ВИНТОВАЯ СВАЯ

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.
Известна винтовая свая, которая содержит ствол с полым наконечником, поверхности 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. №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 винтовая свая, включающая цилиндрический ствол, снабженный коническим наконечником внешняя поверхность которого снабжена спиралью (см. №109161, E02D 5/56, 2010 г.).
При этом цилиндрический ствол сваи выполнен длиной от 1500 мм 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 - недостаточная несущая способность в слабых, например, болотистых грунтах, поскольку слабо развитая по площади винтовая поверхность и недостаточная площадь поверхности сваи (из-за названного ограничения ее длины) не позволит обеспечить достаточное сцепление с вмещающим массивом составленным слабыми грунтами. Кроме того, при установке свай в плотных грунтах зачастую, в процессе закручивания свай в грунт происходит смятие спирали из-за ее небольшой толщины, что исключает надежную фиксацию свай.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, выражается в расширении функциональных возможностей сваи, за счет обеспечения возможности подбора свай эффективно работающих в грунтах существенно варьирующих несущих характеристик.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи выражается в обеспечении возможности подбора свай обеспечивающих надежную их фиксацию, сохраняющих способность установки «закручиванием» при широком диапазоне изменения несущей способности грунта.
Для решения поставленной задачи винтовая свая, включающая цилиндрический ствол, снабженный коническим наконечником, внешняя поверхность которого снабжена спиралью, отличается тем, что спираль выполнена шириной 10-45 мм, толщиной 1,6-4,0 мм. Кроме того, спиралью снабжена, по меньшей мере часть нижнего участка поверхности цилиндрического ствола. Кроме того, цилиндрический ствол снабжен фланцем, выполненным в виде равностороннего шестиугольника, предпочтительно снабженного крепежными отверстиями, размещенными на одинаковых расстояниях друг от друга и центра фланца, в углах равностороннего шестиугольника.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков полезной модели обеспечивают решение технической задачи, а именно обеспечивают возможность в расширении функциональных возможностей сваи, за счет обеспечения возможности подбора свай эффективно работающих в грунтах существенно варьирующих несущих характеристик.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежами где на фиг 1 представлен продольный разрез комплекта деталей, составляющих винтовую сваю, собираемую на месте установке; на фиг. 2 представлена свая снабженная фланцем в сборе; на фиг. 3 представлена свая, используемая без фланца; на фиг. 4 показан вид фланца, шестиугольного в плане.
Винтовая свая включает цилиндрический ствол 1, наконечник 2 со спиралью 3, которые выполняются полыми.
Цилиндрический ствол 1 винтовой сваи выполнен с постоянным значением диаметра по всей длине, составляющей от 200 мм до 6000 мм. Свая может быть выполнена с величиной диаметра равной 76, 90,114, 140 или 220 мм. Возможен вариант использования трубчатых заготовок и большего диаметра, но это будет связано с повышением материалоемкости свай и усложнением процесса их погружения.
Цилиндрический ствол 1 винтовой сваи может быть сразу (в процессе ее изготовления) жестко скреплен с наконечником и/или фланцем. Также возможен вариант при котором ствол (в виде трубчатой заготовки, длина которой может быть рассчитана на несколько свай), наконечник и фланец поставляются раздельно и жестко скрепляются друг с другом непосредственно на месте установки сваи, после выявления необходимой ее длины и соответствующего укорачивания заготовки цилиндрического ствола.
Наконечник 2 может быть выполнен длиной от 300 мм до 2000 мм. Длина наконечника выбирается в зависимости от укрепляемой конструкции в соответствии с требованиями надежности крепления в эксплуатации. Конец 4 наконечника 2 выполнен в виде конуса с заострением 45-60°, что снижает трудоемкость погружения сваи в грунт.
Спираль 3 выполнена с шагом 41-55 мм и шириной 10-45 мм (предпочтительно, 15-20 мм), толщиной 1, 6-4,0 мм. Меньшие значения ширины спирали предпочтительны для ее применения в сравнительно прочных грунтах (при этом толщина спирали должна быть не менее 3 мм), что обеспечивает «прорезание» грунта в который свая погружается, без повреждения и смятия спирали. Большие значения ширины спирали возможны для ее применения в сравнительно слабых грунтах - песчаных, болотистых и т.п.(при этом толщина спирали может быть порядка 2 мм и менее).
Таким образом, обеспечивается возможность подбора свай которые могут эффективно устанавливаться закручиванием в грунты различной несущей способности.
