СОСТАВНАЯ СВАЯ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Полезная модель относится к техническим средствам, повышающим несущую способность свайных фундаментов.
Известно устройство сваи с противопучинистой оболочкой (Патент RU №170 032 U1, МПК Е02D 5/60, E02D 27/35, опубл. 12.04.2017 г.). Конструкция сваи состоит из сваи постоянного диаметра и противопучинистой обмазки.
Недостатком данного устройства является: наличие значительных сил морозного пучения, «негативных» сил трения при устройстве свай на объектах со значительными насыпями и в просадочных грунтах. Увеличение указанных нагрузок приводят к увеличению длины свай.
Также известно устройство противопучинистой сваи (Патент RU №181 501 U1, МПК Е02D 5/48, E02D 5/54, E02D 5/52, опубл. 17.02.2018 г.). Конструкция сваи состоит из верхней части сваи, располагающейся в зоне залегания пучинистых грунтов, и нижней части сваи с продольными лопостями.
Недостатком данного устройства и его аналогов является высокая стоимость данного изделия, т.к. верхняя часть изготавливается не из прямой трубы, а из многогранной трубы или многогранной усеченной пирамиды. Изготовление нижней части затруднено из-за значительного количества сварных соединений.
Еще одним известным устройством является свая с повышенной стойкостью к пучениям (Патент RU 2 441 964 С1 МПК E02D 5/48). Свая устраивается в пучинистых грунтах и предназначена для уменьшения сил пучения. Состоит из верхней части, устраиваемой только на глубину сезонного промерзания грунта, и нижней части сваи большего диаметра.
Недостатками данной сваи являются:
- устройство верхней части сваи только в зоне залегания пучинистых грунтов. Ниже пучинистых грунтов на значительную величину могут располагаться не несущие грунты, где нецелесообразно применение свай увеличенного диаметра свай, что приводит к увеличению металлоемкости свай;
- область применения решения - только устройство свай в пучинистых грунтах. Не указана возможность использования в просадочных, насыпных грунтах и грунтах с низкой несущей способностью. Например, в насыпных грунтах появляются так называемые «негативные» силы трения, которые передают дополнительную вдавливающую нагрузку на сваи и увеличивают их длину;
- низкая несущая способность стыка верхней и нижней части свай. Для обеспечения достаточной несущей способности стыка свай не применены дополнительные усиливающие решения. Например, для наиболее эффективной при диаметре верхней части свай 219 мм и нижней части свай 426 мм соотношение сварных швов в узле стыка явно непропорционально и приводит к рискам обеспечения безопасности данного решения с возможным разрушением сварных швов;
- применение только забивных свай, погружаемых с применением копра. При устройстве свай в твердомерзлых грунтах данный способ погружения свай не применим. В твердомерзлых грунтах применяется буроопускной способ погружения свай: выполняется лидерная скважина, в скважину заливается цементно-песчаный раствор на 1/3 глубины, после чего в скважину погружается свая. При необходимости затрубное пространство скважины заполняется раствором;
- не позволяет применять сваи диаметром 168 мм.
Целью настоящей полезной модели является снижение металлоемкости свай, устраиваемых в пучинистых, просадочных, насыпных грунтах и грунтах с низкой несущей способностью, а также:
1. Сократить длину свай;
2. Уменьшить силы пучения, действующие на сваи при замерзании (в том числе сезонном) грунтов;
3. Уменьшить «негативные» силы трения от насыпных грунтов. Негативные силы трения действуют в слое насыпных грунтов и в слое торфов (при наличии);
4. Уменьшить «негативные» силы трения в просадочных грунтах, действующих на глубине залегания просадочных грунтов и выше;
5. Сократить глубину изысканий при уменьшении длины свай;
6. Обеспечить несущую способности стыка свай.
Поставленная цель достигается применением свай переменного сечения. Сваи принимаются увеличенного диаметра только на глубину залегания несущих грунтов. Свая меньшего диаметра предусматривается выше через устройство специального усиленного узла. В верхней части свай за счет уменьшения диаметра свай пропорционально уменьшению диаметра уменьшаются силы морозного пучения, «негативные» трения от насыпных и просадочных грунтов. Несущая способность свай под острием при уменьшении диметра верхней части свай не изменяется, т.к. при расчете учитывается площадь сечения нижней части сваи.
Конструкция сваи переменного сечения представлена на чертеже.
Устройство состоит из трубной секции большего сечения (1) диаметром более 168 мм с наконечником (5), трубной секции меньшего диаметра диаметром более 159 мм (2), соединенные между собой упорным листом (4) и ребрами усиления (3). Все соединения элементов выполняются сварными швами.
