Факторы, влияющие на несущую способность пирамидальных свай

В настоящее время применяют длинные и короткие пирамидальные сваи. К числу первых относятся сваи длиной 6?8 метров с малыми (1?2°) углами наклона боковых граней к вертикали и размерами головы 40?46 см.

Длинные пирамидальные сваи рекомендуется применять в однородных по глубине грунтах, в случаях, когда с поверхности залегают грунты более прочные, чем подстилающие, а также недоуплотненные. При забивке этих свай происходит уплотнение окружающего грунта в большей степени, чем у обычных призматических или цилиндрических свай. Особенно в просадочных грунтах, как показывают опыты, в процессе забивки наблюдается уменьшение пористости от 15 до 40% на расстоянии до трех диаметров сваи [4]. В этом случае рассматриваемые сваи наиболее эффективны и по сравнению с фундаментами из призматических свай обеспечивают снижение расхода бетона в 1,5?2,0 раза.

Короткие пирамидальные сваи имеют длину 1,5?5,0 м и угол наклона граней 10?150. Такие сваи наиболее эффективны при строительстве в грунтовых условиях I типа просадочности, т.к. при забивке вокруг боковых граней сваи образуется большой объем уплотненного грунта.

Пирамидальные сваи отличаются не только конструктивным решением, но самое главное, различными условиями совместной работы с грунтом, а, следовательно, и различным расчетом их несущей способности.

Большие размеры поперечного сечения верха пирамидальных свай позволяют применять ростверки сборной и монолитной конструкции. При строительстве каркасных малоэтажных зданий стаканную часть под колонны устраивают непосредственно в голове сваи. Пирамидальные сваи изготавливаются ненапрягаемыми с поперечным армированием ствола или с напрягаемым центральным стержнем без поперечного армирования, что снижает расход арматурной стали [4].

пирамидальный свая грань конструкция.

Основной задачей проектирования является выбор оптимальных размеров фундаментов [5, 6]. Главными факторами, влияющими на несущую способность пирамидальной сваи является угол наклона боковых граней, длина и физико-механические характеристики грунта [7, 8]. В настоящей работе представлены результаты исследований влияния наклонных граней и длины пирамидальной сваи при заданных грунтовых условиях на несущую способность.

Пирамидальные сваи являются сваями трения, и их несущая способность в основном складывается из сопротивления грунта вдоль наклонных боковых граней. При погружении в грунт по мере осадки пирамидальной сваи идет постоянное нарастание суммарных сил трения по боковым поверхностям fi и сопротивления под острием сваи R. Внешние нагрузки на такие сваи воспринимаются главным образом их боковой поверхностью и в меньшей степени острием.

Несущую способность пирамидальной сваи, прорезающей песчаные и глинистые грунты, Fd, кН, следует определять п. 7.2.4. [9] по формуле:

(1).

где? c — коэффициент условий работы свай в грунте, принимаемый? c = 1,0;

R — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемый по таблице 7.2. [9];

А — площадь опирания сваи на грунт, м2;

fi — расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.3. [9];

hi — толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м, мощные пласты грунтов следует расчленять на однородные слои толщиной не более 2 м;

ui — наружный периметр сваи в i-м сечении, м;

uо, i — сумма размеров сторон i-го поперечного сечения сваи, которые имеют наклон к оси сваи, м;

iр — наклон боковых граней к ее оси в долях единицы, при определении длины сваи принимается равным iр? 0,025;

Ei — компрессионный модуль деформации i-го слоя грунта, окружающего боковую поверхность сваи, кПа.

?r — реологический коэффициент, принимаемый? r = 0,8;

Ki — коэффициент, зависящий от вида грунта и принимаемый для песков и супесей Ki = 0,5, для глин при числе пластичности Ip = 18, Ki = 0,7, для глин при Ip = 25, Ki = 0,9 (при 18 < Ip < 25 Ki определяется по интерполяции).

Из формулы (1) видно, что несущая способность зависит от характеристик грунтового основания и геометрических параметров сваи.

Авторами исследуется влияние на несущую способность различной длины сваи в однородном суглинистом грунте с показателем текучестиIl = 0,43 (рис.2). Длину свай принимаем от 3 до 8 м. Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Рис. 2. Расчетная схема пирамидальной сваи.

Для свай различной длины с одинаковым уклоном боковых граней iр? 0,025 определяем удельную несущую способность Fd.уд. пирамидальной сваи по формуле:

(2).

Таблица 1. Изменение несущей способности в зависимости от длины пирамидальной сваи в глинистых грунтах.

Графическая интерпретация результатов исследований зависимости удельной несущей способности свай Fd уд. от их длины L показана на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость удельной несущей способности сваи Fd от длины L

Анализируя полученный график, видим, что удельная несущая способность при увеличении длины сваи возрастает, что объясняется суммарным увеличением сопротивления грунта под нижним концом и по боковой поверхности сваи.

