МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВАЯ
METAL PILE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для возведения крупных административных, торговых, жилых, складских и производственных зданий и сооружений, в том числе в сейсмических районах, а также при строительстве мостов и эстакад.
Известна забивная железобетонная свая, состоящая из монолитного бетона разного поперечного сечения и внутреннего арматурного каркаса (см. ГОСТ 19804-2012 "Сваи железобетонные заводского изготовления" и СНиП 2.02,03-85 "Свайные фундаменты").
Недостатком данной сваи является ограниченная несущая способность, определяемая габаритами ее поперечного сечения, обычно несколько десятков сантиметров.
Также известна забивная свая, состоящая из железобетонного ствола и нижней части с раздвигаемыми лопастями, которые поворачиваются под действием клиновидного элемента в процессе забивания (см. патент РФ 2082851 от 13.01.1993 г., МПК E02D 5/54).
Недостатки данной сваи следующие:
1. Наличие предварительно изготовленной лунки уменьшает боковую устойчивость сваи, так как грунт извлекается. Необходима засыпка лунки.
2. Возможна поломка сваи при повороте лопасти в случае ее контакта с твердыми частями грунта или камнем, то есть возможен отрыв лопасти.
3. Возможно нераскрытие лопасти в случае ее контакта с твердыми частями грунта, например, камнем.
4. При забивании сваи боковое давление грунта на лопасти может превысить давление грунта на клиновидный элемент, то есть лопасти могут совсем не раскрыться.
5. Установка сваи требует предварительного изготовления лунки для размещения клиновидного элемента, то есть нужна хорошая поверхность грунта, обводненные и заболоченные участки не подходят, что ограничивает область применения данной сваи.
Также известна полая металлическая свая с нишами на боковой поверхности, в которых расположены выдвигаемые узлы-лопасти, связанные со сваей через металлические пластины. Выдвижение лопастей происходит с помощью гидравлического удара или пружин (см. а.с. СССР 823494 от 13.03.1979 г. МПК E02/D5/54).
Недостатки данной сваи следующие:
1. При повороте лопасти в процессе забивания под ней или над ней образуется пустая полость, которая снижает несущую способность сваи на продавливание или вырывание.
2. Возможна поломка сваи при повороте лопасти в случае ее контакте с твердыми частями грунта или камнем, то есть возможен разрыв пластины.
3. Возможно нераскрытие лопасти в случае ее контакта с твердыми частями грунта, например, камнем.
4. Применение гидравлики для раскрытия лопастей требует обеспечения герметичности, что весьма проблематично в условиях строительства, лопасти могут не раскрыться.
5. Усилия пружин не хватит для раскрытия лопастей, что ограничивает диаметр сваи небольшими размерами в несколько десятков сантиметров.
Также известен грунтовый анкер по а.с. СССР 996632 от 15.02.1983 г., МПК E02D 5/80, состоящий из вертикального полого корпуса, заполненного топливной смесью, и камерами сгорания с расположенными в них горизонтальными цилиндрическими направляющими, имеющими внутри себя анкерирующие элементы в форме цилиндра и сопла Лаваля с кумулятивным зарядом.
Недостатки данного изобретения следующие:
1. Для выдвижения анкерирующих элементов фактически предложен ракетный двигатель на твердом топливе (сопло Лаваля), что является весьма опасным и ненадежным на стройплощадке, может просто взорваться. Подобный двигатель давно известен и использовался еще в годы Великой Отечественной воины, например “катюши”.
2. Газовый поток, исходящий из сопла Лаваля со сверхзвуковой скоростью, разрушает грунт у корпуса анкера произвольным образом без четких размеров, диаметр отверстия в грунте будет значительно больше диаметра анкерирующего элемента из-за расходящегося профиля газового потока, то есть фиксация анкера в грунте будет не жесткой, а несущая спобность невысокой.
3. Выдвижение анкерирующих элементов за пределы корпуса не гарантировано, так как усилие от газового потока из сопла Лаваля направлено прямо противоположно направлению выдвижения,
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности (прототипом) является свая, состоящая из цилиндрической обечайки, на боковой поверхности которой выполнены отверстия с расположенными в них выдвижными узлами, выдвигаемыми за периметр обечайки силовыми приводами (см. а.с. СССР 796309 от 15.01.1981 г., МПК E02D 5/44).
Недостатки данной сваи следующие:
1. Мала площадь опоры выдвижных узлов, они не являются длинномерными, что не позволяет существенно повысить несущую способность сваи.
2. Крепление выдвижных узлов к обечайке сваи с помощью цилиндрических шарниров типа дверной петли не является надежным, площадь фиксации по толщине стенки обечайки является недостаточной, выдвижные узлы могут сместиться по вертикали или могут отсоединится от обечайки.
3. Данная свая является чрезвычайно энергозатратной, к инвентарной штанге необходимо приложить огромный вращающий момент, так как нет механизма увеличения начального усилия.
