Винтовая свая

Полезная модель относится к строительству, в частности к конструкциям свай для многолетнемерзлых грунтов и может быть использована в качестве свайного фундамента для опор промышленных зданий и сооружений. Полезной моделью решается задача создания винтовой сваи, обеспечивающей повышенную производительность процесса погружения сваи, за счет сведенного к минимуму необходимого крутящего момента, при минимальных затратах на ее изготовление. Винтовую сваю, погружаемую в лидерную (предварительно пробуренную) скважину, изготавливают из ствола, выполненного из металлической трубы, и соединенного с ним сваркой стального литого полого наконечника с наружной винтовой лопастью и торцевым зубчатым венцом. В соответствии с полезной моделью, нижний конец наконечника выполняют с наружной цилиндрической поверхностью диаметром D_н равным диаметру ствола D_с или составляющим (1,02-1,05) диаметра ствола D_с, в пределах высоты зубчатого венца. 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 ₂ в зависимости от соотношения диаметра ствола D_c и диаметра винтовой лопасти D_л составляет (8-45)°, а ширина винтовой лопасти В₂ равна 0,5(D _л-D_с). Заходная часть винтовой лопасти, составляющая 1/4-1/3 витка винтовой лопасти, по мере продвижения к началу винтовой лопасти, выполняется путем плавного увеличения угла расширения поперечного сечения винтовой лопасти до величины ₁ равной (15-80)° и плавного уменьшения ширины винтовой лопасти до величины B₁ равной (3-15) мм. Соединение винтовой лопасти с наружной цилиндрической поверхностью литого наконечника выполняется с помощью радиуса сопряжения R, величина которого равна (5-15) мм. Центрально-симметричная, трапецеидальнообразная форма каждого зуба ограничивается наружной цилиндрической, внутренней конической и плоской торцевой поверхностями цилиндрического наконечника, а также наклонными боковыми плоскостями, пересекающимися по линии, проходящей через продольную ось симметрии винтовой сваи в общей точке так, чтобы передний угол резания каждого зуба находился в пределах (0-10)°. По наружной цилиндрической поверхности наконечника ширина зуба С составляет (3-10) мм, высота зуба Н равна (12-60) мм, угол раскрытия трапецеидальнообразной формы зуба ₃ равен (45-120)°, а в основании каждого зуба вышеуказанные наклонные боковые плоскости переходят в цилиндрическую поверхность с радиусом сопряжения R₁ равным (5-15) мм. При необходимости ввинчивания сваи в плотный грунт предлагаемая конструкция винтовой сваи, в разных исполнениях, допускает возможность выполнения механической обработки наружной цилиндрической поверхности литого наконечника, в зоне у торцевого зубчатого венца, свободной от винтовой лопасти:

- ручной шлифмашинкой для получения шероховатости поверхности Ra 6,3Ra 12,5;

- на токарном станке для получения геометрически точной поверхности шероховатостью Ra 3,2Ra 6,3 при диаметре нижнего конца наконечника D_н , в литье составлявшему (1,02-1,05) диаметра ствола D_c , в пределах высоты зубчатого венца.

Описание полезной модели:

Полезная модель относится к строительству, в частности к конструкциям свай для многолетнемерзлых грунтов и может быть использована в качестве фундамента для опор промышленных зданий и сооружений, вышек сотовой связи, опор линий электропередач и контактной сети электрифицированных железных дорог, и других конструкций.

Известна винтовая свая, описанная в ТУ 5264-006-05773342-2007 «Сваи стальные винтовые», дата введения с 03.12.2007, с.3, 5-8, рис.2, включающая ствол, выполненный из металлической трубы, и соединенный с ним сваркой стальной литой полый наконечник с наружной винтовой лопастью и торцевым зубчатым венцом, причем нижний конец наконечника выполнен снаружи цилиндрическим, имеющим диаметр D_н равный диаметру ствола D_c.

Недостатком известной сваи является значительный крутящий момент, необходимый для завинчивания винтовой сваи в грунт.

