Винтовая свая телескопического типа с лидерной сваей
TELESCOPIC SCREW PILE WITH LEADER PILE

Изобретение относится к строительству, может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве, при возведения свайных оснований и фундаментов в слабых грунтах, в случаях, когда необходимо обеспечить опирание на несущий слой грунта, находящийся на значительной глубине залегания, с одновременным улучшением характеристик верхних слабонесущих слоев грунта, создания комбинированной системы восприятия нагрузки («висяче-стоячей» сваи).
Известны различные технические решения в рассматриваемой области.
Так, известен патент РФ на полезную модель №187577 (МПК E02D 5/52, E02D 5/56, опублик. 12.03.2019) «Винтовая телескопическая свая из стеклопластиковых труб с опорным наголовником», состоящий из нижней и верхней частей, ствол нижней части имеет винтовые лопасти, а гладкий ствол верхней части размещен свободно внутри ствола нижней части; в стволах обеих частей устроены сквозные отверстия одинакового диаметра; объединение обеих частей в жесткую конструкцию выполнено штырем, который вставлен в совмещенное отверстие в стволах обеих частей сваи; оголовок верхней части сваи шарнирно соединен штырем с опорным наголовником, который болтами может крепиться к нижнему поясу режущего наклонного ребра ледореза. Расположение небольших участков сваи из стекловолокна «труба в трубе» использовано только для соединения 2-х частей свай между собой или с опорным оголовком, имеет недостатки, и не может идти в сравнение с предлагаемым техническим решением.
Известен патент РФ на полезную модель №191858 (МПК E01D 19/04, опублик. 26.08.2019). Телескопическая буроопускная трубчатая стойка с опорным наголовником для ПАРМ состоит по высоте из двух трубчатых стволов, ствол нижней части имеет больший диаметр, заканчивается опорным круглым диском и расположен в скважине; верхняя часть стойки - вставка - свободно размещена в стволе нижней части; в стволах обеих частей устроены сквозные отверстия одинакового диаметра под несущий штырь, которые во вставке расположены с одинаковым шагом по всей длине ствола, а в нижней части устроено несколько отверстий только в оголовке, при этом вертикальные оси отверстий расположены по окружности ствола через равные углы, а горизонтальные оси расположены на одинаковых расстояниях друг от друга по длине оголовка ствола; на оголовок вставки свободно установлен опорный наголовник, состоящий из юбки, изготовленной из отрезка трубы, и приваренного к ней опорного квадратного листа с отверстиями для болтового соединения с балкой ригеля; рабочее положение опорного листа наголовника на вставке фиксируется двумя зажимными болтами, устроенными на боковой поверхности юбки наголовника; при этом обе части стойки, наголовник и несущий штырь изготовлены из стеклопластика.
Известен патент РФ на полезную модель №191864 (МПК E02D 5/52, E01D 19/14, опублик. 26.08.2019). Головная телескопическая винтовая свая из стеклопластиковых труб для кустового инвентарного ледореза состоит по высоте из двух - нижней и верхней -частей, гладкий ствол нижней части имеет винтовые лопасти, а ствол верхней части, внутренний диаметр которого несколько больше наружного диаметра нижней части, свободно насажен на ствол нижней части сваи; на наружной поверхности ствола верхней части жестко закреплены вертикальные уголки для прикрепления к свае щитов боковой обшивки ледореза и режущий уголок; в стволах обеих частей сваи устроены сквозные отверстия одинакового диаметра для размещения в них несущего штыря, который вставляют в совпавшие отверстия обеих частей для объединения их в жесткую конструкцию сваи необходимой длины.
Известен патент РФ на изобретение №2597420 (МПК E02D 5/56, опублик. 10.09.2016). Сборная винтовая свая включает ствол и, по меньшей мере, одну лопасть, причем ствол состоит из группы последовательно установленных друг на друга элементов, содержащей концевые элементы и промежуточные элементы, снабженные группой стыковочных отверстий, при этом каждый промежуточный элемент выполнен из двух установленных друг на друга вертикальных цилиндров разного диаметра, а каждый концевой элемент содержит ответную промежуточному элементу часть, выполненную в виде вертикального цилиндра, причем каждый цилиндр с меньшим диаметром установлен внутри соответствующего цилиндра с большим диаметром посредством средств крепления, расположенных в группе стыковочных отверстий. Устройство завинчивания сборной винтовой сваи включает корпус, механизм фиксации сваи, механизм завинчивания сваи и группу рукояток, причем механизм фиксации сваи, механизм завинчивания сваи и группа рукояток соединены с корпусом, при этом механизм завинчивания сваи содержит червячный редуктор. Способ завинчивания сборной винтовой сваи включает завинчивание сборной винтовой сваи посредством устройства завинчивания сборной винтовой сваи, причем осуществляют корректировку высоты сборной винтовой сваи посредством последовательной установки друг на друга необходимого количества элементов ствола сваи до завинчивания сборной винтовой сваи или после частичного завинчивания сборной винтовой сваи.
