Прежде чем начать реставрацию, капитальный ремонт, реконструкцию объекта, возведение надстройки, часто необходимо техническое обследование фундамента: выдержит ли он возросшее давление здания. В рамках этой процедуры определяют несущую способность свай. Это максимальная нагрузка, которую гарантированно выдержат погруженные в грунт сваи, при этом не погнувшись и не треснув.
Фундаменты свайного типа обеспечивают повышенную надежность сооружений, то есть в меньшей степени подвергаются неравномерным деформациям. Это особенно важно при неблагоприятных геологических и инженерных условиях: при слабом грунте, сейсмической активности, заболоченности участка, при суровом климате (вечной мерзлоте и т. д.).
Поэтому правильный расчет несущей способности свай очень важен. В случае ошибки:
- при проектировании выбираются сваи с избыточным запасом прочности, что повышает стоимость возведения объекта на каждом следующем этапе;
- фундамент построенного по неверным расчетам здания закономерно не выдерживает нагрузки, что приводит к разрушениям здания и авариям.
В результате — убытки из-за перерасхода на строительство, а также административные штрафы и выплаты компенсаций в порядке гражданской ответственности.
Способы определения несущей способности свай
Со временем в процессе эксплуатации напряжение и нагрузки на фундамент будут возрастать. С учетом этого фактора для расчета применяют комплексные методы, основанные на понимании взаимодействия свайного фундамента и грунтового массива.
Различают теоретические методы (расчет по физико-техническим свойствам материала свай) и экспериментальные (испытания по грунту на рабочем объекте). Теоретические расчеты проводят по методике свода правил СП 24.13330.2011 и по двум авторским: М. Томлинсона и Р. Л. Нордлунда. При этом выполняют серию расчетов, а их результаты затем сопоставляют с итогами экспериментальных испытаний. Это позволяет добиться максимальной точности оценки, потому что ошибка может привести:
- к закладыванию в проекте прочности свай, избыточной на 40 %и более;
- только непосредственным (строительным) перерасходам порядка 35–45 %;
- затягиванию строительства на неопределенный срок.
Комплексное определение несущей способности свай (и по материалу, и по грунту) обеспечивает рациональный подбор прочности и экономию средств на каждом этапе.
Теоретические методики расчета несущей способности свай
По своду правил СП 24.13330.2011
Эта методика исключительно эмпирическая. Несущая способность по ней определяется как сумма расчетных сопротивлений грунта на боковой поверхности сваи и под ее нижним концом. Параметр обозначается Fd и вычисляется по формуле:
Fd = γc(γcRRA + uΣγcffihi), где
- γc — совокупный показатель (коэффициент) рабочих условий;
- γcR — поправочный показатель сопротивления грунта под опорной подошвой;
- R — само сопротивление грунта под опорной подошвой сваи;
- A — диаметр соответствующей опорной подошвы;
- u — периметр поперечного сечения свайного столба;
- γcf — показатель рабочих условий грунта на боковых стенках сваи;
- fi — сопротивление грунта по боковым стенкам;
- hi — длина боковых поверхностей сваи.
Исследования показали, что диаграммы, построенные на расчетах по этой методике, содержат значительные участки линейной зависимости: несущая способность растет равномерно с увеличением глубины. В действительности такой зависимости нет.
Исследования также определили следующие ограничения методики СП 24.13330.2011:
- расчеты не учитывают параметры грунта: напряженно-деформированное состояние массива, историю его формирования, механические свойства;
- диаграммы, построенные по экспериментально полученным данным, демонстрируют снижение угла трения по мере увеличения глубины.
Методика эффективна при расчете свайных фундаментов для песчаных грунтов средней плотности, но ее не следует применять для слабых глинистых грунтов, рыхлых песков, ряда специфических типов почв с низкой плотностью.
По методике Р. Л. Нордлунда
Этот полуэмпирический подход к определению несущей способности свай. Он особенно удачен для песчаных грунтов и широко применяется в мировой практике. Искомый параметр обозначается буквой R и вычисляется по формуле:
- K — показатель бокового давления грунта в данном слое;
- CF — поправочный коэффициент;
- G’v — эффективное напряжение грунта данного слоя;
- δ — угол трения между слоем почвы и боковой стороной сваи;
- αt — показатель геометрической жесткости сваи;
- Nа’ — эмпирический коэффициент (опытный показатель) несущей способности.
Приведена расшифровка обозначений только по третьей (последней) части формулы.
По методике М. Томлинсона
Еще один широко распространенный способ расчета. В нем учтены характеристики недренированного сопротивления сдвигу. Методика также допускает отсутствие зависимости бокового сопротивления сваи от напряжения из-за пригрузки кровлей.
Искомый параметр также обозначается Rs и вычисляется по формуле:
- Сa,i — сцепление в данном слое грунта;
- As — площадь боковой поверхности сваи в пределах данного слоя;
- i — эмпирический коэффициент сцепления;
- Cui — недренируемое сцепление сдвигу.
Существуют и другие, менее известные теоретические методики. Экспериментальные способы включают эталонное испытание свай, динамическое и статическое зондирование, некоторые другие приемы и методы.
Сравнение результатов по разным методикам
Теоретические расчеты и экспериментальные испытания дали следующие результаты:
Примечание. Методика Нордлунда обозначена в таблице как RSPile, методика Томлинсона как GEO5.
Из таблицы видно, что методика по СП 24.13330.2011 не учитывает работу значительной части ствола сваи. Причина в том, что свая расположена в слоях органоминеральных грунтов, имеющих специфические физико-технические показатели. Из-за этого боковое сопротивление для таких грунтов не нормируется.
Методика Нордлунда дала наиболее близкий к экспериментальным данным результат. Примечательно, что полевые статические изыскания дают высокие значения несущей способности. Возможная причина — неравномерное распределение внешней нагрузки по свае: их нижние части испытывают большее напряжение, что не учитывается ни одной из рассмотренных выше расчетных методик.
Таким образом, факторы, определяющие несущую способность сваи, порождаются сложным взаимодействием между ее материалом и грунтом. Они обуславливают комплексную работу сваи в слое грунта, которую невозможно в полной мере описать математически. Даже без учета множества дополнительных факторов формулы достаточно громоздкие, а с их учетом сложность расчетов многократно возрастет.
Техническое обследование свайного фундамента
Техническое обследование свайного фундамента необходимо для установления степени износа свайного фундамента и его фактического состояния.
Данную процедуру проводят в следующих случаях:
- для установления пригодности объекта к дальнейшей эксплуатации;
- для обоснования стоимость перепланировки, реконструкции, ремонта;
- для оценки видимых дефектов, деформаций, повреждений конструкции;
- при увеличении нагрузки на фундамент, например, в случае надстройки или сложной отделки, если отделочный материал имеет большую массу (лепнина и т. д.);
- при планировании возведения новых сооружений рядом с исследуемым.
Существует ряд других оснований для технического обследования фундамента. О них можно прочитать в материале на нашем сайте.
Содержание технического обследования фундаментов
В процессе технического обследования осуществляют вскрытие головок свай и ростверков для получения доступа к самим сваям. Как правило, проверяют не все сваи сплошняком, а отобранные по специальной методике. Эту группу называют обследовательской партией.
На полевом (выездном) этапе исследований применяют приборы ультразвукового контроля, измерители длины свай (ИДС-1 и другие). С их помощью устанавливают геометрические параметры конструкций. Также выполняют следующие изыскания:
- простой визуальный осмотр с целью выявления видимых повреждений;
- определение всех нагрузок, действующих на свайный фундамент;
- инструментальные испытания разрушающими и неразрушающими методами.
Инструментальные испытания предполагают следующие действия:
- определение прочности армирования посредством неразрушающего контроля;
- оценку соответствия фактических показателей проектной и исполнительной документации (используются методы склерометрии и ультразвукового контроля);
- забор образцов грунтового массива для последующих лабораторных изысканий;
- оценку показателей работы фундамента (надлежащая или с нарушениями).
Лабораторные исследования грунта позволяют установить его химический состав, от которого зависят некоторые важные физико-технические и механические параметры.
На завершающем камеральном этапе на основе всего массива первичных данных с применением специального программного обеспечения рассчитывают несущую способность свай и другие характеристики, значимые для инженерно-технической деятельности. Состав работ и другие условия обследования зданий и сооружений подробно описаны в материале на нашем сайте.
Обследование свайных фундаментов в «Гектар Групп»
Определение несущей способности свай и техническое обследование фундаментов в целом предполагают высокую ответственность и экспертный подход. Реализовать оба принципа могут только опытные специалисты при наличии профессионального оборудования. Небрежность и любая ошибка на любом этапе (подготовительном, полевом или камеральном) приведет к срыву сроков и авариям на объекте. Закономерное следствие — серьезные убытки и утрата доверия клиентов и контрагентов.
Компания «Гектар Групп» работает в сфере инженерно-технических и строительных исследований более десяти лет. У нас есть оборудование, большой штат специалистов с лицензиями и опытом экспертной деятельности не менее 12 лет. Мы не просто проведем изыскания и оформим отчет, но подскажем вам, что на вашем объекте требует особого внимания — с учетом целей обследования и специфики конкретного сооружения. Обратитесь к нам, чтобы получить профессиональную экспертную консультацию.
При написании данного материала был использован материал из научной статьи.