Консультации строителя онлайн.


Плюсы и минусы фундамента из стальных винтовых свай в загородном малоэтажном строительстве.

Плюсы и минусы фундамента из стальных винтовых свай в загородном малоэтажном строительстве.

Ни один из видов фундаментов не рекламируется так настойчиво и агрессивно, как свайный фундамент на винтовых сваях. Реклама винтовых свай заполнила собой буквально все столбы и заборы в обозримом пространстве городской и загородной жизни. Производители винтовых свай и строительные компании в большинстве случаев утверждают, что стальные винтовые сваи – это универсальный вид свайного фундамента, подходящий для любых даже самых сложных грунтов, который будет готов за один день, и прослужит верой и правдой не менее 85-100 лет.

Действительно, устройство фундаментов на основе винтовых свай очень привлекательно и выгодно… в первую очередь их производителям и строителям, которые тратят на строительство фундамента не месяц-два, а всего пару дней. А вот в том, нужна ли такая скорость строительства самому будущему домовладельцу, мы попробуем разобраться в этой статье. Но разбираться в ситуации с винтовыми сваями будет затруднительно, потому что  в России отсутствуют официальные нормативы и рекомендации по применению винтовых свай в малоэтажном загородном строительстве. В СП 24.13330.2011. «Свайные фундаменты» приводится лишь раздел по расчету несущей способности винтовых свай. Однако для поиска необходимой информации мы заглянем в зарубежные строительные нормы и специальную литературу.

Немного истории винтовых свай.

История создания винтовых свай насчитывает почти 200 лет. В 1833 году в Ирландии  полуслепой с молодых лет инженер Александр Митчелл (1780-1868) получил патент на "Винтовые сваи Митчелла". Такие винтовые сваи можно было использовать в подвижных слабонесущих песках, под водой, в илистой почве. Первым строением, возведенным на винтовых сваях, стал  маяк Спитбэнк близ Корк Харбор в Англии. Этот маяк сохранился до сих пор. Его фундамент был выполнен в виде свай с чугунными винтовыми литыми наконечниками, закручиваемыми в грунт. Идеи Митчелла были воплощены при строительстве маяков на винтовых сваях в устье Темзы, причалов на винтовых сваях в  Кортаун в графстве Уэксфорд, а также при строительстве на более 150 маяков на подводных винтовых сваях в Северной Америке. На винтовых сваях строились мосты и путепроводы на железной дороге в Барода и в Бомбее. Также винтовые сваи были использованы при установке опор для телеграфной сети в Индии. Кстати, Арнольд Митчелл являлся держателем патента на знакомый всем гребной винт, который он запатентовал в качестве движителя для кораблей в 1854 году.

винтовая свая   винтовые сваи Митчелла
Чугунный литой наконечник винтовой сваи Митчелла.   Ирландский инженер "Апостол винтовых свай" Александр Митчелл в возрасте 86 лет.
фундамент винтовы сваи   маяк на винтовых сваях
Установка винтовой сваи под водой   Конструкция маяка на фундаменте из винтовых свай Митчелла
фундамент винтовые сваи   маяк на винтовых сваях
Еще один вариант маяка на винтовых сваях Митчелла   Маяк на винтовых сваях Митчелла в Корк Харбор.
фундамент винтовые сваи   В России первые винтовые сваи появились на 30 лет позже. Инженер В. Карлович в своей монографии «Основания и фундаменты» (1869 г.) признал преимущества винтовых свай перед забивными при применении их в некрепких грунтах, так как «концы их передают давление на большую площадь».

Винтовые сваи в зарубежном промышленном строительстве.

Если посмотреть на список клиентов крупнейших мировых производителей винтовых свай, то в основном среди покупателей находятся компании, работающие в области добычи полезных ископаемых (нефти и газа), энергетические компании и компании промышленного строительства, компании, занимающиеся ремонтно-восстановительными работами и военные строители. В современном западном строительстве винтовые преимущественно используют там, где требуется большая скорость возведения фундаментов: при установке опор, мачт, столбов, знаков, промышленных конструкций и городков для рабочих,  установке буровых, насосных и компрессорных станций, наземной прокладке трубопроводов, при установке солнечных батарей и ветроэлектрогенераторов, систем городского и промышленного освещения.  Однако в этом списке почти нет компаний, занимающихся строительством частных домов. Небольшая доля винтовых свай используется лишь при строительстве в труднодоступных регионах, на болотах, в прибрежных зонах, при оборудовании пирсов или причалов, при ремонте проблемных фундаментов старых жилых домов, закреплении построек на склонах и самих склонов и котлованов, при строительстве малых ландшафтных и садовых архитектурных форм, навесов и гаражей для транспорта, подпорных стен.

Основные преимущества фундаментов на винтовых сваях.

Бесспорным преимуществом винтовых свай является высокая технологичность и скорость их установки. Естественно, что в западных странах никто не вкручивает винтовые сваи вручную, тем более что размеры винтовых свай для промышленного использования таковы, что ручная их установка невозможна даже теоретически. Для установки винтовых свай используется специальные ротационные насадки на стандартные большие и малые экскаваторы и другие средства механизации.
Стоимость фундаментов из винтовых свай, как правило, меньше стоимости фундаментов из буровых железобетонных свай или других видов железобетонных фундаментов, в том числе за счет минимизации земельных работ.
Установленная винтовая свая сразу же готова к использованию: даже при бетонировании внутреннего просвета ствола сваи нет необходимости ждать, когда бетонный камень  наберет  марочную прочность, так как нагрузки воспринимаются стальной оболочкой сваи.
Винтовые сваи всепогодны: они могут устанавливаться при широком диапазоне  температур окружающей среды (от минус 35 градусов Цельсия до плюс 35 градусов Цельсия).
Винтовые сваи не боятся высокого уровня грунтовых вод, не требуют осушения строительной площадки, не боятся набухающих грунтов.
Винтовые сваи могут использоваться вплотную к уже имеющимся постройкам, так они имеют минимальный объем и незначительно вымещают грунт при установке. Благодаря этим свойствам винтовые сваи используются для ремонта и укрепления фундаментов существующих зданий (в комбинации с домкратными системами).
Винтовые сваи имеют хорошую несущую способность благодаря лопастям, количество которых может составлять до 6 на одном стволе винтовой сваи.
Благодаря лопастям винтовые сваи отлично противостоят различным выдергивающим нагрузкам,  таким как ветровые или нагрузки от морозного пучения грунтов. Благодаря этим свойствам винтовые сваи отлично подходят для закрепления склонов и построек на склонах: винтовые сваи могут быть установлены под любым углом к горизонту.
Винтовые сваи могут устанавливаться на неровном рельефе местности. .

При перечислении всех достоинств винтовых свай не стоит забывать, что все их преимущества относятся исключительно к фундаментам из промышленно произведенных стальных винтовых свай, параметры и качество которых регулируются Международными строительными нормами ICC AC358 Helical Foundation Acceptance Criteria (Критерии приемлемости фундаментов на основе винтовых свай). Особенности нормативных требований к конструкции качественных винтовых свай мы рассмотрим ниже.

Недостатки и ограничения фундаментов из стальных винтовых свай.

Это, пожалуй, самый острый вопрос, который тщательно обходится стороной отечественными производителями винтовых свай. К сожалению, в русскоязычной специальной литературе ни о каких ограничениях в применении технологии стальных винтовых свай не говорится. За ответами придется обратиться к зарубежной нормативной документации и специальной литературе.
В международном стандарте ICC AC358 Helical Foundation Acceptance Criteria, которым регламентируются требования к материалам и конструкциям фундаментов из винтовых свай, приводится целый ряд ограничений для применения стальных винтовых свай:

  1. Пункт 1.2.1 ICC AC358 ограничивает использование винтовых свай только для строений и конструкций класса сейсмостойкости от А (конструкция для сейсмобезопасных районов) до С (конструкция для районов с умеренной сейсмической активностью).
  2. Пункт 1.2.2 ICC AC358 перечисляет условия, в которых стальные винтовые сваи не могут использоваться:
  • в грунтах с удельным электрическим сопротивлением менее 1000 Ом-см (из-за высокой скорости электрохимической коррозии стали);
  • в грунтах с pH менее 5,5 (по тем же причинам), к которым, например, относится торф;
  • в грунтах с высоким содержанием органических компонентов (по тем же причинам);
  • в грунтах с сульфатацией более 1000 ppm (сульфаты в грунте опасны и для незащищенного бетона железобетонных свай);
  • на полигонах с отходами, мусором, отвалами грунта;
  • на грунтах, содержащих шахтные отвалы;
  • на грунтах, не обеспечивающих боковой поддержки свай (например, торф, рыхлые пылеватые пески и т.п.).

Из-за многих ограничений по причине высокой скорости электрохимической коррозии, перед принятием решения о возможности использования стальных винтовых свай на конкретной строительной площадке, рекомендуется измерить pH и сульфатацию грунтов,  и их удельную электропроводность. Конечно, такие исследования стоит проводить, если застройщика действительно волнует вопрос долговечности фундамента возводимого  строения, а не только быстрота его возведения за минимальные средства с целью продажи несведущему в вопросах строительства покупателю.

Также винтовые сваи недопустимо использовать в грунтах, содержащих включения, способные повредить лопасти или ствол винтовой сваи при установке: в каменистых грунтах, на  отвалах строительного мусора и шлака.
Фундамент из винтовых свай относятся к заглубленным фундаментам. Для заглубленных фундаментов должно выполняться условие об обязательной боковой поддержке грунтов. Для не связанных между собой в группы винтовых свай, выступающих над поверхностью земли, устанавливаемых в воде или текучих грунтах должно выполняться следующее условие, прописанное в п. 1810.2.1 Международного строительного кода IBC: свая должна быть заглублена в плотные грунты минимум на 1542 мм, а в мягкие - минимум на 3048 мм.
Скажем, установка винтовой сваи глубиной 2,5 м в торфяной грунт, залегающий на глубину 2 м – является недопустимой, так как такая свая будет лишена требуемой боковой поддержки грунтов. Впрочем, использование стальных винтовых свай в торфяных грунтах без защиты от коррозии также недопустимо из-за потенциально быстрой коррозии в органических грунтах с высокой электропроводностью. Как это не смешно звучит, во многих случаях при строительстве временных сооружений на торфяном грунте свайный фундамент из антисептирванных деревянных свай прослeжит дольше, чем фундамент из неоцинкованных стальных свай. Недаром конструкции фундаментов из деревянных свай до сих пор включены в Международный строительный код.

Долговечность стальных винтовых свай.

Сколько же может прослужить фундамент на стальных винтовых сваях? Если в рекламе производителя винтовых свай содержится заявление о том, что их винтовые сваи служат 85-100 лет, то вы можете быть уверены, что перед вами – непрофессионалы или фирма, которая использует заведомо недостоверную рекламную информацию. Срок службы фундамента на основе стальных винтовых свай можно установить исключительно по расчету, исходя из коррозионной активности грунта на стройплощадке, толщины стали ствола и лопастей сваи, толщины и качества антикоррозионного покрытия стали и применения защитных цинковых анодов.  В строительстве в Западных странах винтовые сваи в основном применяются для возведения временных сооружений с планируемым сроком службы 50 лет. В расчетах коррозионной стойкости расчетную толщину всех стальных элементов принимают 1/2 фактической (коэфф. запаса прочности = 2). Срок службы полимерного порошкового покрытия винтовой сваи в грунте принимается равным 16 годам.  
Срок службы стандартных винтовых свай без защиты металла и  оцинкованных винтовых свай можно приблизительно оценить по приведенным ниже данным, полученным на основе исследований в Институте заглубленных фундаментов во Флориде:

Таблица. Прогнозируемый срок службы фундаментов из стальных винтовых свай (изготовленных по западным стандартам в соотвествии с ICC AC358) в зависимости от грунтовых условий и применяемого способа антикоррозионной защиты металла. [H.A. Perko Introduction to Corrosion and Galvanizing of Helix Foundations //Helical Foundations and Tiebacks - Helical Foundations and Tiebacks Committee, Deep Foundation Institute, Tampa, FL. - 2004. - November.]
Удельное электрическое сопротивление грунта,
Ом-см
Категория коррозионной активности грунта
Примеры грунтов

(минимальный срок службы, лет)
Срок службы с вероятностью 95%
(возможный срок службы, лет )

неоцинкованный металл
оцинкованный металл
0-2000
Очень высокая
Морские грунты, органические грунты и торф, ил и мягкие влажные глины, влажные глинистые сланцы
(15)
30
(80)
(40)
75
(200)
2000 - 10000
Высокая
Плотные влажные глины; средние плотные илы и суглинки; мокрый глинистый
или илистый песок;
мокрый песчаник
(55)
70
(135)
(140)
170
(340)
10000 - 30000
Умеренная
сухие или слегка влажные глины; сухие илы и суглинки;
песок и гравий; известняк
(50)
55
(140)
(125)
140
(350)
> 30000
Низкая
сухие глинистые сланцы; сухой песчаник;
чистый и сухой песок и гравий; граниты.
(345)
325
(555)
(865)
810
(1385)

Как следует из таблицы, минимальный срок службы стальной винтовой сваи западного производства (с толщиной стенки ствола сваи от 8 мм) без защиты цинковым слоем в таком агрессивном грунте как торф составит всего 15 лет. Если повезет, винтовая свая сможет продержаться в агрессивном грунте и 80 лет. Но средний прогнозируемый срок службы стальной винтовой сваи в таких условиях составляет всего 30 лет.  Но много ли вы видели в продаже России стальных винтовых свай из горячекатанных труб с толщиной стенок 8 мм? А сколько продержится в агрессивной среде «стандартная» российская стальная винтовая свая, изготовленная из сварных труб с толщиной стенки всего 3-4 мм? Давайте обратимся к  конструктивным требованиям к стальным винтовым сваям.

Конструктивные особенности стальных винтовых свай.

В российском СП 24.13330.2011 "Свайные фундаменты" толщина стенки ствола винтовой сваи не нормируется. Расчету подлежит лишь сечение ствола винтовой сваи, заполненной бетонной смесью. В то же время в западной инженерно-строительной литературе указывается на необходимость проведения расчетов толщины металла стенок ствола винтовых свай исходя из нагрузок на сваю и условий ее эксплуатации. Ведущим фактором после нагрузок, определяющим толщину металла ствола сваи, является прогнозируемое уменьшение толщины металла в результате коррозии, что определяет срок службы стальной винтовой сваи. Исходя из коррозионной стойкости, в международном стандарте ICC AC358 Helical Foundation Acceptance Criteria предъявляются следующие требования к элементам конструкции винтовой сваи:

  • Толщина лопастей винтовой сваи должная составлять от 9,5 до 12,5 мм [таблица №3, ICC AC358].
  • Лопасти винтовой сваи должны иметь диаметр от 8 до 14 дюймов (от 20 до 35 см).
  • Минимальная толщина стенки ствола винтовой сваи в неагрессивных грунтах – 8 мм. 
  • Минимальная толщина стенки ствола винтовой сваи в агрессивных грунтах – 9,5 мм.
  • При высокой коррозионной активности грунтов требуется использование  оцинкованных стальных винтовых свай, использование цинковых анодов.
  • Минимальная толщина полимерного покрытия винтовой сваи – 0,4 мм [пункт 3.9 ICC AC358].

Кстати, необходимость использования толстостенных труб для производства стальных винтовых свай отлично понимали в советское время: в справочном пособии по сваям и свайным фундаментам, опубликованном в Киеве в 1977 году, говорилось: «ствол сваи должен быть изготовлен из бесшовной горячекатаной стали с толщиной стенки ствола винтовой сваи 10 - 14 мм» [Метелюк Н. С. Сваи и свайные фундаменты. Справочное пособие.- Киев.: Будивельнiк, 1977. - С. 29].

винтовые сваи расчет

В специальной зарубежной литературе (Davies K. G.  Dealing with Corrosion: Helical Piling. IHPEng, 2010 -   September) увязывается и коррозионная активность грунта и комплекс конструктивных защитных мероприятий при выборе характеристик винтовых свай.

Таблица. Коррозийная активность грунта и защитные меры
Удельное электрическое сопротивление грунта,
Ом-см
Антикоррозионные меры
> 10,000 Минимальная толщина стенки ствола винтовой сваи 8 мм
5,000 - 10,000 Минимальная толщина стенки ствола винтовой сваи 8 мм в сочетании с горячей оцинковкой верхних 2 м ствола винтовой сваи  
1,000 - 5,000   Минимальная толщина стенки ствола винтовой сваи 9,5 мм в сочетании с горячей оцинковкой верхних 2 м ствола винтовой сваи  
500 - 1,000   Минимальная толщина стенки ствола винтовой сваи 9,5 мм в сочетании с горячей оцинковкой верхних 2 м ствола винтовой сваи + использование приваренного к свае 20 кг цинкового анода
Менее 500  Использовать винтовые сваи не рекомендуется, так как срок их службы не превысит 20 лет

Еще одним важным аспектом ускорения коррозии винтовых свай  является широко распространенная в России практика «обваривания» стальных винтовых свай связями изх стальных швеллеров, двутавров и уголков. Устройство связей между сваями действительно необходимо при установке свай на грунтах со слабой боковой поддержкой. Однако при этом не должно возникать гальванической связи между сваями и другими токопроводящими элементами конструкций здания. Объединение всех стальных свай в одну электрическую систему проводниками приводит к ускорению электрохимической коррозии из-за имеющейся разницы электрических потенциалов участков грунта, отличающихся по физическому и химическому составу. В пункте 3.9 ICC AC358 говорится, винтовые сваи также не должны иметь гальванической связи с другими стальными строительными элементами, арматурой железобетонных конструкций, так как возникающие блюждающие токи также способствуют ускоренной коррозии. В пункте 3.9 ICC AC358 говорится о том, что при устройстве свайных фундаментов нельзя оцинкованные элементы нельзя совмещать с неоцинкованным. Исходя из представленых данных, если коррозионная агрессивность грунтов на вашем участке неизвестна, то рекомендуется использовать сваи со стволом горячей оцинковки и толщиной стенок ствола сваи не менее 8-9,5 мм.

В России самостройщики придумали оригинальный способ защиты винтовых свай от коррозии: винтовые сваи в заводских условиях покрывают толстой термоусадочной полимерной тубой. Кстати, по сообщению самостройщиков, изготвление винтовой сваи на заказ га заводе из трубы с толщиной стенки 8 мм, с лопастями толщиной 9,5 мм и с защитой в виде термоусадки обходится в 2700 рублей за сваю.

коррозия винтовых свай
 
винтовые сваи ростверк

Правильным конструктивным решением для связи свай в единую систему является обвязка голов свай деревянными конструкциями, либо обвязка стальными элементами голов-колпаков винтовых свай и обжимных хомутов изолированных от стволов свай диэлектрическим материалом (например полимерно-битумной гидроизоляционной мембраной).

К сожалению, большинство российских производителей винтовых свай либо незнакомы с требованиями к конструкции качественных винтовых свай и фундаментов, либо сознательно игнорируют их для получения максимальных прибылей в ущерб качеству. Большинство производимых в  России стальных винтовых свай имеет толщину стенки всего 3-4 мм и символическое антикоррозионное покрытие, которое часто не выдерживает даже нагрузок при транспортировке свай. Винтовые сваи производят из сварных труб, хотя коррозионная стойкость таких труб ниже, чем бесшовных горячекатаных. Ниже приведен классический пример рекламы некачественной стальной винтовой сваи с недостаточной толщной стенки сваи, с непрочным антикоррозионным покрытием изготовленной из сварной, а не горячекатанной трубы:

минусы винтовых свай

Безусловно, в России производятся и стальные винтовые сваи, соответствующие требованиям ICC AC358 Helical Foundation Acceptance Criteria, однако высокая стоимость таких винтовых свай делает их неконкурентоспособными  по сравнению с обычными короткими буровыми железобетонными сваями, изготавливаемыми на месте.

При необходимости - винтовые сваи можно извлечь (механическим способом) и использовать повторно. Винтовые сваи могут упростить конструкцию свайно-ростверкового фундамента, когда вместо литых бетонных свай под ростверк заводятся винтовые сваи. Также винтовые сваи можно использовать для укрепления слабого или "тонущего" ленточного фундамента и для укрепления склонов (якорение подпорных стенок). В нестабильных грунтах, в грунтах с неудовлетворительными механическими  свойствами  применятся их прорезание с помощью свай для опоры на стабильные грунты. В этом случае под фундамент подводятся винтовые сваи и выполняется подъем фундамента с помощью механических или гидравлических домкратов и фиксации фундамента в проектном положении с помощью закрепления на сваях и уплотнения грунта под фундаментом с заполнением пустот цементными смесями или заменой грунта с его уплотнением.

Винтовые сваи особенно ценны при постройке быстровозводимых домов, например, из СИП панелей.

винтовые сваи   винтовые сваи Митчелла
Использование винтовых свай для укрепления заглубленного ленточного фундамента.   Использование винтовых свай для укрепления нового ленточного фундамента.
фундамент винтовая свая   фундамент винтовая свая
Использование винтовой сваи для укрепления подпорной стенки   Использование винтовой сваи для укрепления монолитного фундамента плиты

Винтовые сваи широко используются по всему миру в современном строительстве. Они незаменимы для устройства фундаментов различных высоких опор (рекламные щиты, вышки, опоры ЛЭП). В зависимости от типа грунта наконечники винтовых свай могут отличаться:

винтовые сваи   винтовые сваи
винтовые сваи   установка винтовых свай
Вид наконечников промышленных винтовых свай для механизированной установки. Обратите внимание на толщину стали лопастей винтовой сваи.   Механизированная установка винтовых свай.
Читайте о нашем тесте отечественных винтовых свай и о том как сделать из них фундамент своими руками.   винтовые сваи

 

Качественные винтовые сваи – прекрасный выбор для фундамента в строго определенных условиях, определить которые сможет лишь профессионал.
Фундамент – один из самых дорогостоящих, сложных и ответственных элементов конструкции загородного дома.  Поспешный подход, основанный на рекламных заверениях производителей, обещаниях строителей, примерах  соседей – это худшая из возможных стратегия выбора проектного решения для фундамента. Использование "народных экономных" или "импортозамещающих" технологий в строительстве или в большинстве случаев означает нарушение строительных норм и прваил и экономию на надежности конструкции и запасе прочности винтовых свай. Строительство дома вообще и фундамента в частности без предварительного инженерно-геологического исследования грунта на  будущей строительной площадке также представляет собой игру с судьбой в «русскую  рулетку». Не случайно на строительных форумах постоянно возникают вопросы о треснувших фундаментах и стенах, а столбы вдоль дорог увешаны рекламой о «Замене и ремонте фундамента». Стоимость устранения ошибок проектирования и постройки фундамента многократно перекроют затраты на помощь профессионалов, а в некоторых случаях исправить ошибки будет и вовсе невозможно. 

 

Андрей Дачник