Сборная винтовая свая для закрепления фундамента или оттяжки опоры линии электропередачи в многолетнемерзлом грунте Российский патент 2025 года по МПК E02D5/48 E02D5/52 E02D5/56 E02D5/54 

Область техники

Изобретение относится к области электроэнергетики и может найти применение для закрепления фундаментов или оттяжек опор линий электропередачи (ЛЭП) в многолетнемерзлых грунтах.

Уровень техники

Известно техническое решение для сваи в многолетнемерзлом грунте (ММГ), направленное на предотвращение оттаивания этого грунта путем теплоизоляции нижней части сваи, погруженной в ММГ, от ее верхней части [RU 2653193 опуб. 07.05.2018]. Сутью этого изобретения, согласно патентному описанию, является создание теплоизолирующего слоя из высокопрочного пенополиуретана в теле грунтоцементной сваи. Толщину теплоизолирующего слоя определяют, исходя из требования, чтобы подстилающая мерзлота не оттаивала при эксплуатации фундамента в летний период и не давала просадку грунта.

Недостатки этого известного решения - снижаемая теплоизолирующей вставкой несущая способность сваи и высокая трудоемкость грунтоцементной технологии.

Эти недостатки исключаются при использовании стальных винтовых свай, которые представляют собой стальную трубу с оголовком и анкерной частью, снабженной винтовым наконечником. Анкерная часть сваи вворачивается в ММГ без нарушения его естественной структуры, что обеспечивает высокую несущую способность сваи [Преснов О.М. и др. «Возведение свай в условиях вечной мерзлоты». Международный научно-исследовательский журнал №2 (116) 2022 г., доступ: https://research-joumal.org/wp-content/uploads/2022/02/2-116-1.pdf#page=41].

Недостаток стальных винтовых свай - высокая вероятность оттаивания ММГ, примыкающего к анкерной части сваи, и, как следствие, падение ее несущей способности. Этот недостаток обусловлен интенсивностью теплопередачи по стальному стволу сваи, представляющему собой тепловой мост от ее оголовка к анкерной части. Ежегодные смещения верхней границы ММГ вследствие климатических изменений усугубляют этот недостаток.

Из уровня техники известно, что коэффициент теплопроводности полимерных композитов существенно меньше коэффициента теплопроводности стали. Конструкционные марки стали, широко и традиционно применяемые при изготовлении стальных винтовых свай, имеют коэффициент теплопроводности 30÷60 Вт/м×°С, а коэффициент теплопроводности композитов лежит в пределах 0,1÷0,3 Вт/м×°С, в зависимости от вида композитного материала и технологии изготовления.

Проведенный авторами патентно-информационный поиск показал, что конструкция винтовой сваи, целенаправленно предусматривающая использование теплоизолирующих свойств композита для разрыва теплового моста между ее стальным оголовком и погруженным в ММГ стальным анкерным наконечником, неизвестна из уровня техники. Поэтому в качестве прототипа изобретения выбрана стальная сборная винтовая свая, известная из патента [RU 2597420, опуб. 10.09.2016].

Свая-прототип обладает рядом перечисленных в ее описании технологических преимуществ перед цельными винтовыми сваями, но смонтированная с закреплением в ММГ, имеет описанный выше недостаток стальной сваи, обусловленный интенсивной теплопередачей от ее оголовка в анкерную часть и в ММГ, примыкающий к анкерной части.

Сущность изобретения

Технический результат изобретения - повышение надежности и долговечности закрепления винтовой сваи в ММГ с сохранением ее удерживающей способности в течение срока службы сваи при прогнозируемых смещениях верхней границы ММГ.

Предметом изобретения является сборная винтовая свая для ММГ, содержащая анкерный модуль со стальным спиральным наконечником, предназначенным для ввинчивания в ММГ, верхний модуль со стальным оголовком, предназначенным для закрепления на нем фундамента, и расположенное между анкерным и верхним модулями тело сваи, длина которого достаточна для погружения анкерного модуля в ММГ, отличающаяся тем, что указанное тело сваи имеет теплоизолирующий участок, по меньшей мере, из одного композитного модуля, смонтированный с возможностью пересечения им текущей и прогнозируемых на срок службы сваи верхних границ многолетнемерзлого грунта.

