Меню

Научное сопровождение разработок конструкций и проектов реализации транспортных сооружений из трубчатого сварного шпунта

А.А. ЦЕРНАНТ, доктор техн. наук, профессор, Н.А. ЕФРЕМОВ, канд. техн. наук, ОАО «ЦНИИС»;
В.В. ГОНЧАРОВ, генеральный директор ООО «Трест Запсибгидрострой»

В статье рассматривается опыт ЦНИИС и «Треста Запсибгидрострой», разработавших на основе творческого сотрудничества и результатов научного сопровождения национальные стандарты, технические условия на изготовление и своды правил по проектированию, возведению и эксплуатации транспортных и портовых гидротехнических сооружений из стального трубчатого сварного шпунта, соответствующие требованиям федеральных законов РФ №184 «О техническом регулировании» и № 384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» по условиям эффективности применения строительных конструкций, рациональному расходованию материалов и комплексной безопасности эксплуатации.

До недавнего времени в России стальной шпунт не производился. Подпорные стены различных сооружений высотой 10-12 м возводили из импортного шпунта либо использовали конструкции с экранирующими и разгружающими элементами. Для возведения таких сооружений требовались значительные дополнительные затраты материалов, труда и энергоресурсов.

Освоение в «Тресте Запсибгидрострой» производства современных эффективных профилей стальных шпунтовых свай, предоставление проектным и строительным подразделениям «Трансстроя» [9] возможности выбора профилей шпунтовых свай, различных по форме, характеристикам стали, доступного их приобретения стало надежным источником повышения стабильности работы строительных организаций и получения ими устойчивой прибыли.

В ЦНИИС работы по исследованию конструкций и технологий производства были начаты в 1975 г. У их истоков стояли доктор техн. наук А.И. Кузнецов, кандидаты техн. наук Г.Д. Хасхачих и Л.Н. Лосев. Сотрудниками института была разработана нормативная документация, созданыметодики расчета для проектирования, отработаны ресурсосберегающие технологии производства и методы контроля качества возведения транспортных и портовых гидротехнических сооружений из стального трубчатого сварного шпунта (ШТС). К настоящему времени из 150 тыс. т ШТС, изготовленных «Трестом Запсибгидрострой», возведены подпорные стены морских и речных сооружений, суммарная протяженность которых превышает 30 км, без рекламаций, отступлений от проекта и надежных в эксплуатации.

Широкое внедрение ШТС на объектах транспортного и портового гидротехнического строительства России обусловлено не только совершенством конструкции сварных шпунтовых трубчатых свай и высоким качеством их изготовления, но и успешным решением ряда специфических проблем на этапах научного сопровождения проектирования, строительства и обеспечения эксплуатационной надежности. В их числе проектные решения, обеспечивающие надежную работу больверка высотой 16-20 м в условиях паводков, ледоходов с льдинами толщиной 1,5-2м и значительной площади; обеспечение возможности погружения ШТС в вечномерзлые, скальные [10], гравийно-галечниковые, песчаные и глинистые грунты различной консистенции; обеспечение длительной защиты конструкций от агрессивного воздействия морской и речной воды; изготовление конструкций ШТС (шпунтовых свай, анкерных устройств [11], разгрузоч-ных платформ и других элементов) под ключ с полной заводской готовностью и обеспечением на строительной площадке только их монтажа и сборки, причем без каких-либо трудоемких ручных и водолазных работ.

 

 

