ВИНТОВАЯ СВАЯ

Полезная модель относится к строительству, в частности, к сооружению свайных фундаментов, и может быть использована для строительства малоэтажных домов, зданий модульного типа, бань, террас, теплиц, ангаров, трубопроводов, рекламных конструкций, дорожных знаков и указателей, шумозащитных экранов, опор линий освещения и связи, садово-парковой мебели, заборов и ограждений, оснований солнечных батарей и ветрогенераторов.
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 E04H 12/22, опубл. 24.03.1994).
Известна винтовая свая, включающая цилиндрический ствол 76 мм и наконечник со спиралью. (Винтовые опоры, http://glavzabor.ru/category3.php)
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является винтовая свая включает цилиндрический ствол длиной от 700 мм до 3000 мм, наконечник со спиралью длиной от 300 до 1000 мм, спираль выполнена с шагом спирали 35-40 мм и шириной лопасти спирали 10 мм, толщина конца конуса наконечника составляет 25-30 мм. Цилиндрический ствол может быть выполнен ступенчатым, состоящим из, по меньшей мере, двух участков с уменьшающимися к наконечнику диаметрами от 140 мм до 66 мм, а часть ствола снабжена дополнительной спиралью. Свая может быть снабжена фланцем толщиной от 8 мм до 10 мм с отверстиями диаметром от 10 мм до 15 мм, выполненным виде кольца с отверстиями или диска с диаметрально расположенными отверстиями и центральным отверстием. (Патент РФ №117933, МПК E02D 5/56, опубл. 10.07.2012)
Недостатком известных конструкций является недостаточная прочность сцепления с основой (грунтом), узкий спектр применения, т.е. в сваю может только погружаться объект, погружения сваи можно применить только один тип крепежного элемента.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении прочности сцепления винтовой сваи с грунтом для создания более сильного анкерного эффекта.
Поставленная техническая задача решается тем, что в винтовой свае, включающей цилиндрический ствол, наконечник со спиралью, согласно предложенной полезной модели, цилиндрический ствол сваи выполнен длиной от 3001 мм до 4000 мм, наконечник со спиралью выполнен длиной от 1001 мм до 1500 мм, спираль выполнена с шагом спирали от 41 мм до 50 мм и шириной лопасти спирали от 11 мм до 20 мм, толщина конца конуса наконечника составляет от 31 мм до 65 мм.
Винтовая свая характеризуется следующими дополнительными существенными признаками:
- винтовая свая снабжена фланцем толщиной от 11 мм до 20 мм с отверстиями диаметром от 16 мм до 50 мм;
- фланец выполнен в виде кольца с круглыми или овальными отверстиями;
- фланец выполнен в виде диска с диаметрально расположенными отверстиями и центральным отверстием.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией заявляемой совокупностью существенных признаков, состоит в повышении прочности сцепления винтовой сваи с грунтом для создания более сильного анкерного эффекта.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунками, где
на фиг. 1 приведены графики зависимости «нагрузка-осадка сваи» S=f(P) на площадках соответственно №1, 2, 3 (Приложение 1);
на фиг. 2 приведены графики зависимости «нагрузка-выход сваи» DV=f(PV) на площадках соответственно №1, 2, 3 (Приложение 1);
на фиг. 3 приведен в виде графика результат графической обработки данных показаний превышений и деформаций Винтовых Фундаментов «BAU» и грунта (Приложение 1);
на фиг. 4, 5, 6, 7 приведены графики зависимости деформации свай №1, 2, 3, 4 длиной 2 м от действия горизонтальной нагрузки (Приложение 2);
на фиг. 8, 9, 10, 11 представлены графики зависимости деформации свай №1, 2, 3, 4 длиной 2,5 м от действия горизонтальной нагрузки (Приложение 2);
на фиг. 12, 13, 14, 15 представлены графики зависимости деформации свай №1, 2, 3, 4 длиной 3 м от действия горизонтальной нагрузки (Приложение 2).
Винтовая свая включает цилиндрический ствол, наконечник со спиралью, которые выполняются полыми.
Цилиндрический ствол винтовой сваи выполнен по всей длине с постоянным значением диаметра и длиной от 3001 мм до 4000 мм.
Наконечник винтовой сваи выполнен длиной от 1001 мм до 1500 мм. Длина наконечника выбирается в зависимости от укрепляемой конструкции в соответствии с требованиями надежности крепления в эксплуатации. Толщина конца конуса наконечника составляет от 31 мм до 65 мм, что снижает трудоемкость ее погружения в грунт.
Спираль выполнена с шагом спирали от 41 мм до 50 мм и шириной лопасти спирали от 11 мм до 20 мм.
Для разных типов грунтов необходим более широкий диапазон длин ствола сваи. Предложенное выполнение винтовой сваи с указанными интервалами геометрических размеров конструктивных элементов увеличивает истинную площадь сцепления сваи с грунтом, что увеличивает анкерный эффект, тем самым повышая надежность свайного фундамента.
Для крепления опор в винтовой свае используются известные средства крепления. Например, к свае привариваются гайки для крепления болтов. И опора, например труба, при установке в сваю крепится в ней с помощью болтов.
Свая дополнительно снабжена фланцем толщиной от 11 мм до 20 мм с отверстиями для болтов или шпилек. Отверстия выполнены диаметром от 16 мм до 50 мм. Фланец может быть выполнен в виде кольца с круглыми или овальными отверстиями или в виде диска с диаметрально расположенными отверстиями и центральным отверстием. Например, фланец может быть выполнен диметром 220 мм с расстоянием между центрами диаметрально расположенных отверстий 167 мм. Диаметр центрального отверстия может быть выполнен 24 мм под болт с резьбой 24 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, полученные в результате полевых испытаний выполненных согласно ГОСТ 5686-94, СНиП 2.02.03-85, СП 50-102-2003, а также СП 50-102-2010.
Для перевода из тонна-силы (ТС) в килоньютоны (кН) необходимо применить повышающий коэффициент 9,80665 (или 10).
В качестве доказательства надежности заявляемой винтовой сваи в Приложениях 1 и 2 представлены результаты исследовательских испытаний винтовых свай на выдергивание и горизонтальные нагрузки в натуральных (полевых) условиях, которые проводились совместно с АлтГТУ кафедра ОФИГИГ («Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия») г. Барнаул и ООО «ГеоПроектСтройАлтай» в соответствии с рекомендациями по проектированию винтовых свай «B.A.U.» для гражданских, промышленных и инженерных сооружений.
Выполнение снабженного спиралью наконечника сваи длиной от 1001 мм до 1500 мм с шагом спирали от 41 мм до 50 мм и шириной лопасти спирали от 11 мм до 20 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 анкерный эффект, особенно, для сложных грунтов.
Маленькая площадь соприкосновения с грунтом (толщина конца конуса наконечника составляет от 31 мм до 65 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.
Приложение 1
к описанию полезной модели «Винтовая свая».
Результаты исследовательских испытаний винтовых свай на выдергивание в натуральных (полевых) условиях
Испытания винтовых свай в натуральных (полевых) условиях проводились в г. Барнауле на четырех экспериментальных площадках с грунтовыми основаниями, сложенными супесями, песками и суглинками, т.е. наиболее типичными для Юго-Западной Сибири. Было проведено 37 испытаний. Контрольные испытания свай при строительстве статическими вдавливающими, выдергивающими и горизонтальными нагрузками регламентируются ГОСТ 5686-94 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями». Для испытаний были выбраны сваи двух типоразмеров: длиной 2000 мм, диаметром 76 мм (FM24 76*2000) и длиной 2000 мм, переменным диаметром 76-114 мм (FM24 114*2000). В качестве испытательного стенда использовалась установка по испытанию свай в натуральных (полевых) условиях УУ-ВСК, рассчитанный на нагрузки до 300 кН.
На каждой экспериментальной площадке испытывались по три опытной сваи каждого типоразмера на статические вдавливающие нагрузки и по две опытной сваи на статические выдергивающие нагрузки - всего 21 испытание.
При испытании в твердых супесях (площадка №1): до нагрузки (0,6-0,8) Fu деформации увеличиваются линейно при малой общей осадке сваи; после чего образуется ярко выраженная зона сдвигов со значительным увеличением общей осадки (до 15 мм); при превышении Fu происходит незатухающее возрастание осадки сваи.
При испытании в песках мелкие средней плотности (площадка №2): деформации возрастают линейно до нагрузки (0,4-0,5) Fu, осадка при работе ВФ в зоне сдвигов носит затухающий характер даже при общей осадке более 20 мм.
