Как свайные фундаменты могли экономить миллионы в Казахской ССР

Почему фундамент стал дорогой частью сельской стройки

Исследование появилось в конце 1970-х годов. Авторы начинали работу с решений июльского пленума ЦК КПСС 1978 года, на котором развитие сельского строительства было названо одним из важных направлений аграрной политики. Масштаб финансирования был значительным: в том году почти треть всех капитальных вложений в строительство приходилась на этот сектор. Одновременно руководство СССР критиковало практику, при которой решения, разработанные для промышленного строительства, механически переносились на малоэтажные сельские объекты, что неоправданно повышало их стоимость. 

Особое значение в этой системе имели фундаменты. Для одноэтажных сельскохозяйственных зданий затраты труда и времени составляли существенную часть всей стройки и заметно влияли как на сметную стоимость, так и на сроки ввода объекта. Проблема становилась еще острее там, где грунт глубоко промерзал, был склонен к просадке или где грунтовые воды находились близко к поверхности. Поэтому авторов интересовала именно конструкция, которая одновременно соответствовала местным грунтовым условиям и требовала меньше денег и труда. 

Что именно сравнивали инженеры

Расчеты проводились применительно к зональным стоимостям Алма-Атинской и Чимкентской областей. Рассматривались малоэтажные сельские здания двух основных групп: каркасные сооружения и жилые, общественно-культурные либо производственные здания с несущими стенами. К анализу привлекли уже рекомендованные союзным Госстроем и Министерством сельского строительства СССР и дополнительные варианты. 

Набор конструкций был широким (см. рис. 1). Для свайных фундаментов сравнивали два способа соединения свай сверху: монолитный ростверк, который заливали бетоном прямо на стройке, и сборный, который монтировали из готовых заводских элементов. Это позволяло оценивать не отдельные сваи, а фундамент в целом — по стоимости и трудозатратам.

Рис. 1. Типы фундаментов одноэтажных сельских зданий: 1) свая/колонна; 2) гидроизоляция; 3) фундаментная балка; 4) бетонный столб; 5) фундаментный башмак; 6) подготовка (подстилающий слой); 7) утеплитель; 8) ленточный бутобетонный фундамент; 9) сплошной ленточный фундамент из сборных блоков; 10) монолитный ростверк; 11) песчаная засыпка; 12) булавовидная свая; 13) свая с расширенной опорной частью; 14) пирамидальная свая; 15) сборный ростверк; 16) замоноличивание обычным или лёгким бетоном; 17) ромбовидная свая; 18) набивная свая; 19) забивная призматическая свая; 20) забивная свая с двойными консолями.

Чтобы честно сравнить разные виды фундаментов, исследователи рассчитывали их для одинаковых условий. Они учитывали прочность грунта (0,15, 0,20 и 0,25 МПа) и глубину, на которую должен был уходить фундамент. Для юга, центра и севера республики брали глубину 1, 1,5 и 2 метра — в соответствии с тем, насколько глубоко зимой промерзает земля. При расчете свай также учитывали, насколько прочным или слабым был глинистый грунт. Сваи располагали на расстоянии от 1,5 до 3 метров друг от друга, а их длину в рассматриваемых вариантах ограничивали четырьмя метрами, в том числе из-за возможностей тогдашней строительной техники.

Исследователи учитывали и вес здания, который должен был выдерживать фундамент. В каркасных постройках основная нагрузка передается через отдельные колонны, поэтому расчеты проводили для двух вариантов — сравнительно легких (100 кН, около 10 тонн) и более тяжелых конструкций (200 кН, около 20 тонн). В зданиях с несущими стенами вес распределяется вдоль всей стены, поэтому его рассчитывали на каждый метр фундамента. Для сравнения использовались нагрузки в 30, 50 и 80 кН (3, 5 и 8 т соответственно), характерные для малоэтажной сельской застройки того времени.

От конструкции — к рублям и человеко-дням

Затем авторы сравнили сами типы фундаментов и свай, поскольку разные конструкции были рассчитаны на разные грунты и условия строительства. В частности, булавовидные сваи предназначались для слабых грунтов, которые зимой при замерзании могут расширяться и выталкивать фундамент вверх. Поэтому форму и размеры таких свай подбирали так, чтобы они лучше сопротивлялись морозному пучению, особенно в северных районах республики. Для пирамидальных свай отдельно сравнивали два варианта верхней соединяющей конструкции: монолитный ростверк, который заливали бетоном на месте, и сборный — из готовых железобетонных элементов.

Затем исследователи перешли от технических характеристик к экономике строительства. Для каждого варианта они подсчитали его сметную стоимость и объем необходимого труда. В каркасных зданиях расчеты проводили для одной опоры, например фундамента под колонной, а в зданиях с протяженным фундаментом — на каждый метр его длины. Стоимость определяли по действовавшим в то время строительным нормативам и официальным расценкам.

Затем исследователи перевели технические характеристики в экономические показатели — стоимость и объем необходимого труда. Полученные результаты они свели в два графика. Первый показывал, как меняется стоимость разных фундаментов, второй — сколько труда требуется для их устройства. Для обычных ленточных фундаментов особенно хорошо было видно, что увеличение глубины с одного до двух метров заметно повышало и стоимость, и трудозатраты. Для свайных конструкций авторы отдельно сравнивали, как эти показатели меняются при переходе от более прочных к более слабым глинистым грунтам. Такой подход позволял увидеть не только то, какой фундамент технически подходит для конкретного участка, но и во сколько он обойдется и насколько сложным будет его строительство.

