Full Text

Широкое применение свайных фундаментов в промышленном и гражданском строительстве явилось причиной пристального внимания к состоянию нормативной базы по их расчету и проектированию. За последние годы в развитии методов расчета, проектирования и строительства свайных фундаментов был достигнут значительный прогресс. Ученые совместно с ведущими специалистами проектных институтов и строительных организаций обобщили накопленный опыт использования свай в различных грунтовых условиях, провели большой объем экспериментальных и теоретических исследований, разработали новые или усовершенствовали существовавшие методы расчета и проектирования свайных фундаментов [1-5]. Несмотря на это, ряд методов расчета требуют уточнения или дальнейшего развития. Одним из таких методов является метод расчета свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку. В настоящее время имеется большое число методов оценки несущей способности одиночной сваи при действии на нее горизонтальной нагрузки, которые делятся на три группы: - метод испытания свай пробной статической нагрузкой; - эмпирические методы; - математические методы. Метод испытания свай пробной статической нагрузкой позволяет наиболее точно установить фактическое сопротивление сваи действию горизонтального усилия. Испытываются сваи со свободной головой, а их защемление в ростверк учитывается умножением полученного значения предельного сопротивления сваи горизонтальной нагрузке на коэффициент защемления Kз > 1. В случае свайных кустов при расстоянии между сваями менее 6d, где d - диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи, в расчет вводится еще один коэффициент - Kвв ˂ 1 - коэффициент взаимовлияния свай через грунт, учитывающий совместную работу свай в фундаменте. Произведение коэффициентов Kз и Kвв иногда называют коэффициентом кустового эффекта Kкэ, учитывающего отличие несущей способности горизонтально нагруженной одиночной сваи со свободной головой от несущей способности сваи в кусте при одинаковом горизонтальном смещении. На практике метод испытания свай пробной статической нагрузкой используется для контроля несущей способности горизонтально нагруженной сваи, определенной аналитическим или эмпирическим методом, поскольку до начала проектирования провести испытание сваи в грунтовых условиях предполагаемой строительной площадки практически невозможно. Эмпирические методы заключаются в использовании для расчетов различного рода эмпирических и полуэмпирических формул, в коэффициентах которых скрыт характер взаимодействия между сваей и грунтом. Эмпирические методы широкого применения на практике не нашли из-за некоторой неопределенности, возникающей при назначении используемых в них эмпирических безразмерных коэффициентов. Математические методы расчета одиночных свай на горизонтальную нагрузку, нашедшие наиболее широкое применение в практике проектирования, в зависимости от схемы работы сваи в грунте условно делятся на две большие группы: - первая группа методов разработана для коротких жестких свай, поворачивающихся под действием горизонтальной силы в грунте без изгиба вокруг некоторой «нулевой точки» (рис. 1, а); - вторая группа методов разработана для свай, которые под действием горизонтальной нагрузки поворачиваются в грунте с изгибом (короткие гибкие сваи - рис. 1, б) или изгибаются в грунте без поворота, т.е. без горизонтального смещения их нижнего конца (длинные гибкие сваи - рис. 1, в). Рис. 1. Схемы работы в грунте горизонтально нагруженных свай различной жесткости: а - короткая жесткая свая; б - короткая гибкая свая; в - длинная гибкая свая Fig. 1. Schemes of horizontally loaded piles of different ridgidity acting in the spils: a is a short rigid pile; b is a short flexible pile; c is the long flexible pile Существует целый ряд предложений по отнесению горизонтально нагруженной сваи к той или иной группе по жесткости, самое простое из которых, сделанное еще в 1946 г., принадлежит В.