Сваи винтовые расчет нагрузки: Расчет свайно-винтовых фундаментов, нагрузка и расчеты

Содержание

Нагрузка на винтовые сваи, какой вес выдерживают

Строительство домов является ответственной задачей, связанной не только с серьёзными трудозатратами, но и используемыми материалами и квалификацией рабочих. Одной из самых трудоемких этапов является возведение фундамента. Без правильного расчета и определения типа основания невозможно создать надежную и долговечную конструкцию, способную служить в течение многих десятков лет. Проект делается в соответствии с общей конструкцией объекта, его габаритами и особенностями участка.

Свайно-винтовой фундамент относится к наиболее распространенным типам оснований, отлично зарекомендовавшим себя на наших широтах. Именно в его пользу делается выбор, если стройплощадка характеризуется сложными условиями.

Сфера применения

Данный вариант основания эффективен в индивидуальном домостроительстве, используется при проведении работ с заборами и легкими хозяйственными постройками. Отечественным строителям нередко приходится сталкиваться с морозным пучением грунта. Выбор основания соответствует качеству и типу грунтов: от глинистых до торфяных, от болотистых до водонасыщенных. Следует также помнить о проблемах, связанных с пучением грунтов.

Выбор свайно-винтового фундамента

Использование наиболее тонких винтовых свай эффективно при возведении заборов. Диаметр 89 мм применяется в домостроении. Величина несущей способности определяется в соответствии с диаметром и толщиной стенок и может составлять от 4 до 7 тонн. Этой величины достаточно при строительстве большинства жилых домов, даже при наличии на стройплощадке сложных условий.

При возведении капитального дома из бревна с небольшими габаритами рекомендуется воспользоваться 108-миллиметровыми сваями. Если дом сооружается из пеноблоков либо кирпича, диаметр должен достигать 133-х миллиметров.

Нагрузка определяется используемыми стройматериалами, этажностью, а также габаритами здания. Больше всего весят перекрытия в комплексе со стенами. В двухэтажном деревянном доме перекрытия могут весить около 10-ти тонн, а внешние стены – около 16-ти тонн.

При проектировании нагрузок расчетный вес умножают на коэффициент 1.3, что важно для обеспечения прочности. Также при расчете необходимо учитывать ветровое воздействие в сочетании с нагрузкой снега. В отечественных регионах именно снеговую нагрузку следует считать первостепенной.

В зависимости от веса сооружения рассчитывается и количество свай, соответствующее их типоразмеру, характеристикам участка и нагрузкам, оказываемым домом. Расчет можно сделать на нашем сайте с помощью калькулятора, а также позвонив по телефону +7 (812) 649-70-02 или оставив заявку. Также важен расчет длины, зависящей от свойств и глубины промерзания, других важных параметров, хорошо известных специалистам.

Благодаря свайно-винтовому основанию можно осуществлять строительство здания, независимо от грунтов. Мастера легко справляются с болотистыми и торфяными территориями, даже с вечной мерзлотой и сложными рельефами.

Сваи винтовые для фундамента: расчет нагрузки

Деревянный дом на винтовых сваях

Винтовые сваи появились в середине прошлого века.

Изначально опоры применялись в военном строительстве. Установка винтовых свай позволяла за короткий срок на слабых грунтах создать фундаментные основания для различных довольно тяжёлых фортификационных сооружений, прибрежных платформ для переправы и прочее. Впоследствии винтовые сваи (ВС) завоевали большую популярность в гражданском строительстве. Простота в монтаже опор позволяет хозяевам своими руками возводить фундамент в короткий срок. Главное – это правильно рассчитанная несущая способность винтовой сваи.

Содержание

Что такое винтовая свая

Винтовые сваи

Назначение такого вида опор заключается в том, чтобы, минуя слабые слои почвы, передать нагрузку от здания через ВС на плотное грунтовое основание. Прохождение опоры через грунт достигается её вращением. Винт сваи входит в почву, как штопор в пробку.

ВС представляет собой цельносварную металлоконструкцию, состоящую из трёх частей: ствола (металлическая труба), конического наконечника и лопасти.

Ствол

Опорной частью сваи является ствол, который представляет собой металлическую трубу. Длина трубы определяется путём специальных вычислений на основе геологических изысканий. Изыскательские работы дают представление, на какой глубине залегают плотные слои грунта. От этого зависит длина ствола. Размер длины ВС должен быть такой, чтобы конец сваи смог войти в несущий слой почвы на глубину 50 – 70 см.

Конический наконечник

Концевой наконечник в виде конуса делают литым или цельносварным. Острый конец сваи облегчает вхождение опоры в грунт.

Стволы опор со срезанным концом

Некоторые производители изготавливают стойки диаметром 58 мм без острого наконечника. Конец ВС обрезают под углом 45^о. Эллипсное отверстие заваривают стальным листом.

Для возведения заборов, мелких построек применяют сваи с открытым отверстием. В этом случае почва заполняет ствол опоры изнутри, что может вызвать коррозию. Однако, их применяют по причине их низкой стоимости.

Лопасти

На конце винтовой опоры приваривают одну или две лопасти. Чем больше диаметр ствола опоры, тем больше размер лопастей. Лопасти врезаются в грунт, и при вращении ствола вокруг своей оси, опора продвигается по вертикали вниз до проектной отметки.

Способы установки винтовых свай

Небольшие по длине (до 2 м) опоры устанавливают ручным способом. Сваи диаметром 108 мм и больше, длиной 2,5 м и более монтируют механизированным методом.

Установка винтовой сваи вручную

Ручная установка винтовых опор

ВС длиной до 2,5 м часто устанавливают вручную. Это делают следующим образом:
Сначала делают разметку свайного поля. Колышками и шнуром отмечают места установки опор.

Ручным буром делают воронку глубиной 30 – 40 см. Это задаст вертикальное направление погружения ВС в грунт.
Если в верхней части ствола отсутствуют монтажные отверстия, то их прорезают самостоятельно. Это можно сделать газовой горелкой или ацетиленовым резаком.
Опору опускают в ямку. В монтажные отверстия вставляют концы рычагов (это могут быть отрезки водопроводной трубы).
В работе участвуют 3 человека. Двое работников вращают ствол с помощью рычагов. Третий рабочий контролирует вертикаль ВС.
С помощью нивелира делают отметки на стволах опор, фиксирующие проектную высоту наземной части свай.
Угловой машинкой срезают лишние части стволов опор.
В зависимости от конструкции ростверка формируют опорные части оголовков ВС.
Устанавливают ростверк.

Сваи устанавливают на расстоянии друг от друга не более 3 м. Если расстояние составляет 4 м, то посередине устанавливают дополнительную стойку.

Установка 3 м винтовой сваи механизированной установкой

Механизированная установка винтовых опор

Силовая установка для вращения ВС устанавливается на подающей стреле любого передвижного грузоподъёмного механизма. Существуют специализированные передвижные установки для ВС.

Скорость формирования фундаментного основания с помощью механизированной установки значительно сокращают сроки строительства объекта.

Определение несущей способности винтовой сваи опытным путём

Помимо теоретического обоснования (расчёта нагрузки для винтовых свай) несущей способности ВС, проводят испытание винтовых стоек. Тестирование определяет возможности винтовой опоры выдерживать проектную нагрузку. Программа испытания состоит в следующем:

ВС погружают в грунтовое основание на расчётную глубину;

на оголовок приваривают площадку из металлического листа;
на площадку помещают груз определённого веса;
стойку выдерживают в течение нескольких дней, ведя наблюдение за осадкой опоры;
предельная нагрузка, которая не будет давать осадку опоры, определяет несущую способность ВС.

Расчёт несущей способности винтовой сваи

Чтобы приступить к расчёту несущей способности винтовой стойки, надо получить исходные данные: расчётное сопротивление грунта, в который будет погружен шнек опоры, диаметр шнека (лопасти), габариты ВС.

Сопоставляя эти данные, специалисты получают расчётную несущую способность ВС. В заводских условиях в массовом производстве выпускают винтовые стойки длиной 2,5 м, диаметром ствола 58, 89, 108 и 133 мм. На основании многочисленных испытаний и расчётов были получены данные, которые отображает данная таблица:

Опорный слой грунта	Расчётное сопротивление грунта, кг/см2	58х2500, мм	89х2500, мм	108х2500, мм
Глина	5	1,6	2,5	3,5
Суглинок	4,5	1,4	2,2	3,2
Лёсс	1	0,3	0,5	0,7
Песок	9	2,8	4,4	6,4

Из таблицы становится понятно, какую нагрузку могут выдержать винтовые опоры в зависимости от сопротивления грунта. Например, при общем весе здания 35 тн для формирования фундаментного основания на глинистом грунте понадобится минимум 10 – 12 свай диаметром 108 мм.

При таком же весе строения на песчаном основании достаточно будет установить минимум 6 – 7 опор.

Несмотря на установленное минимальное количество опор, сваи устанавливают по углам здания в точках пересечения внутренних и внешних несущих стен, а также в местах примыкания перегородок к несущим ограждениям.

Усиление несущей способности ВС

Дополнительное усиление ВС заключается в том, что внутреннюю полость опоры заполняют жидким раствором бетона. После того как верхушки свай были срезаны до проектной отметки, внутрь стволов заливают бетон.

Сваю заполняют раствором слоями по 50 – 70 см. Каждый слой тщательно трамбуют. Если диаметр ствола позволяет опустить внутрь сваи гильзу электрического вибратора, трамбовку слоёв бетона делают без особых физических усилий. Через узкую горловину бетон трамбуют отрезком арматуры либо другим штырём.

Заполненная бетоном полость не нуждается в антикоррозионной защите внутренней поверхности ствола опоры.

В многочисленных источниках информации можно найти массу таблиц и справочного материала по определению несущей способности винтовых свай. Наряду с этим, будет полезно поинтересоваться у хозяев соседних домов, как ведут себя фундаменты их строений на винтовых опорах, и какого размера были применены ВС.

Пример расчёта фундамента на винтовых сваях

Прежде чем приступить к расчёту свайного основания дома, необходимо подготовить исходные данные. В этот перечень входят следующие показатели:

дом из бруса площадью 12х15 м;
общий вес строения с полезной нагрузкой равен 90 тн;
снеговая нагрузка на кровлю дома – 10 тн;
винтовые сваи 108х2500 мм и 89х2500 мм;
швеллер № 20 (ширина стенки 200 мм) для ростверка;
глубина залегания несущего слоя грунта – 1700 мм;
глубина промерзания почвы – 250 мм;
уровень грунтовых вод – 1100 мм.

Исходя из этого, производят расчёт фундамента на ВС для деревянного дома. Расчёт осуществляют в следующем порядке:

определяют оптимальное количество ВС. Сваи считают по количеству углов внешнего периметра здания, в точках пересечения внутренних и внешних стен;
минимальное расстояние между опорами должно быть не более 3-х м;
для основного фундамента потребуется 30 свай диаметром 108 мм, для веранды – 6 опор диаметром 89 мм;
108-я свая рассчитана на нагрузку от 4 до 7 тн. Минимальная общая нагрузка составит 30 х 4 = 120 тн. Фактическая общая нагрузка составляет (90 тн + 10 тн) 100 тн. Запас прочности – 20 тн;
глубина погружения ВС – 2000 мм. Средняя высота наземной части – 500 мм;
с учётом уклона рельефа местности и нивелирования наземной высоты ВС, высота цоколя будет составлять 400 мм;
ростверк устраивают из приваренного швеллера к верхним концам свай. Швеллер приваривают полками вниз. Для обвязки ВС понадобится 120 п. м металлопрофиля.

Технико-экономическое обоснование возведения фундамента

Чтобы определить реальный объем денежных средств по устройству основания дома на винтовых сваях, все затраты сводят к единому итогу. Цены материалов и расценки на выполнение работ взяты усреднено по стране.

