Введение

При возведении фундаментов самая сложная проблема – слабые грунты. К этой категории относятся слабые глинистые грунты, рыхлые пески, лессовые, грунты с органическими примесями, вечная мерзлота. Одно из решений этой проблемы – фундамент из винтовых свай.

По классификации из ГОСТа сваи делятся на висячие и стойки. Принцип действия первых – создание опоры за счет сил трения между сваей и грунтом. Принцип вторых – передача нагрузки на сильные грунты. Винтовые сваи могут работать в обоих вариантах.

Винтовая свая – это, по сути, большой саморез. Ввинчиваясь, она не разрыхляет, а уплотняет грунт. Если свая входит в сильный грунт, она становится сваей-стойкой. Увеличенная площадь наконечника в этом случае увеличивает и площадь опоры. Для висячей сваи главный критерий – площадь ее поверхности. Увеличение поверхности за счет «винта» влечет увеличение способности нести нагрузку.

Дом с фундаментом на винтовых сваях

Рис. 1. Дом с фундаментом на винтовых сваях.

Типы грунтов для применения винтовых свай

Главная  характеристика проблемных грунтов – их неустойчивость. Причин может быть несколько:

  • насыщенность водой;
  • недостаточное сцепление частиц грунта друг с другом;
  • изменение физических характеристик при воздействии природных факторов;
  • вечная мерзлота.

Проявления неустойчивости грунтов:

  • пучинистость – увеличение объема грунта при его промерзании;
  • увеличенная пластичность;
  • возникновение в грунте полостей;
  • оттаивание грунта в условиях вечной мерзлоты.

Арктическая станция на винтовых сваях

Рис. 2. Арктическая станция на винтовых сваях. Фото с сайта ecopan50.ru.

Более серьезно и основательно ознакомиться с типами грунтов можно в ГОСТ 25100-2011.

Строительство фундамента на винтовых сваях возможно для всех видов дисперсных грунтов, но не для всех видов применение такого фундамента является целесообразным.

Типы винтовых свай

В настоящее время есть два различных по конструкции вида свай: труба (ствол) с приваренными лопастями и полый стальной стержень, в котором верхняя цилиндрическая часть переходит в конус.

1. Труба (ствол) с приваренными лопастями

Винтовая свая - труба (ствол) с приваренными лопастями

Рис. 3. Винтовая свая — труба (ствол) с приваренными лопастями. Фото с сайта rusvai.ru.

Возможные модификации данной конструкции:

  1. увеличение числа винтовых лопастей;
  2. увеличение диаметра лопасти;
  3. разный «шаг» винта;
  4. разная технология изготовления наконечника: литье или сварка;
  5. специальная форма наконечника.

Винтовая свая с тремя лопастями

Рис. 4. Винтовая свая с тремя лопастями.

Виды винтовых свай

Рис. 5. Виды винтовых свай. Фото с сайта moifundament.ru.

2. Полый стальной стержень

Второй тип — это полый стальной стержень, в котором верхняя цилиндрическая часть переходит в конус. По всей поверхности конуса проходит резьба из стальной полосы.

Винтовая свая - саморез

Рис. 6. Винтовая свая-саморез. Фото с сайта domina27.narod.ru.

Модификации в данном случае ограничиваются отсутствием или наличием оголовков и их формой.

Оголовки винтовых свай

Рис. 7. Оголовки винтовых свай. Фото с сайта mehzavod.info.

Влияние на качество и соответственно цену оказывает антикоррозионное покрытие сваи. Наиболее распространенные методы зашиты – цинкование и покраска.

Материалы для изготовления винтовых свай

Основной материал для изготовления винтовых свай – конструкционная нелегированная или низколегированная сталь.

Марки стали СНиПами не оговариваются и изготовители руководствуются техническими условиями собственной разработки, в которых всегда есть пункт об их изменении по согласованию с заказчиком. Наиболее часто используются стали марок Ст3, Ст20, Ст35, 09Г2С.

В Интернете встречаются предложения по изготовлению винтовых свай из нержавеющей стали и их стоимость раз в 6 выше обычных. Практичность такого предложения сомнительна, т.к. невысокая цена – одно из достоинств фундамента на винтовых сваях, а при шестикратном удорожании найдутся альтернативные и более практичные решения.