Для крепления опор в винтовой свае использованы известные средства крепления. Например, в стенках цилиндрического ствола 1 сваи прорезают отверстия (на чертежах не показаны) и приваривают гайки 5 (фиг. 3) для размещения болтов 6. При этом, вставляемая в сваю деталь, например, труба скрепляется со сваей с помощью болтов.
Если свая предназначена для опирания на нее ригеля или другой конструкции (на чертежах не показаны), то элементы 5 и 6 не используются, но, в этом случае она должна быть снабжена фланцем 7, выполненным из листовой стали толщиной от 8 мм до 12 мм, снабженным с отверстиями 8 для болтов или шпилек (диаметром от 10 мм до 15 мм). Фланец предпочтительно, должен быть выполнен в виде равностороннего шестиугольника (см. фиг. .4), снабженного крепежными отверстиями 8, размещенными на одинаковых расстояниях друг от друга и центра фланца, предпочтительно в углах равностороннего шестиугольника. Диаметр центрального отверстия 9 предпочтительно выбрать 24 мм под болт с резьбой 24 мм. Предпочтительно выполнение фланца с расстоянием между центрами диаметрально расположенных отверстий 167 мм. Наличие фланца упрощает и облегчает сервисные работы по установке фундамента, обеспечивает устойчивость конструкции. Различные варианты используемых фланцев позволяют расширить спектр применения сваи. Кроме того, фланец может быть выполнен в виде кольца с диаметрально расположенными на одинаковых расстояниях друг от друга отверстиями (на чертежах такой вариант не показан) или в виде диска с диаметрально расположенными отверстиями 8 и центральным отверстием 9.
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. Заявленная винтовая свая соответствует требованиям ГОС 23118-99 «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия».
В табл.1 приведены характеристики заявляемых винтовых свай, в т.ч. статические нагрузки с коэффициентами безопасности согласно DIN 1054 и DIN 18800.
Таблица
Типоразмер сваи (диаметр × длина ствола, мм)
диаметр × толщиа стенок, мм
M<sub>Rd</sub> (металл) (kNm)
M<sub>Rd</sub> (почва) (kNm)
F<sub>Rd,c</sub> (вниз) (kN)
F<sub>Rd,t</sub> (вверх) (kN)
F<sub>Rd,h</sub> (бок) (kN)
WBG66×550
66×2,0
1,363
0,259
2,50
1,70
0,50
WBG66×650
66×2,0
1,363
0,358
3,0
2,0
0,75
WBG66×700
66×2,0
1,363
0,517
3,50
2,25
1,0
WBG66×785
66×2,0
i,363
0,647
3,50
2,50
1,25
WBG76×800
76,1×2,0
1,834
1,811
13,50
7,00
3,50
WBG76×1000
76,1×2,0
1,834
2,328
16,50
9,50
4,50
WBG76×1200
76,1×2,0
1,834
2,846
18,50
11,50
5,50
WBG76×800
76,1×2,0
1,834
1,035
5,50
4,00
2,00
WBG76×1200
76,1×4,0
1,834
3,386
2,846
12,50
5,50
WBG76×1600
76,1×4,0
1,834
3,386
4,398
21,5
8,50
WBG76×2000
76,1×4,0
1,834
3,386
5,951
32,5
11,5
WBG90×800
88,9×3,0
3,670
1,294
10,5
6,0
2,5
WBG901000
88,9×3,0
3,670
1,656
14,5
7,5
3,2
WBG90×1200
88,9×3,0
3,670
2,173
18,0
10,0
4,2
WBG90×1200
88,9×4,0
4,729
3,881
30,0
16,5
7,5
WBG90×1600
88,9×4,0
4,729
5,962
41,0
24,5
11,0
WBG90×2000
88,9×4,0
4,729
7,245
55,0
35,0
14,0
WBG90×550
88,9×3,6
4,314
1,035
18,0
8,5
2,0
WBG90×800
88,9×3,6
4,314
1,811
22,5
5
3,5
WBG90×1000
88,9×3,6
4,314
2,328
27,0
13,5
4,5
WBG114×1000
114,3×4,0
8,058
3,105
20,0
10,5
6,0
WBG114×1200
114,3×4,0
8,058
4,140
30,0
15,5
8,0
WBG114×1400
114,3×4,0
8,058
5,174
40,0
21,0
10,0
WBG114×1200
114,3×4,0
8,058
4,916
35,0
20,5
9,5
WBG114×1600
114,3×4,0
8,058
6,986
47,5
27,5
13,5
WBG 114×2000
114,3×4,0
8,058
8,797
66,0
37,5
17,0
WBG 114×3500
114,3×3,6
8,058
15,40
115,50
65,62
29,75
WBG140×850
139,7×3,0
11,140
2,587
11,5
6,5
5,0
WBG140×1000
139,7×3,6
11,140
3,363
21,0
11,5
6,5
WBG140×1400
139,7×3,6
11,140
5,433
40,0
20,5
10,5
WBG140×1400
139,7×3,6
11,140
6,985
45,00
25,00
13,50
WBG140×1600
139,7×3,6
11,140
54,00
30,00
