Как рассчитать несущую способность сваи по материалу

Сваи выполняются из бетона, железобетона, металла и представляют собой полые или цельные стержни, которые закладываются на глубину в землю наклонно или вертикально. Элементы устанавливаются под строением и передают на грунт нагрузки сжатия, кручения и среза от наземной части. Несущая способность сваи зависит от материала изготовления и типа почвы.

Зависимость от материалов опоры и видов грунта

Свая контактирует с земляными слоями, поэтому ее способность сопротивляться нагрузкам зависит от категории почвы. Нужное число свайных элементов рассчитывают, опираясь на характеристики материала и грунта.

В строительстве частных домов получили распространение виды фундаментов:

• на забивных сваях;
• на винтовых опорах;
• с буронабивными оболочками.

Учитывают несущую способность грунта во время определения вида свайной основы. Она характеризует давление, которое выдерживает условная площадь слоя. Эта величина ниже аналогичной характеристики свайного стержня и зависит от вида пласта, насыщенности его водой и плотности. Геодезические изыскания проводят для определения свойств земельного слоя в области строительства.

Железобетонные сваи ставят под зданиями с большой нагрузкой, промышленными предприятиями. Они хорошо работают на сжатие и изгиб, т. к. внутри имеют металлический каркас. Стальные элементы сопротивляются срезу, динамическому воздействию и кручению, поэтому применяются под строениями с аналогичными нагрузками. Деревянные стержни используются в стабильных грунтах и воспринимают давление от небольших частных построек.

Определение несущей способности фундамента

Чтобы сделать расчет фундамента на прочность, собирают нагрузки от наземной части постройки и прибавляют вес свайных элементов вместе с ростверком и монолитной плитой.

Масса дома складывается из веса элементов:

• вертикальных ограждений (стен, перегородок);
• междуэтажных и подвальных перекрытий;
• системы стропил, ферм и кровельного покрытия;
• наружной отделки со слоями изоляции;
• оборудования, коммуникаций, техники, людей;
• снега и ветрового давления;
• фундамента.

Все составляющие тщательно высчитывают, затем складывают, применяют коэффициент прочности и получают общую нагрузку на основание. Если предполагают пристройки со временем, давление от них также учитывают при нахождении несущей способности.

Если полученное значение меньше расчетного, вариант принимается и строительство ведется по плану. В ином случае используют метод уширения подошвы сваи или увеличения количества стержневых элементов. Расширение опорной части лучше предусматривать для винтовых свай, когда можно значительно увеличить диаметр лопастей.

Для жб элементов используют метод сверления буром-расширителем или делают камуфлетные сваи. Максимально повышает несущие свойства способ инъектирования грунта, когда в пространство между свайными стержнями подается раствор из песка и цемента на 1,5 – 2,0 метра ниже опоры столба.

Методы расчета

Оболочки в условиях строительной площадки проходят несколько испытаний. Число контрольных исследований выбирает автор проекта с учетом полевых условий, конструкции здания, проектной способности свай по рекомендациям строительных ГОСТ на изыскание грунтов. Ревизионные испытания выполняют в начале погружения, чтобы не перерасходовать бетон и металл и полностью использовать проектную прочность.

Контрольные изыскания проводят методами:

• статического давления на сваю;
• динамического действия;
• изучением грунта при погружении эталонного стержня;
• исследованием почвы статичным зондом.

Статичному испытанию подвергается 1% от количества свай на площадке, результат зависит от сложности грунта, формата нагрузок и количества разновидностей вертикальных опор. Динамической нагрузке подвергается 2% от количества стержней, но не меньше 6 – 9 в зависимости от класса строения.

Несущие характеристики сваи и грунта можно рассчитать по формулам теоретическим, динамическим и пробным способом.

Теоретический

Качественный результат расчета взаимодействия свай и почвы получается с учетом пластики грунтового слоя, сжимаемости фундаментного стержня. Определяются локальные области предельного напряжения и перераспределение касательных нагрузок. Минимальное расстояние между винтовыми элементами принимается в размере двойного лопастного диаметра, а максимум выбирается по способности ростверка и опоры сопротивляться давлению.

Пролет между столбами рассматривают жестко закрепленной балкой с двух торцов, нагрузку определяют так, чтобы не возникали деформации, а центральный прогиб был не больше нормативов.

Теоретически расчет несущей способности сваи выражается формулой W = H / d, где:

• H — расчетная несущая характеристика стержня;
• d — коэффициент прочности, учитывающий запас сопротивления давлению.

Величина H определяется умножением площади опоры или на расчетное сопротивление почвы там, где она закладывается в землю. Для распространенных почвенных слоев такие показатели приводятся в строительных таблицах при условии заглубления больше 1,5 метра. При погружении земля теряет плотность, начальные характеристики длительно восстанавливаются. Принимается максимальное расстояние между опорами на уровне трех метров. Если при расчете получаются большие промежутки, добавляют несколько стержней для уменьшения пролета.

Динамический

Контрольные испытания проводят зондированием и специальным расчетом, но таких итогов недостаточно и требуется испытание почвенных слоев погружением эталонных опор. Сваи отягощаются на уровне расчетной нагрузки, которая находится по нормативным документам СП 24.13330 – 2011, где регламентируется проектирование свайных фундаментов.

Технология динамического метода заключается в том, что при заглублении столба увеличивается сопротивление почвенного слоя. Принимается во внимание связь между силой удара при погружении и несущей характеристикой элемента. Забивка выявляет слабые места свайного поля и оболочек для вычисления диаметра и протяженности опорного столба.

Динамические изыскания не требуют дорогого оборудования и больших затрат, подходят для испытания разных типоразмеров. Минусом считается факт, что меняющаяся нагрузка иногда завышает показатель прочности, и появляется неточность при проведении расчета. Динамические испытания проводят опытные техники, для этого метода не подходят нестабильные или сыпучие основания.

Вид свай выбирают по свойствам пласта, который располагается под острием стержня. Сваи-стойки монтируют, если используется малосжимаемые скальные почвы. В других вариантах ставят сваи трения (защемленные в земле). Длина выбирается с учетом того, что стержень заделывается в тело ростверка на 5 – 10 см при вертикальной нагрузке.

Пробный

Процесс пробного заглубления сопровождают техническими документами, где проставляют размер, вид и расчетную нагрузку на сваю. Для проведения требуется подробный план фундамента с приведенными шурфами зондирования, которые исследовались геологами. Указывается прохождение коммуникаций и электрических кабелей.

Пробные забивки проводят в случае:

• присутствия слабых почв, техногенных насыпных участков;
• количества свай больше 2 тыс.;
• строительства многоэтажек свыше пяти этажей;
• если есть сомнения в правильности теоретической части расчета.

Погружение сопровождается техническими документами с указанием расчетных нагрузок, типа оболочек. Результаты испытания заносятся в журнал, где описываются полученные повреждения, категория молота и число ударов до конечного погружения.

Расчет несущей способности свай в конкретных условиях

Несущие свойства забивных железобетонных стержней вычисляются как сумма сопротивления почвы под подошвой и боковой обструкции F = y · (Fd + Fr), где:

• Fd = u · Σ y · Fl · Hl;
• u — наружный периметр столба;
• y — коэффициент функционирования;
• Fl — боковое сопротивление земли;
• Hl — толщина почвенных слоев в области контакта;
• Fr = y · R · S;
• R — сопротивление грунта под острием по норме;
• S — площадь опоры внизу.

Расчет ведется и для буронабивных оболочек. Для таких свай несущая способность вычисляется по формуле F = R · S + u · ∫ y · Fl · Hl, где:

• R — сопротивление грунта под острием по норме;
• S — площадь опоры внизу;
• u — наружный периметр столба;
• y — коэффициент функционирования;
• Fl — боковое сопротивление земли;
• Hl — толщина почвенных слоев в области контакта.

Формула вычисления показателя для винтовой сваи отличается от предыдущих выражений, т.к. требуются иные характеристики: F = yc · ((a1 · c1 + a2 · y1 · h1) · D + u · G · (h – d)), где:

• yc — коэффициент функционирования;
• a1 и a2 — табличные коэффициенты;
• c1 — коэффициент линейности грунта для песка или удельное сцепление для глины;
• y1 — удельный вес земли выше лопасти;
• h1 — величина заглубления;
• D — диаметр лопастей за вычетом диаметра самой сваи;
• u — периметр основания сваи;
• G — боковое сопротивление грунта;
• h — протяженность сваи;
• d — диаметр опорного винта.

Несущая способность после динамического, статического исследования и зондирования проверяется расчетом нагрузок и действий сопротивления материала. Если один из видов испытания не подтверждает расчетные показатели, такие сваи не допускаются к установке.