Винтовая свая телескопического типа и способ ее устройства
EXTENDABLE SCREW PILE AND METHOD FOR ITS ARRANGEMENT

Изобретение относится к строительству, в частности, к способам возведения свайных оснований и фундаментов в слабых грунтах, и может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве, как при строительстве новых зданий и сооружений, так и при реконструкции существующих; в случаях, когда необходимо создание дополнительных узлов восприятия нагрузки, располагаемых внутри помещений, не позволяющих использование габаритного оборудования (техники) при производстве строительно-монтажных работ, а также при недостаточности высоты помещений для погружения свай необходимой длины.
Известные способы погружения винтовых свай, в ряде случаев, не обеспечивают достижение острием сваи проектных отметок, требуемых по характеристике грунтов, без применения громоздкой оснастки и оборудования, для создания крутящего момента, необходимого для преодоления силы трения грунта при завинчивании, или выполнения лидирующего бурения для предварительного погружения сваи в подготовленную скважину для последующего довинчивания.
Применение известного способа лидирующего бурения скважин имеет существенные недостатки. В этом случае, при выполнении работ нарушается структура грунта в верхней части сваи, в ряде случаев, во избежание заполнения скважины осыпающимся грунтом необходимо проводить укрепление стенок ствола. Кроме того, из-за превышения диаметра скважины над диаметром сваи, не происходит уплотнения грунта от бокового расширения при погружении сваи завинчиванием, что приводит к снижению несущей способности сваи.
Известен ряд патентных документов в данной области.
Так, известен патент РФ на полезную модель №187577 (МПК E02D 5/52, E02D 5/56, опубл. 12.03.2019) «Винтовая телескопическая свая из стекло пластиковых труб с опорным наголовником», состоящий из нижней и верхней частей, ствол нижней части имеет винтовые лопасти, а гладкий ствол верхней части размещен свободно внутри ствола нижней части; в стволах обеих частей устроены сквозные отверстия одинакового диаметра; объединение обеих частей в жесткую конструкцию выполнено штырем, который вставлен в совмещенное отверстие в стволах обеих частей сваи; оголовок верхней части сваи шарнирно соединен штырем с опорным наголовником, который болтами может крепиться к нижнему поясу режущего наклонного ребра ледореза. Расположение небольших участков сваи из стекловолокна «труба в трубе» использовано только для соединения 2-х частей свай между собой или с опорным оголовком, имеет недостатки, и не может идти в сравнение с предлагаемым техническим решением.
Известен патент РФ на полезную модель №129516 (МПК E01D 19/02, опубл. 27.06.2013). Столбчатая опора моста содержит полую стойку без дна, погруженную частично в грунт, и ригель, опирающийся на эту стойку и жестко с ней соединенный, дополнительную полую стойку с дном, расположенную коаксиально внутри полой стойки и жестко присоединенную к ригелю, при этом пространство между полыми стойками заполнено утрамбованным грунтом, а внешние поверхности полых стоек в пределах их расположения в грунте выполнены рифлеными.
Известен патент РФ на полезную модель №165656 (МПК E02D 3/12, опубл. 27.10.2016). Инъектор для закрепления грунта включает полый корпус с выпускными отверстиями, охватывающие корпус непрерывные винтовые лопасти и буровой наконечник, корпус выполнен в виде двухстороннего усеченного конуса, состыкованного большими основаниями, при этом лопасть в верхней части корпуса имеет обратное направление навивки относительно нижней части.
Известен патент РФ на полезную модель №191858 (МПК E01D 19/04, опубл. 26.08.2019). Телескопическая буроопускная трубчатая стойка с опорным наголовником для ПАРМ состоит по высоте из двух трубчатых стволов, ствол нижней части имеет больший диаметр, заканчивается опорным круглым диском и расположен в скважине; верхняя часть стойки - вставка - свободно размещена в стволе нижней части; в стволах обеих частей устроены сквозные отверстия одинакового диаметра под несущий штырь, которые во вставке расположены с одинаковым шагом по всей длине ствола, а в нижней части устроено несколько отверстий только в оголовке, при этом вертикальные оси отверстий расположены по окружности ствола через равные углы, а горизонтальные оси расположены на одинаковых расстояниях друг от друга по длине оголовка ствола; на оголовок вставки свободно установлен опорный наголовник, состоящий из юбки, изготовленной из отрезка трубы, и приваренного к ней опорного квадратного листа с отверстиями для болтового соединения с балкой ригеля; рабочее положение опорного листа наголовника на вставке фиксируется двумя зажимными болтами, устроенными на боковой поверхности юбки наголовника; при этом обе части стойки, наголовник и несущий штырь изготовлены из стеклопластика.
Известен патент РФ на полезную модель №191864 (МПК E02D 5/52, E01D 19/14, опубл. 26.08.2019). Головная телескопическая винтовая свая из стеклопластиковых труб для кустового инвентарного ледореза состоит по высоте из двух - нижней и верхней - частей, гладкий ствол нижней части имеет винтовые лопасти, а ствол верхней части, внутренний диаметр которого несколько больше наружного диаметра нижней части, свободно насажен на ствол нижней части сваи; на наружной поверхности ствола верхней части жестко закреплены вертикальные уголки для прикрепления к свае щитов боковой обшивки ледореза и режущий уголок; в стволах обеих частей сваи устроены сквозные отверстия одинакового диаметра для размещения в них несущего штыря, который вставляют в совпавшие отверстия обеих частей для объединения их в жесткую конструкцию сваи необходимой длины.
Известен патент РФ на изобретение №2685519 (МПК E02D 5/56, опубл. 19.04.2019). Винтовая свая включает цилиндрический ствол и винтовую лопасть, соединенную с нижним концом ствола, содержит полый цилиндрический элемент, открытый по торцам, обладающий внутренней и внешней боковыми поверхностями, расположенный коаксиально стволу и соединенный с ним через ребра жесткости, соединяющие внутреннюю поверхность цилиндрического элемента и внешнюю поверхность ствола, при этом нижний торец цилиндрического элемента расположен в промежутке между винтовой лопастью и предполагаемым уровнем погружения сваи в грунт, а верхний торец цилиндрического элемента расположен в промежутке от предполагаемого уровня погружения сваи в грунт до верхнего конца ствола, при этом нижние концы ребер жесткости снабжены площадками, расположенными в плоскости, перпендикулярной продольной оси ствола, и находятся не ниже предполагаемого уровня погружения сваи в грунт.
Известна заявка US 2014/0301791 (МПК E02D 5/56, опубл. 09.10.2014). Телескопические фундаментные винтовые сваи с непрерывно сужающимся корпусом сваи, что обеспечивает более высокую скорость укладки свай. Обладает низкими накладными расходами очистки, низкой стоимостью и простотой использования при повышении грузоподъемности.
Известны способы и устройства винтовых свай с наращиванием длины сваи помещением участка одной сваи в другую:
Так, известен патент GB 2397327 (МПК E02D 5/56, опубл. 21.07.2004), являющийся наиболее близким к предлагаемому техническому решению, соответственно, принятый за прототип. Размещение небольшого участка одной сваи внутри другой служит только для стыковки двух частей сваи посредством болтовых соединений, превращая сваю в обычную удлиненную, заворачиваемую с поверхности сваю, что не дает эффекта по уменьшению сопротивления трения при погружении, а соответственно, и достижению глубины погружения и несущей способности без применения дополнительных операций, по сравнению с предлагаемым техническим решением. По существу, наращиваемая по данному методу свая имеет те же недостатки, что и типовая винтовая свая увеличенной длины, а в дополнение имеет такой недостаток, как возможность «замусоривания» полостей сваи грунтом, через не защищенный зазор, в верхней части узла стыковки частей сваи.