Стоимость сваи 108х2500 – 2,8 т.р. Общая сумма – 30 шт х 2,8 = 84 т.р.
Цена сваи 89х2500 – 2,2 т.р. Общая сумма – 6 х 2,2 = 13,2 т.р.
Установка вручную всех ВС с подрезкой под горизонтальный уровень равна 36 х 1,8 = 64,8 т.р.
Доставка свай на строительный участок – 1,5 т.р.
Стоимость швеллера № 20 с установкой на сварке – 120 п.м. х 1,05 = 126 т.р.
Доставка швеллера – 4 т.р.

Итого общая сумма затрат составит – 293,5 т.р.

Для сравнения устройство ленточного фундамента для такого дома обойдётся примерно в 900 т.р. То есть свайный фундамент на винтовых опорах принесёт экономию в 300 – 400 т.р.

Определение несущей способности винтовых свайных фундаментов

Винтовые сваи представляют собой подвижные стальные свайные фундаменты со спиральным валом внизу, заглубленным в землю. Большинство винтовых свай имеют стандартную форму, а их несущая способность зависит от диаметра полого ствола и диаметра спирали.

Несущая способность винтовых свай

Все винтовые сваи спроектированы таким образом, что винтовая пластина, прикрепленная к полому валу, имеет больший диаметр, чем вал. Эти спиральные пластины реализуют торцевую несущую способность в дополнение к способности поверхностного трения вала для достижения требуемой несущей способности.

Как рассчитать мощность винтовых свайных фундаментов?

Лучшие идеальные методы, используемые для расчета несущей способности винтовых свай:

Теоретические методы
Полевые испытания под нагрузкой теоретические расчеты несущей способности винтовых свай поясняются ниже .
1. Несущая способность винтовых свай: теоретические методы
Теоретический метод определения несущей способности винтовых свай использует основные понятия механики грунтов. Двумя выявленными теоретическими методами являются методы отдельных подшипников и методы цилиндрического сдвига. Пригодность каждого метода зависит от размера и расстояния между спиральными опорными пластинами.
1.2. Методы индивидуальной опоры
Этот метод используется, когда винтовые пластины относительно далеко друг от друга вдоль ствола сваи, применяются методы индивидуальной опоры. Это связано с тем, что здесь отдельные винтовые пластины вносят свой вклад в несущую способность, а сумма отдельных подшипников в дополнение к сопротивлению вала дает общую несущую способность. 91.3. Метод цилиндрического сдвига
Этот метод используется, когда спиральные пластины расположены очень близко, предполагая, что все спиральные пластины действуют как группа для создания цилиндрической поверхности сдвига почвы между этими пластинами. Здесь мощность сваи определяется как сумма сопротивления сдвигу вдоль верхнего ствола и межвинтового грунтового цилиндра и сопротивления смятию вдоль нижней спирали при сжатии или верхней спирали при растяжении.
Несущая способность винтовых свай бывает двух типов: несущая способность на конце и способность к поверхностному трению. Метод отдельных подшипников определяет торцевую несущую способность, а метод цилиндрического сдвига определяет способность поверхностного трения.
2. Несущая способность винтовых свай: испытание под нагрузкой в полевых условиях/прямое измерение
В данном случае обычное испытание под полной нагрузкой проводится на установленной винтовой свае. Это самый точный, но дорогой метод определения несущей способности винтовых свай. Испытание проводится в соответствии со стандартным методом испытаний свай ASTM D1143 под действием статической осевой сжимающей нагрузки.
Полевые испытания винтовых свай
Изображение предоставлено: Fender Marine Construction

