Конструктивно-технологические решения подпорных стен из сварного трубчатого шпунта для транспортного строительства (стр. 2 )

  В транспортном строительстве подпорные стены из стального шпунта возводят свыше 100 лет. Они имеют сравнительно простую конструкцию, минимально чувствительны к перегрузкам и применяются в различных инженерно-геологических, гидрогеологических и природно-климатических условиях. Длительное по времени применение стальных шпунтовых свай в подпорных стенах способствовало развитию и совершенствованию их профилей и технологий погружения.

  За рубежом, фирмы Бельгии «Profil RBD», Германии «Thyssen Krupp»,  Люксембурга «ArcelrMittal», США «CMI», Украины «ДМК», Японии «Ywata», «Fuji» изготавливают горячекатаные, прокатно-сварные, сварные и трубчатые шпунты из стали с пределом текучести от 240 до 430 МПа, обеспечивая возведение подпорных стен различного назначения на основе принципов ресурсосбережения, безопасной и длительной эксплуатации.

  Значительный вклад в разработку конструкций стальных шпунтовых свай и возведение подпорных стен на транспортном строительстве внесли: , , . разработал программу  расчётов погружения шпунтовых свай на основе волновой теории.

  Более тридцати лет тому назад, в Обь-Иртышском бассейне Сибири возникла необходимость строительства подпорных стен (больверков) транспортных сооружений со свободной высотой 12-15 м. в связи с не зарегулированным стоком водных источников региона и подъемом воды в паводок на 8 и более метров. Потребность в подпорных стенках высотой до 15 м была обусловлена также появлением морских судов с осадкой 10 и более метров. Для возведения подпорных стен требовался стальной шпунт с моментом сопротивления W > 10000 см3, который отечественная промышленность не выпускала. 

  На Украине комбинат «Азовсталь» изготавливал корытный шпунт Л5 с

Wл ≈ 3000 см3, а НТМК (Россия) осваивал производство горячекатаного корытного шпунта Л5УМ с W лу ≈ 3500 см3. С 1994 года «Курганстальмост» и ЦНИИС разрабатывали конструкции и технологии изготовления шпунтовых панелей ПШС с Wпшс ≈ 10000 см3.

  Разработка профилей шпунтов трубчатых сварных (ШТС),  с моментом сопротивления превышающим 10 тысяч см3,  представляло собой важную задачу, решение которой актуально для возведения подпорных стен транспортных сооружений в различных инженерно-геологических и природно-климатических условиях России, в том числе в Сибири.

  Во второй главе рассмотрены особенности проектирования профилей ШТС, установлена зависимость геометрических параметров и прочности шпунтов трубчатых сварных  от конструкции замковых соединений, разработаны рекомендации по  прогнозированию коррозионной стойкости  подпорных стен из ШТС.

  ШТС, в отличии от прокатных профилей типа Ларсен, составлены из трубы и замковых соединений.  Исследования показали, что назначение и условия работы этих элементов в ШТС и в других типах шпунтовых свай с высоким моментом сопротивления существенно отличаются.  Труба в ШТС является основным элементом, обеспечивающим прочность и жесткость всей конструкции. Замковые соединения ШТС выполняют роль направляющих устройств при производстве свайных работ по возведению подпорных стен и обеспечивают и водо - и грунто - непроницаемость в процессе эксплуатации сооружения.

  При разработке конструкции ШТС в первую очередь было необходимо решить задачу по обеспечению рациональной работы металла в конструкции и совместной работы труб шпунтовых свай в подпорной стене.

  Профили ШТС, при работе которых в подпорных стенах обеспечивается эффект совместной работы трубчатых элементов, разрабатывали на основании исследований , , . Однако в известных работах эффект взаимовлияния работы свай в сооружении удовлетворительно для практики решен только для вертикальных (осевых) нагрузок. Расчет совместной работы ШТС в подпорных стенах с горизонтальными воздействиями, является сложной задачей требующей проведения численных методов (МКЭ). Результаты испытаний с различными геометрическими размерами шпунтовых свай выполненные в широком диапазоне  грунтовых условий, значений и сочетаний нагрузок показали, что целесообразно проектировать профили ШТС для подпорных стен транспортных сооружений с соотношениями размеров замковых элементов к трубе равными 0,2-0,4 для труб диаметром от 530 до 1440 мм при толщине стенок от 8 до 16 мм.

