Научное сопровождение разработок конструкций и проектов реализации транспортных сооружений из трубчатого сварного шпунта
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 ОАО «Трест Запсибгидрострой»
В статье рассматривается опыт ЦНИИС и «Треста Запсибгидрострой», разработавших на основе творческого сотрудничества и результатов научного сопровождения, национальные стандарты [1,2], технические условия [3,4,5,6] на изготовление и своды правил [7, 8] по проектированию, возведению и эксплуатации транспортных и потовых гидротехнических сооружений из стального трубчатого сварного шпунта (ШТС), 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 ШТС, представление проектным и строительным подразделениям Трансстроя [9] возможности выбора профилей шпунтовых свай различных по форме, характеристикам стали, доступного их приобретения стало надёжным 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 д- р. техн. наук А.И.Кузнецов и кандидаты техн. наук Г.Д. Хасхачих и Л.Н. Лосев. Сотрудниками института разработана нормативная документация, созданы методики расчёта для проектирования, отработаны ресурсосберегающие технологии производства и методы контроля качества возведения транспортных и потовых гидротехнических сооружений из стального трубчатого сварного шпунта (ШТС). К настоящему времени, из 150 тысяч тонн 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 внедрения ШТС на объектах транспортного и портового гидротехнического строительства России обусловлено не только совершенством конструкции сварных шпунтовых трубчатых свай и высоким качеством их изготовления, но также и успешным решением ряда специфических проблем на этапах научного сопровождения проектирования, строительства и обеспечения эксплуатационной надежности. В их числе: проектные решения, обеспечивающие надёжную работу больверка высотой 16-20 м в условиях паводков и ледохода с льдинами толщиной 1,5-2,0 м и значительной площади; обеспечение возможности погружения ШТС в вечномёрзлые, 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], разгрузочных платформ и других элементов) «под ключ» с полной их заводской готовностью и обеспечением на строительной площадке только монтаж и их сборку, без каких-либо трудоемких ручных и водолазных работ.
Опыт научного сопровождения проектирования, строительства и эксплуатации подпорных стен из ШТС показал (рис.1), что сооружения со свободной высотой до 6 - 8 м целесообразно возводить без анкерных устройств, экономя материальные и трудовые ресурсы. Подкрановые пути и инженерных сети больверков из ШТС рекомендуется проектировать в соответствии с методиками расчётов, приведенными в Сводах Правил [7, 8]. Подпорные стены высотой 12-16 м следует усиливать [10], применяя однорядные анкерные устройства (рис.2). Подпорные стены из ШТС с двойной по высоте анкеровкой рекомендуются для применения в тех случаях, когда размещение только одного ряда анкеров не обеспечивает надёжной работы сооружения.
Фото 1. Подпорная стенка из шпунта трубчатого сварного
Фото 2. Подпорная стенка из шпунта трубчатого сварного с анкеровкой
Опыт ЦНИИС по научному сопровождению проектирования и строительства подпорных стен, морских и речных портовых и берегоукрепительных сооружений, а также результаты расчётов [6,7] позволяют заключить, что замена в проектах подпорных стен стального шпунта традиционных профилей типа Ласен - 4, Ларсен – 5 и Ларсен 5-УМ на шпунт трубчатый сварной ШТС по ГОСТ Р 52664-2010, как правило, позволяет существенно упростить конструкцию и выполнить её 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].
Таблица 1. Сравнительные характеристики шпунтовых стен
Результаты сравнительного анализа характеристик шпунтовых стен, приведенные в табл. 1, позволяют заключить, что по основным показателям эффективности, несущей способности и показателю удельного расхода стали шпунты трубчатые сварные (ШТС), изготовленные «Трестом Запсибгидро-строй» 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 расчётных схемах систему шпунтовая свая - грунтовое основание принято считать многократно статически неопределимой. Многочисленные программы расчётов подпорных стен позволяют определить глубину забивки шпунтовых свай, размеры анкерных устройств, оценить местную устойчивость и минимальную глубину забивки шпунтовых свай. Расчёты на прочность дают возможность определить усилия в шпунтовых сваях, изгибающие моменты, при заданной глубине их забивки и выбрать тип шпунтовой сваи по сортаменту. Специфическими для подпорных стен из ШТС являются расчёты по определению диаметра и толщины стенок стальной трубы, а также расчёты замковых соединений и предельных в них усилий, в том числе на прочность, разрыв и проницаемость.
Не анализируя здесь преимущества и особенности расчётных 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 изготовленный по ГОСТ Р 52644-2006 «Шпунт трубчатый сварной. Технические условия» автотранспортной развязки в г. Ханты-Мансийске (рис.3) имеют на свободную высоту 10 м и выполнены без анкерных систем. С 2007 года этот путепровод находятся в постоянной эксплуатации без каких-либо претензий от эксплуатирующих и природоохранных организаций в условиях При прохождения автомобильной дороги через природный Государственный заповедник «Самаровский чугас»
Фото 3. Объездная дорога г.Ханты-Мансийска из шпунта трубчатого сварного
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 5У – М, а также Larssen – Hoesch. Аналитически установлено и на объектах строительства проверено, что у подпорных стен из ШТС медленнее происходит процесс коррозии, их ослабление и ржавчина, чем из шпунтовых свай горячекатаного типа.
В таблице 2 приведены результаты сравнительного анализа коррозионной стойкости подпорных стен из шпунтовых свай типа Ларсен – V, ШТС и Larssen – Hoesch. В расчётах принято, что средняя интенсивность коррозионного износа составляет 0,1 мм в год. В табл. 2 приведены результаты сравнения для этапа окончания строительства и по истечении 25 лет эксплуатации.
Таблица 2. Сравнительный анализ коррозионной стойкости горячекатаных шпунтовых свай и ШТС
По результатам расчётов 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 не только будет сохранна несущая способность, но и запас, соответственно, К = 1,7 и К = 1,42.
Результаты расчётов 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
Результаты расчётов (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 и повышает срока эксплуатации сооружения. Замена шпунтовых свай Ларсен в проекте набережной АОЦ МО на р. Москва (рис.4) на ШТС производства «Трест Запсибгидрострой» без увеличения расхода металла обеспечила запас по коррозионной стойкости сооружения.
Фото 4. Набережная административного центра из шпунта трубчатого сварного в Московской области, Красногорский район
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) и 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, моментами сопротивления W0 > 25 тысяч 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 подпорных стен 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.
Литература
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.
Статья опубликована в журнале «Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века» № 8 (151) 2011 год стр. 48-51
