Винтовая свая

Полезная модель относится к области строительства, в частности  к конструкциям винтовых свай, применяемых при возведении фундаментов малоэтажных зданий, непереносных конструкций, дорожных знаков и указателей, опор линий электропередач, ограждений и т.д., работающих на знакопеременные вертикальные и горизонтальные нагрузки в разных климатических условиях.
Для обеспечения несущей способности на горизонтальные нагрузки при строительстве фундаментов винтовые сваи закручивают кустами по 2-8 свай в кусте и объединяют стальным ростверком. Данное решение зачастую дает избыточную несущую способность куста на вдавливающие и выдергивающие нагрузки и ведет к увеличению стоимости строительства фундамента.
Альтернативным вариантом увеличения несущей способности винтовой сваи на горизонтальные нагрузки является установка на сваю стального или бетонного ригеля. Для этого вокруг установленной в грунт сваи откапывают шурф на глубину от 1 до 3 метров, в этот шурф устанавливают ригель, закрепляют его хомутами к свае и засыпают с послойным уплотнением местным грунтом.
Известные способы возведения фундаментов с использованием винтовых свай, обеспечивающие высокую несущую способность в отношении горизонтальных знакопеременных нагрузок, очень трудоемки, характеризуются необходимостью проведения объемных земляных работ, высокими материальными затратами.
Из уровня техники известен винтовой свайный анкер (СА2303932, МПК E02D 27/42; E02D 5/56; E02D5/80, опубл. 25.03.1999 г.), содержащий трубу, к верхнему концу которой приварена (или иным образом прикреплена) опорная плита, которая может быть снабжена прорезями или выемками. Труба снабжена стабилизирующим узлом, содержащим три разнесенных по вертикали втулки, выполненные с возможностью вращения на трубе. От втулок проходят радиально три или более ребер, расположенных на равных угловых расстояниях. Верхняя втулка расположена непосредственно под опорной плитой. Нижний конец трубы снабжен винтом или зубчатым венцом. Три втулки стабилизирующего узла могут быть заменены одиночной втулкой или одной или несколькими кольцевыми пластинами, установленными с возможностью вращения вокруг трубы. Рядом с нижней и верхней втулками расположены установочные кольца для ограничения перемещения стабилизирующего узла вдоль трубы. Установочные кольца снабжены стопорными винтами, позволяющими закреплять их на трубе, обеспечивая при этом вращение стабилизирующего узла вокруг трубы.
Наличие выступающих ребер, расположенных равномерно по периметру втулок, значительно увеличивает площадь боковой поверхности свайного анкера, благодаря чему обеспечивается несущая способность, сопоставимая с несущей способностью сваи, смонтированной с классическим бетонным ригелем. При монтаже такого свайного анкера не требуется выполнение дополнительных земляных работ, так как стабилизирующий узел, выполняющий функцию ригеля, задавливается в землю самой сваей в процессе ее ввинчивания.
Однако, при погружении свайного анкера в грунт нагрузка от установочных колец, жестко зафиксированных на трубе, передается напрямую к втулкам стабилизирующего узла, в результате чего между кольцами и втулками возникают значительные силы трения, что приводит к развальцовыванию и заклиниванию стабилизирующего узла на трубе сваи. Заклинивание стабилизирующего узла приводит к невозможности погружения стабилизирующего узла (втулки) с ребрами на заданную глубину в грунт.
Решение, описанное в патенте СА2303932, выбрано заявителем в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Техническая задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в устранении недостатка, присущего прототипу, а именно исключение заклинивания стабилизирующего узла (втулки) с ребрами на стволе сваи при ее погружении на заданную глубину и, как следствие, повышение надежности и эффективности установки винтовых свай в грунт на заданную глубину.
Решение технической задачи в винтовой свае, содержащей полый цилиндрический ствол, винтовую лопасть и втулку с, по крайней мере, двумя ребрами, установленную коаксиально на стволе с возможностью вращения вокруг ствола, при этом ствол сваи снабжен, по крайней мере, одним ограничителем перемещения втулки вдоль ствола сваи, достигается тем, что ограничитель перемещения втулки вдоль ствола сваи снабжен опорными роликами, контактирующими с втулкой.
Кроме того, в частных случаях реализации настоящей полезной модели достигается следующее.
Опорные ролики контактируют с втулкой через упорное кольцо.
Упорное кольцо жестко закреплено на втулке.
Упорное кольцо выполнено разъемно с втулкой.
Ребра  расположены радиально по периметру втулки.
Втулка  установлена на стволе с возможностью съема.
Ограничитель перемещения втулки вдоль ствола сваи выполнен съемным.
