ВИНТОВАЯ СВАЯ

Полезная модель относится к строительству, в частности к конструкциям свай для талых грунтов и может быть использована в качестве фундамента для опор промышленных зданий и сооружений, вышек сотовой связи, опор линий электропередач и контактной сети электрифицированных железных дорог, и других конструкций.
Известна винтовая свая, содержащая полый цилиндрический ствол с коническим наконечником и винтовой лопастью, заходящей на конический наконечник в пределах 2/3-3/4 витка винтовой лопасти [Л.1].
Отличительной особенностью данной сваи является ее штампосварная конструкция, в которой винтовые лопасти и усиливающие винтовые накладки изготавливаются из стального листа методом штамповки, а затем винтовая лопасть приваривается к стволу сваи двухсторонним сварным швом. Винтовые накладки привариваются к стволу сваи и винтовой лопасти односторонним сварным швом.
Недостатками известной сваи являются:
- повышенная трудоемкость изготовления винтовой сваи, за счет большого объема ручной электродуговой сварки;
- наличие остаточных напряжений в зоне сварных швов, в связи с практической невозможностью выполнения термообработки винтовой сваи после сборочно-сварочных работ, из-за большой длины винтовой сваи, обычно составляющей 5-10 метров;
- повышенная коррозия металла в зоне сварных швов;
- пониженная механическая прочность металла, работающего одновременно на срез и изгиб, в зоне сварных швов, расположенных между винтовой лопастью и стволом сваи;
- увеличение крутящего момента при погружении винтовой сваи в грунт, за счет неточностей геометрических форм наружных поверхностей винтовой сваи, вызванных ручным способом изготовления винтовой сваи и последующей деформацией винтовых лопастей из-за наличия остаточных напряжений в зоне сварных швов.
Известна также винтовая свая, включающая ствол сваи и стальной конический наконечник, содержащий полый цилиндрический и конический участки, с образующей конуса выполненной в виде прямой, а также винтовой лопастью, заходящей на конический участок в пределах 2/3-3/4 витка винтовой лопасти, при этом, конический наконечник изготавливается методом литья. Плоская лопасть непостоянной ширины начинается на конической части винтового наконечника и плавно переходит на цилиндрическую при постепенном увеличении ширины [Л.2].
Недостатками известной сваи являются:
- повышенная трудоемкость изготовления винтовой сваи, связанная с большим объемом работ по изготовлению постепенно увеличивающейся по ширине винтовой лопасти;
- снижение несущей способности винтовой сваи из-за постепенно увеличивающейся по ширине винтовой лопасти.
Вышеописанные винтовые сваи близки по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели и выбираются в качестве прототипов.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка конструкции винтовой сваи, обеспечивающей вертикальное направление при погружении сваи в грунт, лишенной отмеченных выше недостатков, характеризующейся повышением производительности процесса погружения сваи, за счет сведенного к минимуму необходимого крутящего момента.
Для достижения указанного технического результата предлагается винтовая свая, состоящая из ствола сваи и термообработанного (отожженного) стального литого конического наконечника, содержащего полый цилиндрический и конический участки, а также винтовую лопасть, заходящую на конический участок в пределах 2/3-3/4 витка винтовой лопасти с образующей конуса выполненной в виде прямой, без липших, выступающих за ее пределы дополнительных конструктивных элементов, особенностью которой, отличающей ее от прототипов, является трапецеидальная форма профиля поперечного сечения винтовой лопасти, расширяющаяся по толщине от периферии к, основанию винтовой лопасти. Винтовая свая [Л.1] имеет винтовую лопасть, изготовленную из штампованного стального листа и усиленную накладками, но меньшей ширины. Ступенчатая форма наружной поверхности винтовой лопасти приводит к неравномерному распределению напряжений вдоль по образующей винтовой лопасти, при погружении винтовой сваи в грунт.
Винтовая свая [Л.2] имеет плоскую лопасть непостоянной ширины, также приводящая к неравномерному распределению напряжений вдоль по образующей винтовой лопасти, при погружении винтовой сваи в грунт.
