Лопастные сваи для фундамента

Обновлено: 15.05.2024

За последние несколько лет я все чаще стал встречать в проектах винтовые сваи, отличающиеся тем, что на них вместо стандартной одной лопасти применяются 2 лопасти, а то и сразу три. Начав изучать данный вопрос, на сайтах практически всех производителей написаны следующие формулировки:

" при достижении критической нагрузки они не уходят «в срыв», а продолжают набирать несущую способность "

Последняя фраза меня конечно особенно порадовала, очень хочу посмотреть как это происходит (критическая нагрузка, это нагрузка когда происходит срыв сваи, то есть смещение сваи больше установленной ГОСТом нормы).

Кое какие утверждения можно принять с рядом оговорок, но есть ряд но:

Во первых для таких свай до сих пор нет единой утвержденной методики расчета несущей способности, например одна компания утверждает, что для расчета несущей способности такой сваи необходимо каждую лопасть считать как отдельную сваю без применения каких либо поправочных коэффициентов, при этом основоположник использования винтовых свай в нашей стране - В.Н. Железков в своей книге писал, что такое решение дает прирост в несущей всего 25-30%. Для того, чтобы получить те же 25-30% прироста несущей способности однолопастной сваи, достаточно просто увеличить площадь лопасти на эти 25-30%. Лично я пока ни одну ни вторую точку зрения не могу ни подтвердить ни опровергнуть, так как в рамках статических испытаний несущей способности мне пока не попалось ни одной такой сваи.

Вторым пунктом для критики таких свай будет сама конструкция сваи. При изготовлении двух или трехлопастной сваи необходимо строго соблюдать два параметра: во первых строго соблюдать шаг витка, ведь если шаг первой и второй лопасти не совпадают, то одна из лопастей вместо закручивания будет разбуривать грунт и мешать погружению сваи.

Во вторых необходимо соблюдать взаимное положение лопастей, вторая и последующая лопасти должны идти строго по следу первой лопасти. Это опять же необходимо для того, чтобы вторая и последующие лопасти не разрыхляли грунт. А еще вторая и последующие лопасти должны иметь ту же толщину, что и первая (как и диаметр не меньше первой), для того чтобы последующие лопасти не находились в слое разрыхленного грунта.

Есть еще и третья проблема с такими сваями, но она больше актуальна в промышленном строительстве: многолопастные сваи очень проблематично компактно сложить при транспортировке. Из 20 допустимых тонн, которые входят в стандартную машину, многолопастные сваи в лучшем случае лягут грузом в 12-14 тонн, а от сюда повышенная стоимость доставки (как в прочем и стоимость изготовления, так как сварных швов на такой свае минимум в 2 раза больше)

Что же касается боковых нагрузок, то действительно такие сваи могут нести бОльшую нагрузку, чем классическая винтовая свая, но опять же есть одно но: для этого вторая или третья лопасть должна располагаться почти на поверхности(метр, максимум полтора глубины), в противном случае дополнительные лопасти ни какого влияния на несущую способность боковых нагрузок не окажут. Но тут уже включаются в работу другие силы, называемые морозным пучением. Лопасть, рассположенная в зоне промерзания грунта увеличит эту силу многократно.

Если верить В.Н. Железкову, то оптимальное расстояние между лопастями должно быть равно полутора диаметрам лопасти.

И не смотря на все перечисленные минусы таких свай, они имеют свою вполне конкретную сферу применения (правда не в частном секторе). Такие сваи применяются тогда, когда стандартной однолопастной сваи с разумными размерами (лопасть не больше 850 мм, длинна не больше 14 метров) банально не хватает.

Например совсем недавно попался мне проект, где все сваи были трехлопастными с диаметрами лопастей 500 и 800 мм. При пересчете на однолопастную сваю 3 лопасти на 500 мм были успешно пересчитаны на 1 лопасть на той же глубине с диаметром 670 мм, а вот 3 лопасти диаметром 800 мм можно было заменить только сваей длинной на 2 метра длиннее и диаметром лопасти 1 метр. На текущий момент машин, способных загнать метровую лопасть на 15 метров нет, поэтому эти сваи в итоге я исключил из перечня предлагаемых изменений.

