RU2799926C1

RU2799926C1 - Tongued-and-grooved u-shaped polyhedral pile

Info

Publication number: RU2799926C1
Application number: RU2022135075A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Сорокин; Иван Васильевич Чекмарев
Original assignee: Публичное акционерное общество "Северсталь" (ПАО "Северсталь")
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2023-07-14

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention relates to the engineering protection of areas from dangerous geological processes (landslides, etc.) and hydraulic engineering construction of structures using a metal sheet pile. A U-shaped multifaceted sheet pile comprises an odd number of faces, including a bottom face, side faces symmetrically located relative to the vertical axis YY, and locking elements installed at the free ends of the extreme side faces. The faces are conjugated to each other at an angle, deg: α =180°× (1-1/(n-2))÷ 180°× (1-1/(n+2)), and the extreme side faces are set to the horizontal axis XX at an angle, deg:β =90°× (1-1/n)÷ 90°, where n is the number of pile faces, whereas ∑ (α +β )=(180° ±Δα )× (n-1), where Σ (α +β) is the sum of all angles limited by the inner surface of the pile and the horizontal axis XX, ±Δα is the deviation of the angle between the faces from the nominal, and the width of the bottom edge is 1.0 ÷ 2.0 of the maximum side face width.

EFFECT: reducing the metal consumption of sheet piles, increasing its load capacity, simplifying production, increasing the metal utilization rate, reducing storage areas and increasing the load of vehicles during the transportation of piles.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к сфере строительства в области инженерной защиты территории от опасных геологических процессов (оползней, обвалов и т.п.) и гидротехническому строительству сооружений с использованием металлического шпунта. Шпунтовые стены, образованные из металлических шпунтовых свай, могут быть использованы в качестве подпорных стен и инженерных сооружений различного назначения, в том числе при строительстве портовых и гидротехнических берегозащитных сооружений, опор мостов и ограждений котлованов.The invention relates to the field of construction in the field of engineering protection of the territory from dangerous geological processes (landslides, landslides, etc.) and hydraulic engineering construction of structures using a metal sheet pile. Sheet piling walls formed from metal sheet piles can be used as retaining walls and engineering structures for various purposes, including the construction of port and hydrotechnical bank protection structures, bridge supports and pit fencing.

Шпунтовые сваи предназначены для выполнения функции ограждений, обеспечивая предотвращение подвижки грунтовой массы, защиту котлованов и траншей от проникновения в них подземных вод. Шпунтовые сваи способны выдерживать значительные нагрузки и могут быть применены при строительстве гидротехнических сооружений.Sheet piles are designed to perform the function of fencing, preventing the movement of the soil mass, protecting pits and trenches from the penetration of groundwater into them. Sheet piles are able to withstand significant loads and can be used in the construction of hydraulic structures.

Ограждения из шпунтовых свай могут быть применены в качестве противофильтрационной завесы для защиты от затопления грунтовыми водами; для предотвращения возникновения оползней во время проведения земляных работ или при эксплуатации разных строений, для предотвращения разрушения насыпей автомобильных дорог и железнодорожных путей, для обустройства причалов и пристаней в портах, для укрепления береговых линий; при строительстве мостов и рытье каналов.Sheet pile fencing can be used as an impervious curtain to protect against groundwater flooding; to prevent the occurrence of landslides during earthworks or during the operation of various buildings, to prevent the destruction of embankments of roads and railways, to equip berths and piers in ports, to strengthen coastlines; building bridges and digging canals.

Шпунтовые сваи устанавливают в виде сплошных стен, отдельные элементы которых вплотную стыкуются между собой. Для этого в конструкции шпунтовых свай предусмотрено наличие специальных коннекторов замковых соединений из фасонных профилей.Sheet piles are installed in the form of solid walls, the individual elements of which are closely joined to each other. To do this, the design of sheet piles provides for the presence of special connectors for interlocking joints made of shaped profiles.

Наличие коннекторов замковых соединений позволяет комбинировать шпунтовые сваи с другими типами шпунтов, например, со шпунтом трубчатым сварным.The presence of interlock connectors allows you to combine sheet piles with other types of sheet piles, for example, with welded tubular sheet piles.

Из уровня техники известна шпунтовая свая корытного типа, конструкция которой включает желоб, замки и пазы. Материалом для изготовления элемента служит легированная сталь16ХГ (холодное штампование) или обычная сталь Ст3сп, Ст3кп горячей прокатки. Ширина шпунтовой сваи корытного типа находится в диапазоне 466 – 543 мм, а высота в диапазоне 196 – 237 мм (http://stroilkino.ru/articles/12_shpunt-larsena-l5-i-l5-um/).From the prior art known sheet pile trough type, the design of which includes a chute, locks and grooves. The material for the manufacture of the element is alloy steel 16KhG (cold stamping) or ordinary steel St3sp, St3kp hot rolling. The width of the sheet pile of the trough type is in the range of 466 - 543 mm, and the height is in the range of 196 - 237 mm (http://stroilkino.ru/articles/12_shpunt-larsena-l5-i-l5-um/).

Недостатком такой конструкции шпунтовой сваи является ограниченная ширина шпунтовой сваи, что приводит к использованию большего количества элементов шпунтового контура и стыковых соединений на погонный метр шпунтовой стенки, в результате чего увеличивается металлоемкость шпунтового контура, повышается трудоемкость строительных работ и увеличиваются сроки строительства.The disadvantage of this sheet pile design is the limited width of the sheet pile, which leads to the use of a larger number of sheet pile elements and butt joints per linear meter of the sheet pile wall, resulting in an increase in the metal intensity of the sheet pile, increased labor intensity of construction work and increased construction time.

Известна шпунтовая свая (патент RU 19542 U1, МПК E02D5/12, опубл. 10.09.2001 г.), включающая корпус с боковыми кромками, охватывающий и охватываемый замковые элементы, прикрепленные к боковым кромкам корпуса, отличающаяся тем, что корпус имеет форму цилиндрического сегмента с радиальным углом не более 180⁰, вырезанного из круглой трубы по линиям, параллельным ее оси.A sheet pile is known (patent RU 19542 U1, IPC E02D5/12, publ. 09/10/2001), including a body with side edges, enclosing and being covered by locking elements attached to the side edges of the body, characterized in that the body has the shape of a cylindrical segment with a radial angle of not more than 180⁰, cut from a round pipe along lines parallel its axes.

Недостатком конструкции шпунтовой сваи полукруглого типа является трудоемкий неэффективный способ ее изготовления, высокая себестоимость изготовления сваи и низкий коэффициент использования металла. Другом недостатком шпунтовой сваи полукруглого типа является зависимость от сортамента трубы большого диаметра, что затрудняет подбор оптимального варианта при строительстве шпунтовой стены.The disadvantage of the semicircular sheet pile design is the labor-intensive, inefficient method of its manufacture, the high cost of manufacturing the pile, and the low metal utilization rate. Another disadvantage of a semicircular sheet pile is the dependence on a large diameter pipe assortment, which makes it difficult to select the best option for the construction of a sheet pile wall.

Ближайшим аналогом заявленного устройства является сварная шпунтовая свая (патент RU 208422 U1, МПК E02D5/12, опубл. 17.12.2021 г.), конструкция которой расположена по линии полукруга и содержит присоединенные к боковым сторонам профили для создания замкового соединения, отличающаяся тем, что шпунтовая свая выполнена из семи граней, расположенных по линии полукруга в виде хорд, соединяющие смежные участки под тупым углом, при этом пять внутренних граней имеют ширину, находящуюся в диапазоне 0,95-1,05 от их наименьшей ширины, а две боковые грани расположены по краям и имеют ширину в 1,9-2,1 раза меньше, чем наименьшая ширина одной из пяти внутренних граней, при этом к двум граням присоединены профили для создания замкового соединения.The closest analogue of the claimed device is a welded sheet pile (patent RU 208422 U1, IPC E02D5/12, publ. 12/17/2021), the design of which is located along the line of a semicircle and contains profiles attached to the sides to create a lock connection, characterized in that the sheet pile is made of seven faces located along the line of a semicircle in the form of chords connecting adjacent sections at an obtuse angle, while five inner faces have a width in the range of 0.95-1.05 of their smallest width, and two side faces are located at the edges and have a width 1.9-2.1 times less than the smallest width of one of the five inner faces, while profiles are attached to the two faces to create an interlock connection.

Недостатком данного технического решения является низкий коэффициент использования металла из-за ограничения расположения граней по форме полукруга и, соответственно, ограничения соотношения ширины сваи к ее высоте (2:1), большие площади для складирования и низкая загрузка транспорта при перевозке свай при ограничении складирования и упаковки свай одна в одну и, как следствие, большой высоты пакетов из-за выполнения крайних боковых граней параллельными оси симметрии сваи.The disadvantage of this technical solution is the low utilization rate of the metal due to the limitation of the location of the edges in the shape of a semicircle and, accordingly, the limitation of the ratio of the width of the pile to its height (2:1), large areas for storage and low load of transport during the transportation of piles with limited storage and packing of piles one in one and, as a result, a large height of the packages due to the execution of the extreme side faces parallel to the axis of symmetry of the pile.

Технический результат изобретения состоит в уменьшении металлоемкости шпунтовой сваи, повышении ее нагрузочной способности, упрощении производства, повышении коэффициента использования металла, уменьшении площадей при складировании и увеличении загрузки транспорта при перевозке свай. The technical result of the invention consists in reducing the metal consumption of sheet piles, increasing its load capacity, simplifying production, increasing the metal utilization rate, reducing storage areas and increasing the load of vehicles during the transportation of piles.

Указанный технический результат достигается тем, что шпунтовая U-образная многогранная свая, содержит нечетное количество граней, в том числе донную грань, симметрично расположенные относительно вертикальной оси Y-Y боковые грани и замковые элементы, установленные на свободных концах крайних боковых граней, при этом грани сопряжены между собой под углом, град: This technical result is achieved by the fact that the U-shaped multifaceted sheet pile contains an odd number of faces, including the bottom face, side faces symmetrically located relative to the vertical Y-Y axis and locking elements installed at the free ends of the extreme side faces, while the faces are conjugated to each other at an angle, deg:

α=180°х(1-1/(n-2)) ÷ 180°х(1-1/(n+2)), α=180°х(1-1/(n-2)) ÷ 180°х(1-1/(n+2)),

а крайние боковые грани установлены к горизонтальной оси X-X под углом, град:and the extreme side faces are set to the horizontal X-X axis at an angle, deg:

β=90°х(1-1/n) ÷ 90°, β=90°х(1-1/n) ÷ 90°,

где n – число граней сваи, where n is the number of pile faces,

при этом Σ(α+β)=(180° ± Δα)x(n-1), while Σ(α+β)=(180° ± Δα)x(n-1),

где Σ(α+β) - сумма всех углов, ограниченных внутренней поверхностью сваи и горизонтальной осью X-X, where Σ(α+β) is the sum of all angles bounded by the internal surface of the pile and the horizontal axis X-X,

± Δα - отклонение угла между гранями от номинала, ± Δα - deviation of the angle between the faces from the nominal value,

а ширина донной грани составляет 1,0 ÷ 2,0 максимальной ширины боковой грани. and the width of the bottom edge is 1.0 ÷ 2.0 of the maximum width of the side edge.

Способ изготовления заявленной шпунтовой сваи более простой и технологичный и позволяет изготовить шпунтовую сваю более прочной конструкции с меньшей металлоемкостью (по отношению к аналогам). The method of manufacturing the claimed sheet piles is simpler and more technologically advanced and makes it possible to manufacture a sheet pile of a more durable design with a lower metal consumption (in relation to analogues).

Способ производства сваи включает следующие стадии: изготовление заготовки (горячекатаного листа), роспуск горячекатаного листа на необходимую ширину, профилирование заготовки в профилегибочном прокатном стане, присоединение к заготовке профилей замковых соединений. The pile production method includes the following stages: production of a workpiece (hot-rolled sheet), dissolution of the hot-rolled sheet to the required width, profiling of the workpiece in a roll-forming rolling mill, attaching lock joint profiles to the workpiece.

Возможно, также, изготовление шпунта методом гибки граней на кромкогибочном прессе. It is also possible to manufacture a sheet pile by bending the edges on a press brake.

Выполнение крайних боковых граней с наклоном β=90°х(1-1/n) ÷ 90° к горизонтальной оси X-X сваи позволяет эффективно складировать сваи в пакеты одна в одну и, соответственно, уменьшить высоту пакетов свай, снизить площади под складирование и увеличить загрузку транспорта при перевозке свай. The implementation of the extreme side faces with an inclination of β=90°x(1-1/n) ÷ 90° to the horizontal axis X-X of the pile allows you to effectively store the piles in packs one to one and, accordingly, reduce the height of the packs of piles, reduce the area for storage and increase the load of transport during the transportation of piles.

