Винтовые сваи

Винтовые сваи

Основные статьи: Сваи и Свайный фундамент

Винтовые сваи — тип свай, заглубляемых в грунт методом завинчивания в сочетании с вдавливанием.

Основные компоненты винтовой сваи:

• ствол (в западной практике он обычно подразделяется на направляющую (ведущую) часть с заостренным концом и удлинитель: направляющая часть с лопастью/лопастями первой входит в грунт, а удлинитель используется для ее дальнейшего погружения в грунт до несущего слоя. Удлинители могут иметь дополнительные несущие лопасти, но чаще состоят из ствола и муфт);
• винтовые несущие лопасти.

Особенности развития технологии в СССР (широкое использование литья) позволяют выделить дополнительный компонент — наконечник винтовой сваи. Он представляет собой заостренный конец сваи, неотъемлемой частью которого является винтовая несущая лопасть.

История

Свайное фундаментостроение известно с древних времен, однако много веков его применение ограничивалось материалом, из которого изготавливались сваи (дерево), и способом их погружения (забивка). В XIX веке на смену деревянным сваям пришли железобетонные, что расширило сферу применения свайных фундаментов, но метод погружения остался прежним, хотя и получил ряд усовершенствований.

Изобретение винтовых свай

Решая проблему строительства морских сооружений на слабых грунтах, таких как песчаные рифы, террасы илистого грунта и устья рек, инженер-строитель Александр Митчелл (1780—1868) изобрел и в 1833 году запатентовал в Лондоне новое устройство под названием «винтовая свая». За свое изобретение он получил медаль Телфорда и членство Института гражданских инженеров.

Первоначально винтовые сваи использовались для судовых причалов и представляли собой металлическую трубу с якорным винтом на конце. Они вкручивались в грунт ниже уровня ила 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.

Первым техническим документом, написанным Митчеллом в отношении винтовых свай, стал «На подводных фундаментах. Винтовые сваи и причалы в частности». В своей работе инженер заявил, что винтовые сваи могут быть использованы для обеспечения несущей способности или сопротивления выталкивающим силам. По его мнению, несущая способность свайно-винтового фундамента зависит от площади лопасти винта, природы грунта, в который он вкручивается, и глубины, на которой он находится под поверхностью.

В 1838 году винтовые сваи стали основой для фундамента маяка Мэплин Сэндс на нестабильном прибрежном грунте реки Темзы в Великобритании. Для укрепления морских пирсов технологию винтовых свай впервые применил архитектор и инженер Эугениус Берч (1818—1884). С 1862 по 1872 годы были возведены 18 морских пирсов.

Экспансия Британской империи поспособствовала быстрому распространению технологии по всему миру. Так, с 1850-х по 1890-е годы было построено 100 маяков на винтовых сваях только вдоль восточного побережья США и вдоль Мексиканского залива.

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 стала активно развиваться в сфере индивидуального, промышленного и крупного гражданского строительства.

Развитие технологии винтовых свай в СССР и России

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

Теоретические основания применения винтовых свай и технология производства работ были разработаны в СССР только в 1950—1960-х годах. Тогда же были спроектированы и изготовлены установки для их завинчивания. Значительный вклад в систематическое изучение и экспериментальную разработку применения винтовых свай в строительстве внесли Г. С. Шпиро, Н. М. Бибина, Е. П. Крюков, И. И. Цюрупа, И. М. Чистяков, М. А. Орделли, М. Д. Иродов и др. В работах этих авторов содержатся ценные сведения, необходимые для определения технических параметров и геометрических форм винтовых свай, решения конструкций и выбора материалов для их изготовления.

Исследователями были получены обширные материалы по несущей способности и перемещению винтовых свай в разных грунтах, определено влияние размеров лопасти и глубины ее погружения на несущую способность свай. Опыт погружения большого числа разнообразных по 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 1955 году были опубликованы «Технические указания по проектированию и устройству фундаментов опор мостов на винтовых сваях» (ТУВС-55); затем — «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 245 м в 1961—1964 годах.

Одним из первых ученых, рассматривающих технологию фундамента из винтовых свай через призму научного опыта стал доктор технических наук, инженер-строитель В. Н. Железков. Учёным было доказано, что винтовые сваи не только являются полноценной альтернативой традиционным видам фундаментов, но и имеют ряд преимуществ перед ними, к примеру, если речь идёт о сложных геологических условиях.

В. Н. Железков также разработал методику для определения несущей способности свай по величине крутящего момента как на сжимающие, так и на выдергивающие нагрузки. В 2004 году он опубликовал монографию «Винтовые сваи в энергетической и других отраслях», в которой были собраны ценные экспериментальные данные по определению несущей способности винтовых свай на сжимающие, выдергивающие и горизонтальные нагрузки.

Интенсивное внедрение винтовых свай в строительство и энергетику началось в середине 1960-х годов. Этому способствовало расширение работ по реконструкции зданий и сооружений, выполнение 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).

В российском малоэтажном и индивидуальном жилищном строительстве винтовые сваи стали широко использоваться в конце XX — начале XXI века.

Отличие российского и западного подходов

Разработка винтовых свай в СССР велась независимо от исследований западных ученых, при этом приоритетными задачами стали высокая скорость и простота погружения в грунтах с высокой плотностью. Этим требованиям отвечала дезаксиальная стальная винтовая свая с литым наконечником и одной лопастью в 1,25 витка, начинающейся на скошенной части и плавно увеличивающейся в ширину, конструкцию которой разработал В. Н. Железков. Эта свая, несмотря на сравнительно небольшую величину крутящего момента, не требует использования при завинчивании дополнительной пригружающей силы. Однако, будучи универсальной, она имеет невысокую несущую способность, для повышения которой необходимо увеличивать диаметр ствола и лопасти, что ведёт к увеличению расходов на строительство. Тем не менее такая свая до сих пор используется в России и на постсоветском пространстве достаточно широко.

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 конструкторы прибегли к наращиванию диаметра лопасти и количества лопастей. За счёт внедрения новых технологий свайно-винтовые фундаменты стали широко применяться в сфере гражданского строительства. По данным Международного общества по механике грунтов и фундаментостроению (ISSMGE) в 2010 году винтовые сваи заняли уже 11 % западного рынка, постепенно вытесняя забивные.

Применение

Четырёхсвайный стальной ростверк

Фундаменты из винтовых свай могут быть установлены под любые объекты:

• промышленного строительства (здания заводов, фабрик, трубные эстакады, трубопроводы, промышленные ангары, ЛЭП);
• гражданского строительства (многоэтажные жилые дома, общественные здания, склады, ангары, ограждения);
• индивидуального жилищного строительства (жилые дома этажностью не более трех этажей, пристройки, хозяйственные постройки);
• сельскохозяйственного строительства (теплицы);
• транспортного строительства (дороги, проезды, шумозащитные экраны);
• военного назначения;
• гидротехнического назначения, в том числе устанавливаемые на обводненных грунтах (причалы, мосты);
• инфраструктуры, рекламные конструкции, МАФ;
• временные сооружения (торговые павильоны, аттракционы).

Кроме того, винтовые сваи используются при реконструкции фундаментов крупных гражданских и промышленных объектов, объектов индивидуального жилищного строительства, при укреплении склонов и берегоукреплении.

Грунты также практически не накладывают ограничений на применение винтовых свай. Более того, они являются предпочтительным вариантом при строительстве в таких сложных инженерно-геологических условиях, как районы вечной (многолетней) мерзлоты, крупнообломочные, пучинистые, слабые и обводнённые грунты и т. п.

В то же время конструктивные и геометрические параметры (конфигурация лопасти, количество, диаметр, шаг и угол наклона лопастей, толщина стенки ствола и лопасти) винтовых свай будут в каждом случае назначаться индивидуально в соответствии с физическими характеристиками и коррозионной агрессивностью грунтов, с данными о глубине промерзания, о нагрузках от строения, требованиями к жесткости, прочности, устойчивость и т. д.

Погружение винтовых свай выполняется вручную, механически (спецтехника) или с помощью редуктора. Возможность выбора способа монтажа, а также отсутствие шума и вибраций во время установки делают винтовые сваи незаменимыми при работе в условиях плотной городской застройки.

Классификация винтовых свай

Типы винтовых свай

Типоразмеры винтовых свай — это совокупность технологических и конструкционных особенностей. Разные типы свай используются в разных грунтовых условиях. Применение нескольких типоразмеров свай необходимо даже в пределах одного фундамента, так как на него, как правило, воздействуют разные величины нагрузок:

• под ответственными узлами сооружения;
• под несущими стенами;
• под ненесущими стенами и лагами пола.

Каждая из нагрузок требует использования свай с определенной несущей способностью. Такой подход обеспечивает равномерное распределение запаса прочности по всему фундаменту, увеличивает его надёжность и долговечность.

Размер и конфигурация лопасти

Диаметр лопасти может превосходить диаметр ствола более чем в 1,5 раза (широколопастные сваи) и менее чем в 1,5 раза (узколопастные сваи). Широколопастные винтовые сваи эффективны в дисперсных грунтах, в том числе с невысокой несущей способностью, илах, водонасыщенных песках и т. п., так как имеют большую площадь опирания. Производят широколопастные сваи с конфигурацией лопасти для:

• текучих, текуче-пластичных и мягко-пластичных грунтов;
• туго-пластичных и твердых водонасыщенных глинистых грунтов;
• полутвёрдых грунтов.

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

Узколопастные сваи используются в особо плотных сезоннопромерзающих и вечномерзлых (многолетнемерзлых) грунтах. Небольшая ширина лопасти снижает вероятность ее деформации во время погружения, а несущая способность сваи обеспечивается высокой несущей способностью грунтов и расчетом количества и шага витков, ширины лопасти.

Количество лопастей (для широколопастных свай)

Различают широколопастные сваи с одной лопастью (однолопастные) и с двумя и более лопастями (многолопастные). При расчёте дезаксиальных однолопастных свай не учитывается трение по боковой поверхности ствола, поэтому их рекомендуется устанавливать только в грунты с достаточной несущей способностью, а также учитывать, что при достижении критической нагрузки такие сваи уходят в «срыв», из-за чего возникает просадка фундамента.

Однолопастные сваи малых длин и диаметров требуют обязательного бетонирования основания колонны.

Многолопастные сваи демонстрируют высокую несущую способность даже в слабых грунтах (просадочные грунты, торфы, илы и т. п.). Благодаря включению в работу сваи околосвайного массива грунта они устойчивы ко всем видам воздействия (вдавливающие, выдергивающие, горизонтальные и динамические нагрузки) и не уходят в «срыв» при достижении критической нагрузки.

Увеличение числа лопастей позволяет сваям воспринимать большие нагрузки при меньшем диаметре трубы, жесткость ствола в этом случае обеспечивается за счет трубопроката достаточной толщины. Эффективность многолопастных винтовых свай достигается моделированием оптимального расстояния между лопастями, шага и угла их наклона. Ошибки в расчетах могут привести к возникновению «обратного эффекта» — снижению несущей способности даже относительно дезаксиальных однолопастных свай.

Тип наконечника

Наконечники свай свариваются или отливаются целиком и навариваются на трубу. Литые наконечники устойчивы к деформации, поэтому применяются в крупнообломочных грунтах, грунтах с природными и техногенными включениями, особо плотных грунтах, в крупных гравелистых песках. Наконечник отливается целиком и наваривается на ствол. Так как сварка разнородных металлов технологически более сложный процесс, на качество шва стоит обратить особое внимание. Кроме того, контакт двух разнородных металлов также ведёт к образованию гальванической пары, что повышает вероятность развития коррозии. Если толщина стенки ствола меньше, чем толщина литого наконечника, срок службы винтовой сваи будет определяться по минимальному показателю. То есть использование отливки никак не отразиться на долговечности фундамента, если ствол не соответствует ей по запасу прочности. Так как формы отливок унифицированы, и изготовить литой наконечник с определенной конфигурацией лопасти невозможно, сваи со сварным наконечником и лопастью, подобранной исходя из грунтовых условий, всегда будут иметь большую несущую способность.

По величине воспринимаемых нагрузок

Вид нагрузки	Типоразмеры	Область применения
Для малых нагрузок	Однолопастные сваи с диаметром лопасти до 500 мм, толщиной лопасти до 6 мм и толщиной стенки ствола до 4,5 мм. Многолопастные сваи с диаметром лопасти до 300 мм, толщиной лопасти до 5 мм и толщиной стенки ствола до 3,5 мм	Объекты индивидуального жилищного строительства и сопоставимые по нагрузкам промышленные объекты. При увеличении нагрузок и в особо плотных грунтах необходимые жесткость и прочность обеспечиваются использованием металлопроката большей толщины.
Для больших нагрузок	Однолопастные сваи с диаметром лопасти более 500 мм, толщиной лопасти более 6 мм и толщиной стенки ствола более 4,5 мм. Многолопастные сваи с диаметром лопастей более 300 мм, толщиной лопасти более 5 мм и толщиной стенки ствола более 3,5 мм	Крупные гражданские и промышленные объекты

Диаметр ствола используется для деления по нагрузкам только для широколопастных свай больших длин и диаметров (более 6 м и свыше 159 мм) и узколопастных свай.

Толщина металлопроката

По толщине стенки ствола сваи подразделяются на:

• тонкостенные (до 3,5 мм включительно) — для строительства легких зданий и сооружений, которые относятся к III классу ответственности (пониженный) при эксплуатации в неагрессивных грунтовых условиях;
• средней толщины (более 3,5 мм) — для строений III и II (нормальный) класса ответственности также при эксплуатации в неагрессивных условиях;
• толстостенные сваи (6 мм и более) — для строений классов ответственности II и I (повышенный) при эксплуатации в средне- и сильноагрессивных грунтах.

По толщине лопасти выделяют две группы свай:

• до 5 мм включительно — для строительства легких зданий и сооружений, временных объектов;
• 6 мм и более — для долговременных построек, промышленных и крупных гражданских объектов, для объектов, эксплуатируемых в агрессивных грунтовых условиях.

Толщина металлопроката назначается при проектировании на основании данных о коррозионной агрессивности грунта и о нагрузках от строения. После выполнения расчетов срока службы рекомендуется проверить остаточную толщину стенки ствола на соответствие проектным нагрузкам и требованиям ГОСТ 27751-2014 «Межгосударственный стандарт. Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения».

По марке стали

Укрепление откосов винтовыми сваями

Марка стали подбирается на основании данных об агрессивности среды, характере нагрузок и условиях эксплуатации. В производстве винтовых свай чаще всего применяются стали марок:

• Ст3 — углеродистая сталь обыкновенного качества. Идет на изготовление стволов свай малых и средних диаметров, которые используются при строительстве легких и легких временных объектов при эксплуатации в неагрессивных грунтовых условиях. Температурный диапазон — до −30 °C.
• Ст10 — углеродистая качественная конструкционная сталь. Чаще идет на изготовление лопастей винтовых свай. Хорошо проявляет себя в температурном диапазоне от −40 до + 450 °C, а также в условиях работы на истирание, в средне- и сильноагрессивных грунтах.
• Ст20 — углеродистая качественная конструкционная сталь. Идет на изготовление стволов свай средних и больших диаметров, которые устанавливаются под промышленные и крупные гражданские объекты, а также лопастей. Температурный диапазон — до −40 °C. Подходит для использования в средне- и сильноагрессивных грунтах.
• 09Г2С — конструкционная низколегированная сталь повышенной прочности. Идет на изготовление свай больших диаметров под промышленные объекты, которые эксплуатируются в условиях воздействия низких температур (до −70 °C) и неагрессивных грунтовых условиях.
• 30ХМА — жаропрочная релаксационностойкая легированная конструкционная сталь. Сваи из этой стали устанавливаются под объекты I (повышенного класса ответственности), которые эксплуатируются в сильноагрессивных грунтах. Целесообразность применения стали 30ХМА должна подтверждаться расчетами.

По типу антикоррозийного покрытия

В процессе погружения в грунт винтовая свая испытывает значительное воздействие на истирание, поэтому покрытие — только дополнительная мера защиты от коррозии, а основной упор стоит делать на толщину металла, марку стали, использование цинковых анодов. Нанесение покрытия при условии сохранения его целостности позволяет снизить негативное влияние на надземную часть сваи и участок, эксплуатируемый на границе двух сред — атмосферы и почвы. Наиболее распространенными в настоящее время являются полимерные, полиуретановые, эпоксидные, цинковые покрытия и грунты, эмали по ржавчине. Каждое из перечисленных покрытий имеет свои особенности:

• Полимерные покрытия. 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.
• Полиуретановые покрытия. Достоинства: прочность, высокая адгезия на неровных участках, стойкость при контакте с абразивным материалами, в условиях агрессивной среды и резких перепадов температуры. Недостатки: снижение адгезии при избыточной толщине слоя.
• Эпоксидные покрытия. Достоинства: простота нанесения, низкая цена. Недостатки: эластичность снижена по сравнению с иными видами покрытия, излишнее водопоглощение, недостаточная ударопрочность.
• Покрытие холодным цинкованием. Достоинства: простота нанесения, низкая цена. Недостатки: низкий уровень адгезии.
• Покрытие горячим цинкованием. 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).
• Покрытие грунтами, эмалями. по ржавчине. Достоинства: высокая адгезия на неровных участках, возможность нанесения в полевых условиях. Недостатки: снижение адгезии при избыточной толщине.

Достоинства

Преимущества винтовых свай	Примечания
Фундаменты из винтовых свай не подвержены воздействию сил морозного пучения	В отличие от иных видов фундаментов, особенно забивных свай.
Высокая долговечность, возможность использовать на болотистых грунтах, грунтах с высоким уровнем подземных вод.	Для соблюдения требований ГОСТ 27751—2014 необходимо проводить анализ коррозионной активности грунта, результаты которого являются основанием (с учётом требований к конструктивной жесткости винтовой сваи) для подбора марки стали, толщины стенки и диаметра 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, не менее, чем на 30 %.
Широкий спектр применения.	Можно использовать в любых грунтах, кроме скального.
Отказ от земляных работ и выравнивания участка.	Для соблюдения горизонтального уровня при перепаде высот используют сваи различных длин.
Отсутствие вибраций и шума при погружении.	Можно проводить работы в непосредственной близости к подземным коммуникациям или в условиях плотной городской застройки.
Винтовые сваи готовы к восприятию проектной нагрузки сразу после погружения.	В отличие от бетонного фундамента не требует времени на отстаивание и набор прочности.
Работы можно выполнять в любое время года.	При температуре ниже −30 °C использовать спецтехнику для установки 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.	Усилиями 3—4 человек.
Инженерные коммуникации можно проектировать и монтировать одновременно с возведением фундамента.	Во время земляных работ необходимо соблюдать дистанцию до установленных винтовых свай, определенную проектной документацией.

Недостатки

Все строительные материалы и технологии имеют свои недостатки, которые можно устранить, если соблюсти правила и нормы проектирования, производства и эксплуатации.

Недостатки	Причины	Способы устранения
Возможное несоответствие срока службы требованиям ГОСТ 27751-2014	При проектировании фундамента не учитываются коррозионная активность грунтов (КАГ), наличие блуждающих токов.	Проведение измерений КАГ позволяет рассчитать оптимальную толщину стенки ствола, подобрать марку стали и определить порядок действий для снижения коррозии (использование цинковых анодов, проведение мероприятий по водоотведению и т. д.). В результате обеспечивается соответствие срока службы фундамента требованиям ГОСТ 27751-2014.
Возможный уход в «срыв» дезаксиальных винтовых свай с диаметром ствола до 159 мм включительно при передаче проектных нагрузок.	Расчетные формулы, заложенные в СП 24.13330.2011, не учитывают многие особенности совместной работы свай и грунтов, так как базируются на упрощенных моделях взаимодействия (к примеру, модель Мариупольского для анкеров).	При расчете несущей способности необходимо использовать системы автоматизированного проектирования (САПР), базирующиеся на методе конечных элементов.
Необходимость бетонирования основания колонны или создания жесткого сопряжения для однолопастных свай малых диаметров (57—76 мм) для обеспечения достаточного сопротивления горизонтальным нагрузкам.	Недостаточность диаметра ствола винтовой сваи.	Использовать модификаций винтовых свай с двумя и более лопастями, устойчивых к воздействию горизонтальных нагрузок, или свай с элементом сопротивления боковым нагрузкам.
Возможное нарушение структуры грунта во время погружения винтовой сваи, влекущее снижение несущей способности.	В расчетах учитывается диаметр лопасти, но не конфигурация.	Осуществлять подбор конфигурации лопасти на основании данных о грунтовых условиях участка.
Возможное снижение несущей способности свай с двумя и более лопастями, даже относительно однолопастных дезаксиальных свай.	Неверное расположение на стволе второй и последующих лопастей.	Назначать расстояние между лопастями, шаг и угол наклона лопастей на основании данных о грунтовых условиях участка и нагрузках от строения.
Неравномерное распределение запаса прочности по фундаментам объектов индивидуального жилищного строительства, влекущее снижение уровня их надежности и сокращение срока службы.	При назначении винтовых свай не учитываются различные величины нагрузок, воздействующие на фундамент.	Использовать под каждый тип нагрузки (под ответственными узлами, под несущими стенами, под ненесущими стенами и лагами пола) определенную модификацию винтовых свай.

Контрольные мероприятия после установки винтовых свай

После установки винтовых свай в проектное положение должны быть проведены контрольные испытания несущей способности грунтов:

• по величине крутящего момента (для зданий класса ответственности III (пониженный) и II (нормальный);
• в соответствии с ГОСТ 5686—2012 (для зданий класса ответственности I).

Это позволит подтвердить характеристики грунтов, принятые в расчётах. Объём контрольных испытаний указывается в проекте фундамента.

См. также

• Несущая конструкция