При испытании в твердых суглинках (площадка №3): до нагрузки (0,6-0,7) Fu деформации увеличиваются линейно при малой общей осадке сваи; далее происходит резкое увеличение осадки, при этом рост осадки также носит практически линейный характер (до 10 мм); при превышении Fu происходит незатухающее возрастание осадки ВФ. При испытании выдергивающими нагрузками увеличение выхода ВФ из грунта носит на большей части нагружения линейных характер для всех исследованных типах грунтов.
Общий выход сваи из грунта до момента начала незатухающих деформации не превышает 4 мм.
Испытания на площадках №1 и №2 показали одинаковую работу ВФ обоих типоразмеров на выдергивающие нагрузки. На площадке №3 значение предельного сопротивления ВФ оказались различными.
С учетом вышесказанного на площадке №3 было решено провести дополнительные испытания ВФ на выдергивающие нагрузки, уже испытанных на вдавливающие нагрузки, после их «отдыха». Время «отдыха» сваи перед испытанием выдергивающими нагрузками составило 12-14 дней, при регламентированных ГОСТ 5686-94 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями» шести днях.
Результаты летних статических испытаний грунтов посредством Винтовых Фундаментов «BAU».
Результаты статических испытаний грунтов посредством Винтовых Фундаментов «BAU» приведены в таблице 2.
Графики зависимости осадки/выхода Винтовых Фундаментов «BAU» от вертикальной нагрузки приведены на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 приведены графики зависимости «нагрузка-осадка сваи» S=f(P) на площадках соответственно №1, 2, 3. На фиг. 2 приведены графики зависимости «нагрузка-выход сваи» DV=f(PV) на площадках соответственно №1, 2, 3.
Были проведены экспериментальные изыскания по определению влияния сил морозного пучения на работу Винтовых Фундаментов «BAU». В соответствии с программой работ на четвертой экспериментальной площадке расположенной в пригороде г. Барнаула проведено испытания 16 свай на подтопляемой паводковыми водами экспериментальной площадке с грунтовым основанием ВФ из супеси лессовидной, пластичной, сильнопучинистой, с нормативной глубиной промерзания 2,3 м.
Нормативные и расчетные характеристики грунтов экспериментальной площадки №4 приведены в таблице 3.
Сваи были оставлены в грунте без нагрузки и в течении всего периода наблюдений снимались показания деформаций свай от воздействия сил морозного пучения. Графическая обработка данных показаний превышений и деформаций Винтовых Фундаментов «BAU» и грунта приведена на фиг. 3.
Результаты и выводы:
В период проведения экспериментальных наблюдений деформаций свай I, II, III и 1-13 от действия сил морозного пучения грунтов практически не наблюдалось. Разница между начальными измерениями (при минимальных отрицательных температурах) и последующими измерениями деформаций (при максимальных отрицательных температурах) находится в пределах ошибки измерений.
Приложение 2
к описанию полезной модели «Винтовая свая».
Результаты исследовательских испытаний винтовых свай на горизонтальные нагрузки в натуральных (полевых) условиях
Испытания свай на действие горизонтальных нагрузок производят в соответствии с ГОСТ 5686-94 с целью определения величины перемещений сваи под воздействием горизонтальных нагрузок.
Величина ступени нагрузки обычно принимается кратной полученному расчетному сопротивлению сваи на изгиб и должна быть не более 1/10-1/15 предполагаемой нормативной горизонтальной нагрузки на сваю.
На каждой ступени нагружения натурной сваи снимают отсчеты по всем приборам для измерения деформаций в следующей последовательности: нулевой отсчет - перед нагружением сваи, первый отсчет - сразу после приложения нагрузки, затем последовательно четыре отсчета с интервалом 30 мин и далее через каждый час до условной стабилизации деформации (затухания перемещения).
При испытании грунтов эталонной сваей или сваей-зондом отсчеты на каждой ступени нагружения снимают в следующей последовательности: первый отсчет - сразу после приложения нагрузки, затем два отсчета с интервалом 15 мин и далее с интервалом 30 мин до условной стабилизации деформации.
Горизонтальное перемещение головы сваи при заданной ступени нагрузки считается стабилизированным, если его приращение составляет не более 0,01 мм при расположении сваи (до глубины ее заделки) в песках - за последний час, в глинистых грунтах - за последние 2 часа. Испытание свай форсированным методом разрешается в тех случаях, когда предусмотренные проектом горизонтальные нагрузки относятся к кратковременным (монтажным).
