Меню

Сравнительные характеристики различных типов винтовых свай

11 января 2012

Введение.

Винтовые сваи являются эффективными конструкциями нулевого цикла малоэтажных зданий и сооружения. Использование фундаментов на винтовых сваях в морозоопасных, пучинистых грунтах находит все большее применение, ввиду их низкой материалоемкости.

Формирование напряженного состояния между фундаментом и морозоопасным грунтом начинается с момента их смерзания. Развитие касательных напряжений с увеличением площади смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента обусловливает суммарное значение силы пучения, величина которой зависит от многих переменных, наиболее значимыми из которых является: конструкция фундамента, температура, влажность и вид грунта, глубина и характер его промерзания и пучения.

Цель настоящей работы – произвести сравнительный расчетный анализ двух конструкций свай (тип I, тип II) на воздействие сил морозного пучения и выявить наиболее эффективное конструктивное решение.

Исходные данные.

В соответствии со СП 50-101-2004 по проектированию оснований зданий и сооружений обеспечение устойчивости и прочности зданий и сооружений, возводимых на морозоопасных основаниях, предопределяется решением следующих задач:

а) назначением глубины заложения фундамента с учетом предупреждения возможного промерзания и пучения грунтов основания под подошвой фундамента;

б) проверкой устойчивости и прочности фундамента на действие касательных сил пучения, возникающих в процессе промерзания и пучения грунта у боковой поверхности фундамента

Произведем соответствующие расчеты, со следующими исходными данными для двух типов свай:

Грунтовые условия площадки строительства: грунты — сильнопучинистые тугопластичные суглинки плотностью r = 1,95 т/м 3. Модуль деформа­ции грунта E = 2,9 МПа, коэффициент Пуассона m = 0,30, показатель текучести JL = 0,31, угол внутреннего трения jI=21°, удельное сцепление CI = 32 кПа, расчетная глубина промерзания d = 1,7 м.

Описание конструкции свай.

На сегодняшний день существует две принципиально отличные конструкции винтовых свай, их можно разделить на два типа (рис. 1).

Тип I – металлическая свая, представляющая собой трубу с приваренной на конце лопастью. Отношение диаметра ствола сваи к диаметру лопасти составляет не более 1/3. Свая длинной 2500мм, диаметр ствола 108мм, диаметр лопасти 300мм.

Тип II – рассматриваемая свая представляет собой полые стальные стержни, состоящие из цилиндрической и конической частей. На наружной поверхности конической части свай выполнена резьба из стальной полосы. Примем сваю 114 диаметра, длинной 2500м.

Основные предпосылки для определения устойчивости против действия сил морозного пучения.

В соответствии с условиями устойчивости фундаментов всех типов расчет их на воздействие касательных сил пучения производится согласно указаниям главы 6.8 [1] по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах по формуле (1):

Сравнительные характеристики различных типов винтовых свай

где τfh — расчетное значение удельной касательной силы пучения, определяемая в соответствии с [3]; Afh расчетная площадь боковой поверхности фундамента, м2, находящейся в пределах расчетной глубины слоя сезонного промерзания — оттаивания; Fрасчетная постоянная нагрузка на фундамент, определяемая с коэффициентом 0,9; Frрасчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения боковой поверхности с талым грунтом Fr,f; γc коэффициент условий работы, принимаемый равным 1; γn — коэффициент надежности, принимаемый равным 1.

Для фундаментов с заанкеренной в непромерзающий грунт лопастью (тип I) , расчетное значение силы Fr,f, удерживающей от выпучивание определяется как несущая способность сваи на выдергивание [1], умноженной на соответствующий коэффициент запаса ( γn = 1.4).

Расчетное значение силы Fr,f, МН (кгс), удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его поверхности с непромерзающим грунтом, для фундаментов, несущая способность которых определяется работой боковой поверхности, определяется по формуле (2):

Сравнительные характеристики различных типов винтовых свай

где u —  периметр сечения поверхности сдвига, м (см), принимаемый равным: для свайных и столбчатых фундаментов без анкерной плиты — периметру сечения фундамента;

hi —   толщина i-го слоя мерзлого или талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя сезонного промерзания-оттаивания, м (см);

fi —   расчетное сопротивление i-го слоя талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, кПа (кгс/см2), принимаемое в соответствии с требованиями [1].

 

Результаты расчета.

Тип 1. Свая диаметром ствола 0.108м, длиной 2.5 м.

Определим несущую способность винтовой сваи на выдергивание согласно СП 50-102-2003 [3] в соответствии с принятыми грунтовыми условиями:

Fd = γc[(a1c1 + a2γ1h1)A ]= 0.7х [ ( 12.1 х 32 кПа + 5.5 х 19.5 кН/м3 х 1.70 ) х 0.07 = 108.31 кН = 10.83 тс

Fdk=10,83/1,4=7,7 тс.

В данной формуле учтем только одно слагаемое, а именно, сопротивление выдергиванию лопасти, погруженной в непромерзший грунт.

Определим τfh — расчетное значение удельной касательной силы пучения.

Т.к. грунт относится к сильнопучинистым, нормативное значение удельной касательной силы пучения τfhnпо табл.8 [2] при глубине до 1.5м. составит 100кПа.

τfh= χ k0 τfhn=0.8 * 0.8 * 130 = 83.2 кПа

где χ — коэффициент, учитывающий геокриологические условия участка; при сезонном промерзании грунтов в условиях отсутствия или глубокого залегания вечномерзлых пород χ = 0,8; при смыкании промерзающего слоя с вечномерзлыми (или скальными) породами χ = 0,6 ÷ 0,7; k0коэффициент, учитывающий материал и состояние поверхности фундамента в пределах слоя промерзающего грунта; значение k0 принимается по табл. 7; τfhn — значение удельной нормативной касательной силы пучения, МПа (кгс/см2), определяемое в зависимости от степени морозоопасности грунта по табл. 8; Afhрасчетная площадь боковой поверхности фундамента, м2, находящейся в пределах расчетной глубины слоя сезонного промерзания — оттаивания грунта.

Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1):

83 кПа * 0.57 м2 = 47.84 кН = 4.8 тс — вертикальная выдергивающая сила

Fdk=7.7> 4.8 тс

Условие по устойчивости выполняется.

Тип 2. Свая конической формы, диаметром 0.114м, длиной 2.5 м.

Геометрические данные, которые понадобятся в расчетах:

Длина цилиндрической части — 0.55м

Диаметр цилиндрической части – 0.114м

Периметр цилиндрической части – 0.358м

Длина конической части -1.45м

Приведенный диаметр конической части – 0.114/2=0.057м

Расчетный периметр конической части – 0.358/2= 0.1797см

Расчетное значение силы Fr,f, МН (кгс), удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его поверхности с непромерзшим грунтом, определяется по формуле (2):

Fr = 30 кПа * 2 м * 0.17 = 10.2 кН = 1.02 тс

Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1):

83 кПа * 0.45 м2 = 37.35 кН = 3.74 тс — вертикальная выдергивающая сила

Условие не выполняется.

Выводы по результатам расчета:

  1. Расчетом установлено, что винтовые сваи с заанкеренной в непромерзший грунт лопастью (тип 1) не подвержены влиянию сил морозного пучения, условия по обеспечению устойчивости выполняются.
  2. Фундаменты с лопастью не подвержены деформациям, связанными с процессами промораживания – оттаивания.
  3. Винтовые сваи конической формы с навитой лопастью (тип 2) не отвечают требованиям по обеспечению устойчивости против касательных сил морозного пучения.
  4. Для свайных фундаментов, в несущей способности которых большой удельный вес составляет несущая способность боковой поверхности (тип 2), необходимо выполнять условие отсутствия остаточных деформаций пучения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. СП50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений». М., 2004
  2. «Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов», М., Стройиздат 1986
  3. СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов». М.,2003.
  4. Максимов Ф.А. «Лабораторные исследование морозного пучения грунтов», Вестник «ЮУрГУ» выпуск 9, №35, 2009г.

Приложение 1

Сравнительные характеристики различных типов винтовых свай

Рис.1 Конструкции винтовых свай

I тип – винтовая свая с лопастью

II тип – винтовая свая конической формы

Комментарии на "Сравнительные характеристики различных типов винтовых свай"

  1. Владимир

    Добрый день .
    Скажите , вы выполняете работы в Финляндии ? Надо установить около 40 свай .
    Сложность в том , что часть свай ( 7 или 8 ) надо вкрутить на расстоянии 10 ,максимум 30 см от стены основной постройки . Т.е. , вручную — проблематично .

    • ФУНДЭКС

      Здравствуйте Владимир, да выполняем, вы можете обратится в офис нашей компании расположенный в Санкт-Петербурге. Спасибо.

  2. Валерий Брониславович

    Требуется установить 60 свай на глубину 2,5 м. Площадка в Москве, ровная, асфальтированная авто-стоянка. Высота верха сваи от поверхности асфальта -150мм. Геология (от асфальта): Асфальт по щебеночной подготовке. Насыпной грунт песчанистый, слежавшийся, с включениями гравия и щебня, средней степени водонасыщения, мощность слоя -1,5 м. Песок средней крупности, средней степени водонасыщения, с включениями гравия мощность слоя 1.2 м. Суглинок мелкопластичный мощность слоя -1.4м. Возводимое здание одно-двух этажное под автомойку. Конструкции — металлический каркас. Перекрытия облегченные. Какова ориентировочная стоимость выполнения свайных работ?

Отправить комментарий

Если вы недовольны качеством продукции, вы можете написать об этом в отдел контроля качества. Спасибо!

Обратный звонок