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 К₁и К₂ вычисляются 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.

Таблица 1. Величины сопротивления винтовых свай горизонтальной нагрузке при перемещении сваи на 2 см

Вид грунта Глубина завинчивания (м) Сопротивление основания свай (Рг) Диаметр винтовой сваи (м) 0,6 0,8 Суглинистый 1,5 1,5 2,0 2,5 2,0 2,5 3,5 - 4,25 Песчаный 1,0 0,8 1,25 1,5 2,25 3,3 2,5 3,0 4,6 Гравийно-галечный 1,5 2,8 2,5 2,5 5,0 6,5

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.