На какие характеристики смотреть при выборе шпунта

Шпунт подбирают на стадии проектирования, когда уже понятно, что именно нужно построить, например ограждение котлована или траншеи, берегоукрепление, причальную или подпорную стену.

Производители и поставщики публикуют сортаменты — таблицы с размерами профиля, площадью сечения, массой и другими параметрами. В статье разберём, что стоит за каждой характеристикой и как они определяют стоимость проекта. Затем расскажем, как выбрать шпунт, который выдержит нагрузки и не утяжелит стенку сверх необходимого.

Статья будет полезна для конструкторов, инженеров и сметчиков — всех, кто выбирает шпунт или проверяет чужой выбор.

Почему выбор шпунта не сводится к марке и цене

На марку и цену за тонну смотрят в первую очередь, но, если опираться только на них, можно упустить главное — выдержит ли профиль нагрузки объекта и сколько металла уйдёт на стенку.

Марка описывает геометрию профиля, но не отвечает на вопрос, какой шпунт выбрать для конкретного объекта.

Например, Л4, Л5, «Л5-УМ» — марки шпунта Ларсена из отечественного сортамента. На рынке также продают импортные профили VL, GU, AZ. Для траншеи под кабель глубиной три метра в сухом песке «Л5-УМ» избыточен, а для десятиметрового котлована в обводнённом грунте рядом с жилым домом — недостаточен.

Цена за тонну мало что говорит о бюджете проекта: в смете считают метры готовой стенки. А два профиля с одинаковой несущей способностью могут различаться по массе квадратного метра стены на 20–30%.

Выбор шпунта зависит от характеристик объекта: глубины котлована, типа грунта, уровня грунтовых вод, стеснённости площадки и способа погружения. Учитывают и нагрузки рядом с котлованом — от соседних зданий, дорог, складируемых материалов и работающей техники.

Срок службы тоже важен. Например, временное ограждение нужно только на период стройки, а постоянное гидротехническое сооружение работает десятилетиями. Требования к профилю у них разные.

Общий подход к расчёту такой: сначала шпунтовое ограждение считают по СП 381.1325800.2018 «Сооружения подпорные. Правила проектирования» с учётом СП 22.13330 и СП 45.13330. Расчёт даёт два числа — требуемый момент сопротивления и допустимое перемещение стенки. Под них и подбирают профиль.

Геометрия и масса: что стоит за цифрами в сортаменте

Разберём, какие основные характеристики шпунта указывают в сортаменте и на что влияет каждая из них.

Рабочая ширина — какую ширину стены перекрывает одна свая. От этого параметра зависит, сколько раз придётся погружать сваи, то есть сколько времени копровая установка проработает на площадке.

Высота профиля задаёт расстояние между полками и вместе с толщиной определяет, насколько сечение сопротивляется изгибу.

Толщина влияет на прочность сечения и запас на коррозию. У горячекатаных профилей она переменная, у холодногнутых постоянная по всему сечению.

Площадь сечения показывает, сколько металла приходится на одну сваю.

Масса в сортаменте дана в двух видах. Масса погонного метра относится к одной свае, масса квадратного метра — к готовой стене. Сравнивать профили корректно только по второй величине, потому что рабочая ширина у них разная.

Как сравнивать профили. Для примеров возьмём четыре профиля: распространённый «Л5-УМ» и три холодногнутых шпунта «Северстали»: Grani тип 1, тип 2 и тип 3.

Тип 1 рассчитан на нагрузки, при которых закладывают «Л5-УМ». Тип 2 применяют на объектах, где «Л5-УМ» избыточен. Тип 3 — самый лёгкий профиль линейки: геометрия у него как у типа 2, а толщина 8 мм вместо 10.

Одна свая Grani тип 1 тяжелее сваи «Л5-УМ»: 138,2 кг на погонный метр против 113,8. Но она шире — 750 мм против 506, и на ту же стену таких свай нужно меньше. Поэтому квадратный метр стены из Grani тип 1 весит 184 кг, а из «Л5-УМ» — 228 кг: стена из Grani легче на 19%.

Grani тип 2 ещё легче — 156,7 кг на квадратный метр. Но и прочность у него ниже: его ставят там, где «Л5-УМ» был бы избыточен.

Тип 3 самый лёгкий, 123,9 кг на квадратный метр, но и момент сопротивления у него самый маленький — 1 979 см³. Такой профиль подойдёт там, где расчётные нагрузки небольшие.

