Бесплатный фрагмент - Фундамент на винтовых сваях

Введение

Сегодня технология возведения фундаментов на винтовых сваях набирает все большую популярность в строительстве самых различных объектов. У нее есть ряд преимуществ по сравнению с традиционными видами закладки фундаментов. Кроме того, технология винтовых свай стремительно развивается, и в будущем способна заменить многие из существующих традиционных технологий.

Это скромное пособие, надеемся, поможет ознакомиться с общими положениями строительства фундаментов на винтовых сваях. Мы познакомим читателя с конструкцией винтовых свай, с основами расчета и монтажа фундаментов на винтовых сваях, а также с возможностями их применения для строительства зданий и сооружений различного типа.

Часть 1. Винтовые сваи

Глава 1. История Развития технологии винтовых свай

Фундамент на винтовых сваях — относительно новый вид возведения основания под строящиеся здания. Только в последние десятилетия началось активное использование его в индивидуальном строительстве. Однако сама идея установки винтовых свай в качестве опор возникла достаточно давно — еще в начале 19-го века.

1. Разработки Митчелла

Идея использовать винтовые сваи возникла у английского инженера Александра Митчелла, а первые винтовые конструкции были установлены им в 1833 году. Идея Митчелла состояла в монтаже лопасти на конце обычных деревянных свай. Впоследствии в качестве тела свай начали применять и трубы. Данная лопасть позволяла не забивать сваю в грунт, как делалось раньше, а ввинчивать. В результате само внедрение опоры в землю значительно облегчалось, кроме того, лопасть, установленная на свае:

— Достигала устойчивых слоев грунта

— Давала дополнительную опору, увеличивая площадь соприкосновения с толщами грунта

— Для выдергивания сваи требовались очень большие нагрузки

Монтаж свай был достаточно трудоемким — обычно свая устанавливалась на плотах и вкручивалась усилиями лошадей с использованием длинных рычагов.

Идея монтировать лопасть на конце сваи возникла из разработки якорей, которые внедрялись с помощью завинчивания. Такой якорь было очень трудно выдернуть из грунта.

За свои изыскания Александр Митчелл был включен в Учреждение Инженеров-строителей и награжден медалью Телфорда. Первыми сооружениями, установленными Митчеллом, были осветительные конструкции в Лондоне, расположенные в зоне прилива-отлива.

Именно особенности британских земель, расположенных на островах, сыграли существенную роль в применении винтовых свай в дальнейшем — ведь такие грунты являются самыми проблемными для строителей. Не удивительно, что первыми областями применения винтовых свай стали конструкции фундамента под конструкции, построенные на заболоченных грунтах и зыбучих песках.

Особенно интересным оказалась установка маяков на винтовых сваях. В 1938 году под руководством Митчелла был заложен маяк на Темзе. В качестве фундамента под него использовались тяжелые свинцовые опоры с лопастями.

Подобный маяк был установлен в сходных условиях заливе Делавер Соединенных Штатов в 1850-х годах. Здесь впервые в качестве тела сваи были использованы не толстые бревна, а металлические трубы. Лопасти были приварены к трубам, что сообщало конструкциям дополнительную жесткость по сравнению с деревянными. В последующие десятилетия этот революционный метод установки маяков был широко применен по всей Америке. В период с 1860 по 1872 год данным способом было установлено 18 морских пирсов. Число маяков в Америке, построенных с помощью винтовых свай перевалило 100 до конца века.

2. Использование винтовых свай в военной области

Идея винтовых свай оказалась очень востребованной в оборонных разработках. Этому способствовало, помимо всего прочего:

— Быстрота возведения фундаментов. Монтаж свай проводился в очень сжатые сроки по сравнению с использованными до той поры традиционными фундаментами.

— Возможность многократного использования свай. Сваи было легко монтировать и демонтировать, что особенно важно для быстрого развертывания и сворачивания стратегических объектов.

— Значительное удешевление свайных фундаментов по сравнению с традиционными.

— Возможность использования винтовых свай на любых почвах.

Военные инженеры высоко оценили возможности винтовых свай под оборонные сооружения, которые могли быстро возводиться в сложных условиях, особенно при возведении понтонов, легких мостов и тому подобных конструкций.

3. Винтовые сваи в отечественных разработках

Российские ученые достаточно быстро начали усовершенствования разработок западных инженеров. Идея использовать свайно-винтовых фундамент была особенно актуальна для России с ее обширными территориями, с многочисленными реками, пучинистыми, заболоченными или, наоборот, обводненными грунтами.

Большой вклад в теорию винтовых свай внес российский ученый, занимавшийся прочностью гидротехнических построек, Владислав Дмыховский. Он научно обосновал преимущество свай с лопастями перед обычными забивными сваями на проблемных грунтах.

Другим исследователем, существенно продвинувшим теорию и технология использования винтовых свай, был советский ученый Виктор Железков. Ими были написаны более сотни статей, посвященных исследованию технологии свайных опор.

Именно российские ученые начали применять в изготовлении лопастей высокопрочные спецстали, что революционно сказалось на свойствах винтовых свай.

Особенное внимание российские ученые уделяли теории постройки мостовых сооружений с помощью свайно-винтовой технологии. Это было применено при монтаже рамно-винтовых опор мостов, ЛЭП и т. д.

Не удивительно, что разработки советских ученых были в первую очередь приняты на вооружение Красной Армией. Мало того, большинство исследований в этой области были засекречены, и именно поэтому свайно-винтовая технология не скоро появилась в гражданском строительстве.

Но в результате строители получили в свои руки уже отработанные технологии, где были заложены все необходимые расчеты.

В 50-60-х годах прошлого века в нашей стране было проделано большинство работ по усовершенствованию теории и практики винтовых свай. Огромный вклад в это внес ряд советских ученых, среди которых Г.С.Шапиро, Н.М.Бибина, Е.П.Крюков, И. И. Цурюпа и др. Были определены оптимальные технические параметры и геометрические формы винтовых свай, а также разработаны технологические основы их вкручивания в грунт, размеры и материал лопастей и т. д.

4. Использование винтовых свай в строительстве

Инициатором использования винтовых свай в строительстве называют известного советского ученого Сергея Петухова. Он не только трудился над теорией использования винтовых свай в качестве фундаментов, но и лично инициировал и популяризировал эти идеи. Именно его усилиями были сделаны все необходимые расчеты свай для малоэтажного строительства, особенно с учетом дачных застроек, весьма популярных в нашей стране.

Замена традиционных железобетонных фундаментов на свайно-винтовые значительно расширяла горизонты их применения — в первую очередь из-за существенного удешевления возведения фундаментов.

Технология винтовых свай развивается и в наши дни. Развитие идет по нескольким направлениям — применения лопастей из новых материалов, усовершенствование конструкции лопастей, применение разных типов трубы и т. д.

Так, советские ученые первыми предложили вариант лопасти, используемой теперь повсеместно.

Особенно сильный толчок развитию теории и практики свайно-винтовых фундаментов дало их использование в местах добычи полезных ископаемых, где преобладают сложные грунты. Все эти разработки впоследствии стали широко применяться и в строительстве.

История винтовых свай, таким образом, насчитывает более 150 лет. Однако принципы, заложенные в процессе монтажа и строении винтовых свай, остаются неизменными на протяжении всего этого периода. Простая конструкция и высокие возможности расширяют зоны применения винтовых свай в качестве фундаментов. Нет никакого сомнения, что перспективная технология будет развиваться и дальше.

Глава 2. Конструкция винтовых свай

Конструкция винтовой сваи не представляет собой какое-то слишком сложное инженерное изделие. Однако каждый элемент очень важен с точки зрения ее функциональных возможностей. Винтовая свая, как опора, должна легко ввинчиваться в груз и удерживать достаточно большой вес, особенно если это касается домов, возводимых на свайно-винтовом фундаменте.

1. Элементы винтовой сваи

Винтовые сваи имеют несколько разновидностей, служащих для установки в различные грунты и предназначенных для фундаментов разной мощности. Однако любой вид сваи имеет общие черты. Любая свая состоит из следующих элементов:

— Тело сваи в виде трубы

— Наконечник, обеспечивающий внедрение сваи в грунт

— Лопасть (одна или две), обеспечивающую продвижение сваи в грунт посредством крутящего момента, действующего на сваю

— Оголовок, необходимый для монтажа обвязки свайно-винтового фундамента

Отметим, что оголовки применяются обычно только при установке деревянной обвязки (ростверка) фундамента, тогда как для изготовления металлического ростверка можно обойтись без них.

Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных элементов винтовой сваи.

