Определение несущей способности одиночной сваи при действии вертикальной нагрузки

Сваи-стойки

могут потерять несущую способность либо в результате разрушения грунта под ее нижним концом, либо в результате разрушения самой сваи, т.е. такую сваю необходимо рассчитывать: по прочности материала ствола сваи и по условию прочности грунта под ее нижним концом. За несущую способность принимается меньшая величина.

     По прочности материала свая-стойка рассчитывается как центрально нагруженный сжатый стержень, без учета поперечного изгиба.

        Для железобетонных свай формула расчета несущей способности по материалу выглядит следующим образом:

,

где φ – коэффициент продольного изгиба, обычно φ=1;

      γс – коэффициент условий работы,

             для свай сечением менее 0,3×0,3м γс=0,85;

             для свай большего сечения γс=1;

      γm  – коэффициент условий работы бетона (0,7…1 – в зависимости от вида   

              свай);

     Rb – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, зависит от класса бетона (кПа);

      A – площадь поперечного сечения сваи, м2;

      γa  – коэффициент условий работы арматуры, γa  =1;

      Rs – расчетное сопротивление сжатию арматуры (кПа);

         As – площадь поперечного сечения арматуры, м2.

     Несущая способность сваи-стойки по грунту определяется по формуле:

,

где γс – коэффициент условий работы сваи в грунте, γс=1;

      R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа

      А – площадь опирания сваи на грунт, м2.

Висячие сваи

Их расчет производится, как правило, только по прочности грунта, т.к. по прочности материала она всегда заведомо выше.

     Существуют следующие методы расчета:

• Динамический метод;
• Метод испытания пробной статической нагрузкой;
• Практический метод;
• Метод статического зондирования;
• Теоретические методы.

      Динамический метод заключается в определении несущей способности сваи по величине ее отказа на отметке близкой к проектной. В основу метода положено, что работа, совершаемая свободно падающим молотом, GH (где G – вес молота, H – высота падения молота) затрачивается на преодоление сопротивления грунта погружению сваи; на упругие деформации системы «молот-свая-грунт»; на превращение части энергии в тепловую; разрушение головы сваи и т.п., т.е. на неупругие деформации.

     В общем виде эта зависимость записывается следующим образом:

 – уравнение работ

                                                      Н.М. Герсевомова,

где G∙H – работа падающего молота;

       Fu∙Sa – работа на погружение;

       G∙h – работа на упругие деформации;

       α∙G∙H – работа на неупругие деформации;

       Fu – предельное сопротивление сваи вертикальной нагрузке, кН;

       Sa – отказ сваи, м;

       Α – коэффициент, учитывающий превращение части энергии в тепловую

             и   т.п.

     Отказ сваи (Sa) определяется либо по одному удару молота, либо, что чаще, вычисляется как среднее арифметическое значение погружения сваи от серии ударов, называемой залогом (число ударов от 4-х до 10).

     Метод испытания свай статической нагрузкой. Несмотря на сложность, длительность и значительную стоимость этот метод позволяет наиболее точно  установить предельное сопротивление сваи с учетом всех геологических и гидрогеологических условий строительной площадки

     Метод используется либо с целью установления предельного сопротивления сваи, необходимого для последующего расчета фундамента, либо с целью проверки на месте несущей способности сваи, определенной каким-либо другим методом, например, практическим.

     Проверке подвергаются в среднем до 1% от общего числа погруженных свай, но не менее 2-х.

     Схема испытания выглядит следующим образом:

Рис.11.13. Испытание свай вертикальной статической нагрузкой:

1 – испытываемая свая; 2 – анкерные сваи; 3 – реперная система; 4 – прогибомеры (для замера осадки сваи от нагрузки); 5 – домкрат; 6 – упорная балка

     Нагрузка прикладывается ступенями, равными  от ожидаемого предельного сопротивления сваи. Каждая ступень выдерживается до условной стабилизации осадки сваи. Осадка считается условно стабилизировавшейся, если ее приращение не превышает 0,1мм за 1 час наблюдения для песчаных грунтов и за 2 часа для глинистых.

      По данным испытаний строятся два графика:

      Практика показала, что графики испытаний свай делятся на два типа (рис. 1.13б):

• с характерным резким переломом, после которого осадка непрерывно возрастает без увеличения нагрузки, данная нагрузка в этом случае и принимается за предельную;
• с плавным очертанием без резкого перелома, что затрудняет определение предельной нагрузки. В этом случае за предельную принимается та нагрузка, под воздействием которой испытываемая свая получила осадку S:

,

где ζ – переходной коэффициент, комплексно учитывает ряд факторов:  

            несоответствие между осадкой одиночной сваи и сваи в кусте,

            кратковременность испытания (главный фактор) по сравнению с

            длительностью эксплуатации здания и т.п., принимается равным   ζ=0,2;

       Su,mt – предельное значение средней осадки фундамента проектируемого здания (по СНиП 2.02.01-83*).

     В итоге расчетная нагрузка на сваю по результатам статических испытаний:

,

где   γс – коэффициент условий работы;

        γg – коэффициент надежности по нагрузке;

        Fu – частное значение, т.е. нормативное значение.

     Практический метод (по таблицам СНиП). Широко применяется в практике проектирования, позволяет определить несущую способность сваи по данным геологических изысканий. Метод базируется на обобщении результатов испытаний большого числа обычных и специальных свай вертикальной статической нагрузкой, проведенных в различных грунтовых условиях с целью установления предельных значений сил трения, возникающих между сваей и окружающим грунтом, и

Рис.11.11. Расчетная схема к определению несущей способности сваи практическим методом

предельного сопротивления грунта под ее концом.

В результате составлены таблицы расчетных сопротивлений грунтов, которые позволяют определить сопротивление боковой поверхности и нижнего конца сваи и, просуммировать полученные значения по формуле:

Fd  =  ()

      Найти ее НС Fd (kH)

R и fi  - затабулированы

R→Zo – расстояние от поверхности до низа сваи; крупность песчаного грунта или IL глинистого грунта.

fi→Zi – расстояние от поверхности до середины рассматриваемого слоя, крупности песчаного грунта или IL глинистого грунта.

Особое внимание в этом методе расчета необходимо уделять правильности оценки физико-механических свойств грунта, особенно показателю текучести IL глинистых, который оказывает значительное влияние на результат расчета.

Этот метод, как правило, дает заниженное значение НС сваи.

При расчете сваи на выдергивающую нагрузку (например – анкерных свай) ее НС Fdu  будет определяться только сопротивлением трению по боковой поверхности и рассчитывается по формуле:

      Здесь  – коэффициент условий работы меньше чем при вдавливающей нагрузке  =0,6 для свай l<4 м, Jc=0,8, l<=4 м.

Остальное – то же, что и в формуле на вдавливающую нагрузку.

Понятие о негативном трении

Если по тем или иным причинам осадка окружающего сваю грунта будет превышать нагрузку самой сваи, то на ее боковой поверхности возникнут силы трения , направленные не вверх, как обычно, а вниз – отрицательное трение.

Обычно отрицательное трение возникает при загружении поверхности грунта около сваи (планировка территории подсыпкой м т.п.).

Вероятность возникновения отрицательного трения значительно возрастает если в пределах глубины погружения сваи имеется слой слабых сильно сжимаемых грунтов – торфа. Деформация торфа может быть настолько большой, что вышележащие слои грунта зависнут на свае, дополнительно пригружая ее (рис. 11.12.).

НС сваи в этом случае определяется по той же формуле, но fi для слоев выше торфа берется со знаком «-«, а для торфа «-5 кПА».

Подробно эта методика изложена в СниПе.

Рис. 11.12. Развитие отрицательных сил трения на боковой поверхности сваи:

1 – песчаный грунт средней плотности; 2 – слой торфа

Метод статического зондирования грунтов

- более дешевый и быстрый метод по сравнению с испытанием свай статическими нагрузками.

Заключается во вдавливании в грунт стандартного зонда, состоящего из штанги с конусом на конце (dкон = 36 мм, F = 10 см2, < заострения 60º). Конструкция зонда позволяет как общее сопротивление его погружения, так и величину лобового сопротивления конуса.

Так как характер деформации грунтов при вдавливании свай и зонда аналогичен, полученные данные можно использовать для определения предельных сопротивлений свай.

Fd = AR+ f·h·U

f = B2·fз ;      AR  - сопротивление острия зонда

R = B1·qз ;    h  - длина сваи

B1 B2 – переходные коэффициенты учитывающие разные размеры зонда и сваи.

Наряду с зондами для определения НС свай используются также эталонные сваи сечением 10х10 см двух типов – для измерения сопротивления грунта только под острием эталонной сваи, а второй – под острием и по ее боковой поверхности.

Теоретические методы

В силу своей сложности и многочисленных допущений, снижающих их точность, широкого применения на практике не нашли.