Сколько составляет допустимая нагрузка на винтовые сваи?

Определяющий критерий при выборе

Свайно-винтовой фундамент, как правило, используют при строительстве легковесных и малоэтажных сооружений. Такие опоры различаются между собой размерами и конфигурацией винтовой части.

Чтобы рассчитать несущую способность основания, нужно грамотно выбрать модель свай для строительства (обращают внимание на диаметр трубы и площадь лепестковой подошвы), а также количество конструктивных элементов.

Показатель несущей способности отражает, какой допустимый вес может выдержать каждая опора без потери функциональных качеств, учитывая возможные деформации грунта. Поэтому перед тем, как покупать сваи, нужно знать расчетное сопротивление почвы (определяется в результате геологических изысканий участка).

История появления винтовых свай

История винтовых свай насчитывает без малого два столетия. Переворот в области свайного фундаментостроения удалось совершить талантливому ирландскому инженеру Александру Митчеллу. В 1833 году он запатентовал «винтовые сваи Митчелла», которые можно было устанавливать в подвижных грунтах, таких как песчаное дно водоема или илистая отмель.

Первым крупным сооружением, возведенным на подобных сваях, стал маяк Maplin Sand, построенный в устье Темзы уже в 1838 году. Его фундамент представлял собой девять свай с винтовыми наконечниками диаметром 120 см, закрученных в грунт на глубину около 7 метров. В последующие годы под руководством Митчелла было возведено еще несколько маяков по всей территории Англии. Некоторые из них сохранились в неизменном виде до сегодняшних дней.

В середине XIX века с применением свай Митчелла были построены более чем 150 маяков в Северной Америке, волнорез в Портленде, эстакада и мосты в Бомбее, железная дорога в Бароде, пирс в Мадрасе и множество других важных объектов.

В России о винтовых сваях узнали лишь во второй половине XIX века. Русские инженеры быстро оценили все преимущества этого изобретения, особенно при работе в условиях вечной мерзлоты северных районов страны или слабых, заводненных грунтов прибрежных территорий. Очень скоро винтовые сваи стали широко применяться при строительстве инженерных сооружение военного назначения (рамно-винтовая опора для скоростного возведения фундаментов разборных мостов используется нашими военными до сих пор), а позднее и в гражданском строительстве.

Стальные винтовые сваи активно используются по всему миру и сегодня. К их помощи прибегают там, где необходима большая скорость возведения фундамента: при установке различного вида опор, развертывании насосных и буровых станций, прокладке трубопроводов, строительстве временных городков для рабочих и т.д. Наибольшим спросом данная продукция пользуется у нефте- и газодобывающих компаний, у военных и промышленных строителей, у компаний, выполняющих восстановительные работы.

Строительные организации, занимающиеся возведением жилых домов, в этом списке присутствуют, но далеко не на лидирующих позициях. Конечно же, фундаменты на винтовых сваях для зданий жилого назначения возводят, но в большинстве случаев речь идет о строительстве в труднодоступных районах либо районах со сложным грунтом, о ремонте проблемных фундаментов старых жилых домов, о закреплении построек на склонах.

Виды опор и параметры допустимой тяжести

На текущей момент рынок предложений представлен различными типоразмерами винтовых свай, что позволяет выбрать подходящие опорные элементы под конкретные виды возводимых строений.

Площадь лепестковой подошвы – один из определяющих параметров, от которого зависит несущая способность фундамента. Величину рассчитывают по классической формуле:

Sп = 3,14 х R2, где R – расстояние от центральной оси опоры до крайней точки, образующей контур лепестка.

В частном домостроении в большинстве случаев используют стержни диаметром 59-159 мм. Так, сваи, диаметр которых равен 89 мм, применяют для строительства веранд и беседок.

Сваи с большим диаметром трубы (108–159мм) подходят для строительства кирпичных построек, бань из бруса, одноэтажных домов и двухэтажных каркасных построек. Назначение некоторых свай с типичными параметрами отражены в таблице:

Винтовые сваи с большим диаметром трубы (до 325мм) характеризуются высокими допустимыми нагрузками, что позволяет их использовать для строительства тяжелых конструкций, в том числе промышленных объектов.

Длину столба выбирают, зная глубину промерзания грунта. Для большинства российских регионов для почвы характерна точка промерзания, равная 1,5 м. Поэтому сваи длиной 2–2,5 м (с учетом высоты цоколя) считаются традиционными.

На нестабильных и переувлажненных почвах может быть целесообразным использование винтовых свай длиной до 11,5 м.

Изучаем свойства грунта для расчета винтовых свай

Основание свайного типа положительно зарекомендовало себя при строительстве объектов в местностях с проблемным грунтом:

• насыщенным глиной;
• затопляемым;
• подвижным.

Свайная основа позволяет обеспечить постройку зданий на наклонной местности, а также при перепадах высоты по площади стройплощадки. При осуществлении строительства в промышленных масштабах должны выполняться инженерно-геодезические мероприятия с бурением скважин и извлечением проб почвы. Глубина бурения для различных видов зданий определяется индивидуально.

Геодезические исследования включают:

• лабораторный анализ грунта;
• определение уровня грунтовых вод.

Указанные работы осуществляются специалистами геодезических организаций и стоят достаточно дорого. При возведении частного строения необязательно пользоваться услугами профессиональных геодезистов. Можно самостоятельно проанализировать характер почвы.

Основными элементами данного типа основы являются винтовые сваи из металла, длина и диаметр которых могут отличаться в зависимости от технологических требований

Для этого необходимо провести экспериментальное закручивание:

• углубиться в грунт буром на 0,5–0,8 м ниже нулевой отметки;
• визуально оценить состояние почвы в лопастях бура;
• определить возможную глубину вкручивания.

В таблицах справочников систематизирована информация по характеру, глубине промерзания и влажности грунта для различных регионов. До начала работ по исследованию грунта следует уточнить глубину расположения подземных инженерных коммуникаций.

Определение прочностных характеристик грунта

Альтернатива процедуры – самостоятельный анализ почвы. Для этого бурят в земле несколько шурфов, чтобы взять образцы для анализа.

Затем визуально или экспериментальным путем для каждого образца определяют тип почвы и выбирают из справочной литературы расчетное сопротивление грунта. Нормативный документ СП 22.13330.2016 содержит такие данные. Таблица ниже отражает значение искомых параметров для наиболее популярных грунтов в российских регионах:

Конструкция и характеристики винтовых свай

Что же собой представляют винтовые сваи, столь быстро завоевавшие популярность у строителей всего мира? Какие их разновидности существуют? На какие характеристики винтовых свай следует обращать внимание в первую очередь?

Винтовая свая состоит из ствола и расположенной на ее конце лопасти. Благодаря последней, данный тип свай заглубляется в грунт путем ввинчивания, а не забивания.

Существует несколько разновидностей стальных винтовых свай. Выбор в пользу того или иного вида осуществляется на основании анализа особенностей грунта на данном участке и предполагаемой нагрузки на фундамент. Зачастую даже на одном объекте используются разные виды свай, что позволяет равномерно распределить нагрузку.

Тип наконечника винтовой сваи

Наконечники винтовых свай, служащие для облегчения их погружения в грунт, могут быть сварными или литыми.

Литые наконечники существенно дороже, и их применение оправдано лишь в случае работы с особенно плотными грунтами, в том числе вечномерзлыми, а также содержащими крупные включения природного или техногенного происхождения. Прочный литой наконечник при ввинчивании сваи легко разрушает препятствия на своем пути и не деформируется при этом.

Количество лопастей

По количеству лопастей винтовые сваи делятся на одно- и многолопастные (количество лопастей на одном стволе в некоторых случаях может достигать шести штук). Первые предназначены исключительно для плотных грунтов с малой подвижностью.

Вторые более универсальны, хотя главное их назначение – слабые грунты с малой несущей способностью, поскольку многолопастные сваи устойчивее к различным видам нагрузок – выдергивающим или, наоборот, вдавливающим, а также горизонтальным. Максимальной эффективности многолопастных винтовых свай можно добиться, правильно подобрав количество лопастей, оптимальное расстояние между ними, их шаг и угол наклона.

Размер лопастей

По размеру лопастей винтовые сваи делятся на широколопастные (диаметр лопастей как минимум в полтора раза превосходит диаметр ствола) и узколопастные. Широколопастные сваи благодаря увеличенной площади опирания очень эффективны в слабых грунтах.

У узколопастных же своя специализация – особо плотный или сильно промерзший грунт («ввинтить» в такой грунт широколопастную сваю невозможно из-за сильно увеличивающегося риска сломать или деформировать лопасти). Диаметр лопастей винтовой сваи согласно международному стандарту ICC AC358 (Helical Foundation Acceptance Criteria) может варьироваться от 200 до 350 мм.

Толщина металла винтовой сваи

Важнейшей конструкционной характеристикой винтовой сваи является толщина металла, из которого изготовлены стенки ее ствола. Расчет необходимой толщины делается на основании не только предполагаемой нагрузки на сваю, но и условий ее эксплуатации. Дело в том, что уменьшение толщины стенок сваи вследствие коррозионных процессов в конечном итоге приводит к сокращению срока ее службы.

Согласно вышеупомянутому стандарту ICC AC358 минимальная толщина стенок ствола сваи должна составлять 8 мм в нейтральном грунте и 9.5 мм в грунте с повышенной химической активностью.

Отечественные инженеры, разумеется, тоже осознавали важность такого параметра, как толщина металла, используемого для изготовления винтовых свай. В справочнике «Сваи и свайные фундаменты», выпущенном в СССР в 1977 году, утверждалось, что ствол сваи должен быть изготовлен из бесшовной трубы, произведенной методом горячего проката, с толщиной стенок не менее 10-14 мм. Однако в современном российском строительном стандарте СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» такой параметр, как толщина стенок ствола винтовой сваи, вообще не рассматривается и не нормируется.

Строить предположения о том, почему так произошло, мы здесь не будем, важно следствие. Очень многие отечественные производители пользуются отсутствием жестких требований к конструкции стальных свай в российских стандартах и осознанно игнорируют стандарты международные. Стремление получить максимальные прибыли ведет к потере качества. У большинства винтовых свай, производимых в нашей стране, толщина стенок не превышает 3-4 мм. При этом изготавливаются они из сварных труб, обладающих пониженной коррозионной стойкостью. Да и качество защитного антикоррозионного покрытия, как правило, желает лучшего: зачастую оно «обсыпается» уже при транспортировке свай.

Конечно же, в России умеют производить (и не только умеют, но и производят!) сваи, качество которых соответствует всем требованиям международного стандарта ICC AC358. Однако из-за своей высокой стоимости они в большинстве случаев не выдерживают конкуренцию с обычными железобетонными сваями, устанавливаемыми в заранее пробуренную скважину.

Следует принимать во внимание толщину металла не только ствола сваи, но и ее лопастей. При строительстве временных или легких объектов допустимо использовать сваи с лопастями тоньше 5 мм. При возведении крупных сооружений, рассчитанных на длительную эксплуатацию, международный стандарт рекомендует применять сваи, толщина лопастей которых составляет 9.5-12.5 мм.

Защитное антикоррозионное покрытие

Для снижения влияния коррозионных процессов на прочностные характеристики стальной сваи, устанавливаемой в агрессивном грунте, не только увеличивают толщину ее стенок, но и наносят дополнительное защитное покрытие. Наиболее часто используемыми способами антикоррозионной защиты стальных свай являются оцинковка и нанесение специального полимерного (полиуретанового, эпоксидного и т.д.) покрытия. Согласно ICC AC358 толщина защитного полимерного слоя должна быть не меньше 400 мкм.

Расчет допустимой тяжести

Чтобы рассчитать максимальную нагрузку, которую сможет выдержать свайное основание, необходимо знать площадь подошвы винта, а также несущую способность грунта.

Формула для расчета:

N = (Sп x Ro)/yk, где

• N – максимально возможная нагрузка на основание (кг/см2);
• Sп – площадь подошвы лепестка (см2);
• Ro – сопротивление грунта (кг/см2);
• yk – коэффициент надежности.

Коэффициент yk зависит от количества опор, использованных для строительства фундамента, а также достоверности результатов геологических изысканий участка:

• yk = 1,7, если количество свай меньше 5;
• yk = 1,4, если использовано до 20 опорных элементов;
• yk = 1,2, если сопротивление грунта определено в результате профессиональных геологических изысканий.

Например:

участок строится на глинистом участке (Ro = 6 кг/см2) и в качестве опорных элементов использованы винтовые стержни длиной 2,5 м, диаметром столба 108 мм и диаметром лопастей 300мм. Тогда площадь подошвы лепестков будет равна:

Sп = 3,14 х (30/2)2=706 (см2).

При самостоятельном анализе грунта, а также использовании табличных значений Ro принимают yk = 1,7. Тогда искомая нагрузка на фундамент будет составлять:

N = (706 х 6)/1,7 = 2491 кг или 2,5 т.

Фундамент на винтовых сваях – расчет количества свай

Укрупненный расчет количества винтовых свай производится с учетом следующих показателей:

• диаметра рабочей части спирального наконечника;
• нагрузочной способности каждой опоры;
• суммарной нагрузки, передаваемой зданием.

Разделив суммарную весовую нагрузку строительного объекта на предельный вес, который способна воспринимать одна свая, получаем необходимое количество опорных колонн.

Свайная основа может быть сконструирована из одних опор, по которым укладывают нижнюю обвязку строения

При выполнении точных вычислений специалисты учитывают дополнительные моменты:

• уровень ветровых нагрузок;
• глубину грунтовых вод;
• вид применяемых свай.

После определения потребности в свайных опорах разработайте чертеж и равномерно расположите опорные элементы по периметру строения.

При этом соблюдайте приведенные рекомендации:

• обязательно расположите опорные колонны в угловых зонах здания под капитальными стенами;
• разместите опорные элементы в зоне пересечения несущих перегородок с внешними стенами;
• соблюдайте между опорными колоннами равный интервал, который не должен превышать 2–3 м;
• предусмотрите спиральные сваи по контуру пристроек, под фундаментами печей, а также по периметру террас.

Правильно выполненный эскиз фундамента на спиральных опорах позволит избежать непредвиденных ошибок при выполнении монтажных работ.

Последствия неправильных рассчетов

В противном случае значение предельной нагрузки на фундамент будет неточным и застройщик может неправильно выбрать количество свай и шаг между ними.

Когда максимально допустимая нагрузка фундамента значительно превышает реальную массу проектируемой конструкции, то это приводит перерасходу финансовых и трудовых ресурсов. В противном случае основание получается ненадежным, что увеличивает риск крена сооружения, появления трещин в стенах, а также преждевременного износа фундамента.

Применение свай 76 мм

Они относятся к группе, рассчитанной на небольшую вертикальную весовую нагрузку, так же, как и 57 — миллиметрового диаметра. Но 76 — миллиметровый вариант способен выдерживать более значительные как динамические, так и статические нагрузки.

Эффективно и рационально их использование при сооружении:

• Заборов и ограждений любого типа. Особенно со сплошной, не сетчатой площадью, которая, как парус, подвергается сильному ветровому давлению;
• придорожных знаков, указателей;
• небольших архитектурных форм любого назначения, различных ландшафтных сооружений в парках и садах;
• навесов, террас, павильонов, беседок;
• хозяйственных построек разного назначения;
• теплиц, оранжерей и парников;
• любых других нестандартных объектов.

Для вышеперечисленных сооружений рекомендуется применять винтовые сваи 76 мм без всякого дополнительного усиления. Необязательно ленточное бетонирование по всему периметру. Не требуется устройство ростверков или армирование оснований.

Расчетная нагрузка на один такой элемент — до 3 тонн. Если сооружение большой массы и допустимая нагрузка незначительно превышает этот показатель, использование этого диаметра возможна, но с усилением бетонным монолитом. Но это не всегда экономически и технологически обоснованно. В большинстве случаев намного проще использовать более крупные сваи или такие же дополнительные по количеству, поделив лишнюю нагрузку.