  На рис. 1 приведены варианты конструкции подпорных стен из рекомендуемых профилей ШТС, составленные из трубы и различных типов замковых соединений. При разработке конструкций ШТС их качество оценивали по показателям прочности, надежности, металлоемкости, а также затратам труда и энергии при возведении из них подпорных стен.

  Разработанный сортамент ШТС включает шпунтовые сваи с  W > 20 тысяч см3 /п. м.  с большими диаметрами  труб. В таблице 1 в качестве примера приведены параметры ШТС для различных замковых соединений и труб с толщиной стенки 10 мм, при шаге профилей В = 2,0 м и удельном расходе стали P = 200ч250 кг/м2. Удельный расход стали в расчете на единицу площади возводимой из ШТС подпорной стены определяен по формуле:

,  где

- диаметр трубы ШТС;

- толщина стенки трубы ШТС;

- длина замкового соединения;

- средняя толщина замкового соединения;

- длина шпунтовой стены;

- высота забивки шпунта;

- глубина забивки шпунта;

- удельный вес стали, .

- рассматриваемый один из вариантов конструкции ШТС (в таблице 1 таких вариантов 56 – для 8 типов замковых соединений и 7 диаметров труб)

При выборе варианта конструктивного исполнения подпорной стены требуемой несущей способности по моменту сопротивления необходимо учитывать, что в моменте сопротивления () слагаемое от диаметра трубы () на несколько порядков больше, чем от замкового соединения. Так как для центральной осевой линии подпорной стены из ШТС момент сопротивления равен:

+ .

Здесь величина варьирует от 4900 см2 для = 700 мм до 20164 см2 для = 1420 мм, в то время как значение не превышают (1,6-9) см2.

Поэтому на графиках рис. 2-7 показано, что для приведенных 40 вариантов конструктивных решений, обеспечивающих момент сопротивления ШТС от 3500 см3 до 10500 см3, удельный расход металла остается примерно одинаковым (варьирует для толщины стенки 10 мм от 200 до 250 кг/м2 стены).

Этот, на первый взгляд, парадоксальный результат имеет важное значение при выборе концепции проектных решений по применению ШТС для возведения подпорных стен, ограждающих котлованов, опор мостов и других транспортных сооружений.

  В результате аналитических исследований получены зависимости (рис.2-7) расхода металла (кг/м2) от момента сопротивления (см3), рекомендуемые для проектирования профилей ШТС и соотношений в них геометрических размеров трубы и замковых соединений, массы, прочности и несущей способности.

  Для ШТС, сортамент которых приведен в таблице 1,  расход металла для возведения 1 м2 подпорной стены зависит, в основном, от толщины стенки трубы и значительно меньше от её диаметра (рис.2-7). При этом,  несущая способность подпорных стен из ШТС определяется, в большей степени, диаметром трубы.

  При разработке профилей ШТС в качестве исходной предпосылки принято, что подпорные стены капитальных транспортных сооружений (рис.8) должны обладать достаточной прочностью и обеспечивать безопасную эксплуатацию на протяжении всего жизненного цикла, как правило, исчисляемого полувековым периодом. Поэтому проектировать подпорные стены и выбирать ШТС из сортамента (таблица 1) рекомендуется с учётом  прогнозирования изменения несущей способности (момента сопротивления W, см3) конструкции, в зависимости от характера процесса коррозии металла.

  Обобщение 20-летнего опыта строительства подпорных стен из ШТС позволило выявить их повышенную коррозионную стойкость, в сравнении со шпунтовыми сваями традиционных профилей, а также существенно больший период безопасной эксплуатации и долговечности сооружения. Оказалось, что интенсивность коррозии металла в замкнутых полостях труб составляла 0,03-0,05 мм/год (среднеквадратичное отклонение у = 0,01 мм/год, коэффициент вариации х = 0,33), в то время как на наружных поверхностях в зоне переменного уровня воды интенсивность коррозии достигает 0,08-0,12 мм/год (среднеквадратичное отклонение у = 0,01 мм/год, коэффициент вариации х = 0,10). Это обстоятельство следует учитывать при назначении расчётных значений толщины металлических элементов конструкции. При расчётном сроке эксплуатации «Т» уменьшение «ΔТ» расчётной толщины сечения металла трубы может составить (0,1-0,15)Т, в то время, как для замковых соединительных элементов - (0,1-0,15)2Т.