ВИНТОВАЯ СВАЯ

Изобретение относится к строительству, в частности к сооружению свайных фундаментов, и может быть использовано 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, поверхность 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. RU №71668, E02D 5/56, 2008 г.).

Недостаток этого решения - невозможность использования на плотных грунтах, поскольку сильно развитая по площади винтовая лопасть не позволит «вкрутить» сваю в грунт, кроме того, внутренняя полость сваи открыта в окружающую среду, что способно привести к интенсивной коррозии внутреннего пространства или потребует нанесения защитного покрытия на внутреннюю полость трубы.

Известна также винтовая свая, включающая ствол с наконечником на одном конце и функциональным оголовком, жестко закрепленным на другом ее конце, содержащий спиральные участки (см. RU №109161 E02D 5/56, 2010 г.). При этом цилиндрический ствол сваи выполнен длиной от 1500 мм до 3000 мм, спиральными участками снабжен только наконечник сваи, который 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 - повышенные трудоемкость и энергоемкость изготовления сваи за счет большого количества технологических операций (операция формирования конуса сваи, изготовление спиральной ленты и ее приваривание к поверхности наконечника) и расхода энергии на нагрев трубной заготовки для последующего формирования конического участка (наконечника) сваи и приваривания спирали, кроме того, материалоемкость сваи велика вследствие достаточно большой площади ее поперечного сечения, кроме того, риск коррозии сварных швов на контакте спирали со стволом сваи снижает ее надежность при продолжительном периоде использования, кроме того, недостаточна несущая способность сваи в слабых, например болотистых грунтах, поскольку слабо развитая по площади спиральная поверхность (расположенная только на наконечнике) не позволит обеспечить достаточное сцепление с вмещающим массивом, составленным слабыми грунтами.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в снижении материалоемкости сваи, снижении трудоемкости и энергоемкости ее изготовления, а также повышении надежности ее работы.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в снижении материалоемкости сваи (суммарная площадь поперечного сечения снижена по сравнению с трубчатым стволом); снижении трудоемкости и энергоемкости ее изготовления (исключены операции формирования конуса сваи, изготовления спиральной ленты и ее приваривание к поверхности наконечника, кроме того, исключен расход энергии на нагрев трубной заготовки для последующего формирования наконечника сваи и приваривания к нему спирали), обеспечена надежная фиксация сваи при широком диапазоне изменения несущей способности грунта за счет большей площади спиральной поверхности сваи, расположенной по всей длине ее ствола (собственно, составляющей его. При этом спиральное деформирование полосы (не обладающей в недеформированном виде изгибной жесткостью) придает «спиральному стержню», изготовленному из нее, достаточную изгибную жесткость, позволяющую устанавливать сваю забивкой, а не только вращением.

Для решения поставленной задачи винтовая свая, включающая ствол с наконечником на одном конце и функциональным оголовком, жестко закрепленным на другом ее конце, содержащий спиральные участки, отличается тем, что ствол сваи выполнен из металлической полосы, деформированной в виде цельной спирали с шагом от 40 до 400 мм, по всей длине, кроме верхнего конца, оставленного плоским, при этом оголовок содержит отрезок трубы квадратного, или прямоугольного, или круглого сечения, в стенке которого выполнены параллельные вертикально ориентированные прорези, ширина которых соответствует толщине верхнего конца ствола сваи, которыми он надет на него, и жестко закреплен, например, сваркой, при этом верхний конец ствола сваи заострен, в нем выполнено сквозное отверстие, соосное по меньшей мере с одним сквозным отверстием, выполненным в стенке функционального оголовка, кроме того, выше уровня этого сквозного отверстия размещено как минимум одно средство крепления трубчатого опорного элемента, закрепляемой внешней конструкции, размещенного в полости функционального оголовка. Кроме того, средство крепления трубчатого опорного элемента выполнено в виде сквозного отверстия, выполненного в стенке функционального оголовка и снабженного резьбой с возможностью размещения в нем стопорного болта, причем их не менее трех равноудаленных друг от друга. Кроме того, наконечник сваи выполнен в виде заострения на ее конце. Кроме того, ширина металлической полосы составляет от 50 до 200 мм, толщина от 3 до 25 мм. Кроме того, длина ствола сваи составляет от 200 до 4500 мм. Кроме того, заострение конца сваи составляет 45-60° и имеет скошенные грани под углом 45°. Кроме того, погружаемая в грунт часть ствола сваи выполнена с гранями, скошенными под углом от 20 до 80° к оси ствола сваи.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.

Признаки «ствол сваи выполнен из металлической полосы, деформированной в виде цельной спирали» обеспечивают возможность снижения материалоемкости сваи (суммарная площадь поперечного сечения снижена по сравнению с трубчатым стволом); обеспечивают возможность снижения трудоемкости и энергоемкости ее изготовления (исключены операции изготовления спиральной ленты и ее приваривание к поверхности наконечника и сваи, кроме того, исключен расход энергии на нагрев трубной заготовки для последующего формирования наконечника сваи и приваривания к нему спирали), обеспечена надежная фиксация сваи при широком диапазоне изменения несущей способности грунта за счет большей площади спиральной поверхности сваи, расположенной по всей длине ее ствола (собственно, составляющей его), при этом спиральное деформирование полосы (не обладающей в недеформированном виде изгибной жесткостью) придает «спиральному стержню», изготовленному из нее, достаточную изгибную жесткость, позволяющую устанавливать сваю забивкой, а не только вращением.

Признаки, указывающие, что спираль изготовлена с «шагом от 40 до 400 мм», обеспечивают возможность оптимизации параметров спирального деформирования полосы, в зависимости от требуемой длины сваи и параметров полосы, используемой для ее изготовления.

Признаки, указывающие, что верхний конец спирали оставлен плоским, обеспечивают возможность простого и надежного соединения ствола с оголовком.

Признаки, указывающие, что «оголовок содержит отрезок трубы квадратного, или прямоугольного, или круглого сечения», обеспечивают возможность размещения в нем и надежного закрепления опорного элемента (типа столба ограды, опоры рекламного щита и т.п.).

Признаки, указывающие, что «в стенке отрезка трубы выполнены параллельные, вертикально ориентированные прорези, ширина которых соответствует толщине верхнего конца ствола сваи, которыми он надет на него, и жестко закреплен, например, сваркой», обеспечивают возможность надежного скрепления ствола сваи с оголовком и погружения сваи ударным воздействием по оголовку.

Признаки, указывающие, что «верхний конец ствола сваи заострен», обеспечивают возможность фиксации нижнего конца опорного элемента (типа столба ограды, опоры рекламного щита и т.п.), выполненного, как трубчатый стержень или деревянный столбчатый элемент, что исключает возможность произвольного наклона этого элемента при сдвигающем воздействии на его часть, выступающую из оголовка.

Признаки, указывающие, что на верхнем конце ствола сваи «выполнено, сквозное отверстие, соосное по меньшей мере с одним сквозным отверстием, выполненным в стенке функционального оголовка», обеспечивают, при необходимости, погружение сваи завинчиванием ее в грунт, без риска повреждения ее верхней части.

Признаки, указывающие, что «выше уровня этого сквозного отверстия ствола сваи «размещено как минимум одно средство крепления трубчатого опорного элемента, закрепляемой внешней конструкции, размещенного в полости функционального оголовка», обеспечивают зажимание трубчатого опорного элемента выше его опорной поверхности

Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают надежную фиксацию трубчатого в оголовке, раскрывают возможный вариант реализации средства крепления.

Признаки третьего пункта формулы изобретения» упрощают конструкцию сваи и обеспечивают снижение усилий, необходимых для ее ударного погружения.

Признаки четвертого и пятого пунктов формулы изобретения позволяют варьировать в широком диапазоне характеристики сваи, в зависимости от условий ее применения.

Признаки шестого пункта формулы изобретения позволяют повысить «режущие» характеристики наконечника сваи и снижают сопротивление его внедрению при наличии твердых включений в грунте.

Признаки седьмого пункта формулы изобретения позволяют повысить «режущие» характеристики боковых кромок сваи и снижают сопротивление ее внедрению при наличии твердых включений в грунте.

Заявленная свая иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид сваи с прямоугольным трубчатым оголовком; на фиг 2 представлен продольный разрез винтовой сваи.

На чертежах показаны ствол 1 с наконечником 2, функциональный оголовок 3, отрезок трубы 4, его стенка 5, сквозное отверстие 6 в стенке 5, стопорный болт 7, верхний (плоский) конец 8 ствола 1, его заострение 9, грани 10 сваи, ось 11 ствола 1, второе сквозное отверстие 12 в стенке 5, соосное с отверстием 13, выполненным на верхнем конце 8 ствола 1, скошенные грани 14 наконечника 2, прорези 15, опорные стойки 16.

Ствол 1 винтовой сваи выполнен из металлической полосы, деформированной по ее длине (кроме верхнего конца 8, оставленного плоским) в виде цельной спирали с шагом от 40 до 400 мм, при этом ширина полосы от 50 до 200 мм, толщина от 3 до 25 мм, с сохранением постоянными значений этих параметров по всей длине ствола. Кроме того, погружаемая в грунт часть ствола 1 сваи выполнена с гранями 10, скошенными под углом от 20 до 80° к оси 11 ствола сваи. Длина ствола 1 может варьировать от 200 до 4500 мм. Верхний (плоский) конец 8 ствола 1 снабжен заострением 9 и сквозным отверстием 13.

Наконечник 2 сваи выполнен в виде заострения на ее погружаемом конце под углом 45-60° и имеет скошенные грани 14 под углом 45°, что снижает трудоемкость погружения сваи в грунт.

Функциональный оголовок 3 сваи выполнен в виде жестко скрепленного с ней отрезка трубы 4 (квадратного, или прямоугольного, или круглого сечения), в стенке 5 которого выполнено как минимум одно сквозное отверстие 6 (желательно не менее трех), снабженное резьбой с возможностью размещения в нем стопорного болта 7. Кроме того, в стенке оголовка выполнены параллельные вертикально ориентированные прорези 15, ширина которых соответствует толщине верхнего конца 8 ствола сваи, которыми он надет на него, и жестко закреплен, например, сваркой. Кроме того, ниже ряда сквозных отверстий 6 в стенке оголовка выполнено как минимум одно, а лучше два диаметрально противоположных вторых сквозных отверстия 12, соосных с отверстием 13, выполненным на верхнем конце 8 ствола 1.

Этот вариант выполнения функционального оголовка 3 обеспечивает крепление опорных стоек 16, конструкций, опираемых на сваи, при этом вставляемая в полость оголовка 3 деталь, например труба-опора дорожного знака, скрепляется со сваей с помощью стопорных болтов 7, вкручиваемых в отверстия 6 до упирания в поверхность этой трубы.

При проведении расчетов и экспериментальных работ заявителем были сделаны выводы, что предложенные конструкции винтовых свай обеспечивают 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.

Выполнение ствола 1 сваи из металлической полосы, деформированной по всей длине в виде цельной спирали с шагом от 40 до 400 мм, при этом ширина полосы от 50 до 200 мм, толщина от 3 до 25 мм длиной от 200 до 4500 мм, является оптимальным для обеспечения высокой несущей способности винтового фундамента, в широком диапазоне несущих характеристик грунта, которая обусловлена тем, что при погружении в грунт наконечника межвитковые промежутки грунта не разрыхляются, а наоборот - уплотняются спиралью винтовой сваи, плотно прилегая к ней, увеличивая надежность фундамента, особенно для сложных грунтов.

Малая площадь соприкосновения с грунтом переднего конца сваи (наконечника 2, заостренного под углом 45-60° и имеющего скошенные грани 14 под углом 45 градусов) упрощают ее погружение в грунт, а наличие спирали с развитой площадью опоры с предложенными геометрическими размерами не создают критического давления даже на мягкие торфяные и песчаные грунты и не позволяют опираемой конструкции проседать или выдавливаться вверх, даже при глубоком промерзании грунта.

Заявляемая винтовая свая устанавливается строго вертикально. Далее, удерживая ее в этом положении, наносят удары по верхнему торцу сваи (непосредственно по свободной поверхности ее оголовка). За счет спиральности ствола сваи ударная нагрузка преобразуется во вращательную. При этом, за счет малого сечения сваи и заостренности кромок спирали, обеспечивается ввинчивание сваи в грунт, без особого разрушения последнего, что способствует более высокому значению сопротивления сваи выдергиванию по сравнению с известными сваями с цилиндрическим стволом (при одинаковых внешних диаметрах свай). В процессе установки используют ручной инструмент (если длина и сечение свай сравнительно невелики и грунт не является сильно плотным). Если же длина свай превышает 2 м, а диаметр сечения больше 100-120 мм, то при этом используют специальные подручные средства или машины. Время установки занимает всего несколько минут. При этом площадь соприкосновения формируемого винтового свайного фундамента с грунтом по сравнению с обычными фундаментами велика, благодаря чему такой фундамент значительно лучше удерживается в грунте.

Если предполагается погружение сваи вращением, то через вторые сквозные отверстия 12 и отверстие 13 ствола 1 пропускают металлический прут, например лом, монтировку и т.п. (на чертежах не показан) и после нескольких ударов по оголовку вращают сваю в сторону, обеспечивающую ее завинчивание, что обеспечивает ее погружение в грунт. При упоре наконечника сваи в твердое включение последнее разбивают ударом по оголовку сваи, после чего продолжают ее завинчивание.