Известен патент РФ на изобретение №2685519 (МПК E02D 5/56, опублик. 19.04.2019). Винтовая свая включает цилиндрический ствол и винтовую лопасть, соединенную с нижним концом ствола, содержит полый цилиндрический элемент, открытый по торцам, обладающий внутренней и внешней боковыми поверхностями, расположенный коаксиально стволу и соединенный с ним через ребра жесткости, соединяющие внутреннюю поверхность цилиндрического элемента и внешнюю поверхность ствола, при этом нижний торец цилиндрического элемента расположен в промежутке между винтовой лопастью и предполагаемым уровнем погружения сваи в грунт, а верхний торец цилиндрического элемента расположен в промежутке от предполагаемого уровня погружения сваи в грунт до верхнего конца ствола, при этом нижние концы ребер жесткости снабжены площадками, расположенными в плоскости, перпендикулярной продольной оси ствола, и находятся не ниже предполагаемого уровня погружения сваи в грунт.
WO 9914441 (МПК E02D 27/42; E02D 5/56; E02D 5/80, опублик. 25.03.1999). Винтовая свая содержит трубчатый вал с винтовой нитью и механизм зацепления с землей. Стабилизирующий узел имеет множество ребер. Монтажная пластина узла осветительной колонны может быть прикреплена к ребрам через монтажные болты. Стабилизирующий узел через ребра увеличивает сопротивление вала боковому движению, например, под ветровыми нагрузками.
US 2014/0301791 (МПК E02D 5/56, опублик. 09.10.2014). Телескопические фундаментные винтовые сваи с непрерывно сужающимся корпусом сваи, что обеспечивает более высокую скорость укладки свай. Обладает низкими накладными расходами очистки, низкой стоимостью и простотой использования при повышении грузоподъемности.
Известны способы и устройства винтовых свай с наращиванием длины сваи помещением участка одной сваи в другую:
Так, известен патент GB 2397327 (МПК E02D 5/56, опублик. 21.07.2004), являющийся наиболее близким к предлагаемому техническому решению, соответственно, принятый за прототип. Размещение небольшого участка одной сваи внутри другой служит только для стыковки двух частей сваи посредством болтовых соединений, превращая сваю в обычную удлиненную, заворачиваемую с поверхности сваю, что не дает эффекта по уменьшению сопротивления трения при погружении, а соответственно, и достижению глубины погружения и несущей способности без применения дополнительных операций, по сравнению с предлагаемым техническим решением. По существу, наращиваемая по данному методу свая имеет те же недостатки, что и типовая винтовая свая увеличенной длины, а в дополнение имеет такой недостаток, как возможность «замусоривания» полостей сваи грунтом, через не защищенный зазор, в верхней части узла стыковки частей сваи.
Таким образом, техническая проблема в рассматриваемой области заключается в низкой несущей способности известных свай без проведения дополнительных технологических операций. Задачей предлагаемого технического решения, направленной на решение технической проблемы, является создание комплексной системы восприятия нагрузки в слабонесущих и ненесущих слоях грунта, с целью увеличения несущей способности сваи, за счет:
- увеличения плотности слабонесущих грунтов и трения по боковой поверхности тела сваи;
- передачи нагрузки на шар несжимаемого грунта в нескольких зонах уплотнения, образующихся от вдавливания уплотнительных конусов;
- сопротивления грунта вертикальным нагрузкам в опорной поверхности лопастей (винта, шнека);
- увеличения диаметра верхней части сваи и возможности защемления сваи в теле фундамента при организации двухуровневого оголовка для обеспечения ее устойчивости от воздействия горизонтальных нагрузок.
При погружении предлагаемой конструкции сваи, в области острия лидерной сваи и уплотнительных конусов сваи оболочки, образуются зоны восприятия нагрузки из уплотненного давлением конуса сваи грунта, а также происходит закрытие винтового следа (следа от прохождения лопасти (спирали) и обжатие грунта по боковым поверхностям за счет увеличения диаметра сваи.
Технический результат предлагаемого технического решения состоит в увеличении несущей способности сваи без проведения дополнительных технологических операций.
Достигается технический результат тем, что в винтовой свае телескопического типа, включающей лидерную сваю с конусным наконечником на конце с винтовыми лопастями и сваю оболочку, вставленные друг в друга с возможностью перемещения по длине сваи, согласно изобретению, верхний конец лидерной сваи после погружения жестко соединяется с оголовком, установленным на свае оболочке, тогда как на нижнем его конце над конусным наконечником с винтовыми лопастями закреплен расширитель, выполненный в виде гильзы, надетой на лидерную сваю, причем нижний конец сваи оболочки имеет, по меньшей мере, один уплотнительный конус и кондуктор, представляющий из себя направляющую втулку для центрирования обеих частей сваи при погружении. Причем конусный уплотнитель устроен в месте перехода от диаметра втулки кондуктора к диаметру ствола сваи оболочки, на которой закреплена, по меньшей мере, одна винтовая лопасть.
Дополнительные отличия предлагаемого изобретения:
- лидерная свая выполнена из металла;
- свая оболочка выполнена из металла
- свая оболочка выполнена из полимерного материала;
- свая оболочка содержит в своей верхней части второй уплотнительный конус;
- свая оболочка содержит в своей верхней части вторую винтовую лопасть;
- винтовые лопасти выполнены с шагом 1.5-2 витка или в виде многовитковой спирали;
- оголовок выполнен двухъярусным;
- кондуктор соединен сваркой посредством радиальных пластин со сваей оболочкой из металла;
- кондуктор соединен клеевым соединением со сваей оболочкой из полимерного материала;
- наконечник выполнен литым или сварным с винтовыми или спиральными лопастями.
Технический результат также достигается за счет того, что в способе устройства винтовой сваи телескопического типа, включающем погружение сваи без извлечения грунта путем завинчивания сваи в грунт ручным или механизированным способом, согласно изобретению, сначала завинчивают лидерную сваю до максимальной глубины, затем на него надевается свая оболочка и погружается до проектной отметки или отказа, уплотняя слабые верхние слои грунта, лидерная свая остается в теле сваи оболочки, после заполнения полостей лидерной сваи и сваи оболочки бетоном или цементно-песчаной смесью, обе сваи соединяются в оголовке, позволяя обеспечить жесткое соединение сваи с фундаментом. Опорная часть лидерной сваи, достигшая несущего слоя с минимальным усилием для преодоления реактивного сопротивления грунта при погружении за счет уменьшенного диаметра ствола лидерной сваи остается в грунте.
Сущность изобретения поясняется следующим графическим материалом, представленным на фигурах:
фиг. 1, на которой представлена схема восприятия нагрузок винтовой сваей при организации лидерного погружения лидерной сваи, где: 1 - лидерная свая (с лопастью или спиралью); 2 свая оболочка комплексного восприятия нагрузки (однолопастная, с двумя уплотнительными конусами; 3 оголовок; 4 зона восприятия нагрузки уплотненным грунтом от давления уплотнительного конуса в острие центрального стержня и сопротивления просадке лопастью (винтом) в несущем слое грунта; 5 зона восприятия нагрузки уплотненным грунтом от давления первого уплотнительного конуса сваи оболочки комплексного восприятия нагрузки; 6 - зона восприятия нагрузки уплотненным грунтом сопротивления просадке лопасти (винта) сваи оболочки комплексного восприятия нагрузки; 7 зона восприятия нагрузки уплотненным грунтом от давления второго уплотнительного конуса сваи оболочки комплексного восприятия нагрузки; 8 - зона восприятия нагрузки уплотненным грунтом от трения боковых поверхностей сваи; 9 - ненесущий насыпной грунт; 10 слабонесущий грунт; 11 опорный слой несущего грунта; 12 конусный уплотнитель; 13 наконечник;14 лопасти; 15 кондуктор;
фиг. 2, на которой представлена свая телескопического типа с лидерной сваей, 2-х лопастная, одноконусная, где 16 расширитель;
фиг. 3, на которой представлена свая телескопического типа с лидерной сваей, 2-х лопастная, 2-х конусная;
фиг. 4, на которой представлена свая телескопического типа с лидерной сваей, 3-х лопастная, 2-х конусная;
фиг. 5, на которой представлено устройство расширителя на винтовой лопастной свае;
фиг. 6, на которой представлена свая телескопического типа с лидерной сваей, 2-х спиральная, одноконусная;
фиг. 7, на которой представлена свая телескопического типа с лидерной сваей, 2-х спиральная, 2-х конусная;
фиг. 8, на которой представлена свая телескопического типа с лидерной сваей, 3-х спиральная, 2-х конусная;
1
k
фиг. 9, на которой представлено сечение а-а к рисункам 2-4, 6-8, на которой видны радиальные пластины, посредством которых кондуктор соединен сваркой со стволом сваи оболочки, выполненной из металла, где D - диаметр центрального стержня, D - диаметр сваи оболочки, D диаметр кондуктора; 17- радиальные пластины;
фиг. 10, на которой представлена схема одноярусного оголовка, где 18 бетон мелкой фракции, ЦПС;
фиг. 11, на которой представлена схема двухъярусного оголовка для монолитной плиты, где 19 - опорная плита, 20 - анкерный блок;
фиг. 12, на которой представлен двухъярусного оголовка для обвязки из металлопроката, где 21 - ребра жесткости;
фиг.13, на которой представлен вид сваи оболочки из полимерного материала.