2. Труба как основа сваи

Телом сваи, ее основной частью является металлическая труба. К ней предъявляется ряд требований:

— Труба должна быть бесшовной, так как нагрузки, действующие на сваю, могут разорвать трубный шов. К тому же сварные соединения легче поддаются коррозии

— Для изготовления труб следует использовать трубы по ГОСТ для бесшовных, насосно-компрессорных труб или аналогичных. Самые доступные марки стали — ст20, ст09Г2С. Они обеспечивают хорошую свариваемость труб, легкую резку сваркой и абразивными кругами

— Стандартная длина труб — порядка 2,5—3 метров, что обеспечивает вкручивание на глубину до 2 метров с высотой оставшейся части трубы около 0.5 метра над землей

— Трубы не должны иметь язвенной коррозии

— Особенно тщательно проверяется отсутствие кривизны труб

— Диаметр применяемых для свайно-винтового фундамента труб составляет обычно от 73 мм до 300 мм

— Толщина стенки должна быть не менее 4 мм для труб минимального диаметра.

Для выбора труб под сваи специалисты рекомендуют использовать трубы длиной кратной 3 метрам, чтобы оставалось как можно меньше отходов производства. Если фундамент устанавливается под относительно легкие постройки, типа хозблока или летней кухни, то возможно использование бесшовных труб, бывших в употреблении, желательно после пескоструйной обработки. Она выявит наличие или отсутствие существенной коррозии на поверхности трубы.

При изготовлении свай трубы разрезаются в соответствии с требуемыми размерами.

3. Варианты наконечников винтовой сваи

Наконечник трубы должен облегчить внедрение ее в толщу грунта. Соответственно, он должен быть заострен, подобно гвоздю или шурупу. Существуют несколько видов наконечников труб, при этом форма его практически не влияет на несущую способность фундамента.

Различают следующие виды наконечников:

— Наконечник из самой трубы

— Сварной наконечник

— Крестообразный наконечник

— Приварной литой наконечник

Наконечник из тела трубы представляет собой вырезанные на конце трубы зубцы, сбитые в острие. Он изготавливается следующим образом:

Изготавливается шаблон

— Конец заготовки размечается мелом по шаблону

— По разметке вырезаются зубчатые лепестки

— Лепестки загибаются к центру, который должен совпасть с осью трубы

— Лепестки свариваются друг с другом двойным швом

При изготовлении шаблона следует учесть следующее:

— Чем меньше диаметр трубы, тем меньше можно делать зубцов (для труб до 89 мм в диаметре достаточно 4 лепестков)

— Лепестки должны быть одинаковы по размеру. Окружность трубы должна равняться кратной длине оснований треугольников шаблона

— Высота треугольников зубцов обычно выбирается чуть больше двух диаметров трубы, то есть, для трубы диаметром 73 мм длина острия составит порядка 15—20 см.

Полученное в результате острие в виде конуса, очень удобно в дальнейшем для приварки к нему лопастей.

Для выполнения указанных операций лучше всего использовать плазморез, так как он дает высокую точность резки металла. Впрочем, при невозможности применения дорогостоящего оборудования, можно провести обрезку болгаркой, но это значительно увеличит затратность операции.

Полученная в результате пика достаточно легко справляется с плотными грунтами и способна крошить крупные валуны, а также обходить мелкие камни, встречающиеся в грунте.

Сварной наконечник изготавливается отдельно из треугольников по шаблону, описанному выше, и затем приваривается к окончанию трубы. Такое соединение наконечника с телом трубы значительно менее надежно, чем в первом случае, но изготовление его немного проще. Сваи с таким наконечником можно использовать, если грунты достаточно мягкие.

Следует отметить, что конструкция таких наконечников позволяет навивать лопасть уже в узкой его части.

Крестообразный наконечник отличается способом создания острия. Полученная форма его сходна с жалом крестовой отвертки. Изготовление его производится следующим образом:

— На трубу наваривается круглая заглушка с диаметром, равным диаметру трубы.

— Из листа стали вырезается равнобедренный треугольник, так чтобы острие составляло по длине порядка двух диаметров трубы. Основание треугольника равно диаметру заглушки.

— Изготовленный треугольник приваривается на заглушку

— К основному треугольнику сбоку привариваются ребра жесткости, представляющие собой прямоугольные треугольники, с основание равным радиусу трубы и заглушки

Единственный недостаток крестообразного жала состоит в том, что лопасть приваривается выше пики, что увеличивает усилие ввинчивания сваи.

Приварной литой наконечник изготавливается отдельно от всей сваи. Обычно это изделие промышленного производства, изготовленное методом литься. Оно представляет собой конус с уже имеющимися на нем лопастями.

Использование таких наконечников очень удобно — их достаточно просто приварить к окончанию трубы. К тому же обычно они изготавливаются из высокопрочных марок сталей, и метод их производства способствует тому, что они успешно противостоят разрушению даже в самых сложных грунтах.

Недостатком является общее удорожание сваи, а также необходимость очень качественного соединения наконечника с трубой.

4. Лопасть винтовой сваи

Лопасть свай являются элементом, обеспечивающим превращения крутящего момента в движущий. Существует несколько видов лопастей для винтовых свай и способов их монтажа.

Лопасти могут быть в виде:

— Сплошного винта

— Сборного винта из нескольких заготовок

Сплошной винт составляет один так называемый заход или виток. Он имеет самую высокую конструкционную прочность, но усилие по завинчиванию сваи с таким винтом выше, чем у свай с несколькими витками спирали.

Способ изготовления однозаходной лопасти состоит в следующем:

— Разметка заготовки, представляющей собой шайбу из листового металла

— Раскрой заготовки

— Разводка заготовки — то есть превращение ее в спираль.

Заготовка представляет собой круг с внешним диаметром порядка 15—30 см в зависимости от диаметра трубы под сваю. Внутри большого круга вырезается внутренний круг, диаметр которого равен диаметру трубы. В результате получается плоское кольцо или шайба.

Чтобы придать ей форму лопасти, производят надрез аналогично созданию пружинной шайбы. Его можно выполнить по прямой от центра к диаметру, а можно по специально отмеченной кривой — в зависимости от требуемой формы лопасти.

Для лопасти обычно берется лист толщиной от 3 мм, и его резка требует высокой режущей способности резака. Лучше всего применять плазменную резку, но возможна и газорезка. Наиболее качественные заготовки получаются с использованием лазерной резки металла. Внутреннюю часть кольца рекомендуется тщательно обработать наждаком, что обеспечит более качественное сварное соединение с телом трубы.

Разводка полученной шайбы производится следующим способом. Участок напротив разреза нужно зажать в тиски и разжать концы лопасти — ломиком или монтировкой. Это достаточно ответственная операция — нужно постоянно контролировать форму лопасти, чтобы она впоследствии правильно «села» на тело трубы.

Полученную заготовку в виде лопасти достаточно приварить к телу трубы, выше заостренного конца. Более высокое качество лопасти обеспечивается ее сужением к острию, но это требует вырезания заготовки по специально приготовленному шаблону. Его можно вырезать из плотного картона, подгоняя к трубе. Такой раскрой более трудоемок, но позволяет достичь лучшего результата — свая будет легче вворачиваться в грунт.

Сборный винт составляется из нескольких заготовок. Фактически берется та же заготовка в виде шайбы и разрезается на две части. В результате лопасть не является непрерывной, а как бы составлена из двух полуколец. Их проще приваривать к телу трубы — сначала прихватывается первое полукольцо, после чего к нему и к телу трубы — второе.

Это упрощает работу, но общее соединение становится менее прочным, чем в первом случае.

5. Оголовок для винтовой сваи

Как было отмечено выше, оголовок не является необходимым элементом сваи, если ростверк выполнен из металлических балок или железобетона. Однако в строительстве жилых домов чаше всего применяют деревянную обвязку. Оно требует плоского основания концов свай. Поэтому оголовки в таком случае необходимы.

Оголовок изготавливается достаточно просто:

Труба представлена в виде цилиндра с диаметром чуть больше диаметра тела сваи — так, чтобы его можно было надеть на сваю. Длина отрезков — порядка 10—15 см. На цилиндр наваривается квадратный или круглый лист металла. Получается конструкция в виде шляпки. Особенно тщательно нужно следить, чтобы срез трубы был строго перпендикулярен ее оси.

Как правило, для крепления бруса в оголовках просверливают отверстия под мощные винты — обычно по углам прямоугольника.

Снизу на оголовок навариваются ребра жесткости

Оголовки изготавливаются отдельно от свай и привариваются уже в процессе монтажа фундамента — после выведения общей плоскости.

В целом можно отметить, что конструкция трубы достаточно проста, что позволяет изготовить ее самостоятельно. Такие самодельные сваи подойдут для фундамента к легким, не самым ответственным постройкам. В конце концов, главное для сваи — чтобы она вошла в грунт на достаточную глубину — это обеспечивает 90 процентов ее функциональных обязанностей.

