Рабочий орган для устройства винтонабивных свай

Изобретение относится к области строительства, а именно к фундаментостроению. Рабочий орган для устройства винтонабивных свай, состоящий из обсадной трубы, башмака с винтовой лопастью и теряемого наконечника, погружаемый в грунт путем завинчивания с приложением крутящего момента и осевой вертикальной силы. Рабочий орган отличается тем, что теряемый конусный наконечник имеет угол заострения 90°, угол наклона винтовой линии лопасти подбирается по приведенным формулам для обеспечения получения рациональных величин силовых воздействий от погружающего механизма, имеется герметичный разборный стык обсадных труб, башмак имеет радиус, больший радиуса обсадной трубы, подбираемый из приведенного уравнения, за счет чего снимается давление грунта на обсадную трубу вследствие восстановления упругой деформации грунта после внедрения башмака, что влечет за собой значительное уменьшение энергоемкости процесса сооружения скважины. При погружении рабочего органа окружающий грунт раздвигается башмаком в стороны, тем самым уплотняясь. По достижении проектной отметки в обсадную трубу вставляется арматурный каркас, и производится бетонирование сваи с одновременным извлечением рабочего органа путем вывинчивания ее вращением в обратную сторону, при этом теряемый наконечник остается в грунте. С помощью этого грунт еще раз уплотняется, а бетон заполняет пустоты, оставленные башмаком. 3 ил.

 

Изобретение относится к области строительства, а именно к фундаментостроению, и может быть использовано как при возведении новых, так и при усилении фундаментов ранее возведенных зданий и сооружений, а также при сооружении опор, воспринимающих знакопеременные нагрузки.

Известен способ возведения сваи (патент РФ 2317373, E02D 5/56, 30.01.2007), заключающийся в образовании пилотной скважины в грунте путем бурения и выдачи разрушенного грунта на поверхность посредством полого шнекового бурового снаряда с породоразрушающим инструментом, размещении в скважине металлического каркаса, заполнении ее бетоном и нарезки в стенках пилотной скважины винтовой щели.

Недостатком данного способа является малая несущая способность сваи вследствие разуплотнения стенок скважины и тиксотропного разупрочнения в случае устройства сваи в пылевато-глинистых грунтах.

Известен способ изготовления сваи (патент РФ 2278212, E02D 5/56, 5/36, 01.04.2005), заключающийся в образовании скважины в грунте за счет принудительного оттеснения грунта с помощью бурильной колонны с наконечником, состоящим из жестко соединенных между собой конических и цилиндрических катков, который оставляют в скважине.

Недостатком данного способа является высокая стоимость и трудоемкость изготовления каждого оставляемого в грунте наконечника.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления сваи (патент РФ 2076173, E02D 5/56, 5/36, 06.05.1995), заключающийся в погружении под воздействием усилий вращения и осевой подачи в грунт полого наконечника с винтовым выступом на нем и трубчатой штанги и подачи через верхнее отверстие штанги арматуры и бетона одновременно с извлечением штанги из грунта.

Недостатком данного способа является применение теряемого наконечника, винтового башмака и лопасти нерациональной формы, увеличивающих энергоемкость изготовления скважины, наличие зазора между башмаком и трубчатой штангой, в который попадает вода и грунт в случае изготовления сваи в водонасыщенных слабых грунтах, а также сложность, трудоемкость и большая стоимость изготовления всего рабочего органа, ненадежность его работы в слабых водонасыщенных грунтах.

Задача изобретения заключается в уменьшении энергоемкости и стоимости устройства сваи за счет оптимизации конструктивных параметров рабочего органа и упрощении его изготовления, а также повышении его надежности за счет применения новых конструктивных решений.

Технический результат достигается тем, что рабочий орган, содержащий теряемый наконечник, башмак с винтовой лопастью и обсадную трубу, имеет теряемый наконечник с углом заострения 90 градусов, что обосновано проведенными исследованиями и приводит к минимальным затратам энергии при сооружении сваи (формула для определения работы крутящего момента, действующего на теряемый наконечник (1), где M₁ - крутящий момент, необходимый для погружения наконечника в грунт; R - радиус башмака; а - шаг винта лопасти; β - половина угла заострения наконечника; Н - высота башмака; h - высота обсадной трубы), винтовую лопасть, которая имеет угол подъема винтовой линии, с помощью которого достигается оптимальное распределение крутящего момента и вертикальной силы на механизм погружения (формулы (2) для определения

крутящего момента и (3) для определения вертикальной силы, действующей на винтовую лопасть, где C₁ - коэффициент общей деформации грунта; a - угол заострения лопасти; В - ширина лопасти; µ - показатель степени; n - число витков лопасти; γ - угол наклона винтовой линии лопасти; f - коэффициент трения), башмак, имеющий радиус, больший радиуса обсадной трубы ((4), где С₂ - коэффициент упругой деформации грунта), за счет чего снимается давление грунта на обсадную трубу вследствие восстановления упругой деформации грунта после внедрения в него башмака, следовательно, значительно уменьшается величины крутящих моментов и вертикальной силы, необходимые для погружения рабочего органа, и стык, обеспечивающий герметичность, разборность и простоту процесса наращивания длины рабочего органа.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 обозначено: 1 - теряемый конусный наконечник, 2 - башмак, 3 - винтовая лопасть, 4 - нижняя секция обсадной трубы, 5 - патрубок, 6 - заглушка, 7 - наращиваемая секция обсадной трубы.

Пояснение к примеру определения угла подъема винтовой линии

В формулах (2) и (3) неизвестными являются угол подъема винтовой линии и величины крутящего момента и вертикальной силы. Параметры C₁, f и µ находятся путем испытания в лаборатории образцов грунта, полученных в результате инженерно-геологических работ на участке строительства (бурения скважин). Угол заострения лопасти а определяется предварительным статическим расчетом лопасти на прочность при действии строительных и эксплуатационных нагрузок методами строительной механики. Количество витков лопасти принимается равным 1,25, так как это обеспечивает минимальную энергоемкость процесса изготовления скважины, что обосновано многочисленными исследованиями Л.Л.Богорада, М.Д.Иродова, В.А.Пенчука, И.И.Цюрупы, И.М.Чистякова и других авторов. Радиус башмака и ширина лопасти - параметры, определяющие диаметр сооружаемой сваи, который, в свою очередь, должен быть найден предварительно с использованием СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» расчетом свайного фундамента на проектные нагрузки.

На следующем этапе необходимо задаться величиной угла подъема винтовой линии (например, 10 градусов), подставить все величины в формулы (2) и (3) и определить крутящий момент и вертикальную силу.

Далее рассматриваются характеристики погружающего механизма. В случае если механизм не в состоянии обеспечить достаточный крутящий момент, но обеспечивает достаточную вертикальную силу, угол подъема винтовой линии корректируется в большую сторону, и производится перерасчет. В случае, если механизм не в состоянии обеспечить достаточную вертикальную силу, но обеспечивает достаточный крутящий момент, угол подъема винтовой линии корректируется в меньшую сторону, и производится перерасчет. В случае, если не обеспечивается ни достаточная вертикальная сила, ни достаточный крутящий момент, требуется замена погружающего механизма на более мощный либо переконструирование рабочего органа.

Рабочий орган состоит из теряемого конусного наконечника 1, башмака 2 с винтовой лопастью 3, секций обсадной трубы 4 и 7 и стыков. Винтовой башмак жестко соединяется с обсадной трубой для исключения попадания внутрь обсадной трубы грунта и воды, для передачи крутящего момента теряемый наконечник снабжен выступами, для предотвращения горизонтального смещения - внутренней обечайкой (фиг.2). Разработанный стык обсадных труб позволяет изготавливать сваи любой длины в пределах мощности погружающего механизма. Стык включает в себя выступы на обеих кромках соединяемых труб для передачи крутящего момента, дополнительный трубчатый патрубок 5 (фиг.3), приваренный к верху нижней секции трубы и в которую вставляется низ верхней секции для предотвращения поперечного смещения секций, заглушки 6, вставляемые в отверстия в насадке и погружаемой секции для передачи растягивающего усилия при вывинчивании рабочего органа. Тем самым достигается герметизация рабочего органа, исключение поступления грунта и воды внутрь изготавливаемой сваи, а значит, появляется возможность сооружения свай в обводненных слабых грунтах. Конструкция рабочего органа проста в изготовлении и использовании и надежна.

Рабочий орган погружается в грунт путем завинчивания. При погружении окружающий грунт раздвигается башмаком в стороны, тем самым уплотняясь. По достижении проектной отметки в обсадную трубу вставляется арматурный каркас, и производится бетонирование сваи с одновременным извлечением рабочего органа путем вывинчивания его вращением в обратную сторону, при этом теряемый наконечник остается в грунте. С помощью этого грунт еще раз уплотняется, а бетон заполняет пустоты, оставленные башмаком.

Рабочий орган для изготовления винтонабивной сваи, включающий обсадную трубу, башмак с винтовой лопастью и теряемый конусный наконечник, отличающийся тем, что теряемый наконечник выполнен с углом заострения 90°, угол наклона винтовой линии подбирается, исходя из приведенных формул (2), (3), башмак имеет радиус, больший радиуса обсадной трубы, подбираемый из приведенного уравнения (4), а также герметичный стык обсадной трубы, снабженный герметичным патрубком, приваренным к верху нижней секции трубы, и заглушками.


где М₃ - крутящий момент, необходимый для погружения рабочего органа в грунт, кНм; Р₃ - вертикальная сила, необходимая для погружения рабочего органа в грунт, кН; r - радиус обсадной трубы, м; R - радиус башмака, м; C₁ - коэффициент общей деформации грунта, кН/м³; α - угол заострения лопасти, град; В - ширина лопасти, м; µ - показатель степени; n - число витков лопасти; γ - угол наклона винтовой линии лопасти, град; f - коэффициент трения; C₂ - коэффициент упругой деформации, кН/м³.