Методы оценки несущей способности свайных фундаментов

Расчет свай - нормативные методы

Существует большое разнообразие аналитических, эмпирических, полевых и пр. методов расчета свай и свайных фундаментов. Достоверность этих методов зависит от качественного понимания механизма взаимодействия сваи с окружающим грунтовым массивом, а также от сложности инженерно-геологических условий, от факторов заложенных в математическую модель и пр. Абсолютно достоверных, универсальных методов не существует в настоящее время. Даже результаты полевых испытаний свай обладают существенным уровнем неопределенности, что уж говорить об аналитических методиках. Среднее значение коэффициента вариации результатов полевых испытаний свай составляет около 20%!

В российской практике популярным методом оценки несущей способности свай является методика регламентируемая СП 24.13330. Данный метода расчета свай является широко известным среди проектировщиков и неплохо зарекомендовавший себя в нашей стране. Данный метод является эмпирическим, он был предложен еще в 50-х гг. прошлого века А.А. Лугой и основывается на данных многочисленных наблюдений за работой свайных фундаментов. Несколько позже данный метод дорабатывался в НИИОСП им. Н.М. Герсеванова в отношении показателей расчетного сопротивления по боковой поверхности f_i для слабых глинистых грунтов с показателями текучести I_l=0,7...0.

В соответствии с данной методикой, несущую способность F_d, кН висячей забивной и вдавливаемой свай и сваи-оболочки, погружаемой без выемки грунта, работающих на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле:

форму несущей способности свай

где γ_c – коэффициент условий работы сваи в грунте, обычно принимаемый равным единице; R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа; А – площадь опирания на грунт сваи, м², принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто или по площади поперечного сечения камуфлетного уширения по его наибольшему диаметру, или по площади сваи-оболочки нетто; u – наружный периметр поперечного сечения ствола сваи, м; f_i – расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл. 7.3 СП 24.13330; h_i – толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м; γ_cR, γ_cf – коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта.

В рассматриваемой методике ключевыми параметрами являются расчетные сопротивления R и f_i, которые определяются по табл. 7.2, 7.3 СП 24.13330.

Для анализа этой методики расчета нами были построены диаграммы зависимости основных параметров расчетных сопротивлений R и f_i для пылевато-глинистых грунтов (рис. 1, 2).

При сравнении диаграмм расчетных сопротивлений грунта на уровне основания сваи (рис. 2) и графиков, представленных ранее, наблюдается сходство в диаграммах и их значениях. Однако существуют некоторые отличия. Экспериментальные диаграммы отражают существенно больший угол наклона, который указывает на более интенсивное увеличение несущей способности по глубине. Диаграммы, построенные по данным СП 24.13330, имеют чрезмерные участки, отражающие линейную зависимость увеличения несущей способности по глубине, что представляется не соответствующим реальности.

расчетное сопротивление сваи по боковой поверхности

расчетное сопротивление сваи в основании R

Недостатки нормативных методов расчета свай

К некоторым недостаткам методики СП можно отнести следующее:

Не смотря на серьезную научно-экспериментальную базу данной методики, в проектно-строительной практике она является оценочной и уступает по достоверности результатов полевым и экспериментальным способам оценки несущей способности – статическому и динамическому зондированию, эталонному испытанию свай, и пр., хотя и является основной аналитической методикой при обосновании проектных решений в органах государственной экспертизы. Так, по мнению некоторых авторов, действительная несущая способность нередко превосходит величину, рассчитанную по рекомендациям СП (СНиП). Уточнить ее можно, испытывая пробные сваи статической нагрузкой. Однако из-за сложности таких испытаний выполнить их удается лишь после того, как проект уже выпущен и строители приступают к сооружению фундамента.
Недостаток экспериментальных исследований и отсутствие каких-либо работ по совершенствованию данной методики с момента ее первой публикации в СНиП II-Б.5-62 от 1962 г. сформировал мнение в профессиональной среде, что данная методика является скорей оценочной, чем расчетной, особенно при строительстве в регионах со специфическим формированием инженерно-геологических условий – в областях речных дельт (особенно субаэральных), в районах распространения специфических грунтов, в горных районах с широким распространением элювиально-делювиальных образований и пр.
Данная методика не учитывает целый ряд существенных факторов (механических свойств грунтов, напряженно-деформированного состояния массива, историю образования грунтов, и пр.). Как было показано выше, характер работы забивной сваи в грунтовом массиве является сложным комплексным процессом, зависящим от множества различных нелинейных факторов и точно не может быть описан лишь двумя независимыми переменными – глубиной слоя и его консистенцией (или размером частиц для песчаных грунтов). Не учитываются гидрогеологические условия, водонасыщенность грунтов. Так, в водонасыщенных глинах и суглинках уплотнение происходит только в результате отжима воды из пор грунта – процесс, который протекает длительное время.
Тем более не может не вызывать вопросов практически полностью линейная аппроксимация участков диаграмм (начиная с пятиметровой глубины) зависимостей расчетных сопротивлений R и f_i от глубины расположения сваи в грунте, т. е. φ=const. Это не соответствует многочисленным экспериментальным диаграммам, на которых наблюдается снижение угла трения φ с глубиной.
Данная методика показывает хорошие результаты при расчете свай в песчаных грунтах средней плотности. Она не распространяется на рыхлые пески, плохо оценивает несущую способность слабых глинистых грунтов, не учитывает работу специфических грунтов. Также эта методика имеет ограничения по глубине устройства свай – 35 м, хотя современные требования строительства нередко вынуждают прибегать при проектировании к устройству свайных фундаментов глубиной более 35 м.
Поскольку функциональная зависимость между удельным сопротивлением грунта на боковой поверхности свай и ее длиной в песчаных и глинистых грунтах различна, то остаются вопросы к совмещению значений сопротивлений R и f_i у этих видов грунтов.

Все это вынуждает участников строительного процесса прибегать к натурным методам определения несущей способности свай, даже при строительстве зданий и сооружений пониженных уровней ответственности, что напрямую отражается на показателях эффективности инвестиционных проектов, на их экономичности, на сроках проектирования и строительства.

Расчет свай может выполняться с помощью других методик. В геотехнической практике не плохо зарекомендовали себя методика Р.Л. Нордлунда и методика М. Томлинсона.

Метод М. Томлинсона. Этот широко используемый метод при расчёте несущей способности свай учитывает параметры недренированного сопротивления сдвигу и, кроме этого, допускает, что сопротивление на боковой поверхности сваи не зависит от напряжения при пригрузки кровлей слоя грунта.

Несущая способность боковой поверхности сваи определяется выражением:

определение несущей способности сваи методом Томлинсона

где С_a,i – сцепление в i-м слое; A_s – площадь боковой поверхности сваи в пределах i-го слоя грунта; a_i – эмпирический коэффициент сцепления; C_ui – недренируемое сцепление. Несущая способность нижнего конца (пяты) сваи рассчитывается по формуле:

формула Томлинсона по оценке свай

где q_b – удельное сопротивление основания сваи; A_b – площадь основания сваи; С_u – недренированное сопротивление сдвигу (недренируемое сцепление).

Методика по Р. Л. Нордлунду. Эта методика является полуэмпирической и широко используется в международной практике для расчета несущей способности сваи, расположенной в песчаных грунтах:

формула нордлунда по оценке несущей способоности свайных фундаментов

где К_d – коэффициент бокового давления грунта в i-м слое; С_F – поправочный коэффициент; G_v’ – эффективное напряжение в грунте в i-м слое; d – угол трения между боковой поверхностью сваи и грунтом; N_q’ – эмпирический коэффициент несущей способности; a_t – коэффициент геометрической жесткости сваи.

При проектировании свайных фундаментов и расчете несущей способности свай, определяются такие параметры как количество и плотность расположения свай, их длина и размер поперечного сечения. Одной из важных задач при этом, является выбор несущего слоя грунта. Часто, в процессе проектирования рассматриваются различные материалы свай, различные конфигурации поперечного сечения сваи. Расчет и проектирование свайных фундаментов следует выполнять по единой методике учитывающей конструктивные особенности надземной части здания.

Расчет свай и свайных фундаментов являются наиболее сложным видом геотехнических расчетов. При видимой простоте некоторых методик, уровень их достоверности оставляет желать лучшего. Неправильный расчет и проектирование свай может сказаться и на экономической эффективности, и, самое главное, на надежности здания или сооружения.

<Проект свайного фундамента

Более подробную информацию по расчету свай и разработке документации на устройство свайного фундамента вы можете получить позвонив нам по телефону + 7 (499) 350-23-58, или оставив заявку по форме или по электронной почте.