Содержание к диссертации
Введение
1. Современные конструкции и технологии возведения подпорных стен на транспортном строительстве 9
1.1. Обзор и анализ конструкций и технологий возведения подпорных стен на объектах транспортного строительства 9
1.2. Опыт применения шпунтовых свай в подпорных стенах 12
1.3. Научная концепция применения шпунтов трубчатых сварных (ШТС) в подпорных стенах транспортных сооружений 24
2. Теоретические исследования по разработке ресурсосберегающих конструкций и технологий возведения подпорных стен из ШТС 26
2.1. Особенности проектирования конструкции ШТС 26
2.2. Зависимость параметров и прочности ШТС от конструкции замковых соединений 36
2.3. Расчёт несущей способности подпорных стен из ШТС 54
2.4. Прогнозирование коррозионной стойкости ШТС 60
3. Технология возведения подпорных стен из ШТС ... 64
3.1. Рекомендации по изготовлению ШТС 64
3.2. Особенности проектирования подпорных стен из ШТС заводского изготовления 73
3.3. Выбор оборудования и параметров погружения ШТС 77
3.4. Методы усиления подпорных стен из ШТС 85
3.5. Особенности конструкций и технологических схем возведения подпорных стен из ШТС на основании из скальных грунтов 93
4. Рекомендации по проектированию и возведению подпорных стен из ШТС 99
4.1. Рекомендуемые профили ШТС для подпорных стен транспортных сооружений
4.2. Рекомендации по проектированию, возведению и эксплуатации подпорных стен из ШТС
4.3. Технико-экономические показатели эффективности подпорных стен из ШТС 121
Общие выводы 125
Литература 129
Приложения
- Опыт применения шпунтовых свай в подпорных стенах
- Зависимость параметров и прочности ШТС от конструкции замковых соединений
- Особенности проектирования подпорных стен из ШТС заводского изготовления
- Рекомендации по проектированию, возведению и эксплуатации подпорных стен из ШТС
Введение к работе
Актуальность темы. Подпорные стены являются одним из важных и широко распространенных видов инженерных сооружений транспортного строительства. Их возводят для удерживания от обрушения откосов насыпей и выемок железных и автомобильных дорог, в качестве противооползневых и противообвальных сооружений на подходах к порталам тоннелей, для защиты дорожного земляного полотна от размывов, а также при строительстве причальных сооружений.
Одна из центральных проблем строительства подпорных стен на объектах транспортного строительства связана с необходимостью разработки и внедрения ресурсосберегающих конструкций, обеспечивающих снижение материальных и трудовых затрат, повышение несущей способности и надежности сооружений на этапах возведения и эксплуатации. Поэтому исследования, разработка и внедрение подпорных стен из надежных, экономичных и технологичных шпунтов трубчатых сварных (ШТС), которые по несущей способности, жесткости, геометрической форме, расходу металла, удобству анкеровки, сопротивлению коррозии, затратам труда на строительстве превосходят не только отечественные шпунтовые сваи, но и зарубежные их аналоги, является актуальной задачей транспортного строительства. Цель работы - разработка рациональных конструкций ШТС, сортамент которых удовлетворит потребность проектировщиков для возведения подпорных стен из ШТС на объектах транспортного строительства в любых инженерно-геологических, гидрологических и природно-климатических условиях.
Объектами исследований являлись подпорные стены из стальных шпунтовых свай. Экспериментальные исследования проводили преимущественно при возведении подпорных стен транспортных сооружений. На основе результатов натурных экспериментов разрабатывали конструктивно-технологические решения подпорных стен из ШТС.
Методы исследования: - натурные наблюдения, теоретический анализ результатов, численные эксперименты. Сортамент новых профилей ШТС и технологий возведения подпорных стен разрабатывали на основе расчётов, испытаний образцов (фрагментов ШТС) в лаборатории и апробации результатов на натурных объектах. Теоретический анализ базируется на:
системном подходе к поиску и обобщению информации по теме диссертации;
методах строительной механики для оценки напряженно-деформированного состояния ШТС в подпорных стенах;
обработке результатов исследований с использованием методов математической статистики.