Для строительства жилых домов, а также ответственных конструкций необходимо использовать сваи, изготовленные в заводских условиях.

Глава 2. Различные типы винтовых свай

Свайно-винтовой фундамент требует для своих элементов крепких и надежных опор, которыми являются винтовые сваи. Сегодня на рынке присутствует большое разнообразие винтовых свай, применяемых в зависимости от свойства грунтов и от особенности конструкций, которые будут установлены на фундамент.

1. Выбор труб для винтовых свай

Для изготовления винтовых свай используются бесшовные трубы, диаметр их зависит от расчетной мощности фундамента. Обычно используется бесшовная труба ст20, ст09Г2С и более прочных марок сталей с диаметром от 73 мм, с толщиной стенки от 4 мм. Наиболее ходовыми в строительстве домов не выше двух этаже считаются сваи диаметром 89—108 мм. Более тяжелые конструкции (ангары, мосты, объемные павильоны и т.д.) устанавливаются на сваи большего диаметра — от 133 до 168 и при необходимости выше. Толщина стенок, соответственно, тоже повышается.

Выбор труб для изготовления свай определяется их высоким качеством, прежде всего отсутствием язвенной коррозии и кривизны.

2. Принцип действия винтовой сваи, как опоры

Фундамент на винтовых сваях является одной из разновидностей столбчатого фундамента. Принцип его действия состоит в том, что нагрузки на грунт от веса здания распределяются не по монолитной конструкции, а по отдельным опорным точкам. При устройстве легких конструкций, к которым относятся, в частности индивидуальные каркасные дома, установки опор под расчетные точки бывает достаточно для прочного основания.

Преимущества столбчатого фундамента по сравнению с плитным и ленточным состоит в:

— Экономии материалов, а, как следствие, менее высокой цене

— Снижении общей осадки постройки

— Слабой зависимости от морозной пучинистости грунтов

В то же время винтовые сваи, как опоры выгодно отличаются по свойствам от других видов столбчатого фундамента — кирпичного или бетонного:

— Они не требуют времени на усадку (полное затвердевание бетона длится до 28 дней, а винтовые сваи сразу готовы к работе)

— Монтаж винтовых свай производится значительно быстрее и проще, чем закладка бетонных или кирпичных опор

— Они могут быть заглублены значительно ниже, чем монолитные без использования тяжелой спецтехники, типа сваезабивных машин

— Стоимость их значительно ниже, чем стоимость монолитных столбов

Общий принцип действия винтовых свай, как опор, состоит в следующем. Сваи вворачиваются в землю, благодаря преобразованию крутящего момента в продольное перемещение при внедрении в грунт. Это обеспечивается благодаря заостренному концу наконечника трубы и наличием на ее конце лопасти или своеобразной винтовой резьбы. При вворачивании сваи грунт, разрыхленный лопастью, смыкается и прочно удерживает трубу в вертикальном положении — зазора между трубой и почвой практически не остается. По прочности удержания вкрученная свая уступает только бетонным или трубным сваям, вбитым в землю.

Таким образом, труба уже является прочной опорой для устанавливаемой конструкции. Кроме того, нижний конец трубы опирается на более плотные слои грунта, чем те, что находятся у поверхности. Они препятствуют дальнейшему продвижению трубы вниз при вертикальных нагрузках. Более того, если труба оснащена лопастью, это создает дополнительную опору вследствие наличия нижней горизонтальной площадки. Это значительно повышает сопротивление вертикальным нагрузкам на сваю.

3. Классификация винтовых свай по типу использования

Использование винтовых свай под фундамент имеет достаточно широкий спектр. Их применяют для:

— Строительства домов, а также других менее весомых конструкция, типа бань, гаражей, беседок, хозблков и т. д.

— Возведения заборов

— Под фундамент для массивных металлоконструкций

— Строительства ангаров

— Устройство мостов и понтонов

— Усиления монолитных фундаментов

— Укрепления откосов

— Установки временных сооружений, типа разборных, павильонов, рекламных щитов, опор ЛЭП и т. д.

Особенно большое значение свайно-винтовой фундамент имеет в болотистых местностях, где твердый грунт расположен достаточно глубоко, а также при больших уклонах поверхности под фундамент. Винтовые сваи, например, являются идеальным вариантом для установки домов на склонах.

4. Различие свай по типу наконечников

Рассмотрим подробнее конструкцию винтовой сваи, в частности наконечник, который обеспечивает ее легкое внедрение в грунт.

Прежде всего, нижняя часть трубы может иметь различные формы:

— Заостренный конец

— Конец, обрезанный под углом

— Зазубренный конец

— Конец, обрезанный поперек трубы, к которому приваривается заостренный литой наконечник

Чем более заострена нижняя часть трубы, тем легче она входит в грунт. Но в основном продвижение трубы в почве определяется резьбовым устройством на ее конце. Ввинчивание сваи в землю подобно ввинчиванию шурупа в дерево.

Заострение наконечника производят следующим способом:

— На конце трубы по шаблону вырезается розетка с четырьмя зубьями

— Зубья сбиваются к центру

— Края зубьев свариваются

Существует собственно две разновидности создания такой резьбы на трубе:

— Винтовая (или узколопастная)

— Лопастная

Соответственно сваи делятся на винтовые и лопастные, хотя и имеют в обиходе одно название — винтовые сваи.

В первом случае на заостренное окончание трубы наваривается по спирали полоса. Во втором случае к окончанию трубы приваривается литой наконечник с резьбой. В третьем случае на некотором расстоянии от заостренного или зазубренного конца трубы привариваются лопасти.

Для наконечников свай существует принятые обозначения:

— CВC — сварной наконечник

— ВСЛ — наконечник литой

— CВК — конусный наконечник

5. Сваи с литым наконечником

Чаще всего винтовые наконечники свай изготавливаются отдельно и привариваются к ее окончанию. Они представляют собой литую заготовку в виде заостренного винта. Такие наконечники изготавливаются литьем.

Форма литого наконечника может быть винтовой и лопастной.

Литье производится в заводских условиях. Для изделий сначала изготавливаются модели из специального полистирола, по которым изготавливается пресс-форма для литья. После заливки расплавленного металла заготовка остывает и изымается, после чего подвергается механической т температурной обработке для придания требуемых физико-механических свойств.

Для литья наконечников используются различные марки стали. Главное, чтобы они хорошо сваривались с используемыми трубами.

6. Типовые различия винтовых свай

В целом, существует несколько основных параметров, по которым можно классифицировать винтовые сваи:

— Конструкция сваи

— Габариты сваи

— Особенности монтажа

— Антикоррозионная обработка

Кроме того в отдельных случаях требуется изготовление винтовых свай неравномерных по толщине — с утолщением на определенных участках.

7. Классификация свай по их конструкции

По конструкции винтовые сваи могут быть в первую очередь:

— Цельными

— Составными

Составные сваи используются в довольно редких случаях, когда требует большая глубина их внедрения, например в сильно заболоченных местах или на склонах. Состыковка свай обычно проводится наваркой или с помощью жесткого фланцевого соединения.

Кроме того, сваи различаются по типу наконечника и количеству лопастей, о чем подробнее будет рассказано ниже.

8. Классификация свай по размеру

В первую очередь сваи различают по диаметру трубы, выступающей в качестве тела сваи. Обычно используются бесшовные трубы диаметром от 57 до 133 мм и выше, с толщиной стенки от 4 мм.

Наиболее ходовые размеры трубы в сочетании со стенкой:

— 57х4

— 73х4

— 76х4—5

— 89х4—5

— 108х4—6

— 133х4—6

Кроме сечения труб, сваи могут различаться по стандартной длине. Типовые сваи для постройки габаритных сооружений обычно производятся длиной порядка 2,5—3 метров. Этого обычно достаточно, чтобы свая уходила в грунт на глубину ниже точки промерзания почвы. На территории России этот параметр варьируется от 1,5 до 2,5 метров. В этом случае свая выступает над поверхностью земли на 50—70 см и обрезается по уровню плоскости фундамента с учетом возможного небольшого уклона на участке.

Более короткие сваи производятся для установки легких конструкций, а также для монтажа отдельных, относительно легких опор — при строительстве заборов, навесов и т. д. Стандартная длина коротких свай — от 1,5 до 2 метров.

9. Классификация винтовых свай по типу резьбы

Два основных вида вида свай по устройству резьбы, которая обеспечивает вкручивание сваи в грунт:

— Лопастные, когда крутящий момент передается от лопасти

— Резьбовые, когда на конце сваи имеется резьба

Винтовые и лопастные наконечники могут быть как сварными, так и литыми, основное различие здесь — в форме резьбы.

