ТРУБЧАТАЯ СВАЯ

Полезная модель относится к строительству, в частности к конструкциям свай и может быть использована в качестве фундаментов для опор линий электропередач и опор контактной сети, вышек сотовой связи, фундаментов зданий, ограждений, анкерных закреплений, в опорах мостов, трубопроводов, причалов и других конструкций.
Известна трубчатая свая [см. полезную модель РФ №87717, МПК E02D 5/00 (2006.01), опубл. 20.10.2009], которая включает полый цилиндрический ствол, снабженный опорным фланцем на верхнем торце, соединенным со стволом ребрами жесткости, и четырьмя спиральными лопастями в нижней части, прикрепленными к внешней поверхности ствола. Линии соединения спиральных лопастей с внешней поверхностью ствола представляют собой ¼ часть витка спирали. Ширина всех лопастей, расположенных в нижней части ствола уменьшается в направлении сверху вниз и сходит «на нет» у нижнего торца ствола сваи. В верхней части ствол снабжен четырьмя дополнительными спиральными лопастями постоянной ширины, линии соединения которых с внешней поверхностью ствола, представляют собой ¼ часть витка спирали.
Однако известная трубчатая свая имеет необоснованно сложную конструкцию (опорный фланец на верхнем торце сваи; ребра жесткости, соединяющие верхнюю часть ствола сваи с опорным фланцем; две группы спиральных лопастей в верхней и нижней частях сваи). В итоге, свая имеет 8 спиральных лопастей. Сложная, металлоемкая, тяжеловесная конструкция описанной сваи порождает серьезные ограничения эксплуатационных возможностей сваи. Для погружения такой сваи в грунт требуется специальная тяжелая техника, установленная на тяжелых машинах.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели является трубчатая свая [см. полезную модель РФ №29536, МПК 7 E02D 5/28, 5/48, опубл. 20.05.2003].
c
c
Трубчатая свая включает полый цилиндрический ствол, на внешней поверхности которого расположены спиральные лопасти. Верхняя часть ствола сваи ребрами жесткости соединена с горизонтально расположенным опорным фланцем. Лопасти расположены заподлицо с торцом сваи, при этом число лопастей равняется, по крайней мере, четырем. Лопасть представляет собой пластину с уменьшающейся шириной. Отношение радиуса ствола (R) к максимальной ширине лопасти (b) составляет (2,0-2,2), высота лопасти (H) равняется (1,5-1,6) диаметра ствола (D). Линия соединения лопасти со стволом представляет собой ¼ часть витка спирали. Лопасти размещены на стволе сваи таким образом, что у одной пары диаметрально расположенных лопастей в области торца сваи находится участок с максимальной шириной, а у другой пары - участок с минимальной шириной.
К достоинствам наиболее близкого аналога можно отнести простоту конструкции, меньшие металлоемкость, а, следовательно, и вес по сравнению с описанным выше аналогом.
Однако описанное техническое решение, выбранное в качестве прототипа, имеет целый ряд недостатков.
Недостатками известной трубчатой сваи являются:
1. Значительная величина сопротивления грунта, возникающего при внедрении (забивании) сваи в грунт. Это объясняется, главным образом, большим числом лопастей (в прототипе, по крайней мере, 4 лопасти).
2. Низкая величина несущей способности сваи вдоль ее оси, а также ее устойчивости относительно горизонта. Эти недостатки обусловлены несовершенством соотношения геометрических параметров элементов сваи, а именно: небольшой шириной и высотой лопасти относительно диаметра ствола сваи.
Необходимо также рассмотреть более подробно влияние величины угла «α», образованного спиральной линией лопасти и линией горизонта, на несущую способность сваи вдоль ее оси. Величина этого угла вообще не рассматривается в техническом решении, выбранном в качестве прототипа. Однако, судя по чертежу, представленному в описании к патенту, этот угол значительно больше, чем 45°, что отрицательно сказывается на величине несущей способности сваи вдоль ее оси. Это также является существенным недостатком конструкции сваи, выбранной в качестве прототипа.
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 установки такой сваи в грунт необходима специальная тяжелая техника.
Задачами, поставленными при создании предлагаемой полезной модели, являются: упрощение конструкции сваи, уменьшение металлоемкости и трудоемкости изготовления сваи, ее веса и стоимости при одновременном увеличении несущей способности сваи вдоль оси и ее горизонтальной устойчивости.
Еще одной задачей, поставленной при создании полезной модели, является увеличение срока службы сваи.