Экспериментально установлено, что сопряжение граней сваи между собой под углом α=180°х(1-1/(n-2)) ÷ 180°х(1-1/(n+2)) и выполнение ширины донной грани сваи величиной равной 1,0÷2,0 максимальной ширины боковой грани, позволяют повысить нагрузочную способность сваи и увеличить коэффициент использования металла. Соединение двух боковых граней сваи поперечными пластинами позволяет обеспечить складирование и транспортировку свай в пакетах с минимальными зазорами между боковыми гранями и замковыми соединениями без повреждений. It has been experimentally established that the pairing of the pile faces with each other at an angle α=180°х(1-1/(n-2)) ÷ 180°х(1-1/(n+2)) and making the width of the bottom face of the pile equal to 1.0÷2.0 of the maximum width of the lateral face make it possible to increase the load capacity of the pile and increase the metal utilization factor. The connection of the two side faces of the pile with transverse plates allows for the storage and transportation of piles in packages with minimal gaps between the side faces and interlocks without damage.

Также, экспериментально установлено, что для обеспечения симметрии сваи по оси Y-Y необходимо выполнение условия: Σ(α+β)=(180° ± Δα)x(n-1). При этом, Δα принимается не более 2,0°.Also, it has been experimentally established that to ensure the symmetry of the pile along the Y-Y axis, the following condition must be met: Σ(α+β)=(180° ± Δα)x(n-1). In this case, Δα is taken no more than 2.0°.

Конструкция заявленной шпунтовой сваи поясняется фигурами 1 и 2.The design of the claimed sheet pile is illustrated by figures 1 and 2.

На фиг. 1 показано сечение профиля сваи где:In FIG. 1 shows a section of the pile profile where:

Х-Х – горизонтальная ось по центрам замковых соединений;X-X - horizontal axis along the centers of the interlocks;

Y-Y – вертикальная ось симметрии сваи;Y-Y - vertical axis of symmetry of the pile;

α₁, α₂ – углы сопряжения между гранями сваи;α ₁ , α ₂ - conjugation angles between the faces of the pile;

β – угол между крайними боковыми гранями гранями и горизонтальной осью Х-Х;β is the angle between the extreme side faces of the faces and the horizontal axis Х-Х;

1 - конструкция шпунтовой сваи;1 - sheet pile design;

2, 3 – боковые грани сваи;2, 3 - side faces of the pile;

4 – донная грань сваи;4 - bottom face of the pile;

5, 6 – профили замкового соединения;5, 6 - profiles of the interlock;

7 – поперечная пластина (затяжка).7 - transverse plate (tightening).

На фиг. 2 показано выполнение шпунтовой стенки по синусоидальной линии с использованием заявленного изобретения, где:In FIG. 2 shows the execution of a sheet pile wall along a sinusoidal line using the claimed invention, where:

8 – замковое соединение;8 - lock connection;

9 – тело шпунтовой сваи.9 - sheet pile body.

Шпунтовая U-образная многогранная свая (1) содержит нечетное количество граней (например: 5 или 7), в том числе боковые (2, 3) и донную (4), симметрично расположенные относительно вертикальной оси Y-Y. На свободных концах крайних боковых граней (3) установлены профили (5, 6) для создания замкового соединения в шпунтовой стенке. Грани (2, 3, 4) сваи (1) сопряжены между собой под углом α=180°х(1-1/(n-2)) ÷ 180°х(1-1/(n+2)), а крайние боковые грани установлены под углом β=90°х(1-1/n) ÷ 90° к горизонтальной оси X-X, где n – число граней сваи, при этом ширина донной грани составляет 1,0 ÷ 2,0 максимальной ширины боковой грани. Две боковые грани (2) соединены между собой, по длине сваи, по меньшей мере двумя поперечными пластинами (7). При этом, выполнение сваи с шириной донной грани менее 1,0 максимальной ширины боковой грани не целесообразно из-за снижения несущей способности профиля сваи (момент сопротивления сечения профиля сваи изгибу), а выполнение донной грани шириной более 2,0 максимальной ширины боковой грани приводит к снижению местной устойчивости профиля сваи. Sheet pile U-shaped multifaceted pile (1) contains an odd number of faces (for example: 5 or 7), including side (2, 3) and bottom (4), symmetrically located relative to the vertical axis Y-Y. Profiles (5, 6) are installed at the free ends of the extreme side faces (3) to create a lock connection in the sheet pile wall. The faces (2, 3, 4) of the pile (1) are connected to each other at an angle α=180°x(1-1/(n-2)) ÷ 180°x(1-1/(n+2)), and the extreme side faces are set at an angle β=90°x(1-1/n) ÷ 90° to the horizontal axis X-X, where n is the number of pile faces, while the width of the bottom edge is 1.0 ÷ 2.0 maximum side face width. Two side faces (2) are interconnected along the length of the pile by at least two transverse plates (7). At the same time, making a pile with a width of the bottom face less than 1.0 of the maximum width of the side face is not advisable due to a decrease in the bearing capacity of the pile profile (the moment of resistance of the section of the pile profile to bending), and making the bottom face with a width of more than 2.0 of the maximum width of the side face leads to a decrease in the local stability of the pile profile.

