Какую нагрузку выдерживают винтовые сваи
Статья рассказывает о том, какую нагрузку выдерживают разные модификации винтовых свай, эксплуатируемые в разных грунтовых условиях.
Содержание статьи:
1. Нагрузку от строения воспринимают сваи или грунт?
4. Расчет несущей способности фундамента из винтовых свай
1. Нагрузку от строения воспринимают сваи или грунт?
Когда речь заходит о свайно-винтовых основаниях, мы часто сталкиваемся с выражением «несущая способность винтовой сваи». Стоит сказать, что, несмотря на свою распространенность, оно не вполне корректно.
Неважно, какое здание/сооружение запланировано к строительству, способность свай к восприятию проектных нагрузок следует определять в первую очередь по несущей способности грунтов, а уже потом – по конструктивным и геометрическим параметрам отдельных свай. При этом в ходе назначения этих параметров также будут учитываться данные о грунтовых условиях непосредственно в пятне застройки, а, кроме того, данные о нагрузках от будущего строения.
Получается, что если нет понимания, в каких грунтах будет эксплуатироваться винтовая свая, то, даже имея данные о ее конструкции и типоразмере, говорить о конкретных показателях несущей способности бессмысленно. То есть любому строительству должны предшествовать исследования грунтовых условий площадки предполагаемого строительства.
О том, какого объема исследований будет достаточно для получения всей необходимой информации, вы можете прочитать в статье «Геотехнические и геолого-литологические исследования и измерения коррозионной агрессивности грунтов».
2. Несущие свойства грунта
Несущая способность грунта – параметр (один из основных), который определяет, выдержит ли основание нагрузку, передаваемую на него фундаментом сооружения/здания.
Данный параметр характеризуется нагрузкой (напряжением), которую основание может выдержать, когда находится в предельном состоянии. То есть нагрузкой, при малейшем увеличении которой происходит разрушение грунта (развитие площадок скольжения). Практикующие инженеры-конструкторы никогда не приближаются к этому состоянию, так как даже в пределах площадки строительства изменчивость свойств грунта достаточно высока, что не позволяет определить пограничное состояние однозначно. Более того, когда нагрузка приближается к предельному значению, деформации начинают развиваться с ускорением, так как разрушение грунта в основании (развитие площадок скольжения) происходит не мгновенно, а постепенно.
Если взглянуть на график «нагрузка-осадка», полученный в процессе нагружения фундамента, можно условно выделить три зоны, характеризующие состояние грунтового основания под нагрузкой (таблица 1).
Таблица 1 - Зоны, характеризующие состояние грунтового основания под нагрузкой
|
Состояние грунтового основания под нагрузкой |
Причины |
Зона 1. После начала приложения нагрузок |
Деформации увеличиваются по линейному закону (с постоянной скоростью) |
Грунт находится в фазе уплотнения, развитие зон пластических деформаций отсутствует |
Зона 2. Поддерживается постоянная скорость нагружения |
График принимает криволинейное очертание, деформации происходят с ускорением |
В основании образовались и развиваются зоны пластических деформаций (площадки скольжения) |
Зона 3. Увеличение нагрузок не происходит |
Деформации продолжают прирастать |
Предельное равновесие нарушено, нагрузка превышает несущую способность основания |
Проектируя объекты, специалисты назначают нагрузку таким образом, чтобы фундамент работал в состоянии, близком к границе между первой и второй зонами. К примеру, для назначения нагрузки для фундамента на естественном основании применяют такой параметр как «расчетное сопротивление» (таблицы 2 и 3). Это значение является той точкой на графике «нагрузка-осадка», которая лежит в пределах границы между 1 и 2 зонами.
Таблица 2 - Расчетные сопротивления песков R0
Пески |
Значения, R0 кПа, в зависимости от плотности сложения песков |
|
плотные |
средней плотности |
|
Крупные |
600 |
500 |
Средней крупности |
500 |
400 |
Мелкие: |
||
маловлажные |
400 |
300 |
влажные и насыщенные водой |
300 |
200 |
Пылеватые: |
||
маловлажные |
300 |
250 |
влажные |
200 |
150 |
насыщенные водой |
150 |
100 |
Таблица 3 - Расчетные сопротивления глинистых (непросадочных) грунтов R0
Глинистые грунты |
Коэффициент пористости, е |
Значения R0, кПа, при показателе текучести грунта |
|
I=0 |
I=1 |
||
Супеси |
0,5 |
300 |
200 |
0,7 |
250 |
150 |
|
Суглинки |
0,5 |
350 |
250 |
0,7 |
250 |
180 |
|
1,0 |
200 |
100 |
|
Глины |
0,5 |
600 |
400 |
0,6 |
500 |
300 |
|
0,8 |
300 |
200 |
|
1,1 |
250 |
100 |
Чем глубже залегает грунт (при всех прочих равных условиях), тем больше его несущая способность. Это следствие давления, которое создают расположенные выше слои.
3. Параметры винтовых свай
С точки зрения характера восприятия нагрузок винтовые сваи можно условно разделить на две большие группы:
- узколопастные, диаметр лопасти которых превосходит диаметр ствола менее чем в полтора раза;
- широколопастные (лопастные), у которых диаметр лопасти в полтора раза и более превосходит диаметр ствола.
Узколопастные модификации воспринимают нагрузки благодаря высокой несущей способности грунтов и рассчитанному количеству витков, шагу и ширине лопасти (обеспечивает учет в полном объеме трения по боковой поверхности). Хорошо проявляют себя в особо плотных сезоннопромерзающих и вечномерзлых (многолетнемерзлых) грунтах. Требуют обязательного выполнения расчетов на противодействие касательным силам морозного пучения из-за значительного трения по боковой поверхности ствола (подробнее «Воздействие сил морозного пучения»).
Широколопастные модификации хорошо воспринимают проектные нагрузки даже в грунтах с низкой несущей способностью благодаря:
- достаточной площади опирания;
- подбору конфигурации лопастей, соответствующей грунтовым условиям (подробнее «Ключевые принципы подбора параметров лопастей»);
- расчету расстояния между лопастями, шага, угла, наклона лопастей для многолопастных модификаций (подробнее «Особенности расчета многолопастных конструкций»).
Тем не менее, несущие свойства грунтов будут иметь решающее значение и для этой группы. К примеру, широколопастная свая с диаметром ствола 57 миллиметров и лопастью 200 миллиметров, установленная в грунт с высокой несущей способностью, может воспринять нагрузки до 5 тонн, тогда как конструкция с диаметром ствола 159 миллиметров с лопастью 500 миллиметров, установленная в слабый грунт, может держать менее 5 тонн.
По результатам исследований, проведенных специалистами компании «ГлавФундамент», был построен график зависимости несущей способности винтовой сваи от характеристик основания и конструктивных особенностей самой сваи (рисунок 1).
Из представленных зависимостей видно, что изменение интересующего параметра под влиянием характеристик грунта более значительно, чем под влиянием изменений, связанных с конструктивными особенностями сваи. Это в очередной раз подтверждает, что при выборе конструкции сваи следует в первую очередь отталкиваться от грунтовых условий площадки строительства, их изменчивости как в плане, так и по глубине. Это позволит подобрать экономически эффективную конструкцию, которая обеспечит эксплуатационную надежность в течение всего срока службы здания/сооружения.
Рисунок 1 – График зависимости несущей способности винтовой сваи от характеристик грунта и конструктивных особенностей сваи
dS1, dS2, dS3 – условный диаметр лопасти винтовых свай (исполнение 1, 2, 3).
ds1, ds2, ds3 – условный диаметр ствола винтовых свай (исполнение 1, 2, 3).
h – глубина погружения.
e/Il – отношение пористости грунта к показателю текучести.
4. Расчет несущей способности фундамента из винтовых свай
Таким образом, расчету свайно-винтового фундамента всегда должны предшествовать инженерно-геологические изыскания на участке, которые дадут достаточно информации о физико-механических характеристиках грунтов.
Непосредственно расчет может быть выполнен аналитически или с применением математического моделирования в соответствии с действующими нормативными документами. Альтернативный способ определения несущей способности винтовых свай – по результатам полевых испытаний.