Главная → Статьи

Конструкция винтовых сваи

Винтовые сваи состоят из ствола и башмака с винтовой лопастью. Стволами свай могут быть стальные трубы или железобетонные оболочки. В практике применяли деревянные и железобетонные стволы сплошного сечения, но в настоящее время они не находят применения.

Башмаки могут быть чугунные литые и стальные со сварными лопастями. Наибольшее распространение получили стальные башмаки со сварными лопастями, которые могут быть сплошными или полыми. Лопасти сплошного сечения состоят из нескольких пакетов листов разных размеров, и их рекомендуется применять при диаметрах до 1,5 м. Лопасти полого сечения имеют треугольный поперечник и состоят из двух пакетов листов, связанных диафрагмами. Внутренняя полость между пакетами заполняется бетоном. Лопасти этого типа рекомендуются при диаметрах более 1,5 ж. В плане лопасти имеют круговое очертание и 1,25 витка, чтобы предупредить выдавливание грунта из-под ножа. Шаг винтовой лопасти зависит от рода грунтов, мощности механизма и толщины лопасти в заделке. Шаг рекомендуется применять равным 0,2—0,3 диаметра лопасти при диаметре до 1,5 ж и 0,15—0,2 диаметра лопасти при диаметре более 1,5 м. Чем меньше шаг винтовой лопасти, тем лучше и плавнее работает механизм, особенно в плотных и связных грунтах. Однако в галечных отложениях необходимо увеличить шаг лопасти, чтобы отдельные камни проходили между лопастями. Башмак обычно имеет на конце наконечник-острие, не иногда применяют и башмаки с открытым концом без острия

Ствол сваи изготовляют из секций стальных труб, сваренных в стык с накладками или без них. Ствол с башмаком сваривают в стык, если диаметры их одинаковы, или вводят ствол в трубу башмака, если их диаметры разные. В верхнем конце ствола сваи устраивают оголовок, служащий для передачи свае крутящего момента от кабестана. Оголовок представляет собой накладки с выступами, приваренные к стволу сваи. Число накладок соответствует числу упоров муфты кабестана. При наращивании ствола сваи по мере погружения эти накладки служат стыковыми.

Передача свае крутящего момента от кабестана может быть осуществлена при помощи инвентарного стального ключа, если прочность ствола сваи недостаточна. Инвентарный ключ имеет на конце упоры и надевается на ствол сваи. Соответствующие упоры имеются также в башмаке. Через эти упоры свае придается крутящий момент.

Инвентарный ключ обхватывает трубу башмака на высоту не менее 0,6 диаметра сваи. Если ствол сваи сделан из полой трубы, то вместо наружного инвентарного ключа применяют внутренний.

Механизмы завинчивания свай

Сваи завинчивают специальным механизмом, называемым кабестаном. Кабестан жестко соединяется с головой сваи и закрепляется анкерными тросами для восприятия крутящего момента. Схема анкеровки кабестана показана на рис. 3. Угол наклона троса кабестана к горизонту не должен превышать 25— 30 . Анкерами троса могут быть сваи или другие массивы.

Кабестан МЗС-25 мощностью 25 тм предназначен для завинчивания свай небольших размеров (длиной до 9 ж). Зубчатый венед этого кабестана (рис. 96) приводится во вращение двумя электродвигателями мощностью по 8 кет с числом оборотов 680 в минуту. Число оборотов венца 0,6—0,7 в минуту, а скорость завинчивания 5—7 м/час. Реактивный момент воспринимается четырьмя оттяжками.

Более мощным является кабестан МЗС-150; он предназначен для завинчивания свай с диаметром ствола более 1 м и с диаметром лопасти до 3 м. Мощность кабестана 150 тм.

Кабестан МЗС-150 представляет собой цельносварную раму со съемными консолями, при помощи которых можно увеличить длину кабестана, что позволяет уменьшить усилие з его тросах. На раме установлены четыре электродвигателя мощностью по 20 кет, работающие совместно на одно зубчатое колесо, которое сварено с главным валом кабестана, а главный вал закреплен на раме при помощи радиально-упорного шарикоподшипника внизу и подшипника скольжения наверху. Главный вал кабестана передает крутящий момент на сваю при помощи инвентарного ключа. Реактивный момент воспринимается анкерными тросами кабестана. Скорость вращения зубчатого колеса, т.е. скорость вращения сваи, составляет 0,415 об/мин.

Все операции по завинчиванию сваи производятся одним оператором из кабины (будки). В конструкции кабестана предусмотрены автоматические устройства, исключающие возможность поломки каких-либо его элементов. Кабестан представляет собой габаритную конструкцию, что позволяет транспортировать его в собранном виде по железной дороге.

На строительстве одного моста для завинчивания стальных свай с диаметром ствола 102 см и диаметром лопасти 220 см применен кабестан МЗС-75, изготовленный силами строителей.

Кабестан МЗС-75 представляет собой большой редуктор, заключенный в духъярусную стальную раму. Главной частью механизма является шестерня диаметром 5 м, приводимая во вращение четырьмя синхронно работающими электродвигателями трехфазного тока напряжением 220/380 в и мощностью 14 кет каждый. Электродвигатели были связаны общей цепью, и в случае остановки или выхода из строя одного электродвигателя все остальные автоматически выключались. Каждый электродвигатель при. помощи муфты жестко соединялся с редуктором. Через редукторы вращение передавалось на главную шестерню, насаженную на центральный вал, через систему вспомогательных шестерен. Центральный вал был пустотелым, чтобы облегчить операции по подъемке сваи и др. Через отверстие центрального вала проходили и подмывные трубы. Механизм имел коэффициент полезного действия 0,6. Кабестан соединялся с головой сваи при помощи наголовника, который имел обечайки с отверстиями для болтов. Реактивный момент кабестана передавался через оттяжки на две анкерные сваи. Кабестаны разной мощности также разработаны ЦНИИС.

Сваи можно завинчивать с закрытым или открытым концом: Предпочтение отдают сваям с закрытым концом, так как отпадает необходимость извлекать грунт; кроме того, несущая способность сваи с закрытым концом больше, чем с открытым. Однако в отдельных случаях, например, если отсутствует механизм большой мощности, сваи приходится завинчивать с открытым концом.

Сваи могут быть завинчены как вертикально, так и наклонно, причем наклонные сваи завинчивают без особых приспособлений. Сначала на глубину 1—4 м (чем слабее грунт, тем глубже) сваю завинчивают вертикально, а затем при помощи расча,-лок придают ей проектное положение.

При завинчивании сваи в плотные грунты рекомендуется применять подмыв. Подмывные трубы необходимо доводить до уровня наконечника. Когда прибор покажет резкое увеличение крутящего момента, что наблюдается в плотных грунтах, включают подмыв. Подмыв прекращают, не доходя до проектной отметки на 2—3 м, а довинчивание сваи производят без подмыва..

Во время завинчивания сваи необходимо систематически проверять величину крутящего момента одним из следующих способов:
— измерением усилий в тросах кабестана при помоши динамометров;
— подсчетом расходуемой энергии;
— определением деформации скручивания ствола при помощи индикатора.

При завинчивании свай применяют подъемные краны (портальные, стреловые или деррик-краны), механизмы завинчивания сваи — кабестаны — и вспомогательные механизмы.

При выборе кранового оборудования желательно, чтобы его грузоподъемность обеспечивала одновременную подъемку сваи и кабестана. При кране, который может устанавливать только сваю или кабестан, требуется выполнить большое число грузовых операций.

По мере погружения сваи подтягивают те анкерные тросы, которые с осью сваи образуют острый угол, и отпускают те анкерные тросы, которые с осью сваи составляют тупой ‘угол.

При завинчивании сваи необходимо преодолевать силы сопротивления, возникающие по поверхности ствола сваи диаметром d и по винтовой лопасти диаметром D. Эти силы определяют величину крутящего момента.

Примеры строительства фундаментов на винтовых сваях

В период с 1948 по 1955 г. винтовые сваи были применены при строительстве около 10 мостов. Вначале их изготовляли из стальных труб небольшого диаметра (25—35 см) и завинчивали кабестаном с крутящим моментом 15—25 тм.

Наиболее интересным примером является строительство опор моста через один из лиманов, где винтовые сваи диаметром 102 см и диаметром лопасти 220 см были применены взамен стальных забивных свай диаметром 1 м, предусмотренных проектом. Геологические условия места перехода характеризуются мощным слоем четвертичных наносов на глубину до 30 м. Эти наносы подстилаются плотным гравелистым песком. Глубина заложения сваи на опорах определилась в 20—21 м, а на одной опоре — 29—30 м от поверхности грунта. Забивка свай на такую большую глубину при глубине воды до 13 м в то время была связана с большими трудностями.

На четырех речных опорах были применены винтовые сваи со стальным стволом диаметром 102 см и толщиной стенки трубы 12 мм, а на одной береговой опоре — железобетонные оболочки диаметром 38 см с лопастью диаметром 150 см.

Под каждую речную опору (рис. 6) было завинчено от 10 до 14 наклонных свай (с наклоном 1:4); кроме того, в центре двух опор было завинчено по одной вертикальной свае для испытания статической нагрузкой. Расчетная нагрузка на сваю от основных и дополнительных сил составляла 420 т.

Ствол сваи составляли из отдельных секций длиной по 6 м, которые сваривали в стык. Башмаки сваи делали из труб с высотой конуса 90 см. Винтовые лопасти — сварные из двух пакетов листовой стали толщиной 20 мм. В месте примыкания к стволу лопасти были усилены с наружной стороны дополнительными листами шириной 190 мм. Между верхними и нижними листами лопастей установили диафрагмы, а свободное пространство заполнили цементным раствором состава 1 : 3.

Чтобы обеспечить высокое качество сварки, листы сваривали горизонтальными швами, поворачивая ствол башмака. Все работы по изготовлению свай были выполнены двумя звеньями по четыре человека на берегу. На изготовление одной сваи из 2— 3 секций затрачивали 40—45 час.

Первоначально сваи составляли из двух или трех секций в зависимости от глубины воды. Остальные секции наращивали по мере завинчивания сваи в грунт. Готовые сваи подавали по эстакаде на вагонетках узкой колеи под портальный кран.

Работы по завинчиванию свай обслуживал портальный кран грузоподъемностью 35 т. Он имел три грузовых крюка по 10 т; был оснащен четырьмя лебедками — тремя редукционными по 5 г для подъема механизма завинчивания и сваи и одной ручной 5 т, используемой для передвижки грузовой каретки.

Портальный кран передвигался по двум параллельным эстакадам, которые были сооружены на стальных трубах диаметром 90—102 см. Трубы погружали вибропогружателями ВП-1 и ВП-2. Сван эстакады после окончания работы извлекали для дальнейшего использования.

Завинчивали сван кабестаном МЗС-75, сконструированным и изготовленным силами строителей. Наклонные сваи в проектное положение устанавливали не сразу. Их вначале завинчивали вертикально на глубину до 3 ж (в плотных грунтах можно 1 — 2 м), а затем придавали им проектное положение при помощи двух расчалок. В ходе освоения технологии завинчивания свай было установлено, что при помощи расчалок можно легко придать свае нужный наклон, а во время завинчивания наклон сваи увеличивается за счет ее собственного веса и веса кабестана. Поэтому вначале сваям придавали неполный наклон. На одной из опор сваи завинчивали с подмывом под напором 12 атм. Подмывные трубки диаметром 37 мм были вмонтированы в башмак сваи, а их отверстия были размещены по винтовой линии вокруг лопастей (диаметр отверстий 8 мм) и у острия сваи (диаметр отверстий 20 мм). Подмыв был применен в плотных грунтах при резком увеличении крутящего момента. Прекращали подмыв, не дойдя до проектной отметки на 2—3 м. Во время завинчивания сваи снимали диаграмму изменения величины крутящего момента. При применении подмыва завинчивание сваи происходило при почти постоянной величине крутящего момента 35 — 40 тм, а при отключенном подмыве при довинчивании на глубину 23 м крутящий момент доходил до 112—122 тм, т. е. наблюдалась значительная перегрузка кабестана.

Основную часть времени при завинчивании свай затрачивали на наращивание сваи, монтаж и демонтаж кабестана. Сам процесс завинчивания сваи занимал не более 10—15% от общего времени. В период освоения технологии на погружение одной сваи затрачивали до 30—45 час., а когда технология была налажена, только 16—18 час. После того как свая была погружена, воду, находившуюся в ее внутренней полости, удаляли сжатым воздухом или выкачивали глубинным насосом. Затем ствол сваи заполняли бетонной смесью марки 250. Из некоторых свай воду откачать не удалось, и первые две порции бетонной смеси укладывали подводным способом.

При устройстве ростверка применяли инвентарную подвесную опалубку, которая представляла собой жесткую сборно-разборную конструкцию. Подошву ростверка располагали на глубине около 1,5 м от верха воды.

Несущую способность винтовой сваи определили статическими испытаниями двумя гидравлическими домкратами грузоподъемностью по 500 т каждый (рис. 100). Реактивное давление домкратов передавалось на анкерные стойки, заделанные в тело опоры, через мощную домкратную балку из трех широкополочных двутавров. Испытываемая вертикальная свая была свободно пропущена через тело опоры. Для этого во время бетонирования тела опоры установили стальную трубу диаметром 120 см. Сваю нагружали ступенями по 125 т. При нагружении до полной грузоподъемности двух домкратов предельная нагрузка не была получена. При нагрузке 1086 т (с учетом веса сваи) полная ее осадка равнялась 33,4 мм, а упругая — 19 мм. Результат испытания показал большой запас несущей способности свайного фундамента по грунту.

Замена стальных забивных свай винтовыми сваями снизила стоимость строительства опор на 20%.

Аналогичная описанной конструкция винтовых свай была применена при строительстве морского порта. Геологические условия места строительства требовали погружения до материковых песков, расположенных на глубине 30—31 м от дна моря. Предусмотренная проектом длина железобетонных свай 25 м, сечением 50 X 50 см, как наиболее возможная по условиям погружения, не обеспечивала надежности сооружения. Поэтому вместо железобетонных были применены винтовые сваи, которые имели длину до 40 м при диаметре ствола 102 см и диаметре лопасти 220 см. Эти сваи завинчивали кабестаном МЗС-75, подвешенным к несамоходному дизель-электрическому плавучему крану грузоподъемностью 60 т.

Ваш отзыв