Винтовая свая — свая, состоящая из металлического наконечника (винтового башмака) с лопастью (лопастями) или многовитковой спиралью (спиралями) и трубчатого металлического ствола, погружаемая в грунт методом завинчивания в сочетании с вдавливаниемГОСТ Р 59106-2020 «Сваи стальные винтовые»..

Основные компоненты винтовой сваи: ствол (в западной практике он обычно подразделяется на направляющую (ведущую) часть с заострённым концом и удлинитель: направляющая часть с лопастью/лопастями первой входит в грунт, а удлинитель используется для её дальнейшего погружения в грунт до несущего слоя. Удлинители могут иметь дополнительные несущие лопасти, но чаще состоят из ствола и муфт); винтовые несущие лопасти.

Особенности развития технологии в СССР (широкое использование литья) позволяют выделить дополнительный компонент — наконечник винтовой сваи. Он представляет собой заострённый конец сваи, неотъемлемой частью которого является винтовая несущая лопасть.

История Свайное фундаментостроение известно с древних времён, однако много веков его применение ограничивалось материалом, из которого изготавливались сваи (дерево), и способом их погружения (забивка). В XX веке на смену деревянным сваям пришли железобетонные, что расширило сферу применения свайных фундаментов, но метод погружения остался прежним, хотя и получил ряд усовершенствований.

Изобретение винтовых свай Решая проблему строительства морских сооружений на слабых грунтах, таких как песчаные рифы, террасы илистого грунта и устья рек, инженер-строитель (1780—1868) изобрёл и в 1833 году запатентовал в Лондоне устройство «Винтовая свая». За своё изобретение он получил и членство .

Первоначально винтовые сваи использовались для судовых причалов и представляли собой металлическую трубу с якорным винтом на конце. Они вкручивались в грунт ниже уровня ила усилиями людей и животных с помощью большого деревянного колеса, называемого якорным шпилем. Для установки винтовых свай от 20 футов (6 м) длиной с 5-дюймовым (127 мм) диаметром ствола нанимали до 30 мужчин.

Первым техническим документом, написанным Митчеллом в отношении винтовых свай, стал «На подводных фундаментах. Винтовые сваи и причалы в частности»A. Mitchell. On Submarine Foundations; particularly the Screw-Pile and Moorings // Proceedings of the Institution of Civil Engineers. — 1843. — № 7. — P. 108—149.. В своей работе инженер заявил, что винтовые сваи могут быть использованы для обеспечения несущей способности или сопротивления выдёргивающим силам. По его мнению, несущая способность свайно-винтового фундамента зависит от площади лопасти винта, природы грунта, в который он вкручивается, и глубины, на которой он находится под поверхностью.

В 1838 году винтовые сваи стали основой для фундамента маяка на нестабильном прибрежном грунте реки Темзы в Великобритании. Для укрепления морских пирсов технологию винтовых свай впервые применил архитектор и инженер  (1818—1884). С 1862 по 1872 годы были возведены 18 морских пирсов.

Экспансия Британской империи поспособствовала быстрому распространению технологии по всему миру. Так, с 1850-х по 1890-е годы было построено 100 маяков на винтовых сваях только вдоль восточного побережья США и вдоль Мексиканского залива.

В период 1900—1950 годов популярность винтовых свай на Западе несколько снизилась в связи с активным развитием механического сваебойного и бурового оборудования, зато в последующие годы технология стала стремительно развиваться в сфере индивидуального, промышленного и крупного гражданского строительства.

Развитие технологии винтовых свай в СССР и России В Россию технология пришла в начале XX века. Тогда винтовые сваи получили широкое распространение в области военного строительства, где в полной мере оценили их достоинства — универсальность, возможность использования ручного труда, надёжность и долговечность, особенно в пучинистых, обводнённых или многолетнемёрзлых грунтах. Эти преимущества были доказаны благодаря трудам советского инженера Владислава Дмоховского (1877—1952), который провёл комплексные исследования в области свайных оснований (теория конических свай).

Теоретические основания применения винтовых свай и технология производства работ были разработаны в СССР только в 1950—1960-х годах. Тогда же были спроектированы и изготовлены установки для их завинчивания. Значительный вклад в систематическое изучение и экспериментальную разработку применения винтовых свай в строительстве внесли Г. С. Шпиро, Н. М. Бибина, Е. П. Крюков, И. И. Цюрупа, И. М. Чистяков, М. А. Орделли, М. Д. Иродов и другие. В работах этих авторов содержатся ценные сведения, необходимые для определения технических параметров и геометрических форм винтовых свай, решения конструкций и выбора материалов для их изготовления.

Исследователями были получены обширные материалы по несущей способности и перемещению винтовых свай в разных грунтах, определено влияние размеров лопасти и глубины её погружения на несущую способность свай. Опыт погружения большого числа разнообразных по размерам и материалам винтовых свай позволил разработать технологию их погружения в грунт, определить скорости вращения, величины крутящих моментов и осевых усилий, необходимых для погружения. В 1955 году были опубликованы «Технические указания по проектированию и устройству фундаментов опор мостов на винтовых сваях» (ТУВС-55); затем — «Руководство по проектированию и устройству мачт и башен линий связи из винтовых свай», которое было результатом внедрения, испытаний и опытной эксплуатации опор линий связи высотой до 245 м в 1961—1964 годах.

Одним из первых учёных, рассматривающих технологию фундамента из винтовых свай через призму научного опыта стал доктор технических наук, инженер-строитель В. Н. Железков. Учёным было доказано, что винтовые сваи не только являются полноценной альтернативой традиционным видам фундаментов, но и имеют ряд преимуществ перед ними, к примеру, если речь идёт о сложных геологических условиях.

В. Н. Железков также разработал методику для определения несущей способности свай по величине крутящего момента как на сжимающие, так и на выдёргивающие нагрузки. В 2004 году он опубликовал монографию «Винтовые сваи в энергетической и других отраслях», в которой были собраны ценные экспериментальные данные по определению несущей способности винтовых свай на сжимающие, выдёргивающие и горизонтальные нагрузки.

Интенсивное внедрение винтовых свай в строительство и энергетику началось в середине 1960-х годов. Этому способствовало расширение работ по реконструкции зданий и сооружений, выполнение строительных работ в стеснённых городских условиях или на промышленных территориях, что требовало разработки глубоких котлованов в непосредственной близости от существующих фундаментов. Другой причиной развития технологии свайно-винтовых опор явилось увеличение объёма монтажных работ в строительстве. Монтаж тяжёлых конструкций объектов химического, металлургического, энергетического назначения потребовал разработки новых видов фундаментов и расширения области их использования. Наибольшее применение винтовые опоры получили в отраслях связи и телекоммуникациях (закрепление опор линий электропередачи).

В российском малоэтажном и индивидуальном жилищном строительстве винтовые сваи стали широко использоваться в конце XX — начале XXI века.

Отличие российского и западного подходов Разработка винтовых свай в СССР велась независимо от исследований западных учёных, при этом приоритетными задачами стали высокая скорость и простота погружения в грунтах с высокой плотностью. Этим требованиям отвечала дезаксиальная стальная винтовая свая с литым наконечником и одной лопастью в 1,25 витка, начинающейся на скошенной части и плавно увеличивающейся в ширину, конструкцию которой разработал В. Н. Железков. Эта свая, несмотря на сравнительно небольшую величину крутящего момента, не требует использования при завинчивании дополнительной пригружающей силы. Однако, будучи универсальной, она имеет невысокую несущую способность, для повышения которой необходимо увеличивать диаметр ствола и лопасти, что ведёт к увеличению расходов на строительство. Тем не менее такая свая до сих пор используется в России и на постсоветском пространстве достаточно широко.

Западные разработчики, напротив, сделали акцент на обеспечении необходимой несущей способности при минимальном увеличении материалоёмкости. Это привело к отказу от крепления лопастей к конусу сваи, а для повышения несущей способности конструкторы прибегли к наращиванию диаметра лопасти и количества лопастей. За счёт внедрения новых технологий свайно-винтовые фундаменты стали широко применяться в сфере гражданского строительства. По данным Международного общества по механике грунтов и фундаментостроению () в 2010 году винтовые сваи заняли 11 % западного рынка, постепенно вытесняя забивные.

Применение

Фундаменты из винтовых свай могут быть установлены под любые объекты: промышленного строительства (здания заводов, фабрик, трубные эстакады, трубопроводы, промышленные ангары, ЛЭП); гражданского строительства (многоэтажные жилые дома, общественные здания, склады, ангары, ограждения); индивидуального жилищного строительства (жилые дома этажностью не более трёх этажей, пристройки, хозяйственные постройки); сельскохозяйственного строительства (теплицы); транспортного строительства (дороги, проезды, шумозащитные экраны); военного назначения; гидротехнического назначения, в том числе устанавливаемые на обводнённых грунтах (причалы, мосты); инфраструктуры, рекламные конструкции, МАФ; временные сооружения (торговые павильоны, аттракционы).

Кроме того, винтовые сваи используются при реконструкции фундаментов крупных гражданских и промышленных объектов, объектов индивидуального жилищного строительства, при укреплении склонов и берегоукреплении.

Грунты также практически не накладывают ограничений на применение винтовых свай. Более того, они являются предпочтительным вариантом при строительстве в таких сложных инженерно-геологических условиях, как районы вечной (многолетней) мерзлоты, крупнообломочные, пучинистые, слабые и обводнённые грунты и т. п.

В то же время конструктивные и геометрические параметры (конфигурация лопасти, количество, диаметр, шаг и угол наклона лопастей, толщина стенки ствола и лопасти) винтовых свай будут в каждом случае назначаться индивидуально в соответствии с физическими характеристиками и коррозионной агрессивностью грунтов, с данными о глубине промерзания, о нагрузках от строения, требованиями к жёсткости, прочности, устойчивость и т. д.

Погружение винтовых свай выполняется вручную, механически (спецтехника) или с помощью редуктора. Возможность выбора способа монтажа, а также отсутствие шума и вибраций во время установки делают винтовые сваи незаменимыми при работе в условиях плотной городской застройки.

Классификация винтовых свай

Типоразмеры винтовых свай — это совокупность технологических и конструкционных особенностей. Разные типы свай используются в разных грунтовых условиях. Применение нескольких типоразмеров свай необходимо даже в пределах одного фундамента объекта малоэтажного строительства, так как на него, как правило, воздействуют разные величины нагрузок: под ответственными узлами сооружения; под несущими стенами; под ненесущими стенами и лагами пола.

Каждая из нагрузок требует использования свай с определённой несущей способностью. Такой подход обеспечивает равномерное распределение запаса прочности по всему фундаменту, увеличивает его надёжность и долговечность.

Сваи стальные винтовые подразделяют: по виду свай — на целиковые и составные; по виду лопастей — на лопастные (CBЛ), спиральные (СВС), комбинированные (СВК); по количеству лопастей (спиралей) — с одной или несколькими (две, три и т. д.) лопастями (спиралями), в том числе разного диаметра; по виду наконечников — с закрытыми (конусными) и открытыми (трубчатыми) прямыми или срезанными; по способу изготовления наконечников — со сварными, литыми или коваными наконечниками;