Испытания свай на горизонтальную нагрузку рекомендуется проводить следующими способами:
1 - после стабилизации перемещений на каждой ступени нагрузки переходят сразу к следующей ступени. В конце загружения производят полную разгрузку;
2- после стабилизации перемещений на каждой ступени нагрузки производит частичную разгрузку на одну ступень до предшествующей ступени, установив величину остаточной и упругой деформации, нагрузку увеличивают на две ступени сразу, т.е. до величины очередной ступени.
В конце загружения производят полную разгрузку ступенями, равными одной или двум ступеням нагрузки.
В соответствии с ГОСТ 5686-94 нагрузка свай при их испытании должна быть доведена до величины, вызывающей перемещение не менее чем на 40 мм - для полых круглых свай, свай-оболочек и набивных с уширенной пятой.
При контрольных испытаниях рабочих свай, испытываемых до заданной в проекте величины перемещений, но не более 10 мм, за несущую способность принимается нагрузка, соответствующая на графике заданной величине перемещения, при отсутствии ограничения - перемещению, равному 10 мм
Результаты полевого эксперимента
Полевой эксперимент был проведен на площадке расположенной в г. Барнаул, Змеиногорский тракт 110 территория онкологического центра «Надежда».
Геологические строение площадки до глубины 5 м:
1. Почвенный слой мощностью 0,4-0,6 м
2. Песок средней крупности, физико-механические свойства которого приведены в таблице 1.
В эксперименте участвовало три группы винтовых свай: BAU FM24 76×2000, BAU FM24 76×2500, BAU FM24 76×3000, диаметром 76 мм длиной 2,0 м, 2,5 м и 3,0 м соответственно, по 8 образцов.
Общие геометрические характеристики свай:
- диаметр внешний Ф76,1 мм;
- диаметр внутренний Ф68,6 мм;
- диаметр резьбы М24;
- толщина фланца 8 мм.
Согласно методике эксперимента образцы свай одного вида проходили испытания попарно.
Таким образом, для каждого вида свай было проведено по 4 эксперимента.
В таблице 2 представлена несущая способность винтовой сваи 2,0 м. на действие горизонтальной нагрузки.
В результате полевого эксперимента были получены графики зависимости перемещения оголовков свай от приложенной нагрузки.
На фиг. 4, 5, 6, 7 приведены графики зависимости деформации свай №1, 2, 3, 4 длиной 2 м от действия горизонтальной нагрузки.
В таблице 3 представлена несущая способность винтовой сваи 2,5 м. на действие горизонтальной нагрузки.
На фиг. 8, 9, 10, 11 представлены графики зависимости деформации свай №1, 2, 3, 4 длиной 2,5 м от действия горизонтальной нагрузки.
В таблице 4 представлена несущая способность винтовой сваи 3,0 м. на действие горизонтальной нагрузки.
На фиг. 12, 13, 14, 15 представлены графики зависимости деформации свай №1, 2, 3, 4 длиной 3 м от действия горизонтальной нагрузки.
В таблице 5 приведены средние значения несущих способностей винтовых свай на действие горизонтальной нагрузки.
В таблице 6 приведены значения горизонтальных и вертикальных нагрузок на многолопастные винтовые сваи «BAU»
Выводы
1. Анализируя графики зависимости деформаций свай от действия горизонтальной нагрузки можно сделать вывод, что характер работы свай всех испытанных длин в грунте схож и в моменте потери устойчивости имеет практически одинаковую величину.
2. В промежуточных точках перемещения свая длиной 2,0 м. имеет несколько большие показатели несущей способности из-за большей жесткости.
3. В целом все сваи работают по схеме длинный гибкий и короткий гибкий стержень. В связи с этим в работе по восприятию горизонтальной нагрузки принимает участие только верхняя часть сваи, которая одинакова у всех образцов испытанных свай.
4. Винтовые лопасти в работе свай не участвуют, так как находятся в нижнем сечении свай.
5. Исходя из проведенных полевых испытаний и их анализа, можно сделать вывод о том, что несущая способность винтовых свай на действие горизонтальных сил и моментов для длины от 2-х до 3-х метров и диаметром 76 мм, не зависит от их длины.
6. Для увеличения несущей способности свай необходимо использовать сваи большего диаметра. Так же рекомендуется разместить винтовые лопасти в верхнем сечении сваи для включения их в работу по восприятию горизонтальных нагрузок.