ВИНТОВАЯ СВАЯ
SCREW PILE

Изобретение относится к строительству, в частности к сооружению свайных фундаментов, и может быть использовано 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 и т.п.
Известна винтовая свая, которая содержит ствол с полым наконечником, поверхность 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 - невозможность использования на плотных грунтах, поскольку сильно развитая по площади винтовая лопасть не позволит «вкрутить» сваю в грунт, кроме того, внутренняя полость сваи открыта в окружающую среду, что способно привести к интенсивной коррозии внутреннего пространства или потребует нанесения защитного покрытия на внутреннюю полость трубы.
Известна также винтовая свая, включающая ствол с наконечником на одном конце и функциональным оголовком, жестко закрепленным на другом ее конце, содержащий спиральные участки (см. RU №109161, E02D 5/56, 2010 г.). При этом цилиндрический ствол сваи выполнен длиной от 1500 до 3000 мм, спиральными участками снабжен только наконечник сваи, который выполнен длиной от 500 до 1000 мм, а сама спираль выполнена с шагом витков 35-40 мм и шириной лопасти спирали 10 мм.
Недостаток этого решения - повышенные трудоемкость и энергоемкость изготовления сваи за счет большого количества технологических операций (операция формирования конуса сваи, изготовление спиральной ленты и ее приваривание к поверхности наконечника) и расхода энергии на нагрев трубной заготовки для последующего формирования конического участка (наконечника) сваи и приваривания спирали, кроме того, материалоемкость сваи велика вследствие достаточно большой площади ее поперечного сечения, кроме того, риск коррозии сварных швов на контакте спирали со стволом сваи снижает ее надежность при продолжительном периоде использования, кроме того, недостаточна несущая способность сваи в слабых, например болотистых грунтах, поскольку слабо развитая по площади спиральная поверхность (расположенная только на наконечнике) не позволит обеспечить достаточное сцепление с вмещающим массивом, составленным слабыми грунтами.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, выражается в снижении материалоемкости сваи, снижении трудоемкости и энергоемкости ее изготовления, а также повышении надежности ее работы.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в снижении материалоемкости сваи (суммарная площадь поперечного сечения снижена по сравнению с трубчатым стволом); снижении трудоемкости и энергоемкости ее изготовления (исключены операции формирования конуса сваи, изготовления спиральной ленты и ее приваривания к поверхности наконечника, кроме того, исключен расход энергии на нагрев трубной заготовки для последующего формирования наконечника сваи и приваривания к нему спирали), обеспечена надежная фиксация сваи при широком диапазоне изменения несущей способности грунта за счет большей площади спиральной поверхности сваи, расположенной по всей длине ее ствола (собственно, составляющей его). При этом спиральное деформирование полосы (не обладающей в недеформированном виде изгибной жесткостью) придает «спиральному стержню», изготовленному из нее, достаточную изгибную жесткость, позволяющую устанавливать сваю забивкой, а не только вращением.
Для решения поставленной задачи винтовая свая, включающая ствол с наконечником на одном конце и функциональным оголовком, жестко закрепленным на другом ее конце, содержащий спиральные участки, отличается тем, что ствол сваи выполнен из металлической полосы, деформированной по всей длине в виде цельной спирали с шагом от 40 до 400 мм, при этом противоположный конец сваи жестко скреплен с функциональным оголовком, выполненным с возможностью закрепления на нем элементов конструкций и восприятия ударных нагрузок и/или передачи вращающих усилий, причем наконечник сваи выполнен в виде заострения на ее конце. Кроме того, ширина металлической полосы составляет от 50 до 200 мм, толщина от 3 до 25 мм. Кроме того, длина ствола сваи составляет от 200 до 4500 мм. Кроме того, заострение на конце сваи составляет 45-60° и имеет скошенные грани под углом 45°. Кроме того, функциональный оголовок сваи выполнен в виде жестко скрепленного с ней, например, сваркой отрезка трубы квадратного, или прямоугольного, или круглого сечения, в стенке которого выполнено как минимум одно сквозное отверстие, снабженное резьбой, с возможностью размещения в нем стопорного болта. Кроме того, функциональный оголовок сваи выполнен в виде жестко скрепленного с ней фланца, снабженного крепежными отверстиями. Кроме того, погружаемая в грунт часть ствола сваи выполнена с гранями, скошенными под углом от 20 до 80° к оси ствола сваи. Кроме того, в стенках оголовка сваи и через ее верхний конец выполнены соосные сквозные отверстия.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки «ствол сваи выполнен из металлической полосы, деформированной по всей длине в виде цельной спирали» обеспечивают возможность снижения материалоемкости сваи (суммарная площадь поперечного сечения снижена по сравнению с трубчатым стволом); обеспечивают возможность снижения трудоемкости и энергоемкости ее изготовления (исключены операции изготовления спиральной ленты и ее приваривания к поверхности наконечника и сваи, кроме того, исключен расход энергии на нагрев трубной заготовки для последующего формирования наконечника сваи и приваривания к нему спирали), кроме того, обеспечена надежная фиксация сваи при широком диапазоне изменения несущей способности грунта за счет большей площади спиральной поверхности сваи, расположенной по всей длине ее ствола (собственно, составляющей его), при этом спиральное деформирование полосы (не обладающей в недеформированном виде изгибной жесткостью) придает «спиральному стержню», изготовленному из нее, достаточную изгибную жесткость, позволяющую устанавливать сваю забивкой, а не только вращением.