В таблице мы также указали момент инерции и момент сопротивления — ниже разберём их подробнее.

Момент сопротивления и момент инерции

Одна характеристика отвечает за прочность, другая — за жёсткость:

Момент сопротивления W, см³/м, — про прочность. Он показывает, какой изгибающий момент выдержит сечение, прежде чем напряжения дойдут до предела текучести стали.

Момент инерции J, см⁴/м, — про жёсткость. Он определяет, насколько стенка отклонится под тем же давлением грунта.

Бывает, что прочности хватает с запасом, а перемещения недопустимы. Например, жёсткость важнее прочности, когда котлован роют рядом с существующими зданиями. Если ограждение сместится, соседние дома дадут осадку, поэтому проект ограничивает перемещения миллиметрами — тогда профиль важно подобрать по моменту инерции.

Например, у «Л5-УМ» и Grani тип 1 моменты сопротивления почти совпадают: 3 555 и 3 530 см³. По моменту инерции разрыв в 1,4 раза: 75 800 против 105 850 см⁴. Профили равнопрочны, но стенка из Grani тип 1 жёстче.

Длина шпунта и замковые соединения

Стена из шпунтов работает как одно целое, только если сваи погружены на нужную глубину и сцеплены между собой. Поэтому, если ошибиться с длиной или замками шпунта, даже правильно подобранный профиль не поможет. Например, короткая свая не удержит стенку от опрокидывания, а через разошедшийся замок в котлован могут попасть вода и грунт.

Длина. Её задаёт расчёт заглубления ниже дна котлована. Цельная свая предпочтительнее сращённой: стык сваривают на площадке, и он может стать слабым местом. Например, шпунт Grani выпускают длиной от 6 до 19 м — этого хватает для большинства задач без сращивания.

Замки. Замок — то, чем шпунт отличается от обычной сваи. Само слово пришло из столярного дела: шпунтом называют паз, в который входит гребень соседней доски, — так соединяют половую доску при укладке пола. Деревянный шпунт из толстых досок встречается и сейчас: им крепят неглубокие траншеи.

Но для крупных современных проектов прочности древесины не хватает, и стенку собирают из стальных свай, у которых роль паза и гребня играет замок. Он отвечает сразу за несколько вещей.

• Плотность стенки — главный параметр для котлована ниже уровня грунтовых вод: от конструкции замка зависит, сколько воды придётся откачивать.

• Сцепление при погружении. Замки могут разойтись, особенно в плотных и каменистых грунтах, и тогда участок стенки приходится переделывать.

• Возможность извлечения. Зазор в замке снижает трение при погружении и выемке. Замок Grani рассчитан на 13 циклов погружения и извлечения: можно переставлять ограждение с объекта на объект и многократно использовать один и тот же металл.

• Ремонтопригодность. У многогранного шпунта Grani Pro повреждённый участок замка заменяют, не выбраковывая сваю целиком.

Какие характеристики важны для постоянного сооружения

Постоянное сооружение — причал, набережная, берегоукрепление, подпорная стена — остаётся в грунте на десятилетия. За это время сталь подвергается коррозии, теряет толщину, а вместе с ней снижаются момент сопротивления и момент инерции. Поэтому для постоянного сооружения важны ещё две характеристики: толщина с припуском на коррозию и марка стали.

Толщина с припуском на коррозию. К толщине, которую дал расчёт, добавляют припуск на износ за весь срок службы. Скорость износа зависит от среды: быстрее всего металл разрушается в зоне переменного уровня воды.

Профиль подбирают так, чтобы момент сопротивления и момент инерции проходили расчёт и в конце срока службы, когда часть металла уже потеряна. Защитные покрытия тоже продлевают срок службы: шпунт «Северстали» можно заказать с покрытием.

Марка стали. Предел текучести задаёт прочность стали: чем он выше, тем больший изгибающий момент выдержит сечение с тем же моментом сопротивления. Холодногнутый шпунт Grani изготавливают из проката с пределом текучести до 420 МПа, у Grani Pro класс прочности подбирают под проект.

Б/у шпунт: что проверить при выборе

Б/у шпунт дешевле нового, и его можно использовать, например, для временного ограждения на период стройки. Оно держит стенки котлована, пока идут работы нулевого цикла, потом сваи извлекают. Что важно проверить перед покупкой:

• Остаточная толщина. Её замеряют толщиномером в нескольких точках по длине.

• Состояние замков. Разработанные и надорванные замки мешают погружению и пропускают воду.

• Геометрия. При извлечении могут появиться прогибы и скручивания, которые помешают замковому соединению.

• Документы — если их не будет, исходные характеристики подтвердить нельзя и расчёт придётся строить только на предположениях.

Как выбрать шпунт и сравнить варианты: пять шагов

Сравнение шпунтов можно провести по такому подходу:

1. Рассчитайте требуемый момент сопротивления и допустимое перемещение стенки.

2. Отсейте профили, которые не проходят по моменту сопротивления. Это проверка прочности.

3. Сравните моменты инерции оставшихся. Чем больше момент инерции, тем меньше перемещения — проверьте, что они укладываются в допуск.

4. Сравните подходящие профили по массе квадратного метра стены — это важный фактор для бюджета проекта.

5. Проверьте эксплуатационные параметры — доступную длину, рабочую ширину, тип замка, сроки поставки.

Пример. Расчёт дал требуемый момент сопротивления 2 400 см³/м. Из профилей, которые мы разбирали выше, по прочности проходят три: «Л5-УМ», Grani тип 1 и Grani тип 2. Их моменты сопротивления — 3 555, 3 530 и 2 450 см³ соответственно. Grani тип 3 с 1 979 см³ рассчитан на более лёгкие нагрузки.

Дальше выбор зависит от того, насколько проект ограничивает перемещения стенки. Например, если рядом с котлованом нет зданий, дорог и подземных сетей, допуск по перемещениям широкий. Тогда может быть выгоднее взять самый лёгкий профиль — Grani тип 2: в нём на 31% меньше металла, чем у «Л5-УМ».

Если в нескольких метрах от котлована стоит дом, допуск по перемещениям будет небольшой. Здесь нужен жёсткий профиль: например, может быть выгодно выбрать Grani тип 1. При той же прочности, что у «Л5-УМ», он жёстче в 1,4 раза и легче на 19%.

Что запросить у поставщика

Для такого сравнения у производителя запрашивают:

• Полный сортамент с геометрией, массой и моментами по каждому профилю.

• Документы на партию — сертификаты, которые подтверждают марку стали и характеристики.

• Альбом типовых технических решений с узлами и рекомендациями по стыковке и погружению.

• Библиотеку профиля для расчётов.

Запросите детали у «Северстали» или передайте проект нашим инженерам: они подберут шпунт под объект и сопроводят проект до экспертизы.

Запросить подбор шпунта и расчёт: 8 800 551 18 77, zakaz@severstal.com.

Частые вопросы

Какие характеристики шпунта самые важные?

Момент сопротивления, момент инерции и масса квадратного метра стены.

Что показывает момент сопротивления шпунта?

Это критерий прочности — он показывает, какой изгибающий момент выдержит сечение.

Что такое момент инерции шпунта?

Это характеристика жёсткости: чем она выше, тем меньше стенка отклонится под давлением грунта.

Чем момент сопротивления отличается от момента инерции?

Первый отвечает за прочность, второй — за жёсткость стенки.

Какая толщина шпунта лучше?

Толщину определяют на стадии проектирования — это расчётный параметр, который зависит от задачи и среды.

Что означает масса шпунта в кг/м²?

Это масса квадратного метра готовой стены — по этой величине корректно сравнивать стоимость профилей.

Как сравнить два шпунтовых профиля?

Нужно убедиться, что они проходят по требуемому моменту сопротивления. Затем можно сравнить моменты инерции и массу квадратного метра стены.

Что лучше — U- или Z-образный шпунт?

Z-образный шпунт при равном моменте сопротивления расходует меньше металла, но требует большей точности погружения. Корытный профиль в России распространён шире — например, к нему относятся Л-серия и Grani.

Можно ли заменить Л5 на другой шпунт?

Да, если новый профиль проходит по требуемым моменту сопротивления и перемещениям.

Можно ли заменить один шпунт другим с таким же моментом сопротивления?

Только после проверки момента инерции: жёсткость у профилей с одинаковой прочностью может отличаться.

Как марка стали влияет на характеристики шпунта?

Через предел текучести — он определяет несущую способность. На жёсткость марка не влияет: модуль упругости у сталей примерно одинаковый.

На что смотреть при покупке б/у шпунта?

На остаточную толщину по замерам, состояние замков, геометрию после извлечения и документы на марку.

Какую длину шпунта выбрать?

Её определяет расчёт заглубления ниже дна котлована. По возможности берут цельную сваю без сварных стыков.

Какой параметр шпунта влияет на жёсткость стены?

Её определяет момент инерции сечения.