Рис. 2. a) насколько дорожает обычный фундамент, если его приходится делать глубже; b) сколько стоят разные свайные варианты на более прочном и более слабом грунте

Рис. 3. а) насколько увеличивается объем работы при углублении обычного фундамента; b) сколько труда требуют разные свайные конструкции при разных грунтах.

Когда сваи оказывались выгоднее столбчатых фундаментов

Первое крупное сравнение показало, насколько результат зависел от глубины фундамента и веса здания. При относительно небольшой нагрузке (100 кН) и на достаточно прочном грунте сваи-стойки оказывались выгоднее обычных столбчатых фундаментов во всех рассмотренных вариантах. Если традиционный фундамент заглубляли на один метр, экономия составляла 3–6 рублей на одну опору, а объем необходимого труда сокращался в четыре-пять раз. При глубине 1,5–2 метра разница становилась значительно заметнее: экономия достигала 12–22 рублей, а трудозатраты уменьшались в восемь-десять раз.

Высокий уровень грунтовых вод еще больше увеличивал стоимость обычного фундамента и, соответственно, усиливал преимущество свай. Однако при более тяжелых (200 кН) зданиях результат был не столь однозначным. Если традиционный фундамент можно было заложить всего на метр, свайный вариант стоил примерно на 15 рублей дороже, хотя и требовал значительно меньше труда. Начиная примерно с глубины 1,2 метра ситуация менялась в пользу свай: при полутора метрах экономия составляла 7–9 рублей, а при двух метрах — 13–15 рублей.

Особенно заметным преимущество оказалось на просадочных грунтах. При пористости около 49%, нагрузке 100 кН и глубине один метр сваи-стойки оказывались дешевле столбчатого варианта примерно на 11 рублей, а трудозатраты сокращались в шесть раз. При нагрузке 200 кН экономия, в зависимости от района Казахской ССР, достигала уже 25–27 рублей, при том же шестикратном сокращении трудоемкости. 

Почему основным вариантом стали пирамидальные сваи

Сваи-стойки авторы считали подходящими для каркасных сельских зданий, если на одну опору приходилась нагрузка примерно до 200 кН и грунт позволял такой тип основания. Речь шла о разных глинистых и песчаных грунтах, а также о просадочных грунтах с пористостью примерно до 49%. А обычный столбчатый фундамент имел смысл прежде всего тогда, когда его не нужно было сильно заглублять — примерно до 1–1,2 метра. Кроме того, его рекомендовали там, где в грунте много крупного материала: гравия, камней, обломков пород или валунов. Причина в самой технологии: забивать сваи в такой грунт сложнее. Если же грунт был совсем слабым — например, очень рыхлым или сильно просадочным, — авторы уже не рекомендовали ни обычные столбчатые фундаменты, ни рассмотренные выше сваи-стойки. Для таких условий предлагались забивные блоки со специальным гнездом для закрепления колонны бетоном.

При сравнении свай с ленточными фундаментами из готовых бетонных блоков преимущество также часто оставалось за сваями. При метровой глубине традиционного фундамента экономия составляла от 10 до 30 рублей на каждый метр, а объем необходимого труда сокращался в 1,5–3 раза. Бутобетонный ленточный фундамент мог быть дешевле лишь при небольшой глубине и определенных свойствах грунта.

Наиболее выгодными среди рассмотренных свайных решений авторы признали пирамидальные железобетонные сваи, забиваемые в грунт и соединяемые сверху монолитным ростверком. По сравнению с бутобетонным фундаментом глубиной 1,5 метра они позволяли экономить от 6 до 14 рублей на погонный метр, а при двухметровой глубине — от 15 до 23 рублей. Трудозатраты при этом сокращались в два-три раза. Дополнительным преимуществом было то, что при забивке пирамидальная свая уплотняла окружающий грунт. Поэтому, несмотря на более сложное производство, именно этот тип авторы рекомендовали как основной вариант для жилых, производственных и общественных зданий.

Где требовались другие типы свай

Другие типы свай авторы также не исключали, однако рекомендовали применять их только в определенных условиях. Булавовидные сваи, например, были наиболее оправданны там, где слабый верхний слой грунта на глубине 3–5 метров сменялся более прочным. Ромбовидные сваи по стоимости и трудозатратам превосходили обычные призматические, но хуже подходили для грунтов, которые зимой промерзают и выталкивают фундамент вверх.

Отдельно рассматривались набивные сваи, которые изготавливались прямо на строительной площадке: в грунте делали скважину и заполняли ее бетоном. По стоимости они могли быть сопоставимы с пирамидальными сваями, хотя требовали примерно в 1,8 раза больше труда. Их преимуществом была сравнительно простая технология, доступная сельским строительным организациям. Особенно эффективными такие сваи были там, где более слабый верхний грунт на глубине 1,5–4 метров сменялся прочным слоем.

Выбор верхней конструкции свайного фундамента также зависел от местных условий. Сборные ростверки из готовых железобетонных элементов рекомендовались прежде всего для северных и восточных районов республики с коротким строительным сезоном, поскольку позволяли сократить объем работ непосредственно на площадке. Монолитным ростверкам, которые заливали бетоном на месте, отдавали предпочтение в сейсмических районах, на сильно просадочных грунтах и там, где существовал риск подъема грунтовых вод.

На основе этого анализа были составлены «Рекомендации по применению свайных фундаментов в сельском строительстве Казахской ССР», которые получили одобрение Госстроя, Министерства сельского строительства, Межколхозстроя и Министерства сельского хозяйства Казахской ССР. По расчетам авторов, применение этих рекомендаций в условиях республики могло давать экономию более двух миллионов рублей в год.