ВИНТОВАЯ СВАЯ

Полезная модель относится к строительству, а именно к винтовым сваям применяемым при возведении фундаментов.
По патенту RU 28498 известна винтовая свая, содержащая ствол с закрепленным на переднем по направлению ввинчивания конце винтовым башмаком в виде ступицы с конусным наконечником, оснащенной первой (нижней) винтовой лопастью и второй (верхней) лопастью. Нижняя винтовая свая выполнена с уменьшением диаметра и т.д.
Недостатком известной сваи является низкая несущая способность в слабых глинистых грунтах, за счет лопастей разных диаметров.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является известная по заявке на изобретение RU 2011145419 винтовая свая, содержащая ствол с закрепленным на переднем по направлению ввинчивания конце винтовым башмаком в виде ступицы с конусным наконечником, оснащенных винтовой лопастью, винтовой профиль того же шага и направления, что и лопасть башмака, где винтовой профиль выполнен из нескольких одновитковых винтовых лопастей, закрепленных на стволе сваи с шагом не менее пяти их наружных диаметров.
Недостатком известной сваи является низкая несущая способность в слабых глинистых грунтах вследствие большого шага между лопастями.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение несущей способности винтовой сваи.
Технический результат достигается тем, ч то в винтовой свае, содержащей полый ствол и две лопасти с одинаковым диаметром, согласно полезной модели, верхняя винтовая лопасть расположена от нижней лопасти па расстоянии равном от 2 до 2.5 диаметров лопасти.
Конструктивные (или геометрические) параметры двухлопастных винтовых свай, такие как шаг между лопастями, диаметр лопастей - величины не постоянные, а сложным образом зависящие от характеристик грунтовой среды, где они устанавливаются.
Для слабых глинистых грунтов оптимальным будет являться такое расположение лопастей при котором верхняя винтовая лопасть расположена от нижней лопасти на расстоянии равном от 2 до 2.5 диаметров лопасти.
Теоретические исследования по определению оптимального расстояния между лопастями, включали в себя численное решение задачи методом конечных элементов по определению максимальной несущей способности сваи (предельного сопротивления сваи) при варьировании шага между лопастями. Оптимальное расстояние - это расстояние при котором достигается максимальное сопротивление сваи по грунту. На основе решения серии задач был построен общий график (фиг. 1). из которого следует, что максимальное сопротивление сваи по грунту лежит в диапазоне значений 2-2.5 диаметра лопасти.
Также по результатам численного эксперимента выявлены закономерности в характере работы винтовой сваи с различным шагом лопастей
Повышение несущей способности сваи при расстоянии между лопастями 2-2.5 диаметра лопасти, связано с характером работы одиночной сваи. При расстоянии 2-2.5 диаметра грунт, заключенный между лопастями начинает работать совместно со сваей, обеспечивая мобилизацию сил трения по боковой поверхности при работе сваи.
При расположении лопастей на расстоянии меньше двух диаметров, грунт между лопастями также работает совместно, но пониженное значение сопротивления сваи по грунту связано с взаимным влиянием лопастей, которые увеличивают общие перемещения сваи в грунтовом массиве, а также с небольшим значением периметра боковой поверхности грунта, заключенного между лопастями, которые создают сопротивление по боковой поверхности.
Исходя из характера работы винтовой сваи, общая несущая способность сваи при расположении лопастей на расстоянии до 2.5 D будет складываться из двух слагаемых: F=Fл+Fб, где Fл - сила предельного сопротивления под нижней лопастью сваи. Fб - сила предельного сопротивления по боковой поверхности грунта, заключенного между лопастями
При расположении лопастей на расстоянии больше 2.5 диаметров лопастей, последние начинают работать отдельно и несущая способность сваи определиться как сумма сил сопротивлений под каждой лопастью в отдельности.
,
л
1
где F - сила предельного сопротивления под нижней лопастью сваи, Fл - сила предельного сопротивления под верхней лопастью.
Установив характер работы винтовых свай при различном шаге лопастей проведем аналитический расчет несущей способности винтовых свай в двух случаях. Когда расстояние между лопастями 2,5 D и 3 D.
Рассмотрим винтовую сваю, нижняя лопасть которой погружена в грунт на глубину 4 метра, и с диаметром лопастей 400 мм. В первом случае расстояние между лопастями составляет 2.5 D, а во втором 3 D. Грунт - глина. Удельный вес грунта 19 кН/м3, с=25 кПа, =15°
В первом случае, когда расстояние между лопастями сваи составляет 1000 мм, несущая способность сваи определиться как сумма сил предельного сопротивления под нижней лопастью и боковой поверхности грунта, заключенного между лопастями. Сила предельного сопротивления грунта под нижней лопастью сваи согласно СП 24.13330. 2011 Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».
1
1
2
1
1
Fл=(ас+aγh)A,
1
2
I
где a, a - безразмерные коэффициенты, принимаемые в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта в рабочей зоне φ (под рабочей зоной понимается прилегающий к лопасти слой грунта толщиной, равной d);
1
c - расчетное значение удельного сцепления грунта в рабочей зоне, кПа;
1
3
γ - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше лопасти сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды), кН/м;
1
h - глубина залегания лопасти сваи от природного рельефа, а при планировке территории срезкой - от уровня планировки, м;
2
A - проекция площади лопасти, м, считая по наружному диаметру, при работе винтовой сваи на сжимающую нагрузку, и проекция рабочей площади лопасти, т.е. за вычетом площади сечения ствола, при работе винтовой сваи на выдергивающую нагрузку.
Сила предельного сопротивления грунта по боковой поверхности составляет:
б
i
F=uτl где,
u - периметр боковой поверхности грунта, заключенного между лопастями
i
f - расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности.
l - образующая цилиндра грунта заключенного между лопастями.
Fб=1.256 м·42 кПа∗1 м=52.75 кК
F=Fл+Fб=27.87+52.75=80.62 кН - несущая способность винтовой сваи с расстоянием между лопастями 2.5 D
Во втором случае, когда расстояние между лопастями сваи составляет 1200 мм, несущая способность сваи определиться как сумма сил сопротивления грунта под нижней и верхней лопастью в отдельности.
1
F=Fл+Fл=27.87+42.12=69.99 кН - несущая способность винтовой сваи с расстоянием между лопастями 3 D
Таким образом, по результатам расчета при шаге лопастей 2.5 D несущая способность винтовой сваи больше (80,62 кН), чем при расстоянии между лопастями 3 D (69.99 кН).
Назначение оптимальных размеров позволит добиться уменьшения материалоемкости, а повысить экономический эффект при использовании винтовых свай, за счет более полного использования сил сопротивления сваи в грунте.
В глинистых грунтах при неправильно назначенном шаге между лопастями может наблюдаться «обратный» эффект, т.е. введение второй лопасти может только ухудшить работу конструкции, в частности, увеличить осадку сваи.
Сущность заявленной полезной поясняется рисунками:
На фиг. 1 показан график нагрузки па сваю в зависимости от шага лопастей.
На фиг. 2 показана винтовая свая.
Винтовая свая, содержащая полый ствол 1 с, по меньшей мере, двумя лопастями 2, 3 с одинаковым диаметром D, где верхняя винтовая 2 лопасть расположена от нижней лопасти 3 на расстоянии равном от 2 до 2.5 диаметров D2 лопасти.
Винтовая свая, устанавливается в предварительно пробуренную скважину, диаметром, равным диаметру лопасти, и ввинчивается ниже забоя скважины на глубину не менее 1 м.