Винтовая свая

Винтовая свая
[1] Полезная модель относится к области строительства, а именно, к винтовым сваям. На данный момент на рынке представлено достаточно большое количество различных вариантов винтовых свай, отличающихся друг от друга способом производства, способом обработки наконечников, приваривания спирали и вида самой спирали и т.д.
[2] Винтовые сваи являются удобными в использовании, за счет возможности их эксплуатации в условиях сложного рельефа, мерзлого грунта, на грунтах с повышенной влажностью, торфяных, глинистых, песчаных, при разнородном грунте. Также разнообразие в длине сваи, ее фланца и иного вида крепления позволяет использовать их в возведении различных конструкций и сооружений в строительстве.
[3] УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[4] Известно решение (RU 170105, E02D 5/56, опубл. 14.04.2017г.)  изготовления свай из трубы и литого наконечника методом соединения элементов сваи сваркой, способом кольцевой сварки.
[5] Недостатком этого решения является выполнение кольцевого сварного соединения элементов, что снижает надёжность сваи и формирует возможность отрыва наконечника от ствола.  Также недостатком данного технического решения является сложность центрирования сваи при вкручивании, так как существует высокий риск несовпадения оси центра наконечника с осью центра ствола сваи.
[6] Также известно техническое решение (RU 114692, E02D 5/56, опубл. 10.04.2012 г.)  изготовления свай из цилиндрической трубы с конической нижней частью, на которую наварена лопасть с нанесенными на ее поверхность фасками.
[7] Недостатком этого решения является сложность технологического производства в нанесении фасок на поверхность лопасти.
[8] Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является полезная модель (RU 120426, E02D 5/56, опубл. 20.09.2012 г.), которая включает в себя металлическую трубу с антикоррозионным покрытием, с конической нижней частью, металлическую навивку в виде одного витка лопасти, расположенного на конической части трубы, отличающаяся тем, что коническая часть сваи выполнена в виде пирамиды с количеством граней не менее трех, ширина лопасти навивки составляет не менее 1/3 наружного диаметра трубы, шаг лопасти составляет от одного до двух наружных диаметров трубы, а на верхнем конце трубы на боковой ее поверхности выполнено, по меньшей мере, одно технологическое отверстие.
[9] Существенным недостатком данной полезной модели является то, что при изготовлении сваи наконечник приваривается к металлической трубе. Тем самым создается риск отрыва наконечника сваи при ввинчивании в грунт и нарушение центрирования осей наконечника сваи с осью центра ствола.
[10] ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
[11] Винтовая свая - тип сваи, заглубляемой в грунт методом завинчивания, в том числе в сочетании с вдавливанием. Винтовые сваи состоят из цилиндрической части, сужающейся части со спиралью либо лопастью, наконечника, оголовка, и возможно, фланца.
[12] Цилиндрическая часть – часть сваи, изготовленной из трубы с постоянным диаметром, не претерпевшей механической обработки формы заготовки.
[13] Сужающаяся часть – часть сваи, изготовленной из трубы, прошедшая механическую и тепловую обработку с целью получения заданного сужения и улучшения прочностных характеристик исходного материала.
[14] Сужение сваи – уменьшение диаметра тела сваи по длине. Может быть конусным, параболическим, экспоненциальным или с любым иным законом убывания диаметра по длине.  В общем виде задается отношением изменения диаметра к изменению продольного расстояния между местами измерения диаметра.  Возможно выражение сужения в процентах, где изменение диаметра по длине делится на расстояние между местами измерения диаметра и умножается на 100.
[15] Шовная труба – исходная стальная труба с соединительным швом по всей длине, по ГОСТ 10704-91, ГОСТ 28548-90, ГОСТ 10705-80, ГОСТ 10707-80, ГОСТ 10706-76, ГОСТ 11068-81, ГОСТ 30456-97, может применяться, в том числе, труба диаметром 57, 76, 89, 108, 114 мм., толщиной стенки от 3 до 4,5 мм., возможный материал для изготовления трубы – углеродистая и малоуглеродистая Сталь 3 и Сталь 5, или их аналоги. Применяется в качестве заготовки для изготовления тела сваи методом горячей ротационной ковки.
[16] Наконечник –   часть сваи, которая первой входит в грунт при установке сваи.
[17] Лопасть – ленточный элемент сваи, приваривающийся спирально к стволу сваи предназначенный для погружения сваи в грунт вдоль оси при вращении сваи вокруг её оси.
