Винтовые сваи для промышленных объектов применяют при устройстве свайных фундаментов зданий и сооружений в тех случаях, когда такое решение предусмотрено проектом и подтверждено расчетом. В промышленной и инфраструктурной практике используются в том числе стальные винтовые сваи со стволами диаметром 219 и 325 мм.
При этом Ø219 и Ø325 мм не являются отдельной нормативной категорией «промышленных свай». Это типоразмеры, которые встречаются в проектах и ассортименте производителей. Возможность применения конкретной сваи определяется не одним диаметром трубы, а сочетанием расчетных нагрузок, инженерно-геологических условий, конструкции сваи и требований к фундаменту.
При проектировании необходимо разграничивать два связанных, но разных аспекта: несущую способность сваи по грунту и прочность самой стальной конструкции. Первая определяется взаимодействием лопасти и ствола с грунтовым основанием. Вторая зависит от геометрии металлической конструкции, характеристик стали и действующих усилий.
Основные требования к стальным винтовым сваям устанавливает ГОСТ Р 59106-2020 «Сваи стальные винтовые. Технические условия». Расчет свайных фундаментов выполняют с учетом СП 24.13330.2021 «СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты» в актуальной редакции с Изменением № 1. Нагрузки и воздействия определяются с учетом СП 20.13330.2016, а для расчета и конструирования стальной части сваи применяются также нормативные документы, на которые ссылается ГОСТ Р 59106-2020.
Стальные винтовые сваи могут использоваться для фундаментов промышленных и инфраструктурных сооружений, если такое конструктивное решение соответствует результатам инженерных изысканий и проектного расчета. Само назначение объекта — например, «ангар» или «производственное здание» — еще не определяет ни необходимость свайного основания, ни требуемый диаметр сваи.
Свайное основание может рассматриваться, если требуется передать нагрузку через более слабые верхние напластования грунта или обеспечить требуемую работу фундамента при заданной расчетной схеме сооружения. СП 24.13330.2021 предусматривает выбор длины свай с учетом геологического строения площадки и необходимости прорезки более слабых слоев с заглублением в грунты с требуемыми расчетными характеристиками.
При этом некорректно считать любой «сложный» или неоднородный грунт самостоятельным основанием для выбора винтовых свай большого диаметра. Тип фундамента и параметры свай определяются на основании совокупности данных: характеристик грунтов, нагрузок, конструктивной схемы сооружения, требований по несущей способности и деформациям, а также технологии устройства основания.
Для многолетнемерзлых грунтов применяются специальные требования СП 25.13330.2020 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». В таких условиях необходимо учитывать температурное состояние грунтов, их расчетные характеристики и принятый принцип использования основания.
Само по себе наличие подземных вод или водонасыщенного грунта также не означает, что необходимо использовать свайный фундамент. Учитываются вид грунта, его состояние, прочностные и деформационные характеристики, гидрогеологические условия и расчетная схема сооружения.
В серийных предложениях производителей винтовые сваи Ø219 и Ø325 мм часто выпускаются длиной до 12 м. При необходимости проект может предусматривать и более длинные составные конструкции. ГОСТ Р 59106-2020 содержит требования в том числе к составным винтовым сваям длиной свыше 12 м.
Расчет свай и свайных фундаментов выполняется на установленные сочетания нагрузок и воздействий. Согласно СП 24.13330.2021, расчеты по несущей способности проводят на основные и особые сочетания нагрузок, а по деформациям — на основные сочетания. Состав и правила учета нагрузок определяются в том числе СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия».
В расчетной схеме могут учитываться собственный вес строительных конструкций, нагрузки от оборудования, полезные нагрузки, снеговые и ветровые воздействия. В зависимости от назначения и конструктивной схемы объекта учитываются также горизонтальные силы, изгибающие моменты, растягивающие или выдергивающие усилия и другие предусмотренные проектом воздействия.
Динамические воздействия нельзя считать обязательным элементом расчета любого промышленного фундамента. Необходимость и метод их учета зависят от конкретного оборудования, режима его работы и конструктивной схемы сооружения.
Для некоторых инженерных сооружений расчетная схема может включать не только вертикальное сжатие. СП 24.13330.2021 отдельно рассматривает случаи действия на сваи горизонтальных, выдергивающих и знакопеременных нагрузок, а также моментов. В частности, специальные положения предусмотрены для свайных фундаментов опор воздушных линий электропередачи.
Второй необходимый блок исходных данных — результаты инженерных изысканий. Учитываются геологическое строение площадки, последовательность залегания грунтов, их расчетные физико-механические характеристики, положение уровня подземных вод и другие параметры, влияющие на взаимодействие сваи с грунтовым массивом.
При этом не всегда корректно говорить об одном отдельном «несущем слое», на который должна опираться винтовая свая. В зависимости от конструкции и расчетной схемы нагрузка может передаваться как через рабочую лопасть, так и через боковую поверхность ствола.
Для однолопастной винтовой сваи СП 24.13330.2021 предусматривает определение несущей способности по грунту с учетом двух составляющих: сопротивления в зоне рабочей лопасти и сопротивления по боковой поверхности ствола. Для лопасти учитываются площадь ее проекции и расчетные характеристики грунта, а для ствола — его периметр, погруженная длина и расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности.
Формула, предусмотренная п. 7.2.16 СП 24.13330.2021 для однолопастной винтовой сваи, применяется при диаметре лопасти d ≤ 1,2 м и погруженной длине l ≤ 10 м. Для свай с двумя и более лопастями, при диаметре лопасти более 1,2 м, погруженной длине более 10 м, а также при действии горизонтальной силы или момента несущую способность следует определять по результатам испытаний статической нагрузкой либо численных расчетов в нелинейной постановке с использованием апробированных моделей грунта.
Отдельно проверяется прочность самой стальной сваи. Для этого учитываются геометрические параметры ствола, толщина стенки, характеристики стали и действующие сжимающие, растягивающие, изгибающие, крутящие и поперечные усилия. Поэтому диаметр трубы нельзя корректно выбирать изолированно от остальных исходных данных.
Стальные винтовые сваи со стволами Ø219 и Ø325 мм применяются в строительной практике при устройстве фундаментов различных зданий и сооружений. Более крупный наружный диаметр меняет геометрические характеристики стального ствола, однако сам по себе не позволяет определить несущую способность сваи по грунту.
Для оценки работы сваи необходимо отдельно учитывать взаимодействие с грунтовым основанием и прочность металлической конструкции. Несущая способность по грунту зависит от характеристик грунта, геометрии рабочей части, глубины погружения и работы боковой поверхности ствола. Прочность стальной конструкции определяется диаметром и толщиной стенки, характеристиками стали и действующими усилиями.
Поэтому сравнивать Ø219 и Ø325 только по наружному диаметру трубы неправильно. Необходимо учитывать полную конструкцию изделия: длину, толщину стенки, тип и количество лопастей, размеры рабочей части, конструкцию наконечника и требования проекта.
| Параметр | Сваи Ø219 мм | Сваи Ø325 мм |
|---|---|---|
| Наружный диаметр ствола | 219 мм | 325 мм |
| Длина серийных моделей Завода Сварных Ограждений | до 12 м | до 12 м |
| Толщина стенки в ассортименте завода | от 5 мм в зависимости от исполнения | от 6 мм в зависимости от исполнения |
| Диаметр лопасти у лопастных моделей завода | 500 мм | 550 мм |
| Варианты исполнения | лопастные, двухлопастные, бурозабивные, сваи-шуруп, для мерзлых грунтов | лопастные, двухлопастные, бурозабивные, сваи-шуруп, для мерзлых грунтов |
Эта таблица показывает различия продукции конкретного производителя и не является нормативной таблицей подбора свай. Требуемый диаметр определяется проектным расчетом, поэтому свая Ø325 не должна рассматриваться как автоматически более подходящий вариант только из-за большего размера ствола.
Несущая способность винтовой сваи по грунту определяется взаимодействием ее рабочей части и ствола с грунтовым основанием. При этом прочность самой металлической конструкции проверяется отдельно.
Для однолопастной сваи расчет учитывает сопротивление грунта в зоне рабочей лопасти и сопротивление по боковой поверхности ствола. Поэтому боковое сопротивление нельзя считать просто дополнительным или второстепенным фактором — это одна из расчетных составляющих работы сваи.
На результат влияют геометрия лопасти, ее площадь, расчетные характеристики грунта в рабочей зоне, глубина погружения, периметр и погруженная длина ствола, а также вид действующей нагрузки.
Количество лопастей влияет не только на величину возможного сопротивления, но и на метод определения несущей способности. Для свай с двумя и более лопастями стандартная расчетная формула для однолопастной конструкции уже не применяется; используются методы, предусмотренные СП 24.13330.2021 для таких случаев.
По этой же причине одинаковая по конструкции свая на двух разных строительных площадках может иметь различную расчетную несущую способность по грунту. Геологическое строение и расчетные характеристики грунтов непосредственно влияют на результат.
Поэтому некорректно утверждать, например, что «любая свая Ø325 выдерживает X тонн». Корректное значение относится к определенной конструкции сваи и конкретным инженерно-геологическим условиям. Оно может быть получено расчетом, а в предусмотренных нормативами случаях — определено или проверено по результатам испытаний.
Длина винтовой сваи назначается с учетом инженерно-геологических условий площадки, положения ростверка, расчетной работы свайного основания и технологических возможностей оборудования для устройства фундамента. СП 24.13330.2021 предусматривает выбор длины свай с учетом необходимости прорезки более слабых напластований и, как правило, заглубления нижнего конца в более прочные грунты.
При этом работу винтовой сваи нельзя сводить только к размещению лопасти в одном условном «несущем слое». Несущая способность по грунту может формироваться работой лопасти и сопротивлением по боковой поверхности ствола. Поэтому длину и глубину погружения назначают исходя из расчетной работы системы «свая — грунт» в целом.
