Как определить несущую способность винтовых свай

Расчет фундамента — ответственный этап проектирования. Если при его выполнении допустить ошибку, то можно не правильно задать шаг свай или их сечение. Ошибки приводят к снижению надежности опор под знание и возникновению вероятности сильной усадки или крена строения, вследствие которых образуются трещины и повреждения основных строительных конструкций здания. Одним из самых важных характеристик свайно-винтового фундамента (как и любого другого) является его несущая способность.

Конструктивные особенности свайного фундамента

Винтовой фундамент состоит из двух конструктивных элементов — свайных опор и их обвязки (ростверка). Опоры передают нагрузку, исходящую от здания, на грунт, минуя поверхностные низкоплотные пласты земли и перенося вес дома на глубинную, уплотненную почву.

В зависимости от схемы размещения свай, выделяют два типа винтовых фундаментов:

  • с последовательным расположением опор — сваи размещаются на равноудаленном расстоянии друг от друга по периметру внешних и внутренних стен дома;
  • с расположением в виде свайного поля — опоры равномерно распределены по всей площади здания.

Исходя из схемы расположения свай выбирается способ их обвязки. Для последовательных свай применяются ленточные ростверки, тогда как сваное поле обвязывается сплошным, плитным ростверком.

Ростверк винтового фундамента выполняет три функции:

  • равномерно распределяет между опорами вес дома;
  • выступает в качестве опорной поверхности для цокольного перекрытия;
  • увеличивает устойчивость свай в грунте.

Устойчивость опор достигается за счет того, что сваи соединяются между собой и начинают работать как единая конструкция, что дает повышенное сопротивление к опрокидывающим нагрузкам и защищает опору от крена, который может произойти с одиночной сваей.

В зависимости от материала, ростверк на сваях может быть монолитным (железобетон) из бруса либо швеллера. Для строительстве тяжелых домов предпочтительна железобетонная обвязка винтового фундамента, для легких домов — брусовая.

к оглавлению ↑

Типы используемых свай

Используемые в фундаментном строительстве винтовые сваи отличаются типом лопастей и диаметром:

  • сваи ∅ 57 мм — применяются для возведения легких заборов и навесов;
  • сваи ∅ 57 мм — пригодны для возведения легких вспомогательных помещений (сараев, беседок) и тяжелых заборов;
  • сваи ∅ 89 мм — используются для каркасных домов, гаражей и одноэтажных построек из легких материалов;
  • сваи ∅ 108 мм — имеют высокую несущую способность по материалу (до 6 тонн), позволяют строить дома высотой 1-2 этажа из бруса, сруба, пенобетона.

В малоэтажном строительстве применяются широколопастные сваи, соотношение диаметра ствола и лопастей в которых превышает 1,5.

к оглавлению ↑

Пример расчета фундамента

Для более точного понимания, как рассчитать фундамент на винтовых сваях, приведем пример расчета на одноэтажном каркасном доме с вальмовой крышей. Все стены дома одинаковой высоты, то есть не имеют фронтонов. Внутри дома установлены перегородки из гипсокартона с толщиной 8 см, утепление стен составляет 150 мм. Перекрытия установлены на балках, изготовлены из дерева. Высота этажа составляет 3 метра, высота потолков в помещении – 2,7 м, высота мансарды составляет 1,5 м. В плане дом представлен размера 6*6 м. Длина внутренней стены равна 6 м, перегородки на этажах в сумме составляют 25 м.

Дом планируется разметить на относительно прямом участке, без резких перепадов высоты. Глинистый слой почвы залегает на глубине 3 м. Снеговая нагрузка для данных климатических условий равна 180 кг на 1 кв. метр.

Для дома будут использоваться сваи длиной 4 м, чтобы был запас и с диаметром, составляющим 108 мм.

Для начала высчитываем все нагрузки на свайно-винтовой фундамент, суммируя полученные данные для наружных, внутренних стен, перегородок и перекрытий, кровли. Сюда также относится снеговая, полезная нагрузки и показатель от нагрузки фундамента. Для расчета нагрузки от фундамента в расчет предварительно берется 9 свай, которые будут располагаться по всем углам и в середине стен. Таким образом, получаем, что общие нагрузки для данного фундамента будут равны 48776 кг. Округляем полученное число и получаем 48,8 тонн.

Читайте также:  Расчет количества арматуры для ленточного фундамента

Дальше рассчитываем, сколько понадобится опор для такого дома. Берем несущую способность одной сваи, которая находится в пределах от 5 до 7 тонн. Уравниваем это значение до 6 тонн.

Количество свай высчитывается путем деления 48, 8 тонн на 6. Получаем параметр, равный 8,13. Его округляем до целых и получаем 9. Этот показатель сходится с предварительным, значит, опоры так и нужно расставлять: по углам и в середине стен.

Пример упрощенного расчета

Исходные данные для расчета фундамента под двухэтажный брусовой дом с размерами в плане 6 на 6 метров:

  • грунты на участке — глина;
  • диаметр используемых свай — 133 мм, диаметр лопасти — 350 мм;
  • масса дома, полученная в результате сбора нагрузок от стен, перегородок, перекрытий, полезного и снегового нагружения — 59 тонн.
  • периметр наружных стен — 24 м, внутренних несущих стен нет.

Сначала находится прочность грунта основания. Воспользовавшись приведенной ранее таблицей находим, что для имеющегося типа почвы она составляет 6,0 кг/см². Коэффициент надежности по нагрузке принимаем 1,75 (для обеспечения запаса по надежности). Остается вычислить площадь лепестковой подошвы:

S = (πD²)/4 = 3,14*352/4 = 961,6 см² (значение диаметра лопасти в расчет берется в сантиметрах).

Находим неоптимизированную несущую способность:

F = S*Rо = 961,6*6,0 = 5770 кг.

Вычисляем допустимую нагрузку:

N = F/γk = 5770/1,75 = 3279 кг ≈ 3,3 т.

Для дальнейшего расчета определяем минимальное количество свай, которые способны удержать данный дом:

59 т/3,3т = 17,87 шт, округляем до целых в большую сторону и принимаем в дальнейший расчет 18 шт.

Чтобы завершить вычисления для возведения фундаментов, нужно определить шаг между сваями. Для этого длину стен дома делят на количество опорных элементов:

24 м/18 шт = 1,33 м — максимальный шаг фундаментов.

Получилось довольно большое количество свай для такого небольшого дома, т.к. мы приняли что геологические изыскания не проводились, и пришлось принять γk = 1,75, если провести исследования хотя бы пробным вкручиванием (эталонным), тогда количество свай можно снизить до 12-13 штук, а это существенная экономия. В каждом случае нужно считать что обойдется дешевле — геологические изыскания или самостоятельный расчет и перестраховка по несущей способности.

Определение максимальной нагрузки на сваю — только часть вычислений для проектирования. Как показано выше, на этом расчет не заканчивается. Окончательными результатами вычислений должны стать следующие данные для свай:

  • сечение;
  • длина;
  • шаг;
  • распределение под несущими стенами.

Дополнительно рекомендуем прочитать статью: Расчет количества винтовых свай для фундамента.

Диаметр винтовой сваи

Несущий потенциал сваи и ее диаметр прямопропорциональны. У более мощных стоек больший показатель диаметра поперечного сечения. Наибольшее практическое применение в малоэтажном строительстве и бытовой сфере нашли изделия диаметром 57-133 мм, к примеру:

  • 57 мм – для заборов из деревянного штакетника, сетки и других легковесных материалов;
  • 76 мм – для ограждений их профлиста, для беседок и террас, пр.;
  • 89 мм – для бани, хозяйственной постройки, забора из тяжелой древесины;
  • 108 мм – для небольшого дома, коттеджа, ангара, пирса, промышленного объекта;
  • 133 мм – для более тяжелых домов, для винтового фундамента с бетонным ростверком, ангары, промышленные объекты.

Промышленный же сектор потребляет сваи с диапазоном диаметров от 108 до 325 мм. Причем в больших сваях толщина стенки трубы и толщина лопасти могут достигать 12 мм. Более конкретно параметры в данном сегменте определяются несущими нагрузками объекта и расчетами нагрузок.

Преимущества и недостатки

Свайный фундамент обладает рядом преимуществ:

  1. Технология позволяет построить здание на любом грунте.
  2. Минимальное количество земляных работ на этапе подготовки.
  3. Экономия времени. Для установки требуется 2-3 дня.
  4. Возможность строительства на участках со сложным рельефом.
  5. Экономия средств. Свайный фундамент обходится на 20-40% дешевле, чем ленточный.
  6. Высокая прочность и длительность эксплуатации.
  7. Возможность установки вручную без привлечения специализированной строительной техники.
  8. Модернизацию строения можно проводить уже после возведения фундамента (прокладку инженерных сетей, изменение планировки дома).

Свайный фундамент позволяет построить здание на любом грунте.

У фундамента из свай существует несколько недостатков, однако их можно минимизировать:

  1. На скалистых и каменистых почвах работы по установке крайне затруднены.
  2. Металл подвержен коррозии, поэтому для защиты от влаги потребуется гидроизоляция и устройство ливневой канализации.
  3. При таком фундаменте строительство полноценного подвала или цокольного помещения невозможно, однако закрыть снаружи балки все же необходимо.
  4. Для утепления пола в здании потребуется внести дополнительные средства.
Читайте также:  9 плюсов и 3 минуса утепленной шведской плиты

Как определить количество материала для частного дома?

Чтобы определить потребность в количестве опор для силовой конструкции, необходимо суммарные проектные нагрузки разделить на грузоподъемность одной сваи. Принципы вычислений и табличные коэффициенты изложены в СНиП №

Расчет несущей способности отдельной опоры

Несущую способность силового элемента находят по формуле:

F=Y_c×(Y_cr×R×D+P×∑〖Y_cri×F×L〗),где

  • Y_c – показатель условий работы;
  • Y_cr – коэффициент, который учитывает сопротивление почвы нагрузкам;
  • R– расчетное сопротивление грунта под площадью подошвы;
  • D – диаметр силового элемента;
  • P – периметр сечения одной сваи;
  • Y_cri – показатель, отражающий давление грунта на стенку сваи;
  • F_i – сопротивление почвы относительно поверхности силового элемента;
  • L – длина сваи.

Удостовериться в несущей способности отдельного конструктивного элемента относительно проектных условий можно по условию:

γ_n×N≤F/γ_cd ,где

  1. N – расчетная нагрузка на одиночную опору;
  2. γ_n –коэффициент надежности исходя из класса ответственности сооружения (определяется ГОСТ 27751);

γ_cd –коэффициент надежности по грунту, который равен:

  • 1,2 – если грузоподъемность сваи определена методом полевых испытаний при передаче статистических нагрузок;
  • 1,25 – если показатель F найден по результатам динамических испытаний с учетом упругих деформаций почвы;
  • 1,4 – если грузоподъемность определена расчетным путем с использованием свода правил из СНиП, а также табличных коэффициентов;
  • 1,5 – если допустимая нагрузка на опору определена с помощью компьютерных программ.

Вычисление расчетной нагрузки

Для самостоятельных расчетов выбирают формулу для расчета предельной нагрузки на опору, исходя из типа фундамента:

Расчет нагрузки от конструкции здания

Чтобы определить нагрузку, которую по плану будет передавать сооружение на грунт через фундамент, необходимо найти общую массу дома и умножить значение на коэффициент запаса надежности (1,1–1,25).

Чтобы найти вес здания, необходимо знать:

  • площадь всех стен и перекрытий;
  • тип кровли и ее размеры;
  • удельный вес использованного строительного материала;
  • полезную нагрузку, которые могут оказывать люди и предметы интерьера (для жилых сооружений принимается равной 150 кг/м2);
  • массу снежного покрова (усредненный показатель по региону).

Когда найдены показатели веса для кровли, стен, перекрытий, мебели и людей, а также определена нагрузка снежного покрова, значения складываются. Результат расчетов позволит определить количество опор и удостовериться в правильности выбранных параметров.

Подсчет требуемого количества материала

Определение количества силовых элементов сводится к делению веса конструкции на грузоподъемность одной сваи.

Производители опор в технической документации указывают предельные нагрузки, которые можно использовать для предварительно подбора количества элементов.

В задачи конструктора входит сопоставление характеристик сваи с заданными условиями по формулам для нахождения несущей способности опор, которые приведены в вышеизложенном материале. Только так можно быть уверенным в достоверности расчетов.

Зная количество опорных элементов, можно убедиться в правильности выбранной схемы, для этого нужно:

  1. Общий вес конструкции (дома и фундамента) разделить на опорную площадь.
  2. Второй показатель находят, исходя из формы сечения и количества свай. Например, для изделий с круглым сечением используют классическую формулу .

Зная какое давление оказывает конструкция на квадратный сантиметр грунта, сравнивают полученное значение с известным расчетным сопротивлением грунта (R0) из СНиП Если вес конструкции не превышает значение R0, то считают, что количество свай было определено правильно. В противном случае увеличивают количество опор или выбирают изделия с большей площадью сечения.

Глубина установки опор и шаг между ними

Свайный фундамент заглубляют в почву ниже точки промерзания (d_f), которую можно взять из справочников, но целесообразнее рассчитать самостоятельно по формуле:

d_f=d_0 √T, где

  1. T – среднемесячная минусовая температура за всю зиму в регионе;
  2. d_0 – коэффициент, который выбирают по типу грунта:
      0,23 – глинистые почвы;
  3. 0,28 – пылеватые пески;
  4. 0,30 – пески средней фракции;
  5. 0,34 – гравий и крупнообломочные породы.

Последним шагом в ходе инженерных расчетов остается окончательно выбрать шаг между опорными элементами.

Опоры размещают по плану, придерживаясь оптимального расстояния 1,5–2,5 м, уделяя особое внимание местам, где конструкция оказывает максимальное давление на почву, а именно:

  • по углам конструкции;
  • у входной группы;
  • под несущими стенами;
  • под действующими печами и каминами;
  • под тяжелым оборудованием и т.д.
Читайте также:  В какое время года лучше заливать фундамент под дом

Усиление несущей способности ВС

Дополнительное усиление ВС заключается в том, что внутреннюю полость опоры заполняют жидким раствором бетона. После того как верхушки свай были срезаны до проектной отметки, внутрь стволов заливают бетон.

Сваю заполняют раствором слоями по 50 — 70 см. Каждый слой тщательно трамбуют. Если диаметр ствола позволяет опустить внутрь сваи гильзу электрического вибратора, трамбовку слоёв бетона делают без особых физических усилий. Через узкую горловину бетон трамбуют отрезком арматуры либо другим штырём.

Заполненная бетоном полость не нуждается в антикоррозионной защите внутренней поверхности ствола опоры.

В многочисленных источниках информации можно найти массу таблиц и справочного материала по определению несущей способности винтовых свай. Наряду с этим, будет полезно поинтересоваться у хозяев соседних домов, как ведут себя фундаменты их строений на винтовых опорах, и какого размера были применены ВС.

Сбор нагрузок

Расчет количества свай для фундамента начинается с вычисления нагрузки, которую оказывают на опоры и почву элементы здания — стены, перекрытия, стропильная система, кровля. В расчет принимается собственный вес фундамента, ветровая и снеговая нагрузка, силы морозного пучения. Для расчета веса каркасного дома можно использовать данные из таблицы ниже.

Таблица 1. Вес материалов и конструкций каркасного дома.

Конструктивные элементы, кг/м 2

Стены, утепленные минватой толщиной 100-150 мм

Межкомнатные перегородки (гипсокартон, брус)

Перегородки со звукоизоляцией (гипсокартон, брус, утеплитель)

Чердачное перекрытие по балкам, с обрешеткой и утеплителем

Кровельный пирог (кровельные материалы, обрешетка, гидроизоляция, контробрешетка, утеплитель, стропила), кг/м 2

с керамической черепицей

с битумной черепицей

Вес одной двухлопастной сваи длиной 2,5 м, кг

Временные нагрузки, кг/м 2

полезная (мебель, бытовая техника, сантехника)

снеговая и ветровая

Из таблицы СНиП «Нагрузки и воздействия» с учетом климатического района

Снеговая и ветровая нагрузки рассчитываются с учетом типа крыши, угла наклона скатов. Если угол превышает значение 60 градусов, снеговая нагрузка уменьшается, но увеличивается ветровая. Приведенные в таблице значения являются справочными, для получения расчетных показателей цифры умножают на коэффициент надежности для каждого вида конструкций.

Таблица 2. Коэффициент надежности.

Теплоизоляция, засыпка, бетонная стяжка

изготовленная на стройплощадке

Пример нахождения размеров ростверка

Рассмотрим порядок расчета железобетонного ростверка. Ширина ленты должна быть равна толщине стен.

Если стены дома в 1,5 кирпича, то ширина стен составит 38 см. Такой же будет и ширина ростверка.

Высота ленты при такой ширине должна составить 50 см — это обеспечит необходимую жесткость на прогиб.

Пример нахождения размеров ростверка

Арматурный каркас Будет состоять из двух горизонтальных решеток по 2 стержня 12 мм.

Общий объем бетона, необходимого для отливки, составит 0,5 · 0,38 · 30 м (общая длина ростверка) = 5,7 м3.

Учитывая возможность непроизводительных потерь, лучше заказывать 6 м3 готового бетона марки М200 и выше, или изготовить его самостоятельно прямо на площадке.

Расчет необходимого количества несущих конструкций

Выбор оптимального количества свай делается с учетом возможного крена, а также размеров и массы строения. Средние расстояния могут быть следующими:

  • для домов малой массы (каркасных, деревянных ли бревенчатых) расстояние принимается не более 3 метров;
  • для газобетонных, пенобетонных или аналогичных по массе домов – не более 2 метров;
  • для заборов – 3,5 метра;
  • для больших массивных зданий из кирпича, натурального камня и других строительных материалов проводится дополнительный расчет допустимой нагрузки сооружения на единицу площади грунта.

Итак, чтобы посчитать необходимое количество свай для проектируемого дома, нужно сделать сбор следующей информации:

  1. Сделать или составить план дома, желательно с крышей и несущими перегородками.
  2. Установить несущие сваи по углам здания и на перекрестках несущих стен.
  3. Посчитать, какая масса здания будет расчетной, затем подобрать тип сваи с учетом материала и диаметра конструкции.
  4. Между угловыми сваями и промежуточными запроектировать дополнительные опоры с учетом допустимой длины конструкции и массы здания.
  5. Внутреннее пространство заполнить опорами с учетом расстояния между ними в пределах 2−2,5 метра.

Когда будет готов эскизный проект расположения свай, можно уже и посчитать суммарное количество необходимых опор.