Строительство фундамента на винтовых сваях «ГлавФундамент» в Смоленске

Протяженность России с севера на юг – 4 тысячи километров, с запада на восток – более 10 тысяч. Территория страны лежит сразу в четырех основных климатических поясах, включает самые разные природные зоны. Не все они подходят для строительства зданий/сооружений на традиционных основаниях. Решением может стать фундамент из винтовых свай, для которого (при условии соблюдения всех технологических требований), практически не существует ограничений. 

Содержание

1. Геологические условия строительства в Смоленске и Смоленской области

2. Технология винтовых свай.

3. Винтовые сваи: плюсы и минусы

4. Типы (виды) винтовых свай

   1. По виду лопастей

   2. По ширине и конфигурации лопасти

   3. По количеству лопастей

   4. По типу наконечника

   5. Дополнительно: толщина стенки ствола и лопасти, марка стали, покрытие

5. Принципы расчета и проектирования фундаментов из винтовых свай

   1. Данные о грунтовых условиях площадки строительства

   2. Сбор нагрузок от строения

   3. Расстановка винтовых свай в фундаменте

6. Строительство свайно-винтового фундамента своими руками

   1. Разметка участка и установка винтовых свай

   2. Бетонирование винтовых свай

   3. Обвязка винтового фундамента

      1. Высокий ростверк

      2. Низкий ростверк

   4. Подведение коммуникаций

   5. Устройство фундаментной отмостки

   6. Облицовка свайно-винтового фундамента

7. Цена винтовых свай

8. Цена фундамента из винтовых свай

1. Геологические условия строительства в Смоленске и Смоленской области

Смоленская область с административным центром в Смоленске – субъект Российской Федерации, входящий в состав Центрального федерального округа. Ее площадь составляет 49 779 км², протяженность с севера на юг – 250 км, с запада на восток – 280 км.

Область расположена в западной части Восточно-Европейской равнины, в основании которой лежит Русская платформа, состоящая из двух ярусов – нижнего (кристаллического) и верхнего (осадочный чехол).

Кристаллический фундамент сложен древними кристаллическими породами, среди которых розовый гранит, гнейсы, кварциты, габбро и диабазы.

Осадочный чехол образовался в периоды, когда территория области испытывала опускания и ее покрывали мелководные моря. Он состоит из отложений:

• верхнего протерозоя (пески, песчаники, рассолы);
• девонского периода (известняки, доломиты, мергели, гипсы, илы, песчаники)4
• каменноугольного периода (доломиты, известняки, пески, уголь);
• юрского и мелового периодов (мел, мергели, фосфориты, пески, глины, трепелы, опоки);
• палеогеновой и неогеновой систем (пески, глины);
• четвертичной системы (валунные суглинки, гравий, пески супеси, суглинки, глины).

Климат в Смоленской области умеренно континентальный. Значительная изменчивость циркуляции атмосферы в течение года приводит к возникновению заметных отклонений температуры и осадков от средних многолетних. Регион также относится к избыточно увлажняемым территориям, наибольшее количество осадков в Смоленской области выпадает летом.

Значения нормативной глубины промерзания грунтов в регионе составляют:

• для глин и суглинков – 1,08 м;
• для супесей, мелких и пылеватых песков – 1,32 м;
• для песков средней крупности, крупных и гравелистых – 1,41 м;
• для крупнообломочных грунтов – 1,6 м.

Большинство населенных пунктов Смоленской области находятся в зоне воздействия экзогенных геологических процессов, наиболее распространенными среди которых являются:

• заболачивание;
• эрозия, в том числе овражная;
• оползни;
• суффозия;
• карст и т.д.

Указанные факты требуют обязательного выполнения геологических изысканий на этапе подготовки к строительству, а также применения фундаментных конструкций, способных противостоять негативному воздействию окружающей среды и учитывать специфику грунтовых условий региона (подробнее «Экспресс-геология: геотехнические и геолого-литологические исследования и измерение коррозионной агрессивности грунтов»).

