Винтовые сваи

Винтовая свая — свая, состоящая из металлического наконечника с лопастью (лопастями) или многовитковой спиралью (спиралями) и трубчатого металлического ствола, погружаемая 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.

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

Классификация 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 объекта малоэтажного строительства, 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.

Сваи стальные винтовые подразделяют:

  • по виду свай – на целиковые и составные;
  • по виду лопастей – на лопастные (CBЛ), спиральные (СВС), комбинированные (СВК);
  • по количеству лопастей (спиралей) – с одной или несколькими (две, три и т.д.) лопастями (спиралями), в том числе разного диаметра;
  • по виду наконечников – с закрытыми (конусными) и открытыми (трубчатыми) прямыми или срезанными;
  • по способу изготовления наконечников – со сварными, литыми или коваными наконечниками;
  • по виду и способу нанесения антикоррозионного защитного покрытия.

Вид лопастей

В зависимости от вида лопастей сваи подразделяются:

  • Свая винтовая лопастная (CBЛ) – винтовая свая, имеющая одну или несколько лопастей и ствол со значительно меньшей по сравнению с лопастью (лопастями) площадью поперечного сечения; лопасти могут быть размещены на наконечнике и по длине ствола.
  • Свая винтовая спиральная (СВС) – винтовая свая, состоящая из конусного или открытого наконечника и ствола с приваренной многовитковой спиралью (спиралями).
  • Свая винтовая комбинированная (СВК) – винтовая свая, имеющая конусный или открытый наконечник с приваренной многовитковой спиралью и ствол с одной или несколькими винтовыми лопастями.

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;
  • туго-пластичных и полутвёрдых;
  • твёрдых.

Однако сегодня, как правило, используются типовые однолопастные и двухлопастные, реже трёхлопастные винтовые сваи с круглыми лопастями. Эта унификация позволяет упростить производство таких свай, но сужает область применения, так как в большинстве грунтовых условий они не эффективны. При условии обеспечения требуемой несущей способности их материалоёмкость высока, что приводит к увеличению затрат конечного потребителя. Наиболее прогрессивным методом проектирования фундаментов из винтовых свай является подбор конструкции к конкретным грунтовым условиям площадки строительства. Такой подход позволяет максимально использовать несущие способности грунта и даёт возможность рационального применения материала сваи.

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

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. 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.

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 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.

Материал из Википедии — свободной энциклопедии