Г. Березанцеву [6]. В соответствии с его предложением показателем, по которому производится это разделение, является отношение l/d, где l - длина сваи в грунте; d - диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи: - при l/d ≤ 12 - жесткие сваи; - при l/d >12 - гибкие сваи. Явным недостатком такой классификации является то, что она не учитывает грунтовые условия, хотя очевидно, что при одной и той же длине свая в слабом грунте может работать как жесткая, а в плотном грунте - как гибкая. Впоследствии появился ряд других предложений по классификации горизонтально нагруженных свай по жесткости, которые, в отличие от предложения В.Г. Березанцева, показатель жесткости определяют с учетом деформационных характеристик грунтового основания. Так, А.С. Буслов [7] предложил схему работы горизонтально нагруженной сваи (жесткость сваи) определять по показателю λl, вычисляемому по формуле λl = 0,635l [1,54cd/(1+ν)EI]1/4, (1) где с - коэффициент постели грунта; ν - коэффициент Пуассона грунта; EI - жесткость поперечного сечения сваи на изгиб: при λl ≤ 1,5 - короткая жесткая свая; при 1,5 < λl < 2,5 - короткая гибкая свая; при λl ≥ 2,5 - длинная гибкая свая. В соответствии с нормативными документами, в частности с СП 24.13330.2011, разделение свай на гибкие и жесткие с учетом как податливости грунта, так и длины свай производится по приведенной глубине погружения свай в грунт , которая определяется по формуле К.С. Завриева [8, 9]: = l[Kbр/(γc EI)]1/5, (2) где l - глубина погружения сваи в грунт; K - коэффициент податливости грунта; γc - коэффициент условий работ; EI - то же, что в формуле (1); bр - условная ширина сваи, учитывающая пространственный характер ее работы, bр = 1,5d + 0,5; при ≤ 1 сваи рассматриваются как короткие жесткие, при > 1 - как длинные гибкие. Результаты разделения свай по жесткости, выполненного по приведенными выше методикам, приведены в табл. 1-3. Существуют и другие методы оценки жесткости горизонтально нагруженных свай в грунте (В.В. Левенстам [10], В.С. Миронов [11], B. Broms [13] и др. [14-19]). Таблица 1 Классификация свай по жесткости по отношению l/d Table 1 Classification of piles according to rigidity inrespect to l/d Длина сваи l, м Показатель λl для сваи сечением 0,25×0,25 0,30×0,30 0,35×0,35 0,40×0,40 1 2 3 4 5 Коэффициент постели c = 650 кН/м3 2,0 0,952 0,830 0,740 0,670 3,0 2,142 1,869 1,665 1,500 4,0 3,808 3,320 2,956 2,676 Таблица 2 Классификация свай по жесткости по показателю λl (А.С. Буслов) Table 2 Classification of piles according to rigidity according to λl parameter (A.S. Buslov) Длина сваи l, м Показатель λl для сваи сечением 0,25×0,25 0,30×0,30 0,35×0,35 0,40×0,40 1 2 3 4 5 Коэффициент постели c = 650 кН/м3 2,0 0,952 0,830 0,740 0,670 3,0 2,142 1,869 1,665 1,500 4,0 3,808 3,320 2,956 2,676 1 2 3 4 5 Коэффициент постели c = 1000 кН/м3 2,0 1,06 0,924 0,824 0,746 3,0 2,385 2,079 1,854 1,677 4,0 4,240 3,696 3,296 2,98 Коэффициент постели c = 3000 кН/м3 2,0 1,394 1,216 1,084 0,980 3,0 3,138 2,739 2,439 2,205 4,0 5,580 4,868 4,336 3,924 Коэффициент постели c = 5000 кН/м3 2,0 1,586 1,382 1,232 1,114 3,0 3,567 3,111 2,772 2,508 Коэффициент постели c = 7000 кН/м3 2,0 1,724 1,504 1,34 1,212 3,0 3,879 3,384 3,015 2,727 Коэффициент постели c = 9000 кН/м3 2,0 1,836 1,602 1,426 1,29 3,0 4,131 3,603 3,21 2,904 Коэффициент постели c = 11000 кН/м3 2,0 1,93 1,684 1,5 1,356 3,0 4,344 3,789 3,375 3,054 Коэффициент постели с = 13000 кН/м3 2,0 2,012 1,756 1,564 1,414 3,0 4,53 3,951 3,519 3,183 Таблица 3 Классификация свай по жесткости по приведенной глубине погружения сваи в грунт Table 3 Classification of piles according