Исследования несущей способности винтовых свай, используемых в малоэтажном строительстве

Ю. С. Григорьев, канд. техн. наук, проф. кафедры архитектуры
В. В. Фатеев, асс. кафедры архитектуры

В последние десятилетия большую популярность в России приобрело строительство индивидуальных малоэтажных жилых домов: деревянных, каменных, каркасных, домов со смешанными конструктивными системами. По уверению представителей фирм, специализирующихся на строительстве и продаже таких домов, преимуществами индивидуального жилья являются: экономия финансовых средств, небольшой срок строительства, необязательность экспертизы проектных решений. При этом часто весьма опасным заблуждением не только застройщиков, но и строителей является убеждение в том, что для малоэтажных домов не требуется устройство сложных дорогостоящих фундаментов с предварительной разработкой проектов, обоснованных инженерными расчетами. Очень часто в качестве экономически наиболее привлекательного, нетрудоемкого, но надежного варианта предлагаются свайно-винтовые фундаменты, устройство которых может быть выполнено в короткое время [1, 2]. В этом случае искушение возможностью сэкономить подкрепляется, по-видимому, возможностью построить свой дом на «свайных» как на наиболее надежных фундаментах. Но являются ли эти металлические фундаментные конструкции сваями? Попробуем найти ответ на этот вопрос.

Конструкция, называемая «винтовой сваей», представляет собой металлическую трубу с лопастями на одном из концов (с лопастным наконечником), погружаемая в грунтовый массив вдавливанием с одновременным завинчиванием. При погружении такой конструкции происходит разрыхление грунта природного сложения на всю глубину завинчивания сваи. В этом случае возникает вопрос: работает ли конструкция, называемая «винтовой сваей», как свая, т. к. трение разуплотненного грунта по боковой поверхности трубы, если и возникает, то несомненно будет негативным (со знаком «минус»), пригружающим лопастной наконечник?

Обследования «винтовых свай» были выполнены авторами настоящей работы на одном из участков, отведенных под строительство 2-этажного деревянного жилого дома со стенами из оцилиндрованных бревен. Ко времени обследований на участке было выполнено свайное поле из 71 сваи (рис. 1, и рис. 1–6 цв. вклейки), каждая из которых представляла собой металлическую трубу с наружным диаметром Ø133 мм, к нижнему конусообразному концу которой был приварена лопасть, выкроенная из стального листа толщиной 6 мм (рис. 2).

Погружение свай в грунтовый массив было выполнено завинчиванием в предварительно выбуренные с поверхности участка направляющие скважины диаметром 350 мм и глубиной до 0,6 м (рис. 3). После завинчивания свай до заданной отметки была выполнена засыпка местным грунтом предварительно выбуренного объема направляющих скважин.

В результате обследований, выполненных спустя полгода после завинчивания свай, были обнаружены просадки разрыхленного при завинчивании околосвайного грунта на глубину от 100 до 220 мм (рис. 3–5 цв. вклейки). Просадка рыхлого околосвайного грунта произошла в результате его самоуплотнения под действием собственного веса, чему способствовало насыщение грунта поверхностной талой водой в весеннее время. Это обстоятельство послужило основанием для вывода о том, что так называемую «винтовую сваю» следует рассматривать не как сваю, а как завинчивающийся металлический фундамент с компактной круглой подошвой в виде лопасти, опирающейся на естественное грунтовое основание. В связи с этим авторами были выполнены расчеты несущей способности фундаментных конструкций, выполненных на рассматриваемом участке, с использованием нескольких расчетных схем:

1. Расчет несущей способности винтовой сваи по формуле и по рекомендациям СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» [3], выполненный с учетом расчетного сопротивления грунта под лопастью и по боковой поверхности трубчатого ствола сваи.
2. Расчет несущей способности винтовой сваи по СП 24.13330.2011 [3] с пригрузкой лопасти разрыхленным грунтом.
3. Расчет несущей способности грунтового основания компактного металлического фундамента с круглой плитной частью – лопастью, пригруженной разрыхленным грунтом.

Исследованиями, выполненными авторами, было установлено что инженерно-геологическое строение участка, отведенного под строительство, крайне неоднородное как по условиям залегания грунтов (в плане и по глубине), так и по их физико-механическим свойствам (рис. 7 цв. вклейки). Вследствие этого лопасти винтовых свай, завинченных на участке, опираются на грунты, существенно отличающиеся друг от друга по прочности и по деформируемости (рис. 7–10 цв. вклейки), а именно:

1. на участке в осях «7»–«11»/«А»–«К» лопасти свай опираются на суглинок тугопластичный (γ_I = γ_II = 19,6 кН/м³; c_I = 12 кПа; c_II = 18 кПа; φ_I = 14°; φ = 1 7 ° ; Е = 10 МПа);
2. на участке в осях «1»–«8»/«Д»–«Л» лопасти опираются на алевролит глинистый (γ_I = 19,6 кН/м³; γ_II = 19,7 кН/м³; c_I = 20 кПа; c_II = 22 кПа; φ_I = 30°; φ_II = 32°; Е = 10 МПа);
3. на участке в осях «1»–«8»/«А»–«Ж» лопасти свай опираются на глину твердую (γ_I = 19,0 кН/м³; γ_II = 19,1 кН/м3; c_I = 54 кПа; c_II = 59 кПа; φ_I = 19°; φ_II = 2 0 ° ; Е = 19 МПа).

Сравнительная оценка несущей способности винтовых свай выполнялась с учетом требований п.7.1.11 СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» [1], в соответствии с которыми:

где N_p – расчетная нагрузка, допускаемая на сваю, кН; F_d – несущая способность грунта основания одиночной сваи; γ_o = 1,0 – коэффициент условий работы, учитывающий повышение однородности грунтовых условий при применении свайных фундаментов; γ_n = 1,15 – коэффициент надежности по назначению для сооружения II уровня ответственности; γ_k = 1,4 – коэффициент надежности по грунту. С учетом вышеперечисленных условий расчетная нагрузка, допускаемая на сваю, определялась как: N_р = 0,621·F_d .

Несущая способность винтовой сваи с использованием расчетной схемы № 1 была определена по формуле, п. 7.2.10 [1]:

F_d = γ_c ·[F_d0 + F_df ], (2)

где γ_c = 0,8 – коэффициент условий работы сваи в грунте; F_d0 – несущая способность лопасти, кН; F_df – несущая способность ствола, кН. Несущая способность лопасти F_d0 , кН винтовой сваи была определена по формуле, п.7.2.10 [3]:

F_d0 = (a₁ ·c_I + a₂ ·γ₁ ·h₁ )·A, (3)

где a₁ , a₂ – безразмерные коэффициенты, принимаемые по табл. 7. 1 0 СП 24.13330.2011 [3] в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта в рабочей зоне φ_I ; c_I – расчетное значение удельного сцепления грунта в рабочей зоне, кПа; γ₁ – осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше лопасти сваи кН/м3; h₁ – глубина залегания лопасти сваи от природного рельефа, м; A = 0,096 м² – проекция на горизонтальную плоскость площади лопасти диаметром 0,35 м.

Несущая способность трубчатого ствола F_df , кН винтовой сваи определялась по формуле, п.7.2.10 СП 24.13330.2011 [3]:

F_df = u·f_i ·(h – d), (4)

где u = 0,42 м – периметр поперечного сечения ствола сваи; f_i – расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности ствола винтовой сваи, кПа, принимаемое по табл. 7.3 СП 24.13330.2011 [3]; h – длина ствола сваи, погруженной в грунт, м; d = 0,35 м – диаметр лопасти сваи.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю с использованием расчетной схемы № 2, была определена по формуле:

N_р = 0,621·γ_c ·F_d0 – P_g,I’ (5)

где P_g,I – расчетный вес разрыхленного грунта, передающийся на лопасти сваи.

Результаты расчетов несущей способности сваи № 20, опирающейся лопастями на суглинок (рис. 9 цв. вклейки), и сваи № 34, опирающейся на твердую глину (рис. 10 цв. вклейки), выполненных для различных расчетных схем, приведены в табл. 1 и на рис. 11, 12 цв. вклейки.

Таблица 1. Несущая способность винтовых свай по грунту

В результате выполненных расчетов было установлено следующее:
1. Расчетная нагрузка, допускаемая на сваи, определенная с учетом пригрузки лопасти разрыхленным грунтом, возникающей при просадке (самоуплотнении) околосвайного грунта, существенно меньше расчетной нагрузки, определенной по приведенной выше формуле (2):

– для сваи № 20, опирающейся на суглинок (ИГЭ-1) – на 47 %;
– для сваи № 34, опирающейся на твердую глину (ИГЭ-3) – на 19 %.

Для случая (расчетная схема № 3), когда «винтовая свая» рассматривается как отдельно стоящий фундамент с компактной плитной частью, опирающейся на естественное грунтовое основание, с глубиной заложения подошвы равной глубине погружения лопасти «сваи», несущая способность фундамента оценивалась как сопротивление грунта под его подошвой:

N_II = A·R – P_g,II’ (6)

где N_II – расчетная нагрузка, воспринимаемая грунтом; R – расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента, определяемое по формуле 5.7 СП 22.13330.2016 [4]; P_g,II – расчетный вес разрыхленного грунта на плитной части (лопасти) фундамента.

Результаты выполненных расчетов приведены в табл. 2 и на рис. 11, 12 цв. вклейки.

Таблица 2. Несущая способность фундаментов с опорной плитной частью в виде лопасти, опирающейся на грунтовое основание

Поскольку расчетные нагрузки, допускаемые на сваи, оказались меньше расчетных нагрузок, передающихся на фундаменты от надземной части дома, застройщиком рассматриваемого участка было принято решение демонтировать выполненные на участке винтовые сваи и построить дом на фундаментах другого типа.

В результате обследования свай, извлеченных из грунта, были обнаружены разрушения защитного покрытия лопастей свай в результате их трения о грунт при завинчивании в грунтовый массив. Отсутствие защитного слоя привело к развитию коррозионного разрушения металла не только лопастей, но и трубчатых стволов свай (рис. 6 цв. вклейки).

Результаты выполненных исследований послужили основанием для вывода о том, что конструкции, называемые «винтовыми сваями», таковыми не являются. Их следует рассматривать как металлические фундаменты с компактной круглой в плане опорной плитной частью, образованной лопастями, погружаемые в грунтовое основание завинчиванием с несущей способностью, наиболее достоверно обосновывающейся расчетами по СП 22.13330.2016 [4].

По мнению авторов, целесообразно обратить внимание на терминологию, использованную в п. 7.2.10 СП 24.13330.2011 [1] в расшифровке вышеприведенной формулы (2), где F_d0 трактуется как «несущая способность лопасти», тогда как это – несущая способность грунта под лопастью сваи, а F_df трактуется как «несущая способность ствола», тогда как это – несущая способность грунта на боковой поверхности трубчатого ствола сваи. В рассматриваем случае определения «несущая способность лопасти» и «несущая способность ствола», скорее всего, относятся к области расчетов металлических конструкций.

Григорьев Ю. С., Фатеев В. В. Исследования несущей способности винтовых свай, используемых в малоэтажном строительстве
// Приволжский научный журнал. – 2020. – №. 1. – С. 67-73.

Библиографический список

1. Полищук, А. И. Обоснование конструктивного решения винтовых свай для фундаментов быстровозводимых временных зданий на глинистых грунтах / А. И. Полищук, Ф. А. Максимов. – Текст : непосредственный // Вестник ПНИПУ. – 2015. – № 4. – С. 62–75.
2. Комиссарова, О. Ю. Основания на винтовых сваях / О. Ю. Комиссарова, С. В. Емельянов. – Текст : непосредственный // Достижения вузовской науки. – 2014. – № 10. – С. 136–139.
3. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты : свод правил : издание официальное : утвержден Приказом Министерства регионального развития Российской Федерации от 27 декабря 2010 г. : дата введения 20 мая 2011 года : актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. – Москва, 2011. – 85 с. – Текст : непосредственный.
4. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений : свод правил : издание официальное : утвержден Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 16 декабря 2016 года : дата введения 17 июня 2017 г. : актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. – Москва, 2016. – 225 с. – Текст : непосредственный.