2. Технология винтовых свай

Свайное фундаментостроение известно с древних времен, но настоящую революцию в этой области совершил инженер-строитель Александр Митчелл (1780 – 1868). В 1833 году он изобрел и запатентовал «винтовую сваю» – устройство, с помощью которого планировал решить проблему строительства морских сооружений в слабых грунтах. Конструкция погружалась в грунт методом завинчивания, который ранее также не применялся в строительстве.

Изначально новые сваи применялись исключительно для постройки судовых причалов, но скоро сфера применения расширилась. В 1838 году с их помощью на нестабильном прибрежном грунте Темзы (Великобритания) был возведен маяк Мэплин Сэндс, а затем их стали повсеместно использовать для укрепления морских пирсов.

В Россию технология пришла в первой половине 20 века.

Одним из первых ученых, который рассмотрел технологию свайно-винтового фундамента через призму научного опыта, стал Виктор Николаевич Железков (1926 – 2010). Он доказал, что винтовые сваи не только являются полноценной альтернативой традиционным фундаментам, но и превосходят их в сложных геологических условиях.

Подробнее «Западный и отечественный опыт применения винтовых свай».

Что же такое винтовая свая? Это 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.

Западные источники указывают на то, что она состоит из следующих компонентов:

• ствол (направляющая (ведущая) часть с винтовыми несущими лопастями и удлинитель);
• винтовые несущие лопасти.

У направляющей части заостренный конец и одна или несколько винтовых несущих лопастей, она входит в землю первой. Удлинители погружают ведущую часть глубже в грунт, пока она не достигнет несущего слоя. Они могут иметь дополнительные несущие лопасти, но часто состоят только из ствола и муфт.

В России удлинитель рассматривают как дополнительный элемент, который используется в отдельных случаях (подробнее «Составные винтовые сваи»), а также выделяют дополнительный компонент – наконечник.

3. Винтовые сваи: достоинства и недостатки

Достоинства:

• в большинстве случаев не подвержены воздействию сил морозного пучения, в отличие от других типов оснований, особенно забивных свай (подробнее «Воздействие сил морозного пучения на разные типы винтовых свай»);
• характеризуются большим сроком службы (ГОСТ 27751-2014), подходят для болотистых участков, участков с высоким уровнем грунтовых вод, при условии назначения марки стали, толщины стенки и диаметра ствола на основании данных о коррозионной агрессивности грунтов, в соответствии с требованиями к жесткости и прочности, а также к сроку службы (подробнее «Как продлить срок службы свайно-винтового фундамента?»);
• сокращение сроков строительства на 15-30%;
• сокращение расходов на строительство не менее чем на 30% относительно бетонных конструкций (подробнее «7 мифов о бетонном фундаменте»);
• широкий спектр применения (любые грунты, кроме скального);
• отказ от земляных работ, в том числе по выравниванию участка (при перепаде высот используются сваи разных длин);
• отсутствие вибраций и шума при погружении позволяет выполнять строительно-монтажные работы (СМР) даже в стесненных условиях (близость к подземным коммуникациям, плотная городская застройка);
• готовы к восприятию проектной нагрузки сразу после погружения, фундамент не нуждается в отстаивании, наборе прочности;
• СМР выполняются в любое время года;
• при необходимости могут быть использованы повторно (важно при строительстве временных сооружений);
• ремонтопригодны;
• сваи малых диаметров можно устанавливать вручную, без привлечения дорогой техники;
• инженерные коммуникации могут быть подведены параллельно со строительством фундамента, но во время земляных работ должна соблюдаться дистанция до установленных свай.

