Рабочий орган для устройства винтонабивных свай

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована как при возведении новых, так и при усилении фундаментов и анкерных устройств ранее возведенных зданий и сооружений.
Из существующего уровня техники известна винтовая свая, включающая ствол в виде полиэтиленовой цилиндрической трубы, металлический литой наконечник с отверстием в виде квадрата, установленный на нижнем торце трубы, металлический опорный элемент, установленный на верхнем торце трубы, муфты соединения ствола сваи с наконечником и опорным элементом, имеющая на внутренней поверхности ствола не менее двух силовых ребер, расположенных вдоль ствола. Для завинчивания сваи применяется труба, на конце которой имеется металлический параллелепипед, а на боковой поверхности - выступы, предназначенные для передачи вращательного движения. Внутрь сваи опускается указанная труба, соединенная с приводом вращения. Металлический параллелепипед, вставленный в отверстие, передает вращение наконечнику сваи, а выступы на боковой поверхности - ребрам жесткости, расположенным внутри ствола. После завинчивания ствол сваи заливается фибробетоном (см. патент № RU181282, МПК E02D 5/56, опубл. 09.07.2018г.).
Недостатком известной винтовой сваи является сложность изготовления литого наконечника, полиэтиленового ствола сваи с силовыми рёбрами, расположенными вдоль его внутренней поверхности.
Известен рабочий орган для изготовления винтонабивной сваи, включающий обсадную трубу, башмак с винтовой лопастью и теряемый конусный наконечник выполненный с углом заострения 90°, угол наклона винтовой линии подбирается, исходя из приведенных формул (2), (3), башмак имеет радиус, больший радиуса обсадной трубы, подбираемый из приведенного уравнения (4), а также герметичный стык обсадной трубы, снабженный герметичным патрубком, приваренным к верху нижней секции трубы, и заглушками.
,
3
3
1
2
3
3
где М - крутящий момент, необходимый для погружения рабочего органа в грунт, кНм; Р - вертикальная сила, необходимая для погружения рабочего органа в грунт, кН; r - радиус обсадной трубы, м; R - радиус башмака, м; C - коэффициент общей деформации грунта, кН/м; б - угол заострения лопасти, град; В - ширина лопасти, м; µ - показатель степени; n - число витков лопасти; г - угол наклона винтовой линии лопасти, град; f - коэффициент трения; C- коэффициент упругой деформации, кН/м.(см. патент №RU2385383, МПК E02D 5/56, опубл.37.03.2010г.).
Недостатком известного рабочего органа является сложность изготовления.
Известна полая стальная опорная свая, имеющая оба открытых конца, и сконструированная для быстрого погружения в грунт в условиях слабого крутящего момента с сильным сопротивлением грунта и без нарушения поверхностного слоя грунта, причем средство наружной спиральной проекции состоит из круглого или прямоугольного профиля, имеющего высоту выступа 20 мм или менее, и расположена на внешней окружности сваи для увеличения несущей способности при движении сваи, причем указанный выступ простирается меньше, чем вся длина полого стального ствола, и имеет длину, которая в 10 раз меньше длины сваи, причем указанный выступ расположен по существу на конце сваи для увеличения силы сопротивления вдоль поверхности сваи и сведения к минимуму приложения крутящего момента при движении сваи, причем внутренние спиральный элемент, также состоящий из круглого или прямоугольного профиля, имеющего высоту выступа 20 мм или менее, прикреплен к внутренней поверхности сваи и проходит только через часть длины ствола от конца сваи, при котором сила сопротивления трения по отношению к грунту внутри сваи уменьшается, а несущая способность сваи увеличивается в сочетании с внешним выступом, когда свая приводится в движение (см. патент US № 5137394 МПК B23K5/18; E02D5/56; E02D7/22; E21B7/20; (IPC1-7): E02D5/56, опубликованный 1992.08.11).
Недостатком данной сваи является низкая несущая способность, высокий риск коррозии.
