Различные типы строительных свай и разнообразие методов установки рассматривались на канале ранее. Вывод очевиден: каждый тип изделия и метод установки по-разному воздействуют на грунт в точке внедрения. Отмечается влияние на поверхностное трение и торцевое сопротивление. Это влияние на строительные сваи способно увеличить или понизить несущую способность. Поэтому здесь не обойтись без глубокого понимания свайной конструкции и практического метода расчёта несущей способности.
Строительные сваи расчёт + основной подход
Основным подходом для расчёта сопротивления строительных свай сжимающим нагрузкам является «статический» подход (подход механики грунта). Тут явными видятся методы расчёта, основанные на «чистой» теории механики грунтов. Из этой методики следует: поверхностное трение на стволе строительной сваи допустимо определить простой зависимостью.
Речь идёт о зависимости между коэффициентом давления грунта «в состоянии покоя», эффективным давлением вышележащих пород и дренируемым углом сопротивления грунта сдвигу. Однако эти зависимости учитывают, что коэффициент давления грунта следует модифицировать коэффициентом, учитывающим способ установки строительной сваи.
Точно также методы расчёта полагают, что сопротивление крайней опорной точки строительной сваи допустимо рассчитать посредством классической теории механики грунта. Эта теория основана на невозмущённом сопротивлении сдвигу почвы, что окружает свайное основание.
Важным моментом является осадка одной или целого куста свай при рабочей нагрузке. Разработаны методы расчёта этой осадки, основанные на теории упругости и учитывающие передачу нагрузки при поверхностном трении от строительной сваи на грунт.
Забивные и буронабивные строительные сваи различают только при рассмотрении поведения такого типа изделий. Однако при полномасштабном изучении поведения отметились фундаментальные отклонения от классической теории механики грунтов.
Строительные сваи + сложности установки
Установка неизбежно приводит к созданию сложных условий на границе раздела свая-грунт. Эти условия зачастую совершенно не связаны с исходным ненарушенным состоянием грунта или даже с полностью переформованным состоянием. Давление окружающей поровой воды после установки может сильно различаться в течение:
- часов,
- дней,
- месяцев,
- лет.
Отсюда видится нереалистичной простая связь поверхностного трения с эффективным давлением вскрышных пород.
Аналогично при рассмотрении деформаций группы строительных свай под рабочей нагрузкой совершенно бессмысленны любые расчёты передачи нагрузки, основанные на теории упругости, не учитывающие возмущение грунта на нескольких диаметрах вокруг ствола и под подошвой.
Таким образом, подход к расчёту несущей способности на методах механики грунта является по факту эмпирическим, связывающим известное поведение строительной сваи с простыми свойствами грунта. Среди таковых:
- относительная плотность.
- ненарушенная прочность на сдвиг.
Эти свойства допустимо рассматривать как индексные, когда применяются эмпирические коэффициенты для получения единичных значений поверхностного трения и сопротивления торцевых конечных точек. Очевидно, эмпирические методы надёжны для практического проектирования лёгких и умеренно тяжёлых нагрузок наземных или прибрежных морских сооружений.
Как проектировