Конструктивно-технологические решения подпорных стен из сварного трубчатого шпунта для транспортного строительства специальность
Анализ таблицы 2 показывает, что подпорные стены из ШТС при увеличении диаметра трубы с 720 мм до 820 мм и 1220 мм сохраняют несущую способность и имеют некоторый запас по моменту сопротивления К820 = 107,3 % и К1220 = 142,3%. Подпорные стены из шпунтовых свай типа Ларсен – 5 и Hoesch 215 через 25 лет эксплуатации в условиях с интенсивностью коррозии 0,1 мм/год будут иметь несущую способность на 10 % меньше принятой в сравнительных расчётах (W 2900 см3 /п. м.), не обеспечат условия безопасной эксплуатации и требуют затрат на их ремонт.
В третьей главе приведены рекомендации по изготовлению и проектированию подпорных стен из шпунтов трубчатых сварных заводского изготовления, по выбору оборудования и определению параметров погружения трубчатых свай, методам усиления подпорных стен и особенности их возведения на основаниях из скальных грунтов.
Изготовление разработанных соискателем профилей ШТС организовано в «Тресте Запсибгидрострой» в г. Сургуте с использованием комплекта специального оборудования и стендов в соответствии с сортаментом и требованиями ГОСТ Р 52664-2010 «Шпунт трубчатый сварной. Технические условия».
Комплект заводского оборудования «Треста Запсибгидрострой» обеспечивает изготовление 300-350 тонн ШТС в месяц в цехе завода размером 72х18 м в плане, высотой 7м, оснащенным краном грузоподъемностью до 10 т. На рис.9 приведена принципиальная схема стенда по подготовке замковых соединений ШТС методом продольной резки и на основе непрерывно-поточного производства. Стенд имеет коробчатый корпус 1 на опорах 2. Внутри корпуса установлено несколько вкладышей 9, имеющих форму разрезаемого шпунта. В торце корпуса стенда размещена площадка 6 для передвижения полуавтомата 4, на котором установлена режущая горелка 3 и сопло 5 для подачи воды. Корпус 1 стенда оснащен сливным патрубком, зумпфом и насосом.
Рисунок 9 – Стенд заготовки замковых соединений
Шпунтовую сваю, например Л5 (рис.9), устанавливают мостовым краном на вкладыши 9, включают полуавтомата 4, горелку 3, устройства перемещения и подачи воды. С торцов заготовок замковых соединений удаляют окалины после резки.
На рис.10 представлена схема стенда для сборки ШТС. Стенд (рис.10) содержит раму 1, выполненную из швеллеров № 20 длиной 12 м и шириной 1,2 м. На раме смонтированы опоры 2, сваренные между собой стенками 4 и 12. Опоры 2 имеют вырезы под трубу 820 мм. Для изготовления ШТС с трубами 530 1440 мм стенд снабжен вкладышами 3 соответствующих размеров. В верхней части опоры 2 с двух сторон закреплены ограничители 11 и шарнирная опора 5, с пальцами 6, хомутами 7, зажимами 8 и 10, вкладышами 9 и эксцентриковыми зажимами 13. ШТС изготавливают на стенде рис5 путем закрепления трубы на опорах 2 со вкладышами 3.
Рисунок 10 – Стенд для изготовления ШТС
Каждый технологический цикл изготовления ШТС на стендах рис.9 и 10 подвергается соответствующему операционному контролю. ШТС изготавливают в «Тресте Запсибгидрострой» с точностью исключающей необходимость ручной подгонки на строительной площадке.
В соответствии с действующими нормативными документами несущую способность подпорных стен из шпунтов трубчатых сварных при проектировании рассчитывают по наибольшему изгибающему моменту для сечения вблизи проектного дна, подбирая по сортаменту, с учетом коэффициента запаса, параметры ШТС. Данные методы расчётов разработаны десятки лет тому назад и мало приспособлены для учета возведения сооружений практически полностью изготовленных в заводских условиях на основе применения новых строительных конструкций – стальных шпунтов трубчатых сварных. Анализ проектных решений и примеров расчётов показал технические и конструктивные преимущества возведения подпорных стен из ШТС приведенных в таблице 1 и на рисунке 1.
Подпорные стены из ШТС заводского изготовления рекомендуется проектировать таким образом, чтобы их возведение или реконструкция проводились с учетом физического износа сооружения и на основе экономических критериев. Результаты расчётов, испытания работы ШТС на моделях и натурные обследования на ряде объектов показали, что предельное состояние (отказ или разрушение) в связи с коррозионными воздействиями не обязательно должны произойти на участке действия максимального изгибающего момента в подпорной стене. Для подпорных стен из ШТС, по результатам мониторинга, установлена высокая вероятность нарушения устойчивости подпорной стены в связи с интенсивными процессами коррозии на участке переменного уровня воды вплоть до разрушения и нарушения условий безопасной их эксплуатации.
На основе анализа расчётов подпорных стен из шпунтов корытного профиля типа Л 5 и ШТС установлены принципиальные отличия, которые влияют на долговечность работы конструкций и которые следует учитывать при проектировании. В зависимости от места расположения в подпорной стене: со стороны свободной поверхности (акватории) или со стороны обратной засыпки, в шпунтовой свае типа Л5 возникают противоположные по знаку напряжения. ШТС в конструкции подпорной стены имеет двузначную эпюру напряжений, характерную для работы сваи при изгибе.
Вопросы погружения свай, выбор оборудования и динамические испытания в разные годы исследовали Н.М. Герсеванов, С.М. Рак, Д.Д. Баркан, Б.В. Бахгольдин, Л.Я. Гинзбург, И.Е. Школьников и другие ученые и практики. Исследовались, в основном, вопросы, связанные с деформациями и напряжениями в грунте при погружении свай. Нештатные ситуации, например, поведение сваи внезапно натолкнувшейся при погружении на препятствие, как правило, не рассматривалось.
При погружении замковые соединения шпунтовых свай типа Ларсен подвергаются растягивающим и сжимающим напряжениям, которые при определенных условиях приводят к «веерности» подпорной стены. В отличии от них, практически одинаковая жесткость ШТС в плане обеспечивает «удобство» их забивки и отсутствие «ухода в сторону» замковых соединений или их раскрытия. Натурные исследования показали, что ШТС более приспособлены к восприятию продольных и поперечных нагрузок, возникающих при забивке свай. Это обстоятельство имеет значение в тех случаях, когда в процессе погружения шпунтовая свая встречает препятствие в виде различных включений (валунов, топляков, линз мерзлых грунтов) или в связи с локальными изменениями физико-механических свойств грунтов основания.
Сопоставительный анализ технологической эффективности конструкций шпунтовых свай показал преимущества ШТС в сравнении с Л5.
Допускаемый крутящий момент для шпунтовой сваи Л5-УМ шириной 0,5 м производства НТГМ из стали С 255 (М из л = 77,4 тм/п.м) равен М кр. доп. л5 = 0,92 тсм. Для её скручивания требуется усилие в 1,84 тс (0,92 тсм./0,5 м = 1,84 тс). ШТС-720-10-ШК1 с расстоянием между замками в 1,136 м, близкий к Л5-УМ по несущей способности, изготовленный из стали ВСт3сп (М из штс = 83,5 тм/п.м.) имеет допускаемый крутящий момент М кр.доп. штс = 106,3 тсм. и предельное горизонтальное усилие в 93,6 тс (106,3 тсм./1,136 м = 93,6 тс.), что в 49 раз больше, чем у Л5-УМ.
Следовательно, при прочих равных условиях, вероятность появления предельных деформаций при погружении у подпорных стен из шпунта типа Л5-УМ выше, чем у ШТС «Треста Запсибгидрострой».
В диссертационной работе соискателем разработаны рекомендации по повышению несущей способности подпорных стен из ШТС, в конструкции которой имеется стальная полая труба. Очевидно, что наиболее просто и технологично повышать несущую способность подпорных стен из ШТС путем выемки грунта из внутренней полости трубы шпунтовой сваи и размещения в ней одной из конструкций усиления: смеси песка с цементом, железобетона с арматурным каркасом или замораживающего устройства, при строительстве в криолитозоне. Натурные исследования показали, что конструкция усиления в трубе ШТС повышает несущую способность подпорной стены (рис.11) и замедляет процессы коррозии, повышая срок эксплуатации сооружения.
Для разработки и извлечения грунта из трубы ШТС рекомендуется эрлифт с оборотным водоснабжением. При возведении подпорной стены на твердых и скальных грунтах рекомендуется совместная работа эрлифта со шнеком или грейфером.
Для засыпки пазух подпорных стен и внутренней полости труб ШТС предлагается использовать непучинистые песчаные грунты средней крупности с углом внутреннего трения 30° и степенью неоднородности Cu =d60/d10 > 3,0. Песок с цементом рекомендуется смешивать в количестве 5:1 по массе и уплотнять до I d 0,9 1,0.
Повышение несущей способности подпорных стен из ШТС путем размещения стального каркаса и заполнения трубы бетоном обеспечивает увеличение жесткости конструкции в 1,5 – 2,5 раза.
Рисунок 11 – Повышение жесткости ШТС от размещения в трубе бетона (К-1); мерзлого грунта (К-2); смеси цемента и песка (К-3); труба без заполнителя (К-4).
При этом, срок эксплуатации подпорной стены из ШТС и её межремонтный период, при определенных условиях, может быть увеличен в два раза.