Экспериментальные методы: - геометрические и геодезические измерения, тензометрия при определении напряженно- деформированного состояния образцов ШТС;
- химический анализ металла труб и замковых элементов ШТС;
- металлографические методы определения структуры металла и сварных
соединений;
- натурные испытания несущей способности подпорных стен из ШТС.
Научная новизна работы: на основании результатов натурных исследований,
теоретических и экспериментальных проработок впервые в РФ разработаны и
внедрены новые конструкции профилей шпунтов трубчатых сварных и
технологий возведения из них подпорных стен транспортных сооружений для
различных инженерно-геологических условий, в том числе на основаниях из
«слабых», скальных и мерзлых грунтах. Научная новизна основных
результатов работы подтверждена 7 патентами на конструкции и способы
строительства подпорных стен из ШТС и 6 патентами РФ на полезную модель,
а также внедрением в практику отечественного транспортного строительства
нового типа подпорных стен из шпунтов трубчатых сварных (ШТС).
Практическое значение работы. Результаты выполненных исследований
позволяют рекомендовать ШТС для возведения подпорных стен различной
формы, высоты, длины и назначения на объектах транспортного строительства
в Западной Сибири и других районах России для всех природно-климатических
и инженерно-геологических условий.
Реализация результатов работы. По сортаменту, разработанному на основе
результатов диссертационной работы, изготовлено более 150 тысяч тонн ШТС,
которые использованы при возведении более 50 подпорных стен на различных
объектах транспортного строительства суммарной протяженностью около 39
км.
На защиту выносятся:
научная концепция и методика проектирования ШТС и технология их изготовления для возведения подпорных стен для различных инженерно-геологических и природно-климатических условий, включая основания из «слабых», скальных и мерзлых грунтов, в том числе с использованием охлаждающих устройств для предотвращения оттаивания грунтов основания, повышения несущей способности и надежности сооружений в условиях криолитозоны;
методика проектирования оптимальных параметров конструкции ШТС: диаметров труб, длины, ширины и формы замковых соединений, марок сталей. Достоверность применяемых методов исследования. Основные научные положения, рекомендации и выводы диссертационной работы проверены на более чем пятидесяти объектах транспортного строительства, обоснованы результатами проведения экспериментальных исследований и подтверждены удовлетворительной сходимостью результатов расчётов и экспериментальных данных, а также отсутствием каких-либо рекламаций от заказчиков и органов, контролирующих результаты строительства.
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на заседаниях секций Ученого Совета ОАО ЦНИИС в 2006, 2009 и 2010 гг., Международных конференциях «Морские и речные порты России» (г. Москва, 2002 г. и 2004 г.). По результатам выполненных исследований опубликована 31 печатная работа, разработаны
национальный стандарт ГОСТ Р 52664-2010 «Шпунт трубчатый сварной. Технические условия», Свод правил «Проектирование и строительство причальных и берегоукрепительных сооружений из трубчатого сварного шпунта», Свод правил «Проектирование и возведение подпорных стен и водопропускных сооружений автомобильных дорог из трубчатого сварного шпунта», стандарт организации (СТО - ГК «Трансстрой» - 010-2007) « Шпунт трубчатый сварной. Применение в транспортном строительстве», М., ООО «Трансстройиздат», 2007 г. и CTO-01393674-0I3-2011 «Возведение подпорных стен из шпунтов трубчатых сварных на скальных грунтах», М., ОАО ЦНИИС, 2011г.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Работа содержит 158 страниц текста, 30 рисунков, 14 таблиц и список использованных источников включающий 154 наименования, а также 3 приложения на 18 страницах.
Опыт применения шпунтовых свай в подпорных стенах
В транспортном строительстве подпорные стены из стального шпунта возводят свыше 100 лет [6,21,23,64]. Они представляют собой ряд забитых свай, объединённых сверху специальной конструкцией, с анкерами в одном или нескольких ярусах или без анкеров (рис.1). Подпорные стены из стального шпунта просты по устройству, минимально чувствительны к перегрузкам и применяются в различных инженерно — геологических и гидрогеологических условиях. Длительное, по времени применение стального шпунта при возведении подпорных стен способствовало постоянному развитию и совершенствованию профилей шпунтовых свай и технологий возведения.
За рубежом, фирмы Бельгии [142], Германии [148], Китая, Кореи, Люксембурга, Польши, США, Украины, Чехии, Японии [6,141,143,151] изготавливают горячекатаные, прокатно-сварные, сварные и трубчатые шпунты из стали, бетона, пластика и композитных материалов. Шпунты или шпунтовые сваи имеют плоский, гнутый, корытный, U и Z профили поперечного сечения. Многообразие типов стальных шпунтовых свай по геометрическим параметрам и маркам конструктивных материалов с пределом текучести от 240 до 420 Н/мм обеспечивает возведение подпорных стен различного назначения на основе принципов ресурсосбережения, безопасной и длительной эксплуатации.
На территории СНГ два металлургических комбината [88,127] изготавливают шпунт корытного профиля типов ШК-1, JI-IV, Л-V и JI-W. Примерно полвека комбинаты выпускают горячекатаный шпунт практически постоянного сортамента. Технические характеристики его позволяют возводить подпорные стенки высотой до 7м без разгрузочных и экранирующих устройств.
Более тридцати лет тому назад, в Обь - Иртышском бассейне [32,36,37, 92] Западной Сибири возникла необходимость строительства причальных сооружений (больверков) со свободной высотой стенки 12-15 м. Больверк -сооружение в виде тонкой подпорной стенки из шпунтовых свай [29,83,84,121]. Таблица 1 .Сравнительный анализ эффективности вариантов ]) конструкции и технологий возведения подпорных стен
Примечание.1} - стенка высотой 7 м.; 2) - Ж.б. - железобетон ;3) - стальной шпунт типа Л-5 (традиционного профиля);4)- показатели сравнения п.п. 2-6 приведены здесь в сравнении с подпорной стенкой из ШТС. Потребность в подпорных стенах высотой до 15 м была обусловлена не зарегулированным стоком водных объектов региона и подъемом воды в паводок на 8 и более метров. В тоже время появился морской и речной флот нового поколения, большей грузоподъемности и с осадкой 10 и более метров. В то время подобрать для таких подпорных стен прокатный или сварной- шпунт с моментом сопротивления W до 10000 см отечественного производства не представлялось возможным.
На Украине комбинат «Азовсталь» [38] изготавливает корытный шпунт с W 3500 см3. В России Нижнее - Тагильский металлургический комбинат освоил производство горячекатаного корытного шпунта с W 3000 см , в том числе Л-Vy, усиленного по сравнению с JI-V в 1,2 раза [127]. Шпунтовые сваи изготавливают, в основном, из стали марки Зсп с пределом текучести-до 210 МПа. Внедрение этих шпунтовых свай, безусловно, обеспечило существенный прогресс при возведении подпорных стен на отечественных транспортных объектах, но не решило актуальных задач по возведению подпорных стен высотой 10-15 м без устройства ресурсоёмких (рис.1) разгрузочных и анкерных устройств [23, 46, 48].
В начале 80-х годов прошлого века была попытка организовать производство на комбинате «Азовсталь» замков для. изготовления сварного шпунта Z (зетового) профиля. Разработанный в ЦНИИС сварной шпунт зетового профиля [81, 89] имел высоту h от 550 до 970 мм, ширину 500 мм, момент сопротивления W от 7114 до 14726 см3 на 1 м длины, площадь сечения профилей от 188 до 237 см , показатель эффективности W /т = 24-ь40 см /кг; W/F-h = 0,34 (здесь- т — масса 1 м шпунтовой стенки); Сварные шпунты зетового профиля были экономичнее по расходу металла, по сравнению со сварными двутавровыми шпунтовыми сваями, производства ПНР и горячекатаных двутавров фирмы Пейне (ФРГ). Опытно-экспериментальные работы при возведении двух больверков показали низкое качество замковых соединений шпунтовых свай Z (зетового) профиля при их сборке [82, 89]. Наличие замковых соединений шпунта Z (зетового) профиля на наружных гранях конструктивно не рационально и, как правило, является причиной технологических проблем его погружения до проектных отметок [44,138]. С 1988 г. комбинат «Азовсталь» (Украина) прекратил выпуск шпунта Z-oro профиля, в связи с износом оборудования и отсутствием возможности соблюдения геометрических размеров замковых элементов требованиям технического регламента.
«Курганстальмост» и ЦНИИС [68,90], разработали панельный сварной шпунт ПШС. Его изготавливают из сваренных продольными швами стальных полос толщиной 10-14 мм. Момент сопротивления сварных панелей достигает W = 9995 см3/м , а предельная несущая способность подпорных стен из ПШС составляет 3276 кН/м., что, соответственно, в 2,8- 4,5 и 3,8ч-6,6 раза больше, чем у шпунтовых свай типа Л-4, Л-5 и Л-5УМ [6,127].
ПШС изготавливают шириной 1-1,5 м, выполняя 9-12 и более продольных сварных швов для одной панели, со сравнительно высокими трудозатратами, энергопотреблением и экологическими воздействиями на окрулсающую природную среду. При возведении подпорных стен из ПШС на строительной площадке изготавливают металлоёмкие и многоярусные направляющие устройства из швеллеров или двутавров, в связи с возможностью потери устойчивости ПШС при погружении, так как жесткость панелей в продольном и поперечном направлениях отличается в 3-г5 раза. Кроме того, ПШС, даже при благоприятных инженерно-геологических условиях, погружают поэтапно [6,31, 68], теряя время на частые перестановки сваебойного оборудования. Допустимые нагрузки на растяжение замковых соединений ПШС (табл. 2, п. № 3) не превышают 80,0 тс на пог. м., что в 1,8 раза меньше требования ГОСТ 52664 [47] для ШТС. Поэтому в процессе погружения замки ПШС не редко разгибаются, как, например, это происходило при возведении подпорных стен Кочетковского гидроузла на р. Дон.
ООО «Пирс» выпускает трубчатый сварной шпунт с замками из тавров и швеллеров [81,82]. При забивке шпунтовых свай подпорных стен набережной г. Нижний Новгород в однородные среднезернистые (dcp = 0,3 мм) песчаные грунты средней плотности сложения (D« 0,5 [93]) отмечены случаи расхождения замковых,соединений и потери сплошности подпорной стены.
Анализ, расчётных схем [29,73,80,85,86,130, 131] показывает что, при совместной работе трубчатых свай в сооружении на них приходится основная часть, нагрузки и только около 5-10 % её воспринимают межтрубные или замковые элементы. . Установлено также [27,42,43, 69,71,137], что при погружении шпунтовых свай замковые элементы воспринимают существенную часть ударной энергии вибромашины или молота. Следовательно, при конструировании профиля шпунтовой сваи и её замкового соединения следует учитывать не только эксплуатационные нагрузки, но и напряжения в замковых соединениях шпунтовых свай при их погружении.
Результаты испытаний замковых элементов шпунтовых свай приведены в таблице 2. Замковые соединения № Т и № 2 требованиям FOCT 52664 [47] соответствуют и имеют прочность на разрыв более 1500 кН на? п.м. Замковые соединения? №№ 3 — 8 (табл.2) требованиям ГОСТ 52664 не соответствуют, что не гарантирует надежность их, в том числе:при забивке.
Зависимость параметров и прочности ШТС от конструкции замковых соединений
При возведении подпорных стен и погружении шпунтовых свай традиционных профилей не редко возникают непредвиденные ситуации, которые существенно замедляют темпы строительства и снижают качество сооружения. К таким ситуациям относится расхождение замковых соединений шпунтовых свай и негативные последствия этим вызванные: - просадки грунтовой поверхности за стенкой; - локальная потеря несущей способности; - переход участка в аварийное состояние. Поэтому поиск выхода из них, как правило, ложится на производителей работ и всегда связан с дополнительными материальными затратами [2, 13,100,102, ПО]. Полностью исключить возникновение неординарных ситуаций при погружении шпунтовых свай и возведении подпорных стен невозможно, так как причин тому достаточно много и основные из них: - сложные грунтовые условия и, как правило, низкое качество инженерных изысканий [4] в связи с желанием снижения затрат [4]; - отсутствие на площадке строительства сваебойного оборудования с регулируемыми параметрами [9, 31]; - недостаточная квалификация специалистов.
Однако влияние перечисленных выше негативных причин на эффективность и качество возведения подпорных стен может быть сведено до минимума за счёт рационального проектирования профилей замковых соединений шпунтовых свай, основные положения которых реализованы при разработке и проектировании конструкции ШТС [35,44,45,47,61,62].
В диссертационной работе разработаны рекомендации и даны основные положения для проектирования поперечных профилей ШТС, замковые соединения которых и расстояние между трубами в подпорной стене соответствуют категории «оптимальный».
На основе результатов исследований, расчётно-графических разработок и проверки их в лабораторных и натурных условиях разработан сортамент шпунтов трубчатых сварных, приведенный в приложение 7.1. Опыт возведения подпорных стен суммарной протяженностью около 39 км (табл.3) в различных геологических и гидрогеологических условиях позволяет сделать вывод об оптимальной конструкции ШТС, в связи с раскрытием замкового соединения только на одном объекте при забивке шпунтовой сваи в линзу мерзлого грунта [42].
Сортамент ШТС (Приложение 7.1) разрабатывали на основе результатов исследований, в том числе анализируя зависимость расхода металла Р (кг/м ) и момента сопротивления W (см /п.м.) для 1 метра подпорной стены из ШТС для труб различных диметров и замковых соединений типа «ОБ-ГР» (рис.8), «УГ-УЭ» (рис.9), «УТ» (рис. 10), «GU 16-400» (рис.11) и «GU 16-400» (рис.12). Сравнительные зависимости удельного расхода металла от момента сопротивления приведены на графике в приложении 7.1.
На основе результатов исследований установлены существенные отличия конструкции и технологии возведения подпорных стен из шпунтовых свай традиционного профиля типа Ларсен и ШТС. Так, например, подпорная стена из шпунта Ларсен, который до недавнего времени использовался в проектах и на строительстве практически всех оградительных сооружений в России, имеет момент сопротивления W = 3555 см3 (Л5УМ-НТМК) [127] и массу 1 м2 228 кг. Подпорная стена из ШТС с трубой диаметром 1620 мм, толщиной стенки 30 мм и замковыми соединениями на расстоянии 250 мм имеет момент сопротивления W = 36000 см /п.м. и массу 650 кг/м". Следовательно, замена шпунтовых свай Ларсен на ШТС обеспечивает повышение момента сопротивления подпорных стен в 10 раз (36000/3555 = 10,1), при увеличении расхода стали на 2,85 раза (650/228 = 2,85), и сокращении количества шпунтовых свай в 4,2. раза (2120/502=4,2), что указывает на конструктивные и технологические преимущества подпорных стен из ШТС.
Из графика (рис.9) следует, что в ШТС разработанных нами профилей, при повышении диаметра трубы с 0 720 мм до 0 Ґ420 мм (т.е. примерно в 2 раза), расхода стали увеличивается только в 1,1 раза (с 223 кг/м до 242 км ), момент сопротивления повышается в 2,2 раза (с W720 = 4400 см до Wi 420=9600 СМ3), При увеличении ШИрИНЫ ШПуНТОВОЙ СВаИ С В 720 = 123 7 мм до Bi42o = 1937 мм или в 1,56 раза. Подобные преимущества характерны для ШТС с замковыми соединениями типа «ОБ-ГР» (рис.8), «УТ» (рис.10), «GU 16-400» (рис.11) и «GU 16-400» (рис.12).
Особенности проектирования подпорных стен из ШТС заводского изготовления
Анализ опыта возведения подпорных стен (табл. 3) показывает, что в соответствии с действующими нормативными документами несущую способность подпорных стен из ШТС при проектировании рассчитывают по наибольшему изгибающему моменту для сечения вблизи проектного дна, подбирая по сортаменту, с учетом коэффициента запаса, тип ШТС. Данные методы расчёта разрабрланы десятки лет тому назад [1,11,19,24,71] и мало л приспособлены для Чучета строительных сооружении практически полностью изготовленных/ в заводских условиях на основе применения новых строительных конструкций - стальных шпунтовых свай. В приложении 7.2 приведены сравнительные расчёты устойчивости и прочности подпорных стен из ШТС и шпунтовых свай типа Л-5. Анализ примеров расчётов, приведенных в приложении 7.2, показывает технические и конструктивные преимущества возведения подпорных стен из ШТС.
Подпорные стены из ШТС заводского производства следует проектировать таким образом, чтобы их возведение или реконструкция, или ремонт проводились через определенный срок службы и не были убыточны, в связи с наличием существенного остаточного ресурса. Следовательно, при проектировании подпорных стен из ШТС заводского производства оптимизация размеров и сечений сооружения должна проводиться с учетом сроков физического износа сооружения и на основе экономических критериев [82,97,98,121].
Результаты расчётов, испытания работы ШТС на моделях [6] и натурные обследования ряда объектов внедрения [40,44,45] показывают, что предельное состояние (отказ или разрушение) в связи с коррозионными воздействиями не обязательно должны произойти на участке действия максимального изгибающего момента в ШТС. Для подпорных стен из ШТС, по результатам мониторинга, установлена высокая вероятность нарушения устойчивости подпорных стен в связи с интенсивными процессами коррозии шпунта 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 должны быть учтены при проектировании. В зависимости от месторасположения в подпорной стене: со стороны акватории (свободной поверхности) или со стороны обратной засыпки, в шпунтовой свае типа Л-5 формируются противоположные по знаку напряжения. ШТС в конструкции ординарной подпорной стены имеет двузначную эпюру напряжений, характерную для работы сваи при чистом изгибе.
Проведенный нами анализ опыта эксплуатации подпорных стен также показал, что коррозионные воздействия природной среды на подпорные стены из шпунтовых корытных свай типа Л-5 и ШТС имеют принципиальные отличия. Шпунтовые сваи типа Л-5, ориентированные выпуклой своей частью в сторону свободной поверхности (акватории) или в сторону обратной засыпки имеют практически равные коррозионные воздействия природной среды. ШТС, в связи с наличием герметичной внутренней полости образованной трубой, имеет разные по интенсивности коррозионных воздействий участки.
Очевидно, что подпорные стены из шпунтовых свай типа Л-5 и ШТС при одинаковых условиях эксплуатации, материалах конструкции и антикоррозионной защите имеют со стороны свободной поверхности и обратной засыпки имеют практически равный износ и срок эксплуатации. Внутри же герметичной полости ШТС или трубы процессы коррозионного износа существенно снижаются или практически останавливаются. В качестве радикального средства предотвращения коррозионного износа внутреннего пространства трубы ШТС рекомендуется для проектирования разработанная нами специальная технология. В связи с отличием коррозионных воздействия окружающей среды на подпорные стенки из ШТС рекомендуется наносить их коррозионную защиту с учетом специфических особенностей конструкции. Рекомендации по коррозионной защите ШТС разработаны на основе результатов мониторинга на объектах строительства подпорных стен (табл. 3) [35, 36, 106,121] и учитывают четыре участка с различной интенсивностью коррозии. Рекомендуется проектировать наиболее интенсивную защиту от коррозии участков ШТС подвергающихся воздействиям переменного уровня воды, а также расположенным выше проектного дна.
Исследования на ряде объектов строительства подпорных стен из ШТС (табл.3) показали, что при отсутствии заполнителя внутреннее пространство трубы имеет коррозионный износ, интенсивность которого примерно соответствует коррозии с наружной стороны подпорной стены или больверка. Коррозионный износ ШТС измеряли инструментально и сопоставляли с записями журналов исполнительной документации и материалами проекта. Установлено, что в зоне переменного уровня и в надводной зоне внутри ШТС имеется постоянно влага, которая имеет стабильную концентрацию ингредиентов влияющих на процесс коррозии. Натурные наблюдения на ряде объектов показали, что влажность не подвергается резким изменениям даже при падении или подъеме уровня воды в реке. При открытом верхнем торце ШТС интенсивность коррозии примерно одинаковая и близка к интенсивности коррозии в надводной зоне. Было также установлено, что при отсутствии антикоррозийного покрытия ШТС долговечность подпорных стен при проектировании следует определять по интенсивности коррозионного износа на участке передней стенки трубы (со стороны акватории и выше проектного дна). При проектировании следует также учитывать, что подпорные стенки из ШТС, в связи с рациональной формой поперечного сечения, имеют запас металла на коррозионный износ, наличие которого обеспечат длительную и безопасную эксплуатацию сооружения, примерно в 1,5-ь2 раза превышающую аналогичные показатели для подпорных стен из Л-5. На основе результатов натурных изменений установлено, что при заполнении трубчатых элементов ШТС песком интенсивность коррозии металла внутри трубы уменьшается и примерно соответствует значениям её соответствующим участкам со стороны обратной засыпки подпорной стенки. Существенное снижение интенсивности коррозионного износа и даже его полное прекращение было получено при засыпке слоями песком внутреннего пространства трубы, послойном его уплотнении и предварительном смешивании с цементом.
В качестве грунта для засыпки рекомендуется проектировать применение пески средней крупности, имеющих d ср. 0,25 мм в количестве превышающем 50 % по массе, неоднородного гранулометрического состава С и = d 60/d ю 3,0 ; где d6o и di0- диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60% и 10% (по массе) частиц и непучинистые, относительная деформация пучения которых е 0,01. Песок с цементом рекомендуется смешивать в количестве 5: 1 по массе.
Рекомендации по проектированию, возведению и эксплуатации подпорных стен из ШТС
Для проверки основных расчётных положений и уточнения физической картины взаимодействия ШТС с окружающим грунтом при возведении подпорных стен различного назначения были проведены комплексные исследования системы «ШТС - грунтовое основание» с изучением напряженного состояния в шпунтовых сваях на контакте с грунтом в массиве, перемещений и деформаций.
Полевые статические испытания ШТС проводили в песках, глинистых грунтах различной консистенции. Контроль плотности сложения грунтов засыпки производился посредством зондования и пенетрации. Применение гидромеханизации на строительстве ряда подпорных стенок (больверков) и сооружений берегоукрепления на реках Обь-Иртышского бассейна дало возможность оперативного формирования территории и подъездных дорог при разработке пылеватых песков земснарядами.
В полевых условиях измеряли контактное давление грунта, напряженное состояние грунтового массива, измеряли горизонтальные деформации стволов труб ШТС, изгибающие моменты, перемещения верхних сечений ШТС.
1. Добивались увеличение экономического эффекта от применения ШТС в подпорной стене определяемого в первую очередь полезной отдачей, долговечностью и эксплуатационными расходами за весь период эксплуатации сооружения. Полезную отдачу от применения ШТС в- подпорных стенах повышали путем увеличения (производительности) момента сопротивления, ширины и т.п. параметров шпунтовых свай, а также сокращения операций на строительной площадке. Все ШТС и анкерные устройства изготавливали на заводе «под ключ»; 2. Изготовленные в заводских условиях ШТС исключали необходимость подгонки и подбора элементов подпорных стен на строительной площадке; 3. Изготовление ШТС с оптимальными профилями поперечных сечений обеспечило возможность повышения прочности и жесткости шпунтовых свай без увеличения их массы; 4. Технологии подготовки и качеству нанесения антикоррозионных покрытий ШТС; 5. Упрощению ШТС при конструировании поперечных профилей, исключая использование сложных много детальных конструкций.
Мониторинг на объектах строительства подпорных стен из ШТС (табл.3) показал, что по степени воздействия окружающей природной среды в процессе эксплуатации подпорные стены из ШТС по вертикали могут быть условно разделены на четыре участка: 1. Участок ШТС ниже грунтовой поверхности; 2. Подводный участок ШТС, расположенный между уровнем грунтовых вод (уровнем воды в акватории) в меженный период и поверхностью грунта; 3. Участок воздействия на ШТС переменного уровня воды; 4. Надводный участок ШТС, расположенный выше уровня грунтовых вод или уровня воды в акватории в меженный период.
В отечественных и зарубежных публикациях [13,106,121,145,147] приводятся сведения о коррозии шпунта на различных участках. Общим в них является вывод о том, что стальные шпунтовых сваи имеют наиболее интенсивную коррозию на участке переменного уровня воды 3, а минимальную - на участке 4. Отметим также постепенное снижение интенсивности коррозии с появлением на поверхности металла защитного слоя оксидов или ржавчины. Интенсивность коррозии стальных конструкций на различных участках воздействия для морских условий и приведена в таблице 12.
С вводом Закона РФ о Техническом регулировании [128], Технических регламентов о безопасности зданий и сооружений [129], объектов морского [123] и речного [124] транспорта проводится периодическая паспортизация и мониторинг подпорных стен, в том числе процессов коррозии шпунта. В соответствии с указанными нормативными документами «Сибречпроект» [121] проводит мониторинг подпорных стен (больверков) выполненных «Трестом «Запсибгидрострой» [35,36,40] из ШТС в Обь-Иртышском бассейне Западной Сибири. Результаты исследований показали, что битумные покрытия обеспечивают удовлетворительную антикоррозийную защиту стальных шпунтовых свай в течение трех десятков лет со стороны обратной засыпки подпорных стен. Проверка качества антикоррозийной защиты ряда подпорных стен в г. Новосибирске, г. Сургуте и г. Тюмени показала, что после удаления битумных материалов с контрольных участков ШТС какие — либо следы коррозии или ржавчины отсутствовали.
В последние годы в качестве антикоррозийных защитных покрытий рекомендуется применять современные полимерные лакокрасочные и композитные материалы с металлическими порошковыми наполнителями, например, цинковыми. Рекомендуется наносить эти покрытия на поверхность ШТС, нагретую до определенной температуры. Организация производства ШТС в заводских условия в «Тресте «Запсибгидрострой» [36, 37] обеспечила соблюдение указанных требований и повышение качества изготовления шпунтов трубчатых сварных. С целью обеспечения долговечности антикоррозионной защиты ШТС нами разработан специальный регламент, сущность которого заключается в выполнении следующей технологии: подготовка поверхности; подготовка материалов; нанесение грунтовки; нанесение защитного покрытия, сушка его или термообработка.
В отличие от шпунтовых свай прокатных профилей, например, типа Л5-УМ, шпунт трубчатый сварной ШТС составлен из трубы и замковых элементов, объединённых сварными швами.
Стальная труба является основным элементам в ШТС, в основном определяющим его несущую способность, а замковые элементы служат для обеспечения влаго- и грунтонепроницаемости, а также являются направляющими при забивке. В СНиП П-23-81 [115] все сварные конструкции или их элементы по степени ответственности и условиям работы разделены на четыре группы. Группы содержат требованиям к выбору сталей для изготовления сварных конструкций или их элементов. Органичное сочетание в ШТС различных по назначению и условиям работы элементов открыло широкую возможность для конструирования оптимальных профилей с наиболее эффективным сочетанием входящих в него прокатных профилей и сталей.
Стальная труба является также наиболее востребованным в строительстве изделием. Сортамент стальных труб, выпускаемых отечественной промышленностью, весьма разнообразен. Не возникает каких-либо затруднений в получении труб в требуемом объеме, нужного сортамента и с заданными свойствами материала. Расчётное сопротивление стали для гнутых листовых прокатных профилей, как правило, повышается за счёт упрочнения. При проектировании строительных конструкций СНиП П-23-81 [115] в ряде случаев допускает учитывать эти упрочнения. Конструкции ШТС и их элементы для подпорных стен по СНиП П-23-81 [115] включены во вторую группу по степени ответственности и условиям эксплуатации. При отсутствии сварных соединений шпунты могут быть отнесены к группе 3. ШТС в конструкциях подпорных стен работает преимущественно на изгиб и поэтому могут быть отнесены к группе 2. Однако, ШТС имеет конструкцию, в которой все сварные соединения располагаются практически на нейтральной оси ШТС. совпадающей с продольной осью подпорной стенки. При работе подпорной стены на изгиб практически не возникает каких-либо растягивающих напряжений в сварных соединениях, что является характерным признаком конструкций, относящихся к группе 2. Это позволяет трубу в ШТС, при отсутствии поперечных сварных стыков, отнести к группе 3, при условии, что она выполнена из соответствующей стали. Например, трубы, с толщиной стенки до 10 мм, могут быть выполнены практически из любой стали, в том числе ВСтЗкп, если климатический район строительства с расчётной температурой t - 30 С , категория -2. Те же самые трубы, у которых толщина стенки более 10 мм, не допускаются к применению при изготовлении ШТС в соответствии с требованиями СНиП И-23-81 [115].
Похожие диссертации на Конструктивно-технологические решения подпорных стен из сварного трубчатого шпунта для транспортного строительства
