ВИНТОВАЯ СВАЯ

Полезная модель относится к строительству, в частности к конструкциям свай и может быть использована в качестве фундамента для опор линий электропередач и опор контактной сети, вышек сотовой связи, фундаментов зданий, ограждений, анкерных закреплений, в опорах временных мостов, трубопроводов, причалов и других конструкций.
Известна винтовая свая [см. авт. свид. СССР на изобретение №1454909, МПК 4 кл. E02D 5/56, опубл. 30.01.89], включающая полый металлический ствол с наконечником и лопастями, нижние из которых имеют длину, меньшую длины верхних. Ствол снабжен диафрагмой, расположенной между нижним торцом ствола и наконечником. Наконечник выполнен треугольным, а лопасти сваи являются плоскими, выполненными из листового материала, с режущей кромкой. Верхняя и нижняя лопасти расположены под углом (7-20)° к плоскости диафрагмы с ориентацией режущей кромки в направлении вращения. Наконечник и лопасти сваи снабжены ребрами жесткости, расположенными вдоль боковых граней наконечника и вдоль сторон лопастей, противолежащих режущим кромкам. При погружении сваи, имеющей описанную выше конструкцию, в грунт, возникает дополнительное сопротивление грунта, что приводит к необходимости увеличения крутящего момента. Это является недостатком известной винтовой сваи, так как ее завинчивание может быть обеспечено только с дополнительным пригрузом.
Известен также анкерный фундамент [см. авт. свид. СССР на изобретение №1289963, МПК 4 кл. E02D 27/42, опубл. 15.02.87], включающий полый ствол, состоящий из верхнего участка, переходного участка в виде призматоида и нижнего участка. Нижний участок ствола снабжен винтовой лопастью. Диаметр нижнего участка меньше диаметра верхнего участка. В стенках переходного участка ствола выполнены окна, через которые грунт, прорезанный винтовой лопастью, подается внутрь призматоида, что способствует снижению крутящего момента при завинчивании. Однако известный анкерный фундамент имеет необоснованно сложную конструкцию. Кроме того, нижний цилиндрический участок ствола имеет большую длину при малом диаметре. Значительная разность диаметров верхней и нижней части анкерного фундамента приводит к возрастанию сцепления грунта по боковой поверхности анкера. Следствием этого является увеличение необходимой величины крутящего момента, что является существенным недостатком известного анкерного фундамента.
Известен также винтовой анкер (см. авт. свид. СССР на изобретение №1216285, кл. МПК 4 E02D 5/56, опубл. 07.03.86). Винтовой анкер содержит полый цилиндрический ствол с коническим наконечником. Винтовая лопасть анкера закреплена на цилиндрическом стволе анкера, при этом часть лопасти в пределах от 2/3 до 3/4 ее витка размещена на коническом наконечнике. Лопасть может быть одновитковой и многовитковой. Сваи такой конструкции могут быть завинчены без пригружающей силы и при сравнительно малой величине крутящего момента, что является их несомненным достоинством. Однако при завинчивании известного винтового анкера необходимым условием является наличие направляющего устройства, что является недостатком конструкции. Устранение указанного недостатка является актуальной проблемой данной области техники.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели является винтовая свая [см. полезную модель РФ №57760, МПК E02D 5/56 (2006.01), опубл. 2006.10.27]. Свая состоит из полого цилиндрического ствола с коническим наконечником и винтовой лопастью, заходящей на конический наконечник в пределах 2/3-3/4 витка винтовой лопасти. Конический наконечник сваи, выбранной в качестве ближайшего аналога, снабжен дополнительной одновитковой винтовой лопастью с диаметром, меньшим диаметра основной винтовой лопасти. Дополнительная лопасть состоит, по крайней мере, из двух отдельных элементов. Полый цилиндрический ствол винтовой сваи снабжен цилиндрическим кольцом.
к
c
дл
с
дл
дл
Диаметр цилиндрического кольца D винтовой сваи может составлять (1,02-1,03) диаметра ствола D. Диаметр дополнительной винтовой лопасти d может быть равен (0,3-0,5) диаметра D цилиндрического ствола, а шаг дополнительной винтовой лопасти h может составлять (0,4-0,5) диаметра дополнительной винтовой лопасти d.
Однако описанное техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, имеет целый ряд недостатков.
Дополнительная одновитковая винтовая лопасть, выполненная в виде двух отдельных элементов существенно усложняет конструкцию сваи, технологию ее изготовления, а также увеличивает стоимость изделия. Наличие указанной дополнительной лопасти не оказывает существенного влияния на эффективность рыхления грунта, однако элементы лопасти увеличивают сопротивление грунта, а, следовательно, и величину крутящего момента, необходимого для завинчивания сваи.
Кроме того, необходимо отметить следующее. Для долговечности работы известной сваи (речь идет о ее устойчивости в отношении коррозии) свая должна иметь значительную толщину стенок, то есть большую металлоемкость и массу. Это приводит к тому, что для завинчивания такой сваи необходима специальная тяжелая техника (завинчивающие механизмы, например, гидрокабестаны, гидромоторы и др.), которые должны быть установлены на экскаваторы, краны-манипуляторы и другие тяжелые машины.
В свою очередь, металлоемкость конструкции порождает еще один недостаток, а именно - создает ограничения эксплуатационных возможностей сваи. Сваю не установить в таких местах, как склоны, болотистые грунты, и др., на которых невозможно использовать упомянутую выше тяжелую технику.
Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение материалоемкости сваи, упрощение ее конструкции и снижение трудоемкости, как при изготовлении сваи, так и при ее установке в грунт, а также уменьшение веса и стоимости изделия при одновременном повышении эффективности завинчивания сваи в грунт без дополнительной пригружающей силы.
Другими задачами, которые были поставлены при создании полезной модели, является расширение эксплуатационных возможностей сваи, а также повышение прочности ствола сваи на изгиб и увеличение срока службы сваи.
лоп
ст
лоп
ст
к
ст
в
ст
Для решения указанных задач предлагается винтовая свая, которая, как и наиболее близкая к ней винтовая свая, выбранная в качестве ближайшего аналога, включает полый цилиндрический ствол с коническим наконечником, винтовой лопастью, заходящей на конический наконечник, и отверстием для завинчивания сваи в грунт. Особенностью предлагаемой винтовой сваи, отличающей ее от известной винтовой сваи, является то, что винтовая лопасть выполнена с уменьшением диаметра в направлении к вершине конусной части. Максимальный диаметр винтовой лопасти D составляет (2,5-4) диаметра ствола D. Число витков винтовой лопасти n=(1-1,4) оборота, шаг лопасти D составляет (1-1,3) диаметра ствола D. Длина конического наконечника L=(1,2-1,6) диаметра ствола D; расстояние от вершины конического наконечника до винтовой лопасти L=(0,3-0,7) диаметра ствола D.
Ствол сваи может быть защищен антикоррозийным покрытием.
На антикоррозийное покрытие сваи может быть дополнительно нанесен слой полимерного покрытия.
Внутренняя полость ствола сваи может быть заполнена бетонным или цементно-песчаным раствором.
Во внутренней полости ствола сваи может быть смонтирован арматурный каркас.
Свая может быть оснащена арматурой, установленной в области отверстия для завинчивания сваи.
Технический результат, достигнутый в предлагаемой полезной модели, получен за счет следующего.
В отличие от ближайшего аналога, содержащего две лопасти, основную и дополнительную, состоящую из двух отдельных элементов, в предлагаемой полезной модели удалось отказаться от использования дополнительной лопасти, что существенно упростило конструкцию и снизило трудоемкость изготовления сваи. Предложенная свая имеет только одну лопасть, выполненную с уменьшением диаметра в направлении к вершине конусной части. Геометрические параметры винтовой лопасти и конического наконечника сваи, полученные в ходе многочисленных экспериментов, имеют оптимальные соотношения, которые обеспечивают возможность погружения сваи в грунт под воздействием только крутящего момента, без дополнительного пригружения. Кроме того, заявленные соотношения элементов сваи обеспечивают оптимальную величину крутящего момента, обеспечивающую возможность ручной установки в грунт свай небольших диаметров (до 114 мм).
Ниже приведен конкретный пример, в котором погружение сваи осуществляется бригадой из 4-х человек, снабженных рычагами длиной 2,5 м. При этом обеспечивается крутящий момент до 4 кН·м. Несущая способность завинченной с таким крутящим моментом винтовой сваи с диаметром ствола 108 мм и диаметром лопасти 300 мм составит от 4,5 до 8 тонн.
В результате, предлагаемая свая может быть установлена в грунт без применения тяжелой строительной техники, обеспечив, таким образом, выполнение одной из важнейших задач, поставленных при создании полезной модели, а именно: повышение эффективности завинчивания сваи в грунт без дополнительной пригружающей силы.
Существенное значение в предлагаемой конструкции сваи имеет число витков лопасти n=(1-1,4) оборота. Винтовая лопасть с числом витков более одного обеспечивает увеличение прочности сваи при приложении осевых нагрузок, а также увеличивает несущую способность. Такая лопасть может быть изготовлена из двух полулопастей (0,5-0,8) оборота каждая.
Дополнительный признак, касающийся защиты ствола сваи антикоррозийным покрытием (см. п.2 формулы полезной модели), обеспечивает защиту материала, из которого изготовлена свая, от коррозии. Эффективность защиты покрытия объясняется высокой адгезией эпоксидных эмалей к металлу, а также их нейтральной реакцией, как к кислым, так и к щелочным средам грунтов.
В предложенной полезной модели предлагается на ту часть ствола сваи, которая находится в области сезонного промерзания и оттаивания грунта (см. п.3 формулы полезной модели), наносить дополнительное полимерное покрытие, образующее защитную пленку. Пленка предохраняет эпоксидное покрытие, нанесенное на ствол сваи, от воздействия сезонных вертикальных перемещений грунтов. Указанный дополнительный признак в совокупности с признаком, изложенным в п.2 формулы полезной модели, способствует выполнению такой важной задачи, как увеличение срока службы сваи.
Заполнение внутренней полости ствола сваи бетонным или цементно-песчаным раствором (см. п.4 формулы полезной модели) повышает прочность ствола сваи на изгиб, также увеличивая срок службы сваи.
В заявляемой полезной модели (см. п.5 формулы) предусматривается установка в полость ствола сваи арматурного каркаса, который, препятствуя деформации ствола сваи, обеспечивает высокую жесткость сваи.
Кроме того, заявляемая винтовая свая может быть оснащена дополнительной арматурой (см. п.6 формулы), которая устанавливается в области отверстия для завинчивания сваи. Дополнительная арматура препятствует деформации технологического отверстия для завинчивания сваи в указанной области при создании усилия для завинчивания сваи. Этот признак также способствует достижению поставленных при разработке полезной модели задач. Оба рассмотренных признака (5 и 6 пункты формулы) является особенно важными для тонкостенных свай, с толщиной стенок (3,5-6) мм.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Ниже описан один из конкретных примеров реализации предлагаемой полезной модели.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - предлагаемая одновитковая винтовая свая (общий вид);
на фиг.2 - винтовая свая с антикоррозийным и полимерным покрытием, установленная в грунт;
на фиг.3 - винтовая свая с установленным в нее арматурным каркасом, заполненная бетонным раствором;
на фиг.4 - вид Б на фиг.3 (увеличено).
Винтовая свая (см. фиг.1) состоит из:
ст
- полого цилиндрического ствола 1, наружный диаметр D которого в данном конкретном примере равен 108 мм;
к
ст
ст
- конического наконечника 2, длина которого L равна 170 мм (находится в диапазоне (1,2-1,6)D), что составляет 1,57 наружного диаметра ствола сваи D;
лоп
ст
лоп
ст
в
- винтовой лопасти 3, максимальный диаметр которой D находится в интервале (2,5-4) диаметра ствола D, а в данном конкретном примере составляет 300 мм. Число витков лопасти равно 1,25; шаг лопасти - H составляет (1,0÷1,3) диаметра ствола D, например, 140 мм; расстояние от вершины конического наконечника до винтовой лопасти L равняется 50 мм. В верхней части сваи расположено отверстие 4, служащее для завинчивания сваи в грунт.
Для защиты сваи от коррозии (см. фиг.2) на ствол 1 сваи нанесено антикоррозийное покрытие 5, в качестве которого может быть, например, использована эпоксидная эмаль ЭП-439С, ТУ 2312-010-73357552-2004, производства «СК ПАЛЬМИРА», Санкт-Петербург, РФ. На ту часть ствола 1, которая находится в области сезонного промерзания и оттаивания грунта, наносится дополнительное полимерное покрытие 6, например, термоусаживаемая двухслойная лента (с клеевым слоем) ТЛ-450 или ТЛ-630, ТУ ТФ. 3235-01, производства ЗАО «ТЕРМОФИТ», Санкт-Петербург, РФ, образующее защитную пленку.
Для повышения прочности ствола сваи на изгиб и увеличения срока службы сваи ее полость заполняется бетонным или цементно-песчаным раствором 7, при этом в полость ствола 1 сваи может быть предварительно установлен арматурный каркас 8 (см. фиг.3), который, препятствуя деформации ствола, придает свае дополнительную жесткость.
Кроме того, заявляемая винтовая свая может быть оснащена дополнительной арматурой 9 (см. фиг.4), которая устанавливается в области отверстия 4 для завинчивания сваи. Дополнительная арматура препятствует деформации ствола сваи в указанной области. Ниже, в таблице приведены еще несколько конкретных примеров реализации заявляемой полезной модели для винтовой сваи с диаметром ствола равным 108 мм.
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Максимальный диаметр лопасти D<sub>лоп</sub>, мм
400
350
300
Шаг лопасти H<sub>лоп</sub>, мм
140
140
130
Длина конического наконечника L<sub>к</sub>, мм
170
160
160
Расстояние от вершины конуса до лопасти L<sub>в</sub>, мм
40
40
50
Число витков
1,25
1,25
1
При выходе за пределы интервалов геометрических параметров, включенных в формулу заявляемой полезной модели, в сторону увеличения, эффективность завинчивания сваи в грунт падает и для ее завинчивания потребуется дополнительная пригружающая сила, либо больший крутящий момент из-за большего сопротивления грунта. В случае отклонения заявленных интервалов в меньшую сторону, скорость погружения сваи уменьшается, а время завинчивания увеличивается, что также оказывает негативное влияние на эффективность процесса погружения сваи в грунт. Кроме того, при малом шаге лопасти свая будет рыхлить грунт, что уменьшит ее несущую способность. Если сделать лопасть меньше 1 витка, уменьшится прочность и несущая способность сваи. Уменьшение конусной части увеличит лобовое сопротивление и потребует дополнительной пригружающей силы.
Перед установкой сваи в вертикальное положение в том месте, где необходимо завинтить сваю, лопатой роется приямок, то есть небольшое углубление конической формы, предназначенное для того, чтобы режущая кромка лопасти сразу же вошла в контакт с грунтом. Затем винтовая свая устанавливается в приямок в вертикальное положение и начинает вращаться, при этом нижняя часть лопасти, расположенная на конической части сваи и далее вся лопасть, входит в грунт и преобразует вращательное усилие в поступательное, обеспечивая продвижение и заделку сваи в грунт без вертикальной пригружающей силы. Далее ствол сваи заходит в скважину, образованную конической частью сваи с лопастью.
Таким образом, предлагаемая винтовая свая имеет более простую (без дополнительных режущих элементов) конструкцию; уменьшенную, по сравнению с прототипом, материалоемкость и трудоемкость при изготовлении и установке сваи в грунт; обладает повышенной прочностью ствола на изгиб и длительным сроком службы. Кроме того, свая эффективно завинчивается в грунт без пригружающей силы, при этом сваи небольших диаметров (до 112 мм) могут быть завинчены в грунт вручную.