Основа винтовой сваи – труба. Её диаметры у всех производителей одинаковы и определяются линейкой сортамента трубопрокатных заводов, которая привязана к ГОСТам.

Дальше дело обстоит сложнее. Технические условия изготовителей винтовых свай очень разные. Толщина стенки варьируется от 3,5 мм до 12мм. У некоторых труба бесшовная, у других сварная. Есть с прямым и со спиральным швом.

Проще обстоит дело с антикоррозийным покрытием, которое наносится согласно ГОСТу  21.513-83.

Критерии надежности винтовых свай

На первом месте стоит проектирование. Данный процесс предполагает изучение геологии участка, выбор типа свай и расчет фундамента (количество свай и шаг между ними).

Защитная обработка металла роль играет, но совсем не первоочередную. Главным показателем надежности всегда будет толщина металла.

На втором месте – качество сварных швов. Естественно, чем их меньше – тем лучше. Именно поэтому цельнотянутые трубы предпочтительнее. На рынке есть предложения свай из труб НКТ (насосно-компрессорные трубы) – это хороший для заказчика вариант. По этой же причине предпочтительнее сваи с наконечником литым, а не сварным.

Процесс коррозии металла в грунтах изучен очень хорошо. Для разных грунтов  показатели разные, поэтому говорить о неких универсальных сроках годности винтовых свай некорректно.

Тип грунта Скорость проникновения коррозии в незащищенный металл (мм/год)
Глина 0,032
Песок 0,029
Торф 0,032
Граница грунт-атмосфера (усредненное значение) 0,081

Коррозия металла невозможна без доступа кислорода. Чем глубже находится участок сваи, тем меньше он подвергается окислению. Наиболее уязвимое место – верхний слой грунта.

Большинство материалов для защиты свай методом покраски новы, поэтому статистики их многолетнего использования не существует. С цинковым покрытием все обстоит по-другому: технология существует более 100 лет и хорошо проработана, поэтому она более предпочтительна.

Достоинства фундамента на винтовых сваях

Главное достоинство – сама возможность сотворить фундамент,  уложившись в разумную сумму. Есть разновидности грунтов и есть рельефы участков, где стоимость других вариантов  будет отличаться в разы (а иногда и на порядок) в большую строну.

Основные плюсы:

  • Скорость монтажа;
  • Всепогодность, а зимой может выйти и дешевле;
  • Отсутствие земляных работ;
  • При необходимости работу можно выполнить не привлекая тяжелую технику;
  • Близкое соседство других зданий существенной роли не играет. Расстояние в несколько десятков сантиметров будет достаточным;
  • Всегда сохраняется возможность увеличения фундамента для сооружения пристройки;
  • Монтаж винтовых свай не потребует  вырубки деревьев на участке.

Для монтажа винтового фундамента не требуется подъездных путей. Если завинчивать сваи вручную – это правда. А вот для остального строительства и главное для проживания — дорога понадобится.

Недостатки фундамента на винтовых сваях

Российский сектор рынка винтовых свай имеет свою специфику. Его главная беда – обилие производителей.

Есть производители без ГОСТов, ОТК и технологических карт.

В кустарных условиях не делается горячее цинкование, не делаются сваи второго типа «цилиндр переходящий в винтовой конус», не делаются литые наконечники.

Также необходимо учитывать следующие особенности технологии:

  • Отсутствие подвала
  • Необходимость утепления коммуникаций
  • Иногда (валун на пути) – невозможность вкрутить сваю в намеченном месте.
  • Существуют грунты (например – глубокие торфяники), где использовать фундамент на винтовых сваях не получится. Впрочем, скорее всего  не получится и любой другой фундамент.

Область применения винтовых свай – слабые грунты. В любых других случаях может найтись более приемлемая альтернатива. Утверждение, что недостаток винтовых свай – невозможность их использования в скальных грунтах – неправда, т.к. для скальных грунтов применение винтовых свай возможно, но экономически нецелесообразно.

Расчет количества винтовых свай и мест установки

Существует точная методика расчета количества винтовых свай и мест их установки, которая описывается в СНиП 2.02.03-85 (Свайные фундаменты, раздел «Винтовые сваи») и СП 24.13330.2011.

На практике же всё обстоит значительно проще.

