u-образная шпунтовая свая с низким сопротивлением забиванию

Формула изобретения

1. U-образная шпунтовая свая, имеющая пояс (10), который выполнен плоским по всей своей ширине, две плоские полки (12), соединенные с поясом (10) с образованием между ними вогнутых углов и расположенные симметрично относительно плоскости (8), перпендикулярной поясу (10), элементы замкового соединения, расположенные на концах обеих полок (12), причем у этой сваи отношение глубины к полезной ширине больше или равно 0,18 и ее полезная ширина определяется расстоянием между центральными осями элементов (14) замкового соединения, а глубина определяется расстоянием между плоскостью, проходящей через центральные оси двух элементов (14) замкового соединения и внешней поверхностью (22) пояса (10), при этом вогнутые углы (18) сваи выполнены с утолщениями (26), причем утолщение (26) выполнено достаточным для того, чтобы воображаемая цилиндрическая поверхность (38), радиус которой равен по меньшей мере 75 мм и которая касается плоскостей, в которых лежат внутренние поверхности пояса и полки (32, 34), была полностью расположена внутри утолщения (26) между ее двумя касательными генератрисами.

2. Шпунтовая свая по п. 1, отличающаяся тем, что ее выпуклые углы (16) в месте соединения пояса с полкой на внешней стороне выполнены со скруглением, радиус которого меньше или равен 25 мм.

3. Шпунтовая свая по любому из пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что образующие вогнутые углы (18) соединительные поверхности выполнены в виде криволинейных поверхностей (30).

4. Шпунтовая свая по п. 3, отличающаяся тем, что соединительные поверхности, образующие вогнутые углы (18), выполнены в виде криволинейных поверхностей (30), которые касаются внутренних поверхностей (32, 34) пояса и полки.

5. Шпунтовая свая по любому из пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что образующие вогнутые углы (18) соединительные поверхности выполнены в виде многоугольных поверхностей (40).

6. Шпунтовая свая по любому из пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что образующие вогнутые углы (18) соединительные поверхности выполнены в виде плоской поверхности.

7. Шпунтовая свая по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что она представляет собой горячекатаную стальную шпунтовую сваю.

8. Шпунтовая свая по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что у нее отношение глубины к полезной ширине больше или равно 0,25.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к U-образной шпунтовой свае с низким сопротивлением забиванию.

В течение последних 80-ти лет для сооружения несущих стен, например при проведении различных земляных работ, строительстве плотин, дамб или водохранилищ, во всем мире было использовано несколько миллионов тонн U-образных шпунтовых свай.

U-образная шпунтовая свая имеет плоскую заднюю стенку (называемую поясом шпунтовой сваи) и две соединенные с ней и несущие элементы замкового соединения свай боковые стенки (называемые полками шпунтовой сваи), при этом вся свая выполнена симметричной относительно плоскости симметрии, перпендикулярной ее задней стенке. При сооружении несущей стены такие U-образные шпунтовые сваи сочленяются друг с другом элементами замкового соединения и в собранной стене задние стенки свай оказываются расположенными в чередующемся порядке по разные стороны от плоскости, проходящей через центральные оси элементов замкового соединения. Эта плоскость образует нейтральную плоскость изгиба стены, собранной из U-образных шпунтовых свай.

Обычно шпунтовые сваи забивают в землю ударным или вибрационным методами. Известно, что забивка свай связана с большим расходом энергии, которая пропорциональна сопротивлению забивания шпунтовой сваи. При существующих методах забивания свай сопротивление забиванию сваи зависит в основном от свойств почвы и от поперечного сечения шпунтовой сваи.