На основе анализа результатов натурных исследований и опыта применения замораживающих устройств при строительстве больверка в порту Ямбург, рекомендуется в качестве конструкций усиления ШТС и повышения несущей способности подпорных стен применять охлаждающие устройства воздушного типа или жидкостные с естественной конвекцией теплоносителя. Технология усиления путем размещения внутри трубы ШТС замораживающего устройства (рис.12) при возведении сооружения в криолитозоне и восстановлении грунтов основания в мерзлом состоянии.
1 – труба ШТС; 2 – воздушная замораживающая система;
3 – проектируемая граница мерзлого грунта.
Рисунок 12 – Воздушная замораживающая система в трубе ШТС
Проектирование и возведение набережной на р. Ангара в г. Иркутске на основании из скальных грунтов (рис.1-д) выполнили на основе технических решений, новизна которых приведена в патенте РФ, № 2382846 и патенте РФ на полезную модель № 106264.
Пробные погружения ШТС в скальные грунты (песчаники) привели к смятию острия трубы (рис.13). При увеличении сопротивления грунта под концом сваи до 800 кН напряжения в ШТС увеличивались с 180 МПа до 270 МПа или в 1,5 раза.
Проект корректировали, заменив оборудование для забивки ШТС на гидравлическое с регулируемыми параметрами и амортизаторами специальной конструкции. При этом, усилили торцы труб стальными сварными накладками толщиной в 20 мм и шириной 300 мм обеспечив успешное завершение работ (рис.14, рис.15) и погружение ШТС на 80-120 см в скальные грунты.
Рисунок 13 - Смятие острия пробной Рисунок 14 – Результат погружения
сваи при погружении в скальный ШТС на глубину 0,8 -1,2 м в
грунт песчаник. Шпунтовая свая, торец
которой усилен накладками, после
извлечения на поверхность и выреза
части трубы по образующей.
Рисунок 15 – Иркутск, р. Ангара, строительство набережной из ШТС
на основании из скальных грунтов
В четвертой главе приведены рекомендации по проектированию и технико-экономические показатели эффективности возведения и эксплуатации подпорных стен из ШТС.
По результатам натурных испытаний «Трест Запсибгидрострой» изготавливает ШТС оригинальной конструкции с левым и правым замковыми соединениями одинакового профиля (рис.1). Каждый из них выполнен в виде паза (обоймы) или ответной части (гребня). При погружении ШТС такой конструкции не имеет значения, какое из замковых соединений будет левым, а какое – правым, что упрощает монтажные и такелажные работы на строительстве подпорных стен. Более существенный эффект установлен при забивке их молотом или вибропогружении. ШТС симметричного профиля погружают на проектную глубину прикладывая ударные нагрузки в ядро сечения, что повышает качество подпорных стен в сравнении с Л4, Л5 и Л5-У.
На основе результатов исследований по замене в ШТС замковых соединений импортного производства разработана конструкция (рис.1-б) из рядового проката, включающего уголки и перемычку. В качестве гребня для такого замкового соединения ШТС в «Тресте Запсибгидрострой» применяют половину двутавровой балки или сдвоенные уголки. У замковых соединений такой конструкции снижен расход металла по сравнению с замковыми соединениями на основе Л4 и Л5. Испытания показали, что такие замковые соединения ШТС обладают повышенной грунтонепроницаемостью в сравнении с Л4 и Л5 и имеют не менее 2000 кН/п.м. на разрыв. Недостатком их является необходимость выполнения шести продольных сварных швов при изготовлении ШТС, по сравнению с четырьмя для Л4 и Л5, а также сложности нанесения антикоррозийного покрытия в полосе замкового соединения.
При разработке рекомендаций по проектированию профилей ШТС принимали во внимание, что снижение стоимости изготовления шпунтовых свай путем исключения сложных и дорогих конструктивных решений, использования наиболее дешевых материалов и наиболее простых способов их обработки решается только часть задачи о необходимости повышения экономичности подпорных стен. Так, например, дополнительное ребро жесткости, сравнительно усложняющее конструкцию и изготовление ШТС, повышает усилие на разрыв замкового соединения в 1,5-2,0 раза, по сравнению с аналогом Японии. При этом ШТС, с рекомендуемым нами замковым соединением, получил не только дополнительное сопротивление на растяжение, но и повышенную водонепроницаемость подпорных стен.
