Многолопастная винтовая свая Российский патент 2024 года по МПК E02D5/56 

Изобретение относится к многолопастным винтовым сваям и предназначено для устройства фундаментов зданий и сооружений различного назначения: опор линий электропередач и связи, трубопроводов, мостов, рекламных конструкций, жилых и общественных зданий.

Известна винтовая свая по патенту РФ на полезную модель №28498, опубликовано 27.03.2003), содержащая трубчатый ствол с конусным наконечником и две лопасти, размещенные на трубчатом стволе, причем диаметр верхней лопасти больше диаметра нижней лопасти в 2 раза, а расстояние между лопастями составляет 1,2-1,3 диаметра ствола.

Данной свае присуща сложность конструкции, высокая трудоемкость изготовления. Кроме этого геометрические параметры сваи не увязаны с длиной сваи, а размещение лопастей по высоте сваи не обеспечивает их раздельной работы, что снижает несущую способность сваи.

Наиболее близким техническим решением по отношение к предлагаемому является многолопастная винтовая свая по патенту на изобретение РФ №2725348, предназначенная для работы в нескальных грунтах. Свая состоит из ствола, одного или более удлинителей ствола, соединенных со стволом и винтовых лопастей одного размера, расположенных по всей длине ствола.

Данное техническое решение имеет несколько существенных недостатков. Так наконечник эксцентричен за счет скоса на одну сторону, узел удлинения ствола через муфту не надежен. Диаметр лопасти винта недостаточен для обеспечения надёжности на выдергивание при несущем слое в пределах до 10 м податливых грунтов, а при этом кратность диаметра лопасти 0,5м слишком завышена. Не учтено наличие зон уплотненного грунта (мёртвых зон), что при расчётах приводит к завышению несущей способности сваи по грунту.

Кроме того шаг лопасти занижен, из-за чего может происходить провертывание сваи. Как указывает д.т.н. Железков В.Н. в книге «Винтовые сваи в энергетической и других отраслях строительства» СПб, Прагма, 2004г., «Провертыванию более других подвержены многолопостные винтовые сваи с малым шагом винтов лопасти».

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение несущей способности сваи за счёт разработка конструкции многолопостной сваи с учетом технологических особенностей формирования напряженного состояния грунта в зоне расположения лопастей при погружении сваи.

Для решения поставленной задачи предложена конструкция многолопостной винтовой сваи, представленная новой совокупностью существенных конструктивных признаков.

Многолопастная винтовая свая для работы в нескальных грунтах, состоящая из ствола, удлинительных элементов, соединенных со стволом, винтовых лопастей одного размера, закреплённых по длине ствола, отличается от известных тем, что

винтовые лопасти размещаются_, на расстоянии друг от друга l_л≥h_p×t_gφ(1+1/ t_g²φ), кратно шагу винта винтовой лопасти «а», в количестве: n_л=(N- F_dƒ- F_do)/ F_dл для свай, работающих на вдавливание, где

N – внешняя нагрузка,

F_dƒ – несущая способность ствола сваи,

F_do – несущая способность по острию, F_dл – несущая способность лопасти,

при этом несущая способность ствола рассчитывается по формуле: F_dƒ=ƒ×А_aƒ, где

ƒ – расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности винтовой сваи тс/м² (осредненное значение для всех слоев, в пределах глубины погружения сваи),

А_aƒ – площадь поверхности сдвига ствола сваи по грунту, определяется по формуле:

А_aƒ=π×d[L_св-n_л×h_p×t_gφ(1+1/ t_g²φ)], где

L_св – длина сваи,

n_л – количество винтовых лопастей,

D – диаметр винтовых лопастей,

h_p – высота реборды винтовых лопастей, h_p=D-d/2,

φ – угол внутреннего трения несущего слоя грунта.

Кроме того, удлинительный элемент соединён со стволом при помощи сварки.

На конусном наконечнике выполнены плоские срезы с 2-х сторон симметрично оси сваи под углом 90° между плоскостями среза.

Диаметр лопастей выбирается от 2d до 4d и устанавливается кратным 0.1м.