Вышеописанная винтовая свая близка по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели и выбирается в качестве прототипа.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка конструкции винтовой сваи, лишенной отмеченного выше недостатка, характеризующейся повышением производительности процесса погружения сваи, за счет сведенного к минимуму необходимого крутящего момента.

Для достижения указанного технического результата предлагается винтовая свая, состоящая из ствола, выполненного из металлической трубы, и соединенного с ним сваркой стального литого полого наконечника с наружной винтовой лопастью и нижним концом наконечника, имеющим наружную цилиндрическую поверхность и торцевой зубчатый венец особенностью которой, отличающей ее от прототипа, является то, что диаметр наружной цилиндрической поверхности нижнего конца наконечника D_н составляет (1,02-1,05) диаметра ствола D_c, в пределах высоты зубчатого венца. Благодаря тому, что диаметр D_н нижнего конца наконечника немного больше, чем диаметр ствола D_c , в пределах высоты зубчатого венца, нижний конец наконечника обеспечивает расширение диаметра лидерной скважины в процессе погружения сваи в грунт. Это приводит к уменьшению сил сцепления боковой цилиндрической поверхности сваи с грунтом, существенно уменьшая необходимый крутящий момент.

Существенным признаком заявляемой винтовой сваи является трапецеидальная форма профиля поперечного сечения винтовой лопасти, расширяющаяся по толщине от периферии к основанию винтовой лопасти. Предлагаемая винтовая свая, имеет винтовую лопасть, толщина поперечного сечения которой линейно увеличивается от периферии к основанию винтовой лопасти, что позволяет равномерно распределить напряжения вдоль по образующей винтовой лопасти. Угол расширения поперечного сечения винтовой лопасти ₂ в зависимости от соотношения диаметра ствола D_c и диаметра винтовой лопасти D_л составляет (8-45)°, а ширина винтовой лопасти В₂ равна 0,5(D _л-D_c).

Следующим существенным признаком заявляемой винтовой сваи является выполнение заходной части винтовой лопасти, по мере продвижения к началу винтовой лопасти, путем плавного увеличения угла расширения поперечного сечения винтовой лопасти и плавного уменьшения ширины винтовой лопасти. Предлагаемая винтовая свая, имеет заходную часть винтовой лопасти, составляющую 1/4-1/3 витка винтовой лопасти, выполненную, по мере продвижения к началу винтовой лопасти, путем плавного увеличения угла расширения поперечного сечения винтовой лопасти до величины ₁ и плавного уменьшения ширины винтовой лопасти до величины B₁. Для разных типоразмеров винтовых свай величины ₁ и B₁ принимают равными: ₁=(15-80)° и B₁=(3-15) мм. Таким образом, предлагаемая винтовая свая имеет винтовую лопасть, конструкция которой приводит к плавному раздвиганию грунта лопастью, при ввинчивании сваи в грунт.

Дополнительным существенным признаком заявляемой винтовой сваи является соединение винтовой лопасти и наружной цилиндрической поверхности литого наконечника с помощью радиуса сопряжения R. Это обеспечивает наилучшую конфигурацию в зоне у основания винтовой лопасти, работающей одновременно на срез и изгиб. Для разных типоразмеров винтовых свай величина радиуса сопряжения R равна (5-15)мм.

Еще одним существенным признаком заявляемой винтовой сваи является центрально-симметричная, трапецеидальнообразная форма каждого зуба торцевого зубчатого венца. Данная конструктивная особенность предложенной сваи, при минимальных затратах на изготовление модельной оснастки, позволяет выполнить цикл резания, в случае необходимости, при ввинчивании сваи в грунт. Центрально-симметричная, трапецеидальнообразная форма каждого зуба ограничивается наружной цилиндрической, внутренней конической и плоской торцевой поверхностями цилиндрического наконечника, а также наклонными боковыми плоскостями, пересекающимися по линии, проходящей через продольную ось симметрии винтовой сваи в общей точке так, чтобы передний угол резания каждого зуба находился в пределах (0-10)°.

Для разных типоразмеров винтовых свай геометрические параметры каждого зуба по наружной цилиндрической поверхности наконечника составляют:

- ширина зуба С=(3-10) мм;

- высота зуба Н=(12-60) мм;

- угол раскрытия трапецеидальнообразной формы зуба ₃=(45-120)°.

В основании каждого зуба вышеуказанные наклонные боковые плоскости переходят d цилиндрическую поверхность с радиусом сопряжения R₁ равным (5-15) мм.

Следующим существенным признаком заявляемой винтовой сваи является возможность выполнения механической обработки ручной шлифмашинкой наружной цилиндрической поверхности литого наконечника, в зоне у торцевого зубчатого венца, свободной от винтовой лопасти, для получения шероховатости поверхности Ra 6,3Ra 12,5, с целью уменьшения сил сопротивления в процессе ввинчивания сваи в плотный грунт.

Дополнительным существенным признаком заявляемой винтовой сваи является возможность выполнения механической обработки на токарном станке наружной цилиндрической поверхности литого наконечника, в зоне у торцевого зубчатого венца, свободной от винтовой лопасти, для получения геометрически точной поверхности шероховатостью Ra 3,2Ra 6,3. Механическая обработка на токарном станке литого наконечника в вышеуказанной зоне обеспечивает существенное снижение сил. сопротивления и плавное ввинчивание сваи в плотный грунт.

Ниже описан один из конкретных примеров реализации предлагаемой полезной модели.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - главный вид винтовой сваи;

на фиг.2 - вид снизу;

на фиг.3 - вид А;

на фиг.4 - сечение Б-Б.

Винтовая свая содержит полый цилиндрический ствол 1, диаметр D_c которого равен в данном конкретном примере 219 мм и соединенный с ним сваркой, отлитый из стали полый наконечник 2 с наружной винтовой лопастью 3 и торцевым зубчатым венцом. Наибольший диаметр винтовой лопасти D_л, равен 290 мм. Диаметр наружной цилиндрической поверхности нижнего конца наконечника D_л равен в данном конкретном примере 225 мм, в пределах высоты зубчатого венца. Профиль поперечного сечения винтовой лопасти имеет трапецеидальную форму 4, расширяющуюся по толщине от периферии к основанию винтовой лопасти. Угол расширения поперечного сечения винтовой лопасти ₂ равен 28°. Ширина винтовой лопасти В ₁ равна 35,5 мм. Заходная часть винтовой лопасти 5, по мере продвижения к началу винтовой лопасти, выполнена с плавным увеличением угла расширения ее поперечного сечения до величины ₁ равной 58°, при плавном уменьшении ширины винтовой лопасти до величины B₁ равной 5,5 мм. Винтовая лопасть соединена с наружной цилиндрической поверхностью литого наконечника с помощью радиуса сопряжения R равного 10 мм. Зубья торцевого зубчатого венца 6 имеют центрально-симметричную, трапецеидальнообразную форму. В данном конкретном примере геометрические параметры каждого зуба по наружной цилиндрической поверхности наконечника составляют:

- ширина зуба С=5 мм;

- высота зуба Н=27 мм;

- угол раскрытия трапецеидальной формы зуба ₃=80°.

В основании каждого зуба плоская боковая грань переходит в цилиндрическую поверхность с радиусом сопряжения R₁ равным 10 мм.

Наружная цилиндрическая поверхность литого наконечника, в зоне у торцевого зубчатого венца, свободной от винтовой лопасти в зависимости от типа исполнения может быть:

- механически необработана;

- механически обработана ручной шлифмашинкой для получения шероховатости поверхности Ra 6,3Ra 12,5;

- механически обработана на токарном станке для получения геометрически точной поверхности шероховатостью Ra 3,2Ra 6,3.

Погружение винтовой сваи осуществляется следующим образом.

Винтовая свая устанавливается в лидерную скважину. В результате ее вращения при помощи специальной машины крутящий момент от полого цилиндрического ствола 1 передается на отлитый из стали полый наконечник 2. Нижний конец наконечника обеспечивает расширение диаметра лидерной скважины в процессе погружения сваи в грунт, что существенно уменьшает силы сцепления боковой цилиндрической поверхности сваи с грунтом и, соответственно, снижает необходимый крутящий момент. Заходная часть винтовой лопасти 5, выполненная с переменным углом расширения ее поперечного сечения и переменной шириной винтовой лопасти, позволяет равномерно распределить напряжения по поперечному сечению и длине винтовой лопасти в начале процесса ввинчивания сваи в грунт. В случае необходимости, зубья торцевого зубчатого венца 6, имеющие центрально-симметричную, трапецеидальнообразную форму, позволяют выполнить цикл резания. После полного ввинчивания полого наконечника 2 в грунт существенно увеличивается нагрузка на винтовую лопасть 3. Наличие профиля поперечного сечения винтовой лопасти трапецеидальной формы 4 и радиуса сопряжения R дает возможность равномерно перераспределить напряжения по поперечному сечению и длине винтовой лопасти.

Таким образом, предлагаемая винтовая свая, имеющая описанную выше конструкцию, обеспечивает в отличие от прототипа повышенную производительность процесса погружения сваи, за счет сведенного к минимуму необходимого крутящего момента и равномерно напряженную конструкцию винтовой сваи по поперечному сечению и длине винтовой лопасти.

Заявляемое решение разработано, изготовлено и успешно испытано в ООО «Облик». Положительные результаты полевых испытаний подтвердили работоспособность предложенной винтовой сваи и широкие возможности ее практического применения.

1. Винтовая свая, включающая ствол, выполненный из металлической трубы, и соединенный с ним сваркой стальной литой полый наконечник с наружной винтовой лопастью и нижним концом наконечника, имеющим наружную цилиндрическую поверхность и торцевой зубчатый венец, отличающаяся тем, что диаметр наружной цилиндрической поверхности нижнего конца наконечника D_н составляет (1,02-1,05) диаметра ствола D_c в пределах высоты зубчатого венца.

2. Винтовая свая по п.1, 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 ₂ в зависимости от соотношения диаметра ствола D_c и диаметра винтовой лопасти D_л составляет (8-45)°, а ширина винтовой лопасти В₂ равна 0,5(D _л-D_с).

3. Винтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что заходная часть винтовой лопасти, составляющая 1/4-1/3 витка винтовой лопасти, по мере продвижения к началу винтовой лопасти, выполнена путем плавного увеличения угла расширения поперечного сечения винтовой лопасти до величины ₁, равной (15-80)°, и плавного уменьшения ширины винтовой лопасти до величины B₁, равной (3-15) мм.

4. Винтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что соединение винтовой лопасти с наружной цилиндрической поверхностью литого наконечника выполнено с помощью радиуса сопряжения R, величина которого равна (5-15) мм.

5. Винтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что каждый зуб торцевого зубчатого венца имеет центрально-симметричную, трапецеидальнообразную форму, ограниченную наружной цилиндрической, внутренней конической и плоской торцевой поверхностями цилиндрического наконечника, а также наклонными боковыми плоскостями, пересекающимися по линии, проходящей через продольную ось симметрии винтовой сваи в общей точке так, чтобы передний угол резания каждого зуба находился в пределах (0-10)°, при этом по наружной цилиндрической поверхности наконечника ширина зуба С составляет (3-10) мм, высота зуба Н равна (12-60) мм, угол раскрытия трапецеидальной формы зуба ₃ равен (45-120)°, а в основании каждого зуба вышеуказанные наклонные боковые плоскости переходят в цилиндрическую поверхность с радиусом сопряжения R₁, равным (5-15) мм.

6. Винтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что наружная цилиндрическая поверхность литого наконечника в зоне у торцевого зубчатого венца, свободной от винтовой лопасти, механически обработана ручной шлифмашинкой для получения шероховатости поверхности Ra 6,3Ra 12,5.

7. Винтовая свая по п.1, отличающаяся тем, что наружная цилиндрическая поверхность литого наконечника в зоне у торцевого зубчатого венца, свободной от винтовой лопасти, механически обработана на токарном станке для получения геометрически точной поверхности шероховатостью Ra 3,2Ra 6,3.