Расчет несущей способности винтовых свай для объекта «Некомплексная реконструкция ПС 220 кВ «Рассвет», Красноярский край

Компания «ГлавФундамент» приняла участие в реализации проекта по реконструкции подстанции с рабочим напряжением 220 кВ «Рассвет», которая обслуживается МЭС Сибири – филиалом ПАО «ФСК ЕЭС» в Красноярском крае.

Перед специалистами организации стояла цель по выполнению численных расчетов (методом конечных элементов) по определению несущей способности винтовой сваи (выполненной по ТУ 25.11.23-004-20882284-2017) в сильнопучинистых грунтах.

Инженерно-геологические условия площадки строительства

Согласно данным инженерно-геологических изысканий площадка строительства представлена следующими грунтами:

• насыпной грунт (песок от крупнозернистого до пылеватого с включением мелкого гравия 2-5%, слежавшийся), мощность слоя – 1,2 м;
• суглинок тяжелый, песчанистый, тугопластичный, мощность слоя – 4,3-5,3 м;
• суглинок легкий, песчанистый, текучепластичный, мощность слоя – 4,5 м.

На период проведения изысканий грунтовые воды залегали на глубине 1 м.

В многоводные годы площадка может быть заполнена талыми и дождевыми водами на глубину 0,3-0,5 м.

На основании литологического разреза под основанием сваи залегает суглинок тяжелый, песчанистый, тугопластичный.

Расчет несущей способности винтовой сваи

Под объект были установлены сваи винтовые для сезоннопромерзающих грунтов широколопастные двухлопастные со следующими конструктивными и геометрическими параметрами:

• диметр лопастей – 490 мм;
• толщина лопастей – 8 мм;
• конфигурация лопастей – для тугопластичных грунтов;
• диаметр ствола – 159 мм;
• толщина стенки ствола – 5 мм;
• длина сваи – 4 600 мм.

Выбор толщины металлопроката обусловлен степенью коррозионной агрессивности грунтов (КАГ) площадки строительства (данные получены в ходе измерений), а также требованиями к жесткости и прочности (подробнее «Расчет толщины стенки ствола»). Для уточнения правильности подбора данного параметра после выполнения расчета срока службы свай в грунте была выполнена проверка соответствия остаточной толщины стенки ствола проектным нагрузкам и требованиям ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения».

Подбор конфигурации лопастей, соответствующей грунтовым условиям площадки строительства, позволяет минимизировать нарушения структуры грунта при погружении, что обеспечивает соответствие несущей способности требованиям проектной документации (подробнее «Ключевые принципы подбора параметров лопастей винтовых свай»).

На этапе проектирования также были индивидуально подобраны такие параметры винтовых свай как расстояние между лопастями, шаг и угол наклона лопастей.

Необходимость расчета межлопастного расстояния, шага и угла наклона лопастей обусловлена сложной зависимостью этих параметров от грунтовых условий и характера нагрузок от строения (подробнее «Особенности расчета двухлопастных винтовых свай»).

При выполнении расчетов несущей способности специалисты компании основывались на том, что во время установки сваи для минимизации нарушения структуры грунта контролировались коэффициент завинчивания (в диапазоне 0,8-1,0 шага лопасти) и скорость погружения.

Расчеты были выполнены в системах автоматизированного проектирования (САПР), базирующихся на методе конечных элементов (МКЭ).

Было проведено численное моделирование НДС грунта вокруг винтовой сваи при действии вдавливающей и выдергивающей нагрузки. За несущую способность сваи принималась нагрузка, воспринимаемая ею при осадке (полной вертикальной деформации) равной 30 мм. Винтовая свая моделируется в рамках упругой модели.

Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния позволяет сделать вывод, что несущая способность сваи по грунту составляет:

• при действии вдавливающей нагрузки – 9,2 тс;
• при действии выдергивающей нагрузки – 7,4 тс.

Следовательно, условие по обеспечению несущей способности и устойчивости грунтов основания свайного фундамента выполняется с запасом.

Необходимость установки винтовых свай в сильнопучинистые грунты требовала обязательного выполнения проверки устойчивости свайного фундамента на действие касательных сил морозного пучения. Расчеты показали, что устойчивость сваи на действие касательных мил морозного пучения также выполняется.