Результат интеллектуальной деятельности: МНОГОЛОПАСТНАЯ ВИНТОВАЯ СВАЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к многолопастным винтовым сваям, предназначенным для устройства фундаментов различных зданий и сооружений: под опоры высоковольтных воздушных линий электропередачи, антенно-мачтовых сооружений, открытых распределительных устройств линий связи, опоры сотовой связи, кранов, опор мостов, эстакад, трубопроводов, преимущественно в талых, с сезонным промерзанием вечномерзлых грунтах, а также в условиях обводненной и заболоченной местности и в поймах рек, то есть, сваи применимы для всех видов нескальных грунтов (дисперсных, мерзлых и техногенных), кроме скальных грунтов и грунтов с включением валунов.

Известна винтовая свая, включающая ствол сваи и стальной литой, термообработанный (отожженный) конический наконечник, содержащий полый цилиндрический и конический участки, с образующей конуса выполненной в виде прямой, а также винтовой лопастью, заходящей на конический участок в пределах 2/3-3/4 витка винтовой лопасти, отличающаяся тем, что поперечное сечение винтовой лопасти имеет трапецеидальную форму профиля, расширяющуюся по толщине от периферии к основанию винтовой лопасти, при этом угол расширения поперечного сечения винтовой лопасти α₂ в зависимости от соотношения диаметра ствола D_c и диаметра винтовой лопасти D_л составляет (3-12)°, а ширина винтовой лопасти B₂ равна 0,5(D_л-D_с) [1].

Эта известная винтовая свая не отличается универсальностью своего функционального назначения, так как не может обеспечить надежную работу в грунтах различного типа, например, в талых и одновременно вечномерзлых грунтах (одна винтовая лопасть, наконечник с полыми цилиндрическим и коническим участками), а также в ней не выявлены и не определены важные параметры, используемые для расчета предельной несущей способности сваи, которая ограничивает общую несущую способность.

Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному является многолопастная винтовая свая (варианты), состоящая из вала, по меньшей мере, одного удлинительного стержня, соединенного с валом и оголовком, винтовых лопастей и крепежных элементов [2].

Из главных недостатков данного технического решения следует отметить достаточно большой срок строительства объектов с такими сваями, из-за необходимости обязательно проводить сложные инженерные изыскания грунтового основания фундамента сооружения для достижения равномерного распределения давления под винтопластным свайным фундаментом, кроме того определять оптимальную несущую способность сваи затруднительно для различных типов грунтов (например, для сваи в талых грунтах и для сваи в вечномерзлых грунтах), поскольку неясны ключевые и значимые параметры для выполнения такого расчета.

Заявитель ставил перед собой конкретную задачу разработки многолопастной винтовой сваи, характеризующейся низкими общими финансовыми затратами на ее сооружение, высокой производительностью по затратам труда рабочих и применяемой техники, сокращением продолжительности строительства, в том числе за счет универсальности способа монтажа и уменьшения «мокрых» процессов. Данный положительный технический результат был достигнут за счет новой совокупности существенных конструктивных признаков многолопастной винтовой сваи (варианты), представленной в нижеследующей формуле изобретения, выполненного согласно настоящему изобретению: «многолопастная винтовая свая, предназначенная для работы в талых грунтах, состоит из вала, одного и более удлинительных стержней, соединенного со стволом и оголовком, по меньшей мере, одной винтовой лопасти и крепежных элементов; конусный наконечник ствола выполнен обрезанным под углом 45° к горизонтальной плоскости, лопасти выбираются одного размера, причем диаметр лопастей определяется от 1,5D до 3D, где D - диаметр ствола сваи, минимальная длина сваи зависит от длины ее винтовой части и слоя сезонного промерзания/оттаивания и выбирается кратной 0,5 метра, при этом несущая способность F_d (т) винтовой сваи в талых грунтах диаметром лопасти d и длиной L, работающей на сжимающую или выдергивающую нагрузку, определяется по формуле: , где γ_с - коэффициент условий работы сваи, зависящий от вида нагрузки, действующей на сваю, и грунтовых условий:

F_d0 - несущая способность лопасти, тс, F_dƒ - несущая способность ствола, тс, несущая способность лопасти винтовой сваи определяется по формуле: F_d0=(α₁c₁+α₁γ₁h₁)A, где α₁, α₂ - безразмерные коэффициенты, принимаемые в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта в рабочей зоне ϕ₁ (под рабочей зоной понимается прилегающий к лопасти слой грунта толщиной, равной d), c₁ - расчетное значение удельного сцепления грунта в рабочей зоне, т/м², γ₁ - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше лопасти сваи, т/м³, h₁ - глубина залегания лопасти сваи от природного рельефа, а при планировке территории срезкой - от уровня планировки, м, А - проекция площади лопасти, м², считая по наружному диаметру, при работе винтовой сваи на сжимающую нагрузку, и проекция рабочей площади лопасти, т.е. за вычетом площади сечения ствола, при работе винтовой сваи на выдергивающую нагрузку, - формула проекции площади первой лопасти для расчета на сжатие, - формула проекция лопастей для расчета на выдергивание, а также остальных лопастей на сжатие, несущая способность ствола винтовой сваи определяется по формуле: , где u - периметр поперечного сечения ствола сваи, м, ƒ_i - расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности ствола винтовой сваи, тс/м², (осредненное значение для всех слоев в пределах глубины погружения сваи), h - длина ствола сваи, погруженной в грунт, м, d - диаметр лопасти сваи, м, u=π⋅d - формула периметра поперечного сечения ствола сваи; удлинительный стержень соединяется со стволом посредством муфты, выполненной в форме цилиндра; удлинительные стержни выбираются длиной 3 и 6 метров; соединительная муфта закреплена на стволе посредством приварки к удлинительному стержню и посредством болтов с гайками; глубина погружения соединительной муфты составляет не менее 2 метров; для талых грунтов диаметр D ствола сваи выбирается в пределах от 89 мм до 426 мм; количество лопастей одного размера выбирается от 1 до 5; расстояние между витками лопастей (штампы) при диаметрах лопастей от 400 мм до 1000 мм и выше определяется в пределах от 75 мм до 225 мм; многолопастная винтовая свая, предназначенная для работы в вечномерзлых грунтах, состоит из вала, одного и более удлинительных стержней, соединенного со стволом и оголовком, по меньшей мере, одной винтовой лопасти и крепежных элементов; конусный наконечник ствола выполнен обрезанным под углом 45° к горизонтальной плоскости, при количестве лопастей двух и более каждая последующая лопасть, расположенная выше предыдущей, выполнена большего диаметра, минимальная длина сваи зависит от длины ее винтовой части и слоя сезонного промерзания/оттаивания и выбирается кратной 0,5 метра, ключевыми и значимыми параметрами для расчетной несущей способности сваи F_d,du (т) выбираются длина сваи, количество лопастей, диаметр ствола, диаметр лопастей, разгиб лопастей таким образом, что несущая способность винтовой сваи диаметром лопастей d_n и длиной L в вечномерзлых грунтах, работающей на сжимающую или выдергивающую нагрузку, определяется в следующем выражении:

, где

F_d,du - несущая способность сваи (т), γ_с - коэффициент условий работы сваи, равный 0,9,

γ_t - температурный коэффициент, принимается равным 0,8

R_i - расчетное сопротивление мерзлого грунта под лопастью, соответствующее i-му слою грунтового основания, в котором располагается i-я лопасть, т/м², R_aƒ,i - расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания материала сваи, соответствующее i-му слою грунтового основания, без учета винтовой части, т/м², A_i - площадь проекции i-й лопасти, м², A _aƒ,i - площадь поверхности сдвига по материалу тела сваи, соответствующая i-му слою грунтового основания, м², причем проекция рабочей площади лопасти определяется по формуле:

- первая лопасть при сжатии;

- первая лопасть при выдергивании и остальные лопасти при сжатии и выдергивании, где D_hi - диаметр лопасти сваи, м, d - диаметр ствола сваи, м, t_w - толщина стенки ствола сваи, м, а площадь поверхности сдвига по грунту определяется по формуле:

,

где h _aƒ,i - длина ствола сваи, считая от верхней лопасти, м;

расстояние между витками лопастей (штампы) при диаметрах лопастей от 89 мм до 426 мм определяется в пределах от 75 мм до 150 мм, а при диаметре D ствола сваи в пределах от 89 мм до 426 мм размер лопастей выбирается в пределах от 120 мм до 690 мм, соответственно».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 в общем виде представлена схема многолопастной винтовой сваи, выполненной согласно настоящему изобретению.

