Фундаменты из винтовых свай под опоры ЛЭП, ВЛ и контактной сети
Статья содержит основную информацию о параметрах свай для энергосетевого строительства и ценах на них, а также реальные примеры использования винтовых свай под опоры ЛЭП, ВЛ и контактной сети.
Параллельно с вводом в эксплуатацию новых ВЛ и электростанций осуществляется и переоборудование существующих. Вопрос модернизации электрической инфраструктуры в России стоит сегодня очень остро: в распределительных сетях среднего и низкого напряжения (более 80% всех сетей) она выработала свой ресурс. Ежегодно замены требуют 4-5 % линий, в том числе из-за проблем, связанных с износом фундаментов и нестабильностью грунтов.
Сложившаяся ситуация усугубляется изменением климатических условий на территории Российской Федерации. Ледяные дожди, повышенная ветровая нагрузка и другие погодные явления дополнительно нагружают фундаменты опор.
Таким образом, развитие электроэнергетической системы России требует не только масштабного расширения сетевой инфраструктуры, но и решения ключевых проблем, связанных с ее износом. В этих условиях традиционные методы строительства зачастую оказываются недостаточно эффективными, увеличивая сроки проведения работ и затраты на эксплуатацию.
Применение винтовых свай в реконструкции
и строительстве ЛЭП и ВЛ
Теоретические основания применения винтовых свай в строительстве были разработаны еще в 1950 – 1960-х годах в СССР. Значительный вклад в изучение технологии внесли Г. С. Шпиро, Н. М. Бибина, Е. П. Крюков, И. И. Цюрупа, И. М. Чистяков, М. А. Орделли, М. Д. Иродов и другие ученые.
В середине 60-х годов началось интенсивное внедрение свайно-винтовых фундаментов в электросетевое строительство. По результатам испытаний, а также опытной эксплуатации опор линий связи высотой до 245 метров в 1961 – 1964 годах было разработано «Руководство по проектированию и устройству мачт и башен линий связи из винтовых свай».
Виктор Николаевич Железков – первый ученый, рассмотревший технологию винтовых свай через призму научного опыта, доказал, что винтовые сваи – не просто являются альтернативой традиционным фундаментам, но и превосходят их, к примеру, в сложных геологических условиях. В 2004 году он опубликовал монографию «Винтовые сваи в энергетической и других отраслях», в которой обобщил ценные экспериментальные данные по определению несущей способности винтовых свай.
К сожалению, конструкция винтовой сваи, предложенная В.Н. Железковым (с одной лопастью в 1,25 витка, начинающейся на скошенной части ствола и плавно увеличивающейся в ширину) и получившая широкое распространение, была разработана прежде всего для снижения энергоемкости процесса погружения. Добиться повышения несущей способности можно было только за счет увеличения диаметра ствола и лопасти.
За прошедшие годы подход к проектированию и строительству фундаментов опор ЛЭП, ВЛ и контактной сети из винтовых свай значительно изменился. Тем не менее, результаты расчетов винтовых свай на вдавливающие, выдергивающие и горизонтальные нагрузки аналитическими методами, базирующимися на табличных значениях коэффициентов, все еще демонстрируют значительные расхождения с результатами, полученными во время полевых испытаний грунтов натурными сваями.
ГК «ГлавФундамент» при оценке несущей способности используют численное моделирование статических испытаний грунтов сваями: создание расчетных схем для численного моделирования позволяет получать достоверные результаты, когда расхождение в величине несущей способности даже для слабых грунтов не превышает 20 %.
Примеры использования винтовых свай под опоры ЛЭП и ВЛ
Реконструкция ВЛ 220 кВ «Астрахань – Рассвет»
- разработать техническое решение для фундаментов переходных опор;
- изготовить и установить винтовые сваи;
- провести контрольные полевые испытания.
- в основании свай залегают рыхлые водонасыщенные пылеватые пески (III категория сложности грунтовых условий);
- высота опор – 148 метров, расстояние между опорами – 1 200 метров (переход через Волгу);
- срок строительства – 1,5 месяца.
Техническое решение предусматривало использование свайных кустов, состоящих из 20 свай каждый. Проведенные испытания показали, что в этом случае будет обеспечено восприятие знакопеременных нагрузок до 50 тонн и выдергивающих нагрузок до 40 тонн на одну сваю.
Для объекта было изготовлено 160 свай со следующими параметрами:
- длина – 9 м;
- диаметр ствола – 325 мм;
- толщина стенки – 8 мм;
- толщина лопасти – 10 мм;
- марка стали – 09Г2С.
Строительство трассы ВЛ 110 кВ на Русском месторождении
- выполнить численные расчеты несущей способности винтовых свай по грунту на вдавливающие и выдергивающие нагрузки и по материалу;
- выполнить аналитический расчет на действие сил морозного пучения;
- выполнить прочностные расчеты узла соединения сваи с ростверком из стальных элементов.
- сейсмическая активность района строительства – 5 баллов;
- грунты в пятне застройки находятся как в многолетнемерзлом, так и в талом, обычно сильно увлажненном состоянии;
- залегающие с поверхности мерзлые толщи развиты очень широко, их мощность изменяется от 5-10 м до 150-200 м. Среднегодовые температуры многолетнемерзлых пород на большей части территории колеблются от 0 до -2°С;
- грунты участка строительства выделены в 22 инженерно-геологических элемента.
- диаметр лопастей – 500-1000 мм;
- толщина лопастей – 14 мм;
- конфигурация лопастей – для текучепластичных грунтов;
- диаметр ствола – 159-325 мм;
- толщина стенки ствола – 10 мм;
- длина винтовой сваи – 5 000-10 000 мм.
Стандартная методика оценки (СП 24.13330 «Свайные фундаменты») базируется на упрощенных моделях взаимодействия свай с грунтом, поэтому не обладает достаточной точностью и требует проведения численных расчетов, позволяющих моделировать работу сваи в полевых условиях.
Для оценки несущей способности многолопастных конструкций специалисты научного отдела использовали системы автоматизированного проектирования (САПР), базирующиеся на методе конечных элементов (МКЭ).
В первую очередь была выбрана определяющая модель грунта – упруго-пластичная модель с критерием разрушения Мора – Кулона. Затем было выполнено моделирование в трехмерной (пространственной) постановке. Моделировались воздействия:
- для оценки несущей способности на вдавливание;
- для оценки несущей способности на выдергивание.
По результатам расчета было установлено, что при использовании указанных модификаций винтовой сваи условие по обеспечению несущей способности на действие вдавливающих и выдергивающих нагрузок выполняется с запасом.
Также были смоделированы расстояние между лопастями, шаг и угол наклона лопастей. Необходимость расчета обусловлена сложной зависимостью этих параметров от грунтовых условий и характера нагрузок от строения.
Для расчета прочности и жесткости (по материалу) элементов ростверка и винтовых свай в системах автоматизированного проектирования также были созданы трехмерные модели.
По результатам численного моделирования максимальные эквивалентные напряжения (180 МПа) не превышают значение расчетного сопротивления стали (235 МПа). Следовательно, условие по обеспечению несущей способности стальных элементов выполняется с запасом.
В соответствии с СП 63.13330 «Бетонные и железобетонные конструкции» расчет металлических элементов по деформациям производят из условия, по которому прогибы или перемещения конструкций от действия внешней нагрузки не должны превышать предельно допустимых значений прогибов или перемещений.
Было установлено, что условие по деформации выполняется.
Проверка на устойчивость к воздействию касательных сил морозного пучения проводилась в соответствии с СП 25.13330 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».
Расчет был выполнен для наихудших грунтовых условий. Установлено, что устойчивость сваи на воздействие касательных сил морозного пучения выполняется с запасом.
Испытания винтовых свай под опоры ЛЭП
- подтвердить несущую способность винтовых свай с диаметром ствола 219 мм, погруженных на глубину 6,5 м.
- доступ к отдельным опорам был затруднен, из-за чего приходилось использовать временные дороги – «зимники».
Расчет несущей способности винтовых свай
в рамках реконструкции подстанции
- выполнить численные расчеты несущей способности винтовых свай в сильнопучинистых грунтах методом конечных элементов (МКЭ).
- с поверхности площадки строительства залегают насыпные грунты, которые подстилаются сильнопучинистыми суглинками;
- в многоводные годы площадка заполняется талыми и дождевыми водами на глубину 0,3=0,5 м.
- диаметр лопастей – 490 мм;
- толщина лопастей – 8 мм;
- конфигурация лопастей – для тугопластичных грунтов;
- диаметр ствола – 159 мм;
- толщина стенки ствола – 5 мм;
- длина винтовой сваи – 4 600 мм.
Было проведено численное моделирование НДС грунта вокруг винтовой сваи при действии вдавливающей и выдергивающей нагрузки. За несущую способность сваи принималась нагрузка, воспринимаемая ею при осадке (полной вертикальной деформации) равной 30 мм. Винтовая свая моделировалась в рамках упругой модели.
Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния показал, что несущая способность сваи по грунту составляет:
- при действии вдавливающей нагрузки – 9,2 тс;
- при действии выдергивающей нагрузки – 7,4 тс.
Следовательно, условие по обеспечению несущей способности и устойчивости грунтов основания свайного фундамента выполняется с запасом.
Необходимость установки винтовых свай в сильнопучинистые грунты требовала обязательного выполнения проверки устойчивости свайного фундамента к действию касательных сил морозного пучения. Расчеты показали, что устойчивость обеспечивается.
Купить винтовые сваи для ЛЭП и ВЛ: цены, основные параметры
Диаметр ствола 159 мм
| Вес, кг | ||||||
| Широколопастная двухлопастная | Широколопастная трехлопастная | |||||
| Длина, мм | Толщина стенки, мм | |||||
| 4,0 | 5,0 | 6,0 | 4,0 | 5,0 | 6,0 | |
| 3 000 | 69,8 | 81,0 | 91,9 | 81,8 | 93,0 | 103,9 |
| 3 500 | 77,4 | 90,5 | 103,2 | 89,4 | 102,5 | 115,2 |
| 4 000 | 85,0 | 100,0 | 114,5 | 97,0 | 112,0 | 126,5 |
| 4 500 | 92,6 | 109,5 | 125,8 | 104,6 | 121,5 | 137,8 |
| 5 000 | 100,3 | 119,0 | 137,2 | 112,3 | 131,0 | 149,2 |
| 5 500 | 107,9 | 128,4 | 148,5 | 119,9 | 140,4 | 160,5 |
| 6 000 | 115,5 | 137,9 | 159,8 | 127,5 | 149,9 | 171,8 |
| 6 500 | 123,1 | 147,4 | 171,1 | 135,1 | 159,4 | 183,1 |
| 7 000 | 130,8 | 156,9 | 182,4 | 142,8 | 168,9 | 194,4 |
Диаметр ствола 219 мм
| Вес, кг | ||||||
| Широколопастная двухлопастная | Широколопастная трехлопастная | |||||
| Длина, мм | Толщина стенки, мм | |||||
| 6,0 | 8,0 | 10,0 | 6,0 | 8,0 | 10,0 | |
| 3 000 | 105,1 | 120,5 | 150,8 | 118,1 | 133,5 | 163,8 |
| 3 500 | 118,3 | 136,3 | 171,6 | 131,3 | 149,3 | 184,6 |
| 4 000 | 131,5 | 152,0 | 192,4 | 144,5 | 165,0 | 205,4 |
| 4 500 | 144,7 | 167,8 | 213,2 | 157,7 | 180,8 | 226,2 |
| 5 000 | 157,9 | 183,5 | 234,1 | 170,9 | 196,5 | 247,1 |
| 5 500 | 171,1 | 199,3 | 254,9 | 184,1 | 212,3 | 267,9 |
| 6 000 | 184,3 | 215,0 | 275,7 | 197,3 | 228,0 | 288,7 |
| 6 500 | 197,5 | 230,8 | 296,5 | 210,5 | 243,8 | 309,5 |
| 7 000 | 210,7 | 246,5 | 317,3 | 223,7 | 259,5 | 330,3 |
Диаметр ствола 325 мм
| Вес, кг | ||||||
| Широколопастная двухлопастная | Широколопастная трехлопастная | |||||
| Длина, мм | Толщина стенки, мм | |||||
| 6,0 | 8,0 | 10,0 | 6,0 | 8,0 | 10,0 | |
| 3 000 | 174,6 | 221,5 | 267,0 | 191,6 | 238,5 | 284,0 |
| 3 500 | 198,1 | 252,8 | 305,8 | 215,1 | 269,8 | 322,8 |
| 4 000 | 221,5 | 284,0 | 344,6 | 238,5 | 301,0 | 361,6 |
| 4 500 | 245,0 | 315,3 | 383,4 | 262,0 | 332,3 | 400,4 |
| 5 000 | 268,4 | 346,6 | 422,3 | 285,4 | 363,6 | 439,3 |
| 5 500 | 291,9 | 377,8 | 461,1 | 308,9 | 394,8 | 478,1 |
| 6 000 | 315,3 | 409,1 | 499,9 | 332,3 | 426,1 | 516,9 |
| 6 500 | 338,7 | 440,3 | 538,7 | 355,7 | 457,3 | 555,7 |
| 7 000 | 362,2 | 471,6 | 577,6 | 379,2 | 488,6 | 594,6 |