"Высота" или "глубина" U-образной шпунтовой сваи определяется расстоянием между плоскостью, проходящей через центральные оси двух образующих замковое соединение элементов, и внешней стороной пояса сваи, а ее "полезная ширина" определяется расстоянием между центральными осями двух элементов замкового соединения. Использование шпунтовых свай с большой полезной шириной в принципе позволяет сократить производственные затраты, поскольку при этом для сооружения стены с заданной длиной требуется забить в землю меньшее количество свай. Высокие (глубокие) шпунтовые сваи с меньшей толщиной пояса и полок и с высоким моментом сопротивления сечения должны, очевидно, иметь меньшую стоимость изготовления. Именно этим и объясняется тот интерес, который проявляется к использованию широких и глубоких U-образных шпунтовых свай с уменьшенной толщиной пояса и полок.

В настоящее время U-образные шпунтовые сваи, выпускаемые в виде стандартных секций, имеют полезную ширину от 400 до 600 мм и отношение "глубины к полезной ширине" от 0,18 до 0,54. У наиболее распространенных U-образных шпунтовых свай отношение "глубины к полезной ширине" обычно равно или больше 0,25 или даже больше 0,30. Толщина пояса у таких свай лежит в пределах от 7 до 20 мм, а толщина полок составляет от 6 до 12 мм.

Следует, однако, подчеркнуть, что при большом сопротивлении забиванию широкие и глубокие шпунтовые сваи с небольшой толщиной пояса и полок быстро теряют свою устойчивость. Именно этим и обусловлена необходимость в ограничении возникающих в шпунтовых сваях при их забивании напряжений, т.е. необходимость в создании шпунтовых свай с низким, насколько это возможно, сопротивлением забиванию. Если на сопротивление забиванию сваи снижение толщины пояса и полок оказывает, несомненно, положительное влияние, то увеличение отношения "глубины к полезной ширине" U-образных шпунтовых свай весьма отрицательно влияет на их сопротивление забиванию.

Шпунтовая свая, имеющая форму стального уголка, с повышенной толщиной вогнутого угла, образованного ее двумя стенками, уже была предложена ранее и описана в ВЕ-А-433704. В этой публикации особо подчеркивается, что целью такого утолщения является повышение прочности углового участка выполненной в виде уголка шпунтовой сваи.

Специальные шпунтовые сваи, описанные в FR-A-434497, который соответствует US 1012124, имеют скругленный пояс и два скругленных боковых элемента с очень небольшой высотой, которые соединены со скругленным поясом и имеют элементы замкового соединения. Такие достаточно массивные шпунтовые сваи предназначены для работы на растяжение и используются вместо плоских шпунтовых свай для сооружения стенок, общая толщина которых в центре пояса не превышает толщины двух соединенных друг с другом элементов замкового соединения. Поэтому такие сваи нельзя сравнивать с U-образными шпунтовыми сваями, к которым относится настоящее изобретение. Фактически U-образные шпунтовые сваи имеют столь большую глубину, что они вполне могут работать и на изгиб. Следует также отметить, что в предпочтительном варианте изобретения, описанном в FR-A-434497, скругленный пояс сваи выполнен утолщенным в местах его соединения с боковыми элементами и имеет по существу плоскую наружную поверхность по всей своей ширине. В этом патенте сказано также, что такое утолщение, расположенное на наружной стороне скругленного пояса, существенно увеличивает момент инерции и момент сопротивления шпунтовой сваи, значительно увеличивает прочность ее поперечного сечения и препятствует деформации скругленного пояса под действием давления.

Задача настоящего изобретения заключается в создании U-образной шпунтовой сваи, имеющей уменьшенное сопротивление забиванию и повышенную устойчивость в процессе ее использования.

Эта задача решается с помощью предложенной в изобретении U-образной шпунтовой сваи, имеющей пояс, который выполнен плоским по всей своей ширине, две плоские полки, соединенные с поясом с образованием между ними вогнутых углов и расположенные симметрично относительно плоскости, перпендикулярной поясу, элементы замкового соединения, расположенные на концах обеих полок, причем у этой сваи отношение глубины к полезной ширине больше или равно 0,18 и ее полезная ширина определяется расстоянием между центральными осями элементов замкового соединения, а глубина определяется расстоянием между плоскостью, проходящей через центральные оси двух элементов замкового соединения, и внешней поверхностью пояса, при этом вогнутые углы сваи выполнены с утолщениями, причем утолщение выполнено достаточным для того, чтобы воображаемая цилиндрическая поверхность, радиус которой равен по меньшей мере 75 мм и которая касается плоскостей, в которых лежат внутренние поверхности пояса и полки, была полностью расположена внутри утолщения между ее двумя касательными генератрисами.

