СВАЯ ПОВЫШЕННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Техническое решение относится к конструктивному выполнению забивных свай, преимущественно из металлических труб большого диаметра от 1000 до 2000 мм.
Недостатком большинства известных свай (см., например [7-12]) является относительная сложность их изготовления, особенно винтовых свай [5, 6] или свай фигурного профиля [3], что препятствует использованию таких конструкций для свай большого диаметра, требующих повышенной несущей способности.
В практике сооружения свайных оснований [4, 13-15] используются разработанные в Проектно-строительной фирме «Спецфундаментстрой» («СФС») хорошо зарекомендовавшие себя забивные сваи большого диаметра с закрытым концом по патенту RU 17783 U1, 27.04.2001, имеющие ряд достоинств по сравнению с другими известными устройствами (увеличение энергии удара забивки сваи с максимальным коэффициентом полезного действия при исключении деформации, раскачивания и наклона сваи за счет рациональной конструкции наковальни).
Большинство известных свай [5-12] представляют конструкцию безотносительно к размерам сваи и длине ее диаметра. В патенте [2] затрагивается вопрос о форме выполнения и геометрических соотношениях размеров элементов, однако патент относится к сваям малого диаметра (300-350 мм).
Между тем, диаметр является важной характеристикой сваи и обуславливает специфику ее погружения в грунт, особенно при сооружении свайных, в том числе наклонных, мостовых оснований на акваториях, когда в качестве свай используются [4, 13-15] трубы большого диаметра 1000-2000 мм.
При этом практика возведения свайных оснований [15] показывает, что при использовании свай большого диаметра технический результат во многом определяется соотношением геометрических размеров и адекватным размещением элементов сваи.
За прототип принята свая [1] по патенту RU 17783U1, 27.04.2001, включающая металлическую трубу с конусообразным заостренным закрытым концом, снабженным породоразрушающим наконечником, и наковальню, при этом наковальня выполнена в виде железобетонного конусообразного закрытого конца сваи и ее нижней части при соотношении высоты заполненной нижней части ствола сваи к высоте конуса закрытого конца 0,5-1,0, армирование наконечника выполнено в виде изогнутых арматурных стержней, а сверху железобетонной наковальни установлен металлический круговой щит.
Однако, при использовании такой конструкции сваи [1], как и других известных устройств, возможно выдергивание (выталкивание) сваи при значительных горизонтальных и вертикальных нагрузках, особенно в сложных погодных условиях, при плотных грунтах и твердых скальных породах, а также при наклонном погружении сваи.
Как показала практика гидростроительства [15], несущая способность сваи [1] может быть повышена при размещении лопастей на нижней части ствола сваи. При этом существенное значение играют соотношения геометрических размеров элементов погружаемой сваи в зависимости от ее диаметра, причем близкие к оптимальным значения этих соотношений могут быть получены эмпирически.
Сущность предложенного технического решения заключается в создании сваи большого диаметра (1000-2000 мм) повышенной несущей способности.
Основной технический результат - повышение несущей способности сваи за счет синергии непосредственного забивного погружения с дополнительным вращением сваи, которое осуществляется при взаимодействии с грунтом наклонных лопастей, размещенных на нижней части ствола сваи. Несущая способность сваи большого диаметра 1000-2000 мм и надежность ее погружения повышаются посредством исключения перекоса, деформации и возможности самовыдергивания сваи при значительных горизонтальных и вертикальных нагрузках, что необходимо как при вертикальном, так и, в большей степени, при наклонном погружении сваи. При этом свая имеет относительно простую конструкцию (отсутствуют выдвижные лопасти, устройства их фиксации и поворотные механизмы, не требуются приводы вращения и устройства их управления) по сравнению с другими известными конструкциями.
Таким образом, предложенная конструкция сваи реализует близкий к оптимальному критерий «сложность - стоимость - эффективность (технический результат)», т.е. достижение максимально возможной технической эффективности (а также повышение производительности работ) при минимальных сложности и стоимости.
Технический результат достигается следующим образом.
Свая включает металлическую трубу с конусообразным заостренным закрытым концом, снабженным породоразрушающим наконечником, и наковальню, при этом наковальня выполнена в виде железобетонного конусообразного закрытого конца сваи и ее нижней части при соотношении высоты заполненной нижней части ствола сваи к высоте конуса закрытого конца 0,5-1,0, армирование наконечника выполнено в виде изогнутых арматурных стержней, а сверху железобетонной наковальни установлен металлический круговой щит.
Отличительная особенность сваи заключается в том, что ствол сваи большого диаметра от 1000 до 2000 мм в нижней части снабжен равномерно размещенными по диаметру лопастями, при этом лопасти жестко закреплены на стволе сваи и выполнены наклонными под углом 5-30° к оси сваи, отношение длины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи составляет от 0,5 до 1,0, отношение ширины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи составляет от 0,15 до 0,30, нижние края лопастей установлены на расстоянии от конуса закрытого конца, равном 0,5-1,0 диаметра ствола сваи, а число n лопастей, размещенных по диаметру ствола сваи, в зависимости от диаметра составляет
где D - диаметр ствола сваи;
L - длина каждой лопасти;
α - угол наклона лопасти к оси сваи;
[] - знак целой части числа.
Отличием сваи также является то, что в частном случае лопасти выполнены в форме трапеции с длиной L нижнего основания, равной от 0,5 до 1,0 диаметра D ствола сваи и длиной 1 верхнего основания, равной от 2/3 до 3/4 длины L нижнего основания:
В других частных случаях, лопасти могут быть выполнены в форме прямоугольника или в форме треугольника.
Соединения арматуры и породоразрушающего наконечника со стволом сваи выполнены сварными.
Породоразрушающий наконечник выполнен из литого металла или твердосплавного материала.
При этом свая при погружении в грунт может быть выполнена вертикальной или наклонной под заданным углом до 30° к вертикали.
На фиг. 1 представлена конструкция сваи повышенной несущей способности, на фиг. 2 приведена схема погружения сваи, где приняты следующие обозначения:
1 - ствол сваи (металлическая труба);
2 - закрытый конусообразный конец сваи;
3 - породоразрушающий наконечник;
4 - железобетонная наковальня;
5 - изогнутые арматурные стержни наковальни;
6 - круговой металлический щит наковальни;
7 - лопасти;
8 - ударная масса гравитационного молота;
9 - направляющий кондуктор;
10 - ростверк.
Примеры на фиг. 3 иллюстрируют оптимальное размещение лопастей на нижней части ствола сваи при различных значениях D, L, а (развертка по диаметру):
а) D=1 м, L=0,75 м, α=30°, n=4;
б) D=2 м, L=1,0 м, α=30°, n=6;
в) D=1 м, L=1,0 м, α=14,5°, n=6;
г) D=1 м, L=0,75 м, α=14,5°, n=8.
На фиг. 4 приведены возможные варианты выполнения лопастей в форме трапеции, прямоугольника, треугольника.
Погружение сваи 1 выполняется в три этапа (фиг. 2):
- 1-й этап: установка и направление (ориентирование) сваи 1 посредством кондуктора 9 (например, по технологии [4]), размещение ударной массы 8 гравитационного молота в стволе сваи (фиг. 2.1);
- 2-й этап: погружение сваи 1 забивкой ударной массой 8 гравитационного молота с вращением, обусловленным взаимодействием наклонных лопастей 7 сваи 1 с грунтом (фиг. 2.2);
- 3-й этап: исключение выдергивания сваи 1 посредством замоноличивания головы сваи в ростверке 10 (фиг. 2.3.).
Для погружения сваи 1 могут быть использованы сваебойное оборудование и кондукторы, описанные в [4], а также гравитационный молот (на фиг. не показан) марки «СФС» по патенту RU 35539 U1, 20.01.2004.
Ударная масса 8 от 10 до 20 тонн, выполненная в виде монолитного подвешенного на тросе груза, свободно падает внутри ствола сваи 1 большого диаметра от 1000 до 2000 мм и взаимодействует с железобетонной наковальней 4 посредством удара. Под действием этих ударов и осевой нагрузки сваи 1 закрытый конусообразный конец 2 сваи 1 с породоразрушающим наконечником 3 вбивается в грунт путем смятия, раздавливания и перемещения породы. Арматурные стержни 5 железобетонной наковальни 4 служат для усиления (повышения прочности) наковальни 4 при взаимодействии с ударной массой 8. Круговой металлический щит 6, установленный сверху наковальни 4, также выполняет усиливающие функции и препятствует разрушению наковальни 4 от ударов массы 8. Наковальня 4 представляет заполненные железобетоном конусообразный закрытый конец 2 сваи 1 и ее нижнюю часть, причем наибольшая эффективность ударов массы 8 (максимальный КПД ударов) достигается при массе наковальни 4, которая определяется [1] при соотношении высоты заполненной нижней части ствола сваи 1 к высоте конуса закрытого конца 2 от 0,5 до 1,0.
Существенным признаком технического решения, обусловливающим технический результат являются установленные на нижней части ствола сваи 1 большого диаметра от 1000 до 2000 мм лопасти 7, которые равномерно размещены по диаметру на равных угловых расстояниях (фиг. 3). При этом лопасти 7 жестко закреплены на стволе сваи 1 и выполнены наклонными под углом 5-30° к оси сваи, отношение длины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи составляет от 0,5 до 1,0, отношение ширины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи составляет от 0,15 до 0,30, нижние края лопастей установлены на расстоянии от конуса закрытого конца, равном 0,5-1,0 диаметра ствола сваи, а число n лопастей, размещенных по диаметру ствола сваи, в зависимости от диаметра определяется выражением (1). Причем расстояние (в мм) между лопастями 7 определяется из выражения (1) и составляет πD/2n, что соответствует угловому расстоянию (в градусах) 360°/2n.
Лопасти 7 в частных случаях могут быть выполнены в форме трапеции, в форме прямоугольника или в форме треугольника (фиг. 4), причем лопасти в форме трапеции выполнены с соблюдением условия (2).
Соединения арматуры 5 и породоразрушающего наконечника 3 со стволом сваи выполнены сварными, а породоразрушающий наконечник 3 выполнен из литого металла или твердосплавного материала.
В зависимости от требований и условий монтажа свая 1 выполняется вертикальной или наклонной под заданным углом до 30° к вертикали.
Приведенные численные соотношения получены в результате производственных испытаний в практике возведения свайных оснований и являются оптимальными для металлических труб большого диаметра от 1000 до 2000 мм.
Таким образом, выдергивающие усилия при погружении сваи воспринимаются и компенсируются боковыми поверхностями сваи 1 и наклонными лопастями 7. Окончательная установка сваи заканчивается замоноличиванием тела сваи 1 в ростверке 10 (фиг. 2.3).
Повышение несущей способности сваи обеспечивается синергией существенных признаков: совокупностью применения наковальни в закрытом конусообразном нижнем конце сваи, лопастной нижней части сваи и оптимальных геометрических соотношениях элементов сваи (диаметра и лопастей), полученных эмпирически для свай большого диаметра от 1000 до 2000 мм.
Проведенные в фирме «СФС» испытания подтвердили достижение повышенной несущей способности сваи с описанным выше размещением и размером наклонных лопастей. При этом предложенная свая повышенной несущей способности адекватна винтовой свае (осевое перемещение в совокупности с вращением) при исключении приводов вращения и устройств их управления, что упрощает процесс изготовления и погружения сваи при повышении его эффективности и производительности.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. RU 17783 U1, 27.04.2001 (прототип).
2. RU 29536 U1, 20.05.2003 (аналог).
3. RU 2052018 C1, 10.01.1996 (аналог).
4. RU 99017 U1, 10.11.2010 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
5. RU 87717 U1, 20.10.2009.
6. RU 49841 U1, 10.12.2005.
7. RU 2166024 C2, 27.04.2001.
8. SU 1229258 А, 07.05.1986.
9. SU 1441024 А, 30.11.1988.
10. SU 1305249 А, 23.04.1987.
11. SU 1337477 А, 15.09.1987.
12. SU 1477845 A, 07.05.1989.
13. RU 2447226 C2, 10.04.2012.
14. RU 2483153 С2, 27.05.2013.
15. www.specflmdament.ru.