Для достижения проектных отметок и требуемого отказа сваи, не обеспечиваемых известными решениями, необходимо проведение дополнительных технологических операций по бурению, предохранению от осыпания и водонаполнения скважины, наращиванию сваи по длине, довинчивания и т.д.
Технической проблемой в рассматриваемой области является то, что известные конструкции не обеспечивают необходимую глубину погружения винтовых свай, а также требуемую прочность и несущую способность на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок. Благодаря предлагаемому техническому решению, достигается увеличение глубины погружения винтовых свай с формированием сплошного армированного сечения сваи по всей длине с увеличением ее прочности и несущей способности на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок, а также повышение технологичности при выполнении работ с применением малогабаритного оборудования без извлечения грунта.
Преимуществом предлагаемого решения, по сравнению с известными техническими решениями, является следующее:
- обеспечение возможности погружения сваи без извлечения грунта, с его уплотнением по всей длине соприкосновения с поверхностью сваи, без применения габаритной оснастки и оборудования для довинчивания или бурения лидирующей скважины;
- расширение технологических возможностей применения винтовых свай в сложных геологических условиях, посредством увеличения несущей способности, за счет удлинения сваи без увеличения материалоемкости и необходимости выполнения дополнительных технологических операций при погружении;
- кратное снижение крутящего момента при завинчивании, за счет меньшей, одновременно соприкасающейся с грунтом поверхности сваи, сокращение эксплуатационных и энергетических затрат при выполнении строительно-монтажных работ;
- обеспечение возможности использования более легкого (в том числе ручного) инструмента и оборудования, что имеет огромное значение при работе в стесненных условиях, при отсутствии возможности выполнения сваебойных работ, вибропогружения и устройства буронабивных свай и других видов с применением габаритной техники;
- обеспечение возможности выполнения работ по усилению фундаментов внутри помещений существующих зданий и сооружений, с небольшой высотой, в подвалах, цокольных этажах, лестничных клетках и т.д.;
- обеспечение уменьшения расхода металла в 2-2.5 раза при применении стеклопластика, взамен металла для сваи-оболочки, а в варианте с металлической сваей-оболочкой не приводит к увеличению потребности в металлопрокате на 1 м длины сваи, за счет использования штанги повторного применения при погружении выдвижной части сваи.
Технический результат заключается в улучшении технических характеристик, а именно, в увеличении глубины погружения винтовых свай с формированием сплошного армированного сечения сваи по всей длине с увеличением ее прочности и несущей способности на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок, а также в повышении технологичности при выполнении работ, поскольку становится возможным применение малогабаритного оборудования без извлечения грунта.
Достигается технический результат тем, что винтовая свая телескопического типа включает выдвижную часть с заостренным наконечником, снабженным винтовыми лопастями, и сваю-оболочку, вставленные друг в друга с возможностью передвижения по длине сваи. Выдвижная часть сваи выполнена полой внутри, имеет расширитель, размещенный над винтовой лопастью и выполненный в виде гильзы, надетой на винтовую сваю, вверху выдвижная часть сваи имеет седло для подключения привода редуктора, причем нижний конец сваи-оболочки содержит кондуктор, представляющий из себя направляющую втулку для центрирования выдвижной части при погружении.
Дополнительные отличия предлагаемого технического решения:
- выдвижная часть сваи может быть выполнена из металла;
- свая-оболочка может быть выполнена из металла;
- свая-оболочка может быть выполнена из полимерной трубы и закреплена на кондукторе с помощью клеевого соединения;
- свая-оболочка может содержать винтовую лопасть, приваренную к кондуктору;
- винтовые лопасти имеют от 1 до 1,5 шагов винта, или представляют собой многошаговую спираль;
- кондуктор выполнен из металла;
- свая-оболочка содержит винтовую лопасть, приваренную к наружной поверхности.
Технический результат достигается тем, что в способе устройства винтовой сваи телескопического типа, включающем погружение сваи без извлечения грунта путем завинчивания сваи в грунт ручным или механизированным способом, обе части сваи, вставленные друг в друга, присоединяются с помощью седла к захвату привода редуктора механизма завинчивания, после установки острия сваи в проектное положение в плане, относительно осей привязки, выполняется одновременное погружения обеих частей комплекта до достижения проектной отметки верхом сваи-оболочки, после чего выдвижная часть и свая-оболочка разъединяются друг от друга и отсоединяются от привода редуктора механизма завинчивания. На втором этапе погружения выдвижная часть соединяется в седле сваи со штангой многократного использования, закрепленной в захвате привода редуктора механизма завинчивания для погружения выдвижной части до проектной отметки острия, затем штанга отсоединяется от выдвижной части сваи и захвата привода редуктора механизма завинчивания и извлекается из полости свай, после этого в полости свай устанавливается арматурный каркас, и выполняется заполнение полостей обеих частей сваи бетоном с наполнителем мелкой фракции, соединяющим, после набора прочности, обе части в единую систему восприятия нагрузки.
Дополнительные отличия предлагаемого технического решения:
- для предотвращения образования внутренних пустот при бетонировании полостей свай организовывают выход воздуха при вибрировании;
- для предотвращения образования внутренних пустот, при бетонировании заполнение полостей свай осуществляют подачей бетона по шлангу в нижнюю точку выдвижной части сваи с последующим подъемом шланга по мере заполнения полости бетоном, посредством бетононасоса шнекового или плунжерного типа.
Сущность предлагаемого технического решения представлена следующим графическим материалом, представленным на следующих фигурах: фиг. 1, на которой представлено положение сваи телескопического типа после выполнения первого этапа погружения; фиг. 2, на которой представлено положение сваи телескопического типа после выполнения второго этапа погружения, где: 1 - выдвижная часть сваи телескопического типа; 2 – свая-оболочка; 3 - штанга закручивания многократного использования; фиг. 3, на которой представлено положение сваи телескопического типа после установки армокаркаса и бетонирования, где: 4 - армокаркас; 5 - бетон; фиг. 4, на которой представлена свая винтовая, 2-х лопастная, телескопического типа из металлических труб, где 6 - кондуктор; 7 - седло подключения привода редуктора; фиг. 5, на которой представлена свая винтовая, 2-х лопастная, телескопического типа со сваей-оболочкой из полимерных труб, где 8 - блок лопасти, соединенный с кондуктором посредством сварки; фиг. 6, на которой представлена свая винтовая, спиральная, одношнековая (одна винтовая лопасть), телескопического типа, со сваей-оболочкой из полимерных труб; фиг. 7, на которой представлена свая винтовая, спиральная, 2-х шнековая (две винтовые лопасти), телескопического типа из металлических труб; фиг. 8, на которой представлено сечение а-а к фиг. 5; фиг. 9, на которой представлена штанга многоразового использования; фиг. 10, на которой представлено устройство расширителя сваи винтовой, 2-х лопастной, где 9 - расширитель.
Винтовая свая телескопического типа включает выдвижную часть 1 с заостренным наконечником, снабженным винтовыми лопастями, и сваю-оболочку 2, вставленные друг в друга с возможностью передвижения по длине сваи. Выдвижная часть 1 сваи выполнена полой внутри, имеет расширитель 9, размещенный над винтовой лопастью и выполненный в виде гильзы, надетой на винтовую сваю, вверху выдвижная часть сваи имеет седло 7 для подключения привода редуктора, причем нижний конец сваи-оболочки 2 содержит кондуктор 6, представляющий из себя направляющую втулку для центрирования выдвижной части при погружении. Выдвижная часть сваи выполнена из металла. Свая-оболочка 2 выполнена из металла или из полимерной трубы и закреплена на кондукторе 6 с помощью клеевого соединения. Свая-оболочка 2 содержит винтовую лопасть, приваренную к кондуктору 6 (фиг. 5) или к наружной поверхности (см. фиг. 2) Винтовые лопасти имеют от 1 до 1,5 шагов винта, или представляют собой многошаговую спираль. Кондуктор 6 выполнен из металла.