Компании, занимающиеся малоэтажным строительством, как правило, работают в одном регионе и строение местных грунтов знают. Есть у них и определенные практические наработки. Такие фирмы проектируют фундамент «на глазок» и на всякий случай добавляют двойной запас прочности. Этого вполне достаточно для строительства малоэтажных домов на винтовых сваях.

Также любой серьезный производитель винтовых свай может сделать расчет необходимого для вашего фундамента количества свай. Особо будет оговорено, что оценка приблизительная и никаких обязательств изготовитель не несет.

Пример расчета от производителя винтовых свай KRINNER (Германия), источник:

Расчет фундамента – это не обязанность заказчика. Это работа подрядчика. И желательно, чтобы с этапа проектирования до сдачи объекта подрядчик был один на все виды работ.

Разбиение строительства дома на этапы и распределение работ меж разными подрядчиками может стать самой большой ошибкой застройщика.

Технология завинчивания

Ручное завинчивание

Самый простейший вариант – завинтить сваи вручную. Набор инструментов: два уровня, скотч, лом и два длинных куска трубы.

Ручной процесс завинчивания винтовых свай

Рис. 8. Ручной процесс завинчивания винтовых свай. Фото с сайта kommtex.ru.

Ручной процесс завинчивания винтовых свай

Рис. 8. Ручной процесс завинчивания винтовых свай. Фото с сайта pro-fundament.com.

Трудности:

  • для того, чтобы выдержать строго вертикаль нужны сила и опыт;
  • длинные сваи завернуть проблематично.

Достоинства:

  • на данном этапе можно обойтись без подъездных путей;
  • не требуется строительная техника.

Спецтехника для завинчивания

Принцип всех устройств для монтажа винтовых свай одинаков. Кабестан и гидравлика. В России слово «кабестан» не прижилось и часто заменяется словом «лебедка».

Самый распространенный вариант – съемный механизм для традиционной строительной техники. Обычный экскаватор подойдет.

Выпускается и узкоспециализированная техника, единственное предназначение которой – завинчивание свай.  К экскаватору с кабестаном добавляется компьютер, программное обеспечение, гироскоп, лазерный дальномер и система GPS. И для топографической съемки рельефа – беспилотный самолетик. Если сравнивать с автомобилестроением – это уровень  Ferrari.

KRINNER KR E 20 ground screw driver Z 1

KRINNER KR 20

Рис. 9. KRINNER KR E 20 ground screw driver Z 1.

 
 
  • Электрическая машина KR20
  • Для завинчивания фундаментов длиной до 2000 мм
  • Выполнена на базе гайковерта промышленного назначения от PLARAD (Германия)
  • Вес — 17,5 кг
  • Потребляемая мощность 1400 Ватт
  • Крутящий момент 4700 Nm

KRINNER KR B 40 ground screw driver

KRINNER KR B 40, KR B 60

Рис. 10. KRINNER KR B 40 ground screw driver.

 

Данный механизм предназначен для установки винтовых фундаментов KRINNER в землю (для тяжелых и супертяжелых типов грунта — класса V, VI и VII). Механизм для установки следует использовать на базе экскаватора с собственной массой от 1,5 до 3,0 тонн согласно требований собственного веса нагрузок опрокидывания — диаграммы экскаватора.

  • Тип: KRB 40 — В1
  • Вес: 230 кг
  • Максимальный крутящий момент: 5000 Нм
  • Крутящий момент: давления 20 bar
  • Максимальная крутящая скорость: 30 об в минуту
  • Высота до болтов крепления : 100 см
  • Гидравлический блок зажима: Да
  • Монтажные части для экскаваторов: Lehnhoff MS / HS 03 быстрая сменная связь
  • Уровень шума: менее 70 дБ (А)
  • Температурный диапазон: от -15 ° C до +60 ° C
  • Опорное устройство: Экскаватор с опорным значением: от 1,5 т до 3,0 т
  • Напряжение питания защиты «сброса нагрузки» : 12V — 24V

Требования к гидравлике:

  • Гидравлический контур: 1 + рабочие линии от утечек
  • Рабочее давление: от 180 до 250 бар
  • Пропускная способность (скорость потока): от 12 до 40 л в минуту
  • Гидравлика резьбовых соединений: 2 х 15L + 8L

KRINNER KR D 55 ground screw driver

KRINNER KR D 55

Рис. 11. KRINNER KR D 55 ground screw driver.

Мощный KR D 55 подходит для средних и крупных проектов. Завинчивает винтовые фундаменты до 2,5 метров в длину без особых усилий. Устройство предназначено для использования только одним человеком. Максимальный крутящий момент 5000 Нм. KR D 55 в сочетании с прилагаемыми каретками изменяет длину до 3,00 м. Ширина машины составляет 1,20 м. Связанная каретка может быть наклонена в четырех направлениях и имеет угол наклона 20 °. Высота в рабочем положении составляет — 3,70 м. В походном положении (лежа) — 1,70 м.

 
 

Предварительное бурение

Лидерная скважина – это предварительное бурение грунта для облегчения ввинчивания сваи. Для грунтов вечной мерзлоты этот процесс обязательный. Диаметр скважины при этом совпадает с диаметром трубы.

Для плотных грунтов (песчаники, глинистые и суглинистые почвы) бурение – процесс не обязательный. Это просто оптимальный вариант. Диаметр бура для свай 89, 108 мм – 60 мм. Выполняется на глубину меньшую заглубления сваи на 30-60 см.

Для мягких и сыпучих грунтов (торфяники, чернозем) предварительное бурение не нужно и вредно.

Заливка свай бетоном

Нигде в СНиПах о таком процессе не говорится и немецкая технология компании KRINNER этого не предусматривает.

Также на сайте украинского производителя sentris.com.ua сказано:

Не нужно заливать бетон внутрь столба сваи, для внутренней антикоррозионной стойкости сваи, данная свая оцинкована как снаружи, так и внутри.

Сваи для вечной мерзлоты применяются всегда без бетона.

Создается такое впечатление, что говоря о бетонировании, производители пересказывают технологию буронабивных свай.

Заливка бетона в трубу 57 мм или 76 мм проблематична. Если это и делается, то жидкостью похожей на раствор или цементное молоко.

Производители говорят о возможности поставки винтовых свай длиной 11 метров. Заполнить такую трубу бетоном большая проблема. Глубинный вибратор с 11 метровым шлангом – это индивидуальный заказ и будет неоправданно по стоимости работ.

Также есть утверждения, что бетон препятствует коррозии, что весьма сомнительно.  Изоляция внутренней полости сваи от доступа воды или воздуха  не проблематична. Приваренный в заводских условиях оголовок сваи снимает проблему полностью. Наиболее простое объяснение – попытка производителей свай за счет бетона увеличить несущую нагрузку и уменьшить деформацию сваи в случае коррозии металла.

Есть технологии цементации грунта, в которых винтовая свая используется как шприц. Это является хорошим решением для макропористых грунтов.

Ростверк

Сваи — это еще только часть фундамента. Другая часть — ростверк, конструкция распределяющая нагрузку и служащая опорой сооружению.

Ростверк на винтовых сваях

Рис. 12. Ростверк на винтовых сваях.

Возможные варианты исполнения:

  • железобетон — плита или балка;
  • деревянный брус;
  • профилированная сталь – швеллер или двутавр.

Железобетон — материал не для легких домов. Поэтому далее будут рассматриваться дерево и металл.

Самый экономичный и распространенный вариант — деревянный брус. Применения металла может потребовать сложный рельеф участка.

Бывают случаи, когда при строительстве причала длина сваи от оголовка до грунта значительна (например, если возле воды сильный уклон). В этом случае строители увеличивают жесткость конструкции «треугольниками». В таких случаях  ростверк из металла предпочтительнее. Сварные соединения жестче и технологичнее.

Функция ростверка — равномерное распределение нагрузок на все сваи. Самый простой путь для достижения этой цели — выровнять концы свай в одной горизонтальной плоскости. Выкруивание свай для выравнивания категорически запрещено.

Обрезка свай — процесс, характерный для ручного монтажа. У компаний, использующих для завинчивания свай спецтехнику, для выравнивания свай используются лазерный уровень и нивелир, поэтому обрезка свай не требуется.

Если в качестве ростверка применяется металл – он просто приваривается к сваям. Для ростверка из бруса потребуются оголовки. Оголовок, по сути, — это пластина увеличивающая площадь контакта металла с деревом в которой есть технологические отверстия для крепления.

Оголовки могут быть съемными или приваренными к свае. Для деревянного ростверка важен одинаковый уровень именно плоскостей оголовков, на которые ляжет брус. В упоминавшейся ранее немецкой технологии аналог оголовка не надевается на трубу сваи, а вставляется в неё.

Рекламные хитрости производителей винтовых свай

Сроки службы винтовых свай указывается производителями довольно условно, что вполне понятно. Этот параметр очень зависит от среды эксплуатации. Производитель указывает самый выгодный.

Ссылки на столетний опыт эксплуатации винтовых свай воспринимать всерьез не стоит. Сто лет назад была абсолютно другая технология производства – чугун и кованое железо. Сто лет они и простояли. О трубах в винтовых сваях тогда речи не было.

Старая винтовая свая

Рис. 13. Старая монолитная винтовая свая с примерным возрастом в 100 лет.

Эта фотография кочует по интернету, как образец современной халтурной работы. На самом деле, на фото раритет. Лет сто свая простояла. Видно, что труб в конструкции – нет. Это монолит.

Есть у рекламщиков и другой ход — вольность в расчетах сроков коррозии. Примерный рекламный текст (взят из реального источника):

время сплошной коррозии ствола сваи с толщиной стенки 4 мм для  «грунта ненарушенной структуры»: 4 мм / 0.012 мм/год = 333, 3 года! Учитывая, что винтовая свая дополнительно обрабатывается антикоррозийным составом, срок ее службы увеличивается минимум на 50%. Итого срок службы фундамента на винтовых сваях составляет 333,3+50%= 500 лет.

Это расчет неверный, т.к.:

  • Для расчета выбран самый малокоррозионный грунт.
  • Нет сведений о глубине залегания металла. Самый проблематичный вариант – поверхность грунта.
  • Есть логическая ошибка. Свая, утратившая половину металла, считается годной, даже утратившая 99 процентов рассматривается как несущая конструкция.

Опробованный срок эксплуатации российских винтовых свай в современном исполнении – лет 20. Опыт производителей не больше.

Внедрение любого изобретения не основывается на практике. Её заменяют расчеты и накопленный опыт. Именно с этих позиций говорится о столетнем сроке эксплуатации винтовых свай.

Отделка цоколя

Необходимость этого этапа вызвана только эстетическими соображениями. Нормативной документации о такой работе нет. Есть пожелания заказчика и есть здравый смысл. В районах вечной мерзлоты сохранение воздушного зазора между зданием и грунтом –  одно из решений проблемы устойчивости. Грунт не должен оттаивать.

Традиционно в российском малоэтажном строительстве оголовки свай возвышаются над поверхностью грунта сантиметров на 60. Отчасти это связано с высотой снежного покрова.

Цокольное пространство при строительстве на винтовых сваях утеплять не стоит. Достаточно утеплить вводные трубы воды и канализации. Готовое решение — «скорлупа» с подогревающим проводом. Важно понимать, что полностью перекрывать зазор над грунтом нельзя. Это компенсатор зимнего пучения.

Встречаются интересные строительные решения, когда зазор перекрывается практически полностью. Одно из них – эластичный материал, согнутый в форме буквы  «L».  Вертикальная часть крепится к обвязке, горизонтальная свободно лежит на земле под домом.  Вполне подойдет нетолстая списанная транспортерная лента.

Для устройства обшивки очень удобно использовать цокольный сайдинг. Недостаток этого материала – высокая цена.

Схема обшивки фундамента дома цокольным сайдингом

Рис. 14. Схема обшивки фундамента дома цокольным сайдингом. Фото с сайта moifundament.ru.

Дома из SIP-панелей и винтовые сваи

На винтовых сваях можно построить любое малоэтажное здание. Для европейской части России это, скорее всего, и самое экономное решение. При строительстве домов из SIP-панелей на таком фундаменте есть определенные преимущества:

  • Малый вес здания влечет за собой минимум требований к несущей способности фундамента. В данном случае – уменьшение числа винтовых свай.
  • Пространство под домом на винтовых сваях холодное, но есть идеальное решение — это перекрытие на уровне пола из SIP-панели. В этом и есть универсальность технологии. Стены, пол, перекрытия и кровля делаются из одинаковых деталей.
  • Даже конкурирующие технологии (дома из бруса и каркасные) считают, что SIP- панель – идеальное решение для устройства пола.