Основные Расчёты при проектировании свайно-винтового фундамента.

Немного Теории и Простыми словами.

При проектировании свайно-винтового фундамента необходимо выполнить ряд важных расчётов. Они обеспечивают надёжность и долговечность конструкции, учитывая нагрузки, грунтовые условия и конструктивные особенности объекта строительства.

1. Расчёт несущей способности свай

Немного теории.

Несущая способность сваи определяется по двум составляющим: сопротивлению под лопастью и боковому трению по стволу. Формула расчёта:

R=Rb​⋅Ab​+f*u*l,  где:

• R- несущая способность сваи (кН);
• Rb – расчётное сопротивление грунта под лопастью (кПа);
• Ab​​ – площадь лопасти (м²);
• f – среднее удельное сопротивление по боковой поверхности (кПа);
• u – периметр сваи (м);
• l- длина погружённой части сваи (м).

Значения Rb и f берутся из таблиц 7.3 и 7.4 СП 24.13330.2011. Учитываются коэффициенты надёжности по материалу (γm =1,1-1,15​ γm =1,1-1,15) и по грунту (γs =1,25-1,4 γs =1,25-1,4).

А теперь простыми словами.

Из чего складывается «сила» сваи?

Представьте, что вы вкручиваете обычный саморез в дерево. Его трудно вытащить не только потому, что он длинный, но и из-за резьбы. У винтовой сваи всё работает похожим образом, и её устойчивость зависит от двух главных факторов:

1. Площадь лопасти (Площадь опоры)

Представьте человека на лыжах и без них. На лыжах человек не проваливается в снег, потому что его вес распределяется по большой площади. Лопасть винтовой сваи — это и есть «лыжа». Она опирается на плотные слои грунта глубоко под землей. Чем шире лопасть, тем больший вес может выдержать свая.

2. Прочность грунта (Плотность «тисков»)

Свая сильна настолько, насколько силен грунт, на который она опирается. Если лопасть попала в мягкий торф – она провалится.   Если лопасть закрепилась в плотной глине или песке – она выдержит многотонную нагрузку.

Магическая связь: Крутящий момент = Несущая способность!

Это самый важный секрет профессиональных строителей. Существует прямая математическая зависимость: чем тяжелее вкручивать сваю, тем больше веса она выдержит.

Инженеры используют специальный коэффициент. Для стандартной сваи диаметром ствола 108 мм в большинстве типов грунтов действует правило: 1000 Нм крутящего момента обеспечивают примерно 1 тонну несущей способности. Грубо говоря, если при закручивании многовитковой сваи диаметром ствола 108 мм мы достигли крутящего момента в 5000 Нм, то мы можем быть уверены, что эта свая выдержит расчетную нагрузку (например, 4-5 тонн).

Почему это невозможно сделать «вручную» или большинством электрических сваекрутов с крутящим моментом 1500-2500 Нм?

Здесь и кроется главная ловушка.

1. Недокрут: Чтобы свая «включилась» в работу и не давала осадку, её нужно закрутить в очень плотный слой грунта с большим усилием.
2. Человеческий фактор: Два человека с ломом могут выдать максимум 500–800 Нм. Этого достаточно только для легкого забора.
3. Результат: Если сваю не докрутили до «упора» (нужного момента), она начнет проседать под весом дома уже через первую зиму.

2. Определение количества свай и шага свайного поля

Немного теории.

Общая нагрузка от здания складывается из собственного веса конструкций, временных эксплуатационных нагрузок и климатических воздействий. Расчётная нагрузка распределяется на все сваи поля с учётом коэффициента неравномерности.

Формула для расчёта количества свай:

где:

– N – количество свай;

– Q – суммарная нагрузка от здания (т);

– F – несущая способность одной сваи (т).

Шаг свай зависит от типа строения и характеристик грунта. Для каркасных и деревянных домов расстояние между соседними сваями обычно не превышает 2,5–3 м, для кирпичных или блочных строений шаг уменьшают до 1,5–2 м.

А теперь простыми словами.

Определение количества свай и их расположения (шага) — это, по сути, решение задачи: «Сколько ножек нужно столу, чтобы он не провалился и не прогнулся?»

Вот как это делается в три шага.

 Шаг 1. Считаем общий вес (Нагрузка)

Сначала нужно понять, как сильно дом будет давить на землю. Мы складываем:

1. Вес самого дома: стены, крыша, перекрытия.
2. Полезная нагрузка: мебель, техника и люди (обычно берут 150 кг на каждый кв. метр пола).
3. Снеговая нагрузка: это важно! В центральной России снег на крыше может весить как целый грузовик (например, для Великого Новгорода это около 180 кг на 1 кв. м кровли).

Пример: Допустим, наш дом со всем «добром» и снегом весит 60 тонн.

 Шаг 2. Несущая способность одной сваи

Теперь нужно узнать, сколько выдержит одна «ножка».

Для стандартной сваи 108 мм в плотном грунте это примерно 3,5 – 4 тонны (с учетом запаса прочности).

Считаем количество:

60 тонн / 4 тонны на сваю = (15 свай).

 Шаг 3. Расставляем сваи (Шаг свайного поля)

Теперь эти 15 свай нужно распределить под домом. Здесь работают три правила:

1. Углы и пересечения: Сваи обязательно ставятся во все углы дома и в места, где внутренние стены соединяются с внешними.
2. Под несущими стенами: Сваи должны идти под всеми стенами, на которые опирается крыша и пол.
3. Правило пролета (Шаг): Это расстояние между сваями в ряду.

• Если поставить сваи слишком редко (например, через 4–5 метров), то брус (ростверк) начнет провисать (как мы считали в таблице СНиП).
• Золотое правило: Для деревянных домов шаг обычно делают от 2 до 3 метров. Максимум — 3,5 метра.

 Живой пример: Дом 6х6 метров (сруб или брус)

1. Ставим по углам: 4 сваи.
2. Добавляем в центры каждой стены: (шаг получается 3 метра) — еще 4 сваи.
3. Ставим одну в центр дома: (чтобы не прогибался пол) — 1 свая.
4. Итого: 9 свай.
5. Проверяем: Если наш дом 6х6 весит 30 тонн, то 9 свай по 4 тонны = 36 тонн запаса. Подходит!

Если бы дом весил больше, нам пришлось бы сократить шаг до 2 метров и поставить уже 16 свай.

3. Расчет прогиба ростверка свайно-винтового фундамента

Немного теории.

При проектировании фундамента на винтовых сваях долговечность всей постройки зависит не только от несущей способности металла, но и от жесткости ростверка. Ошибки в расчете расстояния между сваями приводят к провисанию бруса, перекосу стен и заклиниванию дверей.

Согласно СНиП 2.02.03-85, СНиП II-23-81 и СП 50-102-2003, для каждого типа балки существует предельно допустимый расчетный прогиб . Превышение этого значения нарушает геометрию здания. Ниже приведены данные расчетов провисания деревянного ростверка (бруса) в зависимости от длины пролета:

Характеристики провисания ростверка (брус) для фундамента  на винтовых сваях (СНИП 2.02.03-85, СНиП II-23-81, СП 50-102-2003):

F – расчетный прогиб, мм

–  максимальный допустимый прогиб, мм

£ – длина бpyca, мм

 

£
1000	0	0	0	4
2000	1	1	0	8
3000	4	3	2	12
4000	17	10	6	16
5000	29	21	14	20
6000	59	45	29	24
6500	82	61	39	26

 

Анализ данных: Из таблицы отчетливо видно, что при пролете свыше 3000 мм расчетный прогиб (F) начинает стремительно приближаться к критической отметке или превышать её (особенно для бруса 150×150).

Именно поэтому, согласно ГОСТ 30974-2002 и анализу распределения внутренних усилий (эпюр изгибающих моментов), максимальное расстояние между сваями не должно превышать 3,5 метра. Для обеспечения стабильности конструкции ростверк должен располагаться не ниже 1500 мм от поверхности грунта.

А теперь простыми словами.

Представьте, что винтовые сваи — это ножки стола, а ростверк (обычно это мощный деревянный брус) — это каркас столешницы, на котором лежат стены вашего дома.

Если ножки (сваи) поставить слишком далеко друг от друга, то под весом стен брус начнет прогибаться, как натянутая тетива лука. Снаружи это может быть незаметно, но последствия вы почувствуете быстро: двери и окна начнет заклинивать, полы станут «батутными» (вибрирующими при ходьбе),  в стенах (особенно если есть отделка) появятся трещины.

Как работает расчет (на примере линейки).

Возьмите обычную линейку и положите её концами на две книги. Нажмите пальцем посередине.

1. Если книги стоят близко — линейка почти не гнется.
2. Если раздвинуть книги — линейка прогнется даже от легкого нажатия.

В строительстве всё так же:

–  F (Расчетный прогиб): Это то, насколько брус реально прогнется под весом вашего дома.

–   (Допуск): Это «красная линия» — предел, установленный государственными стандартами (СНиП). Если реальный прогиб больше допустимого — фундамент долго не прослужит.

 Главные цифры для понимания:

Посмотрите на расчеты для стандартного бруса 150х150 мм:

–  При расстоянии между сваями 2 метра: прогиб всего 1 мм (это идеально, дом стоит «намертво»).

–  При расстоянии 4 метра: прогиб уже 17 мм. А норма (F_max) для такого расстояния — всего 16 мм. Вы уже перешагнули черту риска!

–  При расстоянии 6 метров: прогиб составит 59 мм (почти 6 сантиметров!). Брус просто лопнет или безнадежно деформирует стены.

Вывод инженеров: Чтобы дом был стабильным, расстояние между сваями не должно превышать 3–3,5 метра.

4. Расчёт осадки свай

Немного теории.

Расчёт осадки гарантирует, что само основание не уйдет в грунт выше предусмотренных норм. Для получения достоверных данных расчет осадки в современной инженерной практике производится с учетом упруго-пластической модели грунта. В отличие от упрощенных методов, эта модель учитывает два этапа деформации:

1. Упругая деформация: обратимое сжатие грунта под нагрузкой.
2. Пластическая деформация: необратимое изменение структуры грунта (уплотнение).

Такой подход позволяет максимально точно спрогнозировать поведение фундамента в течение десятилетий, учитывая специфику грунтов регионов со сложной гидрогеологией.

Предельные значения осадки строго регламентированы нормативными документами (СП 22.13330.2016 и СП 24.13330.2011). Допустимая величина напрямую зависит от конструктивной схемы здания и материала стен:

–  Для теплиц, бытовок, ограждений требования могут быть более гибкими.

– Однако в большинстве случаев для обеспечения стабильности чистовой отделки каркасных и деревянных домов и исключения трещин в фасадах предельная осадка не должна превышать 20 мм.

А теперь простыми словами.

Представьте, что вы поставили тяжелый шкаф на ковер. Со временем ножки шкафа оставляют вмятины — шкаф «проседает». С домом происходит то же самое: под огромным весом здания почва под фундаментом немного сжимается, и дом слегка опускается. Это и есть осадка.

Упругость и пластичность: как «дышит» земля

Инженеры при расчетах используют упруго-пластическую модель. Звучит сложно, но на деле всё просто:

1. Упругость: Представьте грунт как очень жесткую пружину. Когда вы ставите дом, «пружина» немного сжимается. Если дом убрать, она бы вернулась назад.
2. Пластичность: Грунт под весом не просто сжимается, он «утаптывается» навсегда. Как мокрая глина, которая приняла форму и так и осталась.

Задача расчета — понять, насколько глубоко «утопчется» земля под вашим домом через год, пять и десять лет.

Сколько «вешать в граммах»? (Допустимые нормы)

Дом не может висеть в воздухе, он всё равно немного просядет. Но эта просадка должна быть в пределах нормы.

• Золотой стандарт — до 20 мм (2 сантиметра).
• Если дом просядет равномерно на 1-1,5 см — вы этого даже не заметите.
• В чем опасность? Самое страшное — это когда один угол просел на 5 мм, а другой на 30 мм. Дом перекашивается, в стенах появляются трещины, а окна перестают открываться.

 

5. Расчет свайно-винтового фундамента на горизонтальные нагрузки

Немного теории.

Этот расчёт – критически важный этап проектирования, особенно для высоких ростверков (от 1,5 м), ангарных конструкций, заборов с высокой парусностью и домов на склонах.

В отличие от вертикальной нагрузки, которая «давит» сваю вниз, горизонтальная нагрузка стремится опрокинуть сваю или сдвинуть её в бок, заставляя ствол работать на изгиб.

Вот основные аспекты, которые объясняют суть этого расчета:

1. Источники горизонтальных нагрузок

• Ветер: Основной фактор для легких строений и высоких заборов.
• Давление грунта: Особенно актуально на участках с уклоном.
• Сейсмические нагрузки: Динамические колебания почвы.
• Эксплуатационные нагрузки: Например, вибрации оборудования внутри здания или движение транспорта рядом.

 

2. Физическая модель: Свая как «гибкий стержень в тисках»

Чтобы понять, как фундамент сопротивляется боковым ударам ветра или давлению грунта на склоне, инженеры используют модель балки на упругом основании.

Представьте, что свая – это стальной стержень, зажатый в гигантских тисках, роль которых играет грунт. Грунт не просто держит сваю, он пружинит и сопротивляется её отклонению. Эта «сопротивляемость» научно называется коэффициентом постели грунта.

Из чего складывается этот расчет?

– Боковой напор (H): Это сама сила, которая пытается сдвинуть дом. Чаще всего это давление ветра на стены (парусность) или давление земли, если ваш участок находится на склоне.

– Эффект рычага (M): Здесь вступает в силу школьная физика. Чем выше поднят ваш ростверк над землей, тем больше «плечо рычага». Чем выше эта точка, тем мощнее изгибающий момент, который пытается «переломить» сваю в месте её входа в грунт.

– Сопротивление изгибу (EI): Это «характер» самой сваи, её жесткость. Она напрямую зависит от двух факторов:

• Диаметр трубы: чем он больше, тем сложнее её согнуть.
• Толщина стенки: это запас прочности металла.

Именно поэтому для высоких фундаментов мы рекомендуем использовать сваи с усиленной стенкой и диаметром не менее 108–133 мм.

3. Критические расчетные точки

При расчете на горизонтальные нагрузки инженеры проверяют два параметра:

1) Прочность самой сваи: Не сломается ли стальная труба под действием изгибающего момента в месте её входа в грунт (там обычно максимальное напряжение).

2) Устойчивость грунта: Не «прорежет» ли свая грунт боковой гранью. Если грунт слабый (торф, насыщенный песок), свая просто отклонится от вертикали, образовав воронку.

4. Роль глубины погружения

Существует понятие «расчётной длины сваи». Ниже определенной глубины (обычно 3–5 метров) горизонтальное давление на сваю практически не передается – нагрузка «рассеивается» в верхних слоях. Поэтому для сопротивления боковым силам важнее не глубина 10 метров, а плотность грунта в верхних 2–3 метрах и диаметр трубы.

5. Как повысить устойчивость к горизонтальным нагрузкам?

Если расчет показывает, что одиночная вертикальная свая не справляется, применяются следующие решения:

1) Увеличение диаметра трубы: Самый эффективный способ (например, переход с 89 мм на 108 мм или 133 мм).

2) Армирование ствола: Заполнение полости сваи бетоном (ЦПС) значительно повышает жесткость на изгиб.

3) Применение наклонных свай (укосин): Сваи закручиваются под углом (обычно 45–60°). В этом случае горизонтальная нагрузка превращается в осевую (сжатие или растяжение), в чем винтовая свая максимально сильна.

4) Жесткий ростверк: Объединение свай в единую систему металлическим швеллером или двутавром распределяет нагрузку между всеми опорами.

А теперь простыми словами.

Для визуализации мы представим простой наглядный расчёт данного параметра под названием «Как ветер «шатает» ваш дом»:

Представьте: вы построили дом и подняли его на 1,5 метра (1500 мм) над землей на винтовых сваях.

Шаг 1: Сила ветра (H)

Налетел сильный ветер. Он давит на стену дома. Допустим, после всех расчетов на одну конкретную сваю приходится горизонтальная нагрузка H = 200 кг (2 кН).

Шаг 2: Правило рычага (Изгибающий момент M)

Вспомните, как вы вытаскиваете гвоздь гвоздодером. Чем длиннее ручка, тем легче вытащить. Здесь то же самое:

–   Высота цоколя (плечо): 1,5 метра.

–  Момент на уровне земли: 200  кг × 1,5  метра = (300  кг).

Это сила, которая пытается «сломать» сваю или вывернуть её из земли. Если бы цоколь был 0,5 м, сила была бы всего 100 кг·м. Понимаете разницу?

Шаг 3: Сопротивление сваи (EI)

Теперь нам нужно понять, выдержит ли труба.

–   Если мы возьмем сваю 89 мм, она при таком моменте может прогнуться на 3-5 см. Вы почувствуете это как «дрожь» пола, когда кто-то пробежал по дому или ударил ветер.

–   Если мы возьмем сваю 108 мм с толстой стенкой, её жесткость в 1.5 раза выше. Отклонение составит всего 1-1.5 см. Это уже комфортно и безопасно.

Шаг 4: Сопротивление грунта (Тиски)

Мало того, чтобы труба не согнулась, она не должна «разболтать» землю.

–  Если грунт плотный, он сработает как твердые тиски. Свая останется на месте.

– Если грунт мягкий (суглинок), под действием рычага в 1,5 метра свая начнет «прорезать» верхний слой почвы, образуя воронку. Дом начнет качаться.

Задача сводится  к простому балансу:

 

Сила ветра × Высота фундамента < Жесткость трубы + Плотность грунта

 

В итоге:

1. Если мы строим высокий фундамент (от 50 см до 1,5 м) – нам математически  необходима труба большего диаметра и с толстой стенкой.
2. Чтобы свая не «гуляла» в земле, её нужно закрутить максимально глубоко в плотный слой.

_______________

Проектирование фундамента по СНиП и ГОСТ теряет смысл, если инструмент монтажа не способен выполнить требования этих расчетов. Профессиональное гидравлическое оборудование TORSION® – это не просто средство механизации для закручивания винтовых свай, это мощный и точный инструмент, который помогает превратить теоретические формулы в реальную надежность возводимых свайно-винтовых фундаментов.

Выбирая профессиональное оборудование на https://svaekrut.com/ , вы выбираете фундамент, который прошел строгую проверку проверку математикой!

TORSION® – легенда, проверенная временем. https://svaekrut.com/contacts/