Известно устройство для изготовления винтонабивных свай, включающее, формующий элемент в виде трубы с винтовой лопастью на конце и установленным в её полости армокаркасом ствола сваи, соединённым с теряемым башмаком и внутреннею трубу, причем с целью повышения несущей способности винтонабивной сваи за счёт армирования винтовой лопасти сваи, труба формующего элемента выполнена разрезной по винтовой линии, образованной примыкающей к поверхности трубы кромкой винтовой лопасти и выходящей на нижний торец трубы, а винтовая лопасть – составной из двух пластин, которые соединены между собой по наружным кромкам, а другими кромками прикреплены соответственно к верхней и нижней частям трубы, отстоящим одна от другой, с образованием между пластинами полости для установки армокаркаса винтовой лопасти, жёстко соединённого с армокаркасом ствола сваи, при этом заходная часть лопасти оснащена анкерующим элементом, жёстко прикреплённым к её армокаркасу, а хвостовая -  упругим элементом, причём внутренняя поверхность нижней части трубы формующего элемента и внешняя поверхность внутренней трубы, примыкающей к армокаркасу лопасти, снабжены расположенными по винтовой линии и взаимодействующими между собой упорными бортиками (см. патент SU 1182243, МПК:E02D 5/46, 5/56, опубл. 30.10.1985г.).
Недостатком данного устройства является сложность изготовления и большая трудоёмкость монтажа свай.
Известно устройство для осуществления способа изготовления винтонабивных свай, включающее направляющую мачту, связанную с поворотной платформой базовой машины, с возможностью установки на грунт под разным углом к горизонту, каретку с реверсивным приводом, перемещающуюся вдоль направляющей мачты, трубчатую штангу, связанную с приводом и на конце которой прикреплен наконечник, имеющий винтовой выступ и диаметр, превышающий диаметр трубчатой штанги, причем привод выполнен из двух гидроцилиндров двойного действия, охватывающих вилкой направляющую мачту и присоединенных проушинами корпусов к корпусу привода, а проушина штока одного гидроцилиндра присоединена к основанию вилки, скользящей в направляющих, связанных с корпусом привода, причем свободные концы вилки, а также шток другого гидроцилиндра присоединены к храповику с реверсивными собачками; трубчатая штанга выполнена составной, звенья которой сопряжены призматическим разъемным соединением с подпружиненными фиксаторами сопряжения, и проходит внутри втулки храповика, с которой трубчатая штанга сопряжена с возможностью взаимного вращения и дистанционно управляемого фиксирования взаимного положения; на втулку храповика насажена втулка червяка с возможностью взаимного вращения и ограниченного продольного перемещения при регулируемом усилии взаимодействия и возможностью жесткого зацепления в крайнем верхнем положении с втулкой храповика, кроме того, лопасть червяка входит в зацепление с продольным рядом роликов на направляющей мачте, расстояние между осями которых равно шагу винтового выступа наконечника, и имеет на своей нижней опорной поверхности полосу выступов, а наконечник насажен на трубчатую штангу с возможностью взаимного продольного перемещения в пределах между упорами, помимо этого на трубчатую штангу свободно насажен расширитель скважины с заостренным нижним концом винтовой формы с возможностью попеременного жесткого зацепления с втулкой храповика и винтовым выступом наконечника, входящим при этом внутрь заостренного конца расширителя скважины и имеющим трапецеидальный профиль сечения, шаг менее 1,1 диаметра по внешней кромке выступа и длину менее четырех этих же диаметров (см. заявку на патент № RU 95106819, МПК E02D 5/56,E02D 7/22, опубл. 27.01.1997г.).
Недостатком данного устройства является то, что это сменное оборудование и для его работы необходима специальная техника.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является рабочий орган для устройства винтонабивных свай, включающий обсадную трубу и теряемый наконечник, снабженной штангой, установленной в обсадной трубе с возможностью передачи вращательного момента и осевого вертикального перемещения силы теряемому наконечнику и снабжена ограничителем, закрепленным на боковой поверхности штанги с возможностью взаимодействия с верхним краем обсадной трубы, при этом штанга и теряемый наконечник связаны между собой резьбовым соединением для их стягивания и удержания в рабочем положении, при этом теряемый наконечник оснащен, по крайней мере, одной винтовой лопастью, а площадь верхней поверхности корпуса теряемого наконечника больше площади, окаймленной внешним контуром обсадной трубы (см.патент № RU 166658, МПК E02D 5/56, опубл.10.12.2016г.).
Недостатками данного технического решения являются отсутствие сцепления ствола сваи с наконечником (башмаком) после монтажа, тем самым ухудшается работа сваи на выдёргивание, сложность изготовления наконечника (конус, лопасть, пластина с пазом и резьбовым соединением) из достаточно толстого металла для восприятия крутящего момента и внедрения в грунт, так же конструкция наконечника не гарантирует полное заполнение его полости бетоном, вследствие чего увеличится скорость коррозии, указанный наконечник имеет конусную форму, что не может формировать ровную стенку скважины, из-за чего возрастает сила трения, влияющая на обсадную трубу, при её вращательном погружении, прижатой к наконечнику приваренным к штанге ограничителем с помощью шпилек, сила трения о грунт будет тормозить её участки, не связанные со штангой, при этом произойдёт скручивание и, как следствие, деформация обсадной трубы из тонкого металла, асбестоцемента, пластика.
Цель полезной модели максимально оптимизировать изготовление винтонабивных свай.
Поставленная задача решается тем, что рабочий орган для устройства винтонабивных свай, включающий в себя: обсадную трубу, теряемый наконечник, который выполнен в виде коаксиально соединённых между собой полого цилиндра и винтовой лопасти в виде геликоида с внутренней кромкой, имеющей проекцию на плоскость его поперечного сечения, совпадающую с поперечным сечением призматического участка нижнего конца штанги, шаг, высота и линия наружной кромки лопасти выбираются в зависимости от характеристик грунтов основания, штангу, которая установлена в обсадной трубе и ограничитель, толкающий обсадную трубу. Штанга и теряемый наконечник связаны между собой шлицевым способом, а внутренний диаметр полой цилиндрической части теряемого наконечника больше наружного диаметра обсадной трубы, для устройства их подвижного соединения. Ограничитель не связан со штангой, а соосно ей крепится к корпусу редуктора бурильной машины. Штанга выполнена из трубы с наружным диаметром меньше внутреннего диаметра обсадной трубы, имеет нижний полнотелый призматический конец с заострением и формой поперечного сечения, совпадающей с линией проекции внутренней кромки винтовой лопасти на плоскость поперечного сечения сваи. Верхний конец штанги снабжён хвостовиком для связи с валом вращающего редуктора. Внутри штанги установлены направляющие профили для пропуска арматуры одним концом жёстко прикреплённой к теряемому наконечнику, а другим временно фиксируемой на верхнем конце штанги зажимами, скрепляя, тем самым всю конструкцию для осуществления монтажа.
Для устройства винтонабивных свай в обводнённых грунтах в конструкцию теряемого наконечника вводятся, сальниковое уплотнение подвижного соединения с обсадной трубой и концевой элемент в виде полого заострённого призматического стержня, полость которого совпадает с нижним концом штанги. Концевой элемент герметично приваривается к внутренней кромке винтовой лопасти и цилиндру, закрывая тем самым, нижнее отверстие теряемого наконечника.
Для повышения несущей способности винтонабивной сваи в слабых грунтах, к конструкции теряемого наконечника добавляется вторая винтовая лопасть, коаксиально расположенная на некотором расстоянии от первой и имеющая тот же шаг, но возможно другой диаметр наружной кромки.