1. Конструктивные особенности и область применения многовитковых и лопастных модификаций

Многовитковые сваи относятся к узколопастным модификациям, диаметр лопасти которых превосходит диаметр ствола менее чем в полтора раза. Такая конструкция позволяет применять их в особо прочных сезоннопромерзающих и многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах, так как небольшая ширина лопасти сводит к минимуму риск ее деформации при погружении. Подробнее о целесообразности и особенностях применения конструкций с литым и сварным многовитковым наконечником Вы можете прочитать в статье «Сравнительный анализ винтовых свай с литым и сварным многовитковым наконечником».

Конструктивные параметры этой разновидности (узкая лопасть) не обеспечивают несущую способность, а восприятие проектных нагрузок достигается благодаря:

высокой несущей способности самих грунтов;
расчету количества витков, шага и ширины лопасти, которые назначаются исходя из грунтовых условий площадки строительства и позволяют в полном объеме учитывать трение по боковой поверхности ствола при выполнении расчетов на вдавливающие, выдергивающие, горизонтальные и динамические нагрузки.

У лопастных (широколопастных) свай диаметр лопасти, напротив, в полтора раза и более превосходит диаметр ствола. Они хорошо воспринимают проектные нагрузки даже при установке в грунты, характеризующиеся низкой несущей способностью, что возможно благодаря:

достаточной площади опирания;
подбору конфигурации лопастей, соответствующей грунтовым условиям (подробнее «Ключевые принципы подбора параметров лопастей»);
назначению расстояния между лопастями, шага, угла наклона лопастей (подробнее «Особенности расчета многолопастных винтовых свай»), в случае с модификациями с двумя и более лопастями.

2. Применение многовитковых и лопастных свай в пучинистых грунтах

Особняком стоит вопрос эксплуатации указанных конструкций в пучинистых грунтах.

Испытания на стойкость к действию силы пучения грунтов, проведенные компанией «ГлавФундамент» показали, что лопастная винтовая свая в пучинистом грунте, в отличие от многовитковой, является более устойчивой.

3. Установка многовитковых и лопастных конструкций

Многовитковая свая из-за конструктивных особенностей (узкой лопасти) лучше центруется при погружении. Это повышает точность установки.

В случае с широколопастной модификацией добиться подобной точности установки также возможно, но для этого необходимо обладать большим опытом монтажа.

4. Выводы

Таким образом, сложно говорить о том, что какая-то из конструкций превосходит другую, а ее применение – более предпочтительно. Многовитковые и лопастные сваи отличаются областью применения и решают разные задачи. К примеру, многовитковая свая отлично подходит для фундамента ограждения в песчаных, крупнообломочных или особо плотных грунтах. В остальных случаях рациональнее будет использовать широколопастные конструкции.

Время чтения: 8 минут Интересно, но нет времени читать?

Как выбрать винтовые сваи для фундамента? Достаточно ли обладать общей информацией о нагрузках от будущего строения и о грунтовых условиях на участке строительства? Какие параметры свай должны назначаться индивидуально?

Содержание статьи:

Назначение практически всех параметров винтовых свай (геометрических, конструктивных) осуществляется индивидуально на стадии разработки проекта на основании целого комплекса данных, прежде всего данных о грунтах.

Основание для назначения

На основании требований к жесткости и прочности, а также исходя из грунтовых условий, в том числе данных о коррозионной агрессивности грунтов, и условий эксплуатации (подробнее «На что влияет марка стали?»).

Толщина стенки ствола сваи, мм

На основании данных о коррозионной агрессивности грунтов и в соответствии с требованиями к жесткости и прочности (подробнее «Расчет толщины стенки ствола»).

Диаметр ствола сваи, мм

На основании данных о коррозионной агрессивности грунтов и в соответствии с требованиями к жесткости, прочности и устойчивости (подробнее «Коррозия: причины и способы защиты»).

Исходя из показателей расчетной глубины промерзания и несущей способности грунтов (подробнее «Как подобрать длину свай для фундамента?»).

Диаметр лопасти, мм, количество лопастей

На основании данных о нагрузках от строения (в соответствии с требованиями к устойчивости) и о несущей способности грунтов (подробнее «Особенности расчета многолопастных винтовых свай»).

На основании данных о физико-механических свойствах грунтов: пористость, степень насыщения водой, консистенция, гранулометрический состав и т.д. (подробнее «Ключевые принципы подбора параметров лопастей»).

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 не высока (подробнее «Геотехнические и геолого-литологические исследования и измерения коррозионной агрессивности грунтов»).

1. Широколопастные и узколопастные

По ширине лопасти сваи делятся на две группы. К первой относятся узколопастные модификации, диаметр лопасти которых превосходит диаметр ствола менее чем в полтора раза. Они применяются в особо прочных сезоннопромерзающих и многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах.

Небольшая ширина лопасти сводит к минимуму риск ее деформации во время погружения в грунт. Хорошая же способность к восприятию проектных нагрузок обеспечивается:

высокой несущей способностью самих грунтов;
расчетом таких параметров, как количество витков, шаг и ширина лопасти, которые назначаются исходя из грунтовых условий площадки строительства и позволяют в полном объеме учитывать трение по боковой поверхности ствола (подробнее в статье «Сравнительный анализ винтовых свай с литым и сварным многовитковым наконечником»).

Ко второй группе относятся широколопастные сваи, 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.

1.1. Классификация по конфигурации лопасти

Наряду с диаметром, обеспечивающим площадь опирания, для широколопастных свай необходимо подбирать и конфигурацию лопасти, которая делает возможной установку с минимальным нарушением структуры грунта (подробнее в материале «Ключевые принципы подбора параметров лопастей»). В зависимости от конфигурации лопасти сваи делятся на модификации для грунтов:

текучих, текучепластичных и мягкопластичных;
тугопластичных и полутвердых;
твердых.

Конфигурация лопасти подбирается на основании данных о физико-механических характеристиках грунтов, для получения которых достаточно провести простую процедуру – геотехнические и геолого-литологические исследования (подробнее читайте здесь «Геотехнические и геолого-литологические исследования и измерения коррозионной агрессивности грунтов»).

1.2. Классификация 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.

2. С литым и сварным наконечником

Наконечники свай свариваются (сварные) или отливаются целиком и навариваются на трубу (литые).

Контакт двух разнородных металлов (металла трубы и металла отливки), характерный для свай с литыми наконечниками, ведет к образованию гальванической пары, что повышает вероятность развития коррозии. Кроме того, сварка разнородных металлов – это технологически более сложный процесс, поэтому стоит обратить особое внимание и на качество сварного шва.

Также запас прочности литого наконечника несопоставимо выше запаса прочности трубы, конечно (а срок службы конструкции будет определяться по минимальному показателю), если не выбран ствол, соответствующий ему по толщине (встречается крайне редко, так как цена сваи в этом случае значительно увеличивается).

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.

3. Однолопастные и многолопастные

В большинстве случаев при проектировании однолопастных свай не рекомендуется учитывать трение по боковой поверхности, так как в их работу не включается околосвайный массив грунта. Кроме того, при установке конструкций малых длин и диаметров, крайне неустойчивых к воздействию горизонтальных нагрузок, рекомендуется для обеспечения устойчивости применять элемент сопротивления боковым нагрузкам (ЭСБН) или выполнять обязательное бетонирование основания колонны.

У многолопастных свай две и более лопасти. Благодаря включению в работу околосвайного массива грунта, они одинаково хорошо воспринимают вдавливающие и выдергивающие нагрузки, демонстрируют хорошую несущую способность даже в слабых грунтах (заторфованные грунты, торфы, илы и т.д.).

Еще одно существенное преимущество этой конструкции – при достижении критической нагрузки она не «уходит в срыв», а продолжает набирать несущую способность.

В то же время достижение максимальных показателей многолопастных свай сопряжено с некоторыми сложностями, так как обеспечивается расчетом расстояния между лопастями, шага и угла наклона лопастей. Ошибки в вычислениях могут привести к возникновению «обратного эффекта»: введение второй лопасти окажется не просто бесполезным, но и ухудшит работу конструкции, вплоть до того, что многолопастная свая будет уступать в восприятии горизонтальных нагрузок даже конструкции с одной лопастью (подробнее об этом в статье «Особенности расчета многолопастных свай»).

За счет увеличения числа лопастей такие сваи воспринимают большие нагрузки при меньшем диаметре трубы. При этом жесткость ствола меньшего диаметра обеспечивается использованием толстостенного трубопроката (от 6 мм).

