ВИНТОВОЙ АНКЕР И СПОСОБ ЕГО УСТАНОВКИ Российский патент 2001 года по МПК E02D5/56 E02D7/22 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в фундаментостроении при креплении к грунту различных механизмов и устройств. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при анкеровке к грунту устройств для вдавливания свай и других строительных конструкций или испытании свай вдавливающей статической нагрузкой.

Известна винтовая свая (авт. св. СССР N 1217987, МКИ E 02 D 5/56, 1986), включающая ствол с конусным наконечником, винтовой лопастью и стопорной пластиной. Ствол выполнен полым с щелевыми продольными прорезями в стенках на участке, расположенном ниже винтовой лопасти, и снабжен установленным в его полости штоком и дополнительными стопорными пластинами, смонтированными с возможностью поворота до упора в лопасть, взаимодействующими со штоком, при этом лопасти выполнены с радиально расположенными выемками, а стопорные пластины снабжены выступами. Основным существенным недостатком винтовой сваи является ее низкая несущая способность на выдергивающую нагрузку, особенно в слабых грунтах. В такой свае после ее погружения завинчиванием на заданную отметку к штоку ее ствола прикладывают продольное осевое вдавливающее усилие, под действием которого, в результате взаимодействия штырей с прорезями, стопорные пластины через продольные прорези ствола выдвигаются в грунт до упора в лопасть. Плотность грунта со стороны боковой поверхности, обращенной к верхнему торцу сваи, не изменяется и отсутствует уплотненная зона грунта со стороны верхних граней лопасти, что не дает возможности получить достаточную несущую способность сваи на выдергивающую нагрузку, особенно в слабых грунтах. Такая свая сложна в изготовлении, что приводит к излишним материальным и временным затратам. Кроме того, сваи сложно извлекать из грунта, поскольку необходимы дополнительные операции по вытягиванию стопорных пластин.

Наиболее близким к заявляемое по своей технической сущности и достигаемому результату является винтовой анкер, выбранный в качестве прототипа (авт. св. СССР N 1649039, МКИ E 02 D 5/56, 1991). Известный винтовой анкер включает ствол, винтовые лопасти, состоящие из секций, образованных на участке ствола со стороны его нижнего торца, каждая из которых смонтирована на отдельной подвижной ступице, имеющей винтовую нарезку, взаимодействующую с винтовой нарезкой, образованной на стволе на участках расположения ступиц. При этом винтовая нарезка на ступицах и на участках ствола совпадает по направлению с направлением витков лопасти, а шаг нарезки на ступицах и соответствующих им участках ствола выполнен последовательно возрастающим от нижележащих секций к вышележащим. Анкер-прототип как и другие известные анкеры обладает низкой несущей способностью на выдергивающую нагрузку из-за небольшой степени уплотнения грунта, размещенного между секциями лопастей. Грунт уплотняется при возвратном вращении ствола анкера за счет сближения соседних лопастей, возникающего вследствие разности шагов нарезки на ступицах лопастей и соответствующих участках ствола. Однако при завинчивании винтового анкера сцепление между грунтовыми частицами в этом пространстве нарушено, и массив грунта под давлением нижележащей лопасти перемещается вверх вслед за вышележащей лопастью и получает при этом незначительное уплотнение, недостаточное для восстановления нарушенного сцепления между частицами грунта. В слабых обводненных грунтах известный винтовой анкер практически не может работать, т.к. такой грунт при перемещении лопастей вверх почти не уплотняется, а распространяется в стороны за пределы проекции лопастей или, не оказывая значительного сопротивления, перемещается вверх вслед за перемещением вышележащей лопасти, освобождая пространство для перемещения винтового анкера вверх под воздействием выдергивающей нагрузки.

Еще одним недостатком известного винтового анкера является отсутствие контроля несущей способности массива грунта, размещенного между секциями лопастей, а следовательно, и контроля несущей способности известного винтового анкера. В этом случае для оценки несущей способности анкера необходимо предварительно испытывать его на выдергивающую нагрузку, что приводит к излишним затратам времени и средств.