Заявляемая многолопастная винтовая свая, предназначенная для работы в талых грунтах и вечномерзлых грунтах, состоит из ствола (вала) 1 с оголовком 2, одного и более удлинительных стержней 3, соединяемых со стволом 1 и оголовком 2, винтовых лопастей 4 и крепежных элементов. Ствол 1 сваи заканчивается конусным наконечником 5, выполняемым обрезанным под углом 45° к горизонтальной плоскости. Для варианта талых грунтов винтовые лопасти 4 выбираются одного размера, причем диаметр лопастей определяется от 1,5D до 3D, где D - диаметр ствола 1 сваи. Для талых грунтов диаметр D ствола 1 сваи выбирается в пределах от 89 мм до 426 мм.

Минимальная длина сваи зависит от длины ее винтовой части и слоя сезонного промерзания/оттаивания и выбирается кратной 0,5 метра. Удлинительные стержни 3 по геометрии сечения и свойствам материала идентичны стволам 1 винтовой сваи и предназначены для наращивания длины винтовой сваи в зависимости от требуемой глубины установки. Удлинительные стержни 3 состоят из непосредственно удлинительной секции и приваренной к ней соединительной муфты 6, которая закрепляется на удлинительной секции с помощью крепежных элементов (болта и гайки или шпильки и гайки) 7. Глубина погружения соединительной муфты 6 составляет не менее 2 метров. Так же на удлинительный стержень 3 возможно приваривать одну или несколько стальных винтовых лопастей 4. Удлинительные стержни 3 выбираются длиной 3 и 6 метров. Количество винтовых лопастей 4 одного размера выбирается от 1 до 5, расстояние между витками винтовых лопастей (штампы) при диаметрах винтовых лопастей от 400 мм до 1000 мм и выше определяется в пределах от 75 мм до 225 мм (вариант винтовой сваи в талом грунте).

Многолопастная винтовая свая, предназначенная для работы в вечномерзлых грунтах, также состоит из ствола (вала) 1 с оголовком 2, одного и более удлинительных стержней 3, соединяемых со стволом 1 и оголовком 2, винтовых лопастей 4 и крепежных элементов. Ствол 1 сваи заканчивается конусным наконечником 5, выполняемым обрезанным под углом 45° к горизонтальной плоскости. При количестве лопастей двух и более каждая последующая лопасть, расположенная выше предыдущей, выполняется большего диаметра, минимальная длина сваи зависит от длины ее винтовой части и слоя сезонного промерзания/оттаивания и выбирается кратной 0,5 метра.

Для вечномерзлых грунтов расстояние между витками лопастей (штампы) при диаметрах лопастей от 89 мм до 426 мм определяется в пределах от 75 мм до 150 мм, а размер лопастей выбирается в пределах от 120 мм до 690 мм, соответственно.

Отличие винтовой сваи для вечной мерзлоты от сваи для талых грунтов состоит в том, что у второй сваи размеры винтовых лопастей одинаковы, а у сваи для вечномерзлого грунта всегда винтовые лопасти переменного диаметра, увеличивающегося от нижней винтовой лопасти к верхней винтовой лопасти.

Многолопастная винтовая свая предлагаемой конструкции обеспечивает заданное оптимальное значение ее несущей способности для талых и вечномерзлых грунтов, которое рассчитывается по специальной авторской методике, основанной на выявлении и определении ключевых и значимых расчетных параметров (длина сваи, количество лопастей, диаметр ствола, диаметр лопастей, разгиб лопастей, соотношение диаметра ствола и диаметра лопасти, соотношение диаметра лопасти и расстояния между лопастями, соотношение размеров лопастей,) и их взаимозависимостей между собой, позволяющих также дополнительно рассчитать предельную несущую способность винтовой сваи, которая ограничивает общую несущую способность.

Несущая способность F_d(т) винтовой сваи в талых грунтах диаметром лопасти d и длиной L, работающей на сжимающую или выдергивающую нагрузку, определяется по следующей формуле: F_d=γ_c(F_d0+F_dƒ), где γ_с - коэффициент условий работы сваи, зависящий от вида нагрузки, действующей на сваю, и грунтовых условий: F_d0 - несущая способность лопасти, тс, F_dƒ - несущая способность ствола, тс, несущая способность лопасти винтовой сваи определяется по формуле: F_d0=(α₁c₁+α₁γ₁h₁)A, где α₁, α₂ - безразмерные коэффициенты, принимаемые в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта в рабочей зоне ϕ₁ (под рабочей зоной понимается прилегающий к лопасти слой грунта толщиной, равной d), c₁ - расчетное значение удельного сцепления грунта в рабочей зоне, т/м², γ₁ - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше лопасти сваи, т/м³, h₁ - глубина залегания лопасти сваи от природного рельефа, а при планировке территории срезкой - от уровня планировки, м, А - проекция площади лопасти, м², считая по наружному диаметру, при работе винтовой сваи на сжимающую нагрузку, и проекция рабочей площади лопасти, т.е. за вычетом площади сечения ствола, при работе винтовой сваи на выдергивающую нагрузку, - формула проекции площади первой лопасти для расчета на сжатие, - формула проекция лопастей для расчета на выдергивание, а также остальных лопастей на сжатие, несущая способность ствола винтовой сваи определяется по формуле: , где u - периметр поперечного сечения ствола сваи, м, ƒ_i - расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности ствола винтовой сваи, тс/м², (осредненное значение для всех слоев в пределах глубины погружения сваи), h - длина ствола сваи, погруженной в грунт, м, d - диаметр лопасти сваи, м, u=π⋅d - формула периметра поперечного сечения ствола сваи.

