Винтовые сваи

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

Впервые такой фундамент был применён при строительстве маяка в Мэплин Сэндс на обводнённых грунтах морского дна в устье реки Темзы в 1838 году. Автором идеи использования сваи в виде винта был ирландский инженер Александр Митчелл (1780—1868), который в 1848 году был избран членом Института гражданских инженеров (ICE) и получил медаль Телфорда за это изобретение.

В СССР в начале XX века инженер Владислав Дмоховский (1877—1952) проводил исследования в области свайных оснований (теория конических свай). Он доказал, что винтовые сваи имеют преимущество в применении перед забивными при необходимости устройства фундамента в условиях вечной мерзлоты или при работе со слабыми и обводнёнными грунтами.

Винтовые сваи широко используются для любых типов зданий и сооружений, что обусловлено высокой скоростью установки, отсутствием вибраций при погружении и возможностью проводить работы в зимнее время.

Находят широкое применение также винтовые сваи с увеличенной несущей способностью, а также двухлопастные винтовые сваи. Как показали исследования, оба типа этих винтовых свай обладают большими несущими способностями и способны выдерживать большие нагрузки на сжатие и выдергивание, что приводит также к уменьшению материалоёмкости, а значит, и к экономии на само́м фундаменте. Некоторые производители применяют при производстве винтовых свай толстостенную цельнотянутую трубу с толщиной стенки 6-10 мм (при стандартных 4—4,5 мм) и используют сталь марки 30ХМА. За счёт более высоких характеристик по прочности и деформируемости их применяют под более широкий перечень строений и сооружений по сравнению с аналогичными сваями, выполненными из обычной стали 3.

Применение

Четырёхсвайный стальной ростверк

Расчёт при проектировании свайных фундаментов с применением винтовых свай выполняется по СП 24.13330.2011 Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» -Винтовые сваи.

Установка производится при помощи гидравлических механизмов различных строительных машин, либо в отдельных случаях — вручную. Свая погружается в грунт наподобие шурупа, закручиваемого в дерево. При наличии твердых скальных пород или вечной мерзлоты — погружение осуществляется в лидерную скважину. Правильные методы установки имеют первостепенное значение для обеспечения расчетной несущей способности фундамента.

В целях снижения внутренней коррозии ствола сваи, а также для лучшего сопротивления винтовых свай изгибающим нагрузкам при большой длине ствола, в особенности в слабых грунтах, ствол винтовой сваи бетонируется. В случае большой длины сваи дополнительно армируются.

Для повышения несущей способности винтовых свай, в особенности в слабых грунтах, строители применяют также технологию инъекции раствора через ствол винтовой сваи. Данная технология позволяет увеличить жесткость и плотность околосвайного массива, что обеспечивает уменьшение нагрузки на винтовые сваи.

Винтовые сваи используются:

• Для малоэтажного домостроения (основания на болотистых грунтах; строительство, ограниченное по времени)
• В качестве фундаментов для ЛЭП и мачт
• Для каркасных зданий и сооружений (ангары, склады)
• Легкие сооружения (ограждения, рекламные щиты)
• Гидротехнические сооружения на обводненных грунтах (причалы, мосты и т. п.)
• Для укрепления откосов
• В условиях реконструкции, где необходимо исключить вибрацию при заглублении в грунт (фундаменты для оборудования в существующих зданиях, строительство вблизи культурных и исторических памятников)
• В качестве оснований для временных сооружений, с возможностью последующего демонтажа (торговые павильоны, сооружения аттракционов)
• В качестве анкеров для оттяжек
• Винтовыми сваями усиливают монолитный фундамент, при сложных просадочных или обводненных грунтах. (например: плита на винтовых сваях, лента на винтовых сваях)
• В качестве фундамента промышленных теплиц
• В качестве фундамента шумозащитных экранов
• Все чаще в России применяют в качестве фундамента капитальных сооружений, исходя из успешного опыта североамериканских и других строителей

Классификация винтовых свай:

Типы винтовых свай

Классификация винтовых свай предполагает их деление на группы сразу по нескольким ключевым параметрам.

1.     По ширине лопасти – широколопастные и узколопастные винтовые сваи.

Широколопастные сваи – диаметр лопасти в 1,5 и более раз превосходит диаметр ствола. Рекомендованы для дисперсных грунтов с невысокой несущей способностью, заторфованных грунтов и водонасыщенных песков.

Узколопастные сваи – диаметр лопасти превосходит диаметр ствола менее чем в 1,5 раз. Рекомендованы для особо плотных сезоннопромерзающих и многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтов. При этом риск деформации лопасти во время погружения сваи минимален, необходимый уровень восприятия проектных нагрузок обеспечивают сами грунты и надежная фиксация свай в них.

2.      По типу наконечника – винтовые сваи с литым и сварным наконечником

Так как литой наконечник способен разрушить практически любое препятствие в грунте, подобные модификации рекомендованы к применению в крупнообломочных грунтах, грунтах с природными и техногенными включениями, а, кроме того, крупных гравелистых песках.

В иных типах грунта целесообразно использовать сварные наконечники, запас прочности которых обеспечивается применением при изготовлении свай толстостенного металлопроката.

При выборе данного параметра необходимо также помнить, что при достижении определенного критического сочетания нагрузки и сопротивления грунта литой наконечник может лопнуть и сделать сваю полностью непригодной для дальнейшей установки. Сварной же наконечник можно исправить непосредственно на объекте и продолжить работы. 

3.      По количеству лопастей – однолопастные и многолопастные винтовые сваи.

Данное деление актуально для широколопастных свай. У узколопастных свай может быть только одна лопасть с разным количеством витков (это расчетная величина).

Однолопастные сваи рекомендованы только для грунтов с достаточной несущей способностью (песчанистые твердые супеси, твердые и полутвердые тугопластичные суглинки, непросадочные грунты, грунты малой степени водонасыщения, плотные пески). Достигнув критической нагрузки, уходят «в срыв», что требует применения понижающего коэффициента при расчете фундаментов из свай такой конструкции.

Многолопастные сваи – винтовые сваи, у которых две и более лопастей. Использование в работе ствола сваи околосвайного массива позволяет многолопастным сваям одинаково хорошо воспринимать вдавливающие, выдергивающие и боковые нагрузки и, следовательно, проявлять достаточно высокую несущую способность даже в слабых грунтах (супеси (песчанистые пластичные и текучие, пылеватые твердые, пластичные и текучие), суглинки (полутвердые тугопластичные, мягкопластичные, текучепластичные, текучие), просадочные грунты, грунты малой и средней степени водонасыщения, а также насыщенные водой, пески (плотные, средней плотности, рыхлые), заторфованные грунты, торфы, илы).

При критической нагрузке не уходят «в срыв», а продолжают набирать несущую способность, вследствие чего используются в зонах скопления нагрузок. Благодаря увеличению числа лопастей способны воспринимать большие нагрузки при меньшем диаметре трубы. Жесткость ствола сваи меньшего диаметра обеспечивается трубопрокатом достаточной толщины.

В случае с многолопастными сваями расстояние между лопастями, шаг и угол наклона лопастей являются величинами расчетными. Они определяются индивидуально для каждого объекта.

4.      По степени нагрузки – винтовые сваи для малых и больших нагрузок.

К винтовым сваям для малых нагрузок относятся:

• однолопастные сваи с диаметром лопасти ≤ 500 мм, толщиной лопасти ≤ 6 мм, толщиной стенки ствола ≤ 4,5 мм,
• многолопастные сваи с диаметром лопастей ≤ 300 мм, толщиной лопасти ≤ 5 мм, толщиной стенки ствола ≤ 3,5.

Рекомендованы для объектов индивидуального жилищного строительства и сопоставимых по нагрузкам промышленных объектов, возводимых в усредненных грунтах с достаточной несущей способностью. Данный тип свай можно использовать и под более высокие нагрузки, но только при условии использования металла большей толщины для придания конструктивной жесткости.

К винтовым сваям для больших нагрузок относятся:

• однолопастные сваи с диаметром лопастей ˃500 мм, толщиной лопасти ˃6 мм, толщиной стенки ствола ˃4,5 мм,
• многолопастные сваи с диаметром лопастей ˃300 мм, толщиной лопасти ˃5мм, толщиной стенки ствола ˃3,5 мм.

Винтовые сваи для больших нагрузок используются при строительстве крупных гражданских и промышленных объектов.

Мнение, что основным параметром для разделения свай по нагрузкам является диаметр ствола, справедливо только для широколопастных свай больших длин и диаметров (˃6 м и ˃159 мм) и для узколопастных свай. Для узколопастных свай, применяемых в плотных сезоннопромерзающих и многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах, дополнительным основанием для деления является толщина металла.

Дополнительные параметры

1.      По толщине стенки ствола сваи.

По толщине стенки ствола сваи делятся на:

• сваи малых толщин (≤3,5 мм) – рекомендованы для малых нагрузок, неагрессивных грунтов;
• сваи средних толщин (˃3,5 мм) – рекомендованы для средних нагрузок, неагрессивных грунтов;
• толстостенные сваи (≥6 мм) – рекомендованы для больших нагрузок, средне- и сильноагрессивных грунтов.

Выбор толщины стенки осуществляется на стадии разработки проекта фундамента с учетом удельного сопротивления грунта и уровня рН почвы. 

2.      По толщине лопасти.

Сегодня используют сваи с толщиной лопасти ≤5 мм и ≥ 6 мм.

Сваи с лопастью толщиной ≤5 мм рекомендуются для легких зданий и сооружений, временных объектов.

Для долговременных построек, крупных гражданских и промышленных объектов, а также в агрессивных грунтовых условиях используются сваи с лопастью толщиной ≥6 мм.

Толщина лопасти подбирается на стадии разработки проекта каждого конкретного объекта.

3.      По марке стали.

Выбор марки стали для изготовления свай зависит от агрессивности среды:

• в слабоагрессивных грунтах используются сваи из стали марки Ст3;
• в среднеагрессивных грунтах – сталь марки Ст20;
• в сильноагрессивных грунтах – сталь марки 30 ХМА, 09Г2С.

4.      По типу покрытия.

Покрытие считается только дополнительным средством защиты винтовых свай от коррозии, поскольку существует вероятность его повреждения во время установки. Следовательно, при расчете срока службы винтовых свай тип покрытия не учитывается. Однако целостность покрытия позволяет снизить отрицательное воздействие на надземную часть сваи и на участок в контактной области «атмосфера – грунт».

Основные типы покрытия:

• полимерное;
• полиуретановое;
• эпоксидное;
• цинковое.

Полимерное покрытие эффективно для защиты от атмосферной коррозии и негативного воздействия в контактной области «атмосфера – грунт». Высокая адгезия к поверхности, износоустойчивость, высокая прочность полимерного покрытия обеспечивают продолжительный срок эксплуатации с сохранением первоначальных свойств. Недостаток полимерного покрытия – сложность нанесения на сварные швы, стыки (приводит к сколам и последующему развитию точечной коррозии).

Полиуретановое покрытие – это двухкомпонентное антикоррозийное покрытие на основе полиуретановых смол, которое сегодня считается наиболее предпочтительным. Характеризуется высоким уровнем адгезии, значительной прочностью, стойкостью при длительном пребывании в агрессивной среде, при контакте с абразивными поверхностями, при резких перепадах температур. Обеспечивает защиту металла на неровных участках поверхности.

Эпоксидное покрытие, хоть и используется как альтернатива полиуретановому, отличается меньшей эластичностью, повышенным водопоглощением и низкой ударопрочностью. При этом оно легче наносится и у него относительно невысокая цена.

Цинковое покрытие получают путем холодного или горячего цинкования.

Холодное цинкование (окрашивание металла краской с добавлением цинковой пыли) отличается невысоким качеством. Все дело в низкой адгезии, которая не позволяет достичь уровня прочности цинкового слоя, необходимого для защиты металла. С другой стороны, стоимость такого покрытия также невысока.

Горячее цинкование, превосходящее по некоторым параметрам даже полимерное покрытие, все же используется (как и холодное цинкование) с ограничениями. Так, использовать оцинкованных металлических изделий при проектировании конструкций зданий и сооружений, испытывающих воздействие средне- и сильноагрессивных грунтов с рН ниже 3 (сильнокислотные) и выше 11 (щелочные) запрещено (п. 9.2.8 СП 28.13330.2012 «Защита строительных конструкций от коррозии»).

Кроме того, Американским институтом стали и сплавов (AISI) выведена формула, в соответствии с которой даже в самых благоприятных условиях срок службы цинкового покрытия толщиной 85 мкм составляет не более 15 лет. Для сравнения: 1 мм углеродистой стали в самых агрессивных грунтах (шлак, зола) служит 20 лет, а в обычных грунтах – почти 50 лет (Eurocode 1993 - Part 5 - 2007).

Более того, при нанесении цинкового покрытия на неровные участки значительно снижается адгезия, что приводит к сколам и точечной коррозии.

Таким образом, чтобы добиться долговечности винтовых свай необходимо ориентироваться на толщину металла и марку стали. 

Достоинства

Укрепление откосов винтовыми сваями

• Быстрая установка фундамента. Объект сдается на 15-30% быстрее, чем с бетонным фундаментом.
• Возможность использовать на болотистых грунтах, грунтах с высоким уровнем подземных вод, просадочных грунтах.
• Возможность полностью отказаться от земляных работ и не выравнивать участок.
• Возможность проведения работ в непосредственной близости к подземным коммуникациям, деревьям или в условиях плотной городской застройки.
• Винтовые сваи сразу после завинчивания готовы к восприятию полной проектной нагрузки.
• Инженерные коммуникации можно проектировать параллельно со строительством дома.
• Работы можно выполнять в любое время года.
• Высокая ремонтопригодность.
• Возможность повторного использования винтовых свай.
• Отсутствие вибрации при заглублении.
• Все работы, при необходимости, могут производиться вручную.

См. также

• Несущая конструкция
• Грунт