Недостатки:

• возможно несоответствие срока службы требованиям ГОСТ 27751-2014, если при проектировании не учтены коррозионная агрессивность грунтов (КАГ), блуждающие токи;
• возможен «уход в срыв» однолопастных дезаксиальных конструкций с диаметром ствола до 159 мм при передаче проектных нагрузок, если при проектировании использовались расчетные формулы, заложенные в СП 24.13330.2011, которые не учитывают многие особенности совместной работы свай и грунтов, так как базируются на упрощенных моделях взаимодействия (модель Мариупольского для анкеров);
• необходимо бетонировать основание колонны или создавать жесткое сопряжение для однолопастных свай малых диаметров (57 – 76 мм), так как из-за недостаточности диаметра ствола не обеспечивается нужное сопротивление горизонтальным нагрузкам;
• возможно нарушение структуры грунта во время погружения, влекущее снижение несущей способности основания, если в расчетах учитывается только диаметр лопасти, но не учитывается ее конфигурация;
• возможно снижение несущей способности свай с двумя и более лопастями, даже относительно однолопастных дезаксиальных конструкций, если неверно рассчитано расположение второй и последующих лопастей;
• возможно неравномерное распределение запаса прочности по фундаментам объектов ИЖС, влекущее снижение уровня их надежности и сокращение срока службы, если при назначении свай не учитываются различные величины нагрузок, воздействующие на фундамент.

4. Типы (виды) винтовых свай

4.1. По виду 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.

4.2. По ширине и конфигурации лопасти

• узколопастные модификации, диаметр лопасти которых превосходит диаметр ствола менее чем в полтора раза. Применяются в особо прочных сезоннопромерзающих и многолетнемерзлых грунтах (подробнее «Сравнительный анализ винтовых свай с литым и сварным многовитковым наконечником» ).
• широколопастные модификации, диаметр лопасти которых в полтора и более раз превосходит диаметр ствола. Имея большую площадь опирания, они хорошо проявляют себя в дисперсных грунтах, в том числе характеризующихся сравнительно невысокой несущей способностью, заторфованных грунтах, илах и водонасыщенных песках.

По конфигурации лопасти широколопастные конструкции делятся на модификации для грунтов:

• текучих, текуче-пластичных и мягко-пластичных;
• туго-пластичных и полутвердых;
• твердых.

Сегодня, как правило, используют типовые винтовые сваи с круглыми лопастями, так как подобная унификация позволяет упростить процесс производства. В то же время она сужает область применения свайно-винтовых фундаментов, потому что в большинстве грунтовых условий такая конструкция не эффективна. Наиболее прогрессивным методом проектирования фундаментов из винтовых свай является подбор конструкции, в том числе лопасти, к конкретным грунтовым условиям площадки строительства. (подробнее «Ключевые принципы подбора параметров лопастей»).

4.3. По количеству лопастей

По количеству лопастей:

• Однолопастные.

При проектировании этих конструкций в большинстве случаев не учитывается трение по боковой поверхности. При установке разновидностей малых длин и диаметров необходимо бетонировать основание колонны.

• Многолопастные (с двумя и более лопастями).

Благодаря включению в работу ствола значительного объема околосвайного массива грунта, одинаково хорошо воспринимают все типы воздействия (вдавливание, выдергивание, горизонтальные и динамические нагрузки), демонстрируют хорошую несущую способность даже в слабых грунтах. Не «уходят в срыв» при передаче критической нагрузки.

Требуют обязательного выполнения расчетов расстояния между лопастями, шага и угла наклона лопастей (подробнее «Особенности расчета многолопастных свай»).

4.4. По типу наконечника

Наконечник винтовой сваи может быть сварен, а может быть отлит целиком, а затем наварен на трубу.

Подробнее «Литой или сварной наконечник?»

4.5. Дополнительно: толщина стенки ствола и лопасти, марка стали, покрытие

Толщина металлопроката

Толщина металлопроката назначается при проектировании на основании данных о коррозионной агрессивности грунта и о нагрузках от строения, а также в соответствии с ГОСТ 27751-2014 «Межгосударственный стандарт. Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения», который устанавливает требования к сроку службы всех конструкций и элементов сооружения. В то же время, так как ГОСТ 27751-2014 лишь регламентирует минимальную границу, требования к сроку службы могут дополнительно корректироваться для каждого конкретного объекта.

Подробнее «Расчет толщины стенки ствола».

Марка стали.

При выборе марки стали нужно учитывать агрессивность среды, характер нагрузок и условия эксплуатации.

Покрытие.

Покрытие относят к дополнительным мерам защиты от коррозии, так как во время установки в грунт сваи испытывают значительное абразивное воздействие.

Подробнее «Сравнительный анализ разных типов антикоррозийного покрытия».

Эффективные методы защиты от коррозии:

• увеличение толщины металла;
• использование цинковых колец (анодов);
• использование качественной легированной стали и т.д.

Подробнее «Коррозия: причины и способы защиты».

Больше информации о конструктивных, геометрических параметрах разных типов винтовых свай в разделе «Виды винтовых свай».

5. Принципы расчета и проектирования фундаментов из винтовых свай

5.1. Данные о грунтовых условиях площадки строительства

Задача фундамента – передавать нагрузки от здания на основание грунтов под ним. Таким образом, все ключевые параметры фундаментной конструкции должны проектироваться в первую очередь на основании информации о типах и свойствах грунтов в пятне застройки.

• при выборе длины учитываются глубина залегания грунтов с достаточной несущей способностью и расчетная глубина промерзания грунта в регионе (подробнее «Как подобрать длину свай для фундамента?»);
• при расчете расстояния между лопастями, шага, угла наклона лопастей (для модификаций с двумя и более лопастями) учитываются тип и свойства грунта площадки строительства. Это необходимо для того, чтобы обеспечить включение в работу конструкции максимального объема грунта ненарушенной структуры;
• при назначении диаметра и количества лопастей учитывается несущая способность грунтов. А чтобы структура грунта при погружении нарушилась минимально и способность конструкции к восприятию проектных нагрузок не снизилась, под конкретные грунтовые условия подбирается конфигурация лопасти;
• чтобы срок службы здания/сооружения соответствовал требованиям ГОСТ 27751-2014 «Межгосударственный стандарт. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения», марка стали и толщина стенки ствола и лопасти должны соответствовать степени коррозионной агрессивности грунтов.

Еще одна причина, по которой строить, не зная ничего о грунтах, не только опрометчиво, но и опасно – возможное наличие опасных геологических объектов/процессов (суффозия, карст, плывуны), а также различия в условиях залегания грунтов даже в пределах небольшого участка.

Кажется, что такой объем данных дадут только полноценные геологические изыскания, но это не так. Процедуры, разработанные и введенные в качестве обязательных компанией «ГлавФундамент», – геолого-литологические и геотехнические исследования, а также измерения коррозионной агрессивности грунтов (КАГ) – позволят получить всю необходимую информацию. Так как исследования адаптированы под ИЖС их цена невысока (подробнее «Экспресс-геология: геотехнические и геолого-литологические исследования и измерение коррозионной агрессивности грунтов»).

5.2. Сбор нагрузок от строения

При проектировании фундамента из винтовых свай, выполняя сбор нагрузок от строения нужно учитывать не только постоянные (вес частей сооружения), но и временные воздействия (ветровые, снеговые, от людей, мебели).

Схема для выполнения расчетов нагрузок от здания/сооружения с примерами – «Расчет свайного фундамента».

5.3. Расстановка свай в фундаменте

Разные части сооружения передают на фундамент нагрузки разной величины.

Способность свай к восприятию проектных нагрузок зависит от грунтовых условий площадки строительства, а также от количества, диаметра и конфигурации лопастей. Толщина же стенки ствола и его диаметр обеспечивают жесткость и прочность, при этом определяющей является именно толщина стенки ствола.

При определении частоты расстановки следует исходить из двух параметров:

• места пересечения стен и поворотов фундамента;
• гибкость ростверка.

Такой подход позволит равномерно распределить запас прочности по всему фундаменту, увеличивая его надежность и долговечность.

6. Строительство свайно-винтового фундамента

6.1. Разметка участка и установка винтовых свай

Прежде всего, необходимо привязать свайное поле к местности. Для этого определяются места, в которых впоследствии будут установлены две угловые сваи, расположенные на одной оси фундамента. Их привязывают к границам земельного участка по трем точкам.

В точке установки выкапывается приямок по диаметру лопасти, как правило, на глубину 300-400 миллиметров, а зимой – на глубину промерзания грунта. Свая ставится строго вертикально в приямок. Выкопанный грунт из приямка засыпается обратно и утрамбовывается.

В технологическое отверстие вставляется палец. На него с двух сторон надеваются рычаги.

Во время завинчивания важно обеспечить строгую вертикальную установку. Добиться этого можно путем выравнивания сваи до вертикального положения по двум магнитным уровням, прикрепленным к стволу.

После установки двух «базовых» свай с помощью двух рулеток вымеряется местоположение третьей (угловой): для этого одна рулетка растягивается от первой на длину стороны фундамента, вторая – от второй на длину диагонали фундамента. В месте их пересечения завинчивается третья свая. Затем по аналогии – четвертая.

По периметру свайного поля натягивается шпагат (нельзя допускать ни малейшего провисания). С помощью маркера и рулеток на шпагате отмечаются точки установки. По этим точкам закручиваются сваи по периметру. Затем натягивается шпагат внутри свайного поля и закручиваются оставшиеся сваи. Они завинчиваются на глубину, предусмотренную проектной документацией.

В соответствии с СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» если к строительству запланирован фундамент из винтовых свай, данные инженерно-геологических изысканий всегда требуется подтверждать контрольными полевыми испытаниями грунтов натурными сваями. В то же время из-за высокой стоимости данной процедуры, она, даже являясь обязательной, никогда не используется при возведении объектов малоэтажного строительства.

В связи с этим компания «ГлавФундамент» на протяжении нескольких лет проводила исследования, направленные на разработку методики, которая бы упростила задачу по подтверждению несущей способности винтовых свай. В результате путем обобщения большого объема данных была разработана методика производственного контрол несущей способности винтовых свай по величине крутящего момента (ВКМ), а также разработан и запатентован прибор для измерения ВКМ.

Когда все сваи установлены, с помощью водного или лазерного уровня, либо нивелира выставляются отметки, по которым свайное поле выравнивается в горизонтальной плоскости. Происходит это путем срезки участков с технологическими отверстиями.

Подробнее «Установка винтовых свай».

6.2. Бетонирование винтовых свай

Когда свайное поле выровняли в горизонтальной плоскости, стволы заполняются бетонным/песчано-цементным раствором или сухой песчано-цементной смесью. После заполнения канала ствола при помощи металлического стержня (это может быть кусок арматуры) производится уплотнение раствора/смеси.

В необходимости проведения этой процедуры часто сомневаются, так как существует мнение, что заполнение ствола бетоном ведет к развитию коррозионных процессов.

Это неверно. Схожесть коэффициентов линейного теплового расширения стали и бетона исключает возникновение конфликта материалов, а в полостях в бетоне, даже если они не будут устранены полностью, из-за ограничения доступа кислорода, не будет образовываться конденсат.

Подробнее «Обоснование необходимости бетонирования ствола винтовой сваи».

На сваи устанавливаются оголовки для крепления нижней обвязки дома, которые выравниваются по натянутому шпагату и привариваются по уровню.

6.3. Обвязка винтового фундамента

Для распределения нагрузок от строения по фундаменту из винтовых свай используется ростверк. Он бывает высоким и низким.

6.3.1. Высокий ростверк

Высокий ростверк – это распределительная балка, объединяющая головы свай и перераспределяющая на них нагрузку от вышерасположенных конструкций, тогда как ее подошва располагается выше поверхности грунта. Главная закономерность при его устройстве – чем больше пролет между сваями, тем большее сечение балки нужно использовать.

Обвязочный брус. Самый распространенный тип, применяемый при строительстве деревянных, каркасных строений. Сечение бруса используется: 150х150 мм при максимальном шаге между сваями 2500-2700 мм, 200х200 мм – при шаге 3000 мм. Крепится к оголовку шпилькой.

Бревно. Первый венец бревенчатого строения можно укладывать прямо на оголовок. Главное достоинство бревна – сохранение целостности древесины, что повышает устойчивость материала на прогиб.

Швеллер. В зависимости от конструктива может укладываться плашмя или на ребро. Вариант ребром лучше работает на прогиб, но возникает момент кручения, поэтому рекомендуется спаренный швеллер.

Швеллер, уложенный плашмя (полками вниз), с шагом сваи более 2000 мм, уже дает прогиб под собственным весом (согласно расчетам), поэтому по этой технологии целесообразно проектировать расстояние между сваями не более 2000 мм.

Двутавровая балка. Этот вид ростверка целесообразно применять при реконструкции фундамента.

6.3.2. Низкий ростверк

Низкий ростверк (фундамент мелкого заложения или ж/б лента – это распределительная балка, объединяющая головы свай и перераспределяющая на них нагрузку от вышерасположенных конструкций, а ее подошва располагается на поверхности грунта либо ниже. В отличие от подвесного он распределяет нагрузку не только по оголовкам, но и на грунт (основание) под ним.

Подробнее «Устройство ростверка».

6.4. Подведение коммуникаций

Хотя подход к устройству систем водоснабжения и водоотведения един для всех существующих типов фундаментов, при прокладке коммуникаций в доме на сваях действительно необходимо соблюдать определенные требования. Это не только обеспечит эффективное функционирование систем водоснабжения, но и сохранит эксплуатационные характеристики самой фундаментной конструкции.

В то же время устройство канализации под фундаментом из винтовых свай имеет несомненное преимущество. Дело в том, что в случае с бетонным ленточным основанием труба, жестко зафиксированная в специальном отверстии, перемещается со зданием вниз, что приводит к уменьшению уклона, а иногда и к контруклонам. Также нарушается герметичность в стыках из-за общего изгиба канализационных труб. Для свай такая вероятность полностью исключена, так как трубы проходят между ними и не связаны с ростверком.

Подробнее «Канализация под фундаментом из винтовых свай»

6.5. Устройство фундаментной отмостки

Отмостка – это водонепроницаемое покрытие вокруг здания, которое защищает фундамент от разрушения поверхностными водами.

Устройство отмостки планируется на этапе проектирования основания.

Подробнее «Устройство отмостки».

6.6. Облицовка свайно-винтового фундамента

Существует мнение, что отделка и утепление цоколя имеют принципиальное значение для свайно-винтового фундамента, тогда как при строительстве бетонного ими можно пренебречь.

Однако, реальность такова, что для сохранения фундаментной конструкции на годы без потери эксплуатационных свойств, необходимо проводить дополнительные мероприятия по ограждению ее от внешнего негативного воздействия, будь то бетон или сваи.

Подробнее «Отделка и утепление цоколя».

7. Цена винтовых свай

В таблице ниже приведены диапазоны цен для самых востребованных в индивидуальном жилищном строительстве конструкций винтовых свай:

• Однолопастные
• Двухлопастные

*Диапазон цен обусловлен различиями в конструктивных параметрах свай (толщина металла, тип и марка стали, конфигурация лопасти и т.д.), которые назначаются на основании данных о грунтах (тип и коррозионная активность).

Так как все геометрические, конструктивные параметры назначаются индивидуально, узнать точную цену и купить винтовые сваи Вы сможете только после того, как предоставите данные об объекте (конструктив стен, этажность и т.п.) и данные о грунтовых условиях участка строительства.

8. Цена фундамента из винтовых свай

В таблице ниже приведены диапазоны цен винтовых фундаментов в городе Смоленск для объектов ИЖС (наиболее распространенные типы и размеры построек):

*Разница в цене обусловлена использованием разных толщин металлопроката и марок стали, соответствующих разным величинам коррозионной агрессивности грунтов.