Способ погружения винтовой сваи в грунт и винтовая свая, погружаемая данным способом

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для сооружения несущих фундаментов и закрепления различных механизмов и устройств на грунте, в том числе в условиях мерзлых грунтов, при завинчивании металлических трубчатых свай (преимущественно, диаметром 168...219 мм). Способ погружения винтовой сваи в грунт включает вдавливание сваи с одновременным ее ввинчиванием с использованием внутреннего инвентарного ключа. При ввинчивании сваи крутящий момент на винтовую лопасть первоначально передают посредством инвентарного ключа, затем по мере нарастания сопротивления ввинчиванию сваи, включают в работу по передаче крутящего момента ствол сваи, не допуская при этом превышения установленного значения крутящего момента как на ключе, так и на стволе сваи. Винтовая свая включает цилиндрический трубчатый ствол с направляющим конусом, винтовую лопасть и посадочное место в нижней части ствола под внутренний инвентарный ключ. Ствол сваи выполнен металлическим и в верхней его части снабжен устройством для восприятия крутящего момента с вышеуказанного ключа. Решается задача снижения материалоемкости винтовой сваи за счет применения двухпоточной схемы передачи крутящего момента на лопасть сваи при ее погружении и обеспечении реализации указанной схемы передачи крутящего момента. Повышается надежность способа и винтовой сваи. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для сооружения несущих фундаментов и закрепления различных механизмов и устройств на грунте, в том числе в условиях мерзлых грунтов, при завинчивании металлических трубчатых свай (преимущественно, диаметром 168...219 мм).

Известен способ погружения винтовых свай "за верхнюю головку ствола сваи" (см. кн. Иродов М.Д. "Применение винтовых свай в строительстве", М., 1968г., с.110), при котором крутящий момент лопасти сваи передается через верхний ее конец. При этом головку (наголовник) сваи вставляют в цангу машины, вдавливают сваю в грунт и ввинчивают ее при помощи шлицев на головке. При таком способе погружения ствол сваи должен быть рассчитан на сопротивление сложному нагружению (от кручения, продольного изгиба от осевого усилия, передаваемого машиной свае, а также местного изгиба от действия на ствол направляющих роликов рабочего органа машины).

Недостатком указанного способа является повышенный расход металла для обеспечения прочности ствола, достигаемой путем увеличения толщины стенок сваи или его диаметра до значения, необходимого для обеспечения прочности при погружении.

Известен способ погружения винтовых свай (см. кн. Богорад Л.Я. "Винтовые сваи и анкеры в электросетевом строительстве", М., "Энергия", 1967 г., с.58-59, 78-83), выбранный в качестве прототипа, включающий вдавливание сваи с одновременным ее ввинчиванием с использованием внутреннего инвентарного ключа. При этом способе инвентарный ключ вводят во внутреннюю полость железобетонного ствола сваи и устанавливают в посадочное место винтового башмака, при этом другой конец ключа закрепляют в цанге машины. При таком погружении ствол сваи не испытывает напряжений кручения, и при его расчете учитываются только нагрузки, которые он будет воспринимать от сооружения, фундаментом которого свая будет служить. Крутящий момент и осевое усилие, необходимые для завинчивания винтовой сваи, воспринимает от машины инвентарный ключ и передает его на лопасти сваи. В связи с этим к стержню инвентарного ключа, представляющего собой стальную трубу, предъявляются также очень жесткие требования: с одной стороны, его диаметр должен быть минимальным, так как от этого зависит диаметр ствола сваи, с другой стороны, стержень должен обладать достаточной прочностью на скручивание. При проведении работ в районах Крайнего Севера погружение винтовых свай в мерзлые грунты требует большого по величине крутящего момента. В связи с этим, для передачи на лопасти требуемого крутящего момента необходимо увеличить диаметр стержня инвентарного ключа, а это приведет к увеличению указанного диаметра выше величины, обуславливаемой строительными нагрузками. Указанные мероприятия ведут к большему расходу металла, а следовательно, и к увеличению цены сваи. Кроме того, как показала практика, при установке инвентарного ключа в полый железобетонный ствол сваи возможны сколы бетона на внутренней поверхности ствола. Образовавшиеся при этом механические частицы скалываемого бетона могут попасть в посадочное место под инвентарный ключ, препятствуя установке последнего, и, в целом, всей сваи.

Известны сваи, устанавливаемые описанными выше способами.

Так, известна винтовая свая, содержащая ствол из стальной бесшовной трубы, лопасть из литой стали и направляющий конус (см. кн. Иродов М.Д. "Применение винтовых свай в строительстве", М., 1968 г., с.10-12, рис.5). В известной свае крутящий момент от машины при завинчивании передается на лопасть через верхнюю головку (наголовник) ствола сваи. При этом в зависимости от состояния грунта (повышенная плотность, мерзлый грунт) воспринимаемый стволом сваи крутящий момент должен быть увеличен в сравнении с обычными условиями установки. Поэтому для обеспечения погружения сваи в таких условиях применяют сваи (для обеспечения прочности) с повышенным диаметром ствола либо с увеличенной толщиной стенки, что неизменно ведет к большому расходу металла и явно является недостатком.

Известна винтовая свая, погружаемая с помощью внутреннего инвентарного ключа (см. кн. Богорад Л.Я. "Винтовые сваи и анкеры в электросетевом строительстве", М., "Энергия", 1967 г., с.25), принятая за прототип, содержащая трубчатый ствол из железобетона, металлический винтовой башмак с лопастью и направляющим конусом. По оси металлического винтового башмака выполнено посадочное отверстие под установку профилированной головки нижнего конца инвентарного ключа.

Инвентарный ключ, используемый для погружения указанной сваи, состоит из наголовника, стержня и профилированной головки. Наголовник служит для соединения ключа с цангой каретки рабочего органа машины. Стержень инвентарного ключа представляет собой стальную трубу. Профилированная головка является той частью инвентарного ключа, которая входит в соответствующее посадочное место винтового башмака сваи и непосредственно через которую передается крутящий момент и осевая нагрузка на ствол сваи.

При погружении указанной сваи крутящий момент, необходимый для завинчивания, передается на винтовую лопасть только через инвентарный ключ, а ствол сваи не воспринимает напряжений кручения.

Использование указанной сваи по причинам, изложенным ранее при описании известного способа погружения винтовой сваи (прототипа), ведет к увеличению материалоемкости.

Предлагаемыми изобретениями решается задача снижения материалоемкости винтовой сваи за счет применения двухпоточной схемы передачи крутящего момента на лопасть сваи при ее погружении и обеспечение реализации указанной схемы передачи крутящего момента.

Поставленная задача решается тем, что в способе погружения винтовой сваи в грунт, включающем вдавливание сваи с одновременным ее ввинчиванием с использованием внутреннего инвентарного ключа, согласно изобретению, при ввинчивании сваи крутящий момент на винтовую лопасть первоначально передают посредством инвентарного ключа, затем по мере нарастания сопротивления ввинчиванию сваи включают в работу по передаче крутящего момента ствол сваи, не допуская при этом превышения установленного значения крутящего момента как на ключе, так и на стволе сваи.

Для наилучшей реализации способа включение в работу ствола сваи при достижении установленного значения крутящего момента на инвентарном ключе обеспечивают автоматически, посредством обеспечения взаимодействия элементов инвентарного ключа, передающих крутящиий момент, и устройства для восприятия крутящего момента, расположенного на свае, при этом упомянутый ключ устанавливают в подготовленную для завинчивания сваю таким образом, чтобы передающие крутящий момент элементы инвентарного ключа в исходном состоянии располагались относительно устройства для восприятия крутящего момента сваи с угловым зазором , величина которого определяется из соотношения:

М_кр - установленное значение крутящего момента;

G - модуль упругости сдвига материала стержня внутреннего инвентарного ключа;

I_p - полярный момент инерции сечения стержня внутреннего инвентарного ключа;

L - длина стержня внутреннего инвентарного ключа.

Для решения поставленной задачи предлагается металлическая винтовая свая, погружаемая заявляемым способом, включающая цилиндрический трубчатый ствол с направляющим конусом, винтовую лопасть, и посадочное место в нижней части ствола под внутренний инвентарный ключ, в которой согласно изобретению ствол сваи в верхней ее части снабжен устройством для восприятия крутящего момента от вышеуказанного ключа.

При этом устройство для восприятия крутящего момента выполнено с возможностью взаимодействия с передающими крутящий момент элементами инвентарного ключа при достижении установленного значения крутящего момента.

При реализации заявляемого способа вышеуказанное устройство для восприятия крутящего момента может быть выполнено в виде упоров, установленных на стволе сваи с выступанием во внутреннюю полость, либо в виде сквозных скругленных по концам пазов, диаметрально расположенных на стволе, взаимодействующих с вышеупомянутыми элементами в зонах округления.

Кроме того, для достижения наилучшего результата свая содержит указатели, например в виде рисок или меток, для ориентированного расположения инвентарного ключа в его посадочном месте.

Анализ отличительных признаков заявляемых технических решений показал:

- в заявляемом способе погружения винтовой сваи по сравнению с прототипом изменена схема передачи крутящего момента от машины на лопасть сваи, а именно крутящий момент передают через внутренний инвентарный ключ и через ствол сваи. При такой схеме крутящий момент воспринимается первоначально ключом, а затем по мере нарастания нагрузки и увеличения угла закрутки ключа в работу по передаче крутящего момента подключается ствол, что позволяет снизить нагрузку на ствол и в то же время "не перегрузить" инвентарный ключ, позволяя тем самым использовать сваи со значительно сниженной толщиной стенки ствола (с 20 до 10 мм при диаметре ствола сваи 168...219 мм), не ухудшая при этом прочностных свойств сваи. Это, в целом, способствует уменьшению материалоемкости, а следовательно, и стоимости винтовой сваи;

- автоматическое включение в работу ствола сваи при достижении установленного значения крутящего момента на внутреннем инвентарном ключе обеспечивается за счет упругого закручивания стержня инвентарного ключа до взаимодействия с устройством для восприятия крутящего момента, расположенного на свае, позволяя при завинчивании по мере возрастания нагрузки на инвентарном ключе осуществлять перераспределение крутящего момента с инвентарного ключа на ствол, тем самым разделяя его передачу на две составляющие;

- установка внутреннего инвентарного ключа в приготовленную для завинчивания сваю таким образом, чтобы его элементы, передающие крутящий момент, в исходном состоянии располагались относительно устройства для восприятия крутящего момента сваи с угловым зазором, величина которого определяется, формулой

позволяет сначала использовать прочностные возможности стержня инвентарного ключа по передаче крутящего момента, а затем передачу остальной части необходимого для завинчивания сваи крутящего момента осуществлять через ствол сваи и через инвентарный ключ одновременно.

Для разных конструктивных параметров инвентарного ключа (длины, диаметра стержня, используемого материала и т.п.) значения угла будут отличаться друг от друга и должны определяться расчетным путем, но обязательно с учетом обеспечения прочности стержня ключа на скручивание при достижении угла по известной зависимости (см., например, кн. Феодосьев В.И. "Сопротивление материалов". М., Наука 1972 г., с. 84, 86):

τ_mах - максимальное допустимые касательные напряжения материала ключа;

W_p - полярный момент сопротивления;

- снабжение ствола сваи в верхней его части устройством для восприятия крутящего момента от инвентарного ключа обеспечивает при завинчивании сваи по мере закручивания инвентарного ключа на определенный угол (в зависимости от жесткости ключа) передачу крутящего момента на винтовые лопасти через ствол. При этом соотношение геометрических размеров сваи и ключа, а также механические характеристики материалов должны быть такими, чтобы обеспечить при расчетном крутящем моменте нагрузки на ключе одновременное достижение предельно допустимых напряжений как в инвентарном ключе, так и в стволе сваи. Это позволяет полностью использовать прочностные свойства материалов и тем самым минимизировать их расход, что способствует решению поставленной задачи;

- выполнение устройства для восприятия крутящего момента в виде упоров, установленных на стволе сваи с выступанием во внутреннюю полость либо в виде сквозных скругленных по концам пазов, диаметрально расположенных на стволе, является наиболее приемлемым по материальным затратам и технологии изготовления;

- выполнение указателей для ориентированного расположения инвентарного ключа в посадочном месте позволяет сократить время на его установку;

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - схема способа погружения винтовой сваи;

на фиг.2 - вид А (увеличено) на фиг.1, где изображена винтовая свая с установленным внутренним инвентарным ключом;

на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.2, где показано выполнение устройства для восприятия крутящего момента в виде упоров;

на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.2, где показано выполнение устройства для восприятия крутящего момента в виде пазов;

на.фиг.5 - эпюра напряжений в стволе сваи и инвентарном ключе при погружении заявляемым способом;

на фиг.6 - винтовая свая, погружаемая без использования внутреннего инвентарного ключа;

на фиг.7 - сечение В-В на фиг.6 с изображением эпюры напряжений в стволе сваи;

на фиг.8 - сечение Б-Б на фиг.2 с эпюрой напряжений в стволе сваи и инвентарном ключе, соединенных между собой без возможности взаимного углового перемещения;

Погружение (завинчивание) винтовой сваи 1 в грунт осуществляют рабочим органом 2 машины для завинчивания свай (фиг.1, 2) путем приложения осевого усилия Р и крутящего момента М_кр. Необходимый для завинчивания крутящий момент М_кр первоначально передают от рабочего органа 2 машины на винтовую лопасть 3 посредством инвентарного ключа 4, затем, по мере нарастания сопротивления, а следовательно, увеличения угла закрутки ключа 4, в передачу крутящего момента подключают ствол 5 сваи, образуя тем самым второй поток крутящего момента на лопасть 3, действующий одновременно с крутящим моментом, передаваемым через инвентарный ключ 4.

Винтовая свая 1, погружаемая заявляемым способом, включает стальной трубчатый ствол 5 (фиг.2) с направляющим конусом 6 и винтовой лопастью 3. Для снижения трудоемкости изготовления винтовая лопасть 3 выполнена навивкой из стальной полосы и приварена к стволу 5. В нижней части ствола 5 в направляющем конусе 6 выполнено посадочное место 7, например по форме шестиугольного углубления, для установки внутреннего инвентарного ключа 4. В верхней части ствол 5 снабжен устройством 8 для восприятия крутящего момента с ключа 4.

Внутренний инвентарный ключ 4, используемый при погружении сваи, выполнен в виде металлического трубчатого стержня 9, с наголовником 10 в верхней его части. В нижней части ключа выполнена профилированная головка 11, причем форма ее выполнения соответствует форме посадочного места 7 ствола сваи, например, в виде шестигранника. На ключе 4 выполнены элементы 12 для передачи крутящего момента. В процессе погружения сваи они взаимодействуют с устройством 8 для восприятия крутящего момента.

В качестве примера конкретного исполнения сваи устройство 8 выполнено в виде упоров 13 (фиг.3), установленных на стволе сваи с выступанием их во внутреннюю полость ствола, при этом элементы 12 ключа 4 выполнены в виде диаметрально расположенных выступов 14. Выступы 14 расположены относительно вершин "а" и "b" шестигранника профилированной головки 11 под углом ₁. При этом контактирующие поверхности выступов 14 расположены относительно упоров 13 сваи с угловым смещением (угол ₁ за вычетом половины угловых размеров ширины выступов 14 и упоров 13).

В другом примере устройство 8 для восприятия крутящего момента выполнено в виде сквозных овальных пазов 15, диаметрально расположенных на стволе 5 сваи (фиг.4). В этом случае в верхней части стержня 9 ключа 4 выполнены два диаметрально расположенных отверстия 16, а элементы 12 ключа, передающие крутящий момент, представляют собой съемный металлический стержень 17, устанавливаемый в совмещенные (при установке ключа 4 в полость сваи) отверстия 16 и пазы 15, а угол задан центральным углом ₁ у паза 15 за вычетом центрального угла ₂ у диаметра стержня 17.

Для уменьшения трудоемкости изготовления пазов 15, они выполнены в обечайке 18, приваренной в верхней части ствола 5.

При заведении внутреннего инвентарного ключа 4 в полость сваи, его устанавливают таким образом, чтобы элементы 12 для передачи крутящего момента в исходном состоянии располагались относительно устройства 8 восприятия крутящего момента сваи с угловым зазором (фиг.3-4).

Для ориентированного размещения инвентарного ключа 4 в посадочном месте 7 на свае и на ключе 4 установлены соответственно указатели 19 и 19', выполненные в виде рисок или меток.

Предлагаемый способ погружения винтовой сваи осуществляют следующим образом.

Процесс погружения начинают с зарядки рабочего органа машины инвентарным ключом 4. Наголовник 10 заводят в рабочий органа 2 машины. Затем, используя указатели 19, устанавливают инвентарный ключ 4 в полость сваи 1 до положения, при котором его профилированная головка 11 входит в посадочное место 7, а элементы 12 ключа 4 в исходном состоянии располагаются относительно устройств 8 с угловым зазором .

По первому варианту исполнения винтовой сваи (фиг.3) указатели 19 расположены на одной оси с упорами 13. Для обеспечения выставки необходимого угла риски 19 на стволе 5 сваи совмещают с рисками 19' на ключе 4, шестигранные посадочные поверхности ключа и сваи при этом совпадают и тем самым обеспечивается установка внутреннего инвентарного ключа относительно сваи на заданный угол .

По другому варианту выполнения сваи (фиг.4) при заведении внутреннего инвентарного ключа 4 в полость сваи, профилированную головку 11 размещают в посадочном месте 7 с совмещением пазов 15, выполненных на столе сваи, и отверстий 16, выполненных на ключе 4, после чего устанавливают стержень 17. Для обеспечения как завинчивания сваи, так и ее вывинчивания с максимально возможным крутящим моментом, стержень 17 устанавливают симметрично относительно скругленных кромок овального паза 15.

Погружение сваи 1 начинают с заглубления направляющего конуса в грунт под воздействием осевого усилия Р рабочего органа 2 машины с одновременным ее завинчиванием путем передачи крутящего момента на лопасть 3 сваи через внутренний инвентарный ключ 4.

При дальнейшем погружении сваи в процессе ее завинчивания с момента приложения нагрузки к внутреннему инвентарному ключу 4 до взаимодействия элементов 12 для передачи крутящего момента (выступов 14 либо стержня 17) с устройством 8 для восприятия крутящего момента (упорами 13 либо пазами 15) стержень 9 инвентарного ключа испытывает кручение, при этом связь между углом закрутки и прилагаемым моментом кручения, геометрическими размерами инвентарного ключа (диаметр и длина его стержня), определена как для торсиона по известной зависимости увязывающей величину крутящего момента и угловую деформацию торсиона, в нашем случае стержня 9 ключа 4 (см., например, проектировочный расчет торсионов из кн. "Расчет и конструирование гусеничных машин" под ред. Н.А.Носова, Л., Машиностроение, 1970 г., формула (XII.5), с.457-459).

Эпюра распределения напряжений кручения (τ), возникающих в стволе сваи и в инвентарном ключе при погружении заявляемым способом, приведена на фиг.5.

Как видно из эпюры, максимальные напряжения кручения (τ_mах) от передачи всего крутящего момента ни в свае, ни во внутреннем инвентарном ключе не превышают допустимые напряжения кручения [τ].

Для сравнения приведены эпюра напряжений в стволе винтовой сваи, погружаемой без применения внутреннего инвентарного ключа (фиг.6, 7), и эпюра напряжений, возникающих в стволе сваи и внутреннем инвентарном ключе при их совместном погружении (фиг.8), но взаимодействующих между собой без возможности взаимного углового перемещения (при таком варианте выполнения винтовой сваи устройство для восприятия крутящего момента выполнено не в виде овальных пазов, а в виде отверстий, диаметр которых равен диаметрам отверстий 16 и стержня 17), при этом в обоих случаях прилагаемый к стволу сваи крутящий момент имеет то же значение, что и в заявляемом способе.

В обоих случаях, показанных на фиг.7 и фиг.8, имеет место превышение максимальных напряжений кручения. Так τ_mах (в стволе сваи), см. фиг.7, существенно превышает [τ]. Это явление имеет место и во втором случае, см. фиг.8, где τ_max1 (встволе сваи) превышает [τ_max] хотя τ_mах2 (в стержне внутреннего инвентарного ключа) существенно меньше [τ].

После погружения винтовой сваи на заданную глубину, прекращают передачу крутящего момента на лопасть сваи, внутренний инвентарный ключ 4 извлекают из ствола 5 путем втягивания его в рабочий орган 2 машины для завинчивания свай.

Таким образом, заявляемый способ погружения винтовой сваи в грунт совместно с заявляемым устройством сваи обеспечивают распределение передаваемого от машины крутящего момента, необходимого для завинчивания сваи, на две составляющие (сначала через внутренний инвентарный ключ - как первая составляющая, затем, при достижении установленного значения крутящего момента, и через ствол сваи - как вторая составляющая). Тем самым заявляемые способ погружения и конструкция винтовой сваи позволяют осуществить вышеуказанную схему передачи крутящего момента и обеспечить меньшую по сравнению с прототипом материалоемкость, что является и решением поставленной задачи.

1. Способ погружения винтовой сваи в грунт, включающий вдавливание сваи с одновременным ее ввинчиванием с использованием внутреннего инвентарного ключа, отличающийся тем, что при ввинчивании сваи крутящий момент на винтовую лопасть первоначально передают посредством инвентарного ключа, затем по мере нарастания сопротивления ввинчиванию сваи включают в работу по передаче крутящего момента ствол сваи, не допуская при этом превышения установленного значения крутящего момента как на ключе, так и на стволе сваи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что включение в работу ствола сваи при достижении установленного значения крутящего момента на инвентарном ключе обеспечивают автоматически посредством обеспечения взаимодействия элементов инвентарного ключа, передающих крутящий момент, и устройства для восприятия крутящего момента, расположенного на свае, при этом упомянутый ключ устанавливают в подготовленную для завинчивания сваю таким образом, чтобы передающие крутящий момент элементы инвентарного ключа в исходном состоянии располагались относительно вышеупомянутого устройства для восприятия крутящего момента с угловым зазором Θ, величина которого определяется из соотношения

где Мкр – установленное значение крутящего момента;

G – модуль упругости сдвига материала стержня внутреннего инвентарного ключа;

Iр – полярный момент инерции сечения стержня внутреннего инвентарного ключа;

L – длина стержня внутреннего инвентарного ключа.

3. Винтовая свая, включающая цилиндрический трубчатый ствол с направляющим конусом, винтовую лопасть и посадочное место в нижней части ствола под внутренний инвентарный ключ, отличающаяся тем, что ствол сваи выполнен металлическим и в верхней его части снабжен устройством для восприятия крутящего момента с вышеуказанного ключа.

4. Свая по п.3, отличающаяся тем, что устройство для восприятия крутящего момента выполнено с возможностью взаимодействия с передающими крутящий момент элементами инвентарного ключа при достижении установленного значения крутящего момента.

5. Свая по любому из пп.3 и 4, отличающаяся тем, что элементы для восприятия крутящего момента выполнены в виде упоров, установленных на ее стволе с выступанием во внутреннюю полость.

6. Свая по любому из пп.3 и 4, отличающаяся тем, что элементы для восприятия крутящего момента выполнены в виде сквозных скругленных по концам пазов, диаметрально расположенных на стволе.

7. Свая по любому из пп.3-6, отличающаяся тем, что она содержит указатели, например, в виде рисок или меток для ориентированного расположения инвентарного ключа в его посадочном месте.