Определение несущей способности одиночной сваи.

Несущая способность сваи определяется как минимальное значение из несущей способности сваи по грунту и по материалу. При проверке прочности (несущей способности) железобетонной сваи по материалу определяют силу расчетного сопротивления сваи F_Rm, кН, по формуле:

     F_Rm = g _c × j × (g _{с b} ·R_b × A_b + R_{s с} × A_s),                               (3)

где g _c - коэффициент условий работы  (g _c = 0,9 при размере поперечного сечения сваи b ≤0,2м и g _c = 1 при b >0,2м; здесь b – максимальный размер поперечного сечения сваи); j - коэффициент продольного изгиба (для свай полностью находящихся в грунте, т.е. для низкого ростверка j = 1, для высокого - j находится с учетом свободной длины сваи, определяемой по п. 3.7 СНиП 2.02.03-85 [6]); g _{с b} – коэффициент условий работы бетона (табл.15 [15] - для забивных свай g _{с b} =1, для набивных и буровых g _{с b} приведены ниже); R_b – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию (призменная прочность бетона), кПа, определяемое по приложению Х, табл.Х.1. (табл.13[15]); A_b - площадь поперечного сечения бетона сваи, м²; R_sс - расчетное сопротивление арматуры сжатию, кПа, определяемое по приложению Х, табл.Х.2, табл.Х.3. (табл.22, 23 [15]); A_s - площадь поперечного сечения всех продольных стержней арматуры, м².

При определении несущей способности свай, изготавливаемых в грунте (набивные, буровые) по материалу расчетное сопротивление бетона следует определять с учетом коэффициента условий работы g _{с b} =0,85, предусмотренного главой СНиПа по проектированию бетонных и железобетонных конструкций для элементов, бетонируемых в вертикальном положении [15], а также коэффициента условий работы, учитывающего влияние способа производства свайных работ [6]:

    а) в глинистых грунтах, показатель текучести которых позволяет бурить скважины и бетонировать их без крепления стенок, при положении горизонта грунтовых вод в период строительства ниже пяты свай g _{с b} =1,0;

    б) в грунтах, где крепление скважин и бетонирование осуществляется с применением извлекаемых обсадных труб при отсутствии воды в скважинах (т.е. при бетонировании сухим способом), g _{с b} =0,9;

    в) в грунтах, бурение скважин в которых производится с применением извлекаемых обсадных труб и бетонирование под водой, g _{с b} =0,8;

    г) в грунтах, бурение скважин в которых производится под глинистым раствором или избыточном давлении воды (без обсадных труб) и бетонирование под этим же раствором, g _{с b} =0,7.

Сваи, работающие на выдергивание, должны быть проверены по прочности ствола на растяжение [1], [2].

Класс бетона принятой сваи С4-30 – В15 (приложение VI, табл.VI.1), для которой расчетное сопротивление бетона осевому сжатию (призменная прочность бетона) R_b = 8,5МПа = 8500кПа (приложение Х, табл.Х.1). Площадь поперечного сечения бетона сваи сечением 30×30 см: A_b = 0,3² = 0,09 м². Продольная арматура сваи 4 12 А-I (приложение VI, табл. VI.2). Расчетное сопротивление арматуры А-I сжатию R_sс = 225МПа = 225 000кПа (приложение Х, табл.Х.2). Площадь поперечного сечения четырех продольных стержней арматуры диаметром d _а = 12 мм = 1,2 см:

A_s = 4 · π ·(d _а)²/4 = 3,14 · 1,2² = 4,52см² = 4,52 · 10^{-4 м2}.

Учитывая, что g _c =1 (b =0,3м>0,2м); j =1 (ростверк низкий); g _{с b} =1 (свая забивная) находим силу расчетного сопротивления сваи на осевое сжатие:

F_Rm = g _c × j × (g _{с b} ·R_b × A_b + R_{s с} × A_s) = 1×1×(1·8500×0,09 + 225·10³×4,52·10^-4) = 866,7 кН

    Для большинства стандартных висячих свай сопротивление сваи по материалу больше несущей способности ее по грунту. Исключение составляют длинные сваи, сваи-оболочки и оболочки, а также сваи-стойки, опирающиеся на скальные грунты. Поэтому определяющим, как правило, является расчет висячих свай по грунту. Сопротивление основания перемещению сваи – несущая способность грунта основания сваи или несущая способность сваи по грунту. Это то максимальное усилие, которое может воспринять свая без разрушения грунта, контактирующего с ее поверхностью.

Несущую способность по грунту F_d, кН, висячей сваи (забивной, набивной и буровой с уширением и без уширения) и сваи-оболочки, работающих на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле:

                                                                            (4)

где γ_с – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый γ_с = 1 во всех случаях, за исключением опирания набивных и буровых свай, а также оболочек погружаемых с выемкой грунта и заполняемых бетоном на глинистые грунты со степенью влажности S_r <0,9 и на лессовые грунты, для которых γ_с = 0,8;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, определяемое по приложению ХI, табл.ХI.1 (табл. 1 СНиП 2.02.03-85 [6]), рис.ХI.1 для забивных висячих свай и оболочек, погружаемых без выемки грунта, а также для  набивных свай, изготовленных по технологии, указанной в приложении   IV А, Б  ( п.2.4, а, б  [6]).   

    Для остальных свай и свай-оболочек погружаемых с выемкой грунта и заполняемых бетоном R принимается по указаниям п.4.7. [6], а именно:

а) для пылевато-глинистых грунтов в основании - по [9] табл. 7 (см. прилож. ХI, табл. ХI.4).

б) для крупнообломочных грунтов с песчаным заполнителем и песчаных грунтов в основании набивной и буровой свай с уширениями и без уширения, сваи-оболочки, погружаемой с полным удалением грунтового ядра по формуле

                                                  R = 0,75 × a ₄ × (a ₁ × g _I ' × d + a ₂ × a ₃ × g _I × h),                                        (5)

а сваи-оболочки, погружаемой с сохранением грунтового ядра из указанных грунтов на высоту 0,5 м и более, - по формуле

                                                  R = a ₄ × (a ₁ × g _I ' × d + a ₂ × a ₃ × g _I × h),                                                (6)

где d - диаметр, м, набивной и буровой свай, диаметр уширения (для сваи с уширением), сваи-оболочки или диаметр скважины для сваи-столба, омоноличенного в грунте цементно-песчаным раствором;

h - глубина заложения, м, нижнего конца сваи или ее уширения, отсчитываемая от природного рельефа или уровня планировки (при планировке срезкой), для опор мостов - от дна водоема после его общего размыва при расчетном паводке;

a₁, a₂, a₃, a₄ - безразмерные коэффициенты, принимаемые по [6] табл. 6 (см. прилож. ХI, табл. ХI.3) в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения j_I грунта основания, определяемого по формуле:

                                                                 j_I = j_n/ g_g,                                                             (7) 

где j_n        - нормативное значение данной характеристики j_n = j_II (см. табл.1); g _g - коэффициент надежности по грунту: для угла внутреннего трения песчаных грунтов g _{g( j)} = 1,1, а для пылевато-глинистых g _{g( j)} = 1,15.

g_I' - расчетное значение удельного веса грунта, кН/м³, в основании сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды):

для любого слоя грунта, находящегося выше уровня грунтовых вод, и для водоупорных слоев грунта (суглинки и глины в твердом и полутвердом состоянии), g_I' можно определить по формуле:

                                                                   g = ρ · g,                                                             (8)

где ρ – плотность грунта (см. табл.1), g ≈ 10 – ускорение свободного падения;

взвешивающее действие воды учитывается для слоя грунта, находящегося под водой и не являющегося водоупорным слоем:

                                                            g  = ;                                                       (9)

γ_ω = 10 кН/м³ – удельный вес воды; γ _s – удельный вес частиц грунта, определяется по формуле:

                                                              g _s = ρ _s · g,                                                             (10)

где ρ _s и е – соответственно плотность частиц грунта и коэффициент пористости (см. табл.1);

g_I - осредненное (по слоям) расчетное значение удельного веса грунтов, кН/м³, расположенных выше нижнего конца сваи можно определить по формуле:

                        _{n             n}

g _I = g _II = å (g _i · h_i) / å h_i = (g ₁ · h ₁ + g ₂ · h ₂ + …+ g _i · h_i) / (h ₁ + h ₂ + …+ h_i),         (11)

              ^{i =1          i =1}

где g _i - удельный вес i -го слоя грунта, расположенного в пределах глубины погружения свай в грунт – формула (8) (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды – формула (9)), кН/м³; h_i - толщина этого слоя грунта, м.

 

A - площадь опирания на грунт сваи, м², принимаемая по площади сечения сваи брутто (площадь всего поперечного сечения сваи) или по площади поперечного сечения уширения по его наибольшему диаметру, или для свай-оболочек с грунтовым ядром без заполнения полости бетоном - по площади сваи-оболочки нетто (площадь кольца оболочки), м²;

u - наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое согласно [6] по табл.2 (см. прилож. ХI, табл.ХI.2, рис.ХI.1);

h_i - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи (в пределах рабочей длины сваи), м, причем h_i  £ 2,0 м;

g _cR, g _cf  - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта и принимаемые согласно [6] по табл.3 (см. прилож. ХI, табл. ХI.5) – для забивных свай и свай-оболочек, погружаемых без выемки грунта;

для набивных и буровых свай, а также оболочек, заполняемых бетоном: g_cR = 1 во всех случаях, за исключением свай с камуфлетными уширениями, для которых этот коэффициент принимать g_cR = 1,3, и свай с уширением, бетонируемых подводным способом, для которых g_cR = 0,9; g _cf зависит от способа образования скважины и условий бетонирования и принимается по табл. 5 [6] (см. прилож. ХI, табл. ХI.6)

    Расчетные сопротивления грунтов R и f_i для лессовых пылевато-глинистых грунтов при глубине погружения свай более 5м следует принимать по значениям, указанным в приложении ХI табл.ХI.1 и ХI.2 для глубины 5 м. Кроме того, для этих грунтов в случае возможности их замачивания расчетные сопротивления R и f_i указанные в табл. ХI.1 и ХI.2, следует принимать при показателе текучести, соответствующем полному водонасыщению грунта.

Для забивных свай, опирающихся нижним концом на рыхлые песчаные грунты или на пылевато-глинистые грунты с показателем текучести I_L  > 0,6, несущую способность следует определять по результатам статических испытаний свай.