Меню

Эффективные конструкции шпунтовтрубчатых сварных – опыт и перспективыприменения в строительстве

А.А. ЦЕРНАНТ, доктор техн. наук, профессор, Н.А. ЕФРЕМОВ, канд. техн. наук, ОАО «ЦНИИС»;

В.В. ГОНЧАРОВ, канд. техн. наук, генеральный директор ООО «Трест Запсибгидрострой»

В статье рассмотрены результаты разработки конструкцийшпунтов трубчатых сварных, эффективность которых по несу-щей способности и расходу металла превышает отечественныеи зарубежные аналоги, приведены примеры их применения наобъектах строительства и перспективы использования в экстремальных природно-климатических условиях.

В 2012 г. гидротехнические строители Рос-сии и их коллеги отметили знаменательноесобытие – 35-летие образования ООО «ТрестЗапсибгидрострой». За прошедшие десятилетиятрест по праву стал одной из ведущих организаций страны в транспортном гидротехническомстроительстве. Благодаря профессионализму и опыту его инженеров и рабочих созданы многиеуникальные объекты и сооружения в Обь-Ир-тышском бассейне, регионах добычи нефти и газа, а также в европейской части России. Приоритетная роль в успехах и достижениях трестанеразрывно связана с разработкой конструкций, организацией серийного производстваи применением стальных шпунтов трубчатыхсварных (ШТС) в проектах и при возведениимногочисленных гидротехнических и транспортных объектов. Ресурсосберегающие иэффективные конструкции ШТС и технологиивозведения из них подпорных стен во многом являются результатом системно увязанной работы «Запсибгидростроя» и ЦНИИС [1] наоснове поиска и реализации конкурентоспособных решений в условиях динамично меняющегося общества с рыночной экономикой хозяйствования.

Таблица 1. Варианты замковых соединений ШТС треста «Запсибгидрострой»

№п.п. Тип замковогосоединения Схема замковогосоединения ШТС Усилие Nср на разрыв,кН (тс) на 1 п.м. К*)з = Nср :: Nн
1 «Круглое»**)    4687(468,7)   3,12
2  «Большое»**)   4000 (400,0)   2,66
3  «Малое»**)    2000 (200,0)  1,33
4  FL-512 /3/    7233(723,3) 4,82 
5  УГ и УЭ /3/    1680 (168,0) 1,12

Примечание: *) Кз=Nср:Nн, где Кз – коэффициент запаса, равный отношению фактического усилия Nср на разрыв, кН (тс) на 1 п.м., к приведенному в п. 4.3 ГОСТ Р 52664-2010, Nн = 1500 кН/п.м. (150 тс/п.м.);**) – условные наименования типа замкового соединения ШТС

В результате творческого сотрудничества, исследований и проектно-конструкторскихработ «Запсибгидростроя» и ЦНИИС впервые в России разработали конструкции и организовали производство ШТС, в сортаментекоторых около 500 наименований шпунтовых свай различных профилей с сопротивлением наразрыв замковых соединений, соответствующим требованиям ГОСТ Р 52664-2010 «Шпунттрубчатый сварной. Технические условия», в пункте 4.3 которого указано, что усилие наразрыв замков профилей ШТС должно бытьне менее 1500 кН/п.м. (150 тс/п.м.).

Конструкции замковых соединений ШТС разрабатывали на основе результатов компьютерного моделирования и проводя исследованияна физических моделях. Целью исследований являлась разработка оптимальных профилей ШТС [4], работа которых обеспечивает заданную несущую способность и сопротивление на изгиб при минимальном расходе металла. При этом решали также задачи по созданию равно прочной конструкции и обеспечению совместной работы труб и замковых соединений ШТС вподпорной стене. На рис. 1 а, б приведены схемы размещения замковых соединений ШТС, на основе которых разработаны конструктивно-технологические требованияк трубам, геометрическим размерам и профилям замковых соединений, предельным усилиям на разрыв, обеспечению требуемой грунто и водонепроницаемости.

Таблица 2. Коэффициент эффективности использования металла Кэ в шпунтовых сваях отечественного и зарубежного производства

Тип шпунта

Страна,

Масса, кг

Момент сопротив-

Кэ = W?: M (см3/кг),

фирма-изготовитель

1 м2 стены (М)

1 п.м. шпунта

ления Wy, см3

Л4

Украина,

190

74

2200

11,6

Л5

ДМК

238

100

3000

12,6

Л5-УМ

РФ, НТМК

228

114

3555

15,6

VL605K

Чехия

140,9

81,8

2000

14,2

PU 22

Люксембург

144

86

2200

15,3

L 606n

Германия Hoesh

161

96

2570

16,0

NSP-IVw

Япония N Steel

177

113,6

2700

15,3

PZ 35

США

171

98

2630

15,4

ШТС-Л4*

 

216

249

4038

18,7

ШТС-Л5*

 

232

275

4250

18,3

ШТС-GU*

 

206

238

3985

19,3

ШТС-ШК-1*

 

200

226

3923

19,6

ШТС-УТ*о

 

246

262

4080

16,6

ШТС-ПБ*о

РФ, ХМАО, г. Сургут,

226

257

3950

17,5

ШТС-ПБ*гр

трест «Запсибгидрострой»

226

229

3905

17,3

ШТС-FL 512*

 

199

243

3911

19,7

ШТС-FL 5122*

 

203

268

5095

25,1

ШТС-FL 5123*

 

209

317

7935

38,0

ШТС-FL 5124*

 

282

485

9190

32,6

ШТС-FL 5125*

 

288

554

11207

38,9

Примечание: * ШТС на основе трубы ∅720 мм со стенкой толщиной δ=10 мм; 2* – то же ∅820 мм, δ=10 мм;3* – то же ∅1020 мм, δ=14 мм; 4* – то же ∅1220 мм, δ=14 мм; 5* – то же ∅1420 мм, δ=14 мм

Рисунок 1. Расчетная схема к определению оптимальной конструкции замковогосоединения и его расположения на трубе ШТС: 1 – труба ШТС; 2 – замковоесоединение; γ – угол поворота замкового соединения на трубе ШТС

В табл. 1 приведены варианты некоторых конструкцийзамковых соединений ШТС, не только соответствующие требованиям ГОСТ Р 52664-2010 [2], но и имеющиезапас прочности по усилию на разрыв. В действующих нормативно-технических документах и технической литературе [1, 2, 4] эффективность стальных конструкций рекомендуется определять по коэффициенту эффективности использования металла Кэ=Wу:M (см3/кг), где Wу– упругий момент сопротивления профиля ШТС (трубыи замковых соединений), см3; М – масса 1 м2 шпунтовых свай в подпорной стене, кг. Чем больше коэффициент Кэ,тем технически и экономически эффективнее конструкция профиля шпунтовой сваи и рациональнее израсходована сталь при ее изготовлении. Оценивать эффективность вариантов профилей стальных шпунтов по коэффициенту Кэ особенно актуально в связи с продажей шпунтовых свайна рынке по их массе в тоннах.

Расчеты и результаты сопоставительных анализов показывают, что разработанные трестом «Запсибгидрострой» и ЦНИИС и рекомендуемые к применению профили ШТС характеризуются наиболее высоким коэффициентом эффективности использования металла Кэ по сравнению сотечественными НТМК (РФ), украинской ДМК и зарубежными аналогами, в т.ч. производства ведущих стран мира (ArcelorMittal, Evraz, ThyssenKrupp, Vitkovice Steel, Hoesh,N Steel). В табл. 2 приведены результаты сравнительного анализа стальных шпунтовых свай по коэффициенту Кэ. Из данных табл. 2 следует, что ШТС «Запсибгидростроя» имеют наиболее высокий коэффициент эффективности использования металла Кэ штс = 16,6÷38,9 см3/кг, который в 1,4÷2,5 раза превышает аналогичный показатель для шпунтовых свай отечественного и в 1,2÷2,4 раза зарубежного производства. Разработанные конструкции ШТС оптимальных профилей имеют также характерную эффективную особенность, заключающуюся в повышении коэффициента Кэ штс при увеличении диаметра трубы ШТС. Так, например, Кэ штс для ШТС с трубами ∅720 мм равен Кэ 720 = 16,6 см3/кг, а с трубами ∅1420 мм – Кэ 1420 = 38,9см3/кг, т.е. увеличивается в 2,3 раза (38,9/16,6 = 2,3) при повышении расхода стали на 1 м2 подпорной стены толькона [(288-246)/246]х100% = 17%.

