ВИНТОВАЯ СВАЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к строительству, а именно к конструкциям винтовых свай, погружаемых в мерзлые грунты, преимущественно в лидерные скважины, и может быть использована в качестве фундамента для опор линий электропередач, радиомачт и других специальных сооружений, возводимых в условиях вечно мерзлых грунтов Крайнего Севера.
При возведении винтовой сваи (анкера) в мерзлые и твердые грунты ее завинчивают в предварительно пробуренную лидерную скважину того же диаметра что и ствол сваи (анкера), что позволяет значительно уменьшить погружающую силу и крутящий момент при погружении. Однако, в процессе бурения лидерных скважин в мерзлых грунтах, особенно в период максимального оттаивания деятельного слоя, происходят осыпи грунта. Грунт, скопившийся внизу скважины, уплотняется в процессе погружения сваи и затрудняет ее заглубление на проектную глубину. Поэтому глубина лидерной скважины выполняется больше глубины завинчивания сваи на величину объема осыпи грунта, что увеличивает не только стоимость бурения скважины, но и трудоемкость и энергоемкость возведения сваи.
Известны технические решения, в которых для повышения эффекта погружения винтовой сваи в лидерные скважины, в которые произошла осыпь грунта в конструкцию сваи вводят вспомогательный режущий элемент, обеспечивающий перемещение грунта осыпи во внутреннюю полость ствола, что позволяет свае погрузиться на всю глубину лидерной скважины без увеличения глубины бурения.
Известна винтовая свая (RU, пат. на ПМ №26233, Е02D 5/56, опубл. 20.11.2002 г.), включающая цилиндрический полый ствол с винтовой лопастью на наружной поверхности нижней части ствола. В нижней части ствола выполнена прорезь, имеющая форму винтовой линии, образующей лопасть сваи. Через указанную прорезь заводится нижний конец винтовой лопасти во внутреннюю полости ствола и образует консоль. При завинчивании сваи в лидерную скважину режущая кромка консоли перемещает грунт осыпи вверх ствола, при этом свая погружается на всю глубину лидерной скважины. Нижний виток винтовой лопасти имеет уменьшенный диаметр (0,8-0,9 диаметра винтовой лопасти), а его режущая кромка заточена под углом 40-60°.
Однако, такая свая сложна в изготовлении, что приводит к излишним материальным и временным затратам. Кроме того, выполнение последнего витка винтовой лопасти постоянной ширины от заходной его части к хвостовой приводит к возникновения силы трения между всей внешней его кромки и канавкой, образованной им (витком) в стенке лидерной скважины. Указанный недостаток приводит к увеличению крутящего момента при завинчивании сваи и, как следствие, к увеличения энергоемкости процесса.
Известна винтовая свая (RU, пат. на ПМ №49841, Е02D 5/56.), выбранная в качестве прототипа, включающая полый ствол с опорным элементом и ребрами жесткости на его верхнем конце и винтовой лопастью на наружной поверхности нижней части ствола. Нижняя часть ствола выполнена в виде литого наконечника, соединенного с верхней частью ствола посредством сварки. На внутренней поверхности наконечника выполнена дополнительная винтовая лопасть (вспомогательный режущий элемент). Нижний конец наконечника выполнен коническим и снабжен на торце зубьями.
Дополнительная винтовая лопасть обеспечивает перемещение грунта осыпи вверх относительно ствола, исключая его (грунта) чрезмерное уплотнение и заполнение заклинивание во внутренней полости ствола крупных галечных включений грунта, что позволяет свае погружаться на всю глубину лидерной скважины без увеличения глубины бурения.
К недостаткам известного технического решения относится следующее:
- как и в аналоге, требуется высокая трудоемкость и технологическая сложность при изготовлении сваи из-за сложности ее конструкции;
- выполнение лопасти с постоянным размером по ширине увеличивает крутящий момент и осевое усилие при погружении винтовой сваи, что повышает энергоемкость ее возведения;
- перемещение грунта дополнительной лопастью вверх внутри ствола повышает энергоемкость процесса погружения.
Задача, решаемая полезной моделью заключается в создании такой конструкции винтовой сваи, которая обеспечивает снижение энергозатрат на погружение сваи при сохранении ее высоких эксплуатационных характеристик в установленном виде.
Достигаемый при этом технический результат заключается в упрощении конструкции сваи, снижении материалоемкости и трудоемкости возведения сваи, повышении ее несущей способности в погруженном состоянии, а также в уменьшении трения о внешнюю кромку нижнего витка винтовой лопасти.
Поставленная задача решается тем, что в винтовой свае, содержащей полый ствол с винтовой лопастью и прорезями со стороны нижнего торца, согласно полезной модели, прорези выполнены с возможностью формирования каналов для перемещения грунта внутрь ствола, при этом каждая прорезь в поперечном сечении торца ствола выполнена с образованием острого угла по направлению завинчивания сваи между осью симметрии прорези и осью, проходящей через центр поперечного сечения ствола и пересекающей прорезь.
Конкретное выполнение прорезей может быть следующим:
- каждая прорезь в продольном сечении ствола выполнена прямоугольной;
- каждая прорезь в продольном сечении ствола выполнена трапецеидальной;
- каждая прорезь выполнена по форме винтовой линии.
Анализ отличительных признаков заявляемого технического решения показал следующее:
- выполнение прорезей с возможностью формирования каналов для перемещения грунта внутрь ствола обеспечивает удаление грунта осыпи из-под нижнего торца сваи и перемещение его во внутреннюю полость ствола, позволяя тем самым свае погружаться на всю глубину лидерной скважины без увеличения глубины бурения;
- выполнение каждой прорези таким образом, что в поперечном сечении торца ствола ось симметрии прорези расположена по отношению к оси, проходящей через центр поперечного сечения ствола и пересекающей прорезь, под острым углом по направлению завинчивания сваи, обеспечивает в процессе завинчивания сваи проталкивание (принудительное перемещение) грунта осыпи с днища лидерной скважины внутрь ствола по мере погружения сваи. При этом предлагаемое техническое решение значительно упрощает технологию изготовления винтовой сваи, т.к., по сравнению с прототипом, исключено выполнение дополнительной винтовой лопасти на внутренней поверхности ствола. Кроме того, перемещение грунта внутрь ствола посредством прорезей (а не посредством дополнительной лопасти, как в прототипе) уменьшает разрыхление грунта, что способствует повышению несущей способности сваи.
По второму варианту поставленная задача решается тем, что в винтовой свае, содержащей полый ствол с винтовой лопастью и прорезями со стороны нижнего торца, согласно полезной модели, прорези выполнены с возможностью формирования каналов для перемещения грунта внутрь ствола, причем каждая прорезь в поперечном сечении торца ствола выполнена с образованием острого угла по направлению завинчивания сваи между осью симметрии прорези и осью, проходящей через центр поперечного сечения
ствола и пересекающей прорезь, при этом нижний виток винтовой лопасти выполнен со ступенчатым увеличением его ширины в направлении снизу вверх с образованием в плоскости его горизонтальной проекции радиальных выступов с высотой каждого последующего выступа большей, чем у предыдущего, а внешняя поверхность витка от вершины каждого предыдущего выступа к основанию последующего выполнена плавно убывающей относительно центра вращения сваи.
Конкретное выполнение прорезей может быть следующим:
- каждая прорезь в продольном сечении ствола выполнена прямоугольной;
- каждая прорезь в продольном сечении ствола выполнена трапецеидальной;
- каждая прорезь выполнена по форме винтовой линии.
При этом каждый выступ нижнего витка винтовой лопасти от его основания к вершине заострен с образованием режущей кромки.
Кроме того, внешняя поверхность витка между вершиной каждого предыдущего выступа и основанием последующего выполнена по дуге окружности.
Конструкция винтовой сваи по второму варианту дополнительно характеризуется выполнением нижнего витка винтовой лопасти. Выполнение нижнего витка винтовой лопасти с увеличением его ширины в направлении снизу вверх, обеспечивает погружение винтовой сваи при меньшем крутящем моменте вследствие постепенного развития винтовой лопасти, а, следовательно, и резания грунта при наименьшем сопротивлении. При этом ступенчатое увеличение ширины указанного витка с образованием в плоскости его горизонтальной проекции радиальных выступов с высотой каждого последующего выступа большей, чем у предыдущего, и выполнение внешней поверхности витка от вершины каждого предыдущего выступа к основанию последующего плавно убывающей относительно центра вращения сваи, обеспечивает снижение силы трения грунта по поверхности витка. Это объясняется следующим. В прототипе при погружении винтовой сваи нижний ее виток взаимодействует с грунтом по всей его длине, поэтому сила трения со стороны грунта действует по всей наружной поверхности витка.. В заявляемом решении контакт нижнего витка с грунтом стенки лидерной скважины осуществляется только на участках режущих кромок выступов, снижая тем самым трение грунта о наружную поверхность витка.
Таким образом, выполнение винтовой сваи по второму варианту обеспечивает уменьшение крутящего момента и снижение сил трения при завинчивании сваи, что способствует снижению энергоемкости процесса погружения.
По третьему варианту поставленная задача решается тем, что в винтовой свае, содержащей полый ствол с винтовой лопастью, согласно полезной модели, нижний виток винтовой лопасти выполнен со ступенчатым увеличением его ширины в направлении снизу вверх с образованием в плоскости его горизонтальной проекции радиальных выступов с высотой каждого последующего выступа большей, чем у предыдущего, а внешняя поверхность витка от вершины каждого предыдущего витка к основанию последующего выполнена плавно убывающей относительно центра вращения сваи.
При этом каждый выступ нижнего витка винтовой лопасти от его основания к вершине заострен с образованием режущей кромки.
Кроме того, внешняя поверхность витка между вершиной каждого предыдущего выступа и основанием последующего выполнена по дуге окружности.
Анализ отличительных признаков по третьему варианту винтовой сваи показал, что влияние отличительных признаков на достижение технического результата полезной модели и причинно-следственная связь между ними и техническим результатом аналогичны рассмотренным выше первому и второму вариантам полезной модели. Отличие от предыдущих вариантов заключается в отсутствии у сваи прорезей со стороны нижнего торца. Указанный вариант выполнения возможен в случае, когда возведение сваи осуществляется без использования лидерной скважины.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - винтовая свая по первому варианту полезной модели, общий вид, продольный разрез;
на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;
на фиг.3 - пример конкретного выполнения прорези, прорезь выполнена трапецеидальной;
на фиг.4 - пример конкретного выполнения прорези, прорезь выполнена прорезь выполнена по форме винтовой линии;
на фиг.5 - винтовая свая по второму варианту исполнения, общий вид, продольный разрез;
на фиг.6 - вид Б на фиг.5;
на фиг.7 - вид В на фиг.6
на фиг.8 - винтовая свая по третьему варианту исполнения, общий вид, продольный разрез.
Винтовая свая содержит полый ствол 1 с винтовой лопастью 2 на наружной поверхности нижней части ствола 1. Со стороны нижнего торца ствола 1 выполнены прорези «а».
1
1
Каждая прорезь «а» в поперечном сечении торца ствола 1 выполнена таким образом, что ось 0-0 симметрии прорези «а» и ось 0-0, проходящая через центр поперечного сечения ствола 1 и пересекающая прорезь «а», образуют острый угол β по направлению завинчивания сваи. Выполненные таким образом прорези «а» образуют при завинчивании сваи каналы для перемещения грунта осыпи из-под нижнего торца сваи во внутреннюю полость ствола 1.
В примерах конкретного выполнения заявляемой сваи прорези «а», в зависимости от нарезающего их инструмента, могут быть выполнены следующим образом:
- прорезь «а» в продольном сечении ствола 1 выполнена прямоугольной;
- прорезь «а» в продольном сечении ствола 1 выполнена трапецеидальной;
- прорезь «а» выполнена по форме винтовой линии.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
1
По второму варианту полезной модели нижний виток 3 винтовой лопасти 2 выполнен со ступенчатым увеличением его ширины в направлении снизу вверх с образованием в плоскости его горизонтальной проекции радиальных выступов 4, 5, 6, 7. Высота h, h, h, h, каждого последующего выступа больше, чем у предыдущего (h<h<h<h). Внешняя поверхность витка 3 от вершины каждого предыдущего выступа к основанию последующего выполнена по дуге окружности, плавно убывающей относительно центра вращения сваи. Например, расстояние L от центра поперечного сечения ствола 1 до вершины выступа 4 больше, чем расстояние L от указанного центра до основания последующего выступа 5, т.е. L>L. Каждый выступ 4, 5, 6, 7 от его основания к вершине заострен с образованием режущей кромки «с». Режущая кромка «с» с заточена под углом φ врезания в грунт, равным 50°.
По третьему варианту исполнения винтовая свая содержит полый ствол 1 с винтовой лопастью 2 на наружной поверхности нижней части ствола 1. Нижний виток 3 лопасти 2 выполнен той же конструкции, как и по второму варианту полезной модели. В отличие от первых двух вариантов прорези со стороны нижнего торца сваи отсутствуют.
Работа
Погружение винтовой сваи осуществляется следующим образом: свая приложения одновременно завинчивающего и вдавливающего усилий погружается в лидерную скважину, диаметр которой равен диаметру ствола 1. При вращении и вдавливающем усилии нижний виток 3 посредством режущих кромок «с» выступов 4, 5, 6, 7 нарезает в стенке скважины резьбовую канавку, в которую затем входит винтовая лопасть 2. За счет того, что взаимодействие нижнего витка 3 с грунтом скважины осуществляется
только на участках режущих кромок «с», а не по всей его длине, а также выполнение внешней поверхности витка 3 от вершины каждого предыдущего выступа к основанию последующего плавно убывающей относительно центра вращения сваи, значительно снижается трение нижнего витка 3 о грунт образуемой им винтовой канавки. Ступенчатое увеличение ширины витка 3 облегчает внедрение сваи в скважину и способствует уменьшению величины крутящего момента и осевого усилия с наименьшим нарушения структуры мерзлого грунта.
Продолжая погружение, свая достигает осыпь в скважине и внедряется в нее. При этом прорези «а», выполненные под острым углом β по направлению завинчивания сваи, формируют каналы, по которым грунт из-под нижнего торца сваи перемещается внутрь ствола. При дальнейшем завинчивании сваи прорези «а» вместе со стволом 1 совершают погружение по винтовой линии, способствуя поднятию грунта внутри ствола вверх. Это позволяет свае погружаться на всю глубину лидерной скважины без увеличения глубины бурения.
Наличие прорезей «а» у нижнего торца ствола 1 и выполнение нижнего витка 3 винтовой лопасти указанной выше конструкции способствуют уменьшению величины крутящего момента грунта при погружение заявляемой винтовой сваи с минимальным нарушением при этом структуры мерзлого, что обеспечивает снижение энергоемкости процесса и повышение несущей способности сваи при ее эксплуатации.
Погружение сваи по третьему варианту исполнения осуществляется без использования лидерной скважины.