ВИНТОВАЯ СВАЯ

Полезная модель относится к строительству, в частности, к сооружению свайных фундаментов, и может быть использована для строительства малоэтажных домов, бань, террас, теплиц, ангаров, трубопроводов, рекламных конструкций, дорожных знаков и указателей, опор линий освещения и связи, садово-парковой мебели, заборов и ограждений.
Известна винтовая свая, которая содержит ствол с полым наконечником, поверхности которого снабжена винтовой лопастью, а в нижней части выполнена коническая воронка, продольная ось симметрии которой совпадает с продольной осью симметрии сваи. Коническая воронка выполнена с возможностью ее вдавливания в полость наконечника при погружении сваи в грунт (см. RU №71668, E02D 5/56, 2008 г.).
Недостаток этого решения - возможность его использования только в слабых, например, болотистых грунтах, поскольку сильно развитая по площади винтовая лопасть не позволит «вкрутить» сваю в плотный грунт, кроме того, внутренняя полость сваи открыта в окружающую среду, что способно привести к интенсивной коррозии внутреннего пространства или потребует нанесение защитного покрытия на внутреннюю полость трубы.
Известна также винтовая свая, включающая цилиндрический ствол, снабженный коническим наконечником, внешняя поверхность которого снабжена спиралью (см. RU №109161, E02D 5/56, 2010 г.). При этом цилиндрический ствол сваи выполнен длиной от 1500 мм до 3000 мм, наконечник со спиралью выполнен длиной от 500 мм до 1000 мм, а спираль выполнена с шагом витков 35-40 мм и шириной лопасти спирали 10 мм.
Недостаток этого решения - недостаточная несущая способность в слабых, например, болотистых грунтах, поскольку слабо развитая по площади винтовая поверхность и недостаточная площадь поверхности сваи (из-за названного ограничения ее длины) не позволит обеспечить достаточное сцепление с вмещающим массивом, составленным слабыми грунтами, причем малая длина сваи зачастую не позволяет в этих условиях опереть сваю на подстилающие, более плотные грунты. Также при использовании свай для обустройства пирсов, заявленный диапазон длин сваи не позволяет обеспечить глубины в районе пирса, достаточный для швартовки большинства маломерных судов. Кроме того, сваи поставляются в нескольких десятках типоразмеров, для обеспечения возможности их адаптации к использованию в грунтах существенно варьирующих характеристик и в условиях варьирования глубин их заложения, при этом все равно остается объем работ по обрезке оголовков свай под определенный уровень.
Таким образом, известное техническое решение не обладает достаточной функциональной широтой.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, выражается в расширении функциональных возможностей сваи, за счет обеспечения возможности варьирования ее длины в зависимости от заданной глубины заложения фундамента.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи выражается в обеспечении возможности надежной фиксации сваи при широком диапазоне изменения несущей способности грунта. Кроме того обеспечивается возможность варьирования длины сваи в зависимости от заданной глубины заложения.
Для решения поставленной задачи винтовая свая, включающая полый цилиндрический ствол и полый конический наконечник, внешняя поверхность которого снабжена спиралью, отличается тем, что наконечник выполнен отдельным от цилиндрического ствола, при этом в полости наконечника жестко зафиксирована втулка, внешний диаметр которой выполнен с возможностью плотного надевания на нее свободного конца полого цилиндрического ствола, при этом наконечник со спиралью выполнен длиной от 300 мм до 2000 мм. Кроме того внешняя и внутренняя поверхность наконечника со спиралью и цилиндрического ствола снабжена защитным покрытием. Кроме того, цилиндрический ствол сваи выполнен длиной от 200 мм до 6000 мм. Кроме того, спираль выполнена с шагом витков 41-55 мм и шириной не менее 15 мм. Кроме того, конец наконечника выполнен в виде конуса с заострением 45-60°. Кроме того, цилиндрический ствол снабжен фланцем, предпочтительно выполненным в виде равностороннего шестиугольника, снабженного крепежными отверстиями, размещенными на одинаковых расстояниях друг от друга и центра фланца, предпочтительно в углах равностороннего шестиугольника. Кроме того, фланец выполнен с возможностью его фиксации на торце цилиндрического ствола после установки сваи в грунте.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков полезной модели обеспечивают решение технической задачи, а именно обеспечивают возможность расширения функциональных возможностей сваи, за счет обеспечения возможности варьирования ее длины в зависимости от заданной глубины заложения.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежами где на фиг 1 представлен продольный разрез винтовой сваи в исходном состоянии; на фиг. 2 представлен ее вид в рабочем состоянии.