Способ устройства винтовой сваи телескопического типа включает погружение сваи без извлечения грунта путем завинчивания сваи в грунт ручным или механизированным способом. Обе части сваи, вставленные друг в друга, присоединяются с помощью седла к захвату привода редуктора механизма завинчивания, после установки острия сваи в проектное положение в плане, относительно осей привязки, выполняется одновременное погружение обеих частей комплекта до достижения проектной отметки верхом сваи-оболочки 2, после чего выдвижная часть 1 и свая-оболочка 2 разъединяются друг от друга и отсоединяются от привода редуктора механизма завинчивания, на втором этапе погружения выдвижная часть 1 соединяется в седле сваи со штангой 3 многократного использования, закрепленной в захвате привода редуктора механизма завинчивания для погружения выдвижной части 1 до проектной отметки острия, затем штанга 3 отсоединяется от выдвижной части 1 сваи и захвата привода редуктора механизма завинчивания и извлекается из полости свай, после этого в полости свай устанавливается арматурный каркас 4, и выполняется заполнение полостей обеих частей сваи бетоном 5 с наполнителем мелкой фракции, соединяющим, после набора прочности, обе части в единую систему восприятия нагрузки. Для предотвращения образования внутренних пустот при бетонировании полостей свай, организовывают выход воздуха при вибрировании. Для предотвращения образования внутренних пустот при бетонировании, заполнение полостей свай осуществляют подачей бетона по шлангу в нижнюю точку выдвижной части сваи с последующим подъемом шланга по мере заполнения полости бетоном 5, посредством бетононасоса шнекового или плунжерного типа.
Как видно из фиг. 4-8 по конструктивному решению сваи телескопического типа, выполненные в металле (фиг. 4, 7), проще в исполнении, по сравнению со сваями с применением труб из стеклопластика.
Если кондуктор в сваях из металлических труб выполняет только роль центрирующего элемента при погружении, то в сваях с применением труб из стеклопластика служит и для передачи крутящего момента в нижнюю часть сваи-оболочки, для разгрузки оболочки от скручивания.
Так сваи со стеклопластиковой оболочкой (фиг. 5, 6) оборудованы расширителем 9 с наклонным скосом, соприкасающимся с таким же скосом у кондуктора 6, который объединяет обе части в единое целое при замыкании верха свай в замке редуктора привода, таким образом, исключает «скручивание» оболочки из стеклопластика. Установка расширителя 9 на выдвижной части 1 сваи, находящегося в соприкосновении со скосом кондуктора 6 сваи-оболочки, кроме того обеспечивает защиту от попадания грунта во внутреннюю полость сваи-оболочки 2.
При устройстве лопасти (спирали), в нижней части сваи-оболочки (фиг. 5), такого замка для разгрузки оболочки от скручивания недостаточно.
При одновременном погружении обеих частей сваи на первом этапе передача крутящего момента от редуктора, непосредственно на блок лопасти 8 (спирали) 2-х лопастной сваи (фиг. 5), в дополнение к соединению кондуктора 6 с расширителем 9 и закреплению обеих частей в замке привода вращения редуктора, осуществляется посредством штанги 3 многоразового использования, вставляемой прорезями в правом седле (фиг. 9), в разъем с выступами шпонок, устроенным в месте соединения кондуктора и блока лопастей 8 2-х лопастной сваи (фиг. 5, сечение «а-а» на фиг. 8).
Одновременная передача крутящего момента на оба конца сваи-оболочки 2 полностью обеспечивает разгрузку стеклопластиковой оболочки от скручивания.
Наклон скоса расширителя 9 и кондуктора 6, устраиваемый в сваях со стеклопластиковой оболочкой, меньший, чем наклон лопасти (спирали), позволяет выдвижной части 1 сваи выйти из зацепления при довинчивании на втором этапе погружения.
