Какие грунты ускоряют коррозию винтовых свай: как оценить риск до строительства
Рассказываем, как до начала строительных работ правильно оценить коррозионную агрессивность грунтов на участке.
В компании работает с 2022 года. Принимает участие в решении задач в рамках следующих направлений деятельности ГК «ГлавФундамент»:
- полевые испытания грунтов;
- геофизические исследования;
- обследования зданий и сооружений.
- Почему грунт вызывает коррозию стали?
- Какие свойства грунта повышают коррозионную агрессивность
- Какие грунтовые условия требуют особого внимания
- Как определить коррозионную агрессивность грунта на участке
- Как результаты исследований влияют на конструкцию винтовых свай
- Как защищают винтовые сваи от коррозии: наиболее эффективные методы
- Чек-лист перед заказом свайного фундамента
- Основные выводы
До начала проектирования важно изучить грунтовые условия и решить
две
связанные задачи:
- определить несущую способность основания;
- оценить коррозионную агрессивность грунта.
Коррозионная агрессивность грунта зависит не столько от его типа, сколько от совокупности свойств. Согласно британскому стандарту BS 8004 «Фундаменты» на скорость почвенной коррозии влияют следующие характеристики грунта:
- влажность;
- пористость (воздухопроницаемость);
- кислотность (рН);
- электропроводность (удельное электрическое сопротивление);
- минералогический состав;
- степень неоднородности.
Наличие заторфованных, заболоченных, солесодержащих, кислых или насыпных грунтов – еще не повод отказываться от строительства фундамента из винтовых свай. Даже на небольшом участке могут залегать грунты с разной коррозионной агрессивностью.
Принять окончательное решение помогут исследования грунтовых условий, которые обеспечат достоверные данные о конкретной площадке строительства и позволят рассчитать срок фундамента в грунте, а в случае с винтовыми сваями – подобрать марку стали, толщину стенки ствола и лопасти, дополнительную защиту.
Кроме того, поскольку основная задача винтовой сваи – передавать нагрузки от здания на основание, очень важно после выполнения расчета срока службы проверить остаточную толщину стенки на соответствие проектным нагрузкам. Это позволит понять, при какой минимальной толщине стенки свая сохранит несущую способность.
Почему грунт вызывает коррозию стали?
Большинство естественных коррозионных процессов относится к электрохимическим.
Для электрохимической коррозии металла в грунте необходимы:
- электролит – влага в грунте (конденсат, грунтовые воды);
- окислитель – растворенный в воде кислород;
- электрический ток – блуждающие токи, возникающие из-за утечек с разных источников – ж/д путей, поврежденных кабелей и др.).
Удельное сопротивление сваи ниже, чем грунта, потому ток переходит в нее, образуя катодную зону, и покидает ее, уходя обратно в землю, создавая уже анодную зону. При постоянном воздействии ее металлическая структура начинает разрушаться.
Негативное воздействие среды различается для отдельных частей винтовой сваи, установленной в грунт.
| Участок сваи | Расположение относительно поверхности земли | Вид коррозии |
Степень повреждения покрытия |
Последствия воздействия |
|---|---|---|---|---|
| Верхний | Над землей | Электрохимическая (атмосферная) | Минимальная, легко восстановить | Минимальные |
| Средний | На глубине до одного метра от поверхности земли (контактная область «атмосфера – грунт») | Электрохимическая (почвенная) | Средняя, не подлежит восстановлению | Зона максимального риска: структура грунта нарушается при погружении сваи, высока вероятность наличия влаги, доступ кислорода не ограничен |
| Нижний | Ниже одного метра от поверхности земли | Электрохимическая (почвенная) | Максимальная из-за абразивного (на истирание) воздействия грунтов при завинчивании свай, не подлежит восстановлению |
Из-за ограниченного доступа кислорода и влаги, а также высокой плотности грунт на
этом участке более инертен к металлу, чем в средней части |
Какие свойства грунта повышают коррозионную агрессивность
| Фактор | Почему он важен | Что нужно выяснить |
|---|---|---|
| Влажность |
Вода в грунте выступает в роли электролита в электрохимических реакциях |
Степень водонасыщения, уровень появления и установления грунтовых вод |
| Пористость, проницаемость |
Обеспечивает постоянный доступ кислорода, который выступает в роли окислителя в электрохимических реакциях |
Определить физико-механические свойства грунтов |
| Химический состав, в т.ч. водородный показатель pH |
Вода с растворенными ионами солей или кислот обладает большей электропроводностью, из-за чего скорость коррозионных процессов увеличивается. Наличие грунтов с водородным показателем pH ниже 3 (сильнокислотные) и выше 11 (щелочные) накладывает серьезные ограничения на использование металлических покрытий, например, горячего цинкования |
Определить химических свойств грунта |
| Неоднородность грунта |
В пределах одной площадки могут залегать грунты с разной степенью коррозионной агрессивности |
Построить геолого-литологический разрез |
Какие грунтовые условия требуют особого внимания
Торфяные, заболоченные и водонасыщенные участки
Водонасыщенные территории (заторфованные, заболоченные) требуют детального изучения по двум причинам:
- водонасыщенные грунты, как правило, обладают низкой несущей способностью, поэтому не могут служить основанием для фундамента. Более того, они подвержены морозному пучению, что вызывает выпучивание и деформации фундамента;
- постоянное присутствие влаги, деятельность микроорганизмов значительно ускоряют коррозию.