Таблица 1. Сравнительные характеристики шпунтовых стен

Обозначение

Фирма-

изготовитель

Ширина

профиля,

мм

Масса,

М, кг/1 м2 стены

Момент инерции, 1о, см4

Момент со­противления, W0, см3

Удельный

показатель,

K=W0/M

Л-4

НТМК

400

190

39400

2200

11,6

Л-5

ДМК

425

238

50943

3000

12,6

Л5-У

НТМК

502

228

76430

3555

15,6

Larssen-604

Hoesch, Германия

600

124,2

30710

1620

13,0

NSP

Nippon Steel, Япо­ния

600

136

32400

1800

13,2

ШТС*

Л-4

«Трест

Запсибгидро строй», г. Сургут, ХМАО

1156

222,3

127860

4106

16,5

ШТС*

Л-5

1186

275

117308

4240

15,4

ШТС*

ШК-1

1118

224,7

126374

3925

17,5

ШТС*

УТ

96

244,1

137100

4080

15,6

ШТС*

FL-511

1240

200,1

113568

3912

16,0

Примечание: * - для ШТС на основе труб 0 720 мм со стенками 5=10 мм

Опыт научного сопровождения проектирования, строительства и эксплуатации подпорных стен из ШТС показал (фото 1), что сооружения со свободной высотой до 6-8 м целесообразно возводить без анкерных устройств, экономя материальные и трудовые ресурсы. Подкрановые пути и инженерные сети больверков из ШТС рекомендуется проектировать в соот-ветствии с методиками расчетов, приведенными в сводах правил [7, 8]. Подпорные стены высотой 12-16 м следует усиливать [10], применяя однорядные анкерные устройства (фото 2). Подпорные стены из ШТС с двойной по высоте анкеровкой рекомендуются для применения в тех случаях, когда размещение только одного ряда анкеров не обеспечивает надежной работы сооружения.

Опыт ЦНИИС по научному сопровождению проектирования и строительства подпорных стен, морских и речных портовых и берегоукрепительных сооружений, а также результаты расчетов [6, 7] позволяют заключить, что замена в проектах подпорных стен стального шпунта традиционных профилей типа Ларсен-4, Ларсен-5 и Ларсен-5 УМ на шпунт трубчатый сварной по ГОСТ Р52664-2010, как правило, позволяет существенно упростить конструкцию и выполнить ее без анкерных устройств, анкерных свай и анкерных тяг, плит и метизов.ШТС, изготовленные на заводе «Треста Запсибгидрострой» в г.Сургуте, по несущей способности, моменту инерции, удельному показателю расхода металла превосходят не только горячекатаные шпунты Ларсен-4, Ларсен-5 и Ларсен-5 У производства Нижнетагильского металлургического комбината (НТМК, РФ) и Днепропетровского металлургического комбината (ДМК, Украина), но и зарубежные их аналоги: Larssen-25 (Hoesch, Германия) и NSP VL (Nippon Steel, Япония) [7]. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики шпунтовых стен из шпунтовых свай типа «Ларсен» и ШТС. Сравнительные показатели эффективности определены в соответствии с действующими методиками, принятыми в мировой практике [9].

Результаты сравнительного анализа характеристик шпунтовых стен, приведенные в табл. 1, позволяют заключить, что по основным показателям эффективности, несущей способности и показателю удельного расхода стали ШТС, изготовленные «Трестом Запсибгидрострой» в г. Сургуте в соответствии с нормативными документами, разработанными в ЦНИИС, превосходят традиционные отечественные и зарубежные аналоги. Об эффективности и преимуществах применения ШТС на строительстве подпорных стен указывают также сравнительные расчеты трудоемкости, выполненные на основе ресурсных методов, в соответствии с методиками ГЭСН 81 – 05-01-2000.


В среднем трудоемкость возведения подпорных стен транспортных, гидротехнических и берегозащитных сооружений из ШТС «Треста Запсибгидрострой» при однотипных инженерно-геологических условиях оказывается в 1,3-1,5 раза меньше, чем из шпунтовых свай традиционных профилей или горячекатаных шпунтовых свай типа «Ларсен».

В технической литературе и нормативных документах [7, 8, 9] подпорные стены из шпунтовых свай рассчитывают на горизонтальные нагрузки от грунта, воздействия воды, льда, судов и технологического оборудования. Боковое давление грунта и технологические нагрузки принято относить к активным воздействиям, а отпор грунта в забитой части шпунтовых свай принимать как пассивное давление. В расчетных схемах систему «шпунтовая свая – грунтовое основание» принято считать многократно статически неопределимой. Многочисленные программы расчетов подпорных стен позволяют определить глубину забивки шпунтовых свай, размеры анкерных устройств, оценить местную устойчивость и минимальную глубину забивки шпунтовых свай. Расчеты на прочность дают возможность определить изгибающие моменты и усилия в шпунтовых сваях при заданной глубине их забивкии выбрать тип шпунтовой сваи по сортаменту. Специфическими для подпорных стен из ШТС являются расчеты по определению диаметра и толщины стенок стальной трубы, а также расчетызамковых соединений и предельных в них усилий, в том числе на прочность, разрыв и проницаемость.

