Свайные фундаменты: новые возможности строительства на проблемных участках

Свайные опорные конструкции представляют собой прогрессивную альтернативу традиционным монолитным фундаментам и открывают новые перспективы для создания зданий и сооружений на нестабильных, малосвязных и обводненных грунтах, а также в условиях плотной застройки. Рассмотрим преимущества создания фундаментов на забивных и буронабивных сваях.

История использования свайных опорных конструкций

Деревянные забивные сваи применялись в строительстве с древних времен, однако использование свайных фундаментов современного типа стало популярным лишь после начала производства железобетона в конце XIX века. Железобетонные сваи забивного типа стали альтернативой классическим монолитным фундаментам, позволяя в короткие сроки воздвигать мощные опорные конструкции без проведения масштабных земляных работ. В процессе совершенствования фундаментной спецтехники для ввода свай в грунт начала использоваться вибрация, вдавливание и комбинированные методы.

Прорывом в свайном фундаментостроении стало изобретение А.Э. Страусса, в 1899 году представившего первую модель буронабивной сваи. В отличие от погружных свай, набивные создаются непосредственно в грунте (рис. 1), что позволяет снизить уровень вибрационного воздействия на соседние здания, отказаться от транспортировки изделий на стройплощадку, создавать сваи с разнообразными параметрами и уширением в нижней части.

Рис 1. Процесс создания буронабивных свай: a – бурение; b – заливка бетоном при подъеме шнека; c – формирование тела сваи; d – укрепление сваи с помощью ввода армокаркаса.

К числу важнейших инноваций в строительстве свайных опорных конструкций также относится изобретение микросвай – разновидности набивных свай с диаметром 5-30 см. Микросваи были впервые использованы в 1950-х годах в Европе и активно применялись в послевоенные годы для реконструкции старинных городских построек.

На сегодняшний день оборудование для свай от крупных производителей спецтехники позволяет создавать буронабивные сваи диаметром до 200 см. и глубиной до 100 м.

Преимущества свайных фундаментов

• Возможность создать устойчивую конструкцию на самых проблемных и нестабильных породах;
• Отсутствие просадки фундамента под воздействием подвижек, деформации и морозного пучения грунта;
• Малый объем земляных работ, не требуется выемка грунта для создания котлована;
• Высокая скорость строительства;
• Работы могут проводиться в любое время года и в любой климатической зоне;
• Экономия строительных материалов.

Главное преимущество фундамента на сваях – возможность использовать в качестве опоры глубоко залегающие слои грунта, расположенные ниже глубины промерзания. В зависимости от типа и глубины залегания пород на участке фундаментные сваи могут представлять собой сваи-стойки либо висячие сваи (рис. 2). Первые достигают несущего слоя твердого грунта, передавая ему основную нагрузку, поэтому фундамент на сваях-стойках практически не дает осадки и отличается исключительно высокой несущей способностью. В том случае, если глубина залегания несущих слоев грунта слишком велика, используются висячие сваи. По причине отсутствия опоры под острием сваи надежность изделий висячего типа определяется силой трения, возникающей между поверхностью сваи и окружающими породами.

Рис. 2. a – висячие сваи; b – сваи-стойки; c, d – слои мягкого грунта; е – несущий слой твердого грунта.

Современные технологии создания свайных опорных конструкций

Общая конструкция фундамента на сваях включает находящуюся в грунте группу свай и объединяющий свайные головки ростверк – конструкцию из плит, балок или бруса, служащую платформой для надземной части постройки. В зависимости положения относительно границы грунта ростверк может быть высоким или низким (рис. 3). К комбинированным типам свайных фундаментов относятся сложные сооружения, включающие свайное основание и расположенный выше коробчатый фундамент типа «стена в грунте», классический монолитный фундамент или другие типы опорных конструкций.

Рис. 3. Свайный фундамент: a – сваи, b – низкий ростверк, c – высокий ростверк.

На сегодняшний день существует целый ряд классификаций свайных фундаментов, наиболее общей из которых является классификация по типу свай (набивные, винтовые или погружные). Каким образом будет выполняться бурение под сваи и какому проектному решению будет отдано предпочтение, определяется после анализа широкого ряда факторов (результаты геологических испытаний, характер использования объекта, комбинация нагрузок, экономическая эффективность и т.п.).

Набивные сваи

Буронабивные сваи изготовляются непосредственно на стройплощадке (рис. 4) и являются одним из самых популярных решений для гражданского строительства, а также оптимально подходят для работы на труднодоступных площадках. Для формирования опорной конструкции используется буровая установка для буронабивных свай и насос для бетона, также может потребоваться вибрационное оборудование для свай и сварочная техника. Установка для буронабивных свай отличается от универсальных буровых машин способом извлечения грунта, на данный момент на рынке широко распространены модели со шнеком непрерывного вращения. Заливка бетона производится с помощью бетонолитных труб или шнека, снабженного каналом для заливки бетона.

Рис. 4. Процесс создания буронабивной бетонной сваи без армокаркаса.

Основной материал для создания тела набивной фундаментной сваи – бетон либо бетон с внутренним армокаркасом, для армирования грунтов также применяются набивные сваи из грунта, песка и грунтоцемента (технология Jet Grouting). Армокаркас для укрепления тела сваи может изготовляться на специальном станке и доставляться на стройплощадку, либо собираться непосредственно на месте работ (последний метод применяется для армокаркасов под сваи с нестандартными параметрами).

Скважины под набивные сваи создаются с помощью выштамповывания пробойником-лидером, а также методом вращательного или ударного бурения. В малосвязных и переувлажненных почвах могут применяться обсадные трубы для буронабивных свай, в плотных породах возможно бурение насухую или с применением глинистого раствора.

Забивные (погружные) сваи

Погружные сваи (рис. 5) применяются в промышленном строительстве и требуют предварительного изготовления сваи и ее транспортировки на стройплощадку, а также применения ударной спецтехники для ввода свайных элементов в породу. Основное достоинство классических забивных изделий из стали и бетона – исключительно высокая несущая способность, превышающая несущую способность свай других разновидностей.

Рис. 5. Фундамент на забивных сваях: а – сваи, b – ростверк.

В зависимости от типа грунта на участке и характеристик свай для их погружения может быть применен паровой или дизельный молот, гидравлический пресс или вибропогружатель. Как и буронабивные сваи, опорные элементы погружного типа требуют предварительно выполнить бурение под сваи, однако глубина скважины как правило составляет всего 1/3 от длины опорного элемента. После того, как свая вводится в калибрующую скважину, ее положение проверяется при помощи гидроуровня, затем производится погружение до необходимой отметки при помощи гидромолота или вибрационного оборудования.

Винтовые сваи

Специфической и достаточно популярной разновидностью забивных свай являются винтовые сваи (рис. 6), которые вводятся в грунт путем завинчивания, а в условиях вечной мерзлоты опускаются в лидерную скважину. Имеющие форму конуса или шурупа, они обладают малым весом и успешно сопротивляются сжатию и выдергиванию. На сегодняшний день винтовые сваи являются одним из самых экономичных и быстрых способов создать опорную конструкцию на практически любом типе грунтовых пород.

Рис. 6. Винтовые сваи.

Наиболее популярная разновидность винтовых свай представляет собой полую трубу с приваренным с внешней стороны винтовым ребром, для дополнительной устойчивости тело сваи может армироваться или заполняться бетоном. Для установки винтовых элементов может использоваться буровая установка (для буронабивных свай либо универсальная), со сваями небольшой длины возможна установка вручную. Дополнительным преимуществом является их небольшой вес в сочетании с повышенной прочностью.

Строительные решения на основе свайных опорных конструкций

Малосвязные грунты (пески, супесь, глина), почвы со слоем торфа значительной толщины

В зависимости от условий участка применяются буронабивные либо забивные сваи. При наличии близко расположенных построек оптимальным выбором станут набивные сваи из бетона, погружаемые в грунт путем бурения с обсадкой. В большинстве случаев буронабивные сваи усиливаются армокаркасом и несъемной обсадной трубой либо рубероидной обкладкой. Для выяснения оптимальной длины и типа свай (висячие, сваи-стойки) на участках с нестабильными породами рекомендуется предварительно провести испытания грунтов.

Неоднородные и скальные породы, грунт с твердыми включениями

Забивные сваи, погружаемые ударным методом, подходят для любых пород вплоть до скальных, однако во внимание необходимо принимать значительное ударное воздействие, которому подвергнутся близко расположенные сооружения и коммуникации. Технология вдавливания и вибрационного погружения может быть применена только на грунтах пластичной консистенции, при работе вблизи других зданий рекомендуется задействовать безрезонансный вибропогружатель.

Обводненные грунты, плывуны, высокий уровень грунтовых вод, подтопляемые территории

Наиболее выгодным решением для переувлажненных грунтов являются буронабивные сваи-стойки, использующие в качестве точки опоры глубоко залегающие слои твердой породы и устойчивые к осадке под влиянием морозного пучения. Для предотвращения обрушения стенок скважины на участках с водоносными слоями и высоким уровнем грунтовых вод применяются обсадные трубы либо рубероидная обкладка. Трубы могут как извлекаться после заливки цемента, так и оставаться в скважине в качестве дополнительного армирующего элемента.

Участки с уклоном

Винтовые сваи (рис. 7) могут вводиться в породу на разную глубину, что делает их оптимально подходящими для малоэтажного строительства на участках с уклоном. В зонах с небольшим градусом уклона фундамент на винтовых сваях с различной глубиной погружения может быть применен для горизонтального выравнивания как нового здания, так и уже существующего сооружения, давшего осадку. Популярной технологией также является создание комбинированных ленточных и плитных фундаментов, усиленных винтовыми сваями небольшой длины.

Рис. 7. Таунхаус на винтовых сваях.

Строительство высотных зданий

Для возведения небоскребов, маяков и других построек значительной высоты применяются глубинные набивные сваи с армокаркасом, винтовые сваи, а также комбинированные фундаменты. Одним из ярких примеров применения свайного основания в высотном строительстве является возведение башни комплекса «Лахта центр» в Санкт-Петербурге. Небоскреб высотой 462 метра имеет комбинированную опору (рис. 8), состоящую из коробчатого пятигранного фундамента «стена в грунте», монолитного фундамента и заглубленного основания из 264 свай глубиной до 82 метров.

Рис. 8. Нижняя часть фундамента башни «Лахта центр»: а – грунт, b – группа глубинных буронабивных свай, с – двухслойная монолитная плита.

Строительство гидротехнических и промышленных объектов, подводные строительные работы, строительство в зоне вечной мерзлоты

При подводных работах, строительстве на территориях вечной мерзлоты, а также при создании крупных промышленных сооружений применяются погружные (забивные) сваи. C помощью забивных свай длиной более 100 метров создано большинство причалов в крупных портах на Охотском, Балтийском и Баренцевом морях, а также основной процент морских платформ для добычи нефти. Для погружения опорных элементов под водой созданы сверхмощные гидромолоты и другое оборудование для свай с повышенной производительностью.

Строительство вблизи уже существующих построек, укрепление и реконструкция уже существующих фундаментов и опорных конструкций

При возведении и ремонте зданий и сооружений в плотно застроенных жилых зонах используются в основном буронабивные сваи. Бурение под сваи подобного типа наносит минимальный ущерб окружающей среде, не требует масштабной выемки грунта и может быть выполнено в уже существующих котлованах глубиной более 6 метров и внутри цокольных этажей зданий и сооружений. Реконструкция исторических построек и укрепление поврежденных либо давших осадку фундаментов проводится при помощи микросвай небольшой длины, которые вводятся в грунтовую основу сквозь толщу уже существующих опорных конструкций.

Заключение

Еще несколько десятилетий назад использование свай было экономически выгодным лишь при масштабном строительстве на участках, где глубина залегания прочной породы составляла как минимум 5-6 метров. С появлением новых моделей легкой и производительной буровой техники опорные конструкции на сваях начали применяться даже в зонах, где несущий слой породы расположен на глубине около 3 метров, и стали широко распространенным проектным решением не только в промышленном, но и в малоэтажном гражданском строительстве. Современная буровая установка для буронабивных свай обладает компактными параметрами и достаточно мобильна, что делает ее использование рентабельным не только для формирования фундаментов многоэтажных домов и промышленных построек, но и для строительства коттеджей, укрепленных оград, мостовых опор и других небольших объектов.

Применение свай в фундаментных работах открывает новые перспективы для малозатратного строительства жилых и коммерческих сооружений на проблемных участках, позволяя реализовать широкий спектр экономически эффективных проектов.