СВАЯ ВИНТОВАЯ

Полезная модель относится к строительству, в частности, к сооружению свайных фундаментов, и может быть использована 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 свая винтовая, 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 - возможность его использования только в слабых, например, болотистых грунтах, поскольку сильно развитая по площади винтовая лопасть не позволит «вкрутить» сваю в плотный грунт, кроме того, внутренняя полость сваи открыта в окружающую среду, что способно привести к интенсивной коррозии внутреннего пространства или потребует нанесение защитного покрытия на внутреннюю полость трубы.
Известна также свая винтовая, содержащая полый цилиндрический ствол, внешняя поверхность которого снабжена спиралью, нижний конец заострен, а верхний снабжен функциональным оголовком (см. RU №109161 E02D 5/56, 2010 г.). Цилиндрический ствол сваи выполнен длиной от 1500 до 3000 мм, наконечник со спиралью выполнен длиной от 500 мм до 1000 мм, а сама спираль выполнена с шагом витков 35-40 мм и шириной лопасти спирали 10 мм.
Недостаток этого решения: повышенная трудоемкость изготовления сваи за счет большого количества технологических операций (операция формирования конического наконечника сваи и операции формирования спирали большой длины и ее приваривания к стволу и наконечнику; повышенная энергоемкость производства из-за необходимости нагрева трубной заготовки для формирования конического наконечника сваи и приваривания спирали, что ухудшает технологичность производства сваи. Кроме того, при «работе» по плотным грунтам или грунтам с включениями более крепких пород осложняется процесс установки сваи - требуется предварительное разбуривание грунта шпурами (скважинами) малого сечения, что ухудшает технологичность ее установки.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, выражается в улучшении технологичности производства сваи и ее установки.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи выражается в снижении трудоемкости изготовления сваи за счет уменьшения числа технологических операций необходимых для ее изготовления (упрощена операция формирования заострения (наконечника сваи) и сокращена длина формируемой спирали, соответственно, сокращена длина шва, необходимого для ее приваривания к стволу; снижена энергоемкость изготовления сваи за счет отказа от нагрева трубной заготовки при формировании заострения (наконечника сваи) и сокращения длины шва для приваривания спирали, что улучшает технологичность ее производства. Кроме того, при «работе» по плотным грунтам или грунтам с включениями более крепких пород обеспечивается возможность эффективного резания грунта рабочей кромкой спирали, что упрощает процесс установки сваи - не требуется предварительное разбуривание грунта шпурами (скважинами) малого сечения, т.к. свая приобретает качество «самореза», что повышает технологичность ее установки. Кроме того, обеспечено снижение крутящего момента, необходимого для монтажа сваи.
Для решения поставленной задачи, свая винтовая, содержащая полый цилиндрический ствол, внешняя поверхность которого снабжена спиралью, а нижний конец заострен, отличается тем, что спираль размещена выше заострения, при этом ее длина составляет 0,7-2 шага спирали, причем нижняя кромка спирали выполнена в виде ломаной линии, например, ступенчатой, с возможностью режущего воздействия на грунт, при этом нижняя кромка спирали составляет с радиальной линией, в проекции на плоскость перпендикулярную продольной оси сваи, угол от 0 до 90°, кроме того, нижняя кромка спирали заострена под острым углом к нижней поверхности спирали, при этом верхний конец сваи снабжен функциональным оголовком, выполненным с возможностью закрепления элементов внешних конструкций и/или восприятия ударных нагрузок, и/или передачи вращающих усилий. Кроме того, заострение нижнего конца сваи выполнено в виде его среза под острым углом. Кроме того, заострение нижнего конца сваи выполнено в виде жестко скрепленного со стволом сваи литого наконечника или в виде завальцованного на конус окончания цилиндрического ствола сваи, с углом заострения 45-60°. Кроме того, функциональный оголовок сваи выполнен в виде жестко скрепленного с ней отрезка трубы квадратного, или прямоугольного или круглого сечения, жестко скрепленного с концами центрирующей вставки, размещенной на одной из плоскостей симметрии оголовка, выполненной в виде, ориентированной вверх, острием треугольной пластины, ширина основания которой соответствует размерам внутренней полости отрезка трубы. Кроме того, от основания треугольной пластины опущены вертикальные пластины, которые отстоят от концов ее основания на толщину стенки ствола сваи, ширина которых соответствует величине зазора между внутренней поверхностью отрезка трубы и внешней поверхностью ствола сваи, при этом вертикальные кромки этих пластин жестко скреплены со стенками зазора. Кроме того, в стенке оголовка выполнено, как минимум одно сквозное отверстие, снабженное резьбой с возможностью размещения в нем стопорного болта. Кроме того, ширина спирали составляет 0,25-1,5 диаметра ствола сваи.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает улучшение технологичности производства сваи и ее установки.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами где на фиг 1 представлен продольный разрез винтовой сваи; на фиг. 2 - фиг. 3 показаны объемные виды сваи; на фиг. 4 показан вариант завальцованого на конус окончания сваи; на фиг. 5 дан вариант выполнения центрирующей вставки, при плотном прилегании оголовка к стволу сваи; на фиг.6 дан вариант выполнения оголовка в виде фланца.
