Как рассчитывается несущая способность сваи

Несущая способность свай – это способность строительной конструкции уравновешивать нагрузку от веса строения и сопротивление грунта. Расчёт сопротивления опоры этим двум силам даёт определение несущей способности сваи. Когда опорные стержни в одном фундаменте расположены на отдалённом расстоянии друг от друга, несущая способность опорного стержня используется полностью. Современные методы расчётов определают нужное количество опорных стержней с оптимальной точностью.

Методы расчета несущей способности свай

Несущая способность свай рассчитывается с учетом следующих факторов:

• Материал сваи (деревянный столб, железобетонный стержень, буронабивная конструкция и другие);
• Одиночная опора или свайная группа;
• Положение опор в грунте (висячая конструкция, кустовое расположение, свая на плотном грунтовом основании);
• Характеристика свойств грунта (плотность, структура почвы, пучинистость, глубина промерзания, уровень грунтовых вод).

При подсчёте несущей способности свайного поля, суммируют показатели несущей способности отдельных опорных стержней.

Однако следует учитывать, что при чрезмерном количестве опорных стержней, общая несущая способность свай будет сокращаться за счёт уменьшения силы бокового трения грунта о свайный стержень. Может возникнуть ситуация, при которой опоры могут продавить слабое грунтовое основание.

При определении несущей способности опор используют три метода:

• Теоретический метод, основанный на применении формул и таблиц СНиП 11-17-77;
• Динамический метод получения результатов опытной забивки свай;
• Пробный метод статической нагрузки опор и исследования грунта.

Рассмотрим все три метода исследования несущей способности опорных стержней.

Теоретический метод

Разрабатывая проектную документацию, специалисты часто применяют теоретический метод подбора конструкций опор. Он заключается в анализе вертикальной съёмки грунта по месту привязки генерального плана строительства объекта, общей нагрузки на свайное основание.

Учитывая равномерность залегания однородных грунтов, уровня грунтовых вод под стройплощадкой, с помощью формул и таблиц СНиП определяется несущая способность стержня. Определают материал опор, частоту распределения их по свайному ростверку.

Помимо этого выбирают способ забивки опор, вид механизма, массу его молота. Например, масса ударной части молота должна быть не менее общего веса сваи. Если длина сваи более 12 метров, то масса молота будет составлять 1,25 массы стержня. Когда опорный стержень забивают в плотный грунт, то используют сваебойную машину с массой ударной части молота равной 1,5 всей массы опорного стержня.

Зазор между боковой поверхностью конца сваи и стенкой оголовника не должен быть больше одного сантиметра.

Пример расчёта несущей способности буронабивной сваи

Буронабивная свая представляет собой обсадную трубу, погруженную на глубину до проектной отметки, Трубу заполняют бетоном. Такие трубы применяют при строительстве крупных промышленных объектов с повышенными эксплуатационными нагрузками. Максимальный диаметр трубы достигает 1,5 метра, а максимальная длина бывает  около 40 метров.

Расчёт несущей способности сваи по материалу производят, используя результаты статического зондирования.

Согласно СНиП, несущая способность свай определяется по формуле:

R (сопротивление грунта под подошвой сваи) = 800 кПа;

А (площадь поперечного сечения обсадной трубы) = 0,6 м2;

u (периметр поперечного сечения  опоры) = 2,7 м;

fi (среднее сопротивление боковой поверхности опоры);

hi (толщина слоя грунта);

Σ γcf ∙ fi ∙ hi (табличное значение СНиП) = 230

В итоге получим результат:

Несущая способность свай буронабивного вида в данных условиях будет равна 102,1 т.

Динамический метод

Забитые опорные стержни в песчаный грунт и выдерживают 3 суток. Опоры в глинистой почве выдерживают 6 суток. Потом приступают к динамическим испытаниям. Посмотрите видео, как проводятся испытания динамическим методом.

Это объясняется тем, что возникает ложный отказ и засасывание опорных стержней. После серии ударов по оголовнику, опора перестаёт погружаться в основание. Через несколько суток опора опять продолжает погружаться под ударами молота. Такое явление называют ложным отказом.

Происходит ложный отказ при погружении опор в грунтовое основание средней плотности из-за частых ударов молота. Вокруг конца опорного стержня образуется грушевидное уплотнение почвы, которое оказывает повышенное сопротивление продвижению сваи вглубь. За время остановки забивки опор на несколько суток, уплотнение вокруг свайного стержня рассасывается за счёт медленного отжима воды из этой области. При возобновлении забивки, свая продолжает погружаться. Весь процесс повторяют, пока опора не займёт своё проектное положение.

Погружение свай в глинистую почву может вызвать её разжижение, то есть происходит нарушение грунтового основания. Такое нарушение вызывает поднятие грунтовой воды вверх вдоль ствола опоры. Это значительно уменьшает сопротивление почвы погружению сваи. Происходит засасывание опоры. Погружение сваи прерывают. Через несколько суток сопротивление основания восстанавливается. Забивку свай продолжают до полной установки. Посмотрите видео, как монтировать сваю до проектного положения.

Пробный метод

Испытывая опоры статическими осевыми нагрузками, можно определить несущую способность свай. Применяют этот метод к монолитным, набивным сваям и сваям-оболочкам.

Нагружают опору испытательными грузами двумя способами:

1. Ступенчатый. Постепенно увеличивают груз;
2. Циклические нагрузки. Несколько раз опору нагружают и затем постепенно освобождают от груза.

Пробные нагрузки помещают на специальную площадку, установленную на оголовке опоры. По мере увеличения грузов, индикаторы фиксируют степень осадки опоры. Индикаторы отмечают осадку с точностью до 0,1 мм. Затем площадку разгружают и демонтируют. Через некоторое время всю операцию повторяют.

Испытывают опоры также с помощью анкерных свай и гидравлических домкратов. Вокруг испытуемого образца погружают несколько анкерных свай, на которые устанавливают специальную конструкцию Конструкция, скреплённая с анкерными опорами, служит упором для гидравлического домкрата.

Домкрат, упираясь в площадку, создаёт нужное давление на оголовок сваи. Нагрузку увеличивают ступенчато, добавляя каждый раз 0,1 предельного сопротивления опоры. Загружать сваю продолжают, пока величина осадки не достигнет 40 мм. Очередной раз увеличивают давление лишь тогда, когда осадка прекращается от предыдущей нагрузки. Прекращение осадки наступает в том случае, когда в течение 2 часов индикаторы показывают погружение не более 0,2 мм в песчаной и 0,1 мм в глинистой почве.

На основе специальной расчётной методики и разных способов измерений, определают несущую способность опоры. Все изменения величины осадки во времени фиксируют в журнале. На основании материала исследований, строят график изменения величины осадки в зависимости от увеличения нагрузки.

Задача статьи состоит в том, чтобы донести до читателя в популярной форме суть методик определения  несущей способности свайных конструкций. Поэтому статья не загружена сложными графиками и громоздкими формулами.

Испытания динамическим и пробным методами свай проводят в основном там, где на местности нет  возможности произвести точные геолого-изыскательские работы.

В обжитых районах страны местность, как правило, тщательно обследована  изыскательскими организациями. В местном управлении архитектуры всегда можно получить копию вертикальной съёмки грунта стройплощадки. Применяя метод теоретического расчёта, можно определить несущую способность свайного основания, не прибегая к испытательным методам.