Сравнительные характеристики различных типов винтовых свай

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 J_L = 0,31, угол внутреннего трения j_I=21°, удельное сцепление C_I = 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):

где τ_fh – расчетное значение удельной касательной силы пучения, определяемая в соответствии с [3]; A_fh – расчетная площадь боковой поверхности фундамента, м², находящейся в пределах расчетной глубины слоя сезонного промерзания – оттаивания; F – расчетная постоянная нагрузка на фундамент, определяемая с коэффициентом 0,9; F_r – расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения боковой поверхности с талым грунтом F_r,f; γ_c – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1; γ_n – коэффициент надежности, принимаемый равным 1.

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

Расчетное значение силы F_r,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):

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

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

f_i –   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:

F_d = γ_c[(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

Fd/γ_k=10,83/1,4=7,7 тс.

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

Определим τ_fh – расчетное значение удельной касательной силы пучения.

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

τ_fh= χ k₀ τ_fhn=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; k₀ – коэффициент, учитывающий материал и состояние поверхности фундамента в пределах слоя промерзающего грунта; значение k₀ принимается по табл. 7; τ_fhn – значение удельной нормативной касательной силы пучения, МПа (кгс/см²), определяемое в зависимости от степени морозоопасности грунта по табл. 8; A_fh – расчетная 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

Fd/γ_k=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 F_r,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. СП–50-101-2004 «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

Рис.1 Конструкции винтовых свай

I тип – винтовая свая с лопастью

II тип – винтовая свая конической формы