Теряемый наконечник имеет цилиндрическую форму, что способствует формированию ровной стенки скважины. Обсадная труба вставляется в полый цилиндр наконечника с герметичным сальниковым уплотнением, что исключает риск попадания в неё воды. К наконечнику жёстко присоединены стержни рабочей арматуры, которые исключают, отрыв наконечника при выдёргивающих нагрузках на сваю. Штанга на нижнем конце имеет стальной полнотелый призматический участок с пирамидальным заострением, который вставляется в соответствующую полость теряемого наконечника, что исключает его деформацию при погружении, имеет внутренние направляющие профили и фиксирующие болты на верхнем конце для пропуска стержней рабочей арматуры сваи и, её фиксации, так же на верхнем конце имеется хвостовик для присоединения к вращающему валу редуктора бурильной машины. Ограничитель не связан со штангой, а насажен на неё и закреплён на корпусе редуктора бурильной машины, что исключает вращение обсадной трубы при погружении в скважину.
Упрощение рабочего органа состоит в том, что исключены шпильки и резьбовое соединение с наконечником, а благодаря подвижному сальниковому соединению обсадной трубы с наконечником исключено вращение обсадной трубы при погружении сваи и связанные с этим деформации, теряемый наконечник сконструирован таким образом, что крутящий момент от штанги передаётся непосредственно винтовой лопасти, введение рабочей арматуры, жёстко скреплённой с наконечником, существенно усиливает конструкцию сваи.
Рабочий орган для устройства винтонабивных свай позволяет объединить две разные конструкции свайного фундамента, взяв от каждой лучшее и исключив недостатки.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом:
Рабочий орган для устройства винтонабивных свай, включающий в себя коаксиально расположенные: обсадную трубу 1, теряемый наконечник 2 с, по меньшей мере, одной винтовой лопастью, штангу 3 с призматическим нижним концом, которая установлена в обсадной трубе и ограничитель 4, в который упирается обсадная труба, причем ограничитель не связан со штангой 3, а соосно ей крепится  к корпусу вращающего редуктора, теряемый наконечник 2 оснащен, по крайней мере одной винтовой лопастью, а диаметр внутренней поверхности его цилиндрической части больше наружного диаметра обсадной трубы, штанга 3 имеет призматический конец с заострением и направляющие профили с винтовыми зажимами для пропуска и фиксации на верхнем конце штанги 3 рабочей арматуры 5, которая жестко соединена с теряемым наконечником 2 и прижимается на время монтажа винтовыми зажимами 6 к хвостовику штанги 7, теряемый наконечник 2 выполнен, в виде полого цилиндра с винтовой лопастью имеющей шлицевое соединение со штангой 3.
Рабочий орган работает следующим образом: винтонабивную сваю с теряемым, винтовым наконечником 2 изготавливают установками вращательного действия в лидерной скважине или без неё. Пятой будущей сваи служит теряемый наконечник 2, который, насаженный на штангу 3 выставляется на заданную точку поверхности грунтового основания, при этом заострённый конец штанги 3, в первую очередь вонзается в грунт, задавая направление и фиксируя ось вращения. Скважина для будущей сваи создается путем вращательно-вдавливающего погружения системы «наконечник 2- штанга3 - обсадная труба 1 -ограничитель 4» до заданной отметки, при котором внутри штанги, по направляющим профилям проходят стержни рабочей арматуры 5, жёстко соединённые с теряемым наконечником и прижатые, с помощью винтов 6 к хвостовику 7 штанги, связывая тем самым всю систему. В процессе внедрения системы в основание, грунт раздвигается в радиальном направлении от оси скважины и одновременно уплотняется. Вслед за теряемым наконечником в скважину погружается, вставленная в него с герметичным сальниковым уплотнением обсадная труба 1 путём вдавливания ограничителем 4, не вращаясь при этом. По достижении наконечником проектной отметки винты 6, прижимающие арматуру 5, ослабляют и штангу 3 извлекают. Далее в обсадную трубу 1 опускают арматурный каркас и бетонируют. В зависимости от грунтовых условий обсадную трубу, при бетонировании, можно полностью или частично извлечь.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и может быть изготовлено на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий.