Винтовые сваи для дома из бруса: подбор диаметра и длины под сезонные деформации и пучение

Дом из профилированного бруса сечением 150х150 мм создает нагрузку на фундамент 55–65 кг на 1 м² стены. Это в 12 раз меньше, чем кирпичная кладка той же толщины. Малая масса строения не подавляет касательные силы морозного пучения. В результате пучинистый грунт при промерзании способен приподнять легкий дом. Винтовые сваи исключают этот механизм, поскольку их лопасть заглублена ниже отметки промерзания, а гладкий ствол не передает выталкивающее усилие на конструкцию. Подбор диаметра ствола, размера лопасти и длины сваи выполняется по СП 24.13330.2021 и СП 22.13330.2016. Ошибка в любом из параметров дает разницу осадок соседних опор более 15 мм. Это приводит к перекосам венцов, заклиниванию окон и необходимости ежегодного ремонта нижней обвязки.

Несущая способность: зависимость от диаметра ствола и геометрии лопасти

Несущая способность винтовой сваи определяется площадью горизонтальной проекции лопасти и расчетным сопротивлением грунта под ней. Для дома из бруса рабочая нагрузка на одну опору составляет от 3 до 6 тонн в зависимости от этажности.

Минимальный диаметр лопасти для жилого дома — 250 мм. Свая 89/250 (ствол 89 мм, лопасть 250 мм) на суглинке полутвердом с сопротивлением 4 кг/см² выдерживает 4200 кг. Такую опору применяют под одноэтажные дома из бруса 100х150 мм и бани площадью до 70 м².

Свая 108/250 на тех же грунтах несет 4400–4600 кг. Добавка 200 кг обеспечивается боковой поверхностью ствола. Этого достаточно для одноэтажного дома из бруса 150х150 мм.

Свая 108/300 с лопастью 300 мм (опорная площадь 700 см²) при сопротивлении 4 кг/см² держит 6200–6500 кг. Она ставится под двухэтажные дома из клееного бруса и бруса 200х200 мм.

Толщина стенки ствола нормируется ГОСТ 10704-91. Для трубы 89 мм минимальная толщина — 3,5 мм, для 108 мм — 4,0 мм. Уменьшение до 3,0 мм допустимо только для построек с расчетным сроком службы до 15 лет и при контроле остаточного сечения через 10 лет.

Определение длины сваи: глубина завинчивания и геология участка

Длина сваи складывается из глубины погружения до центра лопасти, высоты оголовка над землей и запаса на перепад рельефа. Лопасть должна находиться на 0,3 м ниже этой отметки. Для суглинков расчетная глубина завинчивания — 1,7 м, для песков — 2,0 м. Высота оголовка над уровнем земли принимается 0,4–0,5 м для вентиляции цоколя и защиты деревянной обвязки от капиллярной влаги.

Минимальная длина ствола для ровного участка без уклона составляет 2,2–2,5 м. На практике 90 % домов из бруса в Центральном регионе монтируют на сваях длиной 2,5 м.

Если в геологическом разрезе присутствуют насыпные грунты, торф или текучие супеси (показатель текучести IL > 0,75), опору заглубляют до подстилающего слоя. Заход в несущий слой — 0,5–0,7 м. В этих условиях применяют сваи 3,0–4,0 м.

При перепаде высот на участке более 0,5 м на 10 м длины здания используют сваи разной длины. Выравнивание оголовков выполняют лазерным нивелиром с последующей обрезкой ствола.

Механизм работы винтовой сваи в пучинистом грунте

При промерзании водонасыщенного суглинка его объем увеличивается на 3–7 %. Касательные силы пучения действуют по боковой поверхности фундамента. Для ленточного фундамента из бетона В20 эти силы достигают 10–15 т/м².

Винтовая свая имеет ствол диаметром 89–108 мм. Площадь контакта с мерзлым грунтом на 1 м глубины промерзания составляет менее 0,3 м². При коэффициенте касательного пучения 0,1 (суглинок мягкопластичный) выталкивающее усилие не превышает 300 кг на сваю. Это в 15 раз меньше пригруза от одноэтажного дома.

Опасность представляет горизонтальное смещение верхней части ствола при латеральном движении грунта. Свая 89х3,5 мм длиной 2,5 м при горизонтальной нагрузке 200 кг, приложенной на уровне 0,5 м от земли, дает прогиб 12–14 мм. Свая 108х4 мм при тех же условиях — прогиб 6–7 мм.

Для одноэтажных домов на среднепучинистых грунтах (степень пучинистости 0,04–0,07) допускается свая 89 мм. Для двухэтажных домов и любых объектов на сильнопучинистых грунтах (степень пучинистости более 0,07) применяют только ствол 108 мм.

Литой наконечник из стали 35Л по ГОСТ 977-88 обеспечивает неразъемное соединение лопасти со стволом. Сварные конструкции с лопастью из полосы Ст3 толщиной 4 мм при завинчивании в мерзлые прослойки или при встрече с валунами деформируются в 30 % случаев. Литой наконечник сохраняет проектный угол наклона лопасти 25–30° и расчетную несущую способность.

Таблица: параметры свай для различных типов домов из бруса

Примечание: несущая способность приведена для глубины погружения 1,7–2,0 м. При увеличении глубины до 2,5 м добавляется боковое сопротивление 200–300 кг на 1 м ствола.

Поэтапный подбор параметров: от нагрузки до монтажной схемы

Шаг 1. Сбор нагрузок. Дом из бруса 150х150 плотностью 550 кг/м³ дает массу 1 м² стены 82,5 кг. Наружные стены периметра 10х10 м при высоте этажа 3 м — 120 м², вес 9,9 тонны. Перекрытия деревянные с утеплителем — 150 кг/м², при площади 200 м² — 30 тонн. Кровля из металлочерепицы с уклоном 30° — 50 кг/м² проекции, при площади проекции 100 м² — 5 тонн.

Снеговая нагрузка для III снегового района — 126 кг/м² проекции. Полезная нагрузка на перекрытия — 150 кг/м². Сумма постоянных и временных нагрузок — 88 тонн. Коэффициент надежности 1,2 — расчетная нагрузка 105,6 тонны.

Шаг 2. Определение несущей способности сваи. По данным геологии: суглинок тугопластичный до глубины 2,2 м, ниже — полутвердый. Расчетное сопротивление под лопастью на глубине 1,8 м — 3,8 кг/см². Свая 108/300: площадь лопасти 700 см², несущая способность по грунту под лопастью 2660 кг.

Боковое сопротивление ствола в слое 1,8 м: периметр 0,34 м, расчетное сопротивление по боковой поверхности 1,5 т/м², длина ствола в грунте 1,3 м. Итого 0,34 × 1,3 × 1,5 = 0,66 т. Полная несущая способность 3,32 т. С учетом коэффициента надежности 1,4 (СП 24.13330) допустимая нагрузка на сваю — 2,37 т.

Шаг 3. Расчет количества опор. 105,6 / 2,37 = 44,6 сваи. При шаге 2,0 м по периметру 40 м устанавливается 20 свай, под внутренние несущие стены — еще 12–15 свай. Всего 35–37 свай, что меньше расчетного количества. Требуется увеличение диаметра лопасти до 350 мм либо заглубление свай до 2,2 м для повышения несущей способности на 15 %.

Шаг 4. Проверка устойчивости на касательные силы пучения. При показателе текучести IL менее 0,5 (тугопластичный суглинок) проверка не требуется. Для мягкопластичных суглинков (IL > 0,5) расчет выполняется по формуле 93 СП 22.13330.2016. При недостаточном пригрузе увеличивают диаметр ствола либо глубину заложения.

Технические ограничения при монтаже в сезонно-мерзлых грунтах

Завинчивание свай при отрицательных температурах допускается до достижения грунтом твердомерзлого состояния. Для песков предельная температура — минус 5 °С, для глин — минус 1 °С. При промерзании более 0,3 м требуется оттаивание грунта либо бурение лидерных скважин диаметром на 20–30 мм меньше диаметра ствола.

Бурение лидера диаметром, равным диаметру лопасти, запрещено. Это снижает несущую способность на 40–60 % из-за отсутствия уплотнения грунта под лопастью.

Крутящий момент при завинчивании сваи 108 мм в суглинок тугопластичный на глубину 1,8 м составляет 2800–3200 Н·м. Падение момента ниже 2000 Н·м при одновременном провале ствола на 0,5 м свидетельствует о наличии техногенной полости или кармана разжиженного грунта. В этом случае сваю демонтируют, скважину тампонируют песком, точку погружения смещают.

После монтажа полость трубы заполняют бетонной смесью класса В22,5 с осадкой конуса не менее 12 см. Расход бетона на сваю 108×2500 мм — 22 литра. Бетонирование исключает смятие верхней части ствола при усадке дома и предотвращает внутреннюю коррозию. Армирование полости не требуется — свая работает на сжатие.

Обвязка оголовков выполняется из бруса 150х150 мм антисептированного. Узел опирания: гидроизоляция — 2 слоя гидростеклоизола, крепление — шпилька М12-М16 с двойной гайкой через стальную пластину. Шаг расстановки оголовков соответствует шагу свай. Отклонение фактической точки от проектной более 50 мм требует укладки двойного ростверка или применения оголовка с увеличенной монтажной площадкой.

Усадка стен из бруса в первый год эксплуатации составляет 5–8 % от сечения. При высоте этажа 3 м это 15–24 мм. Винтовые сваи осадки не дают — упругая деформация грунта под лопастью при правильном расчете не превышает 2–3 мм. Разность отметок оголовков после усадки остается в пределах 5 мм, что соответствует допуску СП 70.13330.2012 (п. 6.4.16).

Выбор винтовых свай под дом из бруса определяется тремя параметрами: диаметр ствола (89 или 108 мм), диаметр лопасти (250 или 300 мм) и длина (2,5 м для плотных грунтов, 3,0–4,0 м при наличии слабых прослоек). Эти величины назначаются по результатам сбора нагрузок и данным о глубине промерзания. Отступление от расчетных параметров без поверочного расчета приводит к неравномерным деформациям фундамента в первую же зиму.