4. Отсутствует фиксация выдвинутых выдвижных узлов в радиальном направлении, так как инвентарная штанга после поворота убирается и они под давлением грунта могут вернуться в первоначальное положение внутрь обечайки, то есть известная свая может оказаться полностью нероботоспособной.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение несущей способности сваи.
Поставленная задача решается тем, что в свае, состоящей из цилиндрической обечайки, на боковой поверхности которой выполнены отверстия с расположенными в них выдвижными узлами, выдвигаемыми за периметр обечайки силовыми приводами, выдвижные узлы выполнены в виде неповижных элементов-направляющих труб, вставленных в отверстия обечайки и соединенных по своим концам с ней, и подвижных элементов-анкеров-труб с конической передней частью и резьбой, выполненной в тыльной их части, расположенных внутри неподвижных элементов и соединенных с ходовым винтом силового привода, закрепленного на неподвижных элементах-направляющих трубах.
Сущность заявляемого изобретения представлена на чертежах Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7.
На Фиг. 1 показан вертикальный разрез сваи с выдвинутым анкером, выполненным в форме трубы, и силовым приводом в виде ходового винта и связанного с ним барабаном с силовым тросом. На Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6 показаны поперечные сечения сваи по линиям А-А, В-В, В-В, Г-Г, Д-Д фиг. 1 в увеличенном масштабе. На Фиг. 7 показан местный вырыв I Фиг. 2 - поперечное сечение силового привода в увеличенном масштабе. Показанный на Фиг. 2 анкер-труба не выдвинут, то есть находится в исходном положении.
Свая, представленная на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6 и Фиг. 7, состоит из цилиндрической обечайки поз. 1, на поверхности которой выполнены отверстия поз. 2. Внутри этих отверстий расположены силовые узлы, состоящие из неподвижных поз. 3 и подвижных поз. 4 элементов. В данном случае цилиндрическая обечайка, неподвижные и подвижные элементы выполнены из круглых труб. Неподвижные элементы приварены к обечайке, а подвижные-размещены в неподвижных по скользящей посадке. С передней стороны подвижные элементы имеют конус поз. 5, предназначенный для снижения усилия сопротивления грунта при их выдвижении, а с задней-гайку-фланец поз. 6, который находится в зацеплении с ходовым винтом поз. 7. Ходовой винт закреплен на неподвижном элементе-трубе поз. 3 через фланец поз. 8, сваренный с ней, и заглушку поз. 9, фиксируемую на фланце болтами поз. 10. На тыльном конце ходового винта через шпонку поз. 11 размещен вращаемый барабан поз. 12 с силовым тросом поз. 13. Трос на барабане фиксируется винтом поз. 14, а сам барабан на ходовом винте поз. 7 фиксируется гайкой поз. 15. Тыльное отверстие поз. 2 заглушено фланцем поз. 16. Место сварки обечайки и неподвижных элементов показано поз. 17.
Получение технического результата (достижение технической задачи) обеспечивается за счет резкого увеличения площади опоры сваи, так как к площади нижнего торца сваи добавляется площадь продольных сечении выдвигаемых элементов-анкеров, которая может быть равной площади поперечного сечения сваи или даже превосходить ее. Резкий рост поперечной опоры сваи позволяет увеличить вертикальную нагрузку на сваю, повысить ее несущую способность. При необходимости появляется возможность сократить количество сваи на одном объекте и, тем самым, сократить сроки строительства, снизить материалоемкость и стоимость его. Использование цилиндрических труб в качестве неподвижной и подвижной частей анкеров резко увеличивает прочность всей конструкции из-за высокого момента сопротивления поперечного сечения труб. Это позволяет делать анкера длинномерными и рассчитывать на высокую нагрузку. Сочетание двух гладких труб позволяет обеспечить точную подгонку внутреннего диаметра неподвижного элемента и наружного диаметра подвижного элемента, например, скользящую посадку, так как трубы выпускаются на серийных заводах с высокой точностью. Данный фактор обеспечивает точную фиксацию подвижного элемента в неподвижном и исключает возможность "шатания" анкеров-труб, то есть исключает возможность смещения вершины конической части анкера по вертикали и горизонтали относительно центра отверстия в обечайке. Наличие цилиндрической круглой формы у анкера-трубы и конуса в его передней части обеспечивает равномерное и значительное уплотнение грунта по всей поверхности анкера, что приводит к повышению несущей способности сваи. Наличие ходового винта, оставляемого в свае, позволяет жестко фиксировать анкер в радиальном направлении, что исключает его обратное задвигание внутрь сваи под давлением грунта, обеспечивает его работоспособность и высокую несущую способность всей конструкции. В целом, несущая способность сваи резко повышается за счет двух факторов повышения опорной поверхности сваи и за счет высокой надежности работы выдвижных узлов, выполненных из простых составных частей, которые в сочетании друг с другом дают высокий положительный результат.
1
1
2
В качестве примера конкретного исполнения представлена свая из сварной стальной трубы ∅1020×25 мм по ГОСТ 10704-91 длиной L=20 м. В нижней (погружаемой) части сваи к обечайке-трубе (поз. 1 на всех чертежах) приварен стальной конус, выполненный из листа толщиной 15 мм. На расстоянии примерно 1 м. от конуса в трубе выполнены два первых сквозных радиальных отверстия ∅299 мм, (поз. 2 на Фиг. 2). Далее расположены с интервалом l=600 мм. по вертикали еще 5 пар сквозных отверстии ∅299 мм., повернутых на 60° относительно друг друга для равномерного распределения выдвижных элементов-анкеров вокруг продольной оси сваи. К внутренним поверхностям радиальных отверстии приварены неподвижные элементы поз. 3 (см. Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 7), выполненные из стальной трубы ∅299×13 мм. ГОСТ 8732-78. Внутри них размещены подвижные элементы-анкера поз. 4 (см. Фиг. 1 и Фиг. 2), выполненные из стальной трубы ∅273×12 мм ГОСТ 8732-78. Длина трубы поз. 3 равна 975 мм., то есть практически соответствует диаметру трубы поз. 1, а длина трубы поз. 4 равна 640 мм. На передней части выдвигаемого элемента поз. 4 приварен конус поз. 5, выполненный из стального листа толщиной 10 мм., а на тыльной части приварен стальной фланец поз. 6 толщиной 50 мм с центральным отверстием, в котором нарезана резьба М48×5 мм. и установлен ходовой винт поз. 7 с резьбой также М48×5 мм. Тыльная часть ходового винта подвижно зафиксирована во фланце поз. 8, приваренном к неподвижному элементу-трубе поз. 3, с помощью заглушки поз. 9 и болтов поз. 10. Фланец имеет толщину 30 мм., заглушка-10 мм., болты М12×25 мм. На ходовом винте поз. 7 через шпонку поз. 11 также зафиксирован вращаемые барабан поз. 12. Наружный диаметр барабана 175 мм., длина 150 мм., диаметр внутреннего отверстия под ходовой винт 48 мм., материал-сталь 40. Размер шпонки 14×9×130 мм. по ГОСТ 23360-78. Материал ходового винта-качественная сталь 40ХН. На вращаемом барабане намотан силовой трос поз. 13. Фиксация внутреннего витка троса выполнена с помощью защемления его винтом М10 поз. 14. Силовой трос имеет диаметр 7,6 мм. по ГОСТ 2688-80 и разрывное усилие 3296 кГ. Вращаемый барабан виксируется на ходовом винте гайкой М48 поз. 15. Тыльное отверстие ∅299 мм. поз. 2 заглушается фланцем поз. 16 из стального листа 15 мм., приваренного к обечайке поз. 1. Технологический процесс изготовления сваи выглядит так сначала изготавливается свая с передним конусом и боковыми отверстиями ∅299 мм., затем в них устанавливаются заранее изготовленные и собранные силовые привода и приваривают их через неподвижные элементы к обечайке-трубе. В тыльных частях неподвижных элементов выполнены боковые отверстия (не заштрихованы) для удобство монтажа конструкции и обеспечения возможности вывода силового троса. Затем свая помещается в грунт методом завивания или вибропогружения. После погружения сваи функционирование силового привода обеспечивается натяжением силового троса усилием R, равным примерно 100 кГ за счет электролебедки, установленной на стройплощадке. Усилие R равное 100 кГ при шаге его резьбы 5 мм обеспечивает усилие выдвижения подвижного элемента равное R=9000 кГ. Этого вполне достаточно для работы силового привода, так как согласно СНиП2.02.03-85 "Свайные фундаменты" табл. 2 расчетное сопротивление мелких пылеватых песков на глубине 20 м. для забивной сваи на ее боковой поверхности равно 4,1 т/кв.м. = 0,41 кГ/кв.см. Необходимое усилие выдвижения подвижного элемента-анкера равно, таким образом, всего 240 кГ. При выдвижении подвижного элемента наружу около его конуса и под трубой происходит дополнительное уплотнение грунта и повышение его расчетного сопротивления до 180 т/кв.м. = 18 кГ/кв.см. для мелких пылеватых песков (см. табл. 1 СНиП 2.02.03-85 "Свайные фундаменты"). Для сваи из трубы ∅ 1020×25 поперечная площадь нижнего торца равна 8167 кв.см. Анкер-труба поз. 4 выдвигается на расстояние Н=510 мм. Следовательно, площадь дополнительной опоры от использования одного анкера равна 1392 кв.см. для трубы ∅273 мм., а для 6 анкеров, как показано на Фиг. 3 и Фиг. 4, площадь дополнительной опоры равна 8352 кв.см. Таким образом, общая площадь дополнительной опоры превосходит площадь нижнего торца сваи, равную 8167 кв.см. В целом, несущая способность данной сваи увеличивается в 2 раза для пылеватых мелких песков она возрастает с 147 тонн до 297 тонн, что позволяет сократить количество свай на строящемся объекте, сокращает сроки и стоимость строительства.