4. Винтовые сваи для малых и больших нагрузок

Если говорить об усредненных грунтах с достаточной несущей способностью, то к винтовым сваям для малонагруженных конструкций относят:

однолопастные с диаметром лопасти до 500 миллиметров включительно, толщиной лопасти до 6 миллиметров включительно и толщиной стенки ствола до 4,5 миллиметра включительно;
многолопастные с диаметром лопастей до 300 миллиметров включительно, толщиной лопасти до 5 миллиметров включительно и толщиной стенки ствола до 3,5 миллиметра включительно.

Их используют при возведении объектов ИЖС и сопоставимых по нагрузкам промышленных сооружений. При условии применения свай с аналогичными параметрами под более серьезные нагрузки и в особо прочных грунтах, необходимо для увеличения прочности по материалу использовать металлопрокат большей площади сечения.

К винтовым сваям для больших нагрузок относят конструкции:

с одной лопастью диаметром более 400 миллиметров, толщиной лопасти более 6 миллиметров и толщиной стенки ствола более 4,5 миллиметра;
с двумя и более лопастями диаметром более 300 миллиметров и толщиной более 5 миллиметров, толщина стенки ствола которых составляет более 3,5 миллиметра.

Их применяют при строительстве крупных гражданских и промышленных объектов.

Существует также точка зрения, что относить сваи к первой или второй группе по нагрузкам следует, исходя из диаметра ствола. Это допустимо, но только когда речь идет о широколопастных сваях больших длин и диаметров (более 6 метров и свыше 159 мм) или узколопастных сваях. В случае с узколопастными конструкциями, используемыми в особо прочных сезоннопромерзающих и многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах, не меньшее значение имеет толщина металла, которая выступает дополнительным основанием для классификации.

Дополнительно

5.1. Толщина стенки ствола

По толщине стенки ствола винтовые сваи делятся на сваи малых толщин (до 3,5 мм включительно), средних толщин (свыше 3,5 миллиметра) и толстостенные (6 и более миллиметров).

Первая группа (до 3,5 мм включительно) рекомендована для строительства легких зданий и сооружений (беседки, ограждения и т.п.), которые относятся к классу ответственности III (пониженный), при условии их эксплуатации в неагрессивных грунтовых условиях.

Вторая группа (свыше 3,5 мм) применяется для строений III класса ответственности, передающих на фундамент более высокую нагрузку, а также для построек II (нормального) класса ответственности, но только на участках, представленных неагрессивными грунтами.

При строительстве в средне- и сильноагрессивных грунтах и/или при больших нагрузках (классы ответственности II (нормальный) и I (повышенный) лучше использовать толстостенные винтовые сваи.

Подбирается толщина металла на стадии разработки проекта с учетом данных о коррозионной активности грунта на участке строительства, о чем подробно рассказывается в статье «Подбор толщины стенки ствола на основании требований к сроку службы». Для уточнения правильности подбора параметров рекомендуется после выполнения расчета долговечности проверить остаточную толщину стенки ствола на соответствие проектным нагрузкам и требованиям ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения».

Подбор диаметра ствола также осуществляется с учетом коррозионных процессов в грунте и в соответствии с требованиями к жесткости и прочности.

5.2. Толщина лопасти

Если говорить о толщине лопасти, то сейчас в строительстве используются сваи с толщиной лопасти до 5 миллиметров включительно и 6 и более миллиметров.

Как и в случае с толщиной стенки ствола, конструкции, относящиеся к первой группе, можно использовать только при строительстве легких зданий и сооружений, временных объектов. Для долговременных построек, крупных гражданских и промышленных объектов и для агрессивных грунтовых условий рекомендованы сваи с толщиной лопасти 6 и более миллиметров.

Подбирается толщина лопасти на стадии разработки проекта с учетом данных о коррозионной активности грунта.

5.3. Марка стали

При выборе марки стали нужно учитывать агрессивность среды, характер нагрузок и условия эксплуатации. Более подробную информацию о марках стали Вы найдете в статье «Использование стали различных марок в производстве».

5.4. Покрытие

Покрытие относят к дополнительным мерам защиты винтовых свай от коррозии, так как во время установки в грунт конструкции испытывают значительное абразивное воздействие. Более эффективным является увеличение толщины металла и использование качественной стали. Но нельзя отрицать, что нанесение покрытия при условии сохранения его целостности позволяет снизить негативное воздействие на надземную часть сваи и на участок в контактной области «атмосфера – грунт».