лоп
ств
лоп
ств
Для решения указанных задач предлагается трубчатая свая, которая, как и наиболее близкая к ней свая, выбранная в качестве прототипа, включает полый цилиндрический ствол со спиральными лопастями, расположенными заподлицо с нижним торцом ствола сваи. Ширина лопастей уменьшается в направлении сверху вниз, сходя «на нет». Особенностью предлагаемой трубчатой сваи, отличающей ее от известной сваи, выбранной в качестве прототипа, является то, что число спиральных лопастей равно, по крайней мере, двум. Линии соединения лопастей со стволом сваи представляют собой (¼-½) часть витка спирали. Ширина лопасти B составляет (0,25-1,0)·D; высота лопасти H=(1-2)·D, а угол наклона лопасти «α» к образующей цилиндрического ствола сваи находится в интервале от 45° до 80°.
кон
ств
Полый цилиндрический ствол трубчатой сваи может быть дополнительно снабжен коническим наконечником, длина которого L=(1,2-1,6)·D.
В верхней части трубчатой сваи могут быть расположены, по крайней мере, две лопасти, размещенные диаметрально-противоположно относительно лопастей, расположенных в нижней части сваи.
Внутренняя полость ствола трубчатой сваи с коническим наконечником может быть заполнена бетонным или цементно-песчаным раствором, а, кроме того, в ней может быть смонтирован арматурный каркас.
Ствол трубчатой сваи, как с плоским концом, так и с коническим наконечником может быть защищен антикоррозийным покрытием, на которое дополнительно может быть нанесено полимерное покрытие.
Технический результат, достигнутый в предлагаемой полезной модели, получен за счет следующего.
В отличие от ближайшего аналога, содержащего, как минимум, четыре лопасти, предложенная свая имеет две лопасти, что существенно упростило конструкцию и снизило трудоемкость изготовления сваи. Таким образом, была решена часть поставленных задач, а именно: упрощение конструкции, снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления сваи, ее стоимости и веса.
лоп
лоп
Существенными признаками заявляемой конструкции являются соотношения геометрических параметров ствола и спиральных лопастей заявляемой трубчатой сваи. Геометрические параметры этих лопастей (ширина лопасти B, высота лопасти H, и угол наклона лопасти «α» к образующей ствола сваи), полученные в ходе многочисленных экспериментов, имеют оптимальные соотношения, которые обеспечили существенное уменьшение сопротивление грунта и, как следствие этого, внедрение лопасти в грунт без деформации материала. Оптимальные соотношения этих параметров были подтверждены экспериментальным путем по результатам испытаний.
Таким образом, несмотря на уменьшение числа лопастей, по сравнению с ближайшим аналогом, которое, на первый взгляд, должно привести к снижению эффективности сваи, в результате существенных изменений в геометрии лопастей (увеличения ширины лопасти до размера диаметра ствола сваи, увеличения протяженности линии соединения лопастей со стволом сваи до ½ части витка спирали, что увеличивает площадь проекции лопастей сваи) несущая способность сваи на пригружение и выдергивание вдоль оси увеличивается, а сопротивление грунта при внедрении в него сваи уменьшается. В результате двухлопастная свая, более простая по конструкции и технологии изготовления, а также имеющая уменьшенные вес и металлоемкость, эффективно внедряется в грунт.
кон
ств
Для увеличения несущей способности трубчатой сваи вдоль оси предложено дополнительно оснастить сваю коническим наконечником с геометрией в заявленном диапазоне: L=(1,2-1,6)·D.
Для увеличения горизонтальной устойчивости сваи, что особенно важно при внедрении свай в талые грунты, в верхней части сваи на расстоянии 1-1,5 метра от верхнего торца ствола сваи устанавливаются, по крайней мере, две лопасти, размещенные диаметрально-противоположно относительно лопастей, расположенных в нижней части сваи.
Дополнительный признак, касающийся защиты ствола сваи антикоррозийным покрытием (см. п.6 формулы полезной модели), препятствует разрушению материала, из которого изготовлена свая, от коррозии. Это 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.7 формулы полезной модели), наносить дополнительное полимерное покрытие в виде защитной пленки. Пленка предохраняет эпоксидное покрытие, нанесенное на ствол сваи, от сезонных вертикальных перемещений грунтов. Эти дополнительные признаки способствуют выполнению такой важной задачи, как, увеличение срока службы сваи.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Следует также отметить, что в зависимости от характера и свойств грунтов, в которые требуется установить сваю, а также от постановки конкретных задач, свая может иметь, например, три и более спиральных лопастей. При этом в ее верхней части могут быть установлены, соответственно, три и более дополнительных лопастей.
