Шпунтовые ряды

Как видно из самого названия, образующие их сваи забиваются на весьма близком расстоянии друг от друга, так что они создают непрерывную стенку или ряд. Назначение такой шпунтовой стенки может заключаться или в создании преграды потоку воды в грунте, или в удерживании воды и в поддержании грунта, что необходимо для обеспечения устойчивости вертикальных бортов глубоких выемок без применения крепления.

Шпунтовые сваи могут изготовляться из стали, железобетона или дерева.

Обратимся сначала к стальным шпунтовым сваям. На рис. 15.14 приведены сечения нескольких таких типичных свай, а в табл. 15.1 —наиболее важные характеристики некоторых из них.

При воздействии на шпунтовые сваи бокового давления воды или грунта они работают как вертикальные балки, удерживаемые отбойными брусьями и распорами, первостепенное значение приобретает их сопротивление изгибу, определяемое величиной момента сопротивления. В подобных условиях применяют шпунтовые сваи с профилем сечения значительной высоты, например, типов ZP или DP, показанных на рис. 15.14. Шпунтовые сваи DP или U-образные являются наиболее старыми типами и соответствуют сваям, известным в Европе под названием свай типа «Ларсен». Следует отметить, что замки шпунтин этого типа совпадают с нейтральной осью балки. Напомним также, что, как это указывается в курсе «Сопротивление материалов», касательные напряжения на нейтральной оси балки достигают своего максимального значения. Поэтому шпунтовые сваи типа DP не позволяют полностью использовать сечение стенки на всю его высоту и работают подобно прямоугольным балкам, когда они уложены одна поверх другой. Если не предотвращено смещение двух балок по плоскости контакта, то момент сопротивления такой системы будет равен только сумме моментов сопротивления двух балок, т. е. 2bh2/6 = bh2/3. Однако в случае устранения возможности смещения с помощью заклепок или иными средствами обе балки будут работать как одна с высотой 2h. Очевидно, что такая балка будет обладать в 2 раза большим моментом сопротивления, а именно: b(2h)2/6=2bh2/3.

Таким образом, эффективность шпунтовых свай типа DP, т. е. отношение момента сопротивления сечения стенки на 1 фут ее ширины к весу ее квадратного фута, как это показывает линия, связывающая помеченные крестиками точки на рис. 15.15, слишком мала.

В случае предотвращения смещения шпунтовых свай эффективность их может возрасти в 2 раза. Это положение иллюстрируется линией, связывающей точки, помеченные крестиком внутри кружка. Выполнение этого условия у некоторых европейских шпунтовых свай достигается их плотным соединением в замках. После прокатывания они попарно подвергаются спрессовыванию по всей их длине, образуя, по существу, большую Z-образную шпунтину. Чтобы избежать кумулятивного эффекта кручения, свойственного всем асимметричным сечениям, после 10 таких «левосторонних» спаренных U-образных шпунтин в ряду устанавливают одиночную сваю, а затем 10 «правосторонних» спаренных. Ho даже в этом случае их эффективность ниже, чем у европейских Z-образных шпунтин, например крупповских, помеченных на рис. 15.15 буквой К, или американских, обозначенных буквами ZP или MZ. Эффект кручения Z-образных шпунтов аннулируется действием каждой их пары.

Стальные шпунтовые сваи с невысоким сечением типа SP (см. рис. 15.14) оказываются полезными главным образом, когда они испытывают растяжение в замках (по горизонтали) при отсутствии изгиба в вертикальной плоскости или при слабом его проявлении, как это имеет, например, место в шпунте ячеистых перемычек.

Интенсивность коррозии стальных шпунтовых свай зависит от местных условий. Она развивается наиболее легко в «увлажняемой зоне» непосредственно над наиболее низким уровнем грунтовых вод, где подсыхание грунта сменяется периодически его новым замачиванием.

В Англии было установлено, что потеря толщины шпунтовых свай за счет коррозии составляет 0,003 дюйма в год в морской и 0,002 дюйма в год в пресной воде. Эти цифры в других местах могут существенно изменяться.

В некоторых районах, где истирающее действие развеваемых ветром песчаных дюн сочетается с корродирующим действием соленой морской воды, наблюдалось намного более быстрое разрушение.

При коррозии в толще грунта или под водой в шпунте возникают электрические токи. Было установлено, что коррозию в таких случаях можно предотвратить, возбуждая искусственно электрический ток большей интенсивности и противоположно направленный по отношению к токам, возбуждающим коррозию. Этот способ известен под названием катодной защиты.

В табл. 15.2 приводится характеристика некоторых специальных типов рифленой стали небольшого веса, используемой в качестве шпунта при проходке неглубоких траншей или в других подобных случаях.

Существуют и другие типы листовой стали, но уже без замков; они обладают меньшим весом.

Как деревянные, так и железобетонные шпунтовые сваи не могут быть сконструированы так, чтобы обеспечить надежное восприятие сколько-нибудь существенного растяжения в их замках, и в силу этого они работают только как отдельно вертикально стоящие балки. По этой причине они непригодны для использования в ячеистых перемычках и подобных сооружениях. При использовании деревянных или железобетонных шпунтовых свай всегда возникает проблема их надлежащего стыкования. Выше поверхности грунта правильное направление отдельных шпунтовых свай обеспечивается стрелами копра; некоторого успеха в этом отношении ниже поверхности грунта можно достичь скашиванием концов каждой сваи, как это показано на рис. 15.16. При этом условии пассивное давление грунта Ер будет прижимать каждую последующую сваю к забитой ранее. Однако этот способ не всегда оказывается эффективным. Шпунтовые сваи для лучшего их стыкования имеют пазы и гребни. Пазы железобетонных шпунтовых свай после забивки обычно цементируются. Однако практика использования этого мероприятия показывает, что для предотвращения просачивания водонасыщенного песка через зазоры, которые могут оставаться между отдельными шпунтовыми сваями в ряду, зачастую необходимы особые меры предосторожности.

При забивке непрерывной шпунтовой стенки большой длины возникает некоторая специальная проблема. Как показано на рис. 15.16, верхняя часть стенки может быть выполнена в плане по прямой линии путем надлежащего направления отдельных шпунтовых свай при их погружении в грунт с поверхности. Однако шпунтовые сваи всех типов при их забивке неизбежно несколько отклоняются от вертикальной плоскости, встречая на своем пути небольшие камни и другие препятствия, которые смещают их с первоначального направления.

При экскавации котлованов часто удается наблюдать, что нижняя часть шпунтовых стенок описывает волнистую линию, как показано на плане рис. 15.16 пунктирной линией DD'. Так как прямая А'В между двумя точками короче, чем волнистая линия D'D, нижний конец шпунтов D не может лежать на одной вертикали со своим верхним концом, и через некоторое время шпунтовые сваи начинают все больше наклоняться, как это показано на рис. 15.16 для свай ABCD. В этих случаях для обеспечения дальнейшего правильного погружения свай может оказаться необходимым ввести в ряд специально изготовленную шпунтовую сваю ABCD трапецеидальной формы. Когда шпунтовый ряд образует замкнутую цепь, рекомендуется не забивать до конца первые шпунтовые сваи, а погрузить их в грунт лишь частично. Таким же образом нужно поступать с последующими сваями до тех пор, пока не будет достигнуто надлежащее стыкование последней шпунтовой сваи с первой. После этого забивка свай продолжается и завершается за один или несколько этапов при той же последовательности выполнения работ.