СВАЯ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к устройству фундаментов зданий и сооружений, в частности к конструкциям оснований опор мостов, высотных сооружений, заглубленных фундаментов подверженных гидростатическому всплытию, опор нефтегазопроводов и буровых вышек, линий электропередач.
Известна свая, содержащая ствол, с внешней поверхностью кругового цилиндрического очертания, (Патент №140775, «Свая стальная «СМОТ», МПК E02D 5/28, опубликовано 20.05.2014 г. бюлл. №14). Недостатком данного технического решения является невысокая несущая способность по боковой поверхности.
Известна свая, содержащая ствол, с внешней поверхностью кругового цилиндрического очертания, который по длине состоит из рабочей части и вспомогательной части, при этом к стволу на всей длине его рабочей части, вдоль продольной оси ствола, жестко закреплены непрерывные ребра, имеющие форму пластины постоянного поперечного сечения и узкой гранью примыкающие к стволу (Патент RU №52412 U1, «Металлическая свая с вертикальными лопастями», МПК E02D 5/22, опубликовано 27.03.2006). Верхний край ребер располагается на 2-3 метра ниже головы сваи. Их количество (2, 3 или 4) выбирается по расчету, исходя из инженерно-геологических условий площадки строительства и требуемой несущей способности. Достоинством конструкции сваи является увеличение за счет вертикальных ребер площади боковой поверхности ствола.
Недостатком данного технического решения является неэффективная работа боковой поверхности при нарушении сцепления по грунту, т.е. даже при небольшом превышении предельной нагрузки вертикальная боковая поверхность ребер резко теряет несущую способность.
Целью предлагаемой полезной модели является увеличение несущей способности сваи по боковой поверхности.
Для достижения указанного технического результата свая содержит ствол, с внешней поверхностью кругового цилиндрического очертания, который по длине состоит из рабочей части и вспомогательной части, при этом к стволу на его рабочей части, вдоль продольной оси ствола, жестко закреплены ребра, имеющие форму пластины постоянного поперечного сечения и узкой гранью примыкающие к стволу, кроме того линия примыкания ребра к стволу имеет равномерное витое вокруг ствола очертание с одинаковым шагом витков, при этом угол «α» между образующей цилиндра и касательной к линии примыкания ребра к стволу является постоянной величиной на всей длине рабочей части ствола; рабочая часть сваи разделена на участки, при этом каждый предыдущий участок со стороны вспомогательной части выполнен трубчатым, а каждый последующий участок имеет дополнительную вспомогательную часть, равную длине рабочей и вспомогательной части предыдущего участка и закрепленную во вспомогательной части предыдущего участка, при этом: d≤D, где d - наружный диаметр трубы последующего участка; D - внутренний диаметр полости трубы предыдущего участка; ребра последующего участка имеют разную направленность от предыдущего участка (правое или левое). При этом угол «α» между образующей цилиндра и касательной к линии примыкания ребра к стволу соответствует условию: 15<α<50 градусов, кроме того, в любой плоскости, проходящей через продольную ось ствола, угол «β» между ребром и стволом равен 90°, кроме того ствол сваи выполнен трубчатым, кроме того к низу рабочей части ствола прикреплен наконечник цилиндрического или конического очертания.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображена свая, вид сбоку;
на фиг. 2 показано размещение ребер (стрелками указана их направленность);
на фиг. 3 показаны линии примыкания ребер к стволу;
на фиг. 4 приведено продольное сечение Б-Б на фиг. 2;
на фиг. 5 приведено продольное сечение В-В на фиг. 2;
на фиг. 6 изображена свая, рабочая часть которой разделена на участки с разнонаправленными ребрами;
на фиг. 7 приведена расчетная схема воздействия ребер на грунт под действием внешней нагрузки.
Свая (фиг. 1) содержит ствол, состоящий по длине из рабочей части 1 и вспомогательной части 2 с внешней поверхностью кругового цилиндрического очертания, при этом к стволу на его рабочей части 1, вдоль продольной оси ствола, жестко закреплены ребра 3 (фиг. 1 и 2), имеющие форму пластины постоянного поперечного сечения и узкой гранью примыкающие к стволу, при этом линия примыкания 4 (фиг. 3) ребер 3 к рабочей части 1 ствола имеет равномерное вокруг ствола очертание с одинаковым шагом витков. Угол «α» между образующей цилиндра и касательной к линии примыкания 4 ребра 3 к стволу является постоянной величиной на всей длине рабочей части 1 ствола и соответствует условию: 15<α<50 градусов.
В любой плоскости (фиг. 4 и 5), проходящей через продольную ось ствола (разрезы Б-Б и В-В фиг. 2), угол «β» между ребром и стволом равен 90°. Здесь промежуточные сечения ребер изображены толще крайних, т.к. ребро попадает в плоскость сечения под углом «α» и в среднее сечение
попадает вся толщина ребра, а на краях - только часть толщины.
2
2
2
2
2
Рабочая часть 1 ствола может быть разделена на участки (фиг. 6), и каждый предыдущий участок 1 со стороны вспомогательной части 2 выполнен трубчатым, а каждый последующий участок 1 имеет дополнительную вспомогательную часть 2, равную длине рабочей и вспомогательной части предыдущих участков 1 и 2, и закрепленную во вспомогательной части 2, при этом: d≤D, м, где: d - наружный диаметр трубы последующей части 1, м, D - внутренний диаметр полости трубы предыдущей части 1, м, ребра 3 последующей части 1 имеют разную направленность от предыдущей 1 (правое или левое).
2
Ствол сваи может быть выполнен трубчатым, а в основании рабочей части 1 (или 1) ствола, прикреплен наконечник цилиндрического или конического очертания.
Свая работает следующим образом.
2
гор
Благодаря заявленным параметрам и форме ребер погружение (забивка, вибропогружение, вдавливание) сваи, производится без нарушения структуры грунта, под и над ребрами сохраняется рабочая зона из естественного ненарушенного грунта. На фиг. 7 изображена схема воздействия ребер на грунт под действием внешней нагрузки Р, здесь: р - составляющая силы Р нормальная к плоскости ребра 4; Р - горизонтальная составляющая силы Р;   - сила трения грунта о грунт по боковой поверхности СДЖЕ; СДЖЕ - боковая поверхность сваи, представляющая собой боковую поверхность цилиндра, описанного по внешней грани ребер.
2
гор
По общеизвестным правилам раскладывая силу Р на нормальную к плоскости ребра силу р и горизонтальную силу Р получаем:
где:  - сила трения грунта о грунт по боковой поверхности СД, кН;
ƒ - коэффициент внутреннего трения грунта;
Р - сила, приходящаяся на боковую поверхность сваи, кН;
α - угол наклона плоскости ребра к оси сваи, градусы;
гор
Сила трения  (1) грунта о грунт по боковой поверхности СДЖЕ по высоте ребер на рабочей части 1 ствола пропорционально увеличивается под воздействием горизонтальной силы Р. К тому же, длина и площадь ребер также увеличиваются за счет витого вокруг ствола очертания. Таким образом, достигается основной технический эффект: увеличение несущей способности сваи по боковой поверхности. Это также увеличивает ее анкерные возможности. Увеличение площади проекции ребер на основание сваи, рассчитываемой по их внешнему диаметру, увеличивает несущую способность сваи по основанию.
Осуществление полезной модели
Цилиндрическое очертание ствола позволяет симметрично и равномерно размещать на нем ребра 3 (фиг. 2), количество, высота, ширина и направленность которых определяются расчетом.
Изготовление ребер шириной более 20-30 см в массовом количестве требует применения гибочных и прокатных станков, поэтому их производство предпочтительно осуществлять на заводах металлоконструкций. Ребра меньшей ширины могут изготавливаться из секторов, объединяемых сваркой и гнутых в цеховых условиях. Для рабочей части 1 и вспомогательной части 2 (фиг. 1) ствола применяется стандартный прокат металлических труб, либо трубы необходимого диаметра, изготавливаемые по специальному заказу.
Сборка сваи может производиться как на заводе, так и на строительной площадке, оборудованной укрытием, оборудованием и приспособлениями для сварки металлоконструкций.
Конструкция сваи обладает малым лобовым сопротивлением, позволяющим погружать сваю с минимальными энергозатратами, чему способствуют: конфигурация и заданный параметр наклона ребер «α» (фиг. 3), трубчатый ствол, устройство лидерной скважины по диаметру ствола, малое поперечное сечение ребер, возможность свободного поворота изделия вокруг вертикальной оси в процессе погружения.
Погружение (забивка, вибропогружение, вдавливание) сваи, производится серийными механизмами без нарушения структуры грунта, сохраняя тем самым рабочую зону грунта под и над поверхностью ребер, при этом верх рабочей части 1 расположен ниже зоны промерзания грунта, а вспомогательная часть 2 ствола перекрывает эту зону, выступает над поверхностью грунта на величину захвата погружного оборудования и позволяет произвести заделку сваи в ростверк, тело опоры или объединение с соседними сваями.