Ниже приведены характеристики свай с разным количеством граней:Below are the characteristics of piles with different number of faces:

- пятигранная свая - α°=120°÷154°; β°=72°÷90°, Σ(α+β)=716°÷724° при Δα=1,0°;- five-sided pile - α°=120°÷154°; β°=72°÷90°, Σ(α+β)=716°÷724° at Δα=1.0°;

- семигранная свая - α°=144°÷160°; β°=77°÷90°, Σ(α+β)=1074°÷1086° при Δα=1,0°.- seven-sided pile - α°=144°÷160°; β°=77°÷90°, Σ(α+β)=1074°÷1086° at Δα=1.0°.

Многогранная шпунтовая свая выполняется из горячекатаного листа стали заданной ширины. Заявленное изобретение предусматривает возможность использования высокопрочных марок стали для изготовления указанной сваи.A polyhedral sheet pile is made from a hot-rolled steel sheet of a given width. The claimed invention provides for the possibility of using high-strength steel grades for the manufacture of said pile.

За счет многогранности, где грани создают ребра жесткости по всей длине сваи, прочность конструкции заявленного изобретения повышается, по сравнению с прочностью конструкции из ближайшего аналога. В конструкции шпунтовой сваи предусматривается установка поперечных пластин (затяжек), предназначенных для выполнения условий транспортировки, хранения и обеспечивающих геометрическую неизменяемость в процессе погружения шпунтовых свай.Due to the versatility, where the edges create stiffeners along the entire length of the pile, the strength of the structure of the claimed invention is increased compared to the strength of the structure of the closest analogue. The design of a sheet pile provides for the installation of transverse plates (puffs) designed to meet the conditions of transportation, storage and ensure geometric invariability in the process of driving sheet piles.

Снижение металлоемкости обусловлено тем, что применение заявленного изобретения позволяет подобрать оптимальную конструкцию сваи исходя из геометрических и механических характеристик, а также комбинировать с другими типами шпунта.The decrease in metal consumption is due to the fact that the application of the claimed invention allows you to select the optimal design of the pile based on the geometric and mechanical characteristics, as well as combine it with other types of sheet pile.

Заявленная конструкция шпунтовой сваи может быть применена для возведения шпунтовых стенок различного типа, расположенных синусоидально, арочно или в виде комбинированной системы, например, с использованием круглой трубы.The claimed design of a sheet pile can be used for the construction of sheet piles of various types, located sinusoidally, arched or in the form of a combined system, for example, using a round pipe.

По сравнению с другими известными решениями, при использовании указанной конструкции сваи, снижается трудоемкость и сокращаются сроки возведения шпунтовой стенки. Также уменьшается количество стыковых соединений, приходящихся на погонный метр шпунтовой стенки (за счет увеличенных размеров, по отношению к другим типам шпунтовых свай, например, корытного типа). Применение заявленной сваи позволяет повысить коэффициент использования металла, уменьшить площади при складировании и увеличить загрузку транспорта при перевозке свай.Compared to other known solutions, when using this pile design, labor intensity is reduced and the time for building a sheet pile wall is reduced. Also, the number of butt joints per linear meter of a sheet pile wall is reduced (due to increased dimensions, in relation to other types of sheet piles, for example, trough type). The application of the claimed piles allows to increase the utilization rate of the metal, reduce the storage area and increase the load of vehicles during the transportation of piles.

Claims

A U-shaped polyhedral sheet pile containing an odd number of faces, including a bottom face, side faces symmetrically located relative to the vertical Y-Y axis and locking elements installed at the free ends of the extreme side faces, characterized in that the faces are mated to each other at an angle, deg:

α=180°×(1-1/(n-2)) ÷ 180°×(1-1/(n+2)),

and the extreme side faces are set to the horizontal X-X axis at an angle, deg:

β=90°×(1-1/n) ÷ 90°,

where n is the number of pile faces,

while ∑(α+β)=(180° ± Δα)×(n-1),

where ∑(α+β) is the sum of all angles bounded by the inner surface of the pile and the horizontal axis X-X,

± Δα - deviation of the angle between the faces from the nominal value,

and the width of the bottom face is 1.0÷2.0 of the maximum width of the side face.