Шпунтовая стена

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям и предназначено для строительства стен набережных, причалов в речных и морских портах, берегозащитных и тому подобных гидротехнических сооружений, а также подпорных стен различного назначения в других отраслях строительства. Шпунтовая стена собрана из вертикальных элементов волнообразного в плане профиля, каждый из которых имеет в горизонтальном сечении полки, расположенные по разные стороны от продольной оси стены параллельно этой оси со смещением относительно друг друга вдоль продольной оси стены и соединенные между собой поперечными стенками, расположенными под тупым углом к полкам, с образованием крайних поперечных полустенок, имеющих на свободных краях с противоположных боковых сторон элемента соответственно кулачок и обойму, образующие замковые соединения. Каждая обойма расположена на внешней, а каждый кулачок - на внутренней поверхности соответствующих полустенок. В горизонтальном сечении каждого из вертикальных элементов площадь полустенки равна половине площади стенки. Отношение площади полки к площади стенки выдержано в пределах 0,9-2,1 при изменении тупого угла между полкой и стенкой, а также между полкой и полустенкой, от 91 до 150 градусов в зависимости от значения этого угла. Технический результат состоит в сокращении удельной металлоемкости шпунтовой стены при сохранении ее несущей способности. 3 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям и предназначено для строительства стен набережных, причалов в речных и морских портах, берегозащитных и тому подобных гидротехнических сооружений, а также подпорных стен различного назначения в других отраслях строительства.

Причальные набережные в виде шпунтовых стен (больверки) могут быть заанкерованные и незаанкерованные, при этом наибольшее распространение получили больверки из металлического шпунта. Кроме большой несущей способности и высоких технико-экономических показателей стены из металлического шпунта характеризуются высокой грунтонепроницаемостью и могут применяться при достаточно плотных и засоренных грунтах основания, в которые погружение шпунта из других материалов затруднительно.

Стена такой конструкции состоит из шпунтовых свай различного профиля, изготовляемых из мартеновской стали. В настоящее время широко применяют шпунтовые сваи из низколегированной стали.

Известна шпунтовая стена, закрепленная к анкерной плите стальными анкерными тягами, расположенными через 1,5-2 м, причем анкерная плита состоит из отрезков металлического шпунта или из железобетонных плит, концы анкерных тяг пропущены через отверстия в металлическом шпунте, обращенном корытообразной частью к засыпке, и закреплены с помощью шайб и гаек к шпунтовой стене и анкерной плите, шпунтовые сваи, находящиеся между анкерными тягами, закреплены болтами к распределительному поясу, состоящему из двух швеллеров, расположенных со стороны засыпки (Гуревич В.Б. Речные портовые гидротехнические сооружения. Москва, «Транспорт», 1969, с.55-56, рис.42).

Такая конструкция шпунтовой стены имеет следующие недостатки:

- большой удельный расход металла (расход металла на единицу площади осевой поверхности шпунтовой стены);

- небольшая ширина шпунта, из-за чего повышается трудоемкость строительства ввиду необходимости подготовительных операций и забивки большого количества шпунтов;

- усложнение конструкции шпунтовой стены и ее строительства в связи с необходимостью анкерных устройств.

С целью увеличения несущей способности стены и сокращения расхода металла применяли конструкции в виде заанкерованных шпунтовых стен, металлический шпунт которых забивался по волнообразной линии (чаще всего по синусоиде), что значительно повышало момент сопротивления стены и поэтому давало возможность применять шпунт более легкого профиля.

В конструкциях в виде незаанкерованных шпунтовых стен при погружении шпунта по волнообразной линии можно увеличивать высоту набережной при использовании шпунта сравнительно легкого профиля.

Подобная незаанкерованная шпунтовая стена, забитая по волнообразной линии, была возведена при строительстве набережной на реке Рейн в районе Дуйсбурга. Набережная высотой 7,85 м состояла из металлического шпунта плоского профиля, забитого на глубину 7,35 м по синусоиде. Шпунтовые сваи до забивки сваривали попарно в виде пакетов. Связь между пакетами осуществлялась сварными швами длиной 0,5 м, расположенными с интервалом в 1 м, и шапочной железобетонной балкой (Гуревич В.Б. Речные портовые гидротехнические сооружения. Москва, «Транспорт», 1969, с.56-57, рис.43а).

Недостатки этой незаанкерованной шпунтовой стены состоят во все еще высоком удельном расходе металла и усложненном производстве работ при ее строительстве.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения по конструктивному выполнению является шпунтовая стена, преимущественно гидротехнического сооружения, собранная из вертикальных элементов волнообразного в плане профиля, каждый из которых имеет в горизонтальном сечении полки, расположенные по разные стороны от продольной оси стены параллельно этой оси со смещением относительно друг друга вдоль продольной оси стены и соединенные между собой поперечными стенками, расположенными под тупым углом к полкам, с образованием крайних поперечных полустенок, имеющих на свободных краях с противоположных боковых сторон элемента соответственно кулачок и обойму, образующие замковые соединения, причем каждая обойма расположена на внешней, а каждый кулачок - на внутренней поверхности соответствующих полустенок (RU 2151236 С1, опубликовано 20.06.2000).

Недостатком этой известной шпунтовой стены является ее достаточно высокая удельная металлоемкость, которая может быть понижена при оптимизации такой конструкции шпунтовой стены.

Задачей настоящего изобретения является сокращение удельной металлоемкости шпунтовой стены при сохранении ее несущей способности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в шпунтовой стене, преимущественно набережной, причального, берегозащитного и тому подобного гидротехнического сооружения, собранной из вертикальных элементов волнообразного в плане профиля, каждый из которых имеет в горизонтальном сечении полки, расположенные по разные стороны от продольной оси стены параллельно этой оси со смещением относительно друг друга вдоль продольной оси стены и соединенные между собой поперечными стенками, расположенными под тупым углом к полкам, с образованием крайних поперечных полустенок, имеющих на свободных краях с противоположных боковых сторон элемента соответственно кулачок и обойму, образующие замковые соединения, причем каждая обойма расположена на внешней, а каждый кулачок - на внутренней поверхности соответствующих полустенок, согласно изобретению в горизонтальном сечении каждого из вертикальных элементов площадь полустенки равна половине площади стенки, а отношение площади полки к площади стенки выдержано в пределах 0,9-2,1 при изменении тупого угла между полкой и стенкой, а также между полкой и полустенкой, от 91 до 150 градусов в зависимости от значения этого угла, выраженной таблицей 1:

Таблица 1
Тупой угол между полкой и стенкой (полустенкой), градусы	Отношение площади полки к площади стенки
91-95	2,1-1,9
95-100	1,9-1,7
100-105	1,7-1,5
105-110	1,5-1,4
110-135	1,4-1,0
135-150	1,0-0,9

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан участок шпунтовой стены, вид сверху; на фиг.2 - график зависимости металлоемкости шпунтовой стены от отношения площадей полки и стенки; на фиг.3 - график зависимости металлоемкости шпунтовой стены от угла между полкой и стенкой.

Шпунтовая стена состоит из вертикальных элементов 1 и 2 волнообразного в плане профиля, каждый из которых имеет в горизонтальном сечении полки 3, расположенные по разные стороны от продольной оси 4 стены параллельно этой оси 4 со смещением относительно друг друга вдоль нее. Полки 3 соединены между собой поперечными стенками 5, расположенными под тупым углом α к полкам 3, с образованием крайних поперечных полустенок 6. Полустенки 6 имеют на свободных краях с противоположных боковых сторон элементов 1 и 2 соответственно кулачок 7 и обойму 8, образующие замковые соединения, причем каждая обойма 8 расположена на внешней, а каждый кулачок 7 - на внутренней поверхности соответствующих полустенок 6. В горизонтальном сечении каждого из вертикальных элементов 1 и 2 площадь полустенки 6 равна половине площади стенки 5.

Для решения задачи оптимизации конструкции шпунтовой стены и сокращения ее удельной металлоемкости при сохранении ее несущей способности были проведены исследования, результаты которых, приведенные в таблице 2, позволили выявить зависимость удельной металлоемкости шпунтовой стены рассматриваемой конструкции от параметров формы профилей ее вертикальных элементов 1 и 2, о чем свидетельствуют графики, показанные на фиг.2 и фиг.3, и на основе последних определить области соответствия параметров формы профилей ее вертикальных элементов 1 и 2: отношения площади полки 3 к площади стенки 5 и угла α между полкой 3 и стенкой 5.

Таким образом, было установлено, что в горизонтальном сечении каждого из вертикальных элементов 1 и 2 отношение площади полки 3 к площади стенки 5 должно быть выдержано в пределах 0,9-2,1 при изменении тупого угла α между полкой 3 и стенкой 5, а также между полкой 3 и полустенкой 6, от 91 до 150 градусов в зависимости от значения этого угла α, выраженной таблицей 1, что обеспечивает минимальную удельную металлоемкость шпунтовой стены рассматриваемой конструкции.

Таблица 2
Параметры шпунтовых профилей, образующих стену с удельным моментом сопротивления w=3000 см3/м
Размеры сечения профиля, мм	Угол между полкой и стенкой	Отношение η1	Отношение η2	Расход стали на шпунтовую стену
ширина	высота	ширина полки	толщина полки	ширина стенки	толщина стенки
b	h	bf	tf	lw	tw	α, град	bftf/lwtw	b/h	кг/м2
Группа 1. Профили с эффективным сочетанием параметров α и η1
402,4	387,6	402,4	13,4	387,6	6,5	90,0	2,15	1,04	154,1
438,6	413,1	402,4	13,4	414,7	6,9	95,0	1,88	1,06	148,0
484,3	437,9	407,1	13,6	444,6	7,4	100,0	1,68	1,11	143,0
538,5	460,8	415,1	13,8	477,1	7,9	105,0	1,51	1,17	139,0
600,7	481,2	425,6	14,2	512,0	8,5	110,0	1,38	1,25	136,0
670,5	498,1	438,3	14,6	549,6	9,2	115,0	1,27	1,35	133,9
748,4	511,1	453,3	15,1	590,1	9,8	120,0	1,18	1,46	132,7
835,0	519,3	471,4	15,7	633,9	10,6	125,0	1,11	1,61	132,6
931,5	522,3	493,2	16,4	681,8	11,4	130,0	1,05	1,78	133,6
1039,5	519,5	519,9	17,3	734,7	12,2	135,0	1,00	2,00	136,0
1161,1	510,7	552,5	18,4	794,5	13,2	140,0	0,97	2,27	139,8
1298,7	495,3	591,3	19,7	863,6	14,4	145,0	0,94	2,62	145,5
1455,4	473,2	635,8	21,2	946,5	15,8	150,0	0,90	3,08	153,2
Группа 2. Профили группы 1 с размерами, выраженными в целых миллиметрах (значение w=3000 см3/м выдержано)
420	383	406	14	383	7	92,1	2,12	1,10	156,4
450	397	420	14	398	7	94,3	2,11	1,13	151,1
450	417	392	14	421	7	97,9	1,86	1,08	147,2
520	419	420	15	431	8	103,4	1,83	1,24	147,1

Таблица 2 (Продолжение)
Размеры сечения профиля, мм	Угол между полкой и стенкой	Отношение η1	Отношение η2	Расход стали на шпунтовую стену
ширина	высота	ширина полки	толщина полки	ширина стенки	толщина стенки
b	h	bf	tf	lw	tw	α, град	bftf/lwtw	b/h	кг/м2
540	454	420	14	470	8	104,8	1,56	1,19	140,1
650	481	435	15	527	9	114,1	1,38	1,35	136,1
670	482	450	15	530	9	114,5	1,42	1,39	135,0
750	515	450	15	596	10	120,2	1,13	1,46	133,0
840	516	464	16	639	11	126,1	1,06	1,63	135,0
930	504	510	17	656	11	129,8	1,20	1,85	134,1
1050	528	510	17	755	13	135,7	0,88	1,99	138,2
1160	493	551	19	783	14	141,0	0,95	2,35	145,0
1450	476	630	21	948	16	149,9	0,87	3,05	153,7
Группа 3. Профили с произвольным сочетанием параметров α и η1
450	390	420	14	391	8	94,4	1,88	1,15	157,2
450	425	390	13	429	9	98,0	1,31	1,06	155,8
450	384	420	14	385	9	94,5	1,70	1,17	163,0
450	347	450	15	347	9	90,0	2,16	1,30	172,2
450	417	390	13	421	10	98,2	1,20	1,08	161,9
550	497	390	13	522	9	107,8	1,08	1,11	139,6
700	449	480	16	500	10	116,1	1,54	1,56	142,2
800	519	450	15	626	12	124,0	0,90	1,54	139,9
900	449	540	18	576	12	128,7	1,41	2,00	145,0
1000	574	450	15	795	14	133,8	0,61	1,74	140,3
1200	463	600	20	758	14	142,3	1,13	2,59	147,9
1200	407	660	22	676	14	143,0	1,53	2,95	156,9

Шпунтовая стена, преимущественно набережной, причального, берегозащитного и тому подобного гидротехнического сооружения, собранная из вертикальных элементов волнообразного в плане профиля, каждый из которых имеет в горизонтальном сечении полки, расположенные по разные стороны от продольной оси стены параллельно этой оси со смещением относительно друг друга вдоль продольной оси стены и соединенные между собой поперечными стенками, расположенными под тупым углом к полкам, с образованием крайних поперечных полустенок, имеющих на свободных краях с противоположных боковых сторон элемента соответственно кулачок и обойму, образующие замковые соединения, причем каждая обойма расположена на внешней, а каждый кулачок - на внутренней поверхности соответствующих полустенок, отличающаяся тем, что в горизонтальном сечении каждого из вертикальных элементов площадь полустенки равна половине площади стенки, а отношение площади полки к площади стенки выдержано в пределах 0,9-2,1 при изменении тупого угла между полкой и стенкой, а также между полкой и полустенкой, от 91 до 150° в зависимости от значения этого угла: при угле от 91 до 95° отношение меняется от 2,1 до 1,9, при угле от 95 до 100° - от 1,9 до 1,7, при угле от 100 до 105° - от 1,7 до 1,5, при угле от 105 до 110° - от 1,5 до 1,4, при угле от 110 до 135° - от 1,4 до 1,0, при угле от 135 до 150° - от 1,0 до 0,9.