Ниже описан один из конкретных примеров реализации предлагаемой полезной модели.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
фиг.1 - предлагаемая трубчатая свая (общий вид);
фиг.2 - вид А на фиг.1 (увеличено);
фиг.3 - трубчатая свая с коническим наконечником;
фиг.4 - трубчатая свая с четырьмя лопастями (в соответствии с п.3 предлагаемой полезной модели);
фиг.5 - вид Б на фиг.4;
фиг.6 - трубчатая свая с установленным в нее арматурным каркасом, заполненная бетонным раствором;
фиг.7 - трубчатая свая с антикоррозийным и полимерным покрытием, установленная в грунт.
ств
Трубчатая свая (см. фиг.1) представляет собой полый цилиндрический ствол 1, наружный диаметр которого D в данном конкретном примере составляет 108 мм. Заподлицо с нижним торцем ствола сваи к нему приварены две спиральные лопасти 2. Линии соединения лопастей 2 со стволом 1 сваи составляют в данном конкретном примере - 1/3 часть витка спирали.
лоп
ств
Ширина B спиральной лопасти 2, которая уменьшается в направлении сверху-вниз и сходит «на нет», составляет (0,25-1,0)·D и в данном конкретном примере равна 80 мм.
лоп
ств
Высота спиральной лопасти 2 сваи H=(1-2)·D, в конкретном примере составляет 162 мм.
Угол «α» наклона спиральной лопасти 2 сваи к образующей цилиндрического ствола 1 сваи находится в интервале от 45° до 80° и составляет, например, в данном случае 65°.
кон
ств
Для увеличении несущей способности сваи вдоль оси трубчатая свая дополнительно снабжена коническим наконечником 3, длина которого L находится в интервале (1,2-1,6)·D и составляет, например, 160 мм.
Для повышения горизонтальной устойчивости сваи в ее верхней части на расстоянии, например, 1,5 метра от верхнего торца сваи установлены две лопасти, размещенные диаметрально-противоположно относительно лопастей, расположенных в нижней части сваи (см. фиг.4 и фиг.5).
Для увеличения срока службы сваи с коническим наконечником, представленной на фиг.3, ее полость заполняется бетонным или цементно-песчаным раствором 4, при этом в полость ствола 1 сваи может быть установлен арматурный каркас 5, который, препятствуя деформации ствола, придает свае дополнительную жесткость (см. фиг.6).
Кроме того, для защиты сваи от коррозии (см. фиг.7) на ствол 1 сваи наносится антикоррозийное покрытие 6, 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 7, например, термоусаживаемая двухслойная лента (с клеевым слоем) ТЛ-450 или ТЛ-630, ТУ ТФ. 3235-01, производства ЗАО «ТЕРМОФИТ», Санкт-Петербург, РФ, образующая защитную пленку.
Ниже, в таблице приведены еще несколько конкретных примеров реализации заявляемой полезной модели для трубчатых свай с разными диаметрами стволов.
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Диаметр ствола D<sub>ств</sub>, мм
57
159
89
Ширина спиральной лопасти B<sub>лоп</sub>, мм
30
120
89
Высота спиральной лопасти H<sub>лоп</sub>, мм
90
180
160
Длина конического наконечника L<sub>к</sub>, мм
75
-
140
Угол наклона лопасти сваи к образующей цилиндрического ствола «α», град
75
65
65
Линия соединения лопастей со стволом сваи, часть витка спирали
1/2
1/3
1/2
При выходе за верхние пределы интервалов заявленных параметров вследствие увеличения сопротивления грунта потребуется большее усилие при установке сваи в грунт. Вследствие этого, может возникнуть необходимость использования тяжелой техники, что может привести к повреждению лопастей сваи. При отклонении заявленных интервалов в меньшую сторону происходит уменьшение несущей способности сваи на пригружение и выдергивание.
Погружение трубчатой сваи со спиральными лопастями осуществляется следующим образом.
ств
Для вечномерзлых грунтов необходимо сначала на проектную глубину, обеспечивающую требуемую несущую способность, с помощью буровой установки пробурить скважину, диаметр которой равен диаметру ствола D. Затем на голову сваи устанавливается вибромолот и включается виброударный режим. Спиральные лопасти сваи врезаются в грунт. Для погружения трубчатой сваи со спиральными лопастями в талые грунты бурить лидерную скважину не требуется.
Приведенные примеры не должны рассматриваться в качестве ограничения объема патентных притязаний предложенной полезной модели. Для любого специалиста в данной области техники понятно, что есть возможность внести множество изменений в описанную выше конструкцию без отхода от существенных признаков полезной модели, заявленных в формуле.
Таким образом, предлагаемая трубчатая свая, имеет в отличие от прототипа, более простую и технологичную конструкцию, а также уменьшенную, по сравнению с прототипом, материалоемкость и трудоемкость при изготовлении и установке сваи в грунт. Кроме того, изменения в геометрии предложенной сваи обеспечивают существенное увеличение несущей способности вдоль оси сваи и ее горизонтальной устойчивости.