Последнее обновление 13.11.2024
Воздействие сил морозного пучения на разные типы винтовых свай
В статье мы расскажем, для каких свай расчет на действие сил морозного пучения является обязательным.
Содержание
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.
По данным СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений», прочность любого объекта,
строящегося на основании, подверженном промерзанию, можно обеспечить, если выполнить
необходимые условия:
- установление фундамента на такую глубину, при которой не будет происходить значительное действие выталкивающих сил при промерзании;
- исследование стойкости фундамента к касательным силам, появляющимся при промерзании грунта и пучении в боковой зоне конструкции фундамента.
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.
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.
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:
- I тип: длина – 2500 мм, диаметр ствола сваи – 108 мм (0,108 м), диаметр режущей лопасти – 300 мм;
- II тип: длина – 2500 мм (2,5 м), диаметр ствола сваи – 114 мм.
Вычисление действующих сил при грунтовом пучении проводят, исходя из требований СП 50-101,
где приведена следующая формула:
где:
- τfh – значение расчетной удельной касательной силы пучения, кПа, τfh должно определяться, как правило, опытным путем. При отсутствии опытных данных допускается принимать значения τfh 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.
- γc – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,1.
- γn – коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1.
В фундаментах, в которых лопасть установлена за глубиной промерзания (I тип), 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:
где:
- 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).
Расчет по сваям
I тип
Свая диаметром ствола 0,108 м, длиной 2,5 м. Установим несущую способность винтовой сваи на
выдергивание по СП 50-102 в соответствии с принятыми грунтовыми условиями:
Fd0 =
γc[(α1c1 + >α2
γ1 h1)A] = 0,7×[(12,1×32 кПа + 5,5×19,5
кН⁄м3×1,70 ) × 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. Так как
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.
II тип
Свая конической формы диаметром 0,114 м и длиной 2,5 м. Гео- метрические данные, которые
понадобятся в расчетах:
- длина цилиндрической части — 0,55 м;
- диаметр цилиндрической части – 0,114 м;
- 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 м.
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.
Результаты расчета
- Лопастная винтовая свая в морозном или пучинистом грунте (I тип) не испытывает силы пучения и влияния промораживания/оттаивания и является устойчивым элементом фундамента.
- Винтовые сваи с многовитковым наконечником (II тип) 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.
