Фундамент на винтовых сваях

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.

Винтовые сваи на месте монтажа

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

Наконечник в процессе изготовления

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.

Удлинение винтовой сваи

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.

Лопастный наконечник

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.

Двухлопастная винтовая свая

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.

Специальное покрытие свай для вечной мерзлоты

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.

Схематическое отображение процесса коррозии металла

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.

Развитие процесса коррозии

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.

Микроструктура корродированного участка

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.

Необходимо тщательное прокрашивание сварного шва

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.

Оцинкованные сваи

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.

Заливка полости сваи бетоном

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.