СПОСОБ ПОГРУЖЕНИЯ СВАИ ПОВЫШЕННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК E02D5/54 

Техническое решение относится к способам погружения в грунт забивных свай, преимущественно из металлических труб большого диаметра от 1000 до 2000 мм.

В практике сооружения свайных оснований [7] используют хорошо зарекомендовавшие себя сваи большого диаметра с закрытым концом по патенту RU 17783 U1, 27.04.2001, имеющие ряд достоинств по сравнению с другими известными устройствами (увеличение энергии удара забивки сваи с максимальным коэффициентом полезного действия при исключении деформации, раскачивания и наклона сваи за счет рациональной конструкции наковальни).

В большинстве известных способов погружения свай (см. например [2-4] и др.) используют сваи, которые представляют конструкцию безотносительно к размерам сваи и длине ее диаметра (см. также SU 1229258 A, SU 1305249 A, SU 1337477 A, SU 1441024 A, SU 1477845 A, RU 29536U1, RU 87717U1 и др.). В патенте RU 29536 U1 затрагивается вопрос о форме выполнения и геометрических соотношениях размеров элементов, однако патент относится к сваям малого диаметра (300-400 мм).

Однако диаметр сваи является важной характеристикой сваи и обуславливает специфику способа ее погружения в грунт, особенно при сооружении свайных, в том числе наклонных, мостовых оснований на акваториях, когда в качестве свай используют [5-7] трубы большого диаметра 1000-2000 мм.

За прототип принят способ [1] погружения свай по патенту RU 2447226 C2, 10.04.2012 при возведении свайных мостовых оснований на акватории, предложенный в проектно-строительной фирме «Спецфундаментстрой» («СФС»), который с учетом конструкции сваи, разработанной фирмой «СФС» и защищенной ранее патентом RU 17783 U1, заключается в следующем.

Известный способ погружения сваи [1] включает забивку сваи в грунт на требуемую глубину гравитационным молотом через направляющий кондуктор с последующим закреплением путем замоноличивания в ростверке, причем в качестве сваи используют металлическую трубу большого диаметра от 1000 до 2000 мм с конусообразным заостренным закрытым концом, снабженным породоразрушающим наконечником, и наковальней. При этом наковальню выполняют в виде железобетонного конусообразного закрытого конца сваи и ее нижней части при соотношении высоты заполненной нижней части ствола сваи к высоте конуса закрытого конца 0,5-1,0, армирование наконечника выполняют в виде изогнутых арматурных стержней, а сверху железобетонной наковальни устанавливают металлический круговой щит.

Однако при погружении сваи способом [1], как и известными способами [2-6], возможно выдергивание сваи при значительных горизонтальных и вертикальных знакопеременных нагрузках, особенно в сложных фунтовых условиях.

Как показала практика гидростроительства [7], несущая способность сваи при известном способе [1] погружения может быть повышена при размещении лопастей на нижней части ствола сваи. При этом существенное значение играют соотношения геометрических размеров элементов погружаемой сваи в зависимости от ее диаметра, причем близкие к оптимальным значения этих соотношений могут быть получены эмпирически.

Сущность предложенного технического решения заключается в создании способа погружения сваи большого диаметра (1000-2000 мм) повышенной несущей способности.

Основной технический результат - повышение несущей способности сваи за счет синергии непосредственного забивного погружения с дополнительным вращением сваи, которое осуществляют при взаимодействии с грунтом наклонных лопастей, размещенных на нижней части ствола сваи. Несущая способность сваи большого диаметра 1000-2000 мм и надежность ее погружения повышаются посредством исключения перекоса, деформации и возможности самовыдергивания сваи при значительных горизонтальных и вертикальных нагрузках, что необходимо как при вертикальном, так и, в большей степени, при наклонном погружении сваи. Способ реализует близкий к оптимальному критерий «сложность - стоимость - эффективность (технический результат)», т.е. достижение максимально возможной технической эффективности (а также повышение производительности работ) при минимальных сложности и стоимости.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ погружения сваи включает забивку сваи в грунт на требуемую глубину гравитационным молотом через направляющий кондуктор с последующим закреплением путем замоноличивания в ростверке, причем в качестве сваи используют металлическую трубу большого диаметра от 1000 до 2000 мм с конусообразным заостренным закрытым концом, снабженным породоразрушающим наконечником, и наковальней, при этом наковальню выполняют в виде железобетонного конусообразного закрытого конца сваи и ее нижней части при соотношении высоты заполненной нижней части ствола сваи к высоте конуса закрытого конца 0,5-1,0, армирование наконечника выполняют в виде изогнутых арматурных стержней, а сверху железобетонной наковальни устанавливают металлический круговой щит.

Отличительная особенность способа заключается в том, что ствол сваи большого диаметра от 1000 до 2000 мм в нижней части снабжают равномерно размещенными по диаметру лопастями, при этом лопасти жестко закрепляют на стволе сваи и выполняют наклонными под углом 5-30° к оси сваи, отношение длины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи задают от 0,5 до 1,0, отношение ширины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи выбирают от 0,15 до 0,30, нижние края лопастей устанавливают на расстоянии от конуса закрытого конца, равном 0,5-1,0 диаметра ствола сваи, а число η лопастей, размещенных по диаметру ствола сваи, в зависимости от диаметра определяют из соотношения

n=[0,5πKcosecα],

где K=D/L - отношение длины диаметра D ствола сваи к длине L лопасти;

α - угол наклона лопасти к оси сваи;

[] - знак целой части числа.

Отличием способа также является то, что для погружения сваи используют гравитационный молот с ударной массой от 10 до 20 тонн.

При этом при погружении в грунт сваю выполняют вертикальной или наклонной под заданным углом до 30° к вертикали.

На фиг. 1 представлена конструкция сваи повышенной несущей способности, на фиг. 2 приведена схема процесса погружения сваи, где приняты следующие обозначения:

1 - ствол сваи (металлическая труба);

2 - закрытый конусообразный конец сваи;

3 - породоразрушающий наконечник;

4 - железобетонная наковальня;

5 - изогнутые арматурные стержни наковальни;

6 - круговой металлический щит наковальни;

7 - лопасти;

8 - ударная масса гравитационного молота;

9 - направляющий кондуктор;

10 - ростверк.

Примеры на фиг. 3 иллюстрируют оптимальное размещение лопастей на нижней части ствола сваи при различных значениях D, L, α (развертка по диаметру):

а) D=1 м, L=0,75 м, α=30°, n=4;

б) D=2 м, L=1,0 м, α=30°, n=6;

в) D=1 м, L=1,0 м, α=14,5°, n=6;

г) D=1 м, L=0,75 м, α=14,5°, n=8.

На фиг. 4 приведены возможные варианты выполнения лопастей в форме трапеции, прямоугольника, треугольника.

Погружение сваи 1 выполняют в три этапа (фиг. 2):

- 1-й этап: установка и направление (ориентирование) сваи 1 посредством кондуктора 9 (например, по технологии [1]), размещение ударной массы 8 гравитационного молота в стволе сваи (фиг. 2.1);

- 2-й этап: погружение сваи 1 забивкой ударной массой 8 гравитационного молота с вращением, обусловленным взаимодействием наклонных лопастей 7 сваи 1 с грунтом (фиг. 2.2);

- 3-й этап: исключение выдергивания сваи 1 посредством замоноличивания головы сваи в ростверке 10 (фиг. 2.3.).

Для погружения сваи 1 могут быть использованы сваебойное оборудование и кондукторы, описанные в [1], а также гравитационный молот (на фиг. не показан) марки «СФС» по патенту RU35539U1, 20.01.2004.

Ударная масса 8 от 10 до 20 тонн, выполненная в виде монолитного подвешенного на тросе груза, свободно падает внутри ствола сваи 1 большого диаметра от 1000 до 2000 мм и взаимодействует с железобетонной наковальней 4 посредством удара. Под действием этих ударов и осевой нагрузки сваи 1 закрытый конусообразный конец 2 сваи 1 с породоразрушающим наконечником 3 вбивается в грунт путем смятия, раздавливания и перемещения породы. Арматурные стержни 5 железобетонной наковальни 4 служат для усиления (повышения прочности) наковальни 4 при взаимодействии с ударной массой 8. Круговой металлический щит 6, установленный сверху наковальни 4, также выполняет усиливающие функции и препятствует разрушению наковальни 4 от ударов массы 8. Наковальня 4 представляет заполненные железобетоном конусообразный закрытый конец 2 сваи 1 и ее нижнюю часть, причем наибольшая эффективность ударов массы 8 (максимальный КПД ударов) достигается при массе наковальни 4, которая определяется (RU 17783 U1) при соотношении высоты заполненной нижней части ствола сваи 1 к высоте конуса закрытого конца 2 от 0,5 до 1,0.

Существенным признаком технического решения, обусловливающим технический результат, является установление на нижней части ствола сваи 1 большого диаметра от 1000 до 2000 мм лопастей 7, которые равномерно размещают по диаметру на равных угловых расстояниях (фиг. 3). При этом лопасти 7 жестко закрепляют на стволе сваи и выполняют наклонными под углом 5-30° к оси сваи, отношение длины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи задают от 0,5 до 1,0, отношение ширины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи выбирают от 0,15 до 0,30, нижние края лопастей устанавливают на расстоянии от конуса закрытого конца, равном 0,5-1,0 диаметра ствола сваи, а число η лопастей, размещенных по диаметру ствола сваи, в зависимости от диаметра определяют из соотношения (1).

Приведенные численные соотношения получены в результате производственных испытаний в практике возведения свайных оснований и являются оптимальными для металлических труб большого диаметра от 1000 до 2000 мм.

Таким образом, выдергивающие усилия при погружении сваи воспринимаются и компенсируются боковыми поверхностями сваи 1 и наклонными лопастями 7. Окончательную установку сваи заканчивают замоноличиванием тела сваи 1 в ростверке 10 (фиг. 2.3).

Лопасти 7 в конкретных случаях могут быть выполнены в форме трапеции, прямоугольника, треугольника (фиг. 4). В зависимости от требований и условий монтажа сваю выполняют вертикальной или наклонной под заданным углом до 30° к вертикали.

Повышение несущей способности сваи обеспечивается синергией существенных признаков: совокупностью применения наковальни в закрытом конусообразном нижнем конце сваи, лопастной нижней части сваи и оптимальных геометрических соотношениях элементов сваи (диаметра и лопастей), полученных эмпирически для свай большого диаметра от 1000 до 2000 мм.

Проведенные в фирме «СФС» испытания подтвердили достижение повышенной несущей способности сваи с описанным выше размещением и размером наклонных лопастей. При этом предложенная свая повышенной несущей способности адекватна винтовой свае (осевое перемещение в совокупности с вращением) при исключении использования приводов вращения и устройств их управления, что упрощает процесс погружения сваи при повышении его эффективности и производительности.

ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ

I. Прототип и аналог:

1. RU 2447226 C2, 10.04.2012 (прототип).

2. RU 2052018 C1, 10.01.1996 (аналог).

II. Дополнительные источники по уровню техники:

3. RU 21166024 C2, 27.04.2001.

4. RU 2230170 C2, 10.06.2004.

5. RU 2483153 C2, 27.05.2013.

6. JP 4574273 B2, 04.11.2010.

7. http://www.specfandament.ru.

Изобретение относится к строительству, а именно к погружению в грунт забивных свай, преимущественно из металлических труб большого диаметра. Способ погружения сваи включает забивку сваи в грунт на требуемую глубину гравитационным молотом через направляющий кондуктор с последующим закреплением путем замоноличивания в ростверке, причем в качестве сваи используют металлическую трубу большого диаметра от 1000 до 2000 мм с конусообразным заостренным закрытым концом, снабженным породоразрушающим наконечником, и наковальней, при этом наковальню выполняют в виде железобетонного конусообразного закрытого конца сваи и ее нижней части при соотношении высоты заполненной нижней части ствола сваи к высоте конуса закрытого конца 0,5-1,0, армирование наконечника выполняют в виде изогнутых арматурных стержней, а сверху железобетонной наковальни устанавливают металлический круговой щит. Ствол сваи большого диаметра от 1000 до 2000 мм в нижней части снабжают равномерно размещенными по диаметру лопастями. Лопасти жестко закрепляют на стволе сваи и выполняют наклонными под углом 5-30° к оси сваи, отношение длины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи задают от 0,5 до 1,0, отношение ширины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи выбирают от 0,15 до 0,30. Нижние края лопастей устанавливают на расстоянии от конуса закрытого конца, равном 0,5-1,0 диаметра ствола сваи, а число n лопастей, размещенных по диаметру ствола сваи, в зависимости от диаметра определяют из приведенного соотношения. Технический результат состоит в повышении несущей способности сваи, снижении материалоемкости и трудоемкости проведения работ. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ погружения сваи, включающий забивку сваи в грунт на требуемую глубину гравитационным молотом через направляющий кондуктор с последующим закреплением путем замоноличивания в ростверке, причем в качестве сваи используют металлическую трубу большого диаметра от 1000 до 2000 мм с конусообразным заостренным закрытым концом, снабженным породоразрушающим наконечником, и наковальней, при этом наковальню выполняют в виде железобетонного конусообразного закрытого конца сваи и ее нижней части при соотношении высоты заполненной нижней части ствола сваи к высоте конуса закрытого конца 0,5-1,0, армирование наконечника выполняют в виде изогнутых арматурных стержней, а сверху железобетонной наковальни устанавливают металлический круговой щит, отличающийся тем, что ствол сваи большого диаметра от 1000 до 2000 мм в нижней части снабжают равномерно размещенными по диаметру лопастями, при этом лопасти жестко закрепляют на стволе сваи и выполняют наклонными под углом 5-30° к оси сваи, отношение длины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи задают от 0,5 до 1,0, отношение ширины каждой лопасти к длине диаметра ствола сваи выбирают от 0,15 до 0,30, нижние края лопастей устанавливают на расстоянии от конуса закрытого конца, равном 0,5-1,0 диаметра ствола сваи, а число n лопастей, размещенных по диаметру ствола сваи, в зависимости от диаметра определяют из соотношения
n=[0,5πKcosecα],
где K=D/L - отношение длины диаметра D ствола сваи к длине L лопасти;
α - угол наклона лопасти к оси сваи;
[] - знак целой части числа.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что для погружения сваи используют гравитационный молот с ударной массой от 10 до 20 тонн.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при погружении в грунт сваю выполняют вертикальной или наклонной под заданным углом до 30° к вертикали.