Воздействие сил морозного пучения на различные типы винтовых свай


Время чтения: 8 минут Интересно, но нет времени читать?

Отправка на почту статьи


Нажимая кнопку "Получить", я подтверждаю свою дееспособность и даю согласие на обработку своих персональных данных в соответствии с условиями



Содержание статьи:

1. Данные для анализа

2. Конструктивные характеристики свай

3. Расчет по сваям

    3.1. Тип 1

    3.2. Тип 2

4. Результаты проведенного расчета


Проблемы с эксплуатацией фундамента в районах морозного воздействия на почву возникают после примерзания элементов конструкции к грунту. Общий показатель силы воздействия пучения на фундамент зависит от изменения касательного напряжения при увеличении пятна контакта боковой стороны фундамента с мерзлым грунтом. Данные изменения происходят по-разному, в зависимости от конструкционных особенностей фундамента и глубины его залегания, значений температуры и влажности, типа грунта, его промерзаемости и пучинистости.

Мы попробуем провести сравнение свай двух различных конструкций по такой характеристике, как стойкость к действию силы пучения грунта и определить, какой тип свай является наиболее эффективным в таких грунтовых условиях.

По данным СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», прочность любого объекта, строящегося на основании, подверженном промерзанию, можно обеспечить, если выполнить необходимые условия:

  1. Установление фундамента на такую глубину, при которой не будет происходить значительное действие выталкивающих сил при промерзании.
  2. Исследование стойкости фундамента к касательным силам, появляющимся при промерзании грунта и пучении в боковой зоне конструкции фундамента.

1. Данные для анализа

Грунтовые условия: сильнопучинистый тугопластичный суглинок, имеющий плотность r = 1,95 т/м3.

  • Модуль общей деформации: E = 2,9 МПа;
  • Коэффициент относительной поперечной: m = 0,30;
  • Показатель текучести: JL = 0,31;
  • Угол внутреннего трения: φ =21;
  • Удельное сцепление: C = 32 кПа;
  • Расчетная глубина промерзания: d = 1,7 м.

2. Конструктивные характеристики свай

В данный момент основными типами конструкций винтовых свай можно считать две. I тип – лопастная свая, выполненная из металла – изготавливается из трубы с лопастью приваренной на конце. Диаметр ствола находится в соотношении с диаметром лопасти, не превышающем его треть. II тип – коническая свая со множеством витков в виде одной спирали на острие. Состоит из двух частей, пустых внутри, одна из которых имеет форму цилиндра, другая – конуса. Для расчета были выбраны сваи данных типов со следующими параметрами:

  • тип 1: длина – 2500 мм, диаметр ствола сваи – 108 мм (0.108 м), диаметр режущей лопасти – 300 мм;
  • тип 2: длина – 2500 мм (2,5 м), диаметр ствола сваи – 114 мм.

Вычисление действующих сил при грунтовом пучении проводят, исходя из требований СП 50-101-2004, где приведена следующая формула:

Воздействие сил морозного пучения на различные типы винтовых свай

где:

  • Tfh - значение расчетной удельной касательной силы пучения, кПа, tfh должно определяться, как правило, опытным путем. При отсутствии опытных данных допускается принимать значения tfh в зависимости от вида и характеристик грунта.
  • Afh - площадь боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах расчетной глубины сезонного промерзания, м2;
  • F - расчетная постоянная нагрузка, кН, при коэффициенте надежности по нагрузке Tf = 0,9;
  • Frf - расчетное значение силы, кН, удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания;
  • γс - коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,1;
  • γn - коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1.