Винтовая свая включает цилиндрический ствол 1, наконечник 2 со спиралью 3, которые выполняются полыми.
Цилиндрический ствол 1 винтовой сваи выполнения выполнен по всей длине с постоянным значением диаметра и длиной от 200 мм до 6000 мм. Свая может быть выполнена с величиной диаметра равной 76, 90, 114, 140 или 220 мм, что позволяет использовать ее для фиксации дорожных знаков, указателей, рекламных конструкций, светильников и т.п.. Наконечник 2 может быть выполнен длиной от 300 мм до 2000 мм. Длина наконечника выбирается в зависимости от укрепляемой конструкции в соответствии с требованиями надежности крепления в эксплуатации. Конец 4 наконечника 2 выполнен в виде конуса с заострением 45-60°, что снижает трудоемкость погружения сваи в грунт. Кроме того, наконечник выполнен отдельным от цилиндрического ствола 1, при этом в полости наконечника 2 жестко зафиксирована втулка 5, внешний диаметр которой выполнен с возможностью плотного надевания на нее свободного конца полого цилиндрического ствола. При этом, внешняя и внутренняя поверхность наконечника 2 со спиралью и цилиндрического ствола 1 снабжены защитным покрытием - оцинкованы (на чертежах покрытие не показано).
Спираль 3 выполнена с шагом 41-55 мм и шириной не менее 15 мм (предпочтительно, 15-20 мм), при толщине порядка 2 мм.
Свая предназначена для опирания на нее ригеля или другой конструкции (на чертежах не показаны), для чего она снабжена фланцем 6, выполненным из листовой стали толщиной от 8 мм до 14 мм, снабженным отверстиями 7 для болтов или шпилек (диаметром от 10 мм до 15 мм). Фланец может быть выполнен в виде равностороннего шестиугольника, снабженного крепежными отверстиями 7, размещенными на одинаковых расстояниях друг от друга и центра фланца, предпочтительно, в углах равностороннего шестиугольника. Кроме того, фланец может быть выполнен в виде кольца с диаметрально расположенными на одинаковых расстояниях друг от друга отверстиями (на чертежах показан именно такой вариант) или в виде диска с диаметрально расположенными отверстиями 7 и центральным отверстием 8. Диаметр центрального отверстия 8 предпочтительно выбрать 24 мм под болт с резьбой 24 мм. Предпочтительно выполнение фланца с расстоянием между центрами диаметрально расположенных отверстий 7 равным 167 мм. Наличие фланца упрощает и облегчает сервисные работы по установке фундамента, обеспечивает устойчивость конструкции. Различные варианты используемых фланцев позволяют расширить спектр применения сваи.
При проведении расчетов, экспериментальных работ и процедуры сертификации изделия заявителем были сделаны выводы, что предложенный типоразмерный ряд свай обеспечивает надежную установку сооружения на различных почвах.
Надежность (несущая способность) свайного фундамента зависит от ряда факторов, которые учитываются при выборе типоразмера винтовых свай и глубины погружения свай, в частности от общей массы строения как суммы всех нагрузок, действующих на фундамент, снеговой и полезной нагрузки в зависимости от назначения и области расположения, прочностных и деформационных характеристик грунтов и других факторов. Заявленная винтовая свая соответствует требованиям ГОС 23118-99 «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия».
В табл. 1 приведены характеристики заявляемых винтовых свай, в т.ч. статические нагрузки с коэффициентами безопасности согласно DIN 1054 и 18800.
Таблица 1
Типоразмер сваи (диаметр × длина ствола, мм)
диаметр × толщиа стенок, мм
M<sub>Rd </sub>(металл) (kNm)
M<sub>Rd </sub>(почва) (kNm)
F<sub>Rd,c</sub> (вниз) (kN)
F<sub>Rd,t</sub> (вверх) (kN)
F<sub>Rd,h</sub> (бок) (kN)
WBG66×550
66×2,0
1,363
0,259
2,50
1,70
0,50
WBG66×650
66×2,0
1,363
0,358
3,0
2,0
0,75
WBG66×700
66×2,0
1,363
0,517
3,50
2,25
1,0
WBG66×785
66×2,0
1,363
0,647
3,50
2,50
1,25
WBG76×800
76,1×2,0
1,834
1,811
13,50
7,00
3,50
WBG76×1000
76,1×2,0
1,834
2,328
16,50
9,50
4,50
WBG76×1200
76,1×2,0
1,834
2,846
18,50
11,50
5,50
WBG76×800
76,1×2,0
1,834
1,035
5,50
4,00
2,00
WBG76×1200
76,1×4,0
1,834
3,386
2,846
12,50
5,50
WBG76×1600
76,1×4,0
1,834
3,386
4,398
21,5
8,50
WBG76×2000
76,1×4,0
1,834
3,386
5,951
32,5
11,5
WBG90×800
88,9×3,0
3,670
1,294
10,5
6,0
2,5
WBG90×1000
88,9×3,0
3,670
1,656
14,5
7,5
3,2
WBG90×1200
88,9×3,0
3,670
2,173
18,0
10,0
4,2
WBG90×1200
88,9×4,0
4,729
3,881
30,0
16,5
7,5
WBG90×1600
88,9×4,0
4,729
5,962
41,0
24,5
11,0
WBG90×2000
88,9×4,0
4,729
7,245
55,0
35,0
14,0
WBG90×550
88,9×3,6
4,314
1,035
18,0
8,5
2,0
WBG90×800
88,9×3,6
4,314
1,811
22,5
5
3,5
WBG90×1000
88,9×3,6
4,314
2,328
27,0
13,5
4,5
WBG114×1000
114,3×4,0
8,058
3,105
20,0
10,5
6,0
WBG114×1200
114,3×4,0
8,058
4,140
30,0
15,5
8,0
WBG114×1400
114,3×4,0
8,058
5,174
40,0
21,0
10,0
WBG114×1200
114,3×4,0
8,058
4,916
35,0
20,5
9,5
WBG114×1600
114,3×4,0
8,058
6,986
47,5
27,5
13,5
WBG114×2000
114,3×4,0
8,058
8,797
66,0
37,5
17,0
WBG114×3500
114,3×3,6
8,058
15,40
115,50
65,62
29,75
WBG140×850
139,7×3,0
11,140
2,587
11,5
6,5
5,0
WBG140×1000
139,7×3,6
11,140
3,363
21,0
11,5
6,5
WBG140×l400
139,7×3,6
11,140
5,433
40,0
20,5
10,5
WBG140×l400
139,7×3,6
11,140
6,985
45,00
25,00
13,50
WBG140×l600
139,7×3,6
11,140
8,020
54,00
30,00
15,50
WBG140×1800
139,7×3,6
11,140
9,055
63,00
35,00
17,50
WBG140×2000
139,7×3,6
11,140
10,090
72,50
40,00
19,50
WBG220x1800
219,1×6,3
71,79
27,166
>150,0
>95,0
>45,0
WBG220×2000
219,1×8,0
89,044
42,689
>175,0
>115,0
>60,0
При этом, в таблице 1 обозначены:
- MRd (металл) - изгибающий момент силы, необходимый для деформации стального корпуса винтовой сваи;
- MRd (почва) - изгибающий момент силы, необходимый для смещения закрученной в грунт винтовой сваи от вертикальной оси и рассчитанный по максимальной горизонтальной (боковой) нагрузке;
- FRd,c - максимальная сжимающая (давящая вниз) нагрузка;
- FRd,t - максимальная выдергивающая (тянущая вверх) нагрузка;
- FRd,h - максимальная горизонтальная (боковая) нагрузка.
Данные расчетные значения нагрузок действительны для природных плотных сухих глинистых почв и были получены при статических полевых испытаниях с применением уменьшающих коэффициентов 1,85 и 2.
Выполнение снабженного спиралью наконечника 2 сваи длиной от 300 до 2000 мм с шагом спирали 41-55 мм и шириной лопасти спирали не менее 15 мм является оптимальным для обеспечения высокой несущей способности винтового фундамента, в широком диапазоне несущих характеристик грунта которая обусловлена тем, что при погружении в грунт наконечника межвитковые промежутки грунта не разрыхляются, а наоборот - уплотняются спиралью винтовой сваи, увеличивая надежность фундамента, особенно для сложных грунтов.
Малая площадь соприкосновения с грунтом (конец 4 наконечника 2 выполнен в виде конуса с заострением 45-60°) и наличие спирали с предложенными геометрическими размерами не создают критического давления даже на мягкие торфяные и песчаные грунты и не позволяют фундаменту двигаться даже при глубоком промерзании грунта и одновременно уменьшают трудоемкость ее погружения в грунт. Время установки занимает всего несколько минут.
Заявленную винтовую сваю используют известным образом. Свая поставляется в виде отдельного наконечника 2 и отдельного цилиндрического ствола 1 (фактически это даже не цилиндрический ствол, а его заготовка, длина которой заведомо превышает проектную длину сваи или даже нескольких свай). Непосредственно перед установкой сваи осуществляют ее монтаж для чего жестко (например, сваркой) скрепляют наконечник и цилиндрический ствол, далее стык названных деталей известным образом покрывают защитным покрытием - наносят расплав цинка (наконечник и цилиндрический ствол имеют заводское покрытие -оцинкованы), что обеспечивает наличие защитного покрытия по всей внешней поверхности сваи. Это покрытие предохраняет сваю от коррозионного разрушения в условиях обводненного грунта, особенно при обводнении агрессивными водами. При этом двустороннее покрытие выполняет защитную функцию при эксплуатации сваи в условиях обводненной местности, когда возможно попадание паводковых или ливневых вод в полость сваи.
Заявляемая винтовая свая устанавливается вертикально при помощи специальных подручных средств или машин (на чертежах не показаны) -«завинчивается» в грунт. Время установки занимает всего несколько минут. При этом площадь соприкосновения предложенного винтового свайного фундамента с грунтом по сравнению с обычными фундаментами незначительна, благодаря этому такой фундамент значительно менее подвержен разного рода подвижкам, сезонным колебаниям грунта и перекосам.
При установке свай в плотных прочных грунтах целесообразно перед погружением сваи разбуривать скважину диаметром 0,5-0,75 от величины внешнего (по кромкам спирали) диаметра сваи и погружать сваю в такую скважину. После установки всех свай, запланированных к установке, отмечают уровень на котором должен быть позиционирован торец свай и известным образом осуществляют их обрезку.
Далее, при необходимости наваривают на торцы свай фланцы или фиксируют в них трубчатые опорные элементы, предназначенные для фиксации в полостях свай. При этом обязательно проведение работ по изолированию соединительного шва, которые выполняют, как вышеописано..
Фундамент на основе таких винтовых свай не создает критического давления на мягкие и не устойчивые грунты, поэтому его установка при глубине заложения большей глубины сезонного промерзания грунта может производиться без предварительной геологоразведки. Применение этого фундамента возможно не только на сложных грунтах, но и в сейсмоопасных районах, где обычные бетонные фундаменты могут быть повреждены или разрушены, кроме того, он экологически безопасен и экономичен.