[18] Многогранная пирамида – форма наконечника сваи, формируемая посредством кузнечной ротационной ковки до исчезновения внутренней полости и превращённая в монолитный сердечник с гранями.
[19]  Ланцетовидная - форма многогранной пирамиды наконечника сваи, получаемая посредством кузнечной сварки в монолитный элемент. В поперечном сечении имеет вид ромба. Такой тип наконечника способствует прохождению через корни растений, строительный мусор и камни в грунте.
[20] Сварной шов – зона неразъёмного соединения, выполненного сваркой. Отличается более низкими механическими и химическими свойствами в сравнении с соединяемой сталью, вследствие возможного наличия полостей, пор и других дефектов.
[21] Ротационная ковка – ковка, выполняющаяся по схеме радиального сжатия. В роторе с отверстиями по направляющим движутся бойки (два и больше) с одной степенью свободы. Ротор с бойками может вращаться. При вращении бойки ударяют поковку с диаметрально противоположных сторон.
[22] Кузнечная сварка – «Сварка ковкой», вид сварки давлением с термообработкой. Посредством её образуют неразъемное соединение в результате действия кузнечного ударного инструмента на металл, находящийся в пластичном состоянии.
[23] Проковка – (осадка и высадка), кузнечная операция, заключающаяся в деформации заготовки частичной осадкой с целью создания местных утолщений за счёт уменьшения длины (либо другого размера) заготовки.
[24] Конденсат - вода, образующаяся при конденсации водяного пара на стенках металлических деталей, в частности, в полостях с доступом атмосферного воздуха.
[25] Внутренняя полость – пространство трубчатого элемента, не заполненного материалом.
[26] Оголовок – верхняя зона сваи, выступающая над грунтом или находящаяся в уровне грунта, может также иметь фланец, укосины и т.п.
[27] Фланец - деталь квадратной, круглой или иной формы с отверстиями для болтов и шпилек, служащая для  присоединения сборных элементов сваи друг к другу, к вышерасположенным конструктивным элементам здания или сооружения, а также к оборудованию различного функционального назначения.
[28] Искривление шва на сужающейся части - отклонение шва от плоскости, образованной осью сваи и непрокованным швом. Может измеряться в градусах или процентах. Труба укладывается горизонтально швом вверх, вдоль непрокованного шва прикладывается линейка таким образом, чтобы часть линейки проходила над наконечником. От линейки к сужению опускается перпендикуляр к оси сваи, образующий на поверхности сужения точку проекции начального шва. Перпендикулярно оси сваи по поверхности окружности измеряется расстояние от точки проекции до реального шва. Это отклонение делится на расстояние от точки проекции до начала зоны проковки и множится на 100, что показывает величину искривления шва в процентах.
[29] СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
[30] Техническая проблема, которая решается такой конструкции сваи это – расширение возможности использования  сваи, полученной методом ротационной ковки в пластичных и текучих грунтах, то есть улучшение эксплуатационных характеристик.
[31] Заявленное техническое решение достигает такого технического результата как увеличение надежности сваи при эксплуатации в пластичных и текучих грунтах.
[32] Под термином «эксплуатация» сваи понимается монтаж и дальнейшее использование сваи по назначению.
[33] Данный технический результат достигается за счет того, что свая, выполненная из  шовной стальной трубы путем горячей ротационной ковки, и состоящая из цилиндрической части, сужающейся части с постепенно уменьшающимся диаметром и сформированным на конце наконечником, имеет по крайней мере одну лопасть, ширина которой составляет от 150 - 800 мм.
[34] Указанная выше свая выполняется из шовной стальной трубы путем горячей ротационной ковки, при этом наконечник сваи выполнен цельным, тем самым минимизируя риск отрыва наконечника и обеспечивая центрирование оси центра наконечника с осью центра ствола сваи, что позволяет достичь заявленного технического результата.
[35] Также стоит отметить, что ротационная ковка позволяет сформировать сужающуюся часть сваи с постепенным уменьшением диаметра ствола сваи от 2 до 30%, что приводит к улучшению проникающей способности сваи и оптимизированию для применения низкомоментных механизмов установки. Как следствие это приводит к удобству и простоте монтажа.
[36] Ширина лопасти сваи выполнена от 150 до 800 мм. При ширине лопастей менее 150 мм. значительно затрудненно, а в некоторых случаях невозможно, использование винтовой сваи в пластичных грунтах. Осуществление приваривания лопастей шириной более 800 мм. не является технологичным и сложно в изготовлении. Данные значения получены путем испытаний на производстве заявителя.
[37] Лопасть, привариваемая в заявленной винтовой свае, может быть одновиктовой или двухвитковой. Многовитковость сваи увеличивает прочность несущую способность в том числе в неоднородных грунтах, облегчает монтаж и лучше удерживает сваю в пластичном грунте.
[38] Также к стволу винтовой сваи может привариваться более одной лопасти для обеспечения большей устойчивости  в пластичных и текучих грунтах. При чем лопасти могут быть приварены как к сужающейся части, так и к сужающейся и цилиндрической.
[39] Заявленная винтовая свая имеет наконечник, выполненный в форме многогранной пирамиды наконечник, который может дополнительно быть обжат до ланцетовидного.  Ланцетовидный наконечник в форме многогранной пирамиды укрепляет сам наконечник от горизонтальных нагрузок на изгиб и позволяет осуществлять раздвижение неуплотняемых элементов грунта от сваи, что значительно уменьшает вероятность излома ленты шнека в головной части сваи. Ланцетовидный наконечник в форме многогранной пирамиды обеспечивает более лёгкое проникновение сваи в грунт, где ланцетовидные рёбра наконечника сваи одновременно прорезают материнский грунт и сдвигают включения неуплотняемых элементов грунта (галька, корни и т.п.) в сторону от сваи.
[40] Все вышеперечисленные признаки заявленного технического решения направлены на достижение указанного технического результат, а именно, увеличение надежности сваи при эксплуатации в пластичных и текучих грунтах .
[41] ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[42] Реализация полезной модели описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути полезной модели и никоим образом не ограничивают ее область.
[43] К заявке прилагаются следующие чертежи:
[44] Фиг.1 - иллюстрирует общий вид однолопастной сваи c приваренными одновиткой лопастью;
[45] Фиг.2 – иллюстрирует общий вид многолопастной сваи c приваренными одновитковыми лопастями.
[46] Фиг.3 – иллюстрирует общий вид сваи c приваренной  двухвитковой лопастью.
[47] На данных чертежах указаны следующие позиции:
[48] 1 – кованый ланцетовидный наконечник;
[49] 2 – конус с переменным диаметром;
[50] 3 – лопасть;
[51] 4 – ствол сваи с постоянным диаметром;
[52] 5 –  оголовок;
[53] 6 - отверстия для контроля степени преобразования стали по геометрическим параметрам шва.
[54] ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
[55] В приведенном ниже подробном описании реализации полезной модели приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящей полезной модели. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно, каким образом можно использовать настоящую полезную модель, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящей полезной модели.
[56] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что полезная модель не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящей полезной модели, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.
[57] Данная полезная модель направлена на достижение такого технического результата как увеличение надежности сваи при эксплуатации в пластичных и текучих грунтах. Достижение данного технического результата возможно благодаря выполнению сваи методом горячей ротационной ковки, но при этом лопасть, привариваемая к стволу сваи, имеет ширину от 150 до 800 мм.
[58] Ширина лопасти может быть как постоянной, так и переменной. Постоянная ширина является более технологичной в изготовлении, так как лопасть изготавливается из металлической ленты, толщиной от 5 до 10 мм., шириной от 150 до 800 мм.
[59] В силу того, что наконечник формируется неотделимо от шовной трубы путем горячей ротационной ковки, которая включает в себя предварительный нагрев шовной трубы, радиальное обжатие стальной шовной трубы методом горячей ковки до формирования цельного наконечнника, в том числе в форме многогранной пирамиды с обжимом в ланцетовидную форму,  таким образом уменьшается риск отрыва наконечника при ввинчивании сваи, риск преждевременной коррозии металла, повышается прочность наконечника. Ротационная ковка наконечника происходит ровно до того момента, как исчезает просвет на конце сваи, что исключает возможность попадание грунта во внутреннюю полость сваи. Температура, при которой проводится данная технологическая операция, достаточна для осуществления «сварки ковкой» - полного, без следов шва, заполнения внутреннего объёма наконечника сваи и соединения всех слоёв металла в монолитное тело.