В винтовой свае телескопического типа, включающей лидерную сваю 1 с конусным наконечником на конце и винтовыми лопастями и сваю оболочку, вставленные друг в друга с возможностью перемещения по длине сваи, верхний конец лидерной сваи 1 после погружения жестко соединяется с оголовком 3, установленным на свае оболочке 2, тогда как на нижнем его конце над конусным наконечником с винтовыми лопастями закреплен расширитель 16, выполненный в виде гильзы, надетой на стержень 1. Нижний конец сваи оболочки 2 имеет кондуктор, представляющий из себя направляющую втулку для центрирования обеих частей сваи при погружении и конусный уплотнитель. Свая оболочка 2 содержит в своей верхней части второй уплотнительный конус и второй режущий элемент винтового типа. Причем на корпусе стальной сваи оболочки (уплотнителя) количество уплотнительных поясов и лопастей и их привязка по глубине задается в проекте в зависимости от инженерно-геологических условий.
Режущие элементы выполнены в виде винтовых лопастей или в виде многовитковой спирали. Оголовок 3 выполнен двухъярусным. Конусный уплотнитель устроен в месте перехода от диаметра втулки кондуктора к диаметру ствола сваи оболочки 2, на которой закреплена, по меньшей мере, одна винтовая лопасти Винтовые лопасти имеют 1,5-2 шага винта. Лидерная свая 1 выполнена из металлической трубы. Свая оболочка 2 выполнена из металлической или полимерной трубы. Наконечник выполнен литым или сварным с винтовыми или спиральными лопастями. Кондуктор соединен сваркой посредством радиальных пластин со сваей оболочкой.
В способе устройства винтовой сваи телескопического типа, включающем погружение сваи без извлечения грунта путем завинчивания сваи в грунт ручным или механизированным способом, сначала завинчивают лидерную винтовую сваю 1 меньшего диаметра до максимальной глубины, затем на нее надевается свая оболочка (свая-уплотнитель) и погружается до проектной отметки или отказа, уплотняя слабые верхние слои грунта, лидерная свая 1 в опорной части остается в грунте, а часть находящаяся в теле сваи-уплотнителя остается в качестве элемента армирования, позволяя обеспечить жесткое соединение с фундаментом с помощью оголовка 3, полости лидерной сваи и сваи-уплотнителя заполняются бетоном мелкой фракции или ЦПС.
Отличия предлагаемого технического решения от ранее известных:
1. Внутренняя винтовая свая лопастного или спирального типа имеет значительно меньший, по сравнению со сваей оболочкой, диаметр.
2. На внутренней свае устанавливается расширитель, который при совместном погружении сборочного комплекта выполняет роль предохранителя от «замусоривания» полости сваи грунтом, а при опережающем погружении сваи в качестве лидерной, уплотняет грунт, соприкасающийся с телом сваи, расширяя скважину, для облегчения погружения сваи-уплотнителя.
3. Завинчивание внутренней винтовой сваи происходит без применения штанги многократного использования; достижение требуемой отметки погружения осуществляется путем наращивания длины сваи, ствол которой, ввиду его малого диаметра, остается в теле сваи-уплотнителя в качестве элемента армирования, и заполняется бетоном или цементно-песчаной смесью.
4. Конструкция кондуктора, располагаемого на нижнем конце сваи-уплотнителя, значительно отличается от сваи телескопического типа, и является единым элементом с уплотнительным конусом сваи оболочки.
5. Возможность устройства 2-х ярусного оголовка, вследствие размещения лидерной сваи в теле сваи и увеличения диаметра сваи в верхней зоне, позволяет обеспечить жесткое защемление сваи в фундаменте, фундаментной плите или обвязке металл каркаса здания (сооружения), что важно для перераспределения деформаций и компенсации нагрузок по элементам свайного основания, и имеет огромное значение для обеспечения деформативной устойчивости здания на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок при устройстве фундаментов на слабонесущих грунтах.
Таким образом, благодаря предлагаемому техническому решению создается комплексная система восприятия нагрузки в слабонесущих и ненесущих слоях грунта с целью увеличения несущей способности сваи.