Выбор сталей для изготовления строительных конструкций, в том числе ШТС, регламентирован нормативными документами прошлого столетия, когда действовали жесткое ограничения на применение металлов в строительстве, а безопасность возведения и эксплуатации сооружений не была приоритетной. Эффективность работы металла в ШТС, по принятой в строительстве методике, оценивали коэффициентом К=W/Q; где W – момент сопротивления, см3; Q -масса м2 шпунтовой сваи. Коэффициент использования стали для профилей ШТС с замковыми соединениями, новизна которых защищена патентами, равен К об 30 и выше, чем у соединений типа Ларсен (Кл 20). При этом, для возведения подпорной стены с М из 75 тс м из шпунтовых свай Л5 требуется 227,9 кг/м2 стали, а из ШТС – 201,9 кг /м2 или на 13 % меньше. Увеличение несущей способности ШТС и предельно допустимых изгибающих моментов на 1 м2 является одним из основных направлений ресурсосбережения на транспортном строительстве, повышения надежности и безопасности эксплуатации сооружений. Изготовление ШТС из стали марки 16Г2АФ, в сравнении со сталью марки ВСт.3сп, обеспечивает в 1,7 раза увеличение несущей способности 1 м2 подпорной стены при равном расходе металла. Ресурсосбережение и снижение расхода материалов за счет повышения качества стали наиболее характерно для шпунтовых свай изготовленных в Люксембурге и Японии. В последнее время эти принципы стали основополагающим при изготовлении ШТС в «Тресте Запсибгидрострой».
За рубежом стоимость сварного шпунта обычно в среднем в 2,03,0 раза выше стоимости шпунтовых свай традиционного прокатного профиля. Очевидно, что и в России организовать производство ШТС из труб и замковых элементов импортного производства в конкурентоспособном ценовом коридоре весьма не просто. Однако, в Западной Сибири с 90-ых годов проводится интенсивный мониторинг и демонтаж продуктопроводов, в связи с истечением срока безопасной эксплуатации стальных труб. На рынок вторичного сырья для переработки ежегодно поступает до 500 тысяч тонн стальных труб, из которых не менее 80% сохранили потребительские свойства и отвечают требованиям действующих нормативных документов для применения в строительстве.
Проблема рационального использования вторичных ресурсов актуальна как для стран с развитой рыночной экономикой, так и вставших на пути её развития. Реализация отходов одной отрасли промышленности в другой на основе всесторонней технико-экономической оценки эффективности процессов утилизации, транспортирования и переработки входит в программу ряда отраслей промышленности РФ.
Около двадцати лет тому назад нами была поставлена задача о возможности использования труб с участков демонтированных продуктопроводов для изготовления ШТС. Для реализации разработали следующие регламенты (стандарты организации):
- определения на начальном этапе пригодности труб для применения при изготовлении ШТС или их выбраковка, основанная на визуальном осмотре и оценки внешних признаков трубы: кривизне обследуемого участка по длине, эллипсоидности её поперечных сечений, наличию и количеству вмятин на поверхности, присутствию сквозных отверстий и разрывов;
- определение степени очаговой коррозии на основе результатов выборочной механической очистки участков трубы от оклеечной и битумной антикоррозийной защиты;
- поиск исходных документов на трубы и сертификаты качества.
При положительных результатах начального этапа и для принятия решения о возможности использования труб данного участка продуктопро-вода, в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52664-2010, отбирают пробы металла трубы и её сварных соединений для испытаний в лаборатории и подготовки соответствующего заключения. В лаборатории определяют химический состав и марку образцов стали трубы и её сварных соединений, предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, угол загиба, ударную вязкость, в том числе при отрицательных температурах и твердость. Результаты заключения служат основой для принятия решения об использовании труб с демонтированного участка продуктопровода, доставки на полигон и подготовке к производству ШТС.
Работа завода «Треста Запсибгидрострой» в г. Сургуте по изготовлению ШТС, как правило, организована «под заказ». На 2011 год объем производства ШТС составил около 150 тысяч тонн, из которых в различных регионах страны возведены подпорные стены транспортных сооружений различного назначения суммарной протяженностью превышающей 39 км.
Технико-экономическая эффективность проектирования и изготовления подпорных стен из ШТС «Треста Запсибгидрострой», в сравнении со шпунтовыми сваями типа Л4, Л5, изготовленными на ДМК Украины или типа Л5-УМ, производства НТМК России, характеризуется:
- снижением расхода металла на 15-22 % или около 22 тысяч тонн с начала производства ШТС в «Тресте Запсибгидрострой»;
- потребностями снижения энергии (кДж) для погружения;
- снижением для каждой шпунтовой сваи трудовых (не менее чем на 6,8 Чел.-ч.) и денежных (от 3,0 до 4,0 тыс. руб.) затрат;
- увеличенной в 2,3-2,6 раза шириной ШТС и, соответственно, наличием меньшего количества замковых соединений, снижением расходов на гидроизоляцию и затрат на организацию отвода фильтрационных вод;
- решением крупной народно-хозяйственной проблемы утилизации практически на месте демонтированных труб продуктопроводов.
