Как сделать свайно-винтовой фундамент?
Проблемы создания прочного и надежного фундамента для постоянных сооружений на очень влажных или регулярно затапливаемых почвах послужили толчком к проведению исследований и экспериментов по использованию винтовых свайных фундаментов в частном жилищном строительстве. Ранее здания строились на литых и залитых фундаментах.
В результате многочисленных испытаний в середине 19 века появилась техника свайно-винтовых фундаментов, и стало возможным строить дома в условиях, когда обычный камень не продержался бы более одного сезона.
Оглавление
- Что такое опора свайного фундамента
- Особенности винтового свайного фундамента
- Преимущества и недостатки свайных фундаментов
- Расчет металлических свайных фундаментов
- Установка винтовых свай
- Заключение
Что такое фундамент под свайный фундамент
Система возведения зданий на свайном фундаменте известна уже более тысячи лет, но на протяжении всего этого времени широкое применение этой успешной технологии было ограничено огромной трудоемкостью установки свай. Сегодня более половины легких и средних зданий строятся на свайном фундаменте.
Конструкция свайного фундамента несколько отличается от классического свайного фундамента в первую очередь из-за особой конструкции основания. Фундамент основан на поле или массиве винтовых свай, в чем и заключается секрет его популярности.
Винтовая свая условно может быть разделена на три основные части:
- Корпус в виде трубы из сплава или нержавеющей стали, покрытой защитным лаком;
- Оголовок винтовой сваи, к которому крепятся детали ленточного свайного фундамента;
- Лопасть или рабочий шнек, установленный в основании сваи.
Важно! Все детали свайных опор для винтового свайного фундамента изготавливаются из плоских стальных узлов и штампуются обычным методом сварки, что обеспечивает простоту процесса изготовления винтовой сваи и возможность контроля качества всех ее компонентов.
В основе конструкции винтовой сваи лежит главный принцип, обеспечивающий высокое качество фундамента. Это принцип ввинчивания фундамента в землю. На первый взгляд ничего существенного, какая разница — вбивать, ввинчивать или отливать свайный фундамент. В реальной ситуации разница есть, и довольно существенная.
Например, железобетонные сваи, забитые молотом или вбитые в грунт вибропрессом, остаются в сжатом, деформированном состоянии. По оценкам экспертов, 15% забивных свай имеют проблемы после установки из-за большого количества трещин и отслаивания арматуры. То же самое справедливо и для литых буронабивных свай; из-за неблагоприятных условий качество железобетона значительно отклоняется от проектного. Поэтому забивные или литые сваи часто выталкиваются морозными силами, чего почти никогда не происходит при строительстве дома на свайном фундаменте.
Существует три специфические особенности фундамента под винтовой свайный фундамент:
- Винтовая свая забивается в грунт с минимальным давлением на тело или наконечник, в результате чего свайно-винтовая опора фундамента после установки не ослабевает, не трескается и не находится в состоянии сложной деформации;
- Фундамент заглубляется на указанную глубину с точностью до нескольких сантиметров, что исключает риск провала или недостижения расчетного сопротивления нагрузке от веса здания;
- При необходимости винтовой фундамент может быть заменен на аналогичный с минимальными усилиями. Просто открутите корпус и повторите посадку.
Нельзя сказать, что замена винтового фундамента свайного фундамента является простым и понятным делом, но это технически возможно и может быть выполнено под руководством специалиста. Совсем другое дело, если фундамент забивается из железобетона или буронабивных свай. В этом случае разрушение сваи может создать серьезные проблемы для фундамента.
Стальная колонна свайного фундамента точно и надежно ввинчивается в землю. Используя аналогию, можно сравнить забивные и болтовые опоры с шурупом и гвоздем — разница в способности выдерживать осевую нагрузку примерно одинакова. Именно поэтому винтовые свайные фундаменты часто называют геовинтовыми фундаментами.
Особенности винтового свайного фундамента
Конструктивно винтовые свайные опоры фундамента делятся по типу винтового наконечника и трубы, или тела сваи, поэтому в обозначении сваи указываются сразу два диаметра: первый — размер трубы, второй — диаметр винта или наконечника в миллиметрах. Например, CB-89-250, внешний размер трубы — 89 мм, диаметр, описываемый режущей кромкой ножей — 250 мм.
Характеристики корпуса сваебойной машины
При строительстве частных зданий используются четыре основных размера труб:
- 89 мм и 76 мм — группа для строительства особо легких и облегченных сооружений для фундаментов заборов, беседок, крылец и ограждений;
- 108 мм и 133 мм — группа для строительства фундаментов под средние и условно тяжелые здания. К первому типу относятся дачные дома из бруса, каркаса и панелей. К тяжелым зданиям относятся дома из пенобетона и бревенчатые здания.
Наиболее важными характеристиками свайных фундаментов являются толщина стенки и коррозионная стойкость материала. У традиционных сварных свай толщина стенки редко превышает 5-6 мм, поэтому максимальная нагрузка не превышает одной тонны. Сварные сваи используются при низкой стоимости и необременительных свойствах. Литые оболочки труб с толщиной стенки до 12 мм используются для газобетонных и пенобетонных монолитных домов. При диаметре 108-133 мм опорный корпус винтовой сваи весит почти 30 кг, но такая свая легко выдерживает нагрузку в 6 т.
Пропеллеры и головки пропеллеров
Корпус пропеллера при установке только скручивается, наконечник пропеллера находится в еще более сложном положении. Поэтому основным видом разрушения опор винтовых свайных фундаментов является разрушение и отрыв лопастей. Причин может быть несколько, наиболее распространенные из них — необоснованно высокое разрушение сваи или столкновение с твердым препятствием, таким как камень или металл. 50% отказов при забивке свай вызваны низким качеством сварных швов. Вместо аргонодуговой сварки, сварки под флюсом или обычной ручной сварки расходуемым электродом используется металл с низкой свариваемостью.
Риск разрушения наконечника сваи также возникает из-за того, что почти вся вертикальная нагрузка, воспринимаемая свайным фундаментом под весом здания, передается на грунт через лопасти свай. И эта нагрузка не всегда статична; чаще всего на грунт действуют переменные силы, вызванные морозной волной, ветром, перераспределением сил в грунте. Отказы и разрушения винтовых свай заставили производителей искать способ укрепления винтового фундамента.
Решение проблемы было найдено в изменении технологии. Современные винтовые свайные фундаменты большой мощности с диаметром трубы более 100 мм оснащаются литыми срезными шнеками. Еще немного, и для повышения прочности была использована технология вакуумной плавки относительно недорогой конструкционной стали St25 и последующего литья в керамическую оболочку.
В результате этого передового процесса получается прецизионная деталь без дефектов и единого сварного шва, с толщиной полотна 10-13 мм. Для сравнения, толщина обычного сварного лезвия составляет всего 5 мм. Литой спиральный наконечник насаживается на трубу по предварительно отлитой фаске, обеспечивая одинаковое осевое выравнивание трубы и наконечника. Почему это так важно, станет ясно далее при рассмотрении особенностей монтажа свайно-винтового фундамента.
Таким образом создается свайно-винтовой фундамент, который может быть забит даже в каменистую почву, с большим количеством мелких камней или даже смешанную со строительным щебнем. По оценкам экспертов, срок службы фундамента на винтовых сваях при соблюдении правил монтажа может достигать ста лет, в то время как срок службы сварных свай редко превышает 25 лет. Несомненно, качественный прорыв в процессе производства болтовых свайных фундаментов привел к тому, что на рынке появилось огромное количество низкокачественных подделок.
Углеродистая сталь подвергается термической нормализации и эмульсионной закалке, что обеспечивает твердость и износостойкость режущей кромки, чего нет и не может быть у подделок. Подделка обычно сварная и покрыта железом. Стоимость сваебойной машины заводской закалки примерно на 40% выше, чем сваренной вручную, поэтому на рынке во много раз больше подделок, чем настоящих сваебойных машин.
Преимущества и недостатки свайных фундаментов
Повальное применение свайных фундаментов в малоэтажном строительстве, особенно на сложных грунтах с высоким содержанием влаги и переменной несущей способностью, создало достаточно большой опыт их использования, со всеми недостатками и очевидными преимуществами.
Чем хорош свайный фундамент
Общая статистика и отзывы владельцев показывают, что выбор в пользу свайно-винтового фундамента для частного строения, дома или бани был сделан исходя из следующих соображений:
- Свайно-винтовое фундаментное поле может быть установлено в считанные дни, а в большинстве случаев даже собственными силами, без использования специализированной техники и трудоемких земляных работ;
- Использование свайных фундаментов позволяет начинать возведение каркасно-столбовых или пенобетонных зданий уже на следующий день, без месяцев твердения, как в случае с бетонными фундаментами;
- Металлические свайные фундаменты не боятся влаги и не проводят влагу, поэтому они идеально подходят для зданий из древесины, гипсокартона, СИП-плит и пеноматериалов.
Кроме того, расчет фундамента на свайных фундаментах проще, а результат нагрузки более предсказуем, так как прочностные характеристики и поведение металла под нагрузкой хорошо изучены и гораздо более предсказуемы, чем железобетонные ленты или железобетонные сваи. Еще одним преимуществом является то, что заменить или отремонтировать металлическую сваю гораздо проще, чем бетонную опору.
Некоторые эксперты отмечают хорошую приспособленность свайного фундамента к неравномерной нагрузке, когда наряду с вертикальным давлением от веса здания присутствует горизонтальная составляющая. Закопанная на проектную глубину тонкая металлическая труба с широким концом в основании имеет способность отклоняться от вертикальной оси, даже если она залита бетоном. Только на несколько градусов, но этого достаточно, чтобы любая нагрузка на свайный фундамент распределялась более или менее равномерно по всем опорам.
Ситуация более опасна для бетонных конструкций; некоторые болты свайного фундамента могут быть выдавлены силами морозной волны, в то время как некоторые элементы остаются в перегруженном состоянии, как, например, в случае с деревянным каркасным ростверком.
Основной проблемой для всех свайных фундаментов является разрушительная сила промерзания грунта при низких температурах. Среди строителей циркулирует множество мифов о возможности разрушения винтовой сваи расширяющимся льдом. В действительности, прочность стальной трубы достаточно высока, чтобы лед мог ее сломать. Предел прочности при растяжении ST25 составляет 400-500 МПа, что на несколько порядков ниже удельных напряжений, развиваемых во льду.
При сильном сжатии лед и почва почти не становятся полужидкими, поэтому гриб льда и почвы скользит по поверхности свайной опоры, а не выталкивает ее. Если свайно-ростверковый фундамент утеплен по всем правилам, наконечник опирается на более теплые, глубокие слои, то нет причин беспокоиться о морозном пучении вокруг стальных труб.
Конечно, у свайного фундамента есть свои плюсы и минусы, поэтому было бы ошибкой не упомянуть о недостатках использования трубчатых винтовых свай.
Недостатки проектирования фундаментов на винтовых сваях
Основным недостатком использования шпунтовых фундаментов является их высокая цена. Стоимость обычного винта диаметром 89 — 108 мм составляет 900 рублей, винтовые сваи из трубчатого железа обойдутся в 1 500 рублей, а сваи из нержавеющей стали — все 4 000 рублей. Стоимость георешетчатого свайного фундамента и поля буровых свай будет примерно одинаковой. А если в проект было включено использование литых труб, то свайный фундамент будет еще дороже, чем обычная малозаглубленная лента.
Помимо стоимости, в список недостатков свайного фундамента входят:
- Интенсивное разрушение металла в коррозионной среде;
- Необходимость точно дозированного усилия при ввинчивании и оседании свайного фундамента;
- Высокая теплопроводность металла требует решения вопроса о том, как утеплить свайно-винтовой фундамент.
Наиболее важной из этих проблем является защита металла от коррозии в почве с высоким содержанием влаги и активных веществ. Это извечная проблема для всех стальных коммуникаций подземного типа. За более чем столетний период их использования предпринимались попытки изготавливать сваебойные машины из чугуна, кованого металла, сплавов и нержавеющей стали, использовать цинковые и алюминиевые покрытия, защитные краски и лаки, но проблема считается нерешенной.
В качестве напоминания! Если дома на свайном фундаменте находятся ближе 50-70 м к трансформаторным подстанциям или высоковольтным системам электропередач, электросетям, нельзя использовать металлические сваи, так как винтовые сплавы будут довольно быстро разрушены электрохимической коррозией и блуждающими токами.
Отсутствие эффективной устойчивости к коррозионным процессам заложено в самой природе винтовых свай. Даже после окисления или гальванизации поверхности металла, не говоря уже о лакокрасочных покрытиях, металл все равно ржавеет во влажной среде. Вопрос лишь в скорости ржавления. Кроме того, во время свинчивания поверхность трубы и долота скользит по грунтовым массам, в результате чего песок, мелкий гравий и камни снимают защитное покрытие и даже слой цинка и оксида, подобно абразиву.
Единственным покрытием, показавшим хорошие результаты, является двухслойный защитный слой алюминия с оксидированной поверхностью, но стоимость нанесения такой защиты сопоставима с ценой самих винтовых свай. Если проблема защиты от коррозии будет решена в ближайшем будущем, то фундаменты на винтовых сваях с литыми концами в малоэтажном домостроении полностью заменят бетонные.
Расчет металлических свайных фундаментов
Как минимум, использование свайных фундаментов требует тщательного планирования, расчетов и отбора геологических проб. Даже если первоначальный осмотр поверхности земли и изучение обнажения пластов в близлежащих низинах не дает оснований усомниться в несущей способности грунта, несущую способность пластов на данной глубине все равно необходимо проверить.
Планирование конструкции фундамента
Проектирование свайного фундамента обычно начинается с отбора проб грунта. Зная максимальную глубину вечной мерзлоты на участке, необходимо провести бурение минимум в трех эквивалентных точках на участке. После получения образца эксперт может оценить несущую способность грунта на основе его состава.
Затем следует выбрать предварительную схему расположения свай и винтовых свай. Фундамент из стальных труб строится по одной из следующих схем:
- Одиночные сваи — используются для поддержки навесов и козырьков над входами в дом;
- Линейное или рядовое расположение, используется для свайно-винтовых фундаментов для террас, веранд или пристроек к дому;
- Устройство свайно-винтовых фундаментов по периметру и под несущими стенами здания;
- Свайное поле. В этом случае практически весь фундамент или основание здания равномерно заполняется винтовыми сваями.
Для первоначального выбора расположения винтовых свай можно использовать грубую оценку несущей способности; простая свая 76 или 89 мм может нести до 2 т нагрузки, более тяжелые трубы 108 мм и 133 мм могут нести 2800-6000 кг каждая.
Расчет количества точек опоры
Для более точного расчета свайно-винтового фундамента необходимо сначала рассчитать вес здания, учитывая все конструктивные элементы, внутреннюю отделку, бытовую технику и даже вес снега на крыше. Полученное значение умножается на коэффициент безопасности, так как каждый свайный фундамент всегда строится с запасом несущей способности.
Полученная масса делится на нагрузку для конкретного размера сваи. В результате получается, что для свайного фундамента необходимо от 30 до 50 свай. Следующий шаг — разметка точек установки свай на чертеже фундамента таким образом, чтобы среднее расстояние между сваями составляло 2,5-3 м. Если количество точек слишком велико, следует выбрать конструкцию винтовой сваи с более высокой несущей способностью.
Заключительным этапом является проведение проверочных расчетов несущей способности свайного фундамента. Для каждого варианта почвенной смеси уже давно определены максимальные нагрузки или удельные статические давления, которые может выдержать почва. Поскольку размер шнековой сваи, т.е. диаметр наконечника, уже известен из предварительных расчетов, остается умножить площадь лопастей шнека длиной в один фут на их количество. Общий вес дома делится на полученную площадь основания винтовой сваи и сравнивается с заданным давлением, которое может выдержать грунт.
Для логического завершения расчета необходимо выбрать вариант обвязки концов винтовых свай. Для небольших каркасных зданий свайные фундаменты заколачиваются деревянными штырями. Для более тяжелых пенобетонных зданий требуется швеллер или двутавровая балка. Чтобы связать швеллер с винтовым фундаментом, в трубу заливается бетон и устанавливается закладная шпилька. При монтаже горизонтальных поперечных балок необходимо тщательно следить за тем, чтобы монтажные отверстия на шестиметровой балке попадали одновременно во все три шпильки.
Часто люди предпочитают работать с деревом. Во-первых, гораздо проще установить деревянный брус 100×150 мм на сварные подмости, чем работать с тяжелыми, жесткими двутавровыми или швеллерными балками. Во-вторых, укрепление винтового свайного фундамента с помощью деревянной ленты происходит за несколько часов, в то время как при использовании металла требуется не менее двух дней, чтобы вырезать и поднять швеллерный домкрат.
Установка винтовых свай
Процесс строительства свайного фундамента всегда начинается с расчистки участка, его необходимо освободить от мусора и верхнего слоя плодородной почвы. В основном, участок планируется и выравнивается. Почва с высоким содержанием органики, травы и корней удаляется до обнажения нижнего слоя глины.
Если на месте будущего свайного фундамента имеется уклон, то разметку лучше проводить с помощью уровня и лазерного уровня, это упрощает работу, так как необходимо будет обеспечить одинаковую глубину залегания винтовых свай, при этом должно быть достаточно запасной высоты трубы с накладкой, чтобы срезать опору в одной горизонтальной плоскости.
Технология забивки свай
Наиболее ответственной частью свайного фундамента является этап завинчивания. Теоретически, можно установить лаги винтового фундамента своими руками. Максимальный размер колышка, который можно вбить в землю вручную, составляет 300 мм. Больший размер можно вбить только с помощью трактора или грузовой машины. Даже свая со шнеком 30 см потребует сварки усиленной балки оголовка и использования рычага длиной 2,5-3 м.
Основная сложность при ввинчивании свайной опоры заключается в том, что болт должен находиться в вертикальном положении. Если учесть, что крутящий момент на воротах может достигать нескольких сотен килограммов, становится ясно, что поддерживать вертикальное положение не так-то просто даже для команды из двух-трех человек. Особенно если конец не приварен к трубе по оси. Чаще всего такие спиральные конструкции ломаются, не достигнув расчетной точки посадки.
По этой причине монтаж винтового свайного фундамента должен выполняться как минимум четырьмя рабочими. Одна пара вращает затвор, другая управляет положением кронштейна в двух перпендикулярных плоскостях.
Чтобы облегчить тяжелую работу, перед забивкой отверстий электробуром просверливаются каналы меньшего диаметра и глубиной 120-150 см. После удаления части грунта гораздо легче закопать спиральную опору в землю, и несущая способность трубы не пострадает. Если почва слишком сухая, в яму наливают небольшое количество воды с глиной. Таким образом, усилие на ворота можно уменьшить как минимум наполовину.
Если винты ввинчиваются в свайный фундамент с помощью машины, необходимо контролировать силу вращения и проверять несущую способность винтового фундамента после установки.
После установки всех винтовых опор плоскость будущей стяжки отмечается с помощью уровня, линия переносится на трубы, затем концы обрезаются, внутренняя полость заполняется бетоном и анкер устанавливается на место. Если высота труб превышает 50 см, между стойками привариваются диагональные скобы или вставные опоры.
Завершающие работы на фундаменте перемычки
Заключительный этап строительства включает в себя утепление и отделку цоколя свайного фундамента. Как правило, нижний край стены возвышается над землей на 30-70 см, поэтому грунт под зданием без утепления подвала свайного фундамента может легко промерзнуть. Помимо потери ценного тепла, поднятие грунта из-за оседания инея приведет к отрыву защитного покрытия на поверхности свайно-винтовых фундаментов. Поэтому, прежде чем засыпать цоколь в свайном фундаменте, его необходимо утеплить — можно засыпать землю вокруг свай керамзитом или уложить полистирольные плиты. Изоляционный слой должен быть засыпан песком или мелким гравием.
Вариантов отделки цокольного этажа винтового свайного фундамента может быть несколько. Самый простой вариант — установить обрешетку из досок и брусьев и покрыть подвал панелями сайдинга, водостойкой фанерой или аналогичными материалами. Панели не должны выступать над уровнем земли на 7-10 см. Зазор необходим для того, чтобы зимой декоративная облицовка не была сорвана поднимающимся грунтом.
Чтобы предотвратить проникновение грызунов, снега и дождевой воды через щель, нижний край должен быть покрыт композитной стяжкой. Лучшим решением является использование песчаной или гравийной засыпки поверх экструдированных плит EPS, уложенных на землю, с последующей укладкой тротуарной плитки. Монолитные варианты бетонных или асфальтовых свайных подконструкций используются редко, так как поднимающийся грунт приводит к появлению многочисленных трещин и сколов.
Заключение
В сочетании с рассмотренной информацией может показаться, что недостатки свайно-винтовых фундаментов делают использование металловинтовых фундаментов целесообразным только для вспомогательных сооружений, беседок и навесов всех видов. Однако тяжелые свайно-винтовые фундаменты обычно используются для фундаментов в климатических зонах, где глубина промерзания достигает 1,8-2 м. В этом случае свайно-винтовой фундамент дешевле и надежнее ленточных и особенно плитных фундаментов. Единственным существенным недостатком остается невозможность построить полноценный подвал.
