Винтовые сваи — все, что вам нужно знать

Спиральные сваи: новейшее решение для глубокого фундамента двухвековой давности

Что такое винтовая свая?

Винтовая свая — это решение для глубокого фундамента, подходящее для поддержки легких и тяжелых конструкций. Они спроектированы так, чтобы выдерживать сжимающие нагрузки менее 1 кН (225 фунтов) или более 5,000 кН (1.125 миллиона фунтов) — от небольшой лестничной площадки до 32-этажной башни, спиральные сваи являются опцией. Другое распространенное название винтовых свай — «винтовые сваи».

Винтовая свая состоит из круглого стального вала и одной или нескольких винтовых опорных лопастей, приваренных к валу. Длина, толщина и диаметр ствола зависят от нескольких факторов, а также от количества, толщины и диаметра винтовых свай. Независимо от размеров спираль должна быть сформирована с постоянным шагом (в плоскости или под углом), чтобы обеспечить надежную конструкцию и методы установки, соответствующие общепринятым инженерным нормам.

Какова история винтовых свай?

Спиральные сваи часто считаются новичком в этом районе, и местная инженерная сеть, возможно, не получила достаточного обучения или знаний по проектированию, установке или общим инженерным принципам, характерным для винтовых свай. Однако винтовые сваи имеют почти двухвековую историю использования. Изобретенные в 1830-х годах в Великобритании Александром Митчеллом, винтовые сваи были впервые спроектированы для поддержки морских сооружений, таких как маяки и причалы для лодок в океане.

В конце 1800-х и начале 1900-х годов вдоль восточного побережья Северной Америки на винтовых сваях были построены сотни маяков – примечательно, что некоторые из них стоят до сих пор.

Есть несколько проектов, где почвенные условия оказались бы более сложными, чем строительство в океане. Поняв, что винтовые сваи хорошо себя зарекомендовали в таких сложных условиях, инженерное сообщество в конце 1800-х годов начало использовать спиральные сваи на материке.

В начале 1900-х почти все варианты глубокого фундамента требовали много труда для установки, и винтовые сваи не были исключением. Подставки для крышек были построены и приводились в действие многими людьми или животными, которые вращались по кругу, чтобы продвигать спиральные сваи. К 1920 году был доступен новый и гладкий паровой копер, который сделал его очень эффективным для того времени, чтобы поднимать и сбрасывать тяжелые грузы, чтобы забивать древесину в землю. В результате спиральные сваи, популярность которых на тот момент росла, потеряли популярность и были заменены более простыми методами забивки свай.

Действительно появился вариант винтовых свай, известный сегодня как грунтовый анкер. Коммунальный сектор быстро расширялся и требовал боковой поддержки опор ЛЭП с растяжками, закрепленными анкерами. Винтовые сваи были хорошо известны своей способностью выдерживать сжимающие и растягивающие нагрузки, но, как упоминалось выше, их установка была трудоемкой. Коммунальный сектор обнаружил, что если они значительно увеличили шаг спирали, их стало намного проще устанавливать. Способность грунтового анкера по сравнению со спиральной сваей выдерживать сжимающие нагрузки была значительно снижена, поскольку инженерное сообщество обнаружило, что грунтовые анкеры склонны к самодвижению при сжатии.

После нескольких десятилетий сокращения использования винтовые сваи снова стали жизнеспособным вариантом, когда на рынок вышли гидравлические и планетарные передачи, а также приводы с высоким крутящим моментом. Постепенно спиральные сваи вернулись на рынок фундаментов глубокого заложения.

В 2011 году, когда я исследовал спиральные сваи и рассматривал возможность создания бизнеса по контракту с винтовыми сваями, я узнал, что Инженерный корпус армии США включил винтовые сваи в свое руководство по проектированию фундаментов еще в 1980-х годах. Спиральные сваи широко использовались в 2011 году на рынке легких жилых домов, а также на противоположном конце шкалы в энергетическом секторе сверхвысокой мощности и высокой ответственности. За два года до того, как я вышел на рынок винтовых свай, Говард А. Перко, доктор технических наук, инженер по специальности, опубликовал очень подробное инженерное руководство «Винтовые сваи — Практическое руководство по проектированию и установке».

Перенесемся в 2021 год: за последнее десятилетие винтовые сваи выросли в геометрической прогрессии на различных рынках. Теперь вы увидите винтовые сваи в Международных строительных нормах и правилах, а авторитетный специалист по сваям, Институт глубоких фундаментов (DFI), собрал группу из 50 экспертов по винтовым сваям и выпустил «Руководство по проектированию винтовых свай». Принципы Perko и DFI по проектированию и установке винтовых свай хорошо дополняют друг друга и уже миллионы раз применялись и проверены в Северной Америке и во всем мире.

Как проектируются винтовые сваи

При проектировании любого фундамента рекомендуется проектировать самое слабое звено, которым преимущественно является грунт, и поэтому настоятельно рекомендуется начинать с геотехнического исследования и анализа. Вооружившись данными о грунтах, инженер-геотехник, используя эмпирические методы, изложенные в руководствах DFI и Perko, а также в руководствах по проектированию фундаментов в разных странах, может надежно спроектировать винтовые сваи в соответствии с проектными критериями.

Преимуществом винтовых свай является повышенная предсказуемость характеристик благодаря эмпирической взаимосвязи между крутящим моментом при установке и емкостью грунта. Взаимосвязь между крутящим моментом при установке и грузоподъемностью очень надежна, но, когда ответственность высока, она не заменяет геотехнические исследования. Хорошим сравнением будет установка забивной сваи, чтобы противостоять определенной силе, что делает их надежной сваей с точки зрения производительности — опять же, усилие установки не заменяет геотехнических исследований. Когда грузоподъемность и обязательства невелики, например, жилой настил, было бы редко оправдывать стоимость геотехнического исследования, и в этой ситуации инженер может спроектировать винтовые сваи в соответствии с крутящим моментом при установке.

Большинство вариантов свай просты по конструкции, если сравнивать их со спиральными сваями. Представьте, что перед вами доска с циферблатами, которые вы можете поворачивать вверх или вниз. Ваши циферблаты для проектирования сборной железобетонной сваи – это просто диаметр и длина сваи; это довольно просто. Для винтовой сваи доска имеет несколько циферблатов, диаметр вала, толщину вала, длину вала, количество витков, диаметр витков, толщину витков, а также. Таким образом, винтовые сваи вполне индивидуальны, и опыт инженера-проектировщика в области технологии действительно сыграет важную роль в получении наиболее эффективной сваи на месте, которая будет соответствовать окончательному проекту и силам, которые будут возникать во время установки.

Как устанавливаются винтовые сваи

Сегодня винтовые сваи устанавливаются с широким спектром гидравлического оборудования. Винтовые сваи малой грузоподъемности устанавливаются с переносными гидравлическими торсионами или башнями, мини-погрузчиками, мини-погрузчиками, мини-экскаваторами, средними экскаваторами и шнековыми тележками коммунального сектора (Digger Derricks). Винтовые сваи большой грузоподъемности устанавливаются в основном на 15-тонных и более экскаваторах, но иногда и на модифицированных буровых установках или специальном оборудовании.

Выбранная машина должна подходить для анкерного привода, который будет вращать сваю в земле. Сопротивление качанию, вспомогательный гидравлический поток и давление, вылет, усилие отрыва и осевое усилие, направленное вниз, будут играть роль в обеспечении правильной установки винтовой сваи. Спиральные сваи большой грузоподъемности, как правило, устанавливаются на отказ, машина, такая как мини-погрузчик, не будет иметь осевого усилия, направленного вниз, чтобы винтовая свая вгрызалась в твердые слои, такие как тилл – в мягкий тил особенно трудно проникнуть без надлежащей машины.

Популярным изображением является спиральная свая средней грузоподъемности, устанавливаемая с помощью такой небольшой машины, как мини-погрузчик или гусеничный погрузчик. Круто, что сваю можно установить с помощью такого небольшого оборудования, но это не обязательно правильное оборудование. Погрузчик с бортовым поворотом по своей конструкции предназначен для подъема, им не хватает сопротивления качению и силы, необходимых для точной и правильной установки винтовых свай во многих ситуациях, и это может привести к тому, что сваи будут находиться вне отвеса и во время установки будут продавливать почву. В идеале винтовая свая находится в пределах 2 градусов по отвесу и устанавливается таким образом, чтобы свая выдвигалась прямо пропорционально шагу винтовой лопасти, затрагивая наименьшее возможное количество почвы. Экскаваторы предназначены для копания и гораздо более способны применять направленное вниз усилие для достижения профессиональной установки. Хойт и Клеменс протестировали винтовые сваи, установленные непрофессионально, и сваи, установленные с помощью надлежащего оборудования профессиональным образом, в том же грунте и на той же глубине, однако разница в характеристиках при растяжении составила 50%!

Когда обязательства высоки, добавление подтверждающих испытаний под нагрузкой на месте еще больше повысит уверенность в конструкции и установке. Площадка, на которой сваи проходят испытания под нагрузкой, может привести к более компактной конструкции, основанной на фактических характеристиках свай.

Дополнительным шагом, который мы также можем увидеть на объектах с более высокой ответственностью, является присутствие стороннего инженера для наблюдения за установкой. Если вы работаете с подрядчиком по установке винтовых свай, с которым у вас нет налаженных отношений, рекомендуется наблюдать за установкой и убедиться, что сваи не задевают грунт и достигаются требуемые крутящие моменты при установке.

Отчет о забивке с указанием достигнутой глубины, крутящего момента и любых наблюдений, которые могут относиться к характеристикам, всегда должен составляться подрядчиком по установке винтовых свай, независимо от типа проекта.

Пример установки винтовых свай малой грузоподъемности для нагрузки 22 кН (5000 фунтов).

Чтобы просмотреть пример установки винтовых свай для обработки почвы в Виннипеге, штат МБ, для большого индивидуального дома, щелкните эту ссылку: https://youtu.be/koP0mgNto_U

Преимущества винтовых свай

Популярность винтовых свай растет в геометрической прогрессии благодаря множеству преимуществ, которые они предлагают. Короче говоря, винтовые сваи представляют собой очень универсальный глубокий фундамент, и эта универсальность приводит к длинному списку преимуществ, включая, помимо прочего:

Эффективная установка примерно за 30 секунд на погонный фут сваи на типичной проектной площадке;
Возможность мгновенной загрузки свай – без прогрева и складирования зимой;
Они чистые – нет предварительного бурения или хвостов/отвалов, свая просто заглублена в землю;
Простота восстановления проектной площадки — винтовые сваи можно легко демонтировать, использовать повторно или переработать;
Тихая установка с низким уровнем вибрации не будет беспокоить соседей или дикую природу;
Установка с помощью меньшего и более маневренного оборудования, чем традиционные сваи, означает экономию на мобилизации и более легкий доступ к проблемным участкам проекта;
Удлинение винтовых свай выполняется быстро и экономично: вместо потенциально экспоненциально более высоких затрат на углубление винтовые сваи пропорционально дороже;
Способность без проблем проходить водонасыщенные, рыхлые и осыпающиеся слои грунта;
Превосходная устойчивость к морозному пучению;
Хорошо работают на растяжение и сжатие;
Может быть выполнен в виде плавающей сваи или установлен до упора в качестве торцевой несущей сваи;
Могут быть оцинкованы, утолщены или дополнены анодными системами, чтобы увеличить срок службы свай на века;
Легко модифицируется в полевых условиях, чтобы соответствовать непредвиденным условиям площадки (пример: спираль может быть уменьшена в диаметре, если плотность почвы выше прогнозируемой);
Различные методы установки и оборудование позволяют устанавливать винтовые сваи под существующими конструкциями или в местах с очень ограниченным доступом;
Легкий вес и удобство транспортировки;
Для винтовых свай можно спроектировать широкий спектр оголовков и переходов, поддерживающих практически любую балку или конструктивный элемент;
Возможность установки в мороз для эффективного зимнего строительства;
Эмпирическая зависимость между установочным крутящим моментом и грузоподъемностью означает предсказуемость производительности;
Возможность удалить сваю означает, что вы можете переместить сваю, которая сталкивается с препятствием, таким как валун, вместо того, чтобы бросить ее;
Возможность изменить многие аспекты дизайна часто приводит к тому, что свая с ценной инженерией является эффективной и действенной;
Установка на бэттер для борьбы с большими боковыми силами или для совмещения свайных группировок в стесненных условиях; а также
Другие преимущества не указаны.

Читайте также:

Установка и утепление мансардных окон

Недостатки или ограничения винтовых свай

В мире глубоких фундаментов нет серебряных пуль, и винтовые сваи не исключение. Преимущества винтовых свай многочисленны, но некоторые из ограничений или недостатков включают, но не ограничиваются:

Спиральные сваи не часто включаются в обычную учебную программу для инженеров-строителей или инженеров-геотехников, и поэтому опыт работы с винтовыми сваями считается нишевым;
Универсальные руководства доступны, но не всегда используются, что приводит к тому, что производители полагаются на собственные данные, которые часто не испытываются в широком диапазоне условий грунта (этого избегают, настаивая на общепринятых инженерных принципах для винтовых свай);
Существование других вариантов винтовых свай, таких как шнековые или утиные сваи, грунтовые анкеры и грунтовые винты, вносит путаницу на рынок, эти сваи не имеют стандартной конструкции, а универсальные инженерные принципы не существуют или не применяются к этим похожим, но очень разным типам винтов. геморрой;
Спиральные сваи не подходят, когда есть неглубокий отказ (непроницаемые очень плотные слои) на высоте 1.5 метра от уровня или ниже;
Понижена предсказуемость крутящего момента и грузоподъемности при установке в валуны, в этой ситуации потребуются нагрузочные испытания;
На производительность может сильно повлиять этика подрядчика по установке винтовых свай, его опыт, технические знания / инженерное образование и используемое оборудование;
Спиральные сваи имеют меньшие стволы по сравнению с другими вариантами свай, что приводит к более низкому сопротивлению боковым и/или изгибающим силам (это можно преодолеть с помощью различных стратегий, включая оголовки свай, более крупные стволы у поверхности, ростверки или сваи с ударным сопротивлением);
Когда сваи должны быть установлены через очень плотные слои для достижения желаемой глубины установки, может потребоваться конструкция винтовых свай более прочная, чтобы противостоять крутящим моментам при установке, или может потребоваться предварительное бурение;
Винтовые сваи не могут проникнуть в коренную породу;
Требуется качественная прокатная сталь и сертифицированные сварные швы; а также
Другие недостатки по сравнению с альтернативными вариантами свай зависят от ряда факторов, таких как наличие стали, знакомство местных инженеров или строительных властей со спиральными сваями и т. д.

Резюме винтовых свай

Универсальность винтовых свай в сочетании с хорошо зарекомендовавшими себя инженерными принципами означает, что винтовые сваи являются отличной стрелой для любого инженера-проектировщика. Спиральные сваи растут в геометрической прогрессии, как и доверие к ним в инженерном сообществе. Спиральные сваи имеют почти двухсотлетнюю инженерную историю с отличными показателями производительности, однако универсальные рекомендации для винтовых свай доступны, но им не хватает соблюдения требований. Важно выбрать сильную команду по установке винтовых свай (подрядчик по установке, опытный инженер и известный производитель), чтобы гарантировать, что все преимущества винтовых свай будут доступны для вашего проекта.

Надеюсь, это дало вам хорошее представление о том, что такое спиральные сваи. Если у вас есть какие-либо вопросы относительно использования винтовых свай в вашем следующем проекте, не стесняйтесь оставлять комментарии ниже, и мы будем рады вам помочь!

Этот пост был представлен Стэном Хиггинсом из VersaPile, Inc. — Подрядчики по спиральным сваям.

Дома на винтовых сваях

Качество вашего дома начинается с его фундамента. Крайне важно выбрать правильную стартовую базу для своего дома, но некоторые люди находят варианты слишком сложными и трудными для понимания. Мы здесь, чтобы сделать этот процесс немного проще, показав вам множество замечательных преимуществ фундамента на винтовых сваях. Возможно, это как раз то, что вам нужно!

Фундамент на винтовых сваях универсален

Дома на винтовых сваях гибки и часто очень разумны в строительстве. Имея так много преимуществ, которые трудно найти в других фундаментах, подумайте о том, чтобы поговорить со своим дизайнером или консультантом по планированию дома о том, что может предложить фундамент на винтовых сваях.

План дома 1490
384 квадратных фута, 1 спальня, 1.0 коттеджа с ванной комнатой

Большинство планов домов имеют плитный, подвальный или подвальный фундамент, но варианты выходят за рамки этого. Фундамент на винтовых сваях, обычно называемый «винтовым», состоит из нескольких больших металлических столбов, надежно вбитых в землю. Эти столбы образуют опору и основу дома.

Фундамент с винтовыми сваями, который обычно используется в небольших постройках, полезен для окружающей среды и экономит деньги. Вы можете получить дом своей мечты без больших затрат! Проведите некоторое исследование на ранней стадии, чтобы увидеть, будет ли это работать для вашей строительной площадки, потому что выбор правильного фундамента также помогает обеспечить своевременную и эффективную сборку. Вы можете обнаружить, что винтовой/винтовой фундамент подходит для многих ваших любимых типов домов.

Винтовые сваи могут снизить воздействие на окружающую среду

Многие домовладельцы любят фундаменты с винтовыми сваями из-за того, насколько они снижают воздействие строительства на окружающую среду. Другие фундаменты требуют рытья, что вызывает разрушение почвы. В некоторых крайних случаях это может привести к усилению эрозии и стока почвы, что наносит ущерб окружающей экосистеме.

Благодаря своей простоте фундаменты на винтовых сваях минимально травмируют почву и прилегающие территории. Вам даже не нужно привозить тяжелую технику. Для установки винтовой сваи требуется только небольшая машина, которая помещает опорные стержни в землю. И в качестве дополнительного преимущества эта основа помогает сохранить естественную красоту вашего участка, поэтому вам, возможно, не понадобится так много ландшафтного дизайна позже.

План дома 1429
2,392 квадратных фута, 5 спален, 3.1 ванных комнаты, пляжный дом

Многим домам вокруг пляжей и заболоченных территорий требуется фундамент на винтовых сваях. Такой фундамент идеально подходит для районов, подверженных эрозии или наводнениям, и позволяет построить дом вашей мечты там, где другие фундаменты не выдержат испытания. Итак, приступайте к пляжному отдыху своей мечты! Знание фундаментов с винтовыми сваями поможет вам опередить игру и приблизиться к идеальному строительству.

Набережные озера – еще одно распространенное место, где можно найти дома с фундаментом из винтовых свай из-за песчаной почвы и более высокого уровня грунтовых вод. THD-1429 (вверху) станет отличным домом на озере или на пляже благодаря спиральному основанию. Здесь достаточно места для семьи и гостей, так что это отличный выбор для круглогодичного проживания и отдыха.

Относительно безболезненная сборка

Чтобы залить бетонный фундамент и дать ему высохнуть, требуется несколько дней, а то и неделя или больше. Этот процесс может показаться вечным при самых лучших обстоятельствах; плохая погода может привести к дальнейшим задержкам. Если вы хотите избежать этой головной боли, фундамент на винтовых сваях можно установить и построить за считанные дни.

Как только стержни находятся в земле, они сразу же могут выдерживать весовые нагрузки. Таким образом, вместо того, чтобы ждать, ваш строитель может сразу приступить к работе! Вы сэкономите время и деньги и переедете быстрее.

План дома 1492
480 квадратных фута, 2 спальня, 1.0 коттеджа с ванной комнатой

Фундаменты на винтовых сваях, как правило, небольшие и компактные. Каждый «винт» имеет установленную производителем нагрузку, которую он может выдержать. Обязательно поговорите со своим строителем о выборе правильной конфигурации для вашего винтового фундамента. Модульная конструкция многих домов с этим типом фундамента позволяет очень легко достраивать и расширять их как сейчас, так и в будущем.

Фундамент на винтовых сваях — проверенный временем способ строительства дома. На самом деле они являются основным выбором для многих строителей и разработчиков. Со всеми этими преимуществами нетрудно понять, почему!

Пока вы ищете свой идеальный дом, подумайте о выборе типа фундамента, которому доверяют проектировщики и строители в вашем регионе, но не забудьте спросить о фундаменте на винтовых сваях! Если у вас есть какие-либо вопросы или вы хотите узнать больше о процессе поиска и строительства дома, сообщите нам об этом. Нам не терпится помочь осуществить вашу мечту.

Кристин имеет более чем десятилетний опыт работы в качестве эксперта по планированию домов и планированию этажей. Помимо предоставления клиентам своего опыта, чтобы помочь им найти и построить дома своей мечты, ее страсть и знания в области жилищного строительства позволяют Кристине направлять семьи и строителей на всех важных этапах от поиска планов до строительства индивидуальных домов, которые соответствуют ожиданиям. сегодняшнего нового владельца дома. Многолетнее знание Кристин различных тенденций и потребностей современного домовладельца сделало ее авторитетным и надежным голосом в онлайн-сообществе по планированию дома.