15,50
WBG140×1800
139,7×3,6
11,140
9,055
63,00
35,00
17,50
WBG 140×2000
139,7×3,6
11,140
10,090
72,50
40,00
19,50
WBG220×1800
219,1×6,3
71,79
27,166
150,0
95,0
>45,0
WBG220×2000
219,1×8,0
89,044
42,689
>175,0
>115,0
>60,0
При этом, в таблице 1 обозначены:
- MRd (металл) - изгибающий момент силы, необходимый для деформации стального корпуса винтовой сваи;
- MRd (почва) - изгибающий момент силы, необходимый для смещения закрученной в грунт винтовой сваи от вертикальной оси и рассчитанный по максимальной горизонтальной (боковой) нагрузке;
- FRd, c - максимальная сжимающая (давящая вниз) нагрузка;
- FRd, t - максимальная выдергивающая (тянущая вверх) нагрузка;
- FRd, h - максимальная горизонтальная (боковая) нагрузка.
Данные расчетные значения нагрузок действительны для природных плотных сухих глинистых почв и были получены при статических полевых испытаниях с применением уменьшающих коэффициентов 1,85 и 2.
Выполнение снабженного спиралью наконечника сваи длиной от 300 до 2000 мм с шагом спирали 41-55 мм, заявленной шириной и толщиной спирали является оптимальным для обеспечения высокой несущей способности винтового фундамента, в широком диапазоне несущих характеристик грунта которая обусловлена тем, что при погружении наконечника в слабый грунт, межвитковые промежутки грунта не разрыхляются, а наоборот - уплотняются спиралью винтовой сваи, увеличивая надежность фундамента, особенно для сложных грунтов, тогда как при применении сваи в сравнительно прочных грунтах обеспечивается «прорезание» грунта в который свая погружается, без повреждения и смятия спирали.
Малая площадь соприкосновения с грунтом (конец 4 наконечника 2 выполнен в виде конуса с заострением 45-60°) 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.
Заявленную винтовую сваю используют известным образом.
Если свая поставляется в заранее собранном виде, то процесс ее установки не отличается от процесса установки известных винтовых свай.
Если свая поставляется в виде отдельных узлов - наконечника 2, цилиндрического ствола 1 (фактически это даже не цилиндрический ствол, а его заготовка, длина которой заведомо превышает проектную длину сваи или даже нескольких свай) и фланца. В этом случае наконечник и фланец жестко скрепляются со втулками 10, плотно входящими при монтаже в полость цилиндрического ствола. Непосредственно перед установкой сваи осуществляют ее монтаж для чего жестко (например, сваркой) скрепляют наконечник и цилиндрический ствол, далее стык названных деталей известным образом покрывают защитным покрытием - наносят расплав цинка (наконечник и цилиндрический ствол имеют заводское покрытие -оцинкованы), что обеспечивает наличие защитного покрытия по всей внешней поверхности сваи.
Винтовая свая устанавливается вертикально при помощи специальных подручных средств или машин (на чертежах не показаны) - «завинчивается» в грунт. Время установки занимает всего несколько минут.
При установке свай в особо плотных и прочных грунтах целесообразно перед погружением сваи разбуривать скважину диаметром 0,5-0,75 от величины внешнего (по кромкам спирали) диаметра сваи и погружать сваю в такую скважину. Далее, при необходимости наваривают на торцы свай фланцы или фиксируют в них трубчатые опорные элементы, предназначенные для фиксации в полостях свай. При этом обязательно проведение работ по изолированию соединительного шва, которые выполняют, как вышеописано.
Фундамент на основе таких винтовых свай не создает критического давления на мягкие и не устойчивые грунты, поэтому его установка при глубине заложения большей глубины сезонного промерзания грунта 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.