Известен способ установки в грунт винтового анкера (авт. св. СССР N 1325135, МКИ E 02 D 5/56, 1987) включающий погружение в грунт нижней винтовой лопасти ствола анкера на проектную отметку с последующим погружением промежуточных лопастей и их фиксацией на стволе и верхней лопасти. Согласно известному изобретению, перед фиксацией каждой промежуточной лопасти на стволе ее осаживают до получения проектного сопротивления грунта основания по лопасти, при этом погружение каждой из промежуточных лопастей производят до глубины, превышающей проектную глубину на величину перемещения соответствующей лопасти вдоль ствола при осаживании, а после погружения верхней лопасти осуществляют вывинчивание винтового анкера. Одним из основных недостатков известного способа является большая трудоемкость установки в грунт винтового анкера и его извлечения из грунта. Так, прикрепление к стволу лопастей в каждом конкретном случае производится путем использования упругих пластин, кольцевых упоров, кольцевых пазов, ребер и втулок, расположенных между лопастями, изготовление которых и установка на стволе приводят к излишним материалоемкости и трудовым затратам. После закрепления каждой лопасти ее осаживание производят специальными механизмами, что вызывает дополнительные трудо- и энергозатраты. Для определения несущей способности грунта способ требует предварительной установки в грунт известным способом опытных свай, что также приводит к излишним трудозатратам.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ установки в грунт винтового анкера, выбранный в качестве прототипа (А.с. СССР N 1176024, МКИ E 02 D 5/56, 1985). Известный способ установки включает завинчивание бурильным агрегатом анкера в грунт до проектной отметки, после чего анкер фиксируют от осевого перемещения и вращают. Основным существенным недостатком известного способа является недостаточное обеспечение уплотнения грунта в рабочей зоне с верхней стороны лопастей, а следовательно, недостаточное обеспечение увеличения несущей способности анкера.

Уплотнения грунта достигают путем фиксации опорной конструкции от осевого перемещения с последующим вращением в направлении, совпадающем с направлением завинчивания, сообщая анкеру число оборотов на один меньше числа витков винтовой лопасти. При завинчивании винтового анкера его лопастями при каждом вращении захватывается определенный объем грунта, который по виткам лопасти под давлением последующего захватываемого объема грунта перемещается вверх. А при фиксации лопастей от осевого перемещения захват дополнительного объема грунта отсутствует и естественно отсутствует давление на грунт, находящийся между лопастями, обеспечивающий его перемещение в рабочую зону и тем более его дополнительное уплотнение. В этом случае грунт, находящийся с внешней стороны верхнего витка лопастей, будет иметь такую же плотность, какую он имел при погружении анкера, т.е. его плотность будет ниже плотности грунта, находящегося между лопастями. Поскольку грунт, соприкасающийся с лопастями, вытесняется из этой зоны с силой, большей силы сцепления грунта с поверхностью лопастей, а грунт, поступивший в пространство, расположенное вокруг ствола за пределами внешней стороны лопасти, перемещается вверх, не преодолевая его сцепления с боковой поверхностью лопастей, уплотнение этого грунта обусловлено воздействием силы его собственного веса и силы сцепления с боковой поверхностью пробуренной скважины. Поэтому его плотность меньше плотности грунта в естественном сложении, а значит и несущая способность этого грунта недостаточна для восприятия усилий на выдергивающую нагрузку. Использование описанного способа в глинистых и тем более водонасыщенных грунтах практически невозможно, поскольку не позволяет увеличить плотность грунта с внешней стороны лопастей и тем самым исключает возможное увеличение несущей способности винтового анкера на выдергивающую нагрузку.

В основу изобретения поставлена задача создать винтовой анкер, обладающий высокой несущей способностью на выдергивающую нагрузку, работающий в различных грунтовых условиях, в том числе в слабых обводненных грунтах, обеспечивающий во время его установки контроль несущей способности на выдергивающую нагрузку, благодаря оснащению его обжимающим грунт элементом.

Поставленная задача решена тем, что винтовой анкер, включающий ствол и по крайней мере одну винтовую лопасть, образованную на участке ствола со стороны нижнего его торца, согласно изобретению, снабжен подвижным вдоль продольной оси ствола элементом, размещенным на участке ствола со стороны его верхнего торца, при этом в рабочем состоянии расстояние L от винтовой нижележащей лопасти до подвижного элемента не менее размера d, где d - диаметр нижележащей лопасти. Винтовой анкер, в соответствии с изобретением, может быть снабжен двумя винтовыми лопастями, размещенными одна от другой на расстоянии l, не меньшем величины 1,5 d, где d - диаметр нижележащей лопасти, при этом диаметр вышележащей лопасти меньше диаметра нижележащей лопасти.

Ствол винтового анкера, согласно изобретению, может иметь упоры, выполненные с возможностью восприятия усилия распора, действующего на ствол и подвижный элемент, например, действующего при выдвижении штоков гидроцилиндров, а подвижный элемент может быть выполнен из плоских элементов, преимущественно из металлического листа, размещенных на разных уровнях и объединенных между собой, при этом диаметр или размер стороны (если элемент не круглый) верхнего элемента больше диаметра нижележащей лопасти.

Согласно изобретению, ствол и подвижный элемент винтового анкера могут быть выполнены с возможностью фиксации, ограничивающей их перемещение относительно друг друга, при этом ствол может иметь оголовок, выполненный с возможностью прикрепления к анкеруемой конструкции.

Повышение несущей способности винтового анкера достигается за счет того, что в процессе перемещения ствола с лопастями вверх, а подвижного элемента вниз происходит обжатие массива грунта, размещенного между подвижным элементом и лопастями ствола. Массив грунта, размещенный между лопастями ствола и между верхней лопастью и подвижным элементом, за счет обжатия уплотняется, чем обеспечивается повышение несущей способности анкера. Расстояние между винтовой нижележащей лопастью и подвижным элементом должно быть не менее d для обеспечения достаточной площади боковой поверхности развертки среза грунта по наружному периметру нижележащей лопасти. Усилие сцепления частиц интенсивно уплотненного грунта по линии его среза будет достаточным, если срез будет иметь площадь, равную произведению длины окружности лопасти на расстояние L = d. При L < d площадь среза грунта недостаточна для восприятия им усилия выдергивающей нагрузки, поскольку со стороны верхнего торца подвижного элемента грунт практически отсутствует, а нагрузку воспринимает только грунт, размещенный между лопастями и подвижным элементом. Чем больше его объем и плотность, тем большее усилие он воспримет.

При необходимости восприятия винтовым анкером более значительных усилий на стволе анкера образуют несколько винтовых лопастей, при этом диаметр верхнележащей лопасти должен быть меньше диаметра нижележащей лопасти, а расстояние между лопастями должно быть не меньше 1,5 d. Поскольку в этом случае диаметр скважины больше диаметра верхней лопасти, часть вытесняемого подвижным элементом грунта внедряется в пространство между верхнележащей и нижележащей лопастями, так как объем скважины между лопастями является постоянным, а объем грунта в этом пространстве увеличивается, происходит его уплотнение. Так как уплотнение грунта между лопастями меньше, чем уплотнение между подвижным элементом и верхней лопастью, для обеспечения достаточного усилия сцепления между частицами грунта естественного сложения в боковой поверхности скважины и частицами уплотненного грунта необходимо образовать большую боковую поверхность. Только при этом условии можно повысить несущую способность винтового анкера на выдергивающую нагрузку. Усилие, которое может воспринять ствол при работе анкера на выдергивающую нагрузку, контролируют по величине усилия, при котором осуществляется перемещение ствола вверх, т. е. по показаниям манометра, измеряющего давление жидкости в гидроцилиндрах.

В основу изобретения поставлена задача создать способ установки винтового анкера, в котором путем дополнительного обжатия грунта между элементами анкера улучшены прочностные и деформативные характеристики грунта, окружающего винтовой анкер и воспринимающего усилия при работе его на выдергивающую нагрузку. При этом расширена область установки анкеров по грунтовым условиям с одновременным снижением энергозатрат и трудозатрат на их установку и извлечение.

Поставленная задача решена тем, что в способе установки винтового анкера, включающем погружение его ствола на заданную отметку, например, завинчиванием с помощью бурильного агрегата, согласно изобретению, после погружения ствола или его части, на которой размещены лопасти, к нему и установленному ранее подвижному элементу прикладывают взаимно противопожные по направлению усилия с помощью силовых элементов, например, гидроцилиндров, перемещая ствол с неподвижно прикрепленными к нему лопастями вверх относительно подвижного элемента, при этом перемещение ствола винтового анкера и подвижного элемента относительно друг друга осуществляют до величины, при которой расстояние между подвижным элементом и нижележащей лопастью было бы не менее d, где d - диаметр нижележащей винтовой лопасти.

Согласно изобретению, после взаимного перемещения ствола анкера и подвижного элемента фиксируют подвижный элемент и ствол анкера от взаимного перемещения.

При установке винтового анкера в слабых или обводненных грунтах, согласно изобретению, после максимально возможного сближения подвижного элемента и нижележащей лопасти поднимают подвижный элемент и образовавшуюся скважину заполняют грунтом с меньшей влажностью или жестким строительным материалом, а затем операцию повторяют до достижения величины заданного усилия выдергивающей нагрузки, которую контролируют по величине давления в гидроцилиндре.

Демонтаж анкера, согласно изобретению, осуществляют вывинчиванием, предварительно осуществив демонтаж подвижного элемента.

Способ установки винтового анкера позволяет увеличить несущую способность винтового анкера на выдергивающую нагрузку путем увеличения плотности грунта за счет его обжатия при взаимном перемещении ствола и подвижного элемента, уменьшить трудоемкость установки винтового анкера, сократить сроки его извлечения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлен внешний вид винтового анкера с одной винтовой лопастью; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - внешний вид винтового анкера, выполненного с двумя винтовыми лопастями; на фиг. 4 - общий вид винтового анкера после погружения его ствола в грунт; на фиг. 5 - винтовой анкер в грунте после перемещения подвижного элемента вниз, а ствола вверх и размещение при этом уплотненной зоны грунта; на фиг. 6 - общий вид винтового анкера с двумя винтовыми лопастями после его погружения в грунт; на фиг. 7 - винтовой анкер с двумя винтовыми лопастями в грунте и уплотненная зона грунта после перемещения подвижного элемента вниз, а ствола вверх.

Винтовой анкер включает ствол 1 с наконечником 2 и винтовую лопасть 3, расположенную на участке ствола со стороны нижнего его торца. Винтовой анкер снабжен подвижным вдоль продольной оси элементом 4. Анкер может быть выполнен с одной лопастью 3, как на фиг. 1, или с двумя винтовыми лопастями 3 и 5, как на фиг. 3. Расстояние между винтовыми лопастями 3 и 5 должно быть не менее 1,5d, при этом диаметр d₁ вышележащей лопасти 5 меньше диаметра d нижележащей лопасти 3. Подвижный элемент 4 расположен на участке ствола со стороны его верхнего торца, при этом длина ствола должна быть таковой, чтобы обеспечить условие, что расстояние L от винтовой нижележащей лопасти 3 до подвижного элемента 4 не меньше размера диаметра d нижележащей лопасти. На участке ствола 1 со стороны поверхности грунта размещены упоры 6 (на фиг. 1-3 не показаны) для прикрепления к ним силовых элементов - гидроцилиндров 7. Подвижный элемент 4 выполнен из плоских элементов 8 и 9, преимущественно из металлического листа, размещенных на разной высоте относительно друг друга и объединенных между собой посредством соединительных элементов, например монтажных металлических столиков, при этом размер стороны или диаметр (в случае круглого) нижнего плоского элемента 9 равен или меньше диаметра нижележащей лопасти, а размер стороны или диаметр (в случае круглого) верхнего плоского элемента 8 больше диаметра нижележащей лопасти. Гидроцилиндры 7 устанавливают в преимущественном варианте таким образом, чтобы их штоки упирались в плоский элемент 8 подвижного элемента 4, а корпуса были закреплены неподвижно на упоре 6. Ствол 1 и подвижный элемент 4 выполнены с элементом фиксации 10, ограничивающим их перемещение относительно друг друга, например, с помощью шплинта. Ствол 1 в зоне оголовка имеет крепежный элемент 11 для прикрепления к анкеруемой конструкции. При установке винтового анкера в слабых грунтах между лопастью 3 и подвижным элементом 4 (или между лопастями 3, 5 и подвижным элементом, если анкер содержит две винтовые лопасти) укладывают жесткий материал 12 (или 12 и 13), имеющий влажность, меньшую влажности обводненного грунта, например, грунт со щебнем.

Устанавливают винтовой анкер следующим образом. Осуществляют погружение ствола 1 на заданную отметку завинчиванием с помощью бурильного агрегата. Затем подвижный элемент 4 надевают на верхнюю часть ствола 1, устанавливают на поверхность грунта в плане скважины, образованной погружением ствола 1 с лопастями 3 или 3 и 5. После этого к упорам 6 на стволе 1 монтируют гидроцилиндры 7 симметрично относительно ствола 1 над плоским элементом 8 подвижного элемента 4. Нагружают гидроцилиндры 7, создавая распор между подвижным элементом 4 и стволом 1. За счет воздействия взаимно противоположных по направлению усилий осуществляют перемещение ствола 1 с его лопастями вверх, а подвижный элемент перемещают вниз, сжимая таким образом размещенный между подвижным элементом и лопастями грунт. По величине давления масла в гидроцилиндре, которое измеряют с помощью манометра, определяют величину давления лопастей ствола 1 и подвижного элемента 4 на грунт, а по величине перемещения ствола 1 вверх и заглубления элемента 4 вниз определяют расстояние между нижележащей лопастью и подвижным элементом. Если грунт слабый и усилия, которым перемещают ствол вверх, недостаточно для восприятия винтовым анкером проектной нагрузки, подвижный элемент 4 поднимают, а образовавшуюся от его перемещения скважину заполняют жестким материалом и, повторно увеличивая силу распора, ствол 1 и подвижный элемент 4 перемещают в противоположном направлении относительно друг друга до достижения заданного усилия выдергивающей нагрузки. Затем фиксируют подвижный элемент и ствол анкера от взаимного перемещения.

Извлечение инвентарного винтового анкера из грунта производят следующим образом. Демонтируют гидроцилиндры 7 и упоры 6 на стволе 1 винтового анкера, затем снимают со ствола подвижный элемент 4, после чего с помощью бурильного агрегата производят извлечение винтового анкера из грунта путем его вращения в направлении, обратном завинчиванию.

Изобретение относится к строительству и может быть наиболее эффективно использовано в фундаментостроении при креплении к грунту различных механизмов и устройств, особенно при анкеровке к грунту устройств для вдавливания свай и других строительных конструкций или испытаний свай вдавливающей статической нагрузкой. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в повышении несущей способности на выдергивающую нагрузку, улучшении прочностных и деформативных характеристик грунта, окружающего винтовой анкер, расширении области установки анкеров по грунтовым условиям с одновременным снижением энергозатрат и трудозатрат на их установку и извлечение. Винтовой анкер включает ствол и винтовые лопасти и снабжен подвижным вдоль продольной оси ствола элементом, установленным с возможностью обжимания грунта с помощью силовых элементов благодаря наличию подвижного элемента, расположенного на определенном расстоянии в рабочем положении от нижележащей винтовой лопасти. Способ установки винтового анкера включает погружение его ствола на заданную отметку завинчиванием с помощью бурильного агрегата и прикладывание к стволу с лопастями и подвижному элементу взаимно противоположных по направлению усилий, перемещая ствол с неподвижно прикрепленными к нему лопастями вверх относительно подвижного элемента, при этом перемещение ствола винтового анкера и подвижного элемента относительно друг друга осуществляют до величины, при которой расстояние между подвижным элементом и нижележащей лопастью было бы не менее величины диаметра нижележащей винтовой лопасти. При установке винтового анкера в слабых или обводненных грунтах после максимально возможного сближения подвижного элемента и нижележащей лопасти поднимают подвижный элемент и образовавшуюся скважину заполняют жестким строительным материалом, а затем операцию повторяют до достижения величины заданного усилия выдергивающей нагрузки, которую контролируют по величине давления в гидроцилиндрах. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Винтовой анкер, включающий ствол и по крайней мере одну винтовую лопасть, образованную на участке ствола со стороны нижнего его торца, отличающийся тем, что винтовой анкер снабжен подвижным вдоль продольной оси ствола элементом, размещенным на участке ствола со стороны верхнего его торца, при этом в рабочем состоянии расстояние L от винтовой нижележащей лопасти до подвижного элемента не менее размера d, где d - диаметр нижележащей лопасти. 2. Винтовой анкер по п.1, отличающийся тем, что он снабжен преимущественно двумя винтовыми лопастями, расстояние между которыми не меньше 1,5d, где d - диаметр нижележащей лопасти, при этом диаметр вышележащей лопасти меньше диаметра нижележащей лопасти. 3. Винтовой анкер по п.1 или 2, отличающийся тем, что ствол имеет упоры, выполненные с возможностью восприятия усилия распора, действующего на ствол и подвижный элемент, например, создаваемого гидроцилиндрами, а подвижный элемент выполнен из плоских элементов, преимущественно из металлического листа, размещенных на разных уровнях, объединенных между собой, при этом диаметр или размер стороны верхнего элемента больше диаметра нижележащей лопасти. 4. Винтовой анкер по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что ствол и подвижный элемент выполнены с возможностью фиксации, ограничивающей перемещение относительно друг друга, при этом ствол имеет оголовок, выполненный с возможностью прикрепления к анкеруемой конструкции. 5. Способ установки винтового анкера, включающий погружение его ствола на заданную отметку, например, завинчиванием с помощью бурильного агрегата, отличающийся тем, что после погружения ствола или его части, равной длине участка размещения лопастей, к нему и установленному ранее подвижному элементу прикладывают взаимно противоположные по направлению усилия с помощью силовых элементов, например гидроцилиндров, перемещая ствол с неподвижно прикрепленными к нему лопастями вверх относительно подвижного элемента, при этом перемещение ствола винтового анкера и подвижного элемента относительно друг друга осуществляют до достижения заданного усилия или до величины, при которой расстояние между подвижным элементом и нижележащей лопастью было бы не менее d, где d - диаметр нижележащей лопасти. 6. Способ установки винтового анкера по п.5, отличающийся тем, что после взаимного перемещения ствола анкера и подвижного элемента фиксируют подвижный элемент и ствол анкера от взаимного перемещения. 7. Способ установки винтового анкера по п.5 или 6, отличающийся тем, что после максимально возможного сближения подвижного элемента и нижележащей лопасти поднимают подвижный элемент и образовавшуюся скважину заполняют грунтом с меньшей влажностью или жестким строительным материалом, а затем операцию повторяют до достижения величины заданного усилия выдергивающей нагрузки, которую контролируют по величине давления в гидроцилиндре. 8. Способ установки винтового анкера по любому из пп.5 - 7, отличающийся тем, что демонтаж анкера осуществляют вывинчиванием, предварительно осуществив демонтаж подвижного элемента.