1400,0 | 236,8 | 185,9 | 100714 | 3357,1 | 18,06 |
| 3 | 750x600x12,
Β=66,0° | 166,0 | 26184 | 1384,3 | 221,3 | 173,7 | 88879 | 2962,6 | 17,06 |
| 4 | 600х500х10,
β=82,0° | 119,63 | 13422 | 803,1 | 199,4 | 156,5 | 61250 | 2450,0 | 15,65 |
| 5 | 600х500х10,
Β=74,0° | 114,63 | 12701 | 790,6 | 191,1 | 150,0 | 55044 | 2201,8 | 14,68 |
| 6 | 600х500х10,
Β=66,0° | 110,82 | 11985 | 779,7 | 184,7 | 145,0 | 49346 | 1975,8 | 13,63 |
| 7 | 600x450x10,
Β=82,0° | 115,27 | 10531 | 693,8 | 192,1 | 150,8 | 47225 | 2098,9 | 13,92 |
| 8 | 600x450x10,
Β=74,0° | 110,69 | 10248 | 700,2 | 184,5 | 144,8 | 43054 | 1913,5 | 13,21 |
| 9 | 600x450x10,
Β=66,0° | 107,38 | 9744,6 | 693,5 | 179,0 | 140,5 | 37794 | 1679,7 | 11,96 |
[56]Обозначения в таблице 1.
[57]Fш - площадь сечения сваи, см2;
[58]Jx - момент инерции сваи, см4;
[59]T - шаг свай в шпунтовой стенке, мм;
[60]Hст - высота шпунтовой стенки, мм;
[61]S - толщина тела сваи, мм;
[62]Fст - площадь сечения погонного метра шпунтовой стенки, см2;
[63]Jxx - момент инерции погонного метра шпунтовой стенки, см4;
[64]Wxx - упругий момент погонного метра шпунтовой стенки, см3;
[65]К - коэффициент использования металла свай в шпунтовой стенке;
[67]Анализ проведенных расчетов показывает, что шпунтовые профили №№ 1, 2, 4, 5, 7, 8 находятся в заявленном диапазоне по углу β наклона боковых стенок по отношению к днищу и основанию сваи и имеют и имеют лучшие характеристики по несущей способности шпунтовой стенки (см. Wxx), металлоемкости (см. К), устойчивости профиля при погружении в грунт по сравнению с профилями №№ 3, 6, 9 при сравнимых характеристиках по массе квадратного метра шпунтовой стенки (см. М). Выполнение на нижних частях боковых стенок свай ступеней позволяет увеличить ширину днища сваи и, соответственно, несколько увеличить момент инерции и упругий момент сваи и шпунтовой стенки, а, также, обеспечить зазоры между боковыми стенками свай при пакетировании свай друг в друга. Следует дополнительно отметить, что применение широких холодногнутых свай 750х600х12 и 600х500х10 с шагами расположения в стенке 750 и 600 мм вместо широко используемых в России горячекатаных профилей Л5-УМ и Л4 с шагами расположения в стенке 500 и 400 мм при аналогичных показателях по несущей способности позволяет значительно снизить затраты на монтаж за счет уменьшения в 1,5 раза количества погружения свай.
[68]Проведены исследования с погружением в грунт опытных свай 600х500х10 с углом β, равным 81,5° с помощью копра и вибрационного погружения. При вибрационном способе погружения сваи сохраняли хорошую устойчивость без деформаций элементов сваи. Установлено, что при ударном способе (копер) погружения свай в тяжелый грунт возможна потеря местной устойчивости боковых стенок. Применение приваренных стяжек между боковыми стенками свай на расстоянии С от основания сваи, равном 0,5 - 0,6 высоты сваи Н, позволило полностью компенсировать местную деформацию боковых стенок при ударном способе погружения.
[69]Проведенные расчеты показывают возможность полной загрузки при сохранении габаритов железнодорожного и автомобильного транспорта при пакетировании свай с опорой между собой на приваренные внутри свай стяжки.
[70]Изобретение может быть использовано в морском и речном строительстве портовых сооружений, строительстве набережных и причалов, подпорных стенок при берегоукрепительных работах, а также при дорожном строительстве, сооружении тоннелей и фундаментов в стесненных условиях. Применение свай по изобретению в строительстве позволяет снизить затраты за счет снижения металлоемкости и уменьшения количества погружений свай в грунт при монтаже шпунтовых стенок.