Проверим влияние на несущую способность сваи изменение уклона боковых граней. Для свай различной длины с различным уклоном боковых граней iр определяем удельную несущую способность пирамидальной сваи.

Результаты расчетов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Изменение несущей способности в зависимости от уклона боковых граней пирамидальной сваи в песчаных грунтах.

Для определения влияния уклона боковой грани iр, на другие параметры строим график Fd уд = f (ip) зависимости удельной несущей способности Fd уд от уклона граней ip (рис. 4).

Рис. 4. График зависимости удельной несущей способности Fdу, кН от уклона граней ip, д.е.

Таким образом, исследования показали, что несущая способность пирамидальных свай, приведенная к единице объема, зависит не только от её объема, длины и грунтовых условий, но и от угла наклона граней сваи и возрастает с увеличением этого угла.

Установлено, что с ростом угла наклона боковых граней пирамидальных свай одинакового объема их несущая способность увеличивается. Варьируя параметром уклона боковых граней iр, пирамидальных свай можно подобрать сваю требуемой несущей способности. Эффективность работы сваи с увеличением iр можно наблюдать на графике зависимости Fd уд = f (ip) (рис.4). Для площадки, сложенной песком средней крупности при увеличении ip от 0,014 до 0,025 удельная несущая способность сваи возросла более, чем в 1,5 раза.

Однако не везде удается применять сваи с уклоном боковых граней ip > 0,25, т.к. в плотных грунтах их погружение оказывается затруднительным. Поэтому сваи с углами наклона граней 2?9° целесообразно использовать в грунтах плотных и средней плотности, а сваи с углами наклона 9?15° - в рыхлых.

Поэтому подбор оптимальных размеров пирамидальных свай по их несущей способности даже в конкретных условиях является трудоемким и не всегда позволяет учесть все факторы, влияющие на сопротивление сваи внешней нагрузке, особенно влияние уклона боковых граней. Не исключена необходимость учета и других факторов при выполнении расчетов. Например, следует учитывать влияние начальной плотности грунта на несущую способность свай с различными уклонами граней, т.к. процесс погружения сваи связан с уплотнением грунта в околосвайном пространстве.

На выбор оптимальных геометрических размеров пирамидальных свай оказывают также влияние следующие факторы: величина нагрузок, передаваемых фундаментами, природная плотность грунта, конструкция здания, его жесткость и предельная допускаемая величина осадки.

При расположении свайных фундаментов в слабых грунтах и воздействии на них больших нагрузок необходимо принимать максимальные размеры свай, в плотных грунтах геометрические размеры свай соответственно уменьшаются.

Для установления действительного сопротивления пирамидальных свай нагрузке необходимо на площадках строительства выполнять статические испытания одной — двух свай в зависимости от степени неоднородности грунтовых условий.

Положительный опыт строительства зданий на пирамидальных сваях в г. Пензе и технико-экономическое сравнение [1, 2, 7, 8] свидетельствуют о целесообразности их использования для грунтовых площадок первых надпойменных террас в долинах рек, сложенных песками средней крупности и водонасыщенными пылевато-глинистыми грунтами. В пылевато-глинистых грунтах пирамидальные сваи при забивке уплотняют грунт и удаляют свободную воду, тем самым, исключая возможность морозного пучения в зоне уплотнения.

Библиографический список.

• 1. Хрянина О. В., Кошкина Н. В., Горынин А. С. К оценке эффективности пирамидальных свай // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 130−136.
• 2. Глухов В. С., Хрянина О. В., Фабрикин А. А. Экономическое обоснование применения пирамидальных свай на слабых грунтах в фундаментах под колонны // Вопросы планировки и застройки городов: материалы XXXV Всероссийской, XX Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С.136−139. ISBN 978−5-9282−0598−0.
• 3. Хрянина О. В., Белый А. А. Рациональный вариант фундаментов здания в сложных инженерно-геологических условиях г. Пензы // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50 636 (дата обращения: 01.04.2015).
• 4. Малышев М. В., Болдырев Г. Г. Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах) /Учебное пособие. -М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2004. — 328 с.
• 5. Хрянина О. В., Пономарева Т. А. Рациональные фундаменты зданий на слабых грунтах // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы V Всероссийской науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2014. ISBN 978−5-9282−1216−2.
• 6. Галова Ю. С., Хрянина О. В. Подбор оптимального варианта фундамента многоэтажного жилого дома в сложных геологических условиях г. Тольятти // Актуальные проблемы проектирования и возведения зданий и сооружений с учетом энергосберегающих технологий и методов строительства: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2011. С. 64−67.
• 7. Хрянина О. В., Галов А. С. Исследование зависимости несущей способности пирамидальной сваи от ее длины // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 126−130.
• 8. Хрянина О. В., Кошкина Н. В., Горынин А. С. Зависимость несущей способности от уклона боковых граней пирамидальных свай // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 122−126.
• 9. СП 24.13 330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.20.03−85. М., 2011. 85 с.