Развития изобретения состоят в том, что:

- композитный модуль выполнен из стеклопластика, углепластика или базальтопластика;

- верхний модуль выполнен с поверхностью, имеющей пониженный коэффициент трения об окружающий грунт;

- модули сваи выполнены трубчатыми с конусными резьбовыми окончаниями для соединения друг с другом;

Краткое описание фигур На фиг. 1 представлена сборная свая, смонтированная в грунте из сборочных единиц - стальных и композитных модулей, на фиг. 2 - ее композитный модуль.

Осуществление изобретения с учетом его развитей

На фиг. 1 показаны анкерный модуль 1 со стальным спиральным наконечником 2, предназначенным для ввинчивания в ММГ 3, и верхний модуль 4 со стальным оголовком 5, предназначенным для закрепления на нем фундамента, например, под опору или под оттяжку опоры ЛЭП, или фундамента под иную конструкцию. Между анкерным модулем 1 и верхним модулем 4 расположено тело 6 сваи. Число модулей и длина Н тела 6 сваи, определяется условием ввинчивания анкерного модуля 1 в ММГ 3 на глубину, обеспечивающую проектную несущую способность сваи, при максимальном за срок ее службы прогнозируем понижении границы 7 до уровня 7-1.

Согласно предлагаемому техническому решению тело 6, имеет теплоизоляционный участок 8, состоящий из одного или более композитных модулей 9 (модули 9-1 и 9-2 на фиг. 1). Остальные модули 10 тела 6, расположенные вне участка 8, если они необходимы для обеспечения требуемой длины Н, могут быть менее дорогими - стальными.

Участок 8 должен обеспечивать теплоизоляцию ММГ 3 и погруженного в этот грунт анкерного модуля 1 от стальных модулей 4 и 10, проводящих тепло от неподверженного замерзанию слоя 11 грунта, а в летние сезоны еще от оголовка 5. В силу низкой теплопроводности композита достаточным условием для обеспечения такой теплоизоляции является пересечение границы 7 каким-либо композитным модулем участка 8. Это условие должно выполняться как в год монтажа сваи, так и при всех положениях границы 7, прогнозируемых в районе монтажа сваи на предстоящий срок ее эксплуатации. (Для свай под опоры ЛЭП постоянного назначения этот срок, как правило, составляет более пятидесяти лет.).

Как видно на фиг. 1, выполнение условия пересечения участком 8 всех положений смещающейся границы 7 (в том числе положения 7-2 в год монтажа сваи, положений 7-1 и 7-3 в годы ее наибольших прогнозируемых смещений) каким-либо композитным модулем участка 8 обеспечивается соответствующим расположением участка 8 в теле 6 монтируемой сваи и длиной h этого участка, определяемой числом его композитных модулей 9.

Число композитных модулей 9, которые в разы дороже стальных, желательно минимизировать. Минимально необходимая длина h теплоизоляционного участка 8 и, соответственно минимально необходимое число ее композитных модулей 9 (9-1, 9-2 на фиг. 1) определяется величиной промежутка между крайними прогнозируемыми положениями 7-1 и 7-3 верхней границы 7 ММГ 3.

В случае пучинистого характера грунта сезоннопромерзающего слоя 12 верхний модуль 4 сборной сваи, закрепленной в ММГ 3, может быть выполнен из композитного модуля или стального модуля, покрытого полимерной оболочкой 13. Поверхность композита и полимерной оболочки обладает меньшим коэффициентом трения о пучинящий грунт, чем поверхность стального модуля. Скольжение пучинящего грунта 12 по гладкой поверхности модуля 4 снижает воздействие на сваю выдергивающих сил морозного пучения.

При этом нижняя часть противопучинистого участка 13, расположенная в слое 11, неподверженном замерзанию, может быть выполнена с шероховатой поверхностью, трение которой о грунт сезоннопромерзающего слоя 11 препятствует выдергивающим нагрузкам, действующим на сваю при его морозном пучении. Такой эффект успешно использован в сваях, не предназначенных для закрепления в ММГ [RU 207627, опуб. 10.09.2016]

Для снижения материалоемкости и веса модули сборной сваи целесообразно выполнять трубчатыми.

Для повышения удобства монтажа сборной сваи и надежности передачи высокого вращающего момента, необходимого для закручивания наконечника 2 в ММГ, трубчатые модули сваи могут быть выполнены с конусными резьбовыми окончаниями 14 и 15 (фиг. 2), обеспечивающими возможность удобного резьбового соединения модулей друг с другом по типу «ниппель-муфта», известного, например, из [RU 2534255, опуб. 27.11.2014]. На фиг. 1 показаны четыре таких соединения 16. Направление закручивания резьбовых соединений 16 должно совпадать с направлением ввинчивания спирального наконечника 2.

Для осуществления вышеописанных возможностей заявляемой сваи при различных глубинах расположения границ 7 и границы между слоями 11 и 12, включая границы, определяемые непосредственно в ходе монтажа сваи (что особенно характерно в случае сооружения свай под опоры протяженной ЛЭП), сваю целесообразно выполнять из относительно коротких (1,5-2,5 м) стальных и композитных трубчатых модулей заводского изготовления.

Пример. На месте проектного возведения фундамента глубина сезоннопромерзающего слоя 12 почвы оценивается в 1,5 метра, текущая глубина верхней границы многолетней мерзлоты (границы 7-2) - в 2,5 метра, а прогноз на различные периоды предстоящего срока службы сваи допускает повышение верхней границы 7 ММГ 3 не более, чем на 40 см (уровень 7-3 на фиг. 1, и ее понижение до уровня не ниже 4,5 м (уровень 7-1 на фиг. 1). При этом длина каждого из модулей заводского изготовления (как композитных модулей 9, так и стальных модулей 1, 2 и 10)- два метра.

При этих условиях тело 6 сваи будет смонтировано из соединенного с верхним модулем 4 стального модуля 10 и двух композитных модулей 9, верхний из которых 9-2 будет пересекать текущее расположение 7-2 границы 7 и ее прогнозируемое положение 7-3, а нижний 9-1 - ее другое прогнозируемое положение 7-1. Длины Н и h составят 6 и 4 метра соответственно.

Как следует из изложенного, технический результат изобретения достигается при использовании сборной винтовой сваи, содержащей анкерный модуль 1 со стальным спиральным наконечником 2, предназначенным для ввинчивания в многолетнемерзлый грунт 3, верхний модуль 4, со стальным оголовком 5, предназначенным для закрепления на нем фундамента, и расположенное между модулями 1 и 4 тело 6 сваи, длина которого достаточна для погружения анкерного модуля 1 в ММГ 3. Указанный технический результат достигается в том случае, если тело 6 сваи имеет теплоизолирующий участок 8, по меньшей мере, из одного композитного модуля 9, смонтированный с возможностью пересечения им (участком 8) текущей верхней границы 7-2 ММГ 3, а также верхних границ 7-1 и 7-3 этого грунта, прогнозируемых на срок службы сваи.

Изобретение относится к конструкции винтовых свай, используемых для закрепления фундаментов или оттяжек опор линий электропередачи (ЛЭП) в многолетнемерзлых грунтах. Технический результат заключается в повышении надежности и долговечности закрепления винтовой сваи в ММГ с сохранением ее удерживающей способности в течение срока службы сваи при прогнозируемых смещениях верхней границы ММГ. Технический результат достигается тем, что свая содержит анкерный модуль (1) со стальным спиральным наконечником (2), предназначенным для ввинчивания в ММГ (3), верхний модуль (4) со стальным оголовком (5), предназначенным для закрепления на нем фундамента, а также тело (6) сваи, расположенное между анкерным (1) и верхним (4) модулями. Тело (6) сваи имеет длину, достаточную для закрепления наконечника (2) в ММГ (3). Тело (6) имеет теплоизолирующий участок (8), по меньшей мере, из одного композитного модуля (9), смонтированный с возможностью пересечения им текущей (7-2) и прогнозируемых на срок службы сваи верхних границ (7-1 и 7-3) грунта (3). 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сборная винтовая свая для многолетнемерзлого грунта, содержащая анкерный модуль со стальным спиральным наконечником, предназначенным для ввинчивания в многолетнемерзлый грунт, верхний модуль со стальным оголовком, предназначенным для закрепления на нем фундамента, и расположенное между анкерным и верхним модулями тело сваи, длина которого достаточна для погружения анкерного модуля в многолетнемерзлый грунт, отличающаяся тем, что указанное тело сваи имеет теплоизолирующий участок, по меньшей мере, из одного композитного модуля, смонтированный с возможностью пересечения им текущей и прогнозируемых на срок службы сваи верхних границ многолетнемерзлого грунта.

2. Свая по п. 1, в которой композитный модуль выполнен из стеклопластика, углепластика или базальтопластика.

3. Свая по п. 1, в которой верхний модуль выполнен с пониженным коэффициентом трения поверхности об окружающий грунт.

4. Свая по п. 1, в которой модули сваи выполнены трубчатыми с конусными резьбовыми окончаниями для соединения друг с другом.