В случае лопастных наконечников внедрение в грунт создается с помощью лопастей. Кроме облегчения заворачивания свай лопасть имеет еще одну важную функцию — она создает дополнительную площадку опоры сваи на слои грунта, повышая, таким образом, ее устойчивость и несущую способность.

В свою очередь резьба на конце трубы значительно облегчает процесс вкручивания сваи в грунт, и тоже широко используется — особенно в плотных грунтах, куда заворачивать лопастные сваи затруднительно, а роль площадки для опирания на грунт не так велика.

10. Классификация свай по конструкции лопастей

Отдельно следует затронуть вопрос о различии свай по лопастям. Это могут быть

— Широколопастные сваи

— Узколопастные, приближающиеся по сути к резьбовым

Широколопастные сваи наиболее распространены в строительстве на большинстве грунтов. Узколопастные применяются обычно в тяжелых, каменистых грунтах, а также в районах вечной мерзлоты.

Несущая способность широколопастных свай существенно выше, чем узколопастных — во-первых, из-за увеличения площади давления опоры на грунт, во-вторых, из-за повышенной устойчивостью на выдергивание сваи. Это играет большую роль при значительных боковых нагрузках на сваю, например, в случае установки высоких опор освещения.

Кроме того, винтовые сваи различаются по количеству лопастей:

— Однолопастные

— Двухлопастные

— Многолопастные

Самым распространенным типом является однолопастные сваи, когда лопасть наварена на конце труб. Такие сваи используются большинством производителей и застройщиков.

Однако в некоторых случаях усилий одной лопасти для достаточной устойчивости сваи может быть недостаточно, и сваи оснащены дополнительной лопастью, а то и двумя. Обычно их приваривают в центральной части винтовой сваи.

Следует отметить, что несущая способность винтовой сваи с двумя лопастями значительно превосходит таковую для однолопастных свай. Во-первых, на 50—60% повышается устойчивость на вдавливание и выдергивание. Во-вторых, нижняя лопасть обязательно достигает непромерзаемой глубины, а средняя — обеспечивает дополнительную устойчивость.

11. Классификация свай по виду антикоррозионной обработки

Существует несколько способов антикоррозионной обработки винтовых свай. Она имеет очень большое значение, так как сваи испытывают высокую степень воздействия со стороны почвы. В незащищенных сваях очень быстро развивается химическая, электрохимическая и механическая коррозия. Основным методом обработки свай — создание специальных покрытий.

Основные типы покрытий и методов защиты:

— Лакокрасочные покрытия, в том числе простое окрашивание или камерное

— Холодное и горячее цинкование

— Битумное покрытие

Вид и способ антикоррозионной обработки свай определяется в основном условиями ее эксплуатации. Сегодня не существует какого-то одного, универсального покрытия, а также единого мнения специалистов по поводу эффективности каждого вида, поэтому спектр покрытий достаточно широк.

Как мы видим, разнообразие винтовых свай на рынке очень велико. Впрочем, существуют наиболее стандартные типы свай, которые чаще всего используются при возведении фундаментов того или иного назначения. Выбор свай обычно осуществляется заранее, а профессионалы окажут вам помощь, как в выборе, так и в их установке.

Глава 4. Антикоррозионная обработка винтовых свай

Самым главным фактором, определяющим долговечность свайно-винтового фундамента, является, несомненно, скорость их разрушения вследствие коррозии. Будучи значительно прочнее бетона или дерева, металл испытывает более губительное влияние влаги, находящейся в грунте. Однако существует ряд мер, способствующих антикоррозионной защите винтовых свай.

1. Классификация видов коррозии металлов

Металлическая винтовая свая большей частью находится в толще почвы, и только небольшая часть ее находится над поверхностью земли. Таким образом, внешняя часть сваи непосредственно соприкасается с грунтом. Внутренняя стенка трубы, из которой изготовлена винтовая свая, в свою очередь соприкасается с воздухом, либо с бетоном, о чем будет рассказано ниже.

Грунт в любом случае содержит некоторое количество воды, кроме того, влага выделяется и на внутренней стенке трубы вследствие перепада температур и давления под землей. Таким образом, винтовая свая в первую очередь испытывает влияние влажности на свою структуру. Кроме того, в воде могут быть растворены химические вещества, оказывающие разрушительное действие на металл.

Воздействие молекул воды на молекулы железа приводит к окислению железа, что приводит к разрушению кристаллической решетки металла.

Различают несколько видов разрушения металла в случае винтовых свай:

— Химическая коррозия

— Электрохимическая коррозия

— Механическая эрозия

2. Химическая коррозия

Химической коррозии подвергается внешние слои металла, соприкасающиеся с агрессивной средой (в данном случае это почва или окружающий атмосферный воздух).

На границе между металлом и окружающей средой протекает химическая реакция, в частности, взаимодействие с водой и окисление поверхностных слоев. Очевидно, что чем выше содержание кислорода в грунте, тем быстрее происходит реакция. Почвы различаются по степени кислотности, так называемом рН. Чем ниже уровень рН, тем выше кислотность почвы, тем выше скорость коррозии.

С понижением уровня грунта насыщение его кислородом понижается, и степень разрушения металла на глубине ниже, чем в приповерхностных уровнях.

3. Электрохимическая коррозия

Содержащаяся в грунте вода всегда содержит растворенные в ней ионы солей, кислот, и в результате становится электропроводником. В данном случае вода подобна электролиту в аккумуляторе. В то же время в толще земли всегда имеется наличие блуждающих электрических токов — из-за утечки от заземлителей, железнодорожных путей, поврежденного кабеля и т. д. Сопротивление металла в толще земли ниже, чем сопротивление самого грунта, и электрический ток переходит в металл, и в то же время уходит обратно в землю. В таком случае ток проходит через металлическое тело, помещенной в грунт, в частности, тело в случае винтовой сваи. При постоянном прохождении микротоков, металл начинается разрушаться.

4. Механическая эрозия

Этот вид разрушения металла обусловлен механическим воздействием соприкасающейся с винтовой сваей окружающей среды — будь то грунт или атмосферный воздух:

Во-первых, при закручивании сваи поверхностный слой испытывает огромные напряжения от соприкосновения с грунтом.

Во-вторых, в процессе эксплуатации на поверхности трубы и лопасти возникают деформация из-за температурных перепадов, причем это касается как самого грунта, так и металла.

5. Способы уменьшения влияния коррозии на долговечность винтовых свай

В рассмотренных примерах воздействия на металл со стороны внешней среды можно увидеть и способы уменьшения такого воздействия.

В первую очередь — разрушение идет постепенно и начиная с поверхностных слоев — следовательно, можно увеличить толщину самого металла. Очевидно, что чем толще стенка трубы, тем дольше она будет разрушаться. Это же касается и толщины лопастей.

Однако чем толще стенка трубы, тем труба имеет больший вес и тем дороже, в конечном счете, фундамент.

Степень разрушения металла от разных видов коррозии уменьшается при использовании легирующих добавок. Самый яркий пример — нержавеющая сталь, в которой содержится никель, хром, молибден и другие химические элементы, препятствующие окислению стали. Понятно, что в идеале винтовые сваи следовало бы изготавливать из нержавейки, но стоимость такого фундамента возрастет в несколько раз. Тем не менее, для винтовых свай используются трубы, изготовленные из специальных марок сталей (ст20, ст30ХМА), менее подверженных коррозии, чем рядовые стали (ст3).

Самое большое влияние грунт оказывает на металл в приповерхностных слоях винтовой сваи. Таким образом, тело трубы можно защитить, используя поверхностные слои защитного материала — окрашивание, цинкование и т. д. Это еще один способ — и, пожалуй, главный в защите винтовой сваи от коррозии.

Следует отметить еще один метод защиты — в данном случае внутренней части тела сваи. Чтобы ограничить доступ кислород к внутренним поверхностям полость трубы заполняется бетоном.

Таким образом, для защиты винтовой сваи от коррозии используется:

— Увеличение толщины стенки тела сваи

— Покрытие поверхности металла защитной пленкой

— Бетонирование полости трубы

Рассмотрим все указанные способы подробнее.

6. Оптимальная толщина стенки труб и лопасти

Расчет толщины стенки трубы и лопасти с точки зрения антикоррозионной защиты, очевидно, следует в первую очередь проводить в зависимости от кислотности и влажности грунта. Чем они выше, тем толще должны быть стенка и лопасть. В связи с этим до установки свай следует проводить соответствующий анализ почвы.

По расчетам, увеличение толщины стенки всего на 1 миллиметр увеличивает срок службы сваи на 10—20 лет даже в наиболее агрессивных средах.

Однако, как показано выше, увеличение толщины на 1 мм при начальным 3—4 мм приводит увеличению веса трубы на 20—30%, а, следовательно, стоимость фундамента в целом возрастает.

Что касается толщины лопасти, то здесь тоже есть существенный ограничитель — чем толще листовой металл, тем труднее он поддается обработке при изготовлении лопасти. Если лист толщиной 2—3 мм можно разрезать обычными инструментами, то для резки более толстого листа требуются уже гильотинные ножницы и прочие более сложные механизмы.

Кроме того, увеличение толщины стенки и лопасти значительно (на те же 20—40%) увеличивает вес винтовых свай, что усложняет монтаж — и тоже отражается на стоимости возведения фундамента. Так, если легкие сваи можно вворачивать вручную, то тяжелые зачастую — только с использованием тяжелой техники.

В настоящее время подобраны оптимальные значения толщины стенки труб и толщины лопасти для изготовления винтовых свай в большей части грунтов:

— 73х3,5—4мм

— 89х4 мм

— 108х5 мм

— 133х6 мм

7. Антикоррозионное покрытие винтовых свай

Наиболее часто встречающимся покрытием винтовых свай является обычное лакокрасочное. В большинстве случаев, при не слишком увлажненных грунтах оно достаточно хорошо защищает поверхность металла от коррозии, благодаря тому, что:

— Прочная лакокрасочная пленка служит механической защитой поверхности

— Не вступает в химическую реакцию с водой

— Пассивирует воздействие блуждающих токов вследствие своей электронейтральности

Необходимым условием нанесения лакокрасочного покрытия является его двухслойность. Первый слой, называемый грунтовочным, обеспечивает максимальную адгезию второго, основного (покрывного) слоя покрытия.

Существует несколько основных способов окрашивания винтовых свай:

— Окрашивание кистью — трудоемкий и малоэффективный

— Распыление краскопультом — позволяет быстро и ровно нанести слой краски

— Помещение всего изделия в ванну с краской — достаточно громоздкий, но эффективный метод

— Электростатическое распыление — позволяет заполнить краской мельчайшие поры, но требует специального оборудования

На больших производствах винтовых свай, как правило, используется окраска в специальных камерах, что придает покрытию очень высокое качество.

Типы лакокрасочных покрытий аналогичны таковым, применяемым для окрашивания металлоконструкций, предназначенных для работы в сложных климатических условиях, в агрессивных средах и т. д. Наиболее качественными для этих целей считаются материалы на основе полиуретановых смол. Они обладают высокой адгезией, прочностью и высокими параметрами защиты от химических воздействий и практически не меняют своих свойств при резких температурных перепадах.

Прочность лакокрасочного покрытия очень важна на самом первом этапе монтажа свай, когда труба ввинчивается в грунт. При этом на тело трубы оказываются огромные истирающие нагрузки. Если покрытие не выдерживает хотя бы в некоторых местах, разрушение сваи происходит практически так же быстро, как и вообще без покрытия, поскольку происходит быстрая коррозия трубы под соседними участками, даже окрашенными.

Особенно тщательно должны быть прокрашены лопасти труб и места сварки их с телом трубы.

8. Оцинкованное покрытие винтовых свай

В последние годы широкое использование получил метод горячего цинкования винтовых свай. Безусловно, тонкая пленка цинка, покрывающая поверхность свай значительно прочнее лакокрасчной. Кроме того, такой металл как цинк значительно меньше подвержен химической коррозии по сравнению со сплавами железа.

Однако применить данный метод возможно только на достаточно больших площадях с использованием специального технологического оборудования. Следует также отметить, что ходовые для свай трубы редко выпускают оцинкованными, да и стоят они значительно дороже обычных.

Помимо окрашивания поверхности нижнюю часть сваи после заворачивания рекомендуется покрыть слоем гидрофобной мастики.

9. Заливка свай бетоном

Покрасить сваю можно и изнутри, но для этого придется полностью окунуть ее в красящее вещество, что проблематично и используется только на крупных предприятиях. Значительно эффективнее оказывается заполнить тело сваи бетоном. Это проводится после установки сваи, пока на нее не надет оголовок.

Бетон готовится обычным способом, как правило, из песчано-цементной смеси. В результате, после затвердевания бетон препятствует контакту внутренней поверхности сваи с воздухом. Кроме того, бетонирование сваи повышает ее конструкционную стойкость.

Заливку бетона обычно производят с помощью большой воронки.

Антикоррозионная защита винтовых свай играет огромную роль. При возведении свайно-винтового фундамента застройщик должен тщательно проконтролировать используемые строителями винтовые сваи. Окрашенная или оцинкованная поверхность должны надежно защищать сваю от любых видов механической, химической и электрохимической коррозии. Особенно тщательно должна быть проведена обработка сварных соединений — будь то наконечник сваи, или стык лопасти с трубой.

Глава 5 Лакокрасочные покрытия для винтовых свай

Поскольку окрашивание винтовых свай наиболее употребимая защита их от коррозии, остановимся на этом вопросе подробнее.

Лакокрасочное покрытие играет важную роль в увеличении срока службы винтовых свай. Сегодня на строительном рынке можно встретить большое разнообразие лакокрасочных материалов для металлоконструкций. Однако особенности эксплуатации винтовых свай вносят свои требования, влияющие на выбор покровного материала.

1. Взаимодействие поверхности винтовых свай с внешней средой

Различают три основных участка винтовой сваи, воздействие на которые со стороны внешней среды несколько различаются:

— Наземная часть сваи

— Тело трубы в толще грунта

Окончание тела сваи и наконечник с лопастью или винтом в наиболее плотных слоях грунта

Очевидно, что условия, которые оказывают влияние на винтовую сваю, могут быть различны на данных участках. Соответственно, нужно так подбирать антикоррозионное покрытие, чтобы оно удовлетворяло защите сваи на всем ее протяжении.

Так, наименьшее химическое воздействие испытывают наземные участи сваи, на которые устанавливается обвязка — здесь труб испытывает соприкосновение только с окружающим воздухом, а также водяными парами. Если цоколь дома закрыт, то влияние воздуха практически не сказывается на состоянии свай, хорошая вентиляция обеспечивает отвод водяного пара, и стандартного покрытия для металлоконструкций вполне достаточно.

Верхняя часть заглубленной сваи трубы находится в области контакта с грунтом и с атмосферой. Здесь наиболее сильное влияние почвенной коррозии. Почва здесь насыщена кислородом, что приводит к интенсивному ржавлению металла.

На углубленных участках меньше доступа кислорода и влаги, и сам грунт более плотен, поэтому теснее прилегает к телу трубы. Это слой инертен по отношению к металлу и коррозия сама по себе меньше, но высока повреждения покрытия в процессе завинчивания. На этом участке сваи повышается роль механической прочности лакокрасочного слоя.

2. Подготовка винтовой сваи к окрашиванию

Как и любая поверхность, поверхность сваи тоже готовится к нанесению лакокрасочного материала, и от этого во многом зависит качество покрытия в целом. Процесс подготовки включает в себя:

— Механическую очистку поверхности

— Абразивную обработку

— Химическую обработку, обезжиривание

— Высушивание

Механическая очистка играет важную роль в подготовке поверхности к окрашиванию. Дело в том, что трубы, из которых изготавливаются винтовые сваи, почти стопроцентно проводят некоторое время на складах. Даже только что выпущенные трубы с завода покрыты специальными антикоррозионными составами, маслом и проч. Если труба хранится на открытом складе, она подвергается воздействию водяных паров в воздухе, атмосферных осадков, и поверхность уже корродирует. Большинство труб, закупаемых для обработки, покрыто тонким слоем ржавчины. Наносить на него слой ЛКМ нежелательно, так как адгезия к такой поверхности ухудшается.

На первом этапе труба очищается от грязи, масла и т.д., затем подвергается более глубокой очистке. Это может быть очистка металлическими щетками, удаляющими самые крупные включения окалины, ржавчины и проч. На трубе появляется металлический блеск, а поверхность становится шероховатой, что способствует более качественной адгезии лакокрасочного материала.

Более высокого качества поверхность приобретает после абразивной обработки. Наиболее загрязненные и заржавевшие участки зачищают шкуркой или используют пескоструйную обработку всей трубы.

Поскольку даже после абразивной обработки на поверхности остается достаточное количество органических составляющих, пленок жира, масел и тому подобных, поверхность необходимо обезжирить. Обычно для этого используются стандартные растворители: уайт-спирит или растворитель №646.

Высушивание происходит буквально в считанные часы. Проверить качество обезжиривания можно простым способом — протереть металл фильтровальной бумагой. Качественное обезжиривание не оставит на бумаге следов масла.

Следует отметить, что окрашивать поверхность желательно сразу после обезжиривания, в крайнем случае — не позднее, чем через сутки. Более того, можно окрашивать поверхность свай без обезжиривания сразу после механической обработки.

3. Грунтовка поверхности

Лакокрасочное покрытие должно быть нанесено минимум в два слоя. Первый слой обеспечивает достаточную степень адгезии (прилипания) краски к металлу. Второй слой, собственно, образует защитную пленку. Опыт показывает, что чем тоньше слои и чем их больше, тем прочнее покрытие.

Обычно для грунтовки используют ту же самую краску, что и для основного покрытия. Иногда пользуются специальными грунтами по металлу.

4. Окрашивание поверхности

Существует четыре основных способа окрашивания поверхности винтовых свай:

— Окраска кистью или валиком

— С использованием краскопульта

— Полное погружение сваи в красочный раствор

— Камерное окрашивание (электростатическое распыление)

Каждый способ предъявляет свои требования к лакокрасочному материалу. Так, для окрашивания в специальных камерах годится только специальная порошковая краска. Она достаточно дорога, но качество окрашенной поверхности считается самым высоким. Понятно, что для погружения свай и электростатического окрашивания требуются просторные помещения — эти способы используют только на достаточно крупных предприятиях, производящих винтовые сваи.

5. Стойкость к истиранию поверхности

Как показывают исследования, существенный вклад в износ поверхности сваи производится в момент заворачивания ее в землю. Грунт выступает в виде абразивного порошка, и стойкость покрытия к истиранию должна быть достаточно высока. Особенно это существенно в нижних слоях грунта, где он более плотный и зачастую включает в себя мелкие камни.

Лучшие износостойкие качества проявляют полиуретановые лакокрасочные материалы, при толщине их нанесения 30—60 мкм. Несколько меньшую стойкость имеют эпоксидные краски. Толщина покрытий при равной износостойкости должна составлять при их использовании до 80—120 мкм.

6. Битумная мастика для винтовых свай

Наиболее проблемным участком сваи с точки зрения коррозии является ее окончание, не заглубленное в грунт. В точке стыка с землей свая подвергается интенсивному воздействию водяных паров и естественной влажности грунта, воздействию талых вод и дождевых потоков и т. д. Поэтому целесообразно дополнительно защитить этот участок винтовой сваи от воздействия в первую очередь воды.

С этой целью широко применяется грунтовка окончания сваи гидрофобной мастикой. Окрашивание мастикой ведется от самого места выхода сваи на поверхность и до оголовка.

Эластичная пленка мастики поверх лакокрасочного покрытия создает дополнительную защиту сваи от коррозии. Используется, как правило, обычная битумная мастика, которую применяют для гидроизоляции многих материалов — металла, дерева, бетона и проч.

Мастика наносится обычной широкой флейцевой кистью или специальным квачом. Следует работать с мастикой осторожно — чтобы избежать загрязнения рук и одежды. Использовать мастику можно даже после большого перерыва в работе — она легко растворяется в специальных растворителях, типы которых указаны на упаковке.

7. Полиуретановые краски для окрашивания свай

Исходя из вышесказанного, к лакокрасочному материалу предъявляются следующие основные требования:

— Красочная пленка должна быть водонепроницаемой

— Высокоэластичной, так как при высоких нагрузках возможно повышенное ошелушивание, вызванное хрупкостью карсночной пленки

— Достаточно прочной и твердой, чтобы препятствовать механическим воздействиям

— Иметь химическую и электрохимическую пассивность

Строгий подход к окрашиванию различных элементов винтовой сваи требует учитывать многие факторы, это:

— Марка стали, из которого изготовлена свая и лопасти

— Рельефность поверхности трубы

— Габариты сваи

— Предполагаемые нагрузки, в том числе механических

— Стоимость лакокрасочного материала

Мы уже отмечали, что в последние годы наиболее оптимальным является использование полиуретановых смесей. Они наиболее полно учитывают особенности окрашивания поверхности и эксплуатации винтовых свай.

Полиуретановые краски представляют собой гомогенизированную смесь, в которой содержатся полиэфирные смолы, некоторые наполнители, отвердитель и цветовой пигмент. В промышленности такую краску выпускают в виде сыпучих порошков, и ее можно закупать в специальных мешках и готовить на месте — тогда стоимость краски значительно сократится, особенно если планируется большой объем производства винтовых свай.

Однако следует обратить внимание, что существуют специальные условия хранения готового раствора — в течение 12 месяцев при температуре от 0 до +20 градусов Цельсия и влажности не выше 70 процентов. Следовательно, разводить красочный состав нужно с учетом этих требований. Если краска, заготовленная с избытком, начнет портиться, ее лучше не использовать — иначе окраска и эксплуатация свай будет происходить вне соответствия нормам, что, в конце концов, ухудшит антикоррозионную защиту.

Относительно высокая стоимость полиуретановых ЛКМ по сравнению с эпоксидными аналогами окупается:

— Во-первых, качеством поверхности, а, следовательно, более высокой степенью антикоррозионной защиты винтовых свай

— Во-вторых, тем, что расход краски на окраску существенно ниже, так как защитная пленка требуется более малой толщины при равных условиях

Отметим, что использование полиуретановых красок требует как минимум краскопульта и средств защиты дыхательных путей при работе. Это определяется высокой дисперсностью материала — то есть частицы краски имеют очень малые размеры.

Полиуретановые краски различаются и по степени матовости поверхности. Для винтовых свай можно использовать типы красок, дающих как матовую, так и глянцевую поверхность. Глянцевая поверхность винтовых свай имеет более привлекательный внешний вид, и, если не планируется закрывать внешние окончания труб под домом, лучше использовать именно ее.

Что касается конкретных фирм-производителей, то здесь при условиях использования и эксплуатации винтовых свай особого различия нет. Конечно, зарубежные фирмы давно зарекомендовали себя качеством (и высокой, признаться, ценой), но отечественные аналоги справляются со своей задачей не хуже. Сегодня широко налажено даже российское производство порошковых красок для камерной окраски, а раньше такие материалы можно было закупить только за рубежом.

Мы вкратце рассказали о способах защиты винтовых свай от коррозии путем нанесения лакокрасочных материалов. Следует отметить, что данные покрытия в целом нисколько не уступают другим видам защиты от коррозии, в частности, методам холодного или горячего цинкования труб, но превосходят их в мобильности и простоте — при равных показателях защитных пленок. Дело в том, что преимущества одного способа связаны с его недостатками, и многое зависит от конкретных условий эксплуатации винтовых свай.

Глава 6. Винтовые сваи своими руками

Возведение фундамента является очень ответственным этапом любого строительства. Свайно-винтовой фундамент обходится в целом дешевле аналогичного монолитного фундамента, но и его закладка требует значительных средств. Зачастую застройщики могут обойтись и установкой винтовых свай собственными силами, без привлечения сторонних бригад. Более того — в некоторых случаях возможно использование свай, изготовленных своими руками, в кустарных условиях.

1. Когда можно использовать самодельные винтовые сваи?

Фундамент на винтовых сваях применяется для самого разнообразного типа построек. Можно с уверенностью сказать, что в большинстве случаев свайно-винтовой фундамент — это оптимальный вариант для индивидуального строительства. При установке таких фундаментов существуют строгие нормы и правила, определяющие как качество и типоразмер самих свай, так и условия их монтажа.

Однако существует множество случаев, когда затраты на возведение свайно-винтового фундамента можно существенно уменьшить — когда требования к сваям, либо к самому фундаменту относительно упрощаются:

— При строительстве самых легких построек, где не требует очень большой запас прочности

— При необходимости использовать небольшое количество свай в дополнение к существующему фундаменту, несущему основную нагрузку

Понятно, что для изготовления своими руками элементов фундамента необходимо

— Наличие определенной квалификации

— Наличие необходимых инструментов и помещения

— Строгое соблюдение основных правил работ с металлоконструкциями

К легким и неответственным постройкам, где можно использовать фундамент из винтовых свай кустарного производства можно отнести:

— Заборы, не предполагающие значительного веса полотна

— Навесы с небольшим расчетным весом конструкций

— Пристройки к дому, не существенно нагружающие грунт

— Одиночные столбы, на которые не предполагается больших нагрузок

— Временные сооружения с малой расчетной нагрузкой

Кроме того, возможно использовать не сертифицированные сваи при небольшом ремонте старого фундамента, если нагрузки на него невелики. Понятно, что если есть возможность, проще самостоятельно изготовить несколько свай, чем покупать их, зачастую переплачивая за доставку.

Но, повторим, в любом случае, сваи должны соответствовать допустимым нормам и допускам.

Напомним, что винтовая свая состоит из:

— Тела в виде трубы

— Наконечника

— Лопасти

При необходимости для свай изготавливается оголовок — площадка, на которую устанавливается обвязочный брус.

Все эти элементы, кроме, конечно, трубы, могут быть изготовлены своими руками.

2. Требования к трубам для винтовой сваи

В общем случае требования к трубам для свай достаточно строги:

— Использование только бесшовных труб с рядовыми марками стали: ст20, ст09г2с, ст30ХМА и т. п.

— Трубы должны быть новыми либо неиспользованными, без очагов коррозии

— Диаметр и толщина стенки труб должны соответствовать расчетным нагрузкам на фундамент.

Что касается диаметра труб, то существуют наиболее распространенные соотношения диаметра с несущей нагрузкой применяемые в строительстве и состоянию грунта:

— Диаметр 73 мм — нагрузка до 800 кг, влажные почвы

— 89 мм — нагрузка до 1,4 тонны, заболоченные почвы, торфяники

— 108 мм — нагрузка до 3,5 тонн, кроме каменистых грунтов

— 133 мм — нагрузка до 6 тонн, кроме каменистых грунтов

Толщина стенки труб указанного диаметр варьируется от 3 до 6 мм, увеличиваясь соответственно. Чем выше толщина стенки, тем более надежной будет труба в качестве опоры, однако вес самой трубы увеличивается, и труба будет дороже.

Обычно трубы имеют длину от 6 до 12 метров. Рекомендуется подбирать длины приобретаемых труб, чтобы они были кратны расчетной длине сваи. Так, труба стандартной длины 11.8 метров пригодна для изготовления четырех свай по 3 метра длиной.

Трубы обычно выполнены из конструкционных марок стали. Обрезают их либо специальными ленточными пилами, либо газосваркой.

3. Изготовление наконечника сваи

Винтовые сваи могут иметь различные типы наконечников, и не каждый из них можно изготовить в кустарных условиях

Литой наконечник изготовить в кустарных условиях практически невозможно. Требуется специальное литейное оборудование — печь, формы и т. д. Однако можно приобрести готовые литые наконечники на специализированных предприятиях. Останется только приварить их к концам труб.

Значительно проще придать трубе заострение на конце и приварить к нему лопасть. Именно этот способ широко применяется для кустарного производства винтовых свай.

В данном случае конец трубы размечается по шаблону, и производится обрезка лишнего металла. В результате на конце трубы остаются зубцы, которые сбиваются к центру. Как правило, стандартный способ предполагает вырезание четырех зубцов.

Металл, из которого изготовлена труба, достаточно прочен, поэтому операция изготовления корпуса достаточно трудоемка, особенно при толщине стенки более 4 мм.

После того, как конус сведен, все соединения должны быть тщательно проварены. Неправильная и некачественная сварка может привести к тому, что зубцы разойдутся при соприкосновении с достаточно плотными слоями грунта или попадании на пути сваи каменистых включений в почву.

Еще один способ изготовления конусного наконечника — сварка его отдельно от трубы из отдельных элементов, вырезанных из металлического листа. Такому наконечнику можно придать вид окончания крестообразной отвертки, приварить дополнительные ребра жесткости и т. д. В дальнейшем готовый конус приваривается к телу трубы, аналогично литому наконечнику. Очевидно, что соединения наварного наконечника с телом трубы должно быть очень качественным и надежным.

Отметим также, что в самом простом случае наконечник трубы можно заострить, не прибегая к описанным способам. Можно просто обрезать окончание трубы под углом. Такие сваи вполне подойдут для строительства заборов и самых легких построек, ведь нагрузка на лопасти в данном случае минимальна и роль наконечника — обеспечить легкое внедрение сваи в грунт. Как правило, труба обрезается под углом в 45 градусов. Для того, чтобы в тело трубы не попадал грунт (что значительно сократит ее срок службы из-за коррозии внутренней стенки) на обрезанный конец трубы приваривается эллипс из металлического листа соответствующего размера.

4. Лопасть винтовой сваи

Самая ответственная и трудоемкая операция в изготовлении сваи — это вырезание и приварка лопасти. Именно лопасть во многом определяет работоспособность винтовой сваи — легкое ввинчивание и выдерживание как нагрузок от веса конструкций, так и нагрузок «на выдергивание».

Легкость ввинчивания в грунт определяется шириной лопасти и остротой ее краев. Обычно подбирают толщину лопасти в соответствии с диаметром трубы:

— 73 мм — 10—15 см

— 89 мм — 15—20 см

— 108 мм — 20—25 см

— 133 мм — 25—35 см

Толщина металла лопасти обычно не превышает 2—3 мм, что обеспечивает достаточную остроту края лопасти и достаточную ее прочность. К тому же, в кустарных условиях разрезать более толстый лист без гильотинных ножниц проблематично.

Само изготовление лопасти — довольно сложная инженерная задача, ведь ей нужно придать такую форму, чтобы она идеально подходила к заостренному конусу сваи. В простейшем случае изготавливается два лепестка с внутренним диаметром, соответствующим толщине конуса на данном участке. И слегка выгибают и приваривают один над другим. Расстояние нижнего лепестка лопасти от конца конуса берется приблизительно 15—20 см. Верхний располагают выше, так чтобы образовалось подобие винта.

Качество соединения лопасти и тела трубы играет, пожалуй, самую важную роль в производстве винтовой сваи. Именно в данном участке винтовая свая испытывает самые большие нагрузки во время ввинчивания. Кроме того, именно сварное соединение лопасти и трубы является самым уязвимым местом с точки зрения коррозии металла при эксплуатации сваи. Если само тело трубы защищено от коррозии покрытием (о чем чуть ниже), то сварной шов более уязвим, поэтому его нужно делать достаточно толстым.

5. Защита винтовой сваи от коррозии

Винтовые сваи, изготовленные промышленным способом, хорошо защищены от коррозии — обычно их покрывают двух или трехслойным слоем качественного антикоррозионного грунта, зачастую методом порошковой окраски. Широко применяется и горячее цинкование трубы.

В бытовых условиях можно просто покрасить сваю качественным грунтом (подойдет обычный грунт для металлоконструкций), причем необходимо пройти как минимум в два слоя, дав просохнуть предыдущему. Для лучшей защиты рекомендуется покрыть тело трубы еще и праймером — специальным антикоррозионным составом.

Такого покрытия вполне хватит на десятки лет службы винтовой сваи.

Нельзя также забывать и о заполнении сваи бетонной смесью после вкручивания — обо все этом рассказано в статье нашего сайта, посвященном защите свай от коррозии.

Винтовая свая не относится к продукции повышенной сложности. Ее изготовление вполне по силам опытному мастеру, обладающему навыком работы с металлом, а также удобной мастерской. Однако необходимо строго соблюдать допустимые нормы, о которых было упомянуто выше. В конце концов, от качества сваи будет зависеть устойчивость фундамента и долговечность сооружения.

Часть 2. Расчет фундамента на винтовых сваях

Глава 1. Расчет фундамента на винтовых сваях

Установка свайно-винтового фундамента требует скрупулезного расчета. Для любого столбчатого фундамента определение места установки опор и расчет их несущей способности принципиально отличается от расчета монолитных фундаментов. В данном случае вес конструкции и прочие нагрузки распределяются не равномерно по всему монолиту, а приходятся на каждую отдельную опору. В нашем случае — это винтовая свая.

1. Нагрузки на фундамент

Основные нагрузки на фундамент несет вес будущей конструкции. Если строится дом, то для определения общей нагрузки необходимо знать вес

— Обвязки фундамент

— Нижнего перекрытия

— Стен внешних и внутренних

— Верхнего перекрытия и потолка

— Стропильной системы крыши

— Кровельного материала

— Инженерных коммуникаций

— Оконных и дверных блоков

— Отделочных материалов

— Крыльца и веранды, если они находятся на одном фундаменте с домом

Кроме того, на грунт, как конечную опору строения, оказывают нагрузки и сами винтовые сваи — чем больше будет диаметр применяемых труб, тем больше вес.

Все перечисленные параметры являются исходными и неизменными после постройки и ввода дома в эксплуатацию. Эксплуатация дома привносит новые нагрузки на фундамент, в частности

— Вес людей в доме

— Вес оборудования

— Вес мебели и бытовых приборов

— Вес снега на кровле

Очевидно, что эксплуатационные нагрузки будут непостоянными, но учитывать их в расчете нужно по максимуму.

Все указанные нагрузки являются вертикальными. Но кроме них при эксплуатации дома добавляются боковые воздействия:

— Сила ветра, давящая на стены и скат крыши

— Сейсмические нагрузки

— Силы пучинистости грунта зимой

— Конструкционные нагрузки, связанные с изменениями линейных размеров элементов здания (усушка древесины, увлажнение и проч)

Все нагрузки различаются не только по своей силе, но и по месту приложения, а также по времени воздействия. Различают следующие виды нагрузок:

— Равнораспределенные — вес самого здания или снега на кровле

— Сосредоточенные, такие как вес оборудования или мебели на ограниченном участке дома

— Статические — постоянные во времени

— Динамические — например, ударная нагрузка порывов ветра или вибрация от работы тяжелого оборудования

В некоторых случаях нагрузки могут совпадать, усиливая общее воздействие на опору, и это тоже должно быть учтено в расчете фундамента.