[60] Таким образом, при проведении термического процесса ковки появляется возможность формирования ланцетовидного наконечника сваи, имеющего в сечении форму ромба для обеспечения более лёгкого проникновения сваи в грунт, где ланцетовидные рёбра наконечника сваи одновременно прорезают материнский грунт и сдвигают включения неуплотняемых элементов грунта (галька, корни и т.п.) в сторону от сваи. Таким же образом при ротационной ковке может быть сформирован наконечник в форме многогранной пирамиды. Наличие формы многогранной пирамиды наконечника укрепляет сам наконечник от горизонтальных нагрузок на изгиб и позволяет осуществлять раздвижение неуплотняемых элементов грунта от сваи, что значительно уменьшает вероятность излома ленты шнека в головной части сваи, грани пирамиды менее подвержены изгибу и износу при уплотнении грунта. Дополнительная ланцетовидая форма наконечника придает свае лучшие свойства для проникновения в грунт.
[61] Заявленная полезная модель имеет также одновитковую или двухвитковую лопасть, ширина которой варьируется от 150 – 800 мм., в зависимости от диаметра корпуса сваи.  Примеры:
№ п/п
Номенклатура
Толщина
Вес готового изделия(цинкование)
Соответствующие диаметры труб
Ширина лопасти
мм
кг
мм
мм
1
Лопасть 150
4, 5 мм
0, 85
57, 76
150
2
Лопасть 200
1,11
57, 76
200
3
Лопасть 250
1,66
76, 89
250
4
Лопасть 300
2,90
89,108 114
300
5
Лопасть 350
4,06
108, 114, 133
350
6
Лопасть 400
5,21
133, 159
400
7
Лопасть 450
7,42
159, 259
450
8
Лопасть 500
9,75
259, 325
500
9
Лопасть 550
12,32
325
550
10
Лопасть 800
8, 10, 12мм
17,9
325, 426
800
[62] Данные, представленные в таблице в разделе «Вес готового изделия (цинкование)», являются ориентировочными и могут  иметь незначительные изменения в зависимости от используемого в производстве сырья.
[63] Данные лопасти привариваются к сужающейся части сваи, а также могут быть приварены одновременно как к цилиндрической, так и к сужающейся части винтовой сваи. Начало места приваривания сваи выполняется выше наконечника, в связи с чем в процессе монтажа наконечник обеспечивает врезание тела сваи в грунт.
[64] Стоит также отметить, что ранее проведенные экспериментальные исследования заявленной полезной модели показали, что оптимальным соотношением уменьшения диаметра тела по длине сваи в основании и вершине сужающегося участка сваи составляет диапазон от 2 до 30%,  причем для разных применений сужение может быть конусным, параболическим, экспоненциальным. В общем виде сужение задается отношением изменения диаметра к изменению продольного расстояния между местами измерения диаметра.  Возможно выражение сужения в процентах, где изменение диаметра по длине делится на расстояние между местами измерения диаметра и умножается на 100. Данный диапазон оптимизирован для применения низкомоментных механизмов установки. Так, соотношение в 30% наиболее оптимально для машинной установки, а соотношение 2% более подходит для установки ручным способом.
[65] Дополнительно, в свае могут быть изготовлены отверстия для удаления конденсата и оценки толщины прокованного материала и геометрии внутренней части шва, которые располагаются на границе зоны исчезновения просвета во внутренней полости. Такие отверстия могут быть выполнены перпендикулярно оси сваи, либо под острым углом к продольной оси сваи.
[66] Угол искривления сварного шва определяется как угол между осью и касательной к кривой шва. При этом приходится учитывать, что поверхность, на которой измеряется угол, не плоская. Для компенсации кривизны поверхности вводится проекция точки пересечения шва из оси на продолжение цилиндрической поверхности трубы (развертка). На развернутой в плоскость цилиндрической проекции угол между продолжением проекции линии прямого шва к касательной к проекции линии искривленного шва и будет углом отклонения шва.
[67] Угол искривления сварного шва определяется как угол между осью и касательной к кривой шва. При этом приходится учитывать, что поверхность, на которой измеряется угол, не плоская. Для компенсации кривизны поверхности вводится проекция точки пересечения шва из оси на продолжение цилиндрической поверхности трубы (развертка). На развернутой в плоскость цилиндрической проекции угол между продолжением проекции линии прямого шва к касательной к проекции линии искривленного шва и будет углом отклонения шва.
[68] Измерение угла в этом случае выглядит так: свая размещается горизонтально на две опоры швом вверх. Сверху вертикально опускается щуп в точку начала изгиба шва (начало прокованной зоны) и фиксируется. Свая сдвигается по оси в сторону оголовка на расстояние S, поворачивается так, чтобы шов оказался под щупом, измеряется угол L поворота сваи вокруг ее оси (в градусах). Угол поворота переводится в расстояние на проекции по формуле S=pi*D*L/360, где S - расстояние, мм.; D - диаметр непрокованной трубы, мм.; L - угол, градусы; pi - число пи. Далее рисуется развертка проекции шва сужающейся части по точкам через 10 мм. (или иное, достаточное для точности измерений расстояние), получается кривая проекции шва. Затем строятся касательные к кривой проекции шва и угломером или транспортиром измеряется угол между полученной касательной и проекцией оси.
[69] При достижении заданной геометрии изделия из трубы методом ротационной ковки наблюдается эффект текучести стали, выраженный, например, в изменении относительных размеров шва от исходной формы – от сектора кольца в сечении, до клинообразной (изменение отношения ширины шва к его толщине по мере уменьшения диаметра трубы).  При этом наблюдаются изменения размеров шовной зоны, расплывающиеся границы «материал шва -  материал трубы», изменяющиеся характеристики материала шва в сторону увеличения механических параметров и увеличение коррозионной стойкости. Также наблюдаются отклонения продольного шва трубы от линии, лежащей в одной плоскости с осью сваи, а также искривление изначально прямого сварного шва в виде спиральной лини (лево- или правосторонней).
[70] Опытное производство Заявителя показало, что в частности, свая, изготовленная из шовной трубы, демонстрирует изменение ширины шва с 6 мм. до 4 мм., толщины шва с 4 мм. до 8,4 мм. в районе отверстия на 390 мм. сужения и отклонение линии исходного шва от параллельной оси сваи на 23 мм. на 360 мм. сужающейся части сваи. Пример расчета изменения линейных размеров шва:
[71] - ширина шва на непрокованной части была 6 мм., на прокованной стала 4 мм. 6мм/4мм. = 1.5 раза. (1,5-1)*100 =  50% разницы. Заданная величина 20% превышена, а значит, этот параметр годности соблюден.
[72]  - толщина шва на непрокованной части была 4 мм., на прокованной стала 8,4 мм. 8,4 мм./4 мм. = 2,1 раза. (2,1-1)*100 = 110%. Заданная величина 20% превышена, а значит, этот параметр годности соблюден.
[73]  Поскольку уплотнение и утолщение шва и его искривление есть следствие обработки ротационной ковкой, можно за дополнительный критерий принять искривление шва.
[74] Важным является возможность контроля изначальной толщины стенки исходной трубы, не прошедшей кузнечную обработку. Поскольку торец сваи закрыт фланцем, в нем изготовлено сквозное отверстие круглой или овальной формы (контрольное окно), приходящееся на торец шва и позволяющее оценить исходную толщину металла стенки трубы и форму шва в сечении.
[75] При пластической деформации стали, для снятия возможных внутренних напряжений и для повышения вязкости материала применяется отпуск изделия. В результате отпуска сталь сохраняет высокую твердость, но при этом устраняется закалочная хрупкость. Превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска способствует стабилизации размеров детали, увеличивает прочность и упругость при средней твердости.
[76] Для дополнительной химической устойчивости и антикоррозийного эффекта сваю могут подвергать цинкованию горячему или холодному.
[77] Винтовая свая содержит ствол из шовной трубы, нижняя часть 2 которого, посредством горячей ротационной ковки сужена, сформован наконечник 1, представляющий сваренный ковкой монолит из пластично-деформированной стали, имеющий форму многогранной пирамиды или копьевидную форму окончания сваи. На границе сужения и наконечника выполнены отверстия 6 для контроля степени преобразования стали по геометрическим параметрам шва.
[78] На сформованное горячей ротационной ковкой сужающееся тело сваи приваривают одновитковая или двухвитковая лопасть 3 из стальной ленты для формирования шнека и возможности внедрения сваи в грунт вращением. Сварной шов выполняется непрерывно вдоль формируемой спирали. На стволе сваи с постоянным диаметром 4 выполнен оголовок 5 сваи, присоединяется и фиксируется сваркой фланец, для перераспределения несущей нагрузки от внешних конструкций, через тело сваи на грунт.
[79] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.