ВИНТОВЫЕ СВАИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ (СТРОИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ «ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ»)

Фундаменты на винтовых сваях и анкерные закрепления обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными свайными технологиями. Наиболее важными из них являются малая материало- и трудоемкость, отсутствие земляных работ; сохранение грунтов оснований в естественном состоянии; безударное погружение, высокая точность установки в плане и по высоте. Особенно целесообразно их применение в обводненных грунтах.

Винтовые сваи и анкеры находят широкое применение при строительстве нефте- и газопроводов на заболоченных, просадочных и пучинистых грунтах; на лесосплавах – для крепления лесонаправляющих и лесозадерживающих сооружений; при строительстве разборных, временных мостов и причалов, возведении фундаментов малоэтажных зданий и сооружений, а также при устройстве фундаментов ЛЭП, опор контактной сети железных дорог и башен линий сотовой связи в талых и вечномерзлых грунтах.

Внедрение винтовых свай и анкеров в практику электросетевого строительства и линий связи стало возможным благодаря осуществлению комплексной программы расчетно-теоретических и экспериментальных исследований по созданию рациональных конструкций винтовых свай и анкеров для обычных и вечномерзлых грунтов, технологии их изготовления, средств погружения и методов определения несущей способности, выполненной в ОАО «Институт «Севзапэнергосетьпроект» [1]. Там же под руководством к. т. н., доцента Железкова В. Н. разработан типовой проект «Винтовые сваи, анкеры и фундаменты из винтовых свай». 1988 год. Серия 3.407.9-158.

Пионерами внедрения винтовых свай выступили тресты «Мегионэлектросетьстрой», «Севзапэлектросетьстрой» (именно в институте «Севзап-энергосетьпроект» разработан типовой проект «Винтовые сваи, анкера и фундаменты на винтовых сваях» [1, 3]), «Запсибэлектросетьстрой», а в последние годы – «Балтийская строительная компания», ОАО «Запстрой», ОАО «Орфстрой», ЗАО «Регионстрой».

Опыт применения фундаментов на винтовых сваях и анкерных закреплениях показал их эксплуатационную надежность и высокую экологическую эффективность, возможность круглогодичного ведения строительно монтажных работ.

Анализ экспериментальных работ в нашей стране и за рубежом позволил разработать рекомендации по проектированию винтовых свай и анкеров для электросетевого строительства, а также для опор контактной сети железных дорог и линий связи. Определены оптимальные параметры винтовых наконечников: шаг винтовой лопасти (200–250 мм), диаметр ствола (ступицы) (168, 219–278 и 325 мм), диаметры лопасти (500, 700, 850 и 1000 мм) [3, 4].

В настоящее время отработана технология изготовления винтовых сварных и литых наконечников из углеродистых сталей ВСт3СП5 и 092СП и низколегированных – 10ХСНД, 10Г2СХ.

Завинчивание свай (анкеров) рекомендуется осуществлять на глубину не менее 4,0 м по соображениям надежности. В зависимости от глубины завинчивания и диаметра лопасти введены понятия – сваи (анкеры) мелкого и глубокого заложения. При λ<6 для песков и λ<(3–4) – для глинистых грунтов (λ=h/D, где h – глубина заложения лопасти, D – ее диаметр) сваи (анкеры) отнесены к категории мелкого заложения; при λ>6 и соответственно λ≥(3–4) – к категории глубокого заложения [1, 3].

Несущая способность F_α (кН (тс)) винтовых анкеров мелкого заложения определяется с учетом образования конуса выпирания грунта при расчетном угле сдвига φ₁

а) в песчаных и глинистых грунтах при φ₁>15

б) в глинистых грунтах при φ₁≤15

Где F_α – несущая способность анкера при действии выдерживающей силы, направленной перпендикулярно плоскости лопасти, кН (тс); l – глубина заложения лопасти от поверхности природного рельефа, м; γ₁ – приведенный расчетный удельный вес грунта с учетом взвешенной воды кН/м³; γ_cd – коэффициент, принимаемый в зависимости от диаметра лопасти в пределах (0,8–1,0); С₁ – расчетное удельное сцепление грунта; К₁, К₂ – безразмерные коэффициенты, кН/м²(тс/м²), определяемые в зависимости от угла внутреннего трения φ₁ и относительного заглубления l; γ_с – коэффициент условия работы, зависящий от вида нагрузки, действующей на анкер (сваю), и грунтовых условий, принимаемый по таблице 8 СНиП-II-17-77; α₁, α₂ – безразмерные коэффициенты, принимаемые по табл. 9 СНиП-II-17-77 в зависимости от значения расчетного угла внутреннего трения в рабочей зоне; А – рабочая площадь лопасти, м²; η – безразмерный коэффициент, принимаемый по графику как функция расчетного угла сдвига, при α₁<17η – принимается равным 1.

Расчетный угол сдвига определяется по формуле

где σ – нормальное давление грунта на лопасть, принимаемое равным 200 кН/м² (20 т/м²). Коэффициенты К₁ и К₂вычисляются по формулам или по графикам

и

Расчетную несущую способность свай F_d (кH (тс)) мелкого заложения, работающих на выдергивающие нагрузки, следует определять по формулам:

а) для всех грунтов при φ₁>150 по формуле (1);
б) для глинистых грунтов при φ₁ до 150 по формуле:

Где D_π – диаметр лопасти сваи, м; ƒ – расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности винтовой сваи, кН/м²(приведенное значение для всех слоев в пределах глубины погружения сваи); U – периметр поперечного сечения ствола сваи, м; l – длина ствола сваи, погруженной в грунт, м; γ₁, α₁, α₂, C₁, η – обозначения те же, что и в формулах (1) и (2).

Расчетная несущая способность F_α (кН (тс)) винтовых анкеров глубокого заложения для всех грунтов определяется по формуле (2).

Расчетная несущая способность F_d (кН (тс)) винтовых свай глубокого заложения определяется для всех грунтов по формуле (3).

Расчетная несущая способность сваи F_dc, кН (тс), работающих на сжатие, независимо от λ и φ определяется по формуле:

где все буквенные обозначения те же, что и в предыдущих формулах.

В зависимости от расчетных нагрузок от опор ЛЭП и башен линий сотовой связи и грунтовых условий фундаменты могут состоять из одной, двух, трех и даже из четырех винтовых свай под каждую стойку опоры.

На рис. 1 приводятся конструктивные решения фундаментов под башни сотовой связи высотой 72 м при суммарных нагрузках на сжатие и выдергивание N = ±762 кН и горизонтальной нагрузке Н = 60,7 кН.

Рис. 1. Схема фундаментов под башни сотовой связи.

Исследование работы винтовых свай при воздействии горизонтальных нагрузок

При воздействии на винтовые сваи горизонтальной нагрузки следует различать два вида их работы.

В случае мелкого заглубления при глубине завинчивания не более 1,5…2,0 м (h/D=2…3, где h – глубина погружения; D – диаметр сваи) свая работает как короткий жесткий стержень, который своим поворотом вокруг неподвижной точки вызывает только деформацию грунта. Несущая способность винтовых свай при этом в два с лишним раза больше по сравнению с обычными сваями.

Если свая завинчивается на глубину более 2,5 м (h/D = 3…4), чем обуславливается более прочная заделка винтовой лопасти, то характер работы винтовой сваи на горизонтальную нагрузку практически не отличается от работы обычных свай глубокого заложения.

При глубине погружения сваи более 3,5 м, максимальную нагрузку обычно лимитирует не несущая способность грунтового основания, а прочность ствола сваи. Поэтому было проведено только несколько проверочных испытаний при глубине погружения свай 3,5 м, которые показали, что на глубине 1,5…1,7 м от поверхности грунта происходит изгиб стволов cвaй.

Испытания винтовых свай на горизонтальные нагрузки проводились в суглинистых, песчаных и гравийно-галечных водонасыщенных грунтах. Графики испытаний свай с винтовой лопастью и без нее представлены на рисунке 2. (Последнее относится к стволам свай, изготовленным из Ст-3).

а) водонасыщенный суглинок

б) водонасыщенный песок

в) грунт гравелистый

Рис. 2. Результаты испытания свай с винтовой лопастью и без нее в различных грунтах.

В таблице 1 приводятся величины сопротивления винтовых свай горизонтальной нагрузке при перемещении сваи на 2 см.

Из данных таблицы видно, что наиболее прочными, воспринимающими горизонтальные нагрузки, являются основания из гравийно-галечных и песчаных грунтов.

Проведенные динамические испытания на реальных мостовых конструкциях также подтвердили достаточно надежную работу винтовых свай под воздействием горизонтальных тормозных сил. Так, на одном из испытаний при торможении тяжелого танка на шестипролетном мосту с опорами на винтовых сваях (завинченных в песчаный грунт в среднем на глубину 1,5 метра) отклонение свай от вертикали в уровне проезда не превышало 1,5 см. При этом испытании был погнут ствол сваи.

Результаты испытаний винтовых свай на горизонтальную нагрузку позволяют сделать следующие выводы:

1. Характер работы винтовых свай на горизонтальную нагрузку зависит от относительной глубины заложения лопасти и грунтовых условий. В случае мелкого заглубления лопасти (2…3 м) свая работает как короткий жесткий стержень, своим поворотом вызывающий только деформацию грунта. При большем заглубления обеспечивается достаточно прочная заделка лопасти в грунте, вследствие чего деформируется не только грунт, но и ствол сваи, а работа винтовой сваи практически не отличается от работы обычной сваи глубокого заложения. Наибольшие горизонтальные нагрузки воспринимают сваи, погруженные в гравийно-галечные грунты.
2. При ребристых стволах свай величина предельного горизонтального давления уменьшается на 30 % вследствие рыхления грунта при завинчивании.
3. При воздействии статических горизонтальных сил несущая способность винтовых свай даже в случае мелкого погружения в два с лишним paзa больше, нежели у обычных забивных свай.

Проведенные динамические испытания также подтверждают надежную работу винтовых свай при воздействии горизонтальных тормозных усилий.

Средства механизации работ

При небольшом объеме работ погружение винтовых свай может осуществляться тросовыми кабестанами с использованием лебедок трелевочных тракторов, автомобильных кранов и тягачей.

Но наилучшим способом зарекомендовали себя гидрокабестаны, способные развить крутящий момент более 100 кНм (10 тсм), и навешиваемые как сменное оборудование на экскаваторы (например, Е-14 (Е-18) с емкостью ковша 0,5 м³) или иную строительную технику. На объекте в Стрельне (при строительстве Шуваловской Деревни) для этих целей был использован колесный экскаватор Е-18. Таким способом было завинчено более 500 свай с диаметром ствола 219 мм и лопастью 1000 мм.

Как альтернатива гидрокабестану разработано одно из наиболее перспективных на сегодня устройств для погружения винтовых свай – механизм завинчивания МВ-85 (выпускается ОАО «Завод Стройдормаш», г. Алапаевск), представляющий собой редуктор с большим передаточным отношением и приводом от гидромотора и устанавливающийся в качестве навесного оборудования на краны, экскаваторы и краны манипуляторы.

На входном вале механизма установлен «патрон» для фиксации винтовой сваи и обеспечения ее свободного перемещения в процессе погружения. Управление механизмом вращения МВ-85 осуществляется с рабочего места оператора.

Для перемещения механизма вращения МВ-85 и сваи на точку погружения и отслеживания вертикального перемещения «патрона» применяется кран манипулятор с грузовым моментом 300 кН, установленный на шасси автомобиля Урал-4320. Имеется возможность установки МВ-85 и на другие виды кранов, экскаваторов и манипуляторов. Для случаев, когда необходимо бурение лидерных скважин под винтовые сваи или выполнение других видов буровых работ, конструкторской службой завода «Стройдормаш» предложено комплексное решение – универсальная бурильная машина УБМ-85, которая может выполнять шнековое бурение и завинчивание свай.

Механизм вращения МВ-85 успешно применялся при возведении фундаментов под опоры контактной сети железных дорог в Иркутске, где было завинчено более 500 свай, в Республике Беларусь (под фундаменты башен сотовой связи погружено более 200 свай). Планируется использование МВ-85 и для строительства линии ВЛ 220 кВ «Южное – Хыльчую – Варандей», протяженностью свыше 300 км.

Винтовые сваи в малоэтажном строительстве

Винтовые сваи малых диаметров привлекательны для возведения фундаментов в малоэтажном (дачном и коттеджном) строительстве. Их преимущество в сравнении с другими видами фундаментов не только в сокращении сроков работ (до нескольких дней), но и конкурентоспособной цене [2]. Фундамент на винтовых сваях малого диаметра обходится заказчику в 1,5–2 раза дешевле, чем ленточный, не говоря уже о монолитной плите. В Ленинградской области (п. Мельничный Ручей, г. Всеволожск, п. Барышево, целом ряде садоводств), пригородах Петербурга, и непосредственно в самом городе на винтовых сваях построено немало домов – как «обычных», так и элитных (один из примеров упоминавшаяся выше расположенная за Константиновским дворцом Шуваловская Деревня в Стрельне).

Оптимальным вариантом для фундаментов бревенчатых, панельных и каркасных домов являются сваи малого диаметра с лопастью 300 мм и стволом 108 мм. Они не требуют применения строительной техники, их вполне по силам завинтить вручную четырем рабочим [5].

Необходимо отметить, что винтовые сваи малого диаметра обладают достаточно большой несущей способностью, что наглядно доказывают графики испытаний свай на выдергивание, приведенные на рис. 3.

Рис. 3. График испытания свай на выдергивание в водонасыщенном песке.

Использование винтовых свай при возведении мостов

Эффективным является применение винтовых свай при возведении мостов. При существующих технологиях и имеющихся средствах механизации в дорожных и железнодорожных войсках, строительство опор мостов занимает до 70 % времени от общего срока возведения мостового перехода. Одним из направлений резкого сокращения сроков восстановления (нового строительства) мостов может быть использование винтовых свай в инвентарных фундаментах в виде свайно-винтовых и рамно-винтовых опор, при наличии соответствующих средств механизации и разработке передовых технологий скоростного восстановления и строительства.

В Военной академии тыла и транспорта имени генерала армии А. В. Хрулева, начиная с 1965 года и по настоящее время, выполнен целый ряд экспериментально-теоретических исследований в области винтовых свай с целью применения их как в военном мостостроении, так и в других отраслях строительства.

В настоящее время в автодорожных и железнодорожных войсках внедрены следующие конструкции винтовых свай и механизмов.

В автодорожных войсках:

• свайно-винтовые ростверки для автодорожных разборных мостов САРМ (средний), САРМ-М, БАРМ (большой) и МВБ (мост вантово-балочный);
• установки для завинчивания свай УЗС;
• изготовлен и испытан опытный образец рамно-винтовой опоры.

(Кроме того, разработаны «Технические указания по проектированию инвентарных фундаментов опор автодорожных разборных мостов с применением винтовых свай»; «Ростверки на винтовых свах», МО. Москва. 1982; «Рекомендации по изготовлению и устройству винтовых анкеров для закрепления наплавных мостов при больших скоростях течения» ВАТТ, Ленинград, 1981 (опыт закрепления наплавных мостов через р. Аму-Дарья)).

В инженерных войсках:

• в содружестве с институтом им. Карбышева запроектированы, изготовлены и внедрены винтовые сваи в подводный мост «Пролет» и механизмы завинчивания (гидрокабестаны с крутящим моментом 3,5 тсм). Использование винтовых свай в подводном мосту позволило добиться темпа надвижки 100 м в час и повысило надежность его эксплуатации, а также живучесть.

В железнодорожных войсках:

• в содружестве с 43 м отделом в/ч 25967 и 191 ВНИО разработаны предложения по применению винтовых свай для временного и краткосрочного восстановления железнодорожных мостов, в частности, для возведения эстакады РЭМ-500, подъемных опор наплавного моста НЖМ-56, опор для подъемки обрушенных пролетных строений и различного рода анкерных устройств;
• в настоящее время выпускаются рамно-винтовые опоры (РВО), используемые в наплавных мостах (НЖМ-56).

Литература

1. В. Н. Железков. Монография. Винтовые сваи в энергетической и других отраслях строительства. СПб изд. дом Прагма, 2004 г. – 128 с.
2. С. Н. Петухов. Фундаменты на винтовых сваях для малоэтажного строительства. Отдельный выпуск.
3. Л. И. Кочановская, В. Н. Железков, В. В. Мищенко. Закрепление опор ВЛ с применением винтовых анкеров и свай. Журнал «Электрические станции» № 9, 2001 г. 41–45 с.
4. В. Н. Железков, Г. В. Сиволобов, Б. А. Иванов. Закрепление опор ВЛ и контактной сети железных дорог с применением винтовых конструкций в обычных и вечномерзлых грунтах. Основания и фундаменты: теория и практика. Межвузовский тематический сборник трудов. С-Петербург, 2004 г. 67–76 с
5. С. Н. Петухов, В. Н. Железков. Винтовые сваи, конструкции. Журнал «Мастер клуб» №5/6 2002 г. 17–22 с. и 31–34 с.