Шаг лопастей «а» не превышает 0,3D.

Предлагаемое усовершенствование элементов конструкции многолопастной сваи позволяет повысить несущую способность сваи.

Предлагаемая свая поясняется рисунками:

фиг.1 – конструкция свай.

фиг.2 – расположение свай относительно несущего слоя грунта.

Предлагаемая многолопастная свая (фиг.1) содержит ствол 1 длиной L_св c конусным наконечником 5 и винтовыми лопастями 4, размещенными на расстоянии l_л друг от друга. Для сохранения ненарушенным массива грунта каждая последующая лопасть должна повторять путь предыдущей, а для этого расстояние между лопастями должно быть кратно шагу винтовой лопасти «а».

Кроме этого в процессе погружения (завинчивания) сваи в грунт и последующего нагружения сваи расчетной нагрузкой формируются зоны уплотненного грунта (мертвые зоны, см. фиг.1) по периметру винтовых лопастей b и b¹, которые необходимо исключить из расчетов несущей способности свай по грунту при определении несущей способности ствола сваи.

b¹=h_p×t_gφ, b=h_p×t_gφ, где

h_p – высота реборды винтовой лопасти,

φ – угол внутреннего трения несущего слоя грунта.

Мертвая зона между лопастями составит:

b¹+b=h_p×t_gφ(1+1/t_g²φ)

Для исключения взаимовлияния работы лопастей расстояние между лопастями с учетом мертвых зон должно быть: l_л ≥ h_p×t_gφ(1+1/ t_g²φ),

Площадь рабочей поверхности сваи с учетом мертвых зон получается равной:

А_аƒ= π×d[L_св-n×h_p×t_gφ(1+1/ t_g²φ)],

где L_св – длина сваи;

d – диаметр ствола сваи;

n – количество винтовых лопастей;

Свая удлиняется при помощи удлинителей 2 длиной L₂, которые привариваются сплошным швом к первичному стволу 1. На своем верхнем конце удлинитель 2 имеет оголовок – корону 6, посредством которого свая закручивается на длину удлинителя. Операции по удлинению и докручиванию сваи повторяются до достижения сваей расчетной глубины (см фиг.2) и внедрению в несущий слой мощностью Н_н.сл.

Для исключения осевого смещения сваи и наклона от вертикали наконечник 5 выполняется обрезанным с 2-х диаметрально противоположных сторон симметрично оси сваи под углом 90° между плоскостями среза.

Последовательность расчета параметров многолопастной винтовой сваи по предложенному решению следующая (вариант):

- устанавливается несущий слой Н_н.сл. по данным геологических изысканий, при их отсутствии по результатам пробного бурения; расчетная нагрузка на сваю N¹ по 1 г.п.с. (группе предельных состояний, тс)

- назначается диаметр сваи d (м);

- принимается диаметр лопасти D(м)=2/4d_св;

- устанавливается длина сваи L_св;

- по СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» рассчитывается несущая способность лопасти F_dл и несущая способность по острию F_do;

- рассчитывается несущая способность ствола сваи F_dƒ=ƒ×А_aƒ, где

ƒ – осредненное значение сопротивления трению по боковой поверхности в пределах длины сваи, определяется по СП 24.13330.2011

А_aƒ – площадь поверхности сдвига ствола сваи по грунту, определяется по формуле:

А_aƒ =π×d[L_св- n_л×h_p× t_gφ(1+1/ t_g²φ)]

- устанавливается количество винтовых лопастей

n_л=N- F_dƒ- F_do/ F_dл для свай, работающих на вдавливание;

n_л=N- F_df / F_dл для свай, работающих на выдергивание.

