ВИНТОВАЯ СВАЯ (ВАРИАНТЫ)

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, оснований солнечных батарей и ветрогенераторов.
Известна винтовая свая, которая содержит ствол с полым наконечником, на поверхности которого расположена винтовая лопасть, 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.(Патент РФ №71668, МПК E02D 5/56, опубл. 20.03.2008 г.)
Известно устройство для крепления объекта в земле.. Устройство выполнено полым, содержит цилиндрическую часть, в которой устанавливается объект (стержень, столб, мачта), анкерную часть для крепления в земле. Анкерная часть формируется за одно целое с цилиндрической частью, выполнена конусообразной, имеет, по меньшей мере, две конические части с различными углами конусности. Конусная часть анкера снабжена спиралью. Вверху цилиндрической части выполнено отверстие для установки крепежного элемента. (Патент Германии №9313258, МПК Е04Н 12/22, опубл. 24.03.1994).
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является винтовая свая, включающая цилиндрический ствол 76 мм и наконечник со спиралью. Известен также вариант выполнения винтовой сваи, включающей цилиндрический ствол сваи, выполненный ступенчатым, состоящим из, по меньшей мере, двух участков, выполненных с уменьшающимися к наконечнику диаметрами. Известен также вариант выполнения винтовой сваи, снабженной фланцем толщиной 8 или 10 мм с отверстиями 12 мм. (Винтовые опоры, http://glavzabor.ru/category3.php)
Недостатком известных конструкций является узкий спектр применения, т.е в сваю может только погружаться объект. А также для погружения сваи можно применить только один тип крепежного элемента.
Технической задачей, на решение которой направленная заявляемая полезная модель является повышение надежности свайного фундамента, уменьшение трудоемкости погружения винтовой сваи в грунт за счет снижения усилий, необходимых для внедрения сваи в грунт.
Поставленная техническая задача решается тем, что в винтовой свае по первому варианту выполнения, включающей цилиндрический ствол, наконечник со спиралью, цилиндрический ствол сваи выполнен длиной от 1500 мм до 3000 мм, наконечник со спиралью выполнен длиной от 500 до 1000 мм.
Винтовая свая по первому варианту выполнения характеризуется следующими дополнительными существенными признаками
- спираль выполнена с шагом спирали 35-40 мм и шириной лопасти спирали 10 мм;
- толщина конца конуса наконечника составляет 25-30 мм.
Поставленная техническая задача решается также тем, что в винтовой свае по второму варианту выполнения, включающей цилиндрический ствол, выполненный ступенчатым с длиной от 1500 мм до 3000 мм, наконечник со спиралью, цилиндрический ствол состоит из, по меньшей мере, двух участков, выполненных с уменьшающимися к наконечнику диаметрами от 140 мм до 70 мм, наконечник со спиралью выполнен длиной от 500 до 1000 мм.
Винтовая свая по второму варианту выполнения характеризуется следующими дополнительными существенными признаками
- спираль выполнена с шагом спирали 35-40 мм и шириной лопасти спирали 10 мм;
- толщина конца конуса наконечника составляет 25-30 мм.
Поставленная техническая задача решается также тем, что в винтовой свае по третьему варианту выполнения, включающей цилиндрический ствол с фланцем, наконечник со спиралью, фланец выполнен в виде кольца с отверстиями или диска с диаметрально расположенными отверстиями и центральным отверстием.
Винтовая свая по третьему варианту выполнения характеризуется следующим дополнительными существенными признаками:
- фланец выполнен толщиной от 8 мм до 10 мм, отверстия выполнены диаметром от 10 мм до 15 мм.
- цилиндрический ствол сваи выполнен с длиной от 1500 мм до 3000 мм, состоит из, по меньшей мере, двух участков, выполненных с уменьшающимися к наконечнику диаметрами от 140 мм до 70 мм.
- наконечник со спиралью выполнен длиной от 500 до 1000 мм с шагом спирали 35-40 мм и шириной лопасти спирали 10 мм.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупностью существенных признаков, является повышение надежности свайного фундамента, уменьшение трудоемкости ее погружения в грунт, которые обеспечиваются заявляемым конструктивным выполнением винтовой сваи с оптимальным выбором геометрических размеров ее конструктивных элементов.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется рисунком, где
на фиг 1 представлен пример выполнения винтовой сваи по первому и второму вариантам выполнения.
на фиг.2 представлен внешний вид винтовой сваи с цилиндрическим стволом со ступенчатым диаметром (а) и вариантами выполнения фланца: (б) - в виде кольца, (в) - в виде диска.
Винтовая свая (фиг.1, 2) включает цилиндрический ствол 1, наконечник 2 со спиралью 3, которые выполняются полыми.
Цилиндрический ствол 1 винтовой сваи по первому и второму варианту выполнения выполнен по всей длине с постоянным значением диаметра и длиной от 1500 мм до 3000 мм. Свая (второй вариант выполнения) может быть выполнена с постоянным значением диаметра по всей длине равным 76 мм, что позволяет надежно устанавливать дорожные знаки, указатели, рекламные конструкции. Наконечник 2 выполнен длиной от 500 до 1000 мм. Длина наконечника выбирается в зависимости от укрепляемой конструкции в соответствии с требованиями надежности крепления в эксплуатации. Толщина конца конуса 4 наконечника 2 составляет 25-30 мм, что снижает трудоемкость ее погружения в грунт
Спираль 3 выполнена с шагом спирали 35-40 мм и шириной лопасти спирали 10 мм.
Цилиндрический ствол 1 винтовой сваи по третьему вариант выполнения (фиг.2) выполнен ступенчатым с длиной от 1500 мм до 3000 мм. Цилиндрический ствол 1 состоит из, по меньшей мере, двух участков 5 и 6, выполненных с уменьшающимися к наконечнику диаметрами от 140 мм до 75 мм. Предложенное выполнение обеспечивает возможность использовать для изготовления свайного фундамента труб с диаметром от 70 мм до 140 мм, предпочтительны трубы диаметром 76, 114, 140 мм, что позволяет устанавливать на нем от дорожных знаков и указателей, рекламных конструкций до бань, теплиц и малоэтажных домов. По меньшей мере, часть цилиндрического ствола дополнительно снабжена спиралью 11.
Наконечник 2 выполнен длиной от 500 до 1000 мм. Наконечник 2 предпочтительно выполняют с толщиной конца 4 конуса 25-30 мм, что снижает трудоемкость ее погружения в грунт
Спираль 3 выполняют с шагом спирали 35-40 мм и шириной лопасти спирали 10 мм.
Для крепления опор в винтовой свае используются известные средства крепления. Например, к свае привариваются гайки 7 (фиг.1) для крепления болтов. И опора, например труба, при установке в сваю крепится в ней с помощью болтов.
Свая снабжена фланцем 8 (фиг.2) толщиной от 8 мм до 10 мм с отверстиями 9 для болтов или шпилек. Отверстия 9 выполнены диаметром от 10 мм до 15 мм. Фланец может быть выполнен в виде кольца с диаметрально расположенными отверстиями (фиг.2б) или в виде диска с диаметрально расположенными отверстиями и центральным отверстием 10 (фиг.2в). Диаметр центрального отверстия 10 предпочтительно выбрать 24 мм под болт с резьбой 24 мм. На фиг.2б и 2в приведен пример выполнения фланцев с шестью диаметрально расположенными отверстиями 9. Предпочтительно выполнение фланца диметром 220 мм с расстоянием между центрами диаметрально расположенных отверстий 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 и экспериментальных работ 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.
В качестве примера приведена таблица 1 с физико-механическими свойствами заявляемых винтовых свай. В таблице 1 приведены статические нагрузки с коэффициентами безопасности согласно DIN 1054 и DIN 18800.
Таблица 1.
Типоразмер ВФ
Размер
M<sub>Rd</sub> (МЕТАЛЛ)
M<sub>Rd</sub> (ПОЧВА)
F<sub>Rd,c</sub> (ВНИЗ)
F<sub>Rd,t</sub> (ВВЕРХ)
F<sub>Rd,h</sub> (БОКОВАЯ)
(mm)
(kNm)
(kNm)
(kN)
(kN)
(kN)
М24 76×1600
76,1×4,0
3,386
4,398
35.0
21,5
8,50
М24 76×2000
76,1×4,0
3,386
5,951
45,0
32,5
11,5
М24 76×2500
76,1×4,0
3,386
7,503
55,0
42,5
14,5
М24 76×3000
76,1×4,0
3,386
9,055
65,0
52,5
17,5
М24 90×1600
88,9×2,6
4,729
5,962
41,00
24,50
11,00
М24 90×2000
88,9×2,6
4,729
7,245
55,00
35,00
14,00
М24 114×1600
114,3×3,6
8,058
6,986
47,50
27,50
13,50
М24 114×2000
114,3×3,6
8,058
8,797
66,00
37,50
17,00
М24 114×3500
114,3×3,6
8,058
15,40
115,50
65,62
29,75
140×1400L
139,7×3,6
11,140
6,985
45,00
25,00
13,50
140×1600L
139,7×3,6
11,140
8,020
54,00
30,00
15,50
140×l800L
139,7×3,6
11,140
9,055
63,00
35,00
17,50
140x2000L
139,7×3,6
11,140
10,090
72,50
40,00
19,50
Условные обозначения к таблице 1:
Rohrqu - внешний диаметр винтовой сваи×толщина стенки;
MRd (МЕТАЛЛ) - изгибающий момент силы, необходимый для деформации стального корпуса винтовой сваи;
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 (TL и ТМ) почв и были получены при статических полевых испытаниях с применением уменьшающих коэффициентов 1,85 и 2. Для перевода из килоньютона (kN) в тонна-силу (тс) применяется уменьшающий коэффициент 9,80665 (или 10).
В качестве доказательства надежности заявляемой винтовой сваи в Приложении 1 представлены результаты исследовательских испытаний винтовых свай на выдергивание в натуральных (полевых) условиях, которые проводились совместно с Алт ГТУ (кафедра фундаментостроения) г.Баранаул.
Легкие конструкции, в частности ограждений, рекламных щитов, дорожных знаков, указателей, террасы, теплицы в зависимости от характеристики почвы устанавливают с погружением свай на глубину от 500 до 1300 мм, для этого целесообразно использовать винтовые сваи с длиной от 1500 до 2000 мм, диаметром от 76 до 90 мм и наконечником со спиралью не менее 500 мм. В частности, могут быть использованы сваи размером 76×1500 мм, 76×1600 мм, 76×1800, 76×2000 мм, 90×1500, 90×1600. Для фундаментов при строительстве малоэтажных домов, террас, теплиц, ангаров на сложных почвах целесообразно использовать сваи размером 90×1500 мм, 90×1600 мм, 90×2000 мм, 114×1500 мм, 114×1600 мм, 114×2000 мм, 140×1500 мм, 140×1600 мм, 140×1800 мм, 140×2000 мм, 220×2700 мм, 220×3000 мм.
Выполнение снабженного спиралью наконечника сваи длиной от 500 до 1000 мм с шагом спирали 35-40 мм и шириной лопасти спирали 10 мм является оптимальным для обеспечения высокой несущей способности винтового фундамента, 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.
Маленькая площадь соприкосновения с грунтом (толщина конца конуса наконечника составляет 25-30 мм) 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.
Заявляемая винтовая свая устанавливается строго вертикально при помощи специальных подручных средств или машин. 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.
Фундамент на основе таких винтовых свай не создает критического давления на мягкие и не устойчивые грунты, поэтому его установка 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.