Пример определения несущей способности винтовой сваи на сжатие в талом грунте. Лопасть винтовой сваи залегает в грунте, определенном по проекту изысканий характеристик грунта. Несущая способность лопасти винтовой сваи на сжатие равна:

Несущая способность ствола винтовой сваи считается от верхней лопасти и в данном случае равна (торф не учитывается):

Общая несущая способность сваи:

Максимально допустимая вертикальная сжимающая нагрузка на сваю с учетом коэффициентов:

Определение несущей способности винтовой сваи на выдергивание.

Лопасть винтовой сваи залегает в грунте, определенном по проекту изысканий характеристик грунта. Несущая способность лопасти винтовой сваи на выдергивание равна:

Несущая способность ствола винтовой сваи считается от верхней лопасти и в данном случае равна (торф не учитывается):

Общая несущая способность сваи:

Максимально допустимая вертикальная сжимающая нагрузка на сваю с учетом коэффициентов:

Вывод: винтовые сваи в данных инженерно-геологических условиях, согласно расчета, способны выдержать сжимающую нагрузку до 27,48 тс, выдергивающую до 19,52 тс., то есть полученные значения удовлетворяют требованиям нагрузок, например, на фундамент. Аналогичным образом проводится расчет на марки (комплектации) винтовых свай в талых грунтах, предназначенных для других объектов.

Для винтовой сваи в вечномерзлых грунтах ключевыми и значимыми параметрами для расчетной несущей способности сваи F_d,du (т) выбираются длина сваи, количество лопастей, диаметр ствола, диаметр лопастей, разгиб лопастей таким образом, что несущая способность винтовой сваи диаметром лопастей d_n и длиной L в вечномерзлых грунтах, работающей на сжимающую или выдергивающую нагрузку, определяется в следующем выражении:

, где

F_d,du - несущая способность сваи (т), γ_с - коэффициент условий работы сваи, равный 0,9

γ_t - температурный коэффициент, принимается равным 0,8

R_i - расчетное сопротивление мерзлого грунта под лопастью, соответствующее i-му слою грунтового основания, в котором располагается i-я лопасть, т/м², R_aƒ,i - расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания материала сваи, соответствующее i-му слою грунтового основания, без учета винтовой части, т/м², A_i - площадь проекции i-й лопасти, м², A _aƒ,i - площадь поверхности сдвига по материалу тела сваи, соответствующая i-му слою грунтового основания, м², причем проекция рабочей площади лопасти определяется по формуле:

- первая лопасть при сжатии

- первая лопасть при выдергивании и остальные лопасти при сжатии и выдергивании, где D_hi - диаметр лопасти сваи, м, d - диаметр ствола сваи, м, t_w - толщина стенки ствола сваи, м, а площадь поверхности сдвига по грунту определяется по формуле:

где h _aƒ,i - длина ствола сваи, считая от верхней лопасти, м, D_h - диаметр верхней лопасти сваи, м.

Примеры определения несущей способности винтовой сваи в вечномерзлых грунтах.

Нагрузки на сваю равны: - расчетная вертикальная сила на сжатие; - расчетная вертикальная сила на вырывание. Согласно инженерно-геологическому разрезу, все лопасти винтовой сваи будут работать в суглинке мерзлом, нельдистом, незасоленным. Глубина сезонно-мерзлого слоя - 2,5 м. При температуре грунта t=-1°С и глубине погружения, взятой по интерполяции: R₁=93,2 т/м²; R₂=90,4 т/м²; R₃=87,8 т/м²; R _aƒ=10 т/м².

1. Несущая способность винтовой сваи на сжатие равна: F_d=1×0,8×[(93,2×0,069+90,4×0,094+87,8×0,134)+(10×3,14×0,325×(6,4-2,5-0,525)]=48,6 т (с учетом расчетных давлений на мерзлые незаселенные грунты R под лопастью и расчетных сопротивлений мерзлых незаселенных грунтов и грунтовых растворов).

Максимально допустимая вертикальная сжимающая нагрузка на сваю с учетом коэффициента надежности по назначению (ответственности) сооружения равна:

2. Несущая способность лопастей винтовой сваи на выдергивание равна:

F_du=1×0,8×[(93,2×0,059+90,4×0,094+87,8×0,134)+(10×3,14×0,325×(6,4-2,5-0,525)]=47,9 т (с учетом расчетных давлений на мерзлые незаселенные грунты R под лопастью и расчетных сопротивлений мерзлых незаселенных грунтов и грунтовых растворов).

Максимально допустимая вертикальная сжимающая нагрузка на сваю с учетом коэффициента надежности по назначению (ответственности) сооружения равна:

Вывод: винтовые сваи в данных инженерно-геологических условиях, согласно расчета, способны выдержать сжимающую нагрузку до 42,3 т и до 41,6 т при работе на выдергивающие нагрузки, то есть полученные значения удовлетворяют требованиям нагрузок, например, на фундамент. Аналогичным образом проводится расчет на марки (комплектации) винтовых свай в вечномерзлых грунтах, предназначенных для других объектов.

Предлагаемая многолопастная винтовая свая, погружаемая буроопускным способом, обеспечивает снижение общих финансовых затрат примерно в 1,72 раза, повышение производительности по затратам труда рабочих-строителей в 4,3 раза и по затратам машинистов и техники в 2,9 раза, а также сокращение продолжительности строительства, в том числе за счет «универсальности» и уменьшения так называемых «мокрых» процессов.

Монтаж сваи ведется специальными гидромоторами, которые могут быть установлены на любую строительную технику, оснащенную гидравлическим приводом, что позволяет оптимизировать выбор транспорта и учесть условия выполнения работ (стесненность, затрудненность доступа). Практически свая безальтернативна в своем применении: может эксплуатироваться в стесненных условиях, на опасных объектах, для проведения реконструкции различных сооружений и в слабых грунтах.

К экономическим преимуществам можно отнести приемлемый уровень логистики, скорость развертывания и монтажа, повторное использование, минимум персонала и техники, отсутствие работ с грунтом и бетоном.

Одно из основных технических преимуществ касается рационального подхода к определению несущей способности, а также оптимального соотношения крутящего момента и несущей способности сваи за счет новой методики расчета несущей способности, в которую заложены ключевые и значимые, а значит, и точные параметры, позволяющие определить предельное значение несущей способности и обеспечить постоянный контроль за параметрами, от которых зависит надежная работа сваи в течение длительной эксплуатации (крутящий и изгибной моменты, максимальные сжимающие и выдергивающие нагрузки, прочностные характеристики и т.п.).

Область применения: эстакады и мосты, воздушные линии электропередачи, промышленное и гражданское строительство, временные сооружения и строительные городки, реконструкция существующих объектов.

Источники информации:

[1]. Описание полезной модели № 110763 «Винтовая свая», E02D 5/56, заявлено 30.05.2011, опубликовано 27.11.2011 Бюл № 33.

[2]. Описание изобретения к патенту № 2537463 «Способ сооружения свайного винтолопастного фундамента сооружения и его устройство», E02D 5/56, E02D 27/12, заявлено 24.09.2013, опубликовано 10.01.2015 Бюл № 1.

[3]. Описание изобретения к патенту № 2288325 «Винтовая свая», E02D 5/56, E02D 27/12, заявлено 24.09.2013, опубликовано 10.01.2015 Бюл № 1.

[4]. Описание изобретения к патенту № 2304664 «Винтовая свая», E02D 5/56, E02D 27/12, заявлено 24.09.2013, опубликовано 10.01.2015 Бюл № 1.

[5]. Европейский патент № WO 2005040505 А2, E02D 5/56, E02D 27/12, опубликован 06.05.2005.

[6]. Патент Китая № CN 1851152 А, E02D 5/56, E02D 27/12, опубликован 25.10.2006.

[7]. Описание полезной модели № 93412 «Винтовая свая», E02D 5/56, заявлено 16.11.2009, опубликовано 27.04.2010 Бюл № 12.

[8]. Описание полезной модели № 114693 «Винтовая свая», E02D 5/56, заявлено 24.11.2011, опубликовано 10.04.2012 Бюл № 10.