На чертежах показаны полый цилиндрический ствол 1 свая, спираль 2, заострение 3, шаг 4 спирали, ее нижняя кромка 5, радиальная линия 6 в проекции на плоскость 7, продольная ось 8 сваи, нижняя поверхность 9, срез 10, литой наконечник 11, завальцованое на конус окончание 12, отрезок трубы 13, его стенка 14, сквозное отверстие 15 с резьбой, стопорный болт 16, фланец 17, его крепежные отверстия 18, поворотное отверстие 19, фиксируемый элемент 20 внешних конструкций, центрирующая вставка 21, вертикальные прямоугольные пластины 22, цилиндрический стакан 23.
Диаметр цилиндрического ствола 1 сваи составляет от 60 до 300 мм, толщина стенок ствола сваи составляет от 3 до 15 мм и по всей длине сваи остается постоянной. Общая длина сваи варьирует от 1000 до 4500 мм, при этом, срез 10, литой наконечник 11 или завальцованое на конус окончание 12 могут быть выполнены длиной от 200 до 500 мм (увеличение этого параметра нежелательно, т.к. оно не влияя на несущую способность сваи, приведет только к дополнительному расходу металла). Заострение нижнего конца сваи может быть выполнено либо в виде его среза 10 под острым углом (45-60°) или в виде жестко скрепленного со стволом сваи литого наконечника 11 или в виде завальцованного на конус окончания 12 цилиндрического ствола сваи. Целесообразно использовать для изготовления ствола сваи бывшие в употреблении буровые трубы.
Срез 10 формируют обрезкой торца ствола сваи на гильотине или на другом станке. Литой наконечник 11 формируют отливкой, как отдельную деталь и жестко скрепляют сваркой с нижним торцом ствола 1. Завальцованое на конус окончание 12 сваи формируют известным образом обкаткой конца сваи при его нагреве. Наличие среза 10, наконечника 11 или конусного окончания 12, улучшает проникновение сваи в грунт при ее погружении.
Спираль 2 выполнена с шагом 40-200 мм и шириной лопасти спирали 0,25-1,5 диаметра ствола 1. С учетом вариации диаметра ствола сваи, ширина спирали может быть от 12-15 мм до 350-400 мм (большие значения кратности ширины спирали и диаметра ее ствола соответствуют меньшим значениям диаметра сваи). Нижняя кромка 5 спирали 2 выполнена в виде ломаной линии, например, ступенчатой, с возможностью режущего воздействия на грунт и составляет с радиальной линией 6, в проекции на плоскость 7 (перпендикулярную продольной оси 8 сваи), угол от 0 до 90°, кроме того, она заострена под острым углом (45-60°) к нижней поверхности 9 спирали. Верхний конец сваи жестко скреплен с функциональным оголовком, выполненным с возможностью закрепления фиксируемых элементов 20 внешних конструкций и/или восприятия ударных нагрузок, и/или передачи вращающих усилий. При этом, функциональный оголовок сваи выполнен в виде устанавливаемого на нее отрезка трубы 13 квадратного или круглого сечения, размеры полости которого позволяют надеть его с малым зазором на верхний конец ствола сваи и скрепить с ним болтом или проварить стыки сваркой, обеспечив их надежную связь. Причем, нижней кромкой треугольной центрирующей вставки 21 (лишенной прямоугольных пластин 22), жестко скрепленной с внутренней поверхностью оголовка, последний оказывается оперт на торец ствола 1.
Возможен вариант использования в качестве оголовка отрезка трубы 13 с диаметром существенно большим диаметра ствола 1 сваи, но, в этом случае необходимо использовать, центрирующую вставку 21 оголовка, выполненную в виде, ориентированной вверх, острием треугольной пластины, от основания которой опущены вертикальные прямоугольные пластины 22, при этом ширина основания треугольной пластины соответствует ширине внутренней полости отрезка трубы 13, а вертикальные прямоугольные пластины 22 отстоят от концов основания треугольной пластины на толщину стенки ствола 1 сваи. Ширина этих пластин соответствует величине зазора между внутренней поверхностью отрезка трубы 13 и внешней поверхностью ствола 1 сваи. Вертикальные кромки вертикальных прямоугольных пластин 22 жестко связаны (например, сваркой), соответственно, с внутренней поверхностью отрезка трубы 13 и внешней поверхностью ствола 1 сваи.
В стенке 14 отрезка трубы 13 выполнено, как минимум одно (предпочтительно три - для круглых оголовков и четыре - для квадратных) сквозное отверстие 15, снабженное резьбой с возможностью размещения в нем стопорного болта 16.
Такие варианты выполнения функционального оголовка используют для закрепления опорных стоек, (фиксируемых элементов 20 внешних конструкций) при этом, вставляемая в полость оголовка деталь, например, труба-опора дорожного знака скрепляется со сваей с помощью стопорных болтов 16, вкручиваемых до упирания в поверхность элементов 20.
Возможен вариант, когда функциональный оголовок сваи выполнен в виде жестко скрепленного с ней фланца 17 (круглой, квадратной или шестиугольной пластины), снабженного крепежными отверстиями 18 и предназначенного для опирания на него ригеля или другой конструкции (на чертежах не показаны), то элементы 15-16 не используются. Фланец 17 выполняют из листовой стали толщиной от 8 мм до 12 мм и снабжают крепежными отверстиями 18 для болтов или шпилек (диаметром от 10 мм до 15 мм), а также снабжают снизу цилиндрическим стаканом 23, 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.
Для обеспечения возможности вращательной установки сваи, в стенке ствола 1, на его верхнем конце выполняют сквозное поворотное отверстие 19, через которое пропускают конец рычага (например, лома). При наличии оголовка, такое отверстие формируют и через стенки ствола 1 и через стенки отрезка трубы 13 (в нижней части оголовка). После завершения процесса установки сваи, сквозное поворотное отверстие 19 можно использовать для улучшения фиксации оголовка на стволе сваи, например, пропустив через него болт и закрепив его гайкой (на чертежах не показаны).
Выполнение ствола 1 сваи с заявленными параметрами является оптимальным для обеспечения высокой несущей способности винтового фундамента, в широком диапазоне несущих характеристик грунта которая обусловлена тем, что при погружении в грунт сваи 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 (заострения 3, выполненного под углом 45-60°) снижает сопротивление ее погружению. Этому же способствует выполнение нижней кромки спирали в виде ломаной линии, например, ступенчатой, ее заостренность и возможность ее отклонения от радиальности обеспечивают возможность режущего воздействия на грунт, а также обеспечивают концентрирование режущих нагрузок на встречающиеся твердые включения, за счет обеспечения «точечности» контакта с ними и эффекта «пиления».
Наличие развитой площади опоры, существенно превышающей площадь сечения ствола 1 сваи, вместе с предложенными его геометрическими размерами не создают критического давления даже на мягкие торфяные и песчаные грунты и не позволяют фундаменту проседать или выдавливаться вверх, даже при глубоком промерзании грунта.
Заявляемая винтовая свая используется следующим образом
Заявляемая винтовая свая устанавливается строго вертикально. Далее, удерживая ее в этом положении, наносят удары по верхнему торцу ствола сваи. За счет наличия спирали, ударная нагрузка преобразуется во вращательную. При этом, за счет заостренности нижней кромки спирали, обеспечивается ввинчивание сваи в грунт, без особого разрушения последнего, что способствует высокому значению сопротивления сваи выдергиванию. 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 известные специализированные подручные средства или машины.
При вращательной установке свай, винтовая свая устанавливается вертикально, далее наносят несколько ударов по верхнему торцу сваи (непосредственно, по свободной поверхности ее оголовка). Затем в поворотное отверстие 19, пропускают конец рычага (например, лома), которым поворачивают сваю вокруг продольной оси. При больших длине и диаметре сваи используют известные специализированные подручных средства или машины. Время установки занимает всего несколько минут.
После ввода сваи в грунт, в полость оголовка вводят фиксируемый элемент 20 внешней конструкций, например, трубу-опору дорожного знака или рекламного щита и скрепляют его с оголовком сваи с помощью стопорных болтов 16, вкручиваемых в отверстия 15 до упирания в поверхность фиксируемого элемента. Центрирование трубчатых фиксируемых элементов 20 обеспечивает заострение центрируюшей вставки 21.
При выполнении оголовка в виде фланца, последний надевают своим стаканом на верхний конец ствола, после чего фиксируют оголовок сваркой или пропускают через поворотные отверстия 19 сваи и оголовка болт и закрепляют его гайкой (на чертежах не показаны). Затем, фиксируемый элемент 20 внешней конструкций, например, ригель, балку или стойку опирают на фланец и скрепляют с ним известным образом, используя его крепежные отверстия и крепежные отверстия самого фиксируемого элемента 20 (на чертежах не показаны).