to the rigidity at a given depth of piles diving into the ground Длина сваи l, м Приведенная глубина погружения сваи в грунт для сваи сечением 0,25×0,25 0,30×0,30 0,35×0,35 0,40×0,40 Коэффициент пропорциональности k = 650 кН/м4 2,0 1,133 0,995 0,893 0,814 3,0 1,699 1,493 1,34 1,221 Коэффициент пропорциональности k = 1000 кН/м4 2,0 1,235 1,085 0,973 0,887 3,0 1,852 1,627 1,46 1,331 Примечание: желтый цвет - короткие жесткие сваи; синий цвет - короткие гибкие сваи; бежевый цвет - длинные гибкие сваи. Все рассмотренные и отмеченные методы классификации свай по жесткости допускают возможность поворота горизонтально нагруженной сваи в грунте без изгиба, но только для свай, длина которых даже в слабом грунте не превышает 2,5 м (за исключением классификации по отношению l/d, при которой поворот свай без изгиба допускается вплоть до длины 3,5-4,0 м). Такие короткие сваи заводского изготовления применяются в основном в малом строительстве, где горизонтальные нагрузки практически отсутствуют или являются несущественными. Ниже приведены результаты испытаний свай горизонтальной нагрузкой, выполненных лабораторией НИУ МГСУ совместно с ОАО «Фундаментпроект» и Бюро научно-технической помощи Красноярского Промстройниипроекта. Испытания проводились с целью установления несущей способности стандартных забивных железобетонных свай квадратного сечения на горизонтальную нагрузку в различных грунтовых условиях и уточнения характера их деформирования и разрушения в грунте. Испытания проводились по стандартной методике, горизонтальная нагрузка прикладывалась на уровне поверхности грунта. После испытаний сваи откапывались или извлекались из грунта выдергиванием с целью установления характера их разрушения. Результаты испытаний, приведенные в табл. 4, показали следующее: - во всех без исключения случаях сваи потеряли несущую способность при горизонтальном смещении на уровне поверхности грунта порядка 1,0-1,5 см; - потеря несущей способности сваями произошла «по материалу» за счет их излома на глубине 3…4d от поверхности грунта; - все сваи работали в грунте по схеме «короткая гибкая» или «длинная гибкая», поворот сваи в грунте ни в одном из проведенных испытаний зафиксирован не был; - несущая способность испытанных свай на горизонтальную нагрузку практически не зависела от глубины их погружения в грунт. Таблица 4 Результаты испытаний свай горизонтальной нагрузкой Table 4 Test results of piles onder horizontal loading Номер опытной площадки Грунтовые условия Длина сваи в грунте Несущая способность сваи, кН, при сечении 0,25×0,25 0,30×0,30 0,35×0,35 0,40×0,40 1 Суглинок мягкопластичный K = 3750 кН/м4 2,7 м 5,2 м 9,2 10,4 20,0 21,3 28,0 - 39,2 - 2 Суглинок пластичный K = 5000 кН/м4 3,6 м 4,4 м 5,0 м 17,2 17,9 17,8 34,0 33,9 32,6 45,0 - - 56,0 - - 3 Песок мелкий, средней плотности K = 6500 кН/м4 3,0 м 5,5 м 21,0 22,2 38,9 39,9 49,1 - 64,0 - 4 Суглинок тугопластичный K = 6500 кН/м4 3,8 м 6,4 м 20,2 21,4 36,1 35,4 48,0 49,2 - - 5 Суглинок полутвердый K = 6500 кН/м4 2,7 м 5,2 м 22,1 23,4 39,4 - - - - - 6 Песок мелкий, средней плотности K = 6500 кН/м4 3,6 м 9,4 м 22,3 23,0 - - 47,3 48,9 - - 7 Песок мелкий, плотный K = 10 400 кН/м4 2,5 м 3,5 м 28,0 30,1 - - - - - - Результаты испытаний свай и анализ публикаций по рассматриваемому вопросу позволяют говорить, что, поскольку стандартные железобетонные сваи квадратного сечения теряют несущую способность на горизонтальную нагрузку за счет излома (по материалу) при горизонтальном смещении на уровне поверхности грунта не более 15 мм, их несущая способность при известном коэффициенте пропорциональности грунта K может быть оценена без выполнения сложных расчетов, по табл. 5. Таблица 5 Расчетное сопротивление сваи со свободной головой действию горизонтальной нагрузки при горизонтальном