2. Основные опорные точки

При расчете необходимо иметь представление о том, как действуют те или иные нагрузки — отсюда можно определить положение опорных точек столбчатого фундамента. Для этого рассмотрим конструкцию здания и то, как перераспределяются по ней нагрузки.

Так, вес кровли и снега на нем передается на стропильную систему. Та, в свою очередь установлена на боковые стены и в некоторых случаях на верхнее перекрытие. Перекрытие тоже опирается на боковые и внутренние несущие стены. В некоторых случаях крыша может выступать за периметр основания дома и опираться на отдельные опоры — столбы или колонны — в этом случае часть нагрузок на стены уменьшается, но в устройстве фундамента должны быть предусмотрены дополнительные опорные точки.

Таким образом, очевидно, что вертикальные нагрузки со стороны кровли и крыши в основном направлены на стены здания.

Это означает, что опорные точки фундамента должны быть расположены в первую очередь под стенами. Как правило, опоры ставятся по периметру всего здания и по линиям расположения несущих стен. Сами стены со своим весом и нагрузками, переданными от верхней части здания, давят на обвязку фундамента.

Нижнее перекрытие оказывает давление в первую очередь на боковые опоры, т.е. на балки нижней обвязки фундамента — по периметру и в более сложном случае по поперечным балкам.

Как упоминалось выше, в здании могут иметься дополнительные элементы, повышающие общий вес дома. Примером может служить массивное котельное оборудование. Несмотря на то, что вес любых предметов, находящихся в помещении, передается более-менее равномерно на нижнее перекрытие, в таких особо нагруженных местах создаются дополнительные локальные нагрузки на сами балки перекрытия, точнее на участки, расположенные непосредственно под местом расположения оборудования.

Очевидно, что они требуются создания отдельных опорных точек.

3. Учет характеристик грунта

Характеристики грунта с точки зрения установки фундамента определяют в первую очередь его несущую способность, то есть устойчивость к нагрузкам со стороны установленных на нем конструкций без проседания. Она измеряется в тн/м2 или кгс/см2. Наиболее значимыми для несущей способности грунта являются

— Тип грунта

— Степень уплотнения

— Влажность

Для изучения параметров грунта в общем случае необходимо проводить геологические изыскания. Однако стоимость их достаточно высока, и на практике строители пользуются наработанными опытом обобщенными параметрами для тех или иных грунтов, а также пользуются упрощенными методами определения свойств грунта:

— Во-первых, существуют определенные известные характеристики для основных видов грунта, на котором планируется постройка — песчаных или глинистых.

— Во-вторых, проводится пробное вкручивание свай.

Для самостоятельного определения типа грунта можно использовать известный способ — скатать шарик из земли и растереть ладонями. При этом можно увидеть, что:

— Шар из песка практически не скатывается, и при растирании чувствуются отдельные песчинки

— Шар из песчаного грунта (до 90% состава) формируется, но разрушается при самых небольших нагрузках

— Шар из суглинка (до 30% глины) держит форму, но при воздействии нагрузками трескается по краям

— Шар из глины отлично формируется и при надавливании не дает трещин

Плотность различных типов грунтов и их несущая способность определена практикой и приводится в таблицах. Приведем некоторые параметры устойчивости для наиболее распространенных грунтов:

— Крупнозернистый песок — 5—6 т/м2

— Средний песок — 4—5 т/м2

— Мелкозернистый зернистый песок — 3—4 т/м2

— Мелкозернистый влажны песок — 2—3 т/м2

— Супесь — 2,5—3 т/м2

— Увлажненная супесь– 2—2,5 т/м2

— Крупнозернистый песок — 5—6 т/м2

— Суглинок — 2—3 т/м2

— Глина — 2,5—6 т/м2

— Влажная глина — 1—4 т/м2

Насыщенность влагой тоже можно определить простым проверенным способом. Нужно отрыть небольшую (до полуметра глубиной) ямку: если через некоторое время в ней будет скапливаться вода, то грунт можно считать влажным. В противном случае — сухим.

Обобщая сказанное, можно с уверенностью сказать, что для самостоятельного расчета фундамента можно смело использовать данные, приведенные выше. Как правило, тип грунта в данной местности известен.

Пробное вкручивание поможет выявить, насколько общий тип грунта, характерный для близлежащих участков может локально отличаться от среднего.

4. Определение необходимых параметров свай

Для того, чтобы определить параметры свай, устанавливаемых в качестве фундамента, необходимо знать их несущую способность. Расчеты показывают, что допустимая нагрузка на сваю зависит от диаметра трубы, толщины стенки, длины сваи и ширины лопасти.

Теоретически несущая способность сваи рассчитывается по формуле

— F=S*Ro, где

— S — площадь опоры, т.е. лопасти

— Ro — прочностная характеристика грунта

Поскольку учет параметров грунта взят не из геологических исследований, а из таблиц, необходимо применить понижающий коэффициент. В большинстве случае он берется равным порядка 1,4—1,7, то есть фундамент рассчитывается с запасом прочности до 70%.

Опытным путем установлены усредненные характеристики различных свай. Так, сваи диаметром 108 мм способны выдерживать нагрузку до 5—7 тонн. При диаметре 89 мм — предельная несущая нагрузка — около 3—5 тонн. Самые тонкие сваи диаметром 73 мм способны выдержать до 3 тонн веса.

Выбор длины винтовой сваи зависит в основном от типа грунта, на которую будет опираться лопасть. На участках с устойчивым грунтом достаточно длины сваи 2,5 метра. Окончательный выбор должен учитывать запас на перепад высот на участке под строительство.

5. Расчет количества свай

Из предыдущего параграфа видим, что количество свай на тот или иной фундамент можно определить, разделив общий вес дома на несущую способность одной сваи.

Приведем приблизительный расчет количества свай для обычного дома.

Так, вес его будет складываться из веса всего здания, умноженного на коэффициент надежности для того или иного типа конструкций. Он равен при постоянной нагрузке:

— Для деревянных конструкций — 1,05

— Металлических конструкций — 1,2

— Стяжек, изоляции — 1,3

— Для снеговой нагрузки — 1,4

6. Распределение свай по площади фундамента

Существуют основные правила распределения свай:

В обязательном порядке сваи устанавливаются под углы здания. Это самые напряженные точки, так как здесь сходятся нагрузки как минимум от двух стен.

При необходимости под каждую стену устанавливается еще одна или несколько свай, в зависимости от длины стен, в том числе и внутренних несущих

В участки с повышенной нагрузки сваи также устанавливаются по углам.

Приведем расчет количества свай для дома с мансардой, который оказывает нагрузку на фундамент до 50 тонн с учетом приведенных коэффициентов.

Количество, необходимое для возведения фундамента для такого дома:

— Сваи диаметром 108 мм — 50/6= 8,3 сваи. Реально требуется 9 свай.

— Сваи диаметром 89 мм — 50/4=12,5 свай. С запасом берется 13 свай.

При прямоугольном сечении 6х4,5м и одной несущей стене 6х3 м сваи устанавливаются: 4 по углам, остальные вдоль стен.

Рассмотрим применение сваи 89 мм. По углам здания ставится 4 сваи. Две сваи устанавливаются по концам внутренней несущей стены. Таким образом, остается 13—6=7 свай. Одну целесообразно установить под среднюю точку несущей стены, а остальные распределить по периметру. Если добавить еще две сваи, то на каждую из боковых стен (кроме угловых) будет приходиться по 2 сваи. Тогда шаг их установки оставит 1.5 метра, что вполне соответствует хорошему запасу прочности.

7. Заключение

Расчет фундамента имеет большое значение в закладке основы под строительства, особенно на слабых грунтах и естественных уклонах площадки под постройку дома. Его можно провести самостоятельно, но при строительстве большого дома лучше обратиться к специалистам.

Глава 2. Несущая способность винтовой сваи

Одним из определяющих факторов расчета винтового фундамента является несущая способность сваи. Для ее определения существуют общепринятые методики, учитывающие несколько факторов. Зная несущую способность сваи, можно рассчитать количество свай, необходимых для закладки устойчивого и надежного фундамента.

1. Строение винтовой сваи

Напомним, что винтовая свая имеет четыре основных элемента:

— Тело сваи в виде трубы

— Наконечник, обеспечивающий легкое проникновения сваи в грунт

— Лопасть сваи, с помощью которой свая вворачивается в землю

— Оголовок, необходимый для обвязки свай