В 2010 г. технико-экономические преимущества ШТС «Запсибгидростроя» успешно апробированы при возведении прогулочной набережной на реке Ангара в г. Иркутске (рис.2), основание которой слагали скальные грунты-песчаники [5, 6]. На основе ШТС выполнен ряд причальных сооружений (рис. 3) для погрузки-выгрузки крупно габаритного и тяжело-весного оборудования массой более 400 т. ШТС эффективно использованы при производстве берего укрепительных работ,в проекте которых подпорные стены из шпунтовых трубчатых свай обеспечили одновременно устойчивость откоса от обрушения и препятствовали размыву грунтов берега (рис. 4). За 3 десятилетия из ШТС «Запсибгидрострой» выполнено более 50 объектов гидротехнического и транспортного назначения суммарной протяженностью более 40 км, которые обеспечили не только надежные и безопасные условия эксплуатации инженерных сооружений, но и отличаются своей архитектурнойп ривлекательностью и выразительностью.

В нашей стране бурно развиваются отрасли строительс-тва, связанные с освоением месторождений нефти и газа на морском шельфе. Российские ресурсы континентально гошельфа оцениваются в 1,2 млрд т нефти и 11 трлн м3 газа. Очевидно, что благосостояние граждан страны будет во многом зависеть от того, насколько эффективно будет разрабатываться шельф. «Газпром» и «Роснефть» подготовили инвест программы и в ближайшие годы вложат в развитие шельфовых проектов около 100 млрд руб., а к 2015-2016 гг. объем их инвестиций возрастет до 500 млрд руб. Геологоразведка и доставка оборудования на шельф впервую очередь требуют решения вопросов создания береговой инфраструктуры и обустройства скважин. В ЦНИИСи тресте «Запсибгидрострой» рассмотрены некоторые аспекты создания эффективных конструкций и технологий возведения инженерных сооружений для освоения место рождений нефти и газа на российском арктическом шельфе на основе ШТС.

Результаты исследований на физических и компьютерных моделях, расчеты и проектно-конструкторские проработки показывают, что инженерные сооружения из ШТС чрезвычайно перспективны для применения в суровых природно климатических условиях Арктики. С одной стороны, это высокая степень автономности и заводской готовности строительства под ключ сооружений из ШТС, эффективное и безопасное ведение работ в условиях штормов, туманов и дрейфующих льдов. С другой – высокая несущая способность ШТС, обеспечивающая компактное хранение больших запасов материалов, основного и вспомогательного оборудования на сравнительно малых площадках строительства.

Реальные проблемы возведения надежных сооруженийна арктическом шельфе успешно решают проекты создания искусственных островов с ограждениями из ШТС и намывом грунтов в летнее время. Технико-экономические расчеты показывают, что больверки и искусственные острова из намытого грунта в виде подпорных стен из ШТС могут быть рекомендованы в качестве базовых вариантов проекта на шельфе. По результатам технико-экономических расчетов установлено, что возведение ограждений искусственных островов из ШТС технически целесообразнее и экономически эффективнее, чем из любых других шпунтовых систем.

В исследованиях ЦНИИС определены параметры иусловия безопасной эксплуатации искусственных сооружений при волновых воздействиях, наличии течений и воздействий льда. Для устройства больверков и ограждений намывных островов на шельфе рекомендуются шпунтовые сваи типа ШТС-820х14-FL-512 с анкерным креплением в одном уровне, изготовленные «Запсибгидростроем», соответственно, по ТУ 5264-003-13512256-09 [6] и ТУ5264-012-13512256-2011 [7]. С целью повышения несущей способности и обеспечения условий длительной безопасной эксплуатации ограждений разработана технология заполнения полостей труб ШТС армированным бетономи смесью песка с цементом. Исследования [3] показали, что установка стального арматурного каркаса и укладка бетона в полость трубыШТС многократно увеличивает жесткость и несущую способность конструкции. На рис. 5 приведены зависимости коэффициента несущей способности Кнс ШТС для труб от ∅530 до ∅1420 мм. Ось ординат на рис. 5 – коэффициент несущей способности Кнс=(Еш·Iш + Ез·Iз):(Еш·Iш), где Еш и Ез– модуль упругости, соответственно, шпунта и заполнителя трубы, ГПа; Iш и Iз – момент инерции, соответственно,шпунта и заполнителя трубы, см4. Ось абсцисс – ШТС струбами от ∅530 до ∅1420 мм. Линия № 1 на рис. 5 – изменения коэффициента Кнс для трубы ШТС с железобетоном; № 2 – то же с мерзлым грунтом; № 3 – то же с песком и цементом в отношении 5:1 по массе; № 4 – то же для ШТС с трубами без заполнения.

Анализ рис. 5 показывает конструктивно-технологические преимущества подпорных стен из ШТС, в сравнении с выполненными из шпунтов плоских, гнутых, U и Z профи-лей (табл. 2). Так, например, повышение несущей способности подпорных стен из шпунтовых свай традиционных профилей связано с радикальной переделкой конструкции сооружения. В подпорных стенах из ШТС требуется только удалить грунт из внутренней полости трубы (например, с помощью шнека или эрлифта с оборотным водообеспечением) и уложить внутрь трубы смесь песка с цементом или армированный бетон. Опыт повышения несущей способности больверка в порту Ямбург показал, что замораживание грунтов основания до твердо мерзлого состояния с помощью охлаждающих сезонно действующих устройств с естественной конвекцией теплоносителя, размещенных в полостях труб (рис. 6), позволяет рекомендовать его применение на других объектах. Подпорные стены из ШТС с замораживающими устройствами воздушного или жидкостного типа рекомендуются для возведения сооружений на шельфе и в криолитозоне, в т.ч. для повышения несущей способности иформирования мерзлого состояния грунтов основания.

Рекомендации ЦНИИС и треста «Запсибгидрострой» по проектированию причальных сооружений с использо-ванием ШТС включены в программу строительства новых, реконструкции и восстановления портов для обеспечения навигации на Северном морском пути РФ.

Библиографический список

1. Цернант А.А., Ефремов Н.А., Гончаров В.В. Научное сопровождениеразработок конструкций и проектов реализации транспортных сооружений из трубчатого сварного шпунта // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века, № 8, 2011, с. 40-43.

2. ГОСТ Р 52664-2010. Шпунт трубчатый сварной. Техн. условия (переработ. и дополн., заменяет ГОСТ Р 52664-2006).

3. Технические условия. Шпунт трубчатый сварной. ТУ 5264-003-13512256-09, Москва, 2009, Типография ОАО «ЦНИИС», 40 с.

4. Гончаров В.В. Конструктивно-технологические решения подпорных стен из сварного трубчатого шпунта для транспортного строительства. Автореф. дисс.  канд. техн. наук. М., 2011 г. 28 с.

5. Технические условия. Шпунт трубчатый сварной подпорных стени набережных на скальных грунтах. ТУ 5264-011-01393674-2011,Москва, 2011, Типография ОАО «ЦНИИС», 32 с.

6. Стандарт организации. Возведение подпорных стен из шпунтов трубчатых сварных на скальных грунтах. СТО-01393674-013-2011, Москва, 2011, Типография ОАО «ЦНИИС», 29 с.

7. Технические условия. Анкерные устройства для шпунта трубча-того сварного. ТУ 5264-012-1393674-2011, Москва, 2011, Типогра-фия ОАО «ЦНИИС», 21 с.

ИСТОЧНИК: СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА №2, 2013

Оригинал статьи в PDF скачать