Если более прочные грунты расположены на значительной глубине, это учитывается при определении длины и расчетной схемы сваи. Само по себе увеличение диаметра ствола не заменяет проверку требуемой глубины погружения и несущей способности по грунту.
Толщина стенки ствола является отдельным параметром стальной конструкции. Она назначается с учетом действующих усилий и требований к прочности изделия. При расчете учитываются сжатие, растяжение, поперечные силы, изгибающие и крутящие моменты в тех сочетаниях, которые предусмотрены для конкретного объекта.
Стальная винтовая свая должна сохранять прочность и работоспособность как при устройстве фундамента, так и при эксплуатации. ГОСТ Р 59106-2020 предусматривает требования к способности конструкции воспринимать в том числе крутящий момент, возникающий при погружении винтовой сваи.
Требования к коррозионной стойкости рассматриваются отдельно. Долговечность изделия может обеспечиваться выбором материала, системой защитного покрытия и другими мерами, предусмотренными проектной документацией и требованиями СП 28.13330.2017 «Защита строительных конструкций от коррозии». Поэтому некорректно сводить защиту от коррозии только к увеличению толщины стенки.
Две сваи с одинаковым наружным диаметром могут иметь различные параметры и марки. Они могут отличаться толщиной стенки, длиной, количеством и геометрией лопастей, конструкцией наконечника и другими характеристиками. С точки зрения проектирования это разные изделия, даже если наружный диаметр ствола совпадает.
Диаметр ствола — только один из признаков винтовой сваи. Существенное значение имеет конструкция рабочей части. Применяются однолопастные и многолопастные сваи, а в ассортименте производителей встречаются также сваи-шурупы, бурозабивные и специальные исполнения для отдельных условий строительства.
Для однолопастной конструкции работа по грунту определяется с учетом лопасти и боковой поверхности ствола. Для свай с двумя и более лопастями расчетная схема становится иной, поэтому их несущую способность нельзя корректно получать простым умножением характеристик однолопастной сваи на количество лопастей.
СП 24.13330.2021 прямо выделяет сваи с двумя и более лопастями среди случаев, для которых стандартная формула п. 7.2.16 для однолопастной сваи не применяется. В таких ситуациях используются статические испытания или соответствующие численные методы расчета.
Поэтому утверждение «две лопасти выдерживают в два раза больше одной» технически некорректно. Выбор конструкции должен основываться на расчетной схеме, параметрах грунта и требованиях конкретного проекта.
Винтовые сваи со стволами диаметром 219 и 325 мм встречаются в проектах фундаментов различных зданий, сооружений и инженерных объектов. При этом сами по себе эти диаметры не задают область применения изделия.
Одним из хорошо документированных направлений является энергетическое строительство. В отраслевой документации на фундаменты опор воздушных линий электропередачи 35–500 кВ встречаются винтовые сваи со стволами Ø219 и Ø325 мм. Для подобных сооружений расчетная схема может включать сжатие, выдергивание, горизонтальные воздействия и моменты.
В проектной практике и технических каталогах производителей сваи этих диаметров также встречаются в решениях для промышленных зданий, ангаров, мачт, опор, технологических эстакад, трубопроводов и отдельных инженерных сооружений. Этот перечень следует воспринимать как примеры применения, а не как нормативно установленную специализацию Ø219 и Ø325.
СП 24.13330.2021 предусматривает расчет свайных фундаментов при различных схемах нагружения, включая действие горизонтальных и выдергивающих усилий и моментов. Конкретные воздействия определяются конструкцией сооружения и принятыми сочетаниями нагрузок.
Решение о применении свайного фундамента и конкретного типоразмера принимается на основании инженерных изысканий, расчетных нагрузок, конструктивной схемы сооружения и требований проектной документации. Диаметр Ø219 или Ø325 является одним из параметров конструкции, а не самостоятельным критерием выбора фундамента.
Для изготовления свай недостаточно указать только наружный диаметр трубы. В технической документации должны быть определены конструкция изделия, длина, толщина стенки, параметры рабочей части, исполнение наконечника и другие характеристики, необходимые для конкретного проекта.
Если проект уже разработан, производителю передается спецификация или комплект чертежей. Такой подход особенно важен для свай Ø219 и Ø325, поскольку внутри одного диаметра могут существовать различные марки и конструктивные исполнения.
Например, Завод Сварных Ограждений производит винтовые сваи 219 мм и винтовые сваи 325 мм в нескольких вариантах: лопастные, двухлопастные, бурозабивные, сваи-шуруп и конструкции для мерзлых грунтов. Они различаются параметрами ствола и рабочей части.
При заказе продукции для объекта следует ориентироваться прежде всего на проектную спецификацию, а не только на диаметр или цену одной сваи. Это позволяет сопоставлять изделия с одинаковыми расчетными и конструктивными параметрами.