Расчетное обоснование геометрических параметров винтовых свай для объекта «Общежития для размещения личного состава»

Компания «ГлавФундамент» приняла участие в строительстве объекта «Общежития для размещения личного состава», расположенного на территории военного городка.

Перед специалистами организации стояли задачи:

• выполнить численный расчет несущей способности винтовых свай по грунту;
• выполнить численный расчет несущей способности винтовых свай по материалу.

Инженерно-геологические условия площадки строительства

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

• насыпные грунты (механическая смесь песка средней крупности с обломками кирпичей) влажные и насыщенные водой;
• суглинки тяжелые, пылеватые, коричневые, полутвердые;
• пески мелкие, бурые, с прослоями супеси, с редким гравием средней плотности, влажные и насыщенные водой.

Расчет винтовых свай методом конечных элементов

Численное моделирование работы винтовых свай выполнялось в системах автоматизированного проектирования (САПР), базирующихся на методе конечных элементов (МКЭ).

Моделирование выполнялось в трехмерной постановке, в качестве модели материала для стальной сваи принималась модель Мизеса. В качестве модели грунта выбрана упругопластическая модель с критерием разрушения Кулона-Мора.

Расчетные грунтовые условия приняты на основе геологических данных, грунтом под основанием сваи служит песок мелкий насыщенный.

Моделировались следующие виды воздействия:

• исходное напряженно-деформированное состояние грунтового массива;
• задание вертикальной нагрузки, равной проектному значению несущей способности по грунту.

Расчеты выполнялись для двух типов винтовых свай:

Тип 1. Свая винтовая для сезоннопромерзающих грунтов широколопастная двухлопастная со следующими конструктивными и геометрическими параметрами:

• диаметр лопастей – 490 мм;
• толщина лопастей – 10 мм;
• конфигурация лопастей – для полутвердых грунтов;
• диаметр ствола – 159 мм;
• толщина стенки ствола – 8 мм;
• длина сваи – 3 600 мм.

Тип 2. Свая винтовая для сезоннопромерзающих грунтов широколопастная двухлопастная со следующими конструктивными и геометрическими параметрами:

• диаметр лопастей – 300 мм;
• толщина лопастей – 8 мм;
• конфигурация лопастей – для полутвердых грунтов;
• диаметр ствола – 108 мм;
• толщина стенки ствола – 6 мм;
• длина сваи – 3 600 мм.

Выбор толщины металлопроката обусловлен коррозионной агрессивностью грунтов (КАГ) площадки строительства. Для уточнения правильности подбора данного параметра после выполнения расчета срока службы свай в грунте выполняется 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»).

По результатам численного моделирования при требуемой проектной несущей способности максимальная осадка свай составила:

• тип 1 – 12 мм (при действии нагрузки 38,8 тонн);
• тип 2 – 11 мм (при действии нагрузки 9,5 тонн).

Так как полученные величины осадки не превосходят значения, определяемого по формуле (30 мм), несущая способность по грунту обеспечивается.

Несущая способность по материалу ствола винтовой сваи при сжимающей нагрузке до 38,8 тс обеспечивается с запасом, так как максимальные возникающие эквивалентные напряжения составляют:

• в стволе сваи – 95 Мпа;
• в лопасти – 120 Мпа.

Это не превышает значение расчетного сопротивления стали (235 МПа).

Также анализ расчета стальных элементов по деформациям показал, что жесткость лопасти обеспечивается, так как максимальный прогиб лопасти для свай обоих типов не превышает 1,5 мм (условие жесткости для оболочек).

Таким образом, применение винтовых свай указанных конструкций под объект обосновано, однако перед массовым погружением винтовые сваи должны быть подвергнуты контрольным статическим испытаниям в соответствии с требованиями ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний грунтов сваями».