- рассчитывается площадь поверхности сдвига ствола сваи по грунту с учетом мертвых зон. А_aƒ =π×d[L_св- n_л×h_p× t_gφ(1+1/ t_g²φ)]

- устанавливается фактическая несущая способность ствола с учетом мертвых зон F_dƒ=ƒ×А_aƒ, выполняется проверка

N≤n_л×F_do+ F_df+F_л на вдавливание

N≤ n_л×F_do+ F_df на выдергивание

- определяется шаг винтовых лопастей

l_л≥h_p×t_gφ(1+1/ t_g²φ)

в пределах 4-5d

Пример расчета параметров многолопастной винтовой сваи по предложению автора:

- несущий слой – супесь пылеватая пластичная с прослойками песков и глины до 10%

φ¹=18°; с¹=1,0 тс/м²; ρ=2,0 т/м³

- расчетная нагрузка на сваю по 1 г.п.с. N¹=50 тс

- диаметр ствола сваи d=325 мм;

- диаметр лопасти D=2d=650 мм;

- шаг винта лопасти а =200 мм;

- длину сваи по размещению несущего слоя грунта принимаем L_св=11,0 м ;

- расчет несущей способности лопасти

F_dл=γ_с(α₁с₁+α₁ γ₁ h₁)А_л,

А_л=π/4(D²-d²)=3,14/4(0,65²-0,325²)=0,24м², h₁=9.0 м;

F_dл=0,7(10,1×1,0+4,5×9,0)×0,24=15,3 тс

- расчет несущей способности сваи по острию

F_dо=γ_с×γ_сr×R×A_o, A_o=π/4×d²)=3,14×0,325²/4=0,083 м²

F_dо=1×0,9×85×0,083=6,35 тс

- расчет несущей способности ствола сваи

F_dƒ=ƒ×A_aƒ, где

ƒ – осредненное значение сопротивления трению по боковой поверхности в пределах длины сваи

ƒ = 2,05 тс/м²

А_f= πd [L_св-n×h×t_gφ(1+1/ t_g²φ) ]

Площадь поверхности сдвига ствола сваи грунту исходя из принимаемого количества винтовых лопастей – 3шт, в первом приближении составит:

А_f=3,14×0,325[11-3×(0,650-0,325)/2×0,325(1+1/0,325²)]

А_f=3,14×0,325(11-1,75)=9,44м², F_dƒ=2,05×9,44=19,35тс

Суммарная несущая способность сваи по грунту составит:

F_d=F_dл+ F_dо+ F_dj = 3×15,3+6,35+19,35=71,6тс

Условия: N¹≤F_d/γ_k выполняется

N¹=50тс<71,6/1,4=51,14тс

- Определяем шаг винтовых лопастей

l_л ≥ h_p×t_gφ(1+1/t_g²φ)

l_л ≥ 0,162×0,325 (1+1/0,325²)

l_л ≥ 0,162×0,325×11=0,58м

принимаем шаг винтовых лопастей l_л =1,6м, кратно шагу винта лопасти а=200 мм.

Указанная в примере расчета свая была выполнена в ноября 2020г. а испытана 14 января 2021г., отчет «ПКТИ Фундамент-тест», шиф. №9988.

График испытания сваи показан на прилагаемом рисунке. Несущая способность 3-хлопастной сваи по грунту типа СВС 325×8-11000-П×20-650/650/650 составила 74,0 тс, что показало правильность исходных предпосылок, заложенных автором в методику расчета, дающую хорошую сходимость расчетных и полученных в результате статических испытаний свай результатов.

Расчетная F_d=72,6 тс

Полученная в результате испытаний F_{d исп.}=74,0 тс

В случае размещения лопастей не кратно шагу винтовой лопасти происходит полное нарушение структуры грунта вокруг сваи, диаметром, равным диаметру лопасти. Это приводит к снижению несущей способности по боковой поверхности

F_dƒ на 9,35 тс., по трём лопастям F_dл на 20,4 тс

В этом случае несущая способность будет существенно ниже

F_d = 72,6 – 9,35 – 20,4.= 42,75 тс

Таким образом, предлагаемые усовершенствования отдельных элементов конструкции многолопастной сваи позволяют повысить прочность соединения удлинителей сваи, исключить осевое смещение сваи, исключить взаимовлияние работы лопастей , исключить проворачивание сваи и разрушение уплотнённого грунта, что в конечном итоге позволило существенно увеличить несущую способность сваи.

Изобретение относится к многолопастным винтовым сваям и предназначено для устройства фундаментов зданий и сооружений различного назначения, опор линий электропередач и связи, трубопроводов, мостов, рекламных конструкций, жилых и общественных зданий. Многолопастная винтовая свая, предназначенная для работы в нескальных грунтах, состоит из ствола, удлинительных элементов, соединенных со стволом, винтовых лопастей одного размера, расположенных по длине ствола, и конусного наконечника. Винтовые лопасти размещены в пределах несущего слоя грунта мощностью Н_н.сл на расстоянии друг от друга l_л≥h_p×t_gϕ(1+1/t_g²ϕ), кратно шагу винтовой лопасти «а», в количестве: n_л=(N-F_dƒ-F_do)/F_dл для свай, работающих на вдавливание, где :

l_л - расстояние между лопастями, h_p - высота реборды винтовых лопастей, h_p=D-d/2, D - диаметр винтовых лопастей, ϕ - угол внутреннего трения несущего слоя грунта, n_л - количество винтовых лопастей, N - внешняя нагрузка, F_dƒ - несущая способность ствола сваи, F_do - несущая способность по острию, F_dл - несущая способность лопасти, для свай, работающих на выдергивание, F_do=0, при этом несущая способность ствола рассчитывается по формуле: F_dƒ=ƒ×А_aƒ, где ƒ - расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности винтовой сваи тс/м² (осредненное значение для всех слоев в пределах глубины погружения сваи),

А_aƒ - площадь поверхности сдвига ствола сваи по грунту, определяется по формуле: А_aƒ=π×d[L_св-n_л×h_p×t_gϕ(1+1/t_g²ϕ)], где d - диаметр ствола сваи, L_св - длина сваи. Технический результат состоит в повышении несущей способности сваи за счет конструкции многолопостной сваи с учетом технологических особенностей формирования напряженного состояния грунта в зоне расположения лопастей при погружении свай. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многолопастная винтовая свая, предназначенная для работы в нескальных грунтах, состоящая из ствола, удлинительных элементов, соединенных со стволом, винтовых лопастей одного размера, расположенных по длине ствола, и конусного наконечника, отличающаяся тем, что винтовые лопасти размещены в пределах несущего слоя грунта мощностью Н_н.сл на расстоянии друг от друга l_л≥h_p×t_gϕ(1+1/t_g²ϕ), кратно шагу винтовой лопасти «а», в количестве n_л=(N-F_dƒ-F_do)/F_dл для свай, работающих на вдавливание,

где l_л - расстояние между лопастями,

h_p – высота реборды винтовых лопастей, h_p=D-d/2,

D – диаметр винтовых лопастей,

ϕ – угол внутреннего трения несущего слоя грунта,

n_л – количество винтовых лопастей,

N – внешняя нагрузка,

F_dƒ – несущая способность ствола сваи,

F_do – несущая способность по острию,

F_dл – несущая способность лопасти,

для свай, работающих на выдергивание, F_do=0,

при этом несущая способность ствола рассчитывается по формуле: F_dƒ=ƒ×А_aƒ, где

ƒ – расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности винтовой сваи тс/м² (осредненное значение для всех слоев в пределах глубины погружения сваи),

А_aƒ – площадь поверхности сдвига ствола сваи по грунту, определяется по формуле:

А_aƒ=π×d[L_св-n_л×h_p×t_gϕ(1+1/t_g²ϕ)], где

d – диаметр ствола сваи,

L_св – длина сваи.

2. Свая по п.1, отличающаяся тем, что конусный наконечник выполнен обрезанным с 2-х сторон симметрично относительно оси сваи под углом 90° между плоскостями среза.

3. Свая по п.1, отличающаяся тем, что диаметр лопастей определяется от 2d до 4d и устанавливается кратным 0,1 м.

4. Свая по п. 1, отличающаяся тем, что шаг лопастей «а» не превышает 0,3D.

5. Свая по п.1, отличающаяся тем, что удлинительный элемент соединён со стволом сварочным швом.