Свайный фундамент

В статье речь пойдёт о технологии возведения свайных фундаментов. Рассмотрим основные виды свай, выясним, из каких элементов состоят, как они монтируются, для каких условий разработаны. Разберёмся в механике работы свайных фундаментов, осмыслим все «за» и «против».

Если вас интересуют другие типы фундаментов, предлагаем изучить остальные наши статьи на эту тему:

• Как сделать дренаж на участке
• Какой тип фундамента выбрать
• Ленточный фундамент. Часть 1: типы, грунты, проектирование, стоимость
• Ленточный фундамент. Часть 2: подготовка, разметка, земляные работы, опалубка, арматура
• Ленточный фундамент. Часть 3: бетонирование, заключительные операции
• Ленточный фундамент. Часть 4: сборка конструкций из бетонных блоков
• Столбчатый фундамент
• Плитный фундамент

Великое переселение народа, потянувшегося к природе, идёт своим чередом — загородное строительство сейчас переживает настоящий бум. Жители мегаполисов уверенно и планомерно осваивают загородные территории, всё плотнее застраивая их. К сожалению, далеко не всегда нам достаётся понравившийся участок с приемлемым рельефом и «хорошими» грунтами. Оказывается, что все лакомые куски либо кому-то уже принадлежат, либо в этой местности от земли стабильности вовсе ждать не приходится — торф, плавуны или, того хуже, мерзлота какая-нибудь. Но выход, конечно же, есть всегда, в данном случае на помощь пришли технологии промышленного и многоэтажного гражданского строительства — это свайные фундаменты, которые всё чаще применяются при возведении частных домов.

Особенности применения свайных фундаментов

Идея установки сооружений на сваях не новая, технология известна людям уже несколько столетий, но на новый виток развития она вышла во второй половине девятнадцатого века, когда вместо деревянных стоек начали использовать забивные, набивные и винтовые конструкции, выполненные из комбинации стали и бетона. Свайный фундамент имеет свою чёткую специализацию, некорректно было бы говорить о его преимуществах перед другими вариантами организации основания дома и сравнивать их по каким-либо характеристикам. В условиях, для которых он разрабатывался, свайный фундамент не имеет конкурентов, его невозможно надёжно заменить иной конструкцией. Сваи могут использоваться на любых типах грунта, кроме, пожалуй, скальных пород и оснований с очень сильными горизонтальными подвижками, однако, технологически и экономически целесообразно применять их:

• для строительства зданий на участках с высоким уровнем грунтовых вод;
• там, где верхние слои естественного основания характеризуются слабой несущей способностью (торфяники, плавуны), тогда как плотные грунты расположены довольно глубоко;
• при большой глубине промерзания (северные широты, вечная мерзлота);
• на крутых склонах;
• если масса строения слишком велика (например, многоэтажные здания из тяжёлых материалов).

Если рассуждать о технологических и функциональных особенностях свайных фундаментов, то тут можно сформулировать следующие пункты, многие из которых логически следуют один из другого:

1. Универсальность и вариативность (огромное количество технических решений, всегда есть выбор для любых условий).
2. Большая несущая способность.
3. Практически не нужен ручной труд (допустима полная механизации процессов).
4. Индустриализация (возможно использование элементов, полностью изготовленных в заводских условиях, минимизирован «человеческий фактор»).
5. Высокая скорость возведения.
6. Возможность строить в любое время года.
7. Полное отсутствие или минимизация земляных работ.
8. долговечность (особенно применимо к железобетонным конструкциям).
9. относительная экономичность (небольшая материалоёмкость — сниженное потребление бетона, нет необходимости изымать и перевозить большие массы земли).

Принцип работы и конструкция свайного фундамента

Свайный фундамент — это группа свай, расположенных под всем зданием в виде «свайного поля», или под конкретными элементами строения (рядами, «кустами», поодиночке).

В большинстве случаев, в верхней части сваи объединяются в единую систему с помощью ростверка — совокупности балок (ригелей), решётки (рамы) или цельной плиты. Кроме стабилизации отдельных столбов фундамента, ростверк предназначен для равномерного распределение нагрузок здания, поэтому является несущим элементом. В зависимости от того, опирается он на грунт (возможно, даже заглублён), или между поверхностью и балкой/плитой есть зазор, ростверк подразделяют на: низкий и высокий. Низкий ростверк также может участвовать в передаче давления на грунт (пусть и в небольшой степени), но он подвержен силам пучения и не может использоваться на опасных в этом плане грунтах, или под ним устраивают сложные подушки. Высокий ростверк не принимает прямого участия во взаимодействии грунт/здание, поэтому не выталкивается расширяющимися грунтами и не движется «на отрыв» по отношению к сваям. Нельзя сказать, что ростверк является неотъемлемой частью свайного фундамента, так как есть конструкции с единичными оголовками для каждой сваи.

Любая свая представляет собой длинный стержневидный элемент (иногда с расширениями в различных частях), через пяту и боковую поверхность которой на грунт передаются нагрузки от надземной части дома. Конечно, здесь можно провести некую параллель со стойками столбчатого фундамента, вот только закладываются сваи на порядок глубже, и благодаря своей длине (читай: большой суммарной площади боковых поверхностей) действуют на основание, используя ещё и существенную силу трения.

Интересно, что сваи устанавливаются не только строго вертикально, некоторые из них могут располагаться под определёнными углами к отвесной оси, что позволяет повысить пространственную жёсткость всего фундамента, так как часть его элементов по-разному работает на сжатие, изгиб, растяжение. По механике взаимодействия с грунтами сваи разделяют на:

• стойки — прорезают нестабильные слои и подошвой опираются на плотный малосжимаемый пласт с хорошей несущей способностью (гравий, скальные породы);
• фрикционные (сваи трения, висячие) — при забивании уплотняют грунт в рабочей зоне и предают нагрузку на слабое основание только за счёт сил трения, опорное действие нижнего конца сваи незначительно.

Заглубляются сваи различными способами, поэтому по технологии погружения в грунт сваи разделяют на несколько классов, которые могут охватить, так сказать, основной ассортимент выбора в гражданском строительстве:

1. Забивные сваи — готовые элементы, которые устанавливаются в естественное основание без выемки грунта, путём их вдавливания, вибропогружения, забивания молотами.
2. Набивные сваи изготавливаются на строительной площадке путём заполнения скважины бетонной смесью. Скважина может быть как пробуренной, так и отжатой (вытеснение и уплотнение).
3. Винтовые сваи представляют собой стальные трубы с лопастями в нижней части. Они ввинчиваются в грунт, после чего заполняются изнутри бетонной смесью.
4. Сваи-столбы — готовые изделия погружаются в пробуренную скважину.
5. Сваи-опоры — готовые изделия устанавливаются на дне котлованов, в шурфах или траншеях, после чего фиксируются обратной засыпкой.
6. Инъекционные сваи получают, закачивая в грунт мелкозернистый бетон под высоким давлением.
7. Кессонные (погружаемые, колодезные) сваи утапливаются в основание под собственным весом или с применением дополнительной огрузки. Параллельно с погружением изнутри оболочки выбирается грунт.

Некоторые методы погружения свай предусматривают использование различного вида оболочек, которые могут выполнять определённую роль. Так, для неглубоких буронабивных свай активно применяются неизвлекаемые трубы из рубероида, являющиеся и гидроизоляцией подземной части, и опалубкой наверху. В технологии вертикально перемещаемой трубы оболочка выступает опалубкой, она удаляется из выемки параллельно с монолитными работами. Трубобетонные и сваи-трубы имеют оболочку, которая выполняет несущую функцию. Большинство свайных стволов оболочками не оборудуются — имеем прямой контакт «бетон/грунт».

Материалы для изготовления свай применяются самые традиционные:

1. Деревянные сваи начали использоваться одними из первых, и нужно сказать, что вполне успешно. Например, при строительстве опор мостов в Санкт-Петербурге применяли брёвна хвойных пород древесины диаметром 20–40 см, некоторые из которых неплохо сохранились до нашего времени. На сухих грунтах деревянные сваи могут долгое время нормально выполнять свою функцию, тем более с новыми видами обработки, но тягаться в долговечности с ЖБ изделиями они, конечно, не способны.
2. Железобетонные сваи самые популярные на данный момент. Это готовые изделия длиной от 3 до 12 метров, чаще всего они имеют сплошное квадратное сечение (от 20x20 до 40x40 см), хотя есть и другие варианты — круглое, призматическое, треугольное, сложное. Арматурный каркас для готового изделия ЖБИ необходим, в основном, чтобы выдерживать изгибающие нагрузки, но для забивного погружения металл также помогает противостоять ударным нагрузкам, поэтому на концах сваи количество поперечной конструкционной арматуры увеличено.
3. Бетонные сваи не имеют армирования по всему телу, но в верхней части стальные каркасы применяются.
4. Бутобетонные сваи могут содержать в своей массе до 30% бутового камня.
5. Металлические сваи представляют собой трубы круглого или прямоугольного сечения.
6. Довольно распространены комбинации различных материалов, например, стальная труба винтовой сваи заполняется бетоном, или на деревянное бревно насаживается металлический наконечник с лопастями.

Конкретный вид сваи и технологию её погружения выбирают в зависимости от многих факторов, основными из которых являются:

• масса и конструкция здания;
• несущая способность каждого элемента свайного фундамента;
• характеристики естественного основания;
• условия работы на стройплощадке (высокая плотность застройки, стеснённость …).

Несмотря на то, что в частном строительстве используются далеко не все перечисленные выше сваи, чаще всего для решения определённой задачи подходит несколько вариантов свайных фундаментов, тогда из доступных выбирают наиболее выгодный экономически. О них мы далее и поговорим.

Возведение свайного фундамента

Строительство свайного фундамента начинается с тех же самых подготовительных операций, что и при создании любого другого. Рабочая зона очищается от растительности и снимается слой дёрна, подготавливаются подъездные пути, выполняются операции водоотвода и водопонижения, в полном объёме завозятся материалы и решаются прочие логистические вопросы. Далее в натуру выносятся отметки осей здания и места расположения каждой скважины. Подробно подготовительную стадию нулевого цикла мы описали в статье «Ленточный фундамент. Часть 2: подготовка, разметка, земляные работы, опалубка, арматура».

Естественно, предварительно на участке проводятся инженерно-геологические изыскания, на основании которых выявляются все основные свойства имеющихся грунтов — их послойный состав, несущая способность (сжимаемость), степень и характер увлажнения (водный баланс). Параллельно с геологоразведкой рассчитывается эксплуатационная нагрузка от надземной части здания, которая будет прилагаться к грунтам.

Отдельное внимание уделяется условиям производства работ. Такие нюансы, как наличие поблизости других зданий, которые могут быть повреждены, или стеснённое пространство на стройплощадке, могут кардинально повлиять на выбор конкретной технологии.

Полученные данные рассматриваются в комплексе, они станут отправной точкой при разработке проекта свайного фундамента. Конструирование свайного фундамента будет заключаться в следующих моментах:

• определение несущей способности грунта и нагрузок от строения;
• выбор типа (сечение, материал, конструкция) свай;
• рациональный выбор технологии погружения (в том числе специфика оборудования);
• расчёт необходимого количества свай и характера их расположения;
• расчёт глубины погружения;
• проектирование ростверка (высота/глубина заложения, материал, сечение);
• моделирование работы фундамента — сравнение возможных деформаций с допустимыми;
• экономическое обоснование.

По мере развития цикла статей, мы неоднократно затрагивали проблемы разработки фундаментов и там, где возможно, давали практические рекомендации на этот счёт: «Ленточный фундамент. Часть 1: типы, грунты, проектирование, стоимость» или в разделе «Проектирование столбчатого фундамента» предыдущей публикации «Столбчатый фундамент». В случае со свайными фундаментами ситуация обстоит намного сложнее, в первую очередь, из-за того, что, раз уж мы выбрали и начали рассчитывать сваи, значит мы по определению имеем дело с очень проблемными грунтами и сравнительно тяжёлым домом. Поэтому поручить создание рабочего проекта лучше специализирующимся на этом организациям, которые для расчётов используют моделирующие компьютерные программы и руководствуются действующими ГОСТами.

Погружение готовых свай

Мы уже отмечали, что сваи, которые производятся в заводских условиях (как правило, это изделия ЖБИ) и уже в готовом виде погружаются в основание, называются забивными. Этот вариант свайного фундамента отличается повышенной несущей способностью, так как грунт возле ствола уплотняется. Побочным эффектом вытеснения грунта можно считать возникающее динамическое напряжение в основании, как следствие, ряд ограничений по условиям производства работ. Вообще, индустриальность заводских свай (в отличие от набивных) обеспечивает всепогодность и высокий темп строительства фундамента, удобство логистики, малую зависимость от водонасыщенности грунтов, высокую несущую способность (из-за уплотнения) и небольшую материалоемкость.

Процесс забивки свай в грунт осуществляется с помощью массивных молотов (масса ударной части от 1,5 до 9 тонн), установленных на тяжёлой самоходной технике. Обычно используются гидравлические и тросовые экскаваторы, гусеничные краны, которые имеют поворотную направляющую мачту и перемещающийся по ней дизельный, механический или гидравлический молот. В качестве сваебойного оборудования также могут применяться вибропогружатели и вибромолоты, вдавливающие установки.

Цикл погружения забивной сваи выгладит следующим образом: машина захватывает сваю и подтаскивает её — свая поднимается и заводится в раму копра — ударная часть молота воздействует на изделие и забивает его в грунт. Способов воздействия несколько.

Если применяется дизельный молот, то тут основная работа осуществляется циклично, по принципу ДВС (ударник сбрасывается с высоты, происходит воспламенение топливной смеси, подъём молота осуществляется за счёт отдачи).

Опускание и подъём рабочей части гидромолота происходит за счёт гидравлики — сбрасывания и отдачи нет, что позволяет тонко регулировать частоту и усилие забивания.

Тяжёлые вибропогружатели закрепляются на оголовке сваи и сообщают ей колебания, направленные вдоль оси её ствола. Работа вибрирующего оборудования осуществляется за счёт гидростанции или электрического двигателя с эксцентриковым механизмом.

В конструкции вдавливающих машин СВУ основными элементами являются: гидроцилиндры рабочего хода и хода обратного движения, а также грузовая рама для навешивания анкерного груза. Принцип действия таких установок — приложение постоянного статического давления.

Ударная забивка свай по праву считается самым быстрым и недорогим методом погружения (примерно от 300 рублей за погонный метр), однако, он сопровождается значительным уровнем шума и вибрации грунта, поэтому не может использоваться в условиях плотной застройки или, например, в оползневых зонах. Ещё один важный момент — нужна довольно крупная площадка (где-то 15x35 метров).

Заглубление свай вдавливанием применяется, если строительная площадка располагается в исторической части города, вблизи ветхих или аварийных строений, на подвижных грунтах. Несомненным плюсом вдавливания является высокая точность погружения сваи, сохранение целостности её оголовка, возможность замера несущей способности каждого элемента фундамента в реальном времени, компактность (можно работать в стеснённых условиях — площадка размером 10x10 метров, до ближайшего строения — от 1 метра). Вдавливанием могут погружаться также угловые и боковые сваи. Данная технология несколько дороже — примерно, от 800 рублей за метр погонный.

Принципы силового погружения готовой сваи мы рассмотрели, это, так сказать, основное действие. Однако нужно заметить, что перед началом массового погружения скважин на площадке устанавливаются пробные сваи, которые после выдержки в несколько дней (от 1 до 10, в зависимости от характеристик грунта) подвергаются опытным испытаниям. Свая либо ударяется молотом (динамический метод), либо ступенчатым образом нагружается (статический метод), после чего производятся замеры осадки. Целью данного этапа является определение фактической несущей способности каждого элемента свайного фундамента. На основании полученных результатов, либо подтверждаются проектные расчёты, либо производится корректировка длины, сечения, количества, системы расположения свайного поля.

Для оптимизации процесса погружения готовых свай может применяться лидерное бурение. Эта процедура позволяет снизить нагрузки на грунт, уменьшить шумы и вибрацию, применять более длинные скважины, пройти песчаные слои толщиной более 2 метров. Скважины имеют диаметр меньший, чем сечение ЖБИ изделия, они по глубине на 0,5–1 метр не доходят до расчётной отметки погружения сваи.

Если свая во время погружения стопорится (явление называется «отказ»), то излишек её надземной части удаляют, а заглублённая часть испытывается на соответствие проектной несущей способности. При получении неудовлетворительных результатов, поблизости устанавливается дополнительная, дублирующая свая.

После создания свайного поля бетон всех свай срезается по одной высоте, элементы арматурного каркаса могут сохраняться и отгибаться для перевязки с конструкцией ростверка.

Выбирая организацию для возведения свайного фундамента, в обязательном порядке необходимо учесть характеристики оборудования подрядчика — массу (удельное давление ходовой части на основание), особенности молота.

Изготовление набивных свай

Набивные сваи производятся из бетона прямо на строительной площадке. Такие фундаменты сложнее в изготовлении и дороже (от 23000 рублей за кубический метр), во время возведения они сильно зависимы от погодных условий и водного баланса грунта. Плюсом монолитных свай можно считать возможность строительства вблизи зданий, а также внутри строений (для реконструкции, усиления фундамента). Кроме того, появляются варианты не применять на участке тяжёлую технику — иногда можно обойтись моторизованным или даже ручным буром (если проектный диаметр до 30 см). Добавим, что при организации расширения пяты удаётся существенно повысить несущую способность сваи и фундамента в целом. Принципиально процесс возведения распространённой буронабивной сваи состоит из следующих операций:

1. С помощью шнека с забурником в грунту изготавливаются скважины. Есть много вариантов получения скважины ударным способом — путём вытеснения грунта вибротрамбованием, забиванием извлекаемых/неизвлекаемых оболочек.
2. В скважину помещается арматурный каркас.
3. Домкратами в полость заводят бетонолитную трубу, сверху на которую устанавливается приёмная воронка.
4. Бетон подаётся в скважину, труба по мере заполнения скважины извлекается.
5. Бетон уплотняется механическим трамбованием, пневмо- или гидропрессованием.
6. Формируется оголовок сваи (инвентарный кондуктор).
7. Свая отстаивается до полного затвердевания бетонной смеси.
8. При необходимости, оголовки свай обрезаются до проектной высоты.

Для большинства стадий производства набивных свай можно применить СНиП 3.02.01–87 «3емляные сооружения, основания и фундаменты» и СНиП 3.03.01–87 «Несущие и ограждающие конструкции». Много полезного вы сможете найти в нашей статье «Столбчатый фундамент», а также «Ленточный фундамент. Часть 3: бетонирование, заключительные операции».

Винтовые сваи

Этот тип свай стоит особняком, так как является полноценным классом по конструкции и способу погружения. Винтовая свая представляет собой стальную трубу (диаметр 50–300 мм, толщина стенки от 3–6 мм, длина цельного изделия до 12 метров) с заострённым концом, к телу которой приварена специальная лопасть, а к торцу надземной части — металлический оголовок. Многие производители покрывают свои изделия антикоррозийными составами на основе эпоксидных смол, срок службы качественных винтовых свай заявляется ими, как «150 лет и более».

Технологическими и функциональными достоинствами фундаментов на винтовых сваях принято считать:

• высокую скорость возведения;
• безударное погружение;
• возможность ручного монтажа;
• точность установки;
• отсутствие земляных работ;
• сейсмоустойчивость;
• высокую сопротивляемость силам морозного пучения (гладкая боковая поверхность с малой суммарной площадью).

Монтируются винтовые сваи ввинчиванием, причём применение дополнительно действующей вертикально огрузки не является обязательным. Поэтому погружение винтовой сваи может производиться мотоинструментом или даже вручную. Если необходимо (песчаные прослойки, большая глубина), может применяться лидерное бурение вспомогательных скважин. Также как и забивные сваи, этот способ погружения позволяет уплотнить грунт вокруг ствола. В зависимости от диаметра изделия, площади лопасти, толщины стенок, каждая свая может выдерживать давление от 1 до 30 тонн.

Установленные сваи изнутри заливаются бетоном прочностью от М300 и выше. Для улучшения несущей способности полость крупной трубы может армироваться стальным каркасом.

После установки всего свайного поля, тела винтовых свай подрезаются по высоте, на них монтируются и провариваются оголовки необходимой конструкции, которая зависит от типа ростверка (для бруса или первого венцового бревна, для железобетонной перемычки, для монолитной плиты).

Примерно так мы видим современные свайные фундаменты. Конечно, описать удалось далеко на все типы свай, но для того, чтобы понять, в каком направлении двигаться и в результате сделать правильный выбор, информации должно хватить. Следующий на очереди у нас плитный монолитный фундамент.

рмнт.ру