с
л
2
л
с
Предлагаемая винтовая свая, имеет винтовую лопасть, толщина поперечного сечения которой линейно увеличивается от периферии к основанию винтовой лопасти, что позволяет равномерно распределить напряжения вдоль по образующей винтовой лопасти. Угол расширения поперечного сечения винтовой лопасти аз в зависимости от соотношения диаметра ствола D и диаметра винтовой лопасти D составляет (3-12)°, а ширина винтовой лопасти В равна 0,5(D-D).
Существенным признаком заявляемой винтовой сваи является выполнение заходной части винтовой лопасти, по мере продвижения к началу винтовой лопасти, путем плавного увеличения угла расширения поперечного сечения винтовой лопасти и плавного уменьшения ширины винтовой лопасти. Винтовая свая [Л.1] имеет винтовую лопасть, изготовленную из штампованного стального листа и усиленную накладками, при этом заходная часть винтовой лопасти образуется только путем уменьшения ее ширины. Это приводит к существенному росту напряжений в металле заходной части винтовой лопасти, при погружении винтовой сваи в грунт.
Винтовая свая [Л.2] имеет плоскую лопасть непостоянной ширины, которая начинается на конической части винтового наконечника и плавно переходит на цилиндрическую при постепенном увеличении ширины. Следовательно, и здесь заходная часть винтовой лопасти образуется только путем уменьшения ее ширины.
1
1
1
1
1
1
Предлагаемая винтовая свая, имеет заходную часть винтовой лопасти, составляющую 1/2-3/4 витка винтовой лопасти, выполненную, по мере продвижения к началу винтовой лопасти, путем плавного увеличения угла расширения поперечного сечения винтовой лопасти до величины α и плавного уменьшения ширины винтовой лопасти до величины B. Для разных типоразмеров винтовых свай величины α и B принимают равными: α=(20-80)° и B=(3-10) мм. Таким образом, предлагаемая винтовая свая, имеет винтовую лопасть, поперечное сечение которой равномерно напряжено, при погружении винтовой сваи в грунт.
Следующим существенным признаком заявляемой винтовой сваи является соединение винтовой лопасти с цилиндрическим и коническим участками литого конического наконечника с помощью радиуса сопряжения. Винтовая свая [Л.1] имеет винтовую лопасть, изготовленную из штампованного стального листа и усиленную накладками. Стальной лист приваривается к стволу сваи двухсторонним сварным швом. Винтовые накладки привариваются к стволу сваи односторонним сварным швом. Монотонно выпуклая и затем резко перегибающаяся на краю сварного шва форма поперечного сечения винтовой лопасти приводит к резкому скачку напряжений в зоне сварных швов.
Предлагаемая винтовая свая, имеет винтовую лопасть, соединенную с цилиндрическим и коническим участками литого конического наконечника с помощью радиуса сопряжения R. Это обеспечивает наилучшие условия работы винтовой лопасти. Для разных типоразмеров винтовых свай величина радиуса сопряжения R равна (10-30) мм.
Дополнительным существенным признаком заявляемой винтовой сваи является выполнение на вершине литого конуса минимального радиуса округления равного R4…R8 мм, который в процессе погружения сваи активно раздвигает грунт, снижая лобовое сопротивление. Дополнительно, эта конструктивная особенность предложенной сваи обеспечивает более точную фиксацию точки завинчивания и совместно с конической поверхностью задает направление завинчивания винтовой сваи в грунт.
Следующим существенным признаком заявляемой винтовой сваи является возможность выполнения механической обработки ручной шлифмашинкой литого конического наконечника в зоне у вершины конуса, свободной от винтовой лопасти, для получения шероховатости поверхности Ra 6,3…Ra 12,5, с целью уменьшения сил сопротивления в процессе ввинчивания сваи в плотный грунт.
Дополнительным существенным признаком заявляемой винтовой сваи является возможность выполнения механической обработки на токарном станке литого конического наконечника в зоне у вершины конуса, свободной от винтовой лопасти, для получения:
- геометрически точной поверхности;
- шероховатости поверхности Ra 3,2…Ra 6,3;
- радиуса округления вершины конуса равного R0,5…R3 мм.
Механическая обработка на токарном станке литого конического наконечника в зоне у вершины конуса, свободной от винтовой лопасти обеспечивает существенное снижение сил сопротивления и плавное ввинчивание сваи в плотный грунт.
