CC BY
72
УДК: 624.154
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВИСЯЧЕЙ СВАИ ПО КРИТЕРИЮ НЕСУЩЕЙ
СПОСОБНОСТИ ГРУНТА
Уткин В.С., д.т.н.,профессор ФГБОУ ВО«Вологодский государственный университет», заслуженный работник Высшей Школы РФ
Рассмотрена работа висячей сваи в грунте основания фундамента при действии на нее сжимающей силы различного значения. Показано при каких условиях возникают на поверхности сваи силы трения (или трения-сцепления в зависимости от вида поверхности сваи). Приведены варианты работы сваи в грунте при различных значениях сжимающей сваю силы. Представлено описание испытания пробной сваи и ее работы при сжатии в грунте основания фундамента. Определение длины сваи при заданной эксплуатационной нагрузке осуществляется по значению коэффициента запаса по несущей способности по грунту висячей сваи и соответствующего ему значения предельной нагрузки на сваю, определяемую по результатам испытаний пробной сваи. Использование новых предложенных методов расчета сваи несущей способности по грунту повысит безопасность оснований и фундаментов и конструкций в целом, а в некоторых случаях приведет к экономическому эффекту по сравнению с существующим методом расчета по своду правил СП 24.13330.2011.
Ключевые слова: висячая свая, боковые силы, сжатие, деформации, эксплуатационная нагрузка, предельная нагрузка, коэффициент запаса, рабочая длина сваи.
DETERMINATION OF THE LENGTH OF VISIBLE PILE ON THE CRITERION OF THE CARRIAGE OF THE CARRIED CAPACITY
Utkin V., Doctor of Techniques, professor, FSEI HE«Vologda State University», Honored Worker of the Higher School of Russia
The work of the pendant pile in the soil of the basement under the action of a compressive force of different values is considered. It is shown under what conditions arise on the surface of the pile the frictional forces (or friction-adhesion, depending on the type of the surface of the pile). The variants of the pile work in the soil are given for different values of the compressive force pile. A description is given of the test pile test and its operation when compressing in the soil of the basement foundation. Determination of the length of the pile at a given operational load is based on the value of the margin factor for the bearing capacity on the ground of the pendant pile and the corresponding value of the maximum load on the pile, determined from the test pile test. The use of new proposed methods for calculating the pile load-bearing capacity on the ground will increase the safety of foundations and foundations and structures in general, and in some cases will lead to an economic effect compared to the existing method of calculation under the code of rules SP 24.13330.2011.
Keywords: pendant pile, lateral forces, compression, deformations, operational load, ultimate load, safety factor, working length of the pile.
В соответствии с Законом РФ №384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» 2009 г. устанавливается требование обеспечения механической безопасности зданий и сооружений в процессе проектирования, строительства и эксплуатации. Для реализации этого требования разработаны нормативные документы в виде Сводов Правил, СНиПов и т.д. В частности, для расчетов свай используется свод правил СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» (в дальнейшем обозначено СП). По этому СП несущая способность свай по несущей способности грунта определяется по формуле:
¥а = у с (у сяВА + и £^у
где К - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи; /-расчетное сопротивление ¡-го слоя толщинойй.грунта основания по боковой поверхности сваи. Значения других параметров можно найти в СП. Эксплуатационная нагрузка ¥ на сваю определяется расчетом (по сбору нагрузок с измерениями плотностей и объемов, взвешиванием и т.д.). Выражение (1) к расчетам висячих свай нашло использование в работах [1-4].
Безопасная работа свайного основания фундамента характеризуется математической моделью предельного состояния вида:
Рэк < (2)
Проблема заключается в том, как определить значения / и Кв (1). По СП значения / и Кприведены в таблицах в зависимости от вида и свойств грунта и от глубины залегания ¡-го слоя грунта. При этом / и Квозрастают во всех случаях с глубиной залегания слоя. По поводу роли/и Ки их определения предлагается обсудить в данной статье. Так как от достоверности определения / и Кзависит несущая способность сваи и фундамента и безопасность здания и сооружения в целом в соответствии с требованиями Закона РФ №384, то обсуждаемая проблема является актуальной.
Вначале рассмотрим два проблемных вопроса. Во-первых, значение / нельзя рассматривать возрастающей с ростом глубины слоя грунта применительно к висячей свае в отличие от СП. Во-вторых, следует обсудить природу возникновения сопротивления грунта / на боковой поверхности сваи.
При вертикальном (центральном) нагружении сваи нагрузкой F в виде противодействия вступает в работу боковая поверхность
сваи с силами трения. По [1] утверждается следующее (дословно) «После преодолевания сил трения (срыва сваи по боковой поверхности) нагрузку на себя принимает пята [2,3] (хотя, например, в СП 24.13330.2011 при определении несущей способности висячих свай принимается, что включение в работу грунта под нижним концом и по боковой поверхности сваи происходит одновременно)». Остановимся на этих высказываниях. «Срыва» сваи в работе в основании фундамента нельзя допустить, т.е. «срыв» - это не предельное состояние, а предаварийное, которое не может служить для расчетов по безопасности свайных фундаментов, где не допускается «срыв» сваи. Силы трения-сцепления (так назовем сваи с грунтом возникают при микроперемещениях материала сваи. В нашем случае при деформациях материала сваи в грунте. Так при отсутствии деформаций силы трения равны нулю. Этому состоянию соответствует отсутствие нагрузок ¥ =0. После приложения на сваю сжимающей силы в виде эксплуатационной нагрузки ¥ возникают деформации материала сваи и вместе с ними возникают силы трения. Наибольшие деформации в материале сваи возникают в месте приложения нагрузки ¥ . Для отдельной сваи (без ростверка) в месте ее пересечения с поверхностью грунта деформации материала сваи наибольшие. Однако в этом месте нормальные поверхностные боковые силы (давление грунта) на сваю наименьшие и силы трения малы. С ростом глубины деформации материала вдоль сваи убывают, т.к. часть нагрузки ¥ воспринята верхними слоями грунта силами/, однако, нормальные к боковой поверхности сваи силы qвозрастают интенсивнее по сравнению с уменьшением деформаций материала сваи и воздействие /на сваю на некоторой ее длине растет. На некоторой глубине сваи сжимающие усилия настолько уменьшаются за счет передачи большей части нагрузки на вышележащий грунт, что деформации материала сваи будут равны нулю и силы/окажутся равными нулю. Это установлено нами при испытаниях модели. Ниже этой глубины в свае не возникают силы /, и они равны нулю, нижняя часть сваи становится излишней. Процесс этого события представлен на рис.1 (для упрощения принят грунт однородным, что не влияние на содержание обсуждения). В этом состоянии в
_ агр = уН
конце сваи действует напряжение по [5] равное и ' , где
V
по [5] 1 - объемный вес грунта; Н - длина сваи (см. рис.1).
Рис.1. Расчетная схема висячей сваи в грунте под нагрузкой ¥к.
Из рис.1 видно, что часть сваи длиной (Н-11) практически
(у Д
бесполезна. Нагрузка на конце сваи гр не участвует в уравно-вешиваниинагрузки ¥эк (с включением в нее собственного веса сваи),так как по рис. 1 ¥ж уравновешивается. В конце сваи возникают
ст А
деформации сжатия от силы гр и от сил трениянаправленных вниз, силы Г малы, т.к. мала сила по сравнению с ¥ , и ими можно пренебречь в дальнейших ошибках.
На практике возведения свайного фундамента испытывается пробная свая. Предлагается вместо эпюры / для всех 1-ых слоев
1 Р
грунта строить ее модель в виде эпюры деформаций °• высотой к, как показано на рис.1. Для этого на пробной свае наклеиваются тен-зорезисторы или другие средства измерения деформаций (рабочие тензорезисторы вдоль сваи, компенсационные поперек сваи) через 0,4 - 0,6 м с выводом проводов на верх сваи к тензостанции. Для железобетонных свай провода и тензорезисторы размещать в штра-беот повреждений при погружении свай в грунт. В металлических сваях закрывать их эпоксидной смолой. После погружения сваи в грунт и выдержке измеряется омическое сопротивление Яд рабочих тензорезисторов до нагрузки ¥к, а затем после нагрузки сваи силой ¥эк на всех уровнях расположения тензорезисторов. По фор-
Яо - Щ
£ =
М- R
определяются деформации материала сваи по ее
муле
Р•
длине и через полученные точки ' строится кривая - модель эпюры £ • £ •
сил /в виде эпюры 1 по точкам - значениям 1 с экстраполяцией ее до нуля в нижней половине сваи с определением длиныкэпюры /, как показано на рис.1. Возможен и другой вид эксперимента. После этого нагрузка на сваю¥повышается ступенями с возрастанием Л-длины эпюры/ Если будет известен коэффициент запаса по не-
К = Г / Т7 . ^ = Ю7
сущей способности сваи "р Эк, то из "р ж можно
определить значение длины сваиЪ по длине эпюры /, значение которой будет определяться нагрузкой ¥р в результате испытания сваи возвращающей нагрузкой F>F , как показано на рис.2. При необходимости эксперимент проводится со второй сваей, если первая окажется недостаточной по длине.
По рис.2 нижний участок сваи длиной (Н-к) не работает (лишний),поэтому при Fпр=kFэкдлина сваи в основании фундамента принимается равной к.
Возможен вариант, в котором эпюра /•заканчивается не нулевым значением, а так как показано на рис.3.
Рис.3. Расчетная схема сваи при (Н-к).
В этом варианте работы пробной сваи значениеFпр находят по результатам испытаний сваи, при которых омическое сопротивлениеИ^тензорезисторов не равно нулю даже в конце сваи и напряжение грунта на конце сваи достигает расчетного сопротивления^ которое войдет в значение Fпр по результатам испытаний сваи. Если окажется значение коэффициента запаса = Fпр/Fэк недостаточным, то длину сваи необходимо увеличивать и испытывать новую пробную сваю по рассмотренной выше методике.
Выводы:
1. Рассмотрен новый подход к описанию работы висячей сваи в грунте при центральном сжатии.
2. Предложен метод определения рабочей части сваи по результатам испытаний пробной сваи.
3. Мерой безопасности сваи используется коэффициент запаса по несущей способности сваи по грунту.
4. Использование предложенногометода расчета сваи по несущей способности по грунту может привести к экономическому эффекту и более достоверному значению безопасности свай и, следовательно, свайных фундаментов и надфундаментных конструкций.
Рис.2. Значение предельной нагрузки¥пр, соответствующее заданному коэффициенту запаса «К» и определение к.
Литература:
1. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Особенности устройства и расчета буроинъекционных свай с многоместными уширениями // Геотехника, 2016. - №3. - С. 60 - 65.
2. Метелюк Н.С., Шишко Г.Ф., Соловьева А.Б. и др. Сваи и свайные фундаменты / Изд-во К.:Будивельник, 1977. - 256 с.
3. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об одном методе расчета несущей способности буроинъекционных свай и ЭРТ // Основания, фундаменты и механика грунтов, 2015. - №1. - С. 10-13.
4. Димов Л.А., Димов И.Л. Несущая способность свай в глинистых грунтах по результатам расчетов и полевых испытаний // Основания, фундаменты и механика грунтов, 2006. - №3. - С. 26-29.
5. Цитович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учеб. для вузов. - 3-е изд., доп. - М.: Высшая школа, 1979. - 272 с