смещении головы сваи на уровне поверхности грунта, равном 1,0-1,5 см Table 5 The design resistance of the pile with a free head against the action of the horizontal loading during the horizontal displacement of the pile head at the level of the ground surface equal to 1,0-1,5 cm Kоэффициент пропорциональности K, кН/м4 Расчетное сопротивление сваи со свободной головой Н, кН, при размере поперечного сечения, м 0,25×0,25 0,30×0,30 0,35×0,35 0,40×0,40 650 7,80 18,24 25,11 35,10 1000 8,20 20,08 28,16 37,77 3000 12,50 25,90 35,09 45,58 5000 19,30 32,13 42,13 53,18 7000 21,03 38,31 49,12 61,26 9000 24,40 44,16 56,37 70,36 11000 29,25 50,10 63,50 79,00 13000 33,74 56,24 72,08 87,00 При проектировании свайных кустов при жестком защемлении голов свай в ростверк расчетное сопротивление сваи на горизонтальную нагрузку необходимо умножить на повышающий коэффициент защемления Kз, значение которого для рассматриваемых в настоящей работе стандартных железобетонных забивных свай квадратных сечений 0,25×0,25; 0,30×0,30; 0,35×0,35 и 0,40×0,40 м допускается принимать равным 2,6. Учет взаимовлияния свай в кусте, работающем на горизонтальную нагрузку, может быть осуществлен введением в расчет коэффициента взаимовлияния свай Kвв, значения которого приведены в табл. 6. Таблица 6 Значение коэффициента взаимовлияния Kвв Table 6 The value of Kвв mutual influence coefficients Число свай в группе, n Значение коэффициента взаимовлияния Kвв при осевом расстоянии между сваями а 3d 4d 5d 6d 3 0,649 0,737 0,813 0,881 4 0,626 0,713 0,8 0,858 6 0,585 0,673 0,751 0,821 9 0,539 0,628 0,708 0,781 12 0,504 0,596 0,678 0,755 16 0,47 0,566 0,654 0,736 20 0,446 0,546 0,64 0,729 Выводы 1. Работа горизонтально нагруженных железобетонных свай заводского изготовления стандартных сечений 0,25×0,25, 0,30×0,30, 0,35×0,35 и 0,40×0,40 м по жесткой схеме независимо от грунтовых условий возможна только при длине свай менее 2,5 м, откуда следует, что методы расчета первой группы, рассматривающие сваю как жесткий стержень, который поворачивается в грунте без изгиба, использовать для расчета указанных типов свай практически невозможно. Область их применения - оболочки и буровые столбы большого диаметра при небольшом заглублении в грунт, внецентренно нагруженные фундаменты и т.п., что логично, поскольку первоначально эти методы разрабатывались для расчета массивных подпорных стенок. 2. Горизонтально нагруженные железобетонные сваи заводского изготовления стандартных сечений 0,25×0,25, 0,30×0,30, 0,35×0,35 и 0,40×0,40 м при их длине более 2,5 м независимо от грунтовых условий теряют несущую способность при горизонтальном смещении на уровне поверхности грунта порядка 1,0-1,5 см. Потеря несущей способности сваями происходит «по материалу» за счет их излома на глубине 3…4d от поверхности грунта. 3. Расчетную горизонтальную нагрузку на сваю рекомендуется определять по табл. 5 в зависимости от размеров ее поперечного сечения и коэффициента пропорциональности грунта K, значения которого приведены в табл. В.1 Приложения В СП 24.13330.2011. 4. При проектировании свайных кустов при жестком защемлении голов свай в ростверк расчетное сопротивление сваи на горизонтальную нагрузку необходимо умножить на повышающий коэффициент защемления Kз, значение которого для рассматриваемых в настоящей работе стандартных железобетонных забивных свай квадратных сечений 0,25×0,25; 0,30×0,30; 0,35×0,35 и 0,40×0,40 м допускается принимать равным 2,6.

About the authors

V. V Znamenskiy

Moscow State University of Civil Engineering

E. P Znamenskaya

Moscow State University of Civil Engineering

D. Yu Chunyuk

Moscow State University of Civil Engineering

D. R Khaliullina

Hilti Distribution Ltd

References

Statistics

Views

Abstract - 82

Refbacks

• There are currently no refbacks.