Свая в процессе погружения поворачивается вокруг оси ствола. Погружение может производиться как без предварительной разработки грунта, так и в лидерную скважину, разработанную по диаметру ствола на всю его высоту. Погружение сваи с участками разнонаправленных ребер (фиг. 6) производится раздельно, а объединение участков по стволам осуществляется после погружения путем сварки, омоноличивания бетоном и др.
В основании рабочей части сваи может быть выполнен наконечник, облегчающий установку сваи в скважину, а также снижающий лобовое сопротивление сваи при погружении.
Свая может быть изготовлена из различных материалов: металл, бетон, полимерные композиционные материалы.
Описание существенных признаков.
В предлагаемом техническом решении имеются следующие существенные признаки:
- ствол, с внешней поверхностью кругового цилиндрического очертания, позволяет симметрично и равномерно размещать на нем ребра 4 (фиг. 2), количество, высота, ширина и направленность которых определяются расчетом;
- деление ствола по длине на рабочую часть 1 и вспомогательную часть 2 позволяет отделить из общей массы сваи детали заводского изготовления, которые также могут быть типовыми для применения на разных объектах;
- применение жестко закрепленных к стволу на всей длине его рабочей части, вдоль продольной оси ствола, ребер 3 позволяет задействовать весь объем грунта в пределах боковой поверхности сваи, представляющей собой боковую поверхность цилиндра, описанного по внешней грани ребер 3;
- рабочая часть ствола сваи разделена на участки, при этом каждый предыдущий участок со стороны вспомогательной части выполнен трубчатым, а каждый последующий имеет дополнительную вспомогательную часть, равную длине рабочего и вспомогательного участка и закрепленную во вспомогательной части, при этом: d≤D, м., где d - наружный диаметр трубы последующей части, м; D - внутренний диаметр полости трубы предыдущей части, м, при этом ребра последующей части имеют разную направленность от предыдущей (правое или левое). Данный признак расширяет возможность применения сваи с охватом грунтов различной плотности, при этом максимально используя мощность погружного оборудования на каждом участке раздельно, а «правое + левое» направление ребер на каждом участке переводит сваю в самостоятельную статически неподвижную конструкцию под действием нагрузки и не зависит от внешнего закрепления;
- форма пластин постоянного поперечного сечения и узкой гранью примыкающих к стволу позволяет равномерно распределить внешнюю нагрузку по всей высоте и боковой поверхности рабочей части 1 ствола;
- линия примыкания ребра к стволу имеет равномерное витое вокруг ствола очертание с одинаковым шагом витков. Данный фактор создает витую вокруг ствола плоскость, постоянно опирающуюся на рабочую зону грунта ненарушенной структуры, которая за счет наклона ребер горизонтальной силой взаимодействует с боковым объемом грунта, увеличивая несущую способность сваи по боковой поверхности;
- постоянная величина на всей длине рабочей части ствола угла «α» между образующей цилиндра и касательной к линии примыкания ребра к стволу. Постоянство и величина наклона ребер 3 под углом «α», близкое к углу внутреннего трения грунта, позволяют погружать сваю методом забивки и способствует погружению сваи с минимальными энергозатратами;
Кроме того:
- условие величины угла «α» между образующей цилиндра и касательной к линии примыкания ребра к стволу в пределах 15<α<50 градусов охватывает весь диапазон, в котором возможно и рационально погружение сваи методом забивки;
- угол «β» между ребром и стволом, в любой плоскости, проходящей через продольную ось ствола, равен 90°. Плоскость ребра под данным углом к оси ствола образует максимально возможную их проекцию по внешнему диаметру, что увеличивает несущую способность сваи по основанию;
- к низу рабочей части ствола прикреплен наконечник цилиндрического или конического очертания, облегчающий установку сваи в скважину, а также снижающий лобовое сопротивление сваи при погружении.
Указанные существенные признаки введены в формулу и являются необходимыми и достаточными для достижения заявляемого технического результата - увеличение несущей способности сваи по боковой поверхности.
Эффективность.
Эффективность предлагаемой полезной модели заключается в увеличении несущей способности сваи как по боковой поверхности, так и по основанию. Следует отметить, что увеличение несущей способности сваи по боковой поверхности напрямую увеличивает ее анкерную способность, а использование изделия одновременно как в качестве сваи, так и анкера, повышает его функциональность, эффективность, универсальность в применении.