Не анализируя здесь преимущества и особенности расчетных программ, отметим, что при высоте подпорной стены 3÷5 м несущая способность подпорных стен из шпунтовых свай типа«Ларсен» становится недостаточной для обеспечения устойчивости и надежной работы сооружения. Как правило, в таких случаях проектировщикам приходится разрабатывать более сложные конструкции подпорных стен на основе применения анкерных устройств [11], разгрузочных свай и плит, которые в 1,5-2 раза повышают их стоимость.

Подпорные стены из ШТС-720-10, изготовленные по ГОСТ Р52644-2006 «Шпунт трубчатый сварной. Технические условия», автотранспортной развязки в г. Ханты-Мансийске (фото 3) имеют свободную высоту 10 м и выполнены без анкерных систем. С 2007 года этот путепровод находится в постоянной эксплуатации без каких-либо претензий от эксплуатирующих и природоохранныхорганизаций в условиях прохождения автомобильной дороги через государственный заповедник – природный парк «Самаровский чугас».

При разработке конструкций ШТС в ЦНИИС и изготовлении их в «Тресте Запсибгидрострой» особое внимание уделяли вопросам прочности сооружений и обеспечения условий безопасной эксплуатации на протяжении всего жизненного цикла, который исчисляется не менее чем полувеком. Поэтому при проектировании подпорных стен из ШТС определяют коррозионную стойкость и изменения несущей способности конструкции в связи с процессами коррозии [7, 8, 9]. Анализ опыта строительства показывает, что сооружения из ШТС имеют высокую коррозионную стойкость и технико-экономические преимущества по сравнению со шпунтовыми сваями Ларсен-4, Ларсен-5, Ларсен-5 УМ, а также Larssen-Hoesch. Аналитически установлено и на объектах строительства проверено, что у подпорных стен из ШТС медленнее проходят процессы коррозии и ослабления, чем у шпунтовых свай горячекатаного типа. В табл. 2 приведены результаты сравнительного анализа кор-розионной стойкости подпорных стен из шпунтовых свай типа Ларсен-5, ШТС и Larssen-Hoesch для этапа окончания строительства и по истечении 25 лет эксплуатации В расчетах принято, что средняя интенсивность коррозионного износа составляет 0,1 мм в год.

Таблица 2. Сравнительный анализ коррозионной стойкости горячекатаных шпунтовых свай и ШТС

Тип шпунта

Параметры

начальные

остаточные

0н,

мм

§н,

мм

W,

см3

Н*

кг/м2

0 к,

мм

5 ^ мм

W„

см3

К

Ларсен-5

-

21

3000

238,0

-

18,5

2605

89,8

ШТС 630х10 Л-5

630

10

3040

231

625

7,5

2220

76,5

ШТС 720х8Л-5

720

8

2939

203

715

5,5

1992

68,7

ШТС 820х10 Л-5

820

10

4201

233

815

7,5

3113

107,3

ШТС 1020х10 Л-5

1020

10

5524

232

1015

7,5

4127

142,3

Larssen-Hoesch

-

14,3

3150

215

-

12,6

2735

94,3

Примечание: Н* - удельный расход стали кг/м2

По результатам расчетов и натурных измерений установлено (табл. 2), что подпорные стены из шпунтовых свай Ларсен-5 и Larssen-Hoesch по истечении 25 лет эксплуатации будут иметь остаточный ресурс, соответственно, на 10,2% и 5,3% меньше начального проектного. Для обеспечения безопасных условий эксплуатации сооружения из шпунтовых свай Ларсен-5 и Larssen-Hoesch при проектировании должны иметь соответствующий запас на коррозионный износ или требуется предусмотреть затраты на их ремонт и восстановление несущей способности в эксплуатационный период.

Из табл. 2 следует, что при увеличении в ШТС диаметра труб с 720 мм до 820 мм и 1020 мм в подпорных стенах будет сохраненане только несущая способность, но и запас, соответственно, К=1,7 и К=1,42. Результаты расчетов эффективности от снижения коррозионного износа при замене шпунтовых свай типа «Ларсен» на ШТС приведены в табл. 3.

Таблица 3. Коррозионный износ шпунтовых свай «Ларсен» и ШТС

Тип шпунта

Расход ста­ли, кг / м2 стены

Момент сопротивления, W, см3

Относительный

коррозионный

износ*1,0

Ларсен-5

238

2962

1,0

ШТС 530х10

222

2906

= 1,0

ШТС 820х10

229,8

5046

0,6

Примечание: * - отношение моментов сопротивления Wл-5/Wштс

Результаты расчетов (табл. 3) показывают, что шпунтовые сваи Ларсен-5 и ШТС 530х10, имея практически равный расход стали (кг/м2) и моменты сопротивления (W, см3) при одинаковых условиях эксплуатации и равной скорости коррозионного износа (мм/год), будут иметь примерно равный срок эксплуатации. Замена шпунтовых сваи Ларсен-5 на ШТС 820х10 сохраняет примерное равенство в расходе стали на 1 м2 подпорной стены, но примерно на 70%, или 4,2 мм, увеличивает запас на коррозионный износ, повышая срок эксплуатации сооружения. Замена шпунтовых свай «Ларсен» в проекте набережной АОЦ МО на р. Москва (фото 4) на ШТС производства «Треста Запсибгидрострой» без увеличения расхода металла обеспечила запас по коррозионной стойкости сооружения.

Выводы и рекомендации:

1. Разработка конструкций и проектов реализации сооружений из трубчатого сварного шпунта показала эффективность и перспективность творческого сотрудничества ЦНИИС (научно-исследовательского института) и треста «Запсибгидрострой» (строительной организации), а также научного сопровождения при проектировании, возведении и эксплуатации подпорных стен транспортных сооружений из ШТС.

2. Разработаны конструкции ШТС, обеспечивающие производство сортамента шпунтов трубчатых сварных с более чем 360 вариантами профилей трубчатых сварных шпунтов, моментамисопротивления W0>25 тыс. см3, шагом профилей в шпунтовой стене B=2834 мм и удельным расходом стали M=146 кг/м2.

3. На основании результатов исследований разработаны национальные стандарты, технические условия на производство шпунтовых свай и своды правил для проектирования подпорныхстен транспортных и портовых гидротехнических сооружений из ШТС с оптимальными профилями и соотношениями в них геометрических размеров труб и замковых соединений, массы,прочности и несущей способности (кНм/м), по ряду параметров превосходящих зарубежные аналоги.

 


Библиографический список

1. ГОСТ Р 52664-2006. Шпунт трубчатый сварной. Технические условия.

2. ГОСТ Р 52664-2010. Шпунт трубчатый сварной. Технические условия (переработан и дополнен, заменяет ГОСТ Р 52664-2006).

3. Технические условия 0925-003-01393674-95. Профиль шпунтовый трубчатый сварной.

4. Технические условия 0925-003-01393674-95 с изменениями № 3. Профиль шпунтовый трубчатый сварной.

5. Технические условия 0925-005-01393674-99. Профиль шпунтовый трубчатый сварной с замками из проката общего назначения.

6. Технические условия 5264-003-13512256-09. Шпунт трубчатый сварной.

7. Свод правил. Проектирование и строительство причальных и берегоукрепительных сооружений из трубчатого сварного шпунта. Принят Минрегионразвития РФ к публикации.

8. Свод правил. Проектирование и возведение подпорных стен и водопропускных сооружений автомобильных дорог из трубчатого сварного шпунта, причальных и берегоукрепительных сооружений из трубчатого сварного шпунта. Принят Минрегионразвития РФ к публикации.

9. СТО – ГК «Трансстрой» – 010-2007. Стандарт организации. Шпунт трубчатый сварной. Правила производства работ на строительстве шпунтовых стен. Издание официальное. Москва,ООО «Трансстройиздат», 2007.

10. Технические условия 5264-011-01393674-2011. Шпунт трубчатый сварной подпорных стен и набережных на скальных грунтах.

11. Технические условия 5264-012-01393674-2011. Анкерные устройства для шпунта трубчатого сварного.

12. СТО – ГК «Трансстрой» – 019-2007. Стандарт организации. Шпунт типа «Ларсен». Применение в транспортном строительстве. Издание официальное. Москва, ООО «Трансстройиздат», 2007.


ИСТОЧНИК: СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА №8, 2011

Оригинал статьи в PDF скачать