Производители винтовых свай в основном используют следующие покрытия:

полимерные;
грунты-эмали по ржавчине;
полиуретановые;
эпоксидные;
цинковые (полученное методом горячего или холодного цинкования).

Подробные результаты испытаний перечисленных покрытий Вы можете найти в статье «Сравнительный анализ различных типов антикоррозийного покрытия.

Время чтения: 6 минут Интересно, но нет времени читать?

Гарантирует ли увеличение количества лопастей повышение несущей способности винтовой сваи? В статье мы рассмотрим особенности расчета многолопастных модификаций.

Содержание статьи:

1. Конструкции винтовых свай

Основные существующие конструкции винтовых свай:

Широколопастные (с одной и более лопастями). Эффективны в дисперсных сезонно промерзающих грунтах, в том числе с невысокой несущей способностью, илах, водонасыщенных песках и т.п., так как имеют большую площадь опирания.
Узколопастные. Используются в особо плотных сезоннопромерзающих и 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.

Повышение несущей способности в случае увеличения количества витков с 1,25 до 2 действительно подтверждается как расчетами, так и результатами испытаний. Но так как само решение основывалось на упрощенных моделях взаимодействия грунтов (модель Мариупольского для анкеров), разработанных еще в 60-х годах XX века и не учитывающих целый ряд особенностей работы винтовой сваи, повышение способности к восприятию проектных нагрузок достигалось только за счет увеличения площади опирания лопасти.

Современные исследования, в том числе зарубежные, показывают, что несущая способность сваи в не меньшей степени зависит от конфигурации и количества лопастей (подробнее «Ключевые принципы подбора параметров лопастей»).

Учитывая данные факты, компания «ГлавФундамент» приступила к изучению принципов работы многолопастных модификаций в условиях воздействия разных типов нагрузок.

2. Обоснование использования многолопастных модификаций

Проведенные исследования показали, что иногда у многолопастных модификаций может наблюдаться «обратный эффект»: введение дополнительной лопасти ухудшает работу конструкции на горизонтальные нагрузки, в частности, увеличивая деформации. Этот эффект связан с неверным подбором межлопастного расстояния или конфигурации самой лопасти. Верхняя лопасть при погружении начинает рыхлить грунт, тем самым снижая несущую способность основания. В результате такие сваи уступают в восприятии проектных нагрузок даже дезаксиальным однолопастным с лопастью в 1,25 витка.

Дело в том, что конструктивные параметры многолопастных свай (диаметр лопастей, их шаг и соотношение) – величины не постоянные, а сложным образом зависящие от характеристик грунтовой среды и характера нагрузок, действующих при эксплуатации здания. Поэтому введение дополнительной лопасти без предварительных расчетов, учитывающих все указанные условия, не всегда эффективно.

Многолопастные модификации правильно подобранной конструкции действительно имеют преимущества при воздействии сжимающих и выдергивающих нагрузок (превосходят однолопастные конструкции в несколько раз).

Более того, было установлено, что при достижении критической нагрузки они не «уходят в срыв», как однолопастные конструкции с лопастью в 1,25 витка, а продолжают набирать несущую способность.

Такие показатели достигаются благодаря включению в работу сваи значительного объема околосвайного массива грунта ненарушенной структуры и мобилизации сил трения по стволу.

Вся информация о нагрузках, необходимая для расчета многолопастных винтовых свай, содержится в проектной документации объекта. А для получения данных о грунтах достаточным будет проведение геотехнических и геолого-литологических исследований грунтов (подробнее «Геотехнические и геолого-литологические исследования и измерения коррозионной агрессивности грунтов»).

Лопастные сваи:

Теоретически выкрутить обычную винтовую сваю должно быть не сложнее, чем закрутить ее в грунт. Однако, процессу извлечения могут помешать все те же широкие лопасти. Если на обратном пути попадется препятствие, которое при движении вперед удалось проскочить, велика вероятность зацепить его лопастью, и тогда извлечение сваи без ее повреждения станет затруднительным или невозможным.

Сваи саморезные:

Узкая спираль позволяет саморезной свае не только легко проникать вглубь грунта, но и с такой же легкостью проделывать обратный путь, если возникает такая необходимость. Это делает сваю саморезного типа лучшим решением для возведения оснований под временные конструкции и строения.

Читайте также: