Расчет несущей способности висячих свай.

Их расчет производится, как правило, только по прочности грунта, т.к. по прочности материала она всегда заведомо выше.

Существуют следующие методы расчета:

· Динамический метод;

· Метод испытания пробной статической нагрузкой;

· Практический метод;

· Метод статического зондирования;

· Теоретические методы.

Динамический метод заключается в определении несущей способности сваи по величине ее отказа на отметке близкой к проектной. В основу метода положено, что работа, совершаемая свободно падающим молотом, GH (где G – вес молота, H – высота падения молота) затрачивается на преодоление сопротивления грунта погружению сваи; на упругие деформации системы «молот-свая-грунт»; на превращение части энергии в тепловую; разрушение головы сваи и т.п., т.е. на неупругие деформации.

В общем виде эта зависимость записывается следующим образом:

– уравнение работ

где G∙ H – работа падающего молота;

F_u∙ S_a – работа на погружение;

G∙ h – работа на упругие деформации;

α ∙ G∙ H – работа на неупругие деформации;

F_u – предельное сопротивление сваи вертикальной нагрузке, кН;

S_a – отказ сваи, м;

Α – коэффициент, учитывающий превращение части энергии в тепловую

и т.п.

Отказ сваи (S_a) определяется либо по одному удару молота, либо, что чаще, вычисляется как среднее арифметическое значение погружения сваи от серии ударов, называемой залогом (число ударов от 4-х до 10).

Метод испытания свай статической нагрузкой. Несмотря на сложность, длительность и значительную стоимость этот метод позволяет наиболее точно установить предельное сопротивление сваи с учетом всех геологических и гидрогеологических условий строительной площадки

Метод используется либо с целью установления предельного сопротивления сваи, необходимого для последующего расчета фундамента, либо с целью проверки на месте несущей способности сваи, определенной каким-либо другим методом, например, практическим.

Проверке подвергаются в среднем до 1% от общего числа погруженных свай, но не менее 2-х.

Нагрузка прикладывается ступенями, равными от ожидаемого предельного сопротивления сваи. Каждая ступень выдерживается до условной стабилизации осадки сваи. Осадка считается условно стабилизировавшейся, если ее приращение не превышает 0, 1мм за 1 час наблюдения для песчаных грунтов и за 2 часа для глинистых.

По данным испытаний строятся два графика:

Практика показала, что графики испытаний свай делятся на два типа:

· с характерным резким переломом, после которого осадка непрерывно возрастает без увеличения нагрузки, данная нагрузка в этом случае и принимается за предельную;

· с плавным очертанием без резкого перелома, что затрудняет определение предельной нагрузки. В этом случае за предельную принимается та нагрузка, под воздействием которой испытываемая свая получила осадку S:

,

где ζ – переходной коэффициент, комплексно учитывает ряд факторов:

несоответствие между осадкой одиночной сваи и сваи в кусте,

кратковременность испытания (главный фактор) по сравнению с

длительностью эксплуатации здания и т.п., принимается равным ζ =0, 2;

S_{u, mt} – предельное значение средней осадки фундамента проектируемого здания (по СНиП 2.02.01-83^*).

В итоге расчетная нагрузка на сваю по результатам статических испытаний:

,

где γ _с – коэффициент условий работы;

γ _g – коэффициент надежности по нагрузке;

F_u – частное значение, т.е. нормативное значение.

Практический метод (по таблицам СНиП). Широко применяется в практике проектирования, позволяет определить несущую способность сваи по данным геологических изысканий. Метод базируется на обобщении результатов испытаний большого числа обычных и специальных свай вертикальной статической нагрузкой, проведенных в различных грунтовых условиях с целью установления предельных значений сил трения, возникающих между сваей и окружающим грунтом, и предельного сопротивления грунта под ее концом.

В результате составлены таблицы расчетных сопротивлений грунтов, которые позволяют определить сопротивление боковой поверхности и нижнего конца сваи и, просуммировать полученные значения по формуле:

F_d = ()

Найти ее НС F_d (kH)

R и f_i - затабулированы

R→ Z_o – расстояние от поверхности до низа сваи; крупность песчаного грунта или I_L глинистого грунта.

f_i→ Z_i – расстояние от поверхности до середины рассматриваемого слоя, крупности песчаного грунта или I_L глинистого грунта.

Особое внимание в этом методе расчета необходимо уделять правильности оценки физико-механических свойств грунта, особенно показателю текучести I_L глинистых, который оказывает значительное влияние на результат расчета.

Этот метод, как правило, дает заниженное значение НС сваи.

При расчете сваи на выдергивающую нагрузку (например – анкерных свай) ее НС F_du будет определяться только сопротивлением трению по боковой поверхности и рассчитывается по формуле:

Здесь – коэффициент условий работы меньше чем при вдавливающей нагрузке =0, 6 для свай l< 4 м, Jc=0, 8, l< =4 м.

Остальное – то же, что и в формуле на вдавливающую нагрузку.

Понятие о негативном трении

Если по тем или иным причинам осадка окружающего сваю грунта будет превышать нагрузку самой сваи, то на ее боковой поверхности возникнут силы трения, направленные не вверх, как обычно, а вниз – отрицательное трение.

Обычно отрицательное трение возникает при загружении поверхности грунта около сваи (планировка территории подсыпкой м т.п.).

Вероятность возникновения отрицательного трения значительно возрастает если в пределах глубины погружения сваи имеется слой слабых сильно сжимаемых грунтов – торфа. Деформация торфа может быть настолько большой, что вышележащие слои грунта зависнут на свае, дополнительно пригружая ее.

НС сваи в этом случае определяется по той же формуле, но f_i для слоев выше торфа берется со знаком «-«, а для торфа «-5 кПА».

Метод статического зондирования грунтов

- более дешевый и быстрый метод по сравнению с испытанием свай статическими нагрузками.

Заключается во вдавливании в грунт стандартного зонда, состоящего из штанги с конусом на конце (d_кон = 36 мм, F = 10 см², < заострения 60º). Конструкция зонда позволяет как общее сопротивление его погружения, так и величину лобового сопротивления конуса.

Так как характер деформации грунтов при вдавливании свай и зонда аналогичен, полученные данные можно использовать для определения предельных сопротивлений свай.

F_d = AR+ f·h·U

f = B₂·f_з; AR - сопротивление острия зонда

R = B1·q_з; h - длина сваи

B₁ B₂ – переходные коэффициенты учитывающие разные размеры зонда и сваи.

Наряду с зондами для определения НС свай используются также эталонные сваи сечением 10х10 см двух типов – для измерения сопротивления грунта только под острием эталонной сваи, а второй – под острием и по ее боковой поверхности.

Теоретические методы

В силу своей сложности и многочисленных допущений, снижающих их точность, широкого применения на практике не нашли.