Свая

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям забивных свай с уширениями.

В ряде случаев свайные фундаменты воспринимают выдергивающие нагрузки, например, при строительстве ЛЭП, радиоантенн, башен, в анкерных технологических сооружениях /см. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Учеб. пособие для строительных вузов/ С.Б. Беленький и др. - М., Высш. школа, 1983, стр. 123 [1]/. Кроме того, распространено сооружение свайных фундаментов в зонах слабых грунтов: ила, торфа, заторфованных грунтов, глины и суглинков текучепластической консистенции, супеси и т.д /см. [1], стр. 133/. В этих случаях необходимо искусственно повышать несущую способность свай по грунту основания. С этой целью применяют специальные конструкции свай: сваи с опорным уширением, самораскрывающиеся козловые сваи, веерные сваи, булавовидные сваи и т.д. /см. Т.М. Штоль и др. Технология возведения подземной части зданий и сооружений. Учебн. пособие для вузов. Спец. Пром. и гражд. с-во. М., Стройиздат, 1990, стр. 143-146, 156-158 [2]/.

Недостатками всех известных конструкций является их сложность, трудоемкость процесса забивки, узкие области применения, а также ограниченное повышение несущей способности свай.

Известны конструкции свай с уширениями, основанные на использовании обычных свай с применением специальных расширителей в нижней части.

Например, известны сваи с устройством для расширения площади опоры, включающие прикрепленные к свае накладки и расширитель с фиксатором, прижатый к свае-оболочке при ее погружении, и раскрывающийся только после ее погружения на необходимую глубину по сигналу сверху /см. Гмошинский В.Г. Индустриальные методы возведения свайных фундаментов. Обзор иностранных изобретений. М., 1965, стр. 16-17, фиг. 5 [3]/.

Известны также сваи, включающие ствол с нишами на разных уровнях с размещенными в них выдвижными элементами, и приспособление для их выдвижения /см. Экспресс-информация "Транспортное строительство" за рубежом", №1, М., 1973, стр. 23, рис. 13 [4]; а.с. СССР по заявке №2535003/29-33, кл. E02D 5/54, 18.10.77 [5]/, причем, выдвижные элементы могут быть образованы, например, клиньями /см. а.с. СССР №379738, кл. E02D 5/54, 1971 [6], либо трубчатого овального поперечного сечения, расположенными в выполненной по винтовой линии нише /см. а.с. СССР №746038, кл. E02D 5/54, 1978 [7]/.

Недостатками всех известных устройств является сложность как механизмов управления расширителями сигналами сверху/применение специальных электромеханических, гидравлических и пневматических силовых устройств/, так и трудоемкость самого процесса управления /например, выдвижения без перекосов и заклинивания выдвижных элементов/, значительное дополнительное сопротивление при погружении свай в грунт, недостаточная эффективность повышения несущей способности свай.

Известны сплавы с эффектом термомеханической памяти формы, например, нитинол NiTi характеризующиеся релейным изменением эффективной жесткости выполненного из них активного элемента /более чем на 200% /при изменении температуры до заданного порогового значения/ температуры срабатывания/, причем, такие изменения могут влиять на величину изгиба активного элемента под нагрузкой /см. К. Уорден. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. Москва: Техносфера, 2006, стр. 113 [8]/. Кроме того, для стержней из таких сплавов, находящихся под воздействием продольной сжимающей силы, при увеличении температуры до заданного порогового значения изменяется величина критической силы Р_кр., определяющей потерю устойчивости /см. патент РФ на изобретение №2465114, кл. B23Q 5/54, 2010 [9]; Мовчан А.А., Сильченко Л.Г. Устойчивость стержня, претерпевающего прямое или обратное мартенситное превращение под действием сжимающих напряжений/ Прикладная механика и техническая физика, 2003, т. 44, №3, стр. 169-178 [10]/.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является свая, содержащая ствол с выполненными в нем на разных уровнях глухими поперечными нишами, в каждой из которых свободно размещен соответствующий выдвижной элемент с зазором относительно торца ниши, и приспособления для выдвижения выдвижных элементов, каждое из которых выполнено в виде размещенных в зазоре емкостей, заполненных химическими веществами, образующими при взаимодействии между собой газ /см. а.с. СССР №703624, кл. E02D 5/54, 1977 [11]/, и принятая за прототип.

Недостатками устройства-прототипа являются предельная сложность и низкая технологичность как самой конструкции, так и процесса ее работы, состоящего из многих стадий /операций/: сначала разбитие стеклянной капсулы со щелочью под действием инерционных ударных сил, потом расстворение раствором щелочи коллоидной оболочки с аллюминиевой пудрой, потом осуществление химической реакции взаимодействия этих двух веществ с образованием газа, потом осуществление давления газом на выдвижные элементы, и потом сбрасывание излишков газа при заданной величине уширения, и как следствие - низкая надежность за счет большой вероятности несрабатывания хотя бы в одной из стадий процесса, значительная трудоемкость.

Сущность изобретения заключается в создании конструкции забивной сваи с механизмом ее уширения после забивки, обеспечивающим предельную простоту выдвижения ее элементов по сигналу сверху практически автоматически без использования сложных электромеханических, гидравлических или пневматических механизмов и осуществления последовательности химических процессов с помощью использования элементов с особыми физическими свойствами.

Технический результат - упрощение конструкции сваи и повышение ее технологичности, снижение трудоемкости процесса забивки сваи и повышение его надежности.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной свае, включающей ствол с выполненными в нем на разных уровнях поперечными нишами, в каждой из которых свободно размещен выдвижной элемент, и приспособление для выдвижения данного выдвижного элемента, особенность заключается в том, что в стволе сваи выполнено сообщающееся с поперечными нишами осевое глухое отверстие, а приспособление для выдвижения каждого из выдвижных элементов выполнено в виде установленного в осевом отверстии и нагруженного регулируемой продольной сжимающей силой, создаваемой исходно сжатой винтовой цилиндрической пружиной, активного, упругого в осевом направлении элемента, представляющего собой полый цилиндр, разделенный на отдельные полосы щелевыми прорезями по всей длине за исключением концевых участков и изготовленный из сплава NiTi с эффектом термомеханической памяти формы характеризующегося релейным уменьшением эффективной жесткости активного элемента и величиной его критической силы Р_кр. до значения продольной сжимающей силы при увеличении температуры активного элемента до заданного порогового значения, сопровождающегося потерей продольной устойчивости активного элемента с выпучиванием наружу его боковой цилиндрической поверхности, образующие полосы которой прикреплены к выходящим внутрь осевого отверстия торцам соответствующих выдвижных элементов, при этом все активные элементы подключены к установленному сверху сваи источнику электрических сигналов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где схематично на фиг. 1 и фиг. 2 изображены продольные осевые сечения предлагаемой сваи соответственно до и после релейного срабатывания приспособления с выдвижными элементами.

Свая состоит из ствола 1, в котором на разных горизонтальных уровнях выполнены поперечные ниши 2, в каждой из которых свободно размещен соответствующий выдвижной элемент 3. В стволе 1 сваи выполнено сообщающееся с поперечными нишами 2 осевое глухое отверстие 4. Для выдвижения элементов 3 свая снабжена специальным приспособлением. При этом приспособление для выдвижения каждого из выдвижных элементов 3 выполнено в виде установленного в осевом отверстии 4 и нагруженного регулируемой продольной сжимающей силой активного, упругого в осевом направлении элемента 5, 6, …, представляющего собой полый цилиндр, разделенный на отдельные полосы 7 щелевыми прорезями 8 по всей длине за исключением концевых участков. Нижние торцы активных элементов 5, 6 … жестко прикреплены неподвижно либо к дну глухого отверстия 4 /нижний активный элемент 5/, либо к резьбовым гайкам 9 /элементы 6 …/, ввернутым и жестко зафиксированным в запрессованную в отверстие 4 резьбовую втулку 10. Верхние подвижные торцы активных элементов 5, 6 … нагружены регулируемой продольной сжимающей силой, создаваемой прикрепленной к ним /приваренной/ винтовой цилиндрической пружиной 11 с помощью поворотной в резьбе втулки 10 регулировочной гайки 12. При этом активные элементы 5, 6 … изготовлены из сплава нитинол NiTi c эффектом термомеханической памяти формы, характеризующегося релейным уменьшением эффективной продольной жесткости активного элемента 5, 6 … и величины критической силы Р_кр. до значения продольной сжимающей силы при увеличении температуры активного элемента 5, 6 … до заданного порогового значения, сопровождающегося потерей продольной устойчивости активного элемента 5, 6 … с выпучиванием наружу его боковой цилиндрической поверхности, то есть преобретением активным элементом 5, 6 … формы "елочного фонарика" /см. [8], [9], [10]/ Образующие полосы 7 активных элементов 5, 6 … прикреплены к выходящим внутрь осевого отверстия 4 внутренним торцам соответствующих выдвижных элементов 3. Все активные элементы 5, 6 … электрически соединены между собой гибкими проводами 13, выведенными через отверстия 14 наверх сваи с подключением к установленному на поверхности универсальному источнику электрических сигналов 15. Использование для изготовления активных упругих элементов 5, 6 … с термомеханической памятью формы именно сплава нитинол NiTi объясняется огромным изменением его эффективной жесткости /более чем на 200%/ при нагревании до температуры перехода / см. [8], стр. 113/, то есть простотой осуществления эффекта потери продольной устойчивости под сжимающей нагрузкой, отработанностью технологического процесса изготовления элементов из нитинола, невысокой температурой срабатывания от -200°С до +100°С /см. [8], стр. 102/, невысокой электрической проводимостью сплава, обеспечивающей срабатывание при нагревании путем пропускания электрического тока непосредственно через активный элемент 5, 6 … В качестве пружин сжатия 11 использованы мощные силовые пружины, прикладывающие при срабатывании из сжатого состояния осевые усилия к выдвижным элементам 3, обеспечивающие их углубление в рыхлый грунт. В качестве порогового значения выбрана температура нагрева активных элементов 5, 6 … порядка +80°С÷90°С: с одной стороны до такой температуры элементы легко нагреть за несколько минут, а с другой стороны - сама по себе без искусственного нагрева в почве такие температуры не возникают.

Работа предлагаемого устройства, то есть образование уширения в свае производится следующим образом.

При настройке устройства до начала процесса забивания сваи с помощью регулировочных гаек 12 сжимают пружины 11 до создания ими действующей на активные элементы 5, 6 … продольной сжимающей силы несколько меньшей по величине расчетных значений критической силы Р_кр., определяющей потерю продольной устойчивости активных элементов 5, 6 … Последние конструируют так, чтобы при потере ими устойчивости образующие полосы 7 цилиндрической поверхности выпучивались наружу до упора во внутреннюю поверхность осевого отверстия 4. После забивания находящейся в исходном состоянии /см. фиг. 1/ сваи в рыхлый грунт на заданную глубину в активные элементы 5, 6 … подают от источника электрических сигналов 15 /универсального генератора, совмещенного с усилителем мощности/ ток заранее заданной величины, обеспечивающий в течение расчетного промежутка времени порядка нескольких минут нагрев активных элементов 5, 6 … из сплава NiTi до заданного порогового значения /+80°÷+90°С/, при этом релейно уменьшается эффективная продольная жесткость активных элементов 5, 6 … и величина их критической силы Р_кр. до значения исходной продольной сжимающей силы, что приведет к релейной потере продольной устойчивости элементов 5, 6 … с выучиванием наружу их боковых цилиндрических поверхностей. При этом образующие полосы 7 данных поверхностей выдвинут с необходимым усилием наружу из сваи прикрепленные к ним выдвижные элементы 3 /см. фиг. 2/ на заранее заданное расстояние с заданной силовой нагрузкой на рыхлый грунт, что обеспечит необходимое уширение сваи.

Предлагаемое устройство сваи характеризуется предельной простотой технологичностью и высокой надежностью. Оно позволяет максимально возможно сократить трудоемкость процесса утирания сваи, практически исключить вероятность несрабатывания и применения специальных силовых электромеханических, гидравлических, пневматических и т.п. механизмов, то есть практически автоматизировать рабочий процесс забивки сваи.