В фундаментах, в которых лопасть установлена за глубиной промерзания (тип 1), сила Frf, удерживает от пучения и является значением несущей способности винтовой сваи на выдергивание, на которое необходимо умножить коэффициент запаса (γn = 1.4). Показатель силы Frf, МН (кгс), которая ограждает фундамент (если его несущая способность создается путем работы его боковых поверхностей) от воздействия пучения, выявляется благодаря следующей формуле:

Воздействие сил морозного пучения на различные типы винтовых свай

Расшифровка:

  • u — периметр сечения поверхности сдвига, м (см), принимаемый равным: для свайных и столбчатых фундаментов без анкерной плиты — периметру сечения фундамента;
  • hi — толщина i-го слоя мерзлого или талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя сезонного промерзания-оттаивания, м (см);
  • fi — расчетное сопротивление i-го слоя талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, кПа (кгс/см2) .

3. Расчет по сваям

3.1. Тип 1

Свая диаметром ствола 0,108 м, длиной 2,5 м. Установим несущую способность винтовой сваи на выдергивание по СП 50-102-2003 в соответствии с принятыми грунтовыми условиями: Fd = γc[(a1c1 + a2γ1h1)A ] = 0,7х [(12,1×32 кПа + 5,5×19,5 кН/м3×1,70 ) х 0,07 = 108,31 кН = 10,83 тс Fd/γk = 10,83/1,4 = 7,7 тс. В данной формуле учтем только одно слагаемое, а именно, сопротивление выдергиванию лопасти, погруженной в непромерзший грунт.

Определим τfh — расчетное значение удельной касательной силы пучения. Т.к. грунт относится к сильнопучинистым, нормативное значение удельной касательной силы пучения τfhn при глубине до 1,5 м. составит 100 кПа. τfh = χ k0 τfhn = 0,8 * 0,8 * 130 = 83,2 кПа, где:

  • χ — коэффициент, учитывающий геокриологические условия участка: при сезонном промерзании грунтов в условиях отсутствия или глубокого залегания вечномерзлых пород χ = 0,8, при смыкании промерзающего слоя с вечномерзлыми (или скальными) породами χ = 0,6 ÷ 0,7;
  • k0 — коэффициент, учитывающий материал и состояние поверхности фундамента в пределах слоя промерзающего грунта;
  • τfhn — значение удельной нормативной касательной силы пучения, МПа (кгс/см2), определяемое в зависимости от степени морозоопасности грунта;
  • Afh — расчетная площадь боковой поверхности фундамента, м2, находящейся в пределах расчетной глубины слоя сезонного промерзания — оттаивания грунта.

Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1): 83 кПа * 0,57 м2 = 47,84 кН = 4,8 тс — вертикальная выдергивающая сила Fd/γk = 7,7> 4,8 тс. Условие по устойчивости выполняется.

3.2. Тип 2

Свая конической формы, диаметром 0,114 м, длиной 2,5 м. Геометрические данные, которые понадобятся в расчетах: Длина цилиндрической части — 0,55 м. Диаметр цилиндрической части — 0,114м. Периметр цилиндрической части — 0,358 м. Длина конической части − 1,45 м Приведенный диаметр конической части — 0,114/2 = 0,057 м. Расчетный периметр конической части — 0,358/2 = 0,1797 см. Расчетное значение силы Fr,f, МН (кгс), удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его поверхности с непромерзшим грунтом, определяется по формуле (2): Fr = 30 кПа * 2 м * 0,17 = 10,2 кН = 1,02 тс. Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1): 83 кПа * 0,45 м2 = 37,35 кН = 3,74 тс — вертикальная выдергивающая сила. Условие не выполняется.

4. Результаты проведенного расчета

Вычисления привели к выводам:

  1. Лопастная винтовая свая в морозном или пучинистом грунте (тип 1) не испытывает силы пучения и влияния промораживания/оттаивания и является устойчивым элементом фундамента.
  2. Винтовые сваи с многовитковым наконечником (тип 2) не являются устойчивыми к воздействию касательных сил при морозном пучении. Для фундаментов с применением свай такого типа необходимо выполнять условие отсутствия остаточного принципа деформации грунта при пучении.



Была ли информация для Вас полезной?
50
7
6

Статьи по теме