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



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 мёрзлым 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 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований зданий и сооружений», прочность любого объекта, строящегося на грунте, подверженному 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 пучения в боковой зоне конструкции фундамента. 

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

  • Модуль грунтовой деформации: E = 2,9 Мпа;
  • Коэффициент Пуассона: m = 0,30;
  • Показатель текучести: JL = 0,31;
  • Угол внутреннего трения: jI=21;
  • Удельное сцепление: CI = 32 кПа;
  • Расчетная глубина промерзания: d = 1,7 м.
В данный момент основными типами конструкций винтовых свай можно считать две (рис. 1). 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 расчёта были выбраны сваи данных типов со следующими параметрами: 

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

Новый рисунок (1).jpg

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 Fr,f, удерживает от пучения и является значением несущей способностью винтовой сваи на выдергивание, на которое необходимо умножить коэффициент запаса (γn = 1.4). Показатель силы Fr,f, МН (кгс), которая ограждает фундамент (если его несущая способность создаётся путём работы его боковых поверхностей) от воздействия пучения, выявляется благодаря следующей формуле:

1.png
 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) . 

Свая диаметром ствола 0.108м, 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 1.5м. составит 100кПа. 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. 

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. 

  1. Вычисления привели к выводу: 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?
10
3
0

Статьи по теме