Ограничитель перемещения втулки вдоль ствола сваи выполнен в виде опорного болта.
В стволе сваи выполнены сквозные отверстия для установки и фиксации опорного болта.
Опорные ролики снабжены подшипниками.
Предложенное исполнение винтовой сваи с ограничителем перемещения втулки вдоль ствола сваи, снабженным опорными роликами, обеспечивает минимизацию сил трения между втулкой и верхним ограничителем перемещения втулки в процессе монтажных работ, что в свою очередь позволяет выполнять монтажные работы в соответствии с проектом, погружая втулку с ребрами, выполняющую функцию ригельного элемента, на заданную проектом глубину.
За счет наличия опорных роликов снижаются силы трения между втулкой и верхним ограничителем перемещения втулки в процессе погружения винтовой сваи, что в свою очередь предохраняет верхнюю часть втулки от развальцовывания и заклинивания её на стволе сваи.
Выполнение втулки с ребрами, а также ограничителя перемещения втулки вдоль ствола сваи съемными позволяет устанавливать втулку на любую винтовую сваю подходящего диаметра, предварительно выполнив в ее стволе сквозные отверстия для установки ограничителей перемещения втулки. Таким образом, выполнение втулки съемной расширяет модельный ряд винтовых свай и позволяет использовать ранее изготовленные стандартные винтовые сваи.
Кроме того, выполнение втулки с ребрами, а также ограничителя перемещения втулки вдоль ствола сваи съемными обеспечивает возможность оптимизации транспортировки свай к месту их установки: отдельная транспортировка стволов и втулок с ребрами.
Дополнительным техническим результатом настоящей полезной модели является расширение арсенала технических средств, в частности винтовых свай.
Винтовая свая характеризуется высокой несущей способностью к горизонтальным знакопеременным нагрузкам и имеет конструкцию, позволяющую устанавливать сваю на проектную глубину в грунт.
Заявляемая винтовая свая также характеризуется повышенной несущей способностью на вдавливающие нагрузки за счет увеличения суммарной площади поперечной поверхности ствола сваи.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, на которых представлен частный вариант выполнения винтовой сваи: на фиг. 1 - общий вид винтовой сваи (поперечное сечение); на фиг. 2 - общий вид винтовой сваи в проекции; на фиг. 3 - вид на нижний ограничитель (Б) и верхний вдавливающий упор (А), ограничивающие перемещение втулки вдоль ствола сваи (поперечное сечение); на фиг. 4 - варианты расположения ребер по периметру втулки.
Винтовая свая выполнена из металлической трубы, представляющей собой цилиндрический ствол 1 сваи, к нижнему торцу ствола 1 сваи может быть присоединен металлический наконечник 2. Наконечник 2 может быть выполнен сварным, кованным или литым.
Наконечник 2 может быть жестко (неразъемно) соединен со стволом 1 сваи встык, либо с использованием внешних накладок, либо посредством соединительной муфты, например, посредством сварки.
Наконечник 1 к стволу 2 сваи может быть присоединен разъемно. В случае разъемного соединения наконечника 2 со стволом 1, форму и размеры наконечника 2 подбирают перед установкой сваи в грунт в зависимости от физико-химических показателей грунта.
Ствол 1 сваи также может быть изготовлен сразу с наконечником 2, например, при его литье, либо ковке, например, горячей ротационной ковке.
Наконечник 2 может иметь копьевидную форму, замкнутую коническую форму, форму многогранной пирамиды, ланцетовидную форму или иную.
Наконечник 2 также может быть образован из нижней части цилиндрического ствола 1, например, путем его среза под углом, либо выполнением нижнего края ствола 1 с зубчатой поверхностью, обеспечивающей режущее воздействие на грунт, либо в виде крестообразного наконечника 2, при котором на нижней части ствола 1 вырезают лепестки и сбивают их к центральной оси ствола 1.
Ствол 1 сваи в преимущественном варианте изготавливают из стальной горячедеформированной или электросварной трубы. На ствол 1 и наконечник 2 может быть нанесено антикоррозийное покрытие, например, методом горячего цинкования, либо используя эмали различного состава.
Ствол 1 сваи может иметь как постоянный диаметр по всей длине, так и переменный диаметр, т.е. ствол 1 сваи может иметь сужающиеся участки.
Свая снабжена винтовой лопастью 3 расположенной вдоль ствола 1, либо вдоль ствола 1 и наконечника 2. Винтовая лопасть 3 имеет, по крайней мере, один виток. Винтовая лопасть 3 присоединена к стволу 1 и/или наконечнику 2 посредством сварки, либо сформирована при литье сваи. Ширину и количество витков винтовой лопасти 3 подбирают в зависимости от физико-химический характеристик грунта, в который необходимо установить винтовую сваю. Ширина винтовой лопасти 3, как правило, не превышает трех диаметров ствола 1 сваи. Ширина винтовой лопасти 3 может быть как постоянной, так и переменной. Постоянная ширина является более технологичной в изготовлении, так как лопасть 3, как правило, изготавливают из металлической ленты. Винтовую лопасть 3 изготавливают из стали или чугуна. На винтовую лопасть  3 может быть нанесено антикоррозийное покрытие, например, методом горячего цинкования, либо используя эмали различного состава.
На стволе 1 сваи коаксиально установлена съемная металлическая втулка 4 с жестко присоединенными к ней, например сваркой, по крайней мере, двумя ребрами 5. Как правило, втулка 4 имеет две, три или четыре ребра 5. Ребра 5 расположены радиально по периметру втулки 4 на равных угловых расстояниях друг от друга, ориентированы соосно осевой линии ствола 1 сваи. Ребра 5 в преимущественном варианте имеют форму прямоугольного треугольника с соотношением катетов от 1:2 до 1:4, с расположением большего катета вдоль оси втулки 4, а меньшего - перпендикулярно оси. Ребра 5 могут иметь как одинаковую, так и разную форму и размер. Ребра 5 могут быть размещены под углом относительно осевой линии ствола 1 сваи. Длина (вылет) одного  ребра 5 преимущественно равна, но не ограничена, от 0,3 до 1,0 диаметра винтовой лопасти 3, что обеспечивает возможность задавливания втулки 4 с ребрами 5 на заданную глубину.
Ребра 5 могут быть присоединены к втулке 4 разъемно, в этом случае, например, но не ограниченно,  на наружной поверхности втулки 4 выполнены пазы, в которые устанавливают ребра 5.
Втулка 4 с ребрами 5 выполнены из стали. На втулку 4 с ребрами 5 может быть нанесено антикоррозийное покрытие методом горячего цинкования или покрытие из лакокрасочных материалов. Для обеспечения необходимой прочности втулка 4 и ребра 5 могут быть изготовлены из других материалов, в том числе полимерных материалов.
Внутренний диаметр втулки 4 превышает наружный диаметр ствола 1 сваи, так что между ними образуется зазор от 1 до 5 мм. Благодаря зазору втулка 4 может свободно вращаться вокруг ствола 1 сваи. Для уменьшения силы трения зазор может быть заполнен консистентной смазкой.
Выполнение втулки 4 съемной позволяет ее устанавливать на заранее изготовленные стандартные винтовые сваи, а так же позволяет устанавливать ее на ствол 1 сваи перед завинчиванием сваи в грунт, это помогает оптимизировать расходы на доставку свай к месту выполнения работ (отдельная транспортировка стволов и втулок с ребрами).
Втулка 4 размещена на стволе 1 выше винтовой лопасти 3, преимущественно в верхней части ствола 1 сваи.
В стволе 1 сваи выполнены сквозные отверстия для установки и фиксации ограничителей перемещения втулки вдоль ствола 1 сваи, представляющих собой нижний ограничитель 6 и верхний вдавливающий упор 7. Нижний ограничитель 6 и верхний вдавливающий упор 7 выполнены, например, в виде опорных болтов с гайками, проходящих сквозь ствол 1 сваи. Сквозные отверстия для установки нижнего ограничителя 6 и верхнего вдавливающего упора 7 выполнены соответственно ниже и выше места расположения втулки 4 на стволе 1 сваи. При этом верхний вдавливающий упор 7 оснащен, по крайней мере, двумя опорными роликами 8. Опорные ролики 8 могут быть выполнены с подшипниками качения или скольжения или без подшипников. Опорные ролики 8 предназначены для передачи усилия вдавливания к втулке 4 с ребрами 5 в процессе погружения сваи в грунт.
Втулка 4 в верхней части снабжена упорным кольцом 9, контактирующим с опорными роликами 8. Упорное кольцо 9 может быть сформировано из тела втулки 4, либо соединено с втулкой 4 разъемно или не разъемно.
На упорное кольцо 9 втулки 4 происходит опирание опорных роликов 8 верхнего вдавливающего упора 7 в процессе погружения сваи.
Ограничитель 6 (нижний опорный болт) также может быть оснащен опорными роликами 8. В этом случае втулку 4 снабжают нижним упорным кольцом 9, контактирующим с опорными роликами 8 нижнего ограничителя 6.
В случаях больших монтажных нагрузок на сваю возможно выполнение двух верхних вдавливающих упоров 7 с опорными роликами 8, развернутых относительно друг друга на прямой угол. Вдавливающие упоры 7 устанавливают в стволе 1 сваи друг над другом на разном расстоянии от верхнего края втулки 4. При этом диаметр опорных роликов 8 подбирают таким, чтобы обеспечить контакт каждого ролика 8 с упорным кольцом 9 втулки 4.
Верхний конец ствола 1 сваи может быть жестко соединен с функциональным оголовком (на чертежах не показан), выполненным, например, в виде фланца, снабженного ребрами жесткости, равномерно распределенными по периметру фланца и соединены со стволом 1 сваи. В фланце могут быть выполнены диаметрально расположенные отверстия для болтов или шпилек, служащих для  присоединения сборных элементов сваи друг к другу, а также к вышерасположенным конструктивным элементам здания или сооружения, либо к оборудованию различного функционального назначения.
В верхней части ствола 1 может быть выполнено одно или более сквозных отверстий для установки приспособления для закручивания сваи в грунт.
Диаметр и длина сваи могут быть самыми различными. Толщина стенок ствола 1 сваи должна быть не менее 3 мм.
Монтаж винтовой сваи может быть осуществлен, например, следующим образом.
Перед погружением сваи выполняют ее крупно-узловую сборку, а именно на ствол 1 стандартной винтовой сваи, в котором выполнены сквозные отверстия, насаживают втулку 4 с ребрами 5, втулку 4 фиксируют от смещения опорными болтами 6 и 7 с опорными роликами 8. Опорные болты 6 и 7 устанавливают в сквозные отверстия ствола 1 сваи и закручивают гайками. Втулка 4 с ребрами 5 также может быть заранее установлена на стволе 1 сваи на заводе-изготовителе.
Сваю погружают классическим для винтовой сваи способом: завинчиванием при помощи машины УБМ-85 или аналогичной по техническим характеристикам машины. Погружение сваи производят по техническим картам для винтовой сваи.
В процессе погружения сваи, когда втулка 4 доходит до земли, она перестает вращаться относительно своей оси (при необходимости до момента касания втулки 4 земли осуществляет корректировку ее положения по осям), при этом вращение сваи не прекращают. Далее, погружая ствол 1 сваи вращением, одновременно производят задавливание втулки 4 с ребрами 5 в грунт при помощи опорных роликов 8. Сваю закручивают в грунт до проектной отметки.
При воздействии горизонтальных знакопеременных нагрузок, наклоняющих сваю, ребра 5 передают данную нагрузку на большую площадь поверхности грунта, соприкасающегося с ними, создавая меньшие значения давления на грунт, не способные вызвать в нем смещения.
Установка втулки 4 с ребрами 5 на ствол 1 сваи с возможностью ее вращения вокруг ствола 1 позволяет вводить ребра 5 в грунт вертикально, так как ввинчивание ствола 1 сваи с винтовой лопастью 3 и вдавливание ребер 5 в грунт осуществляется одновременно и не зависимо друг от друга. Введение ребер 5 в грунт вертикально, во-первых, сохраняет неизменными затраты на погружение заявляемой винтовой сваи в грунт в сравнении со стандартными винтовыми сваями, а во-вторых, повышает несущую способность сваи к горизонтальным знакопеременным нагрузкам, так как при ввинчивании сваи не происходит повреждения грунта в соседней области, примыкающей к ребрам 5.
ООО «Завод винтовых свай» были выполнены опытные модели винтовой сваи с верхним вдавливающим упором 7, снабженным опорными роликами 8. По результатам пробных погружений винтовых свай в глинистые грунты было выявлено, что возникающая минимальная деформация втулки 4 и верхнего вдавливающего упора 7 обеспечивает погружение втулки 4 с ребрами 5 на заданную глубину (2-3 метра от верха втулки до поверхности земли в зависимости от грунтовых условий). В процессе погружения не происходит истирания верхней части втулки 4 и верхнего вдавливающего упора 7. Погружение сваи на большую глубину повышает ее несущую способность.
Предложенная конструкция винтовой сваи характеризуется повышенной несущей способностью на горизонтальные нагрузки при минимальных затратах на ее погружение в грунт.
Винтовая свая обладает повышенной надежностью в эксплуатации, технологична в изготовлении, может быть произведена в условиях отечественной промышленности с использованием известного оборудования, материалов и технологий.
Использованные в этом описании термины и словосочетания «содержит», «содержащий», «в частности», «может быть» и их варианты, не должны интерпретироваться как исключающие присутствие других материалов, частей, элементов конструкции, действий.