Сокращение длины свай представлено следующими примерами:
1. Свайная труба длиной 325 мм толщиной стенки 8 мм заглубляется на площадке с наличием торфов (пучинистых грунтов). Глубина промерзания торфа -1 м. Глубина торфа – 7 м. Ниже залегают несущие грунты. Типовая длина сваи в данных условиях - 15 м.
При применении свай с повышенной стойкостью к пучениям (Патент RU 2 441 964 С1 МПК E02D 5/48) уменьшение диаметра сваи предусматривается от границы сезонного промерзания до уровня земли. При уменьшении диаметра с 325 мм до 219 мм уменьшается сила пучения на 32,6%. Для обеспечения устойчивости несущую часть сваи так же можно сократить на 32.6%. Получаем (15-8)×0,36=2,5 м. Общая длина сваи становится 15-2,5=12,5 м. Масса сваи до уменьшения диаметра составляла 15*62,5=937,5 кг. После уменьшения диаметра и соответствующей длины сваи: 1×41,6+(12,5-1)×62,5=760,4 кг.
При применении полезной модели стык сваи следует располагать на границе слабого и несущего грунта, т.е. на глубине 7 м. При уменьшении диаметра с 325 мм до 219 мм уменьшается сила пучения на 32,6%. Для обеспечения устойчивости несущую часть сваи так же можно сократить  на 32.6%. Получаем (15-8)×0,36=2,5 м. Общая длина сваи становится 15-2,5=12,5 м. Масса сваи до уменьшения диаметра составляла 15×62,5=937,5 кг. После уменьшения диаметра и соответствующей длины сваи: 7×41,6+(12,5-7)×62,5=635,0 кг.
2. Свайная труба длиной 325 мм толщиной стенки 8 мм заглубляется на площадке с наличием насыпи высотой 5 м. Глубина промерзания насыпи -3 м. Ниже насыпи залегают несущие грунты. Типовая длина сваи в данных условиях - 20 м. От насыпи действуют так называемые «негативные силы трения», которые при самоуплотнении догружают сваю и из-за этого увеличивают её длину. При насыпях высотой более 3 м «негативные силы трения» превосходят силы морозного пучения.
При применении свай с повышенной стойкостью к пучениям (Патент RU 2 441 964 С1 МПК E02D 5/48) уменьшение диаметра сваи предусматривается от границы сезонного промерзания до уровня земли. При уменьшении диаметра с 325 мм до 219 мм «негативные силы трения» уменьшаются на 32,6%×3/5=20%.  Для обеспечения устойчивости несущую часть сваи так же можно сократить на 20%. (зависимость длины свай может быть не линейной, но для наглядности расчетов предположим, что зависимость линейная) Получаем (20-5)×0,2=3,0 м. Общая длина сваи становится 20-3=17 м. Масса сваи до уменьшения диаметра составляла 20×62,5=1250 кг. После уменьшения диаметра и соответствующей длины сваи: 3×41,6+(17-3)×62,5=1000 кг.
При применении полезной модели стык сваи следует располагать на границе насыпного грунта, т.е. на глубине 5 м. При уменьшении диаметра с 325 мм до 219 мм «негативные силы трения» уменьшаются на 32,6%. Для обеспечения устойчивости несущую часть сваи так же можно сократить на 32,6%. (зависимость длины свай может быть не линейной, но для наглядности расчетов предположим, что зависимость линейная) Получаем (20-5)×0,326=5,0 м. Общая длина сваи становится 20-5=15 м. Масса сваи до уменьшения диаметра составляла 20×62,5=1250 кг. После уменьшения диаметра и соответствующей длины сваи: 5×41,6+(15-5)×62,5=833 кг.
Стык свай с повышенной стойкостью к пучениям (Патент RU 2 441 964 С1 МПК E02D 5/48) не является равнопрочным. Стык предусмотрен в виде усеченного конуса с длиной окружности в большей части 0,426×3,14=1,34 м, в меньшей части -3,14×0,159=0,5 мм. Разница в длине сварных швов - 1,34/0,5=2,7 раза. Стык конуса со сваей диаметром 159 мм может стать причиной появления трещин при забивке свай и привести к авариям при эксплуатации объектов. В полезной модели данное место стыка усилено сварными швами для того, что обеспечит равнопрочность соединения.
Преимущество данного устройства заключается в максимальном снижении «негативных» сил, действующих на сваи в пучинистых, просадочных, насыпных грунтах. Стык элементов сваи устраивается на границе несущих грунта и «слабых грунтов». Стык может располагаться значительно ниже глубины сезонного промерзания-оттаивания.