Ниже приведен сравнительный расчет реактивного отпора грунта и крутящего момента при завинчивании свай телескопического типа, идентичной конфигурации по прототипу - свая телескопического типа по патенту GB2397327A (с наращиванием длины) и предлагаемой - свая телескопического типа с выдвижной опорной частью.
Расчет проводим для 2-х свай с идентичными характеристиками:
Сваи 2-х ступенчатые, с переходом с диаметра D=180 мм на D1=219 мм
Длина сваи - Н=12.00 м,
Длина погружения - Нр=11.60 м
Длина каждой из ступеней - L=6.00 м
Длина верхней ступени, соприкасающейся с грунтом - Lв=5,60 м
Диаметр лопасти - Dл=450 мм
Шаг витка лопасти - t=150 мм
л
с
Глубина резания - h=R-r=0,225-0,090=0,135 м=13.5 см
Ширина резания (толщина лопасти) - S=6 мм
Угол резания - &=135°
0
Угол заострения - ϕ=16° по табл. 1 в зависимости от ϕ=16° коэфф.β=0.81
Угол подъема спирали лопасти - α=6.06°
Расчет проводим для погружения в грунт с характеристиками:
кp
2
2
Количество слоев - n=1, суглинок туго пластичный, f=0,4 G=135000 кг/м Ti=2600 кг/м С=13 уд. табл. 1 Рекомендаций по определению крутящего момента и осевого усилия при погружении винтовых свай в грунты, ВНИИСТ, М. 1983 г. (Р462-82).
Величина осевого усилия винтовой установки (в данном случае погружение без принуждения, только лишь с учетом собственного веса сваи и каретки установки с редуктором) - Р=850 кг
А. По формуле 4 Р462-82 находим усилие резания грунта винтовой лопастью:
1.35
Q=13x13.5(1+0,1х6)(1+45/180)x0,81=13x33.57x1,6x125x0.81=707 кг
Б. По формуле 2 Р462-82 находим величину реактивного отпора грунта;
1. При погружении на первом этапе опорной части сваи по прототипу (патент GB2397327A)
I
2
T=3,14x0,090x135000+2x3,14x0,090x2600x6=3433.6+8817.1=12250.7 кг
2. При погружении на втором этапе наращенной до 12 м сваи по прототипу (патент GB2397327A)
II
2
Т=3,14x0,090x135000+2x3,14х(0,090х2600х6+0,105х2600х5,6)=3433.6+18418.0=21851.6 кг
3. При погружении на первом этапе сборочного комплекта сваи по предложению
I
2
T=3,14x0,090x135000+2x3,14x0,105x2600x5.6=3433.6+9600.9=13034.5 кг
4. При погружении на втором этапе выдвижной части сваи по предложению:
II
2
Т=3,14x0,090х135000+2x3,14x0,090x2600x6=3433.6+8817.1=12250.7 кг
В. По формуле 27 Р462-82 определяем величину крутящего момента для погружения винтовой сваи:
II
1. Определяем максимальный момент при погружении сваи по прототипу (патент GB2397327A), необходимый для преодоления силы реактивного отпора грунта Т=21851.6 кг, возникающей на втором этапе погружения при погружении наращенной сваи.
I
2. Определяем максимальный момент при погружении сваи по предложению, необходимый для преодоления силы реактивного отпора грунта T=13034.5 кг, возникающей на первом этапе погружения при погружении сборочного комплекта.
Как видно из приведенного расчета, при одинаковой несущей способности с прототипом 20-25 тн для погружения предлагаемой конструкции сваи требуется приложить меньшее усилие (крутящий момент меньше в 2,1 раза).
Таким образом, благодаря предлагаемому техническому решению достигается увеличение глубины погружения винтовых свай с формированием сплошного армированного сечения сваи по всей длине с увеличением ее прочности и несущей способности на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок, повышение технологичности при выполнении работ с применением малогабаритного оборудования без извлечения грунта.