Ниже описан один из конкретных примеров реализации предлагаемой полезной модели.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - главный вид винтовой сваи;
на фиг.2 - вид снизу;
на фиг.3 - сечение А-А.
c
л
2
2
1
1
Винтовая свая содержит полый цилиндрический ствол 1, диаметр D которого равен в данном конкретном примере 219 мм, и отлитый из стали, термообработанный (отожженный) конический наконечник 2, с винтовой лопастью 3, заходящей на конический участок в размере 2/3 витка винтовой лопасти. Наибольший диаметр лопасти D равен 500 мм. Образующая конуса 4 выполнена в виде прямой, без лишних, выступающих за ее пределы дополнительных конструктивных элементов. Профиль поперечного сечения винтовой лопасти имеет трапецеидальную форму 5, расширяющуюся по толщине от периферии к основанию винтовой лопасти. Угол расширения поперечного сечения винтовой лопасти α равен 8°. Ширина винтовой лопасти В равна 140,5 мм. Заходная часть винтовой лопасти 6, по мере продвижения к началу винтовой лопасти, выполнена с плавным увеличением угла расширения ее поперечного сечения до величины α равной 54°, при плавном уменьшении ширины винтовой лопасти до величины В равной 5 мм. Соединение винтовой лопасти с цилиндрическим и коническим участками литого конического наконечника выполнено с помощью радиуса сопряжения R равного 16 мм. Поверхность литого конического наконечника в зоне у вершины конуса, свободной от винтовой лопасти в зависимости от типа исполнения может быть:
- механически необработана и иметь вершину литого конуса с минимальным радиусом округления 7 равным R4…R8 мм;
- механически обработана ручной шлифмашинкой для получения шероховатости поверхности Ra 6,3…Ra 12,5;
- механически обработана на токарном станке для получения геометрически точной поверхности шероховатостью Ra 3,2…Ra 6,3 и радиуса округления вершины конуса равного R0,5…R3 мм.
Погружение винтовой сваи осуществляется следующим образом.
Винтовая свая устанавливается в заданной точке поверхности грунта. В результате ее вращения при помощи специальной машины крутящий момент от полого цилиндрического ствола 1 передается на отлитый из стали и термообработанный конический наконечник 2. Вращающаяся вершина литого конуса с минимальным радиусом округления 7 активно раздвигает грунт, снижая лобовое сопротивление. После внедрения конической части наконечника 2 в грунт обеспечивается фиксация точки завинчивания и задается направление завинчивания винтовой сваи. Образующая конуса 4, выполненная в виде прямой, без лишних, выступающих за ее пределы дополнительных конструктивных элементов позволяет снизить до минимума крутящий момент, необходимый для завинчивания винтовой сваи в грунт. Заходная часть винтовой лопасти 6, выполненная с переменным углом расширения ее поперечного сечения и переменной шириной винтовой лопасти, позволяет равномерно распределить напряжения по поперечному сечению и длине винтовой лопасти в начале процесса ввинчивания винтовой сваи в грунт. После полного ввинчивания конического наконечника 2 в грунт существенно увеличивается нагрузка на винтовую лопасть 3. Наличие профиля поперечного сечения винтовой лопасти трапецеидальной формы 5 и радиуса сопряжения R дает возможность равномерно перераспределить напряжения по поперечному сечению и длине винтовой лопасти.
Таким образом, предлагаемая винтовая свая, имеющая описанную выше конструкцию, обеспечивает в отличие от прототипов повышенную производительность процесса погружения сваи, за счет сведенного к минимуму необходимого крутящего момента и равномерно напряженную конструкцию винтовой сваи по поперечному сечению и длине винтовой лопасти.
Заявляемое решение разработано, изготовлено и успешно испытано в ООО «Облик». Положительные результаты полевых испытаний подтвердили работоспособность предложенной винтовой сваи и широкие возможности ее практического применения.
Литература:
1. Железков В.Н. / Винтовые сваи в энергетической и других отраслях строительства / Санкт-Петербург, «ПРАГМА», 2004 г., с.с.20-21.
2. БурЭнергоСервис, Винтовые сваи, www.bes.by/catalog_t.php?id=92>.