Признаки, указывающие, что спираль изготовлена с «шагом от 40 до 400 мм», обеспечивают возможность оптимизации параметров спирального деформирования полосы, в зависимости от требуемой длины сваи и параметров полосы, используемой для ее изготовления.
Признаки, указывающие, что «конец сваи жестко скреплен с функциональным оголовком», обеспечивают возможность погружения сваи ударным воздействием по оголовку.
Признаки, указывающие, что функциональный оголовок выполнен «с возможностью закрепления на нем элементов конструкций и восприятия ударных нагрузок и/или передачи вращающих усилий», обеспечивают использование сваи как опорного элемента какой-либо конструкции и ее погружение в грунт тем или иным способом.
Признаки, указывающие, что «наконечник сваи выполнен в виде заострения на ее конце», упрощают конструкцию сваи и обеспечивают снижение усилий необходимых для ее погружения.
Изобретение позволяет варьировать в широком диапазоне характеристики сваи в зависимости от условий ее применения; повысить «режущие» характеристики наконечника сваи и снизить сопротивление его внедрению при наличии твердых включений в грунте; использовать сваю для фиксации столбчатых элементов (столбов ограды, опор знаков, стендов и т.п.); использовать сваю как опорный элемент для ригелей, балок, каркасов различных сооружений; повысить «режущие» характеристики боковых кромок сваи и снизить сопротивление ее внедрению при наличии твердых включений в грунте; погружать сваю закручиванием при снижении нагрузок на швы, соединяющие оголовок и ствол сваи.
Заявленная свая иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид винтовой сваи с оголовком в виде фланца; на фиг. 2 представлен продольный разрез винтовой сваи с трубчатым оголовком; на фиг. 3 показаны различные варианты выполнения оголовков винтовой сваи.
На чертежах показаны ствол 1 с наконечником 2, функциональный оголовок 3, отрезок трубы 4, его стенка 5, сквозное отверстие 6, стопорный болт 7, фланец 8, его крепежные отверстия 9, грани 10 сваи, ось 11 ствола 1, второе сквозное отверстие 12, скошенные грани 13 наконечника 2, элементы 14 внешней конструкции (опорные стойки, или балки, или ригели), сквозное отверстие 15 верхнего конца ствола 1, цилиндрический стакан 16.
Ствол 1 винтовой сваи выполнен из металлической полосы, деформированной по всей длине в виде цельной спирали с шагом от 40 до 400 мм, при этом ширина полосы от 50 до 200 мм, толщина от 3 до 25 мм по всей длине ствола, с сохранением постоянными значений этих параметров по всей длине ствола. Кроме того, погружаемая в грунт часть ствола 1 сваи выполнена с гранями 10, скошенными под углом от 20 до 80° к оси 11 ствола сваи. Длина ствола 1 может варьировать от 200 до 4500 мм.
Наконечник 2 сваи выполнен в виде заострения на ее погружаемом конце под углом 45-60° и имеет скошенные грани 13 под углом 45°, что снижает трудоемкость погружения сваи в грунт.
Функциональный оголовок 3 сваи выполнен в виде жестко скрепленного с ней отрезка трубы 4 (квадратного, или прямоугольного, или круглого сечения), в стенке 5 которого выполнено как минимум одно сквозное отверстие 6 (желательно не менее трех), снабженное резьбой, с возможностью размещения в нем стопорного болта 7. Кроме того, ниже ряда сквозных отверстий 6 в стенке оголовка выполнено как минимум одно, а лучше два диаметрально противоположных вторых сквозных отверстий 12, соосных с отверстием 15, выполненным на верхнем конце ствола 1.
Этот вариант выполнения функционального оголовка 3 обеспечивает крепление опорных стоек 14, конструкций, опираемых на сваи, при этом вставляемая в полость оголовка 3 деталь, например труба-опора дорожного знака, скрепляется со сваей с помощью стопорных болтов 7, вкручиваемых в отверстия 6 до упирания в поверхность этой трубы.
Возможен вариант, когда функциональный оголовок 3 сваи выполнен в виде жестко скрепленного с ней фланца 8 (круглой, квадратной или шестиугольной пластины), снабженного крепежными отверстиями 9, предназначенного для опирания на него ригеля или другой конструкции (на чертежах не показаны). В этом случае элементы 4-7 не используются. Фланец 8 выполняют из листовой стали толщиной от 8 до 12 мм и снабжают крепежными отверстиями 9 для болтов или шпилек (диаметром от 10 до 15 мм), размещенными на одинаковых расстояниях друг от друга и центра фланца, а также снабжают снизу цилиндрическим стаканом 16, диаметр которого близок к диаметру ствола сваи. 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 предложенные конструкции винтовых свай обеспечивают 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.
Выполнение ствола 1 сваи из металлической полосы, деформированной по всей длине в виде цельной спирали с шагом от 40 до 400 мм, при этом ширина полосы от 50 до 200 мм, толщина от 3 до 25 мм, длиной от 200 до 4500 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, плотно прилегая к ней, увеличивая надежность фундамента, особенно для сложных грунтов.
Малая площадь соприкосновения с грунтом переднего конца сваи (наконечника 2, заостренного под углом 45-60° и имеющего скошенные грани 13 под углом 45°) упрощает ее погружение в грунт, а наличие спирали с развитой площадью опоры с предложенными геометрическими размерами не создает критического давления даже на мягкие торфяные и песчаные грунты и не позволяет опираемой конструкции проседать или выдавливаться вверх, даже при глубоком промерзании грунта.
Заявляемая винтовая свая устанавливается строго вертикально. Далее, удерживая ее в этом положении, наносят удары по верхнему торцу сваи (непосредственно по свободной поверхности ее оголовка). За счет спиральности ствола сваи ударная нагрузка преобразуется во вращательную. При этом за счет малого сечения сваи и заостренности кромок спирали обеспечивается ввинчивание сваи в грунт без особого разрушения последнего, что способствует более высокому значению сопротивления сваи выдергиванию по сравнению с известными сваями с цилиндрическим стволом (при одинаковых внешних диаметрах свай). В процессе установки используют ручной инструмент (если длина и сечение свай сравнительно невелики и грунт не является сильно плотным). Если же длина свай превышает 2 м, а диаметр сечения больше 100-120 мм, то при этом используют специальные подручные средства или машины. Время установки занимает всего несколько минут. При этом площадь соприкосновения формируемого винтового свайного фундамента с грунтом по сравнению с обычными фундаментами велика, благодаря чему такой фундамент значительно лучше удерживается в грунте.
Если предполагается погружение сваи вращением, то через вторые сквозные отверстия 12 и отверстие 15 ствола 1 пропускают металлический прут, например лом, монтировку и т.п., (на чертежах не показан) и после нескольких ударов по оголовку вращают сваю в сторону, обеспечивающую ее завинчивание, что обеспечивает ее погружение в грунт. При упоре наконечника сваи в твердое включение последнее разбивают ударом по оголовку сваи, после чего продолжают ее завинчивание.
После ввода сваи в грунт в полость оголовка вводят фиксируемый элемент 14 внешней конструкции, например трубу-опору дорожного знака или рекламного щита, и скрепляют его с оголовком сваи с помощью стопорных болтов 7, вкручиваемых в отверстия 6 до упирания в поверхность фиксируемого элемента.
При выполнении оголовка в виде фланца последний надевают своим стаканом 16 на верхний конец ствола 1, после чего фиксируют оголовок сваркой или пропускают через отверстия 15 ствола 1 и вторые сквозные отверстия 12 оголовка (в данном случае - стакана 16) болт и закрепляют его гайкой (на чертежах не показаны). Затем опорную стойку 14 внешней конструкции, например ригель, балку или стойку, опирают на фланец и скрепляют с ним известным образом, используя его крепежные отверстия и крепежные отверстия самого фиксируемого элемента 14 (на чертежах не показаны).