Предпочтительно выпуклые углы сваи в месте соединения пояса с полкой на внешней стороне выполнить со скруглением, радиус которого меньше или равен 25 мм.

Предпочтительно также образующие вогнутые углы сваи соединительные поверхности выполнить в виде криволинейных поверхностей.

При этом соединительные поверхности, образующие вогнутые углы сваи, целесообразно выполнить в виде криволинейных поверхностей, которые касаются внутренних поверхностей пояса и полки.

Не менее предпочтительно образующие вогнутые углы сваи соединительные поверхности выполнить в виде многоугольных поверхностей.

Эти же образующие вогнутые углы сваи соединительные поверхности могут быть выполнены также в виде плоской поверхности.

Следует отметить, что шпунтовая свая согласно изобретению представляет собой горячекатаную стальную шпунтовую сваю, у которой отношение глубины к полезной ширине больше или равно 0,25.

Основное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно позволяет при заданном поперечном сечении U-образной шпунтовой сваи уменьшить ее сопротивление забиванию. Прежде всего следует заметить, что хотя на первый взгляд это кажется невозможным, в предлагаемой в изобретении шпунтовой свае снижение сопротивления забиванию достигнуто не за счет уменьшения толщины ее поперечного сечения, а за счет увеличения толщины вогнутых углов сваи, расположенных в местах соединения пояса с полками.

В предлагаемой в изобретении U-образной шпунтовой свае, в частности, существенно также повышено сопротивление кручению. Дополнительный материал, расположенный в соединительных углах сваи, увеличивает жесткость полок и пояса и снижает опасность потери устойчивости. При этом, кроме того, существенно увеличиваются полный изгибающий момент в пластическом шарнире и способность профиля к характерному для изгиба повороту, что позволяет за счет дополнительного использования пластических деформаций до момента полного разрушения заметно увеличить несущую способность U-образной шпунтовой сваи.

В предлагаемой в изобретении свае местное утолщение вогнутых углов прежде всего позволяет уменьшить кривизну угловых соединений пояса сваи с ее полками, т.е. сделать их более раскрытыми. При забивании шпунтовой сваи ударным или вибрационным методами движение частиц почвы в сторону от вогнутых углов происходит, как очевидно, легче при меньшей кривизне угла. Поэтому при забивании таких свай заметного уплотнения почвы у вогнутых углов сваи не происходит, что, естественно, опять же снижает сопротивление забиванию шпунтовой сваи. Следует подчеркнуть, что наибольший эффект это дает при забивании свай в песчаные почвы.

Представляется, что наилучшие с точки зрения снижения сопротивления забиванию шпунтовой сваи результаты можно получить в том случае, если соединительные поверхности, расположенные в указанных вогнутых углах, выполнить цилиндрическими и по существу касательными к соответствующим плоскостям пояса и полки. Такое решение, однако, не является единственным и не исключает возможности выполнения вогнутых соединительных поверхностей с другим профилем, очерченным любой другой кривой, касающейся или не касающейся соответствующих сторон пояса и полки, или даже многоугольником или просто одной плоскостью, при этом, как очевидно, кривизна этого профиля должна быть достаточно большой для того, чтобы при забивании сваи частицы почвы относительно легко смещались в сторону от вогнутых углов.

Опыты, проведенные при забивании свай в стандартный песчаный грунт, показали, что энергия, затрачиваемая на забивание свай, начинает заметно снижаться в том случае, когда соединительная поверхность вогнутых углов сваи выполнена в виде касательной к соответствующим поверхностям пояса и полки цилиндрической поверхности с радиусом 75 мм. Полученный результат позволяет сделать вывод о том, что для значительного снижения продолжительности забивания сваи ее утолщение должно быть выполнено таким образом, чтобы вогнутые углы в местах соединения пояса с полками были раскрытыми и очерченными касательной к сторонам угла окружностью с радиусом, равным по меньшей мере 75 мм. Если говорить о размерах такого утолщения, то можно отметить, например, что местное утолщение сваи должно быть по крайней мере достаточным для того, чтобы воображаемая цилиндрическая поверхность, радиус которой равен по меньшей мере 75 мм и которая касается двух плоскостей, образующих вогнутый угол, соединяющий соответствующие поверхности пояса и полки при отсутствии такого утолщения, была целиком расположена внутри этого утолщения между касательными генератрисами вогнутого угла.

Следует отметить, что выпуклые углы в местах соединения пояса сваи с ее полками с внешней стороны предпочтительно выполняются со округлением, радиус которого обычно меньше или равен 25 мм, что позволяет за счет концентрации максимального количества металла у внешней части полок максимально увеличить момент инерции профиля.

Ниже изобретение более подробно поясняется описанием примера предпочтительного варианта выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны:

на фиг.1 - половина поперечного сечения сваи и

на фиг. 2 - в увеличенном масштабе участок соединения пояса с полкой шпунтовой сваи, показанной на фиг.1.

На фиг. 1 показана половина поперечного сечения предлагаемой в изобретении U-образной шпунтовой сваи. Другая половина сваи выполнена строго симметричной показанной на чертеже половине относительно плоскости симметрии, обозначенной на чертеже позицией 8. Эта шпунтовая свая имеет по существу плоский пояс 10, перпендикулярный плоскости 8 симметрии поперечного сечения сваи. Пояс 10 сваи соединен с двумя по существу плоскими полками 12, только одна из которых (левая) показана на фиг.1. Следует также отметить, что пояс 10 в целом имеет большую толщину, чем полка 12. Каждая такая полка 12 имеет элемент 14 замкового соединения, которым эта полка более или менее прочно соединяется с аналогичным элементом другой шпунтовой сваи. Центральная ось элемента 14 замкового соединения, которая проходит перпендикулярно плоскости чертежа, обозначена на чертеже позицией 15.

У показанной на чертеже шпунтовой сваи острый угол , образованный между полками и плоскостью, параллельной поясу, составляет около 74^o. Очевидно, что величина этого угла может быть как меньшей, так и большей. Обычно в шпунтовых сваях, к которым относится изобретение, угол составляет от 40 до 80^o.

В дальнейшем расположенные на внешней стороне шпунтовой сваи углы, один из которых показан на фиг. 1 стрелкой и обозначен позицией 16, а другой симметричный ему такой же угол на чертеже не показан, называются "выпуклыми углами, образованными соединениями пояса с полками" (или просто "выпуклыми углами"), а расположенные на внутренней стороне шпунтовой сваи углы, один из которых показан на чертеже стрелкой и обозначен позицией 18, а другой симметричный ему такой же угол на чертеже не показан, называются "вогнутыми углами, образованными соединениями пояса с полками" (или просто "вогнутыми углами").

Выпуклые углы 16 соединяют плоские внешние поверхности 20 полок 12 с внешней поверхностью 22 пояса 10 (см. также фиг.2). Эти выпуклые углы скруглены по радиусу и имеют радиус кривизны "r", который ограничен условиями прокатки и/или условиями безопасности (отсутствие острых кромок). Обычно радиус "r" лежит в интервале от 10 до 25 мм. Чем меньше будет величина радиуса "r", тем больше будет момент сопротивления профиля при изгибе.

У этой сваи отношение глубины к полезной ширине больше или равно 0,18 и ее полезная ширина определяется расстоянием между центральными осями элементов 14 замкового соединения, а глубина определяется расстоянием между плоскостью, проходящей через центральные оси двух элементов 14 замкового соединения, и внешней поверхностью 22 пояса 10. Но в предпочтительном варианте реализации сваи отношение глубины к полезной ширине лучше иметь большим или равным 0,25.

С целью уменьшить сопротивление забиванию шпунтовой сваи в землю в изобретении предлагается за счет местного утолщения сваи существенно уменьшить кривизну ее вогнутых углов 18. Модернизированная таким образом обычная U-образная шпунтовая свая подробно показана на фиг.2. Форма вогнутого угла 18 между поясом и полкой обычной шпунтовой сваи показана на этом чертеже пунктирной линией 24. Вогнутый угол 18 обычной сваи очерчен окружностью, а его радиус кривизны определяется технологическими особенностями процесса прокатки и приблизительно равен радиусу "r" выпуклого угла 16. Выполненное в этом углу местное утолщение 26, которое позволяет уменьшить кривизну вогнутого угла 18 и сделать его более раскрытым, изображено на этом чертеже в виде заштрихованного участка. Размеры этого утолщения 26 определяет профиль вогнутой соединительной поверхности 30. Следует отметить, что симметричный вогнутый угол сваи имеет такую же форму.

У шпунтовой сваи, показанной на фиг.1 и 2, вогнутая соединительная поверхность 30 выполнена в виде цилиндрической соединительной поверхности, касающейся плоской внутренней поверхности 32 пояса 10, и плоской внутренней поверхности 34 полки 12. Благодаря показанному на фиг.2 стрелками 36 свободному движению частиц почвы вдоль соединительной поверхности 30 в вогнутом углу 18 сваи не происходит существенного уплотнения почвы, которое препятствует забиванию U-образной шпунтовой сваи.

Следует указать, что все вышеописанное относится к горячекатаной стальной шпунтовой свае.

Опыты, проведенные при забивании свай в стандартный песчаный грунт, показали, что энергия, затрачиваемая на забивание свай, начинает заметно снижаться в том случае, когда поверхности, соединяющие пояс сваи с ее полками и расположенные в вогнутых углах сваи, выполнены в виде касательной к соответствующим поверхностям пояса и полки цилиндрической поверхности с радиусом 75 мм. На фиг.2 такой "минимальный" профиль соединительной поверхности, очерченной дугой 38 окружности, показан в виде штрихпунктирной линии. Дуга 38 окружности, касательной к двум плоскостям 32, 34, образующим вогнутый угол в месте соединения пояса с полкой при отсутствии утолщения 26, определяет минимальную толщину утолщения вогнутых углов, которая обеспечивает значительное снижение энергии, затрачиваемой на забивание сваи. Следует отметить, что при увеличении толщины утолщения вплоть до соединительной поверхности 30 не только происходит дальнейшее снижение сопротивления сваи забиванию, но и увеличивается полный изгибающий момент в пластическом шарнире, а также возрастает способность профиля к характерному для изгиба повороту. Позицией 40 на чертеже показан многоугольник, образующий соединительную поверхность, расположенную между поверхностью 30 и поверхностью 38, соответствующей минимальному утолщению угла.

Необходимо особо подчеркнуть, что описанная шпунтовая свая во многом отличается от обычных U-образных шпунтовых свай, в частности:

а) меньшим сопротивлением забиванию, которое становится особенно низким при забивании свай в песчаные почвы ударным или вибрационным методами,

б) значительным увеличением полного изгибающего момента в пластическом шарнире и способности профиля к характерному для изгиба повороту, что при одновременном уменьшении сопротивления забиванию позволяет существенно повысить эффективность процесса забивания свай,

в) более высоким сопротивлением кручению,

г) хорошим отношением "упругого момента сопротивления сечения к весу" заграждения (стены), образованного из таких шпунтовых свай за счет возможного уменьшения толщины полки и пояса вне соединяющих их друг с другом участков,

д) лучшей передачей усилий в несущих заграждениях, имеющих ограждающие конструкции и/или анкерные плиты.

В заключение следует отметить, что предлагаемая в настоящем изобретении забиваемая в грунт ударным или вибрационным способами шпунтовая свая наиболее пригодна для работы в сложных условиях.