Сваи винтовые характеристики – размеры, диаметр для фундамента дома, характеристики, длина, оголовок 108, какие бывают

Характеристика винтовых свай и их размеры — СамСтрой

Винтовые сваи имеют различные характеристики. Их не так много: из важнейших следует выделить длину, диаметр сечения и массу элемента. Также для применения в строительстве важно знать свойства материала, который служит сырьем для изготовления конкретной марки свай, и ряд дополнительных параметров.

Технология использования винтовых свай в строительстве имеет историю в несколько столетий. За этот период изделия доказали свою практическую ценность и заслужили повсеместное применение для возведения зданий и сооружений различных характеристик и назначения.

Размеры винтовых свай отличаются большим разнообразием, но все они разработаны с учетом практической ценности и оптимального применения в строительстве.

ВЕС, МАССА И РАЗМЕРЫ ВИНТОВЫХ СВАЙ

Сваи винтовые имеют вес и размеры, разработанные и утвержденные строго в соответствие с ГОСТами. А нормативные документы, в свою очередь, основаны на многочисленных практических испытаниях и экспертизах. В ходе такого многоступенчатого процесса удалось подобрать оптимальные размеры с учетом несущих характеристик.

Размеры винтовых свай

В приведенной ниже таблице указано соответствие диаметров и длины сваи к рабочей массе конструктивного элемента.

Длина сваи, м	Диаметр сваи, мм
	57	76	89	108	133	159
1650	11 кг.	12 кг.	14 кг.	22 кг.	27 кг.	38 кг.
1800	11 кг.	13 кг.	15 кг.	23 кг.	29 кг.	41 кг.
2000	12 кг.	14 кг.	17 кг.	25 кг.	31 кг.	45 кг.
2500	14 кг.	17 кг.	20 кг.	30 кг.	38 кг.	55 кг.
3000	16 кг.	19 кг.	23 кг.	35 кг.	44 кг.	64 кг.
3500	18 кг.	22 кг.	26 кг.	40 кг.	51 кг.	74 кг.
4000	20 кг.	25 кг.	29 кг.	45 кг.	57 кг.	83 кг.
4500	22 кг.	27 кг.	32 кг.	50 кг.	63 кг.	93 кг.
5000	24 кг.	30 кг.	36 кг.	55 кг.	70 кг.	102 кг.
5500	26 кг.	33 кг.	39 кг.	60 кг.	76 кг.	112 кг.
6000	28 кг.	36 кг.	42 кг.	65 кг.	84 кг.	121 кг.
6500	30 кг.	39 кг.	45 кг.	70 кг.	90 кг.	131 кг.
7000	32 кг.	42 кг.	48 кг.	75 кг.	97 кг.	140 кг.
7500	34 кг.	45 кг.	51 кг.	80 кг.	103 кг.	150 кг.
8000	36 кг.	48 кг.	54 кг.	85 кг.	110 кг.	159 кг.
8500	38 кг.	51 кг.	57 кг.	90 кг.	116 кг.	169 кг.
9000	40 кг.	53 кг.	60 кг.	95 кг.	124 кг.	178 кг.

Диаметр винтовых свай служит ключевым параметром при использовании в строительстве. Длина может быть изменена с помощью простой нарезки первоначального прута, а вот диаметр закладывается в проекте и с учетом этого изготавливается на производстве. Архитектор, при выборе свайно-винтового типа основания для будущего строения, обязан точно рассчитать не только параметры фундамента, но и оптимальные габариты и характеристики свай.

Вес, размер, масса и другие характеристики винтовых свай

Рассмотрим винтовые сваи, размеры и характеристики которых играют важную роль при формировании несущей способности фундамента. Установлены средние несущие способности для каждого типа сваи: например, диаметр 76 мм обеспечивает надежную опору для нагрузки в 3 тонны; диаметр 108 мм увеличивает несущую способность до 5-7 тонн. Особенность конструкции заключается в том, что вес самой сваи не оказывает влияния на несущие характеристики будущего основания.

Самая распространенная длина сваи составляет 2,5 метра. Такая величина обеспечивает надежность конструкции и качество основания для любого типа здания. В целом, на современном строительном рынке присутствуют сваи с длиной от 0,5 метра до 11,5. Хотя большинство из них редко применяются в производстве.

Как уже упоминалось, вес винтовой сваи 108 мм способен обеспечить достаточную опору для нагрузки до 7 тонн. Отсюда следует вывод – конструкция сваи служит лучшим примером рационального использование материалов. При минимальных вложениях и точном следовании проекту удается создавать строения высокой прочности и безопасности.

ВИНТОВЫЕ СВАИ: СВЯЗЬ РАЗМЕРОВ И ДОПУСТИМОЙ НАГРУЗКИ

При организации строительства следует тщательно подойти к разработке проекта – так вы получите отличный результат и сократите не только расходы и время производства работ, но и риски деформаций конструкции со временем.

Размеры сваи обеспечивают определенный показатель нагрузки, которую они способны выдержать. При расчете свай требуется знать все конструктивные элементы и параметры каждой части строения. Архитектор анализирует материалы, используемые в строительстве, конструкцию здания, показатели нагрузки на основание и многое другое. Только после тщательного расчета можно определить лучшим тип сваи, без лишних трат и с достаточной прочностью.

При расчете свай закладывается некоторый процент «для запаса прочности» — это обязательно и описывается в проекте.

КАКОЙ ДИАМЕТР СВАЙ ВЫБРАТЬ

Сваи винтовые большого диаметра гарантируют высокую прочность, но при строительстве малого здания не смысла тратить деньги на не реализуемый потенциал. Поэтому к выбору сваи следует подходить внимательно и учитывать многие факторы.

1. Свойства грунта на участке застройки. Для получения достоверных сведений о состоянии грунта перед разработкой проекта проводят комплекс геологических изысканий. После этого, на основе анализа лабораторных исследований проб почвы и проектируемых данных строения, переходят к подбору сваи.
2. Рельеф местности и параметры уклонов на участке.

Особенности самого фундамента и его отдельных частей.

Диаметр винтовых свай

При расчете длины сваи важно знать уровень залегания грунтовых вод. Если участок заболочен, или имеет рыхлый грунт, то определяется глубина закладывания сваи таким образом, чтобы опора испытывала воздействие грунта на определенном протяжении ствола – так обеспечивается вертикальное положение сваи.

Несущая способность винтовых свай:

	Пластичность для глины	Расчетное сопротивление грунта (кг/см2)	Несущая способность винтовой сваи 89×300 (т) при глубине залегания лопасти (м)
			1,5 м	2,0 м	2,5 м	3,0 м
Глина	Полутвердая	6	4,7	5,4	6	6,7
	Тугопластичная	5	4,2	4,9	5,6	6,3
	Мягкопластичная	4	3,7	4,4	5	5,8
Супеси и Суглинки	Полутвердая	5,5	4,4	5,1	5,8	6,5
	Тугопластичная	4,5	3,9	4,6	5,3	5
	Мягкопластичная	3,5	3,5	4,2	4,8	5,5
Лёсс	Мягкопластичная	1	2,2	2,9	3,6	4,3
Пески	Средние	15	9	9,7	10,4	11,1
	Мелкие	8	5,6	6,3	7	7,7
	Пылеватые	5	4,2	4,9	5,6	6,3

Выбор диаметра опоры гарантирует прочность всей конструкции. Рассчитать его невозможно без тщательного анализа и сбора данных относительно конкретного объекта. Только так достигается оптимальное сочетание затрат и качества полученного результата.

Процесс закладки свай осуществляется с соблюдением технических норм проведения работ. От исполнителя требуется обеспечить сохранность сваи, ее вертикальность и выход на установленную глубину.

По подбору диаметра можно дать следующие рекомендации:

• сваи диаметром 57 мм рекомендуется использовать для фундамента под легкий забор из штакетника, сетки-рабицы и других подобных материалов;
• винтовые сваи 76 мм подойдут для более тяжелого забора из профнастила, а также их можно использовать для лёгких сооружений: беседки, террасы или т.п.;
• сваи диаметром 89 мм лучше использовать при обустройстве бани, постройке хозблока, ну и возможно тяжелого деревянного забора;
• если же Вы планируете строить деревянный дом или домик для дачи, а может быть пирс для лодки, то смотрите в сторону свай диаметром как минимум 108 мм

Все характеристики винтовых свай для конкретного объекта закладываются в проекте. Им нужно неукоснительно следовать – любое отклонение дополнительно согласовывается с проектировщиками. Расчет параметров свай представляет собой комплексные математические расчеты, поэтому архитектор обязан делать их точно и внимательно.

КАКУЮ ДЛИНУ СВАЙ ВЫБРАТЬ

Отдельно следует отметить, что план фундамента также определяет требования к сваям. Здесь может быть предусмотрено несколько рядов свай, или неравномерное распределение нагрузки – в таких случаях применяются опоры различного размера.

Длина винтовых свай

Винтовые сваи разной длины обладают различными характеристиками и закладываются только после расчета и утверждения архитектором. Нет нужды делать длинные прутья, если это не принципиально для проекта.

Длина сваи зависит от грунтов

 

Сравнительная характеристика винтовых свай

Наименование	СВС 133	Предлагаемые к сравнению аналоги СВС
		СВС (м) 108	СВС (тм) 89	СВС (л) 133	СВС-2Л (м) 89	СВС-2Л (тм) 89	СВС-2Л 108
Гарантия, лет	10	10	10	10	10	10	10
Контроль качества	25% УЗК сварных швов	25% УЗК сварных швов	25% УЗК сварных швов	25% УЗК сварных швов	25% УЗК сварных швов	25% УЗК сварных швов	25% УЗК сварных швов
Высота цоколя	до 500 мм.	до 500 мм.	до 500 мм.	до 500 мм.	свыше 500 мм.	до 800 мм.	свыше 500 мм.
Грунтовые условия	Песок, супесь, глина, суглинок.	Песок, супесь, глина, суглинок.	Песок, супесь, глина, суглинок.	Техногенный, крупнообломочный грунт.	Песок, супесь, глина, суглинок, торф, водонасыщенный грунт.	Песок, супесь, глина, суглинок, торф, водонасыщенный грунт.	Песок, супесь, глина, суглинок, торф, водонасыщенный грунт.
Антикоррозийное покрытие	На основе полиуретановых смол (LTS-125/16-RSO-а, LTS-125/16-RSO-в).	На основе полиуретановых смол (LTS-125/16-RSO-а, LTS-125/16-RSO-в).	На основе полиуретановых смол (LTS-125/16-RSO-а, LTS-125/16-RSO-в).	На основе полиуретановых смол (LTS-125/16-RSO-а, LTS-125/16-RSO-в).	На основе полиуретановых смол (LTS-125/16-RSO-а, LTS-125/16-RSO-в).	На основе полиуретановых смол (LTS-125/16-RSO-а, LTS-125/16-RSO-в).	На основе полиуретановых смол (LTS-125/16-RSO-а, LTS-125/16-RSO-в).
Толщина лопасти, мм.	6	6	6	6	6	6	6
Диаметр лопасти, мм.	350	350	350	350	300/300	300/300	300/300
Толщина стенки ствола сваи, мм.	4,5	4,5	6	4,5	4,5	6	4,5
Марка стали	Сталь 20	Сталь 20	30ХМА	Сталь 20	Сталь 20	30ХМА	Сталь 20
Длина сваи увеличена на 100 мм.	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да
Усиленное тех.отверстие для свай длиной свыше 4100 мм.	Есть	Есть	Есть	Есть	Есть	Есть	Есть
Тип наконечника	Сварной	Сварной	Сварной	Литой	Сварной	Сварной	Сварной
Горизонтальная нагрузка, т.	1,9-3	1,9-3	1,9-3	1,9-3	2,3-3,4	2,3-3,4	2,3-3,4
Вертикальная нагрузка (на выдергивание), т.	3,5-5,6	3,5-5,6	3,5-5,6	3,5-5,6	4,2-6,3	4,2-6,3	4,2-6,3
Вертикальная нагрузка (на вдавливание), т.	5-8	5-8	5-8	5-8	6-9	6-9	6-9
Тип винтовых свай	Однолопастная	Однолопастная	Однолопастная	Однолопастная	Двухлопастная	Двухлопастная	Двухлопастная

Какая длина винтовых свай необходима для фундамента?

Чтобы фундамент воспринимал нагрузки от здания и передавал их на основание лопасть сваи должна закрепиться в грунте с достаточной несущей способностью мощностью слоя не менее трех диаметров лопасти. Не менее важно при этом подобрать и правильную конфигурацию лопасти, которая минимально нарушит структуру грунта и позволит избежать снижения его несущей способности (подробнее «Ключевые принципы подбора параметров лопастей»).

Грунт с достаточной несущей способностью – имеющий относительно высокие прочностные и деформационные характеристики (подробнее о несущей способности грунта и о том, как она определяется в статье «Несущая способность винтовой сваи»). Он расположен всегда ниже глубины промерзания. Это связано с тем, что в большинстве грунтов в пределах этого слоя происходит действие сил морозного пучения. Что касается регионов с незначительной глубиной промерзания, то здесь необходимо учитывать толщину почвенно-растительного слоя.

Однако интересующий слой может быть расположен на более значительной глубине. Применять в этом случае длинные сваи или другой тип фундамента не всегда целесообразно с экономической точки зрения. Здесь нужна комплексная оценка грунтовых условий в верхней части геологического разреза. Если знать механические характеристики этого слоя, то можно подобрать такой тип фундамента и конструкцию сваи, которые обеспечат надежность и экономичность решения.

Однако если выполнять весь комплекс инженерно-геологических изысканий, то экономии можно не достичь, так как стоимость таких изысканий довольно велика. Как сказано выше, для принятия правильного решения достаточно получить только механические характеристики, поэтому из всего комплекса изысканий можно выполнить часть работ, что поможет значительно удешевить процедуру.

Определить механические характеристики грунта и уровень залегания слоя с достаточной несущей способностью возможно с помощью экспресс-геологии. Это простая и сравнительно недорогая процедура, включающая все необходимые исследования (подробнее «Экспресс-геология (геолого-литологические и геотехнические исследования площадки строительства) и измерение коррозионной активности грунтов»).

Часто компании, которые строят фундаменты из винтовых свай, предлагают для уточнения условий участка выполнить пробное завинчивание, которое не является методом исследования грунта.

Для применяющих данный метод основным является принцип: «Если свая тяжело крутится на предполагаемой глубине установки, то ее несущая способность является достаточной», который не обеспечивает получение объективной информации о несущей способности. Во-первых, результаты очень сильно зависят от времени года, когда производят завинчивание, из-за влияния большого количества факторов, таких как: глубина промерзания, степень влагонасыщения и др. Во-вторых, процедура пробного завинчивания не дает никакой информации о типе и свойствах грунта под сваей. Поэтому контроль величины крутящего момента (который может быть определен при пробном завинчивании) должен применяться лишь для подтверждения ранее полученной расчетом предельно-допускаемой нагрузки на сваю.

Двухлопастные винтовые сваи, особенности расчета

Проведенные исследования показали, что иногда у двухлопастных модификаций может наблюдаться «обратный эффект»: введение второй лопасти только ухудшает работу конструкции, в частности, увеличивая осадку. Такие сваи уступают в восприятии проектных нагрузок даже дезаксиальным однолопастным с лопастью в 1,25 витка.

Дело в том, что конструктивные параметры двухлопастных свай (диаметр лопастей, их шаг и соотношение) – величины не постоянные, а сложным образом зависящие от характеристик грунтовой среды и характера нагрузок, действующих при эксплуатации здания. Поэтому введение второй лопасти без предварительных расчетов, учитывающих все указанные условия, не обеспечивает положительный эффект.

Двухлопастные модификации правильной конструкции действительно имеют преимущества при воздействии следующих видов нагрузок: 

• на сжатие и выдергивание в 2 и более раз; 

• при боковых нагрузках в 4 и более раз; 

• при динамических (переменных) нагрузках в 2 и более раз. 

Более того, было установлено, что при достижении критической нагрузки они не уходят «в срыв», как однолопастные конструкции с лопастью в 1,25 витка, а продолжают набирать несущую способность.

Такие показатели достигаются благодаря включению в работу сваи значительного объема околосвайного массива грунта ненарушенной структуры и мобилизации сил трения по стволу.

Вся информация о нагрузках, необходимая для расчета двухлопастных винтовых свай, содержится в проектной документации объекта. А для получения данных о грунтах достаточным будет проведение экспресс-геологии, подробнее о которой Вы можете узнать в разделе «Экспресс-геология (геолого-литологические изыскания) и измерения коррозионной активности грунтов».

Фундаменты промышленных зданий с применением винтовых свай

В 2018 году на территории особой экономической зоны промышленно-производственного типа «Алабуга» (Елабужский район, Республика Татарстан) в рамках реализации инвестиционного проекта было запланировано строительство производства сложных гранулированных удобрений мощностью 120 тысяч тонн в год.

На первой очереди объекта в качестве фундаментов административных зданий были использованы забивные железобетонные сваи, объединенные железобетонным ростверком. Данный тип основания продемонстрировал низку эффективность при действии значительных горизонтальных нагрузок (забивные ж/б сваи воспринимают подобные нагрузки боковым сопротивлением), а также высокую удельную материалоемкость, которая не может не отразиться на стоимости.

Учитывая это, заказчик поставил перед специалистами компании «ГлавФундамент» задачу – оптимизировать имеющееся проектное решение второй очереди строительства.

Проанализировав предоставленную проектную документацию, специалисты проектного отдела и отдела НИОКР установили, что планируемый к строительству ангар конструктивно имеет двухшарнирную арочную конструкцию, которая предполагает воздействие на фундамент не только вдавливающих, но и значительных горизонтальных нагрузок.

Было принято решение о применении куста из шести свай:

• четыре будут расположены под углом 30⁰, что позволит им воспринимать равнодействующую нагрузку как осевую;

• две будут расположены вертикально для восприятия части вертикальной нагрузки.

Расчет выполнялся для двухлопастных свай со следующими конструктивными параметрами:

• диаметр лопастей – 490 мм;

• толщина лопастей – 10 мм;

• конфигурация лопастей – для грунтов твердой консистенции;

• диаметр ствола – 159 мм;

• толщина стенки ствола – 5 мм;

• длина сваи – 3 600 мм.

Для включения в совместную работу винтовой сваи и максимального объема околосвайного грунта сваи моделировались с различным расстоянием между лопастями (подробнее «Особенности расчета двухлопастных винтовых свай»). Помимо межлопастного расстояния, на включение в работу грунта влияют и такие расчетные величины, как шаг, угол наклона и конфигурация лопастей (подробнее «Ключевые принципы подбора параметров лопастей»), которые позволяют выполнить установку с минимальным нарушением структуры грунта.

Выбор толщины металлопроката обусловлен коррозионной агрессивностью грунтов площадки строительства. Для уточнения правильности подбора данного параметра после выполнения расчета срока службы свай в грунте выполняется проверка соответствия остаточной толщины стенки ствола проектным нагрузкам и требованиям нормативной документации (подробнее «Расчет толщины стенки ствола»).

Расчет долговечности выполняется без учета покрытия. Это связано с тем, что в процессе погружения винтовая свая испытывает значительное абразивное воздействие, что не позволяет гарантировать целостность любого покрытия (подробнее «Сравнительный анализ различных типов антикоррозийного покрытия»).

Для подтверждения проектного решения требовалось провести натурные испытания.

Так как испытания одиночной сваи не отражают реальную работу свайного куста, было принято решение о проведении натурного испытания всего фундамента на совместное действие горизонтальных и вертикальных нагрузок.

Максимальные проектные вдавливающие нагрузки на куст – 67 тонн, горизонтальные – 37 тонн. По результатам испытаний были получены максимальные деформации, которые составили:

Они показали значительный запас по деформациям (больше чем в 2 раза).

Более того, в результате применения данного технического решения была достигнута экономия более 20 процентов.

Расчет толщины стенки ствола винтовой сваи

Первая точка зрения, по всей видимости, основывается как на положениях IBС (International Building Соdе – международный строительный кодекс, разработанный Международным советом по нормам и принятый для использования в качестве стандарта для большинства юрисдикций в США), так и на некоторых данных, содержащихся в отечественной справочной и научной литературе по строительству. 

Так, по Н.С. Метелюку «ствол сваи должен быть изготовлен из бесшовной горячекатаной стальной трубы с толщиной стенки ствола винтовой сваи 10-14 мм» [1; 29]. Эта мысль, по мнению приверженцев данной точки зрения, подкрепляется и положениями IBС [4; 407], в которых содержатся упоминания, что толщина стенки должна начинаться от 9,5 мм (пункт 1810.3.5.3.1 IBС-2009). 

Более того, сторонники использования винтовых свай с максимальной толщиной стенки идут дальше и настаивают, что в отдельных грунтах скорость коррозии стали (при отсутствии защитного покрытия или при его повреждении при завинчивании) может и вовсе достигать 0,2-0,5 мм в год. В результате ими делается вывод о том, что сваи с толщиной стенки ствола (трубы) 3,5-4 мм по международным строительным нормам (IBС-2009) вообще не подходят для строительства фундаментов постоянных сооружений, а вместо них рекомендуется использовать только стенку не менее 9-10 мм. 

Отвечая на приведенные доводы, стоит отметить, что в указанной работе Н.С. Метелюка речь идет не о том, какие сваи должны производиться, а о том, какие сваи выпускались в СССР в 1977 году, когда они использовались исключительно на промышленных объектах, характеризующихся значительными нагрузками. 

Кроме того, пункт 1810.3.5.3.1 IBС-2009 никакого отношения к винтовым сваям не имеет. Это подтверждает оригинальный текст документа: «1810.3.5.3.1 H-piles. Sections of H-piles shall comply with the following: 

1. The flange projections shall not exceed 14 times the minimum thickness of metal in either the flange or the web and the flange widths shall not be less than 80 percent of the depth of the section. 

2. The nominal depth in the direction of the web shall not be less than 8 inches (203 mm). 

3. Flanges and web shall have a minimum nominal thickness of ⅜ inch (9.5 mm)» [4; 407]. 

Упоминаемые здесь H-piles – это забивные сваи, имеющие форму двутавра. Стоит отметить, что данный тип свай рассчитан на восприятие не только проектных нагрузок, но и нагрузок, возникающих в процессе технологического погружения опор, то есть их забивки. 

К винтовым же сваям (hеliсal piles) относится пункт 1810.3.5.3.3. Приводим оригинальный текст: 

«1810.3.5.3.3 Hеliсal piles. Dimensions of the central shaft and the numbеr, size and thickness оf hеliсal bearing platеs shall bе sufficient tо support the dеsign lоads» [4; 408]. 

Здесь указано, что размер центрального ствола, толщина лопастей и т.п. не регламентируются и зависят от «dеsign lоads» – проектных нагрузок.

Таким образом, никакого запрета на использование винтовых свай с толщиной стенки менее какого-либо определенного значения в IBС-2009 не содержится, а есть лишь указание, что все параметры «должны обеспечивать восприятие проектных нагрузок» [4; 408]. В российском СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» толщина стенки ствола винтовой сваи также не нормируется [2; 25].

Что касается ржавления металла , говорить о том, что скорость коррозии всегда составляет 0,2-0,5 мм в год – некорректно, так как она, во-первых, нелинейна, а во-вторых, существенно различается для разных грунтовых условий (от 0,3 мм за 25 лет для природных ненарушенных грунтов до 0,5 мм за 5 лет для неуплотненных и агрессивных насыпей).

На разницу протекания коррозионных процессов в различных грунтах указывает и Британский стандарт BS 8004 [3] «Фундаменты» (пункт 10.3.5). Так, в соответствии с данным документом остаточная толщина стальных свай, устанавливаемых в ненарушенные почвы, «остается в пределах допустимых значений толщины даже после многих десятилетий эксплуатации», так как скорость коррозии в данных грунтах не превышает 1-2 мм за 100 лет. В то же время в нарушенных почвах «использование окислительно-восстановительного потенциала, удельного сопротивления грунта и значений рН может иметь определенное значение для прогнозирования скоростей коррозии». Однако даже в этом случае толщину металла следует подбирать индивидуально, ориентируясь на степень агрессивности нарушенных почв.

Подробнее о коррозии винтовых свай Вы можете прочитать в статье «Коррозия винтовых свай. Как продлить срок службы свайно-винтового фундамента?».

Винтовые сваи — Википедия

Эта статью следует сделать более понятной широкому кругу читателей. Пожалуйста, попытайтесь изложить эту статью так, чтобы она была понятна неспециалисту. Вам могут помочь советы в этом эссе. Подробности могут быть на странице обсуждения.

Винтовые сваи

Винтовые сваи — тип свай, заглубляемых в грунт методом завинчивания в сочетании с вдавливанием. Винтовые сваи состоят из ствола и лопасти (или лопастей). Изготавливаются из литых либо сварных стальных деталей.

История

Свайное  фундаментостроение было известно с древних времен. При этом материал, из которого изготавливались сваи, совершенствовался со временем, а способ установки оставался прежним — их забивали в грунт. Переворот  в этой области совершило изобретение устройства под названием «винтовая свая», запатентованного в 1833 году инженером-строителем Александром Митчеллом^[en] (1780 – 1868). За это достижение он получил медаль Телфорда^[en] и членство Института гражданских инженеров^[en].  

Винтовая свая в то время представляла собой металлическую трубу с якорным винтом на конце и вкручивалась в грунт усилиями людей и животных с помощью большого деревянного колеса, называемого якорным шпилем. Для установки винтовых свай от 20 футов (6 м) длиной с 5-дюймовым (127 мм) диаметром ствола нанимали до 30 мужчин.

Первоначально винтовые сваи использовались только для постройки судовых причалов, однако сфера их применения быстро расширилась — уже в 1838 году  винтовые сваи стали основой для фундамента маяка Мэплин Сэндс^[en] на нестабильном прибрежном грунте реки Темзы в Великобритании.  Для укрепления морских пирсов технологию винтовых свай впервые применил архитектор и инженер Евгениус Берч^[en] (1818 – 1884). С 1862 по 1872 годы были возведены 18 морских пирсов и более 100 маяков. В период 1900-1950 годов  популярность винтовых свай на Западе несколько снизилась в связи с активным развитием механического сваебойного и бурового оборудования, зато в последующие годы  технология свайно-винтовых фундаментов стала активно развиваться в сфере индивидуального, промышленного и крупного гражданского строительства.

В Россию технология пришла в начале 20го века. Тогда винтовые сваи получили широкое распространение в области военного строительства, где в полной мере оценили их достоинства — универсальность применения, возможность использования ручного труда, надежность и долговечность, в особенности на пучинистых, обводненных или многолетнемерзлых грунтах. Эти преимущества были  доказаны благодаря трудам советского инженера Владислава Дмоховского (1877-1952), который провел комплексные исследования в области свайных оснований (теория конических свай).

Исторически сложилось так, что только в 50-60-х гг. XX века в СССР были разработаны теоретические основания применения винтовых свай, технология производства работ, спроектированы и изготовлены установки для их завинчивания. Значительный вклад в систематическое изучение и экспериментальную разработку применения винтовых свай в строительстве внесли Шпиро Г. С., Бибина Н. М., Крюков Е. П., Цюрупа И. И., Чистяков И. М., Орделли М. А., Иродов М. Д. и др. В работах данных авторов содержатся ценные сведения, необходимые для определения технических параметров и геометрических форм винтовых свай, решения конструкций и выбора материалов для их изготовления. В ходе исследований были получены обширные материалы по несущей способности и перемещению винтовых свай в различных грунтах, определено влияние размеров лопасти и глубины ее погружения на несущую способность свай. Опыт погружения большого числа разнообразных по своим размерам и материалам винтовых свай позволил разработать технологию их погружения в грунт, определить скорости вращения, величины крутящих моментов и осевых усилий, необходимых для погружения. В 1955г опубликованы «Технические указания по проектированию и устройству фундаментов опор мостов на винтовых сваях» (ТУВС-55). Несколько позже — «Руководство по проектированию и устройству мачт и башен линий связи из винтовых свай», которое было результатом внедрения, испытаний и опытной эксплуатации опор линий связи высотой до 245м в 1961-1964гг.

Интенсивное внедрение винтовых свай в строительство и энергетику началось в середине 60-х гг. ХХв. Этому способствовало расширение работ по реконструкции зданий и сооружений, выполнение крупных строительных работ в стесненных городских условиях или на промышленных территориях, что требовало разработки глубоких котлованов в непосредственной близости от существующих фундаментов. Другой причиной развития технологии свайно-винтовых опор явилось увеличение объема монтажных работ в строительстве. Монтаж тяжелых конструкций объектов химического, металлургического, энергетического назначения потребовал разработки новых видов фундаментов и расширения области их использования. Наибольшее применение винтовые опоры получили в отраслях связи и телекоммуникациях (закрепление опор ЛЭП).

Разработка винтовых свай в СССР велась независимо от исследований западных ученых, при этом приоритетными задачами стали высокая скорость и простота завинчивания в грунтах с высокой плотностью. Этим требованиям отвечала стальная винтовая свая с литым наконечником и одной лопастью на конусе, конструкцию которой разработал доктор технических наук, крупный инженер-строитель Виктор Николаевич Железков^[1]. Несмотря на универсальность, эта модификация имеет невысокую несущую способность, для повышения которой необходимо увеличивать диаметр ствола и лопасти, что ведет к возрастанию стоимости строительства. Тем не менее такая свая используется достаточно широко.

Тем временем западные разработчики, напротив,  сделали акцент на обеспечении необходимой несущей способности при минимальном увеличении материалоемкости. Это привело к отказу от крепления лопастей к конусу сваи, а для повышения несущей способности разработчики прибегли к наращиванию диаметра лопасти и количества лопастей на стволе. За счет внедрения новых технологий свайно-винтовые фундаменты стали широко применяться в сфере гражданского строительства. По данным ISSMGE в 2010 году винтовые сваи заняли уже 11% зарубежного рынка, постепенно вытесняя забивные.

В российском малоэтажном строительстве винтовые сваи стали использоваться лишь в начале 21го века благодаря усилиям русского ученого — Сергея Петухова^[2], который доказал рациональность применения изделий малого диаметра в ИЖС. Тем не менее в современной России технология свайно-винтовых фундаментов до сих пор незаслуженно считается прерогативой промышленных сооружений, между тем  существующие модификации винтовых свай позволяют признать винтовой фундамент наиболее эффективным методом строительства благодаря высокой несущей способности и оптимальной цене.

Применение

Четырёхсвайный стальной ростверк

Винтовые сваи находят применение в самых разных сферах строительства. Фундаменты этого типа используют для возведения:

С помощью винтовых свай осуществляют реконструкцию зданий и дорог, укрепляют и усиливают монолитные фундаменты на сложных грунтах. Фундаменты на винтовых сваях популярны в качестве оснований для временных сооружений (торговых павильонов, аттракционов и т.п.), заборов, террас, беседок и других объектов, в том числе требующих высокого уровня надежности и изготовления в сжатые сроки.  Отсутствие шума и вибрации во время установки делают винтовые сваи незаменимыми при работе в условиях плотной городской застройки.

Винтовой фундамент может применяться на любых, даже самых сложных грунтах — пучинистых, многолетнемерзлых, слабых и обводненных. Его установка не требует масштабных земляных работ и не зависит от погодных условий.

Широкий спектр применения обусловлен особенностями установки сваи. Винтовая свая вкручивается в грунт подобно шурупу. Прорезав неустойчивые слои, ее лопасти достигают плотных малосжимаемых грунтов, благодаря чему и достигается высокая несущая способность.

Применение винтовых свай нежелательно без представления об основных особенностях грунта на участке застройки. Это позволяет правильно подобрать модификацию свай, их длину и количество. Так, при наличии вечномерзлых, крупнообломочных или техногенных грунтов применяются сваи с литым наконечником, в то время как в торфах и водонасыщенных грунтах лучше использовать двухлопастные сваи и так далее.

Установка винтовых свай производится при помощи гидравлических механизмов, в отдельных случаях — вручную. 

Классификация винтовых свай

Типы винтовых свай

Типоразмеры (характеристики) винтовых свай — это совокупность технологических и конструкционных особенностей. Различные типы свай предназначены для работы в разных условиях, в зависимости от величины нагрузки на фундамент и особенностей грунта. Применение разных типов свай необходимо даже в пределах одного объекта — на один фундамент, как правило, воздействуют неоднородная нагрузка, отличающаяся под ответственными узлами сооружения, под несущими и ненесущими стенами, лагами пола и т.п. Это обеспечивает равномерное распределение запаса прочности и как следствие — увеличение долговечности.

Классификация по размеру лопасти

Диаметр лопасти винтовой сваи может превосходить диаметр ствола более чем в 1,5 раза (широколопастные сваи) и менее чем в 1,5 раза (узколопастные сваи).

Широколопастные сваи в свою очередь делятся на три группы в зависимости от конфигурации лопасти на сваи для:

• текучих, текуче-пластичных и мягко-пластичных грунтов;

• туго-пластичных и твердых водонасыщенных глинистых грунтов;

• полутвердых грунтов.

На выбор конфигурации лопасти влияют физические характеристики грунтов в пятне застройки (пористость, степень насыщения водой, консистенция, гранулометрический состав и т.д.).

Широколопастные винтовые сваи эффективны в дисперстных грунтах, грунтах с невысокой несущей способностью вследствие большей площади опирания.

Узколопастные сваи используются в особо плотных сезоннопромерзающих и вечномерзлых грунтах. За счет меньшей ширины лопасти риск её деформации при установке снижается, а надежная фиксация винтовых свай обеспечивается плотностью грунта.  

Классификация по количеству лопастей

Сваи с одной лопастью (однолопастные) и сваи с двумя и более лопастями (многолопастные).

Однолопастные сваи возможно использовать только в грунтах с достаточно высокой несущей способностью, при этом стоит учитывать особенность данной модификации свай — уход в «срыв» при достижении критической нагрузки.

Многолопастные сваи могут быть использованы в самых разных, в том числе слабых грунтах. Они не только показывают высокую несущую способность, но и более устойчивы при различных видах нагрузок : вдавливающих, выдергивающих или горизонтальных, что достигается включением в работу ствола околосвайного массива грунта.

Увеличение числа лопастей позволяет сваям воспринимать большие нагрузки при меньшем диаметре трубы, жесткость ствола в этом случае обеспечивается за счет трубопроката достаточной толщины. Максимальная эффективность многолопастных винтовых свай достигается моделированием оптимального расстояния между лопастями, шага и угла их наклона, которые являются расчетными величинами.

Классификация по типу наконечников

Наконечники сваи могут быть литыми или сварными.

Литые наконечники винтовых свай меньше подвержены деформации — их использование уместно в крупнообломочных грунтах, грунтах с природными и техногенными включениями, особоплотных и многолетнемерзлых грунтах, а также в крупных гравелистых песках. Литой наконечник способен разрушить препятствие, не деформировавшись. В иных почвах целесообразнее применять сварные наконечники, прочность которых обеспечивается качеством изготовления, толщиной и маркой стали. Применение литого наконечника в стандартных условиях оправдано в случае использования сопоставимой толщины металлопроката .

Классификация по величине воспринимаемых нагрузок

Винтовые сваи также можно условно подразделить на предназначенные для малых или больших нагрузок. Стоит уточнить, что диаметр ствола как параметр для классификации свай по нагрузкам, вопреки общепринятому мнению, имеет решающее значение лишь для широколопастных свай больших длин и диаметров (более 6 м и свыше 159 мм) и узколопастных свай.

Винтовые сваи для малых нагрузок представляют собой однолопастные сваи с диаметром лопасти до 500 мм, толщиной лопасти до 6 мм и толщиной стенки ствола до 4,5 мм, равно как и многолопастные сваи с диаметром лопасти до 300 мм, толщиной лопасти до 5 мм и толщиной стенки ствола до 3,5 мм. Они применяются при возведении объектов индивидуального жилищного строительства и сопоставимых по нагрузкам промышленных объектов. В случае увеличения нагрузки или плотности грунтов их применение допустимо при условии использования металлопроката большей толщины.

Большие нагрузки (строительство крупных гражданских и промышленных объектов) выдерживают однолопастные сваи с диаметром лопасти более 500 мм, толщиной лопасти более 6 мм и толщиной стенки ствола более 4,5 мм, а также многолопастные сваи с диаметром лопастей более 300 мм, толщиной лопасти более 5 мм и толщиной стенки ствола более 3,5 мм. Разница в толщине металла обусловлена значительным изгибающим моментом, который требует большей конструктивной жесткости. Увеличение этого параметра рекомендуется при использовании винтовых свай в более плотных и агрессивных грунтах.

Классификация по толщине металлопроката

Толщина стенки ствола подразделяет сваи на тонкостенные (до 3,5 мм включительно), средней толщины (более 3,5 мм) и толстостенные сваи (6 мм и более). Оптимальный выбор зависит от величины нагрузки и степени агрессивности грунта, которые определяются на стадии проектирования с учётом данных, полученных в ходе проведения замеров коррозионной активности грунта. 

Это справедливо и для толщины лопасти, которая подбирается для каждого объекта индивидуально. Сваи с лопастями толщиной до 5 мм включительно используются для возведения легких или временных сооружений. При строительстве долговременных зданий, крупных гражданских и промышленных объектов рекомендованы сваи с лопастями толщиной от 6 мм и выше.

Классификация по марке стали

Марка стали, используемой для изготовления винтовых свай также зависит от агрессивности среды. При слабой агрессивности допускается использовать марку Ст3, средняя требует повышения марки до Ст20, а в сильноагрессивных грунтах применяются марки 30 ХМА и 09Г2С.  

Классификация по типу антикоррозийного покрытия

Защита винтовых свай от коррозии осуществляется несколькими путями, наиболее эффективным из которых является увеличение толщины металла, использование качественного сырья и цинковых анодов. Нанесение покрытия при условии сохранения его целостности позволяет лишь снизить негативное атмосферное влияние на надземную часть сваи и участок, эксплуатируемый на границе двух сред — воздуха и почвы. Наиболее распространёнными в настоящее время являются полимерные, полиуретановые, эпоксидные покрытия, а также горячее и холодное цинкование. Каждое из перечисленных покрытий имеет свои особенности.

Полимерное покрытие металлов

Достоинства: прочное, износоустойчивое, высокая адгезия к поверхности.

Недостатки: сложность нанесения на поверхность, имеющую неровности (сварные швы, стыки и выемки), с вероятным последующим возникновением сколов и развитию точечной коррозии.

Двухкомпонентное покрытие на основе полиуретановых смол:

Достоинства: прочность, высокая адгезия на неровных участках, стойкость при контакте с абразивным материалами, в условиях агрессивной среды и резких температурных перепадов.

Недостатки: сложность нанесения в «кустарных условиях», снижение адгезии при избыточной толщине слоя.

Эпоксидное покрытие

Достоинства: простота нанесения, сравнительно низкая стоимость.

Недостатки: эластичность снижена по сравнению с иными видами покрытия, излишнее водопоглощение, недостаточная ударопрочность.

Холодное цинкование

Достоинства: простота нанесения, сравнительно низкая стоимость.

Недостатки: крайне низкий уровень адгезии.

Горячее цинкование

Достоинства: по уровню адгезии превосходит полимерное покрытие. Экологично.

Недостатки: сложность нанесения на неровные участки; имеет значительные ограничения по области применения (водородный показатель среды pH не ниже 3 и не выше 11; удельное сопротивление грунта не менее 50 Ом*м, СП. 28.13330.2012).

Достоинства

Укрепление откосов винтовыми сваями

Винтовые сваи — простая, но эффективная технология строительства фундаментов для объектов различного назначения.

Преимущества винтовых свай	Примечания
Фундаменты из винтовых свай не подвержены силам морозного пучения.[цитата не приведена 221 день]	В отличие от иных видов фундаментов, в особенности забивных свай.
Высокая долговечность, возможность использовать на болотистых грунтах, грунтах с высоким уровнем подземных вод.	Для соблюдения ГОСТ 27751-2014 «Межгосударственный стандарт. Надежность строительных конструкций и оснований»[3] необходимо проводить анализ коррозионной активности грунта, результаты которого являются основанием (с учетом требований к конструктивной жесткости винтовой сваи) для подбора марки стали, диаметра и толщины стенки ствола винтовой сваи.
Минимальные сроки строительства.	Объект сдается на 15-30% быстрее, чем с бетонным фундаментом.
Экономичность.	Дешевле бетонного фундамента, выполненного в соответствии с СП 63.13330.2012[4], не менее, чем на 30%.
Широкий спектр применения.	Можно использовать в любых грунтах, кроме скального.
Отказ от земляных работ и выравнивания участка.	Для соблюдения горизонтали при перепаде высот используют сваи различных длин.
Отсутствие вибрации и шума при заглублении.	Можно проводить работы в непосредственной близости к подземным коммуникациям или в условиях плотной городской застройки.
Винтовые сваи готовы к восприятию полной проектной нагрузки сразу после завинчивания.	В отличие от бетонного фундамента не требует набора прочности.
Работы можно выполнять в любое время года.	При температуре ниже -30°C использование спецтехники затруднительно.
Возможность повторного использования винтовых свай.	Незаменимы при строительстве временных сооружений.
Высокая ремонтопригодность.	Если винтовые сваи не являются частью сборного ж/б фундамента.
Сваи малого диаметра можно устанавливать без применения тяжелой техники.	При помощи 3-4 человек.
Инженерные коммуникации можно проектировать и монтировать одновременно с возведением фундамента.	При совершении земляных работ необходимо соблюдать дистанцию до установленных винтовых свай, определенную проектной документацией.

Недостатки

Любой строительный материал имеет свои недостатки, которые устраняются при соблюдении правил и норм проектирования, производства и эксплуатации.

Основные недостатки винтовых свай:

1.  Возможный низкий срок эксплуатации, который, как правило, является следствием ошибок при проектировании фундамента — в расчетах не учитывается коррозионная активность грунта и наличие блуждающих токов. Проведение замеров этих показателей позволяет рассчитать оптимальную толщину стенки ствола и определить порядок действий для снижения коррозии (например, использование цинковых анодов, проведение мероприятий по водоотведению и т.д.). Исполнение указанных условий позволяет соответствовать требованиям ГОСТ 27751-2014 «Межгосударственный стандарт. Надежность строительных конструкций и оснований».^[3]

2. При чрезмерном нагружении винтовой сваи с лопастью, которая не менее чем на 2/3 расположена на завальцованном конусе ствола, грунт в большинстве случаев перестает набирать несущую способность, поэтому возможно обрушение сооружения. Во избежание подобных последствий при расчете несущей способности указанного типа сваи необходимо:

3. Однолопастные винтовые сваи малых диаметров (57-76 мм) требуют обязательного бетонирования основания или обеспечения жесткого сопряжения всей конструкции для создания достаточного сопротивления горизонтальным нагрузкам.

Особенности проектирования фундаментов из винтовых свай

Один из важнейших этапов строительства фундамента из винтовых свай — проектирование. Ошибки, допущенные в проекте, нередко приводят к возникновению серьезных проблем на стадии строительства и могут повлечь значительное сокращение срока службы всего здания.  

Наиболее распространенные ошибки проектирования:

1. В большинстве случаев расчет на вдавливающие, выдергивающие и горизонтальные нагрузки производится аналитическими методами в соответствии с СП 24.13330.2011^[6], но, как показывает практика, результаты аналитических расчетов не всегда совпадают с результатами, полученными в ходе проведения полевых испытаний грунтов натурными сваями. Причина кроется в том, что расчетные формулы, заложенные в нормативных документах, базируются на упрощенных моделях взаимодействия винтовых свай и грунтов (модель Мариупольского), разработанных в 60-х годах прошлого века, и не учитывают многие особенности их работы, поэтому при расчете аналитическими методами целесообразно использовать понижающие коэффициенты. Современный способ определения оптимальных геометрических и конструктивных параметров винтовой сваи базируется на расчетах в системах автоматизированного проектирования, основанных на методах конечных элементов.

2. Подбор параметров винтовых свай осуществляется без учета данных о коррозионной активности грунта, которые являются основанием для назначения оптимального диаметра и толщины стенки ствола.

3. При назначении антикоррозийного покрытия применяются исключительно положения СП 28.13330.2012^[7], которые не учитывают абразивное воздействие грунта на винтовую сваю во время ее погружения. Вместе с тем при назначении горячего цинкования в качестве антикоррозийного покрытия нередко игнорируются требования указанного нормативного документа, а именно п. 9.2.8., согласно которому данный вид антикоррозийного покрытия допускается применять лишь в условиях неагрессивного воздействия среды (водородный показатель среды pH не ниже 3 и не выше 11, и удельное сопротивление грунта не менее 50 Ом*м). 

4. После установки винтовых свай в проектное положение для уточнения соответствия их несущей способности требованиям проектной документации необходимо: 

• для зданий класса ответственности III (пониженный) и II (нормальный) выполнить замер величины крутящего момента;

• для зданий класса ответственности I (повышенный) провести контрольные испытания в соответствии с ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями».

См. также

Примечания

1. ↑ Железков В.Н. Винтовые сваи в энергетической и других отраслях строительства.. — — СПб.: Прагма, 2004..
2. ↑ Петухов С.Н. Фундаменты на винтовых сваях для малоэтажного строительства.. — Отдельный выпуск.
3. ↑ ^{1 2} ГОСТ 27751-2014 «Межгосударственный стандарт. Надежность строительных конструкций и оснований». — М.: Стандартинформ, 2015.
4. ↑ СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003.
5. ↑ Разработан ОАО «СевЗап НТЦ» филиал «Севзапэнергосетьпроект- Западсельэнергопроект». Исполнители Л.И. Качановская, П.И. Романов, В.Н. Железков, М.С. Ермошина (ОАО «СевЗап НТЦ»), Ильичев В.А.( АНО АНТЦ РААСН). СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007- 29.120.95-050-2010.
6. ↑ Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» — Винтовые сваи.
7. ↑ СП 28.13330.2012 Защита строительных конструкций от коррозии. Актуализированная редакция СНиП 2.03.11-85 (с Изменением N 1).