— достигается определенная максимальная испытательная нагрузка или когда свая не может сопротивляться дальше. Во время процедуры осадка или перемещение сваи измеряется и записывается для каждого приращения нагрузки. Результаты испытаний используются для определения несущей способности винтовой сваи.
3. Несущая способность винтовых свай: метод корреляции крутящего момента
Метод корреляции крутящего момента — это эмпирический метод, который используется для определения несущей способности винтовой сваи с использованием силы вращательного проникновения, используемой для проникновения сваи в грунт. Этим методом определяют коэффициент несущей способности (kt). Из чего рассчитывается предельная несущая способность винтовой сваи.
По сравнению с теоретическими методами, упомянутыми выше, результаты метода корреляции крутящего момента показывают большую корреляцию с полевыми испытаниями под нагрузкой.
Связь между установочным крутящим моментом и предельной грузоподъемностью выражается простой формулой:
Qult = kt x T
Здесь T – средний крутящий момент, а коэффициент крутящего момента (Kt) используется в качестве множителя. в зависимости от типа и размера ствола винтовой сваи. Коэффициент крутящего момента Kt обратно пропорционален размеру ствола, то есть чем больше ствол винтовой сваи, тем меньше коэффициент крутящего момента Kt.
Читайте также:
3 вещи, которые все инженеры и архитекторы должны знать о винтовых сваях в 2023 году
Представь это. Вы являетесь генеральным подрядчиком по капитальному ремонту зеленых насаждений, и вы завершаете все макеты и проекты для различных частей вашего проекта.
Вы особенно воодушевлены установкой нового бетонного тротуара, так как знаете, что он будет радовать пешеходов и велосипедистов на протяжении многих десятилетий, не требуя никакого обслуживания.
У вас есть план дощатого настила, но вы понимаете, что ландшафтный архитектор или инженер не заложил фундамент. Вы не хотите, чтобы это замедляло вас, поэтому вы просите своего субконсультанта по фонду разработать проектное решение на основе геотехнического отчета.
На основании геотехнического отчета вы и ваши коллеги получаете одобрение нового проекта фундамента: винтовые сваи. Вы продвигаетесь вперед.
Все вроде бы хорошо, но когда вы запрашиваете обновленные проектные чертежи, вы сталкиваетесь с серьезной проблемой.
Новый фундамент на винтовых сваях приведет к дорогостоящим изменениям конструкции дощатого настила и остановит весь ваш проект.
Что случилось?

Спиральные сваи использовались для променада PermaTrak в государственном парке острова Галвестон, установленного в 2021 году. На заднем плане видны песчаные дюны острова Галвестон.

Спиральные сваи или опоры в качестве фундамента для вашего проекта по устройству бетонного настила
Спиральные сваи, иногда называемые «винтовыми сваями», могут служить отличным фундаментом для вашего проекта по созданию бетонного настила PermaTrak.
Они на самом деле очень хорошо дополняют прочный и не требующий ухода характер бетонного дощатого настила, поскольку сами по себе состоят из чрезвычайно прочных материалов.
Винтовые сваи, состоящие из одной или нескольких винтовых пластин, прикрепленных к центральному стальному валу, требуют меньшего оборудования для установки и, как правило, безопасны для окружающей среды.
Прочность винтовых свай достигается за счет опирания грунта на каждую спираль, прикрепленную к головной секции винтовой сваи. Ведущая часть винтовой опоры обычно представляет собой стальную трубу или квадратный стержень. Их быстро монтируют с помощью легкого строительного оборудования, и часто они являются экономически выгодным решением как для PermaTrak, так и для деревянных настилов.
Чтобы узнать больше о бетонном настиле PermaTrak, устанавливаемом на винтовые сваи, ознакомьтесь с нашим пошаговым процессом с изображениями.
Спиральные сваи могут работать хорошо, но подрядчики, проектировщики и ландшафтные архитекторы должны рассмотреть эти 3 критических момента, прежде чем переходить к компоновке и проектным чертежам для этого варианта фундамента.

Примечание. Команда инженеров PermaTrak может предоставить спецификации винтовых свайных фундаментов и проектные чертежи для вашего проекта, описанного ниже.

1. Винтовые сваи или пилястры — это специально разработанный элемент, который должен быть делегирован инженеру по винтовым сваям.
В PermaTrak мы часто видим, что этот шаг пропускают, и во введении к этой статье он прямо раскрывает суть тяжелого положения подрядчиков.
Проектирование винтовых свай следует поручить инженеру по винтовым сваям, который специализируется на элементах этого типа. Когда проект не завершен специалистом или когда фундамент полностью не указан, чертежи и планы могут в конечном итоге потребовать изменения или полной переделки до начала установки.
Уполномоченный инженер, выполняющий проектирование, может помочь конкретно определить требования к конструкции винтовой опорной системы.
Например, конструкция должна учитывать как осевую, так и боковую нагрузку. Осевая нагрузка представляет собой вертикальную нагрузку на причал (сила тяжести или подъем), а поперечная нагрузка относится к горизонтальным силам (ветер и т. д.), действующим на конструкцию дощатого настила.
В зависимости от приложенных нагрузок и высоты без раскосов специалист по винтовым сваям может определить, нужны ли сваи с поперечными раскосами или битыми сваями. Хотя в некоторых случаях винтовые сваи или сваи, забитые под углом, могут помочь компенсировать боковые нагрузки, в других ситуациях лучше подходят поперечные связи.
После того, как проектные требования будут доставлены, подписаны и опечатаны специалистом по проектированию винтовых свай, расчеты для других частей проекта и компоновки должны подтверждать рекомендации. Хотя это кажется данностью, это не всегда так. Бывают случаи, когда другие части конструкции не соответствуют тому, что предложил инженер по винтовым сваям.

2. Спецификации винтовых свай или опорных фундаментов должны включать критерии испытаний для определения нагрузки на сваи.
Не менее важно, чтобы специалист конкретно назвал проектные требования для проекта, но спецификации винтовых свай должны включать критерии испытаний свай.
Сваи должны быть испытаны на ранних стадиях строительства любого проекта, а спиральные сваи должны пройти специальные испытания, основанные на их уникальном характере и индивидуальном анализе каждой строительной площадки дощатого настила.
Для справки, «критерии» относятся к результатам испытаний по измерению несущей способности свай. Инженеры могут выполнить ряд различных тестов для определения этого критерия.
Обычно две сваи выбираются в начале процесса установки, чтобы пройти более строгое испытание под нагрузкой. Это называется испытанием на статическую нагрузку и включает испытание свай с помощью гидравлического домкрата, балок и временных анкеров.
Эти нагрузочные тесты позволяют команде установить взаимосвязь между крутящим моментом и фактической грузоподъемностью для конкретной площадки. Как только это соотношение установлено, все остальные эксплуатационные сваи, как правило, могут быть установлены путем контроля крутящего момента и без затрат на испытательные установки в каждом месте расположения сваи.

Здесь показана винтовая свая, проходящая испытания на несущую способность для будущего устройства дощатого настила PermaTrak. Свяжитесь с PermaTrak, если вам нужна спецификация винтовой сваи и проведены испытания.

Напоминаем, что в процессе работы с PermaTrak наша команда инженеров может предоставить спецификации винтовых свайных фундаментов.

3. Спиральные сваи наиболее полезны и хорошо работают в условиях низкого или мелкого дощатого настила и даже при строительстве сверху вниз, но не на приподнятых дощатых настилах.
Как упоминалось выше в ключевом пункте № 2, винтовые сваи бурят, а не забивают, на определенную глубину, рассчитанную для требуемой несущей способности дощатого настила. Характер их установки требует меньшего количества оборудования, «более легких» машин в целом и приводит к меньшей площади нарушения, чем некоторые другие варианты фундамента. Кроме того, спиральная конфигурация сваи может быть легко изменена в полевых условиях, если это необходимо, в отличие от других типов глубокого фундамента.
По всем этим причинам винтовые сваи являются отличным вариантом глубокого фундамента для чувствительных водно-болотных угодий или любой экосистемы, требующей строительства сверху вниз и низкой нагрузки на окружающую среду.
Строительство сверху вниз относится к возможности установки проступей и балок дощатого настила от оборудования, работающего поверх ранее установленных проступей и балок. Мы часто видим винтовые сваи, установленные на проектных площадках с ограниченным доступом, высоким уровнем грунтовых вод, ограниченным вертикальным перекрытием или слабыми поверхностными грунтами.
Винтовые сваи или опоры, как правило, не подходят для возведения приподнятых тротуаров.