Но одного наличия торфа или заболоченных участков еще недостаточно, чтобы полностью отказаться от использования конкретного типа фундамента. Необходимо собрать информацию о:
- напластовании грунтов в основании;
- глубине залегания грунтовых вод;
- физико-механических свойствах значимых слоев;
- коррозионной агрессивности в пятне застройки.
Часто, несмотря на риски, связанные с коррозией, именно винтовые сваи оказываются наиболее надежным и экономичным решением для слабых водонасыщенных грунтов.
Устройство ленточного фундамента потребовало бы удаления торфяного слоя (мощностью до нескольких метров) для разработки котлована или траншеи, что дорого и неэффективно. Для установки свай из труб или бетона нужна тяжелая техника, вес которой слабые грунты не выдержат.
Винтовые сваи монтируют с помощью ямобура с телескопической стрелой, размещенного на значительном удалении от места погружения. Рассчитанная длина свай обеспечит прорезание слабых слоев и закрепление в грунте с достаточной несущей способностью.
Зоны постоянного и сезонного увлажнения
В случае с винтовыми сваями зона наибольшего риска – это контактная область «атмосфера – грунт». При монтаже структура грунта здесь часто нарушается, увеличивая воздухопроницаемость. Даже при глубоком залегании грунтовых вод нельзя исключать влияние верховодки и риски, связанные с поднятием уровня подземных грунтовых вод в водообильные сезоны (период таяния снегов или затяжных дождей). Эти факторы способствуют возникновению и ускоренному развитию коррозионных процессов.
Солесодержащие, кислые и щелочные среды
Вода как электролит необходима для электрохимической реакции, но растворенные в ней ионы солей или кислот многократно повышают электропроводность, резко ускоряя коррозию. Значение pH также накладывает ограничения на применение металлических покрытий, особенно цинковых.
Насыпные и техногенные грунты
Бывшие промышленные площадки с насыпными грунтами, содержащими мусор, шлак или строительные отходы, требуют особого внимания. Они неоднородны как по глубине, так и в плане. Твердые включения не только повреждают покрытие свай при завинчивании, но и могут стать серьезным препятствием для погружения на проектную глубину.
Для таких участков особенно важно позаботиться о реальной защите от коррозии, не ограничиваясь заводскими красками.
Как определить коррозионную агрессивность грунта на участке
Полевые геологические исследования
- наиболее эффективно оценить грунт в состоянии его естественного залегания;
- определить физико-механические характеристики грунтов, необходимые для проектирования фундамента любого типа;
- выявить слабые прослойки или резкие изменения границ несущего слоя, специфические грунты;
- определить уровень появления и установления грунтовых вод.
Оценка геолого-литологического строения площадки
- идентификация литологических типов грунтов (глина, песок, гравий и др.);
- определение характера напластования грунтов (литологический разрез);
- определение уровня подземных вод в пределах исследуемой толщи грунтов;
- выявление специфических грунтов (просадочных, набухающих, пучинистых, слабых).
Литологический разрез показывает последовательность залегания грунтов по глубине и характер смены слоев. Это важно для проектирования, так как несущая способность основания и условия работы лопасти зависят от всей толщи грунтов в зоне установки.
Измерение коррозионной агрессивности грунтов – отдельное исследование. Важно понимать, что степень коррозионной агрессивности должна определяться не только по отношению к стали, но и по отношению к любым материалам, из которых выполняется фундамент.
Одновременно с ГОСТ 9.602 «Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии», который регламентирует оценку коррозионной агрессивности грунтов по отношению к стали, действует ГОСТ 31384 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования», регламентирующий оценку коррозионной агрессивности грунта по отношению к бетону.
| Степень агрессивности грунта | Вид материала | Скорость разрушения |
|---|---|---|
| Слабая | Бетон |
Разрушение бетона на глубину не более 10 мм за 50 лет эксплуатации. |
| Сталь | Разрушение <0,01 мм стали за 1 год эксплуатации. | |
| Средняя | Бетон |
Разрушение бетона на глубину не более 20 мм за 50 лет эксплуатации. |
| Сталь | Разрушение 0,01-0,05 мм стали за 1 год эксплуатации. | |
| Сильная | Бетон |
Разрушение бетона на глубину 20 мм и более за 50 лет эксплуатации. |
| Сталь | Разрушение 0,05-0,1 мм стали за 1 год эксплуатации. | |
| Очень сильная | Бетон | |
| Сталь | Разрушение >0,1 мм стали за 1 год эксплуатации. |
Почему пробное завинчивание не заменяет исследования
Тот факт, что свая «тяжело идет» на определенной глубине, не дает информации ни о несущей способности основания, ни о коррозионной агрессивности. Плотная «линза» может создать иллюзию надежной опоры, скрывая слабые или агрессивные грунты.
| Плюсы | Минусы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Плюсы | Минусы |
|
|
|
|
|
| Плюсы | Минусы |
|
|
|
|
|
|
|
Как результаты исследований влияют на конструкцию винтовых свай
Все параметры винтовых свай (геометрические и конструктивные) назначаются индивидуально на стадии проектирования на основе комплекса данных, прежде всего — грунтовых условий.
| Параметр | Основания для назначения |
|---|---|
| Марка стали |
Требования к жесткости и прочности; грунтовые условия (в том числе данные о
коррозионной агрессивности грунтов (КАГ); условия эксплуатации.
|
| Толщина стенки ствола сваи, мм |
Данные о КАГ; требования к жесткости, прочности.
|
| Диаметр ствола сваи, мм |
Данные о КАГ; требования к жесткости, прочности, устойчивости.
|
| Длина сваи, мм |
Показатели расчетной глубины промерзания; несущая способность основания.
|
| Диаметр лопасти, мм, количество лопастей |
Данные о нагрузках от строения (в соответствии с требованиями к устойчивости);
несущая способность основания.
|
| Конфигурация лопасти |
Данные о физико-механических свойствах грунтов: пористость, степень насыщения
водой, консистенция, гранулометрический состав и др.
|
Как защищают винтовые сваи от коррозии: наиболее эффективные методы
Оптимальная геометрия свай: толщина стенки ствола и лопасти
Толщина металла – важнейший показатель, влияющий на долговечность, прочность и надежность винтовой сваи.
Однако использование только толстостенных свай не всегда верно: конструктивные и геометрические параметры фундамента и его элементов всегда должны рассчитываться на основе объективной информации.
Расчет толщины стенки ствола и лопасти обязательно должен учитывать данные о коррозионной агрессивности грунтов в пятне застройки. Более того, расчет срока службы металлоконструкций в грунте всегда должен подтверждаться проверкой остаточной толщины стенки ствола на соответствие проектным нагрузкам.
Покрытие, даже сохранив свою целостность, прослужит не более 10-15 лет.
Использование легированной стали
После установки стволы свай заполняют раствором (бетонным, песчано-цементным) или сухой ПЦС с уплотнением для удаления пустот. Это снижает риск коррозии внутренней поверхности ствола сваи. Кроме того, при точечном разрушении металла заполнитель будет осуществлять поддерживающую функцию.
Дополнительно снизить негативное влияние среды помогает обшивка цоколя и устройство дренажной системы.
Чек-лист перед заказом свайного фундамента
- Вы провели исследования и обладаете точной информацией о грунтовых условиях в пятне застройки.
- Вы знаете степень коррозионной агрессивности грунтов по отношению к углеродистой стали.
- У вас есть проект сооружения, содержащий информацию о нагрузках от здания, необходимой глубине погружения винтовых свай, об их длине, диаметре, параметрах лопастей (в т.ч. конфигурации), мерке стали.
- Толщина стенки ствола и лопасти винтовых свай, а также марка стали назначены на основании расчета срока службы и подтверждены проверкой остаточной толщины стенки ствола на соответствие проектным нагрузкам.
- В проектной документации содержится информация о методах контроля несущей способности винтовых свай.
- Вам предоставили технологическую карту строительства фундамента, которая позволит контролировать последовательность и качество работ, возможные отклонения и т.п.
Основные выводы
Грунты ускоряют коррозию винтовых свай тогда, когда совокупность их свойств (физических, химических и др.) создает агрессивную по отношению к стали среду. Наличие воды и кислорода в грунте, присутствие солей и кислот, неоднородность грунтов – важные факторы, которые должны быть учтены на этапе подготовки проектной документации.
Визуальный осмотр грунтов не дает объективной информации. Только профессиональные исследования позволяют получить точные данные для расчетов, выбрать оптимальный тип и глубину заложения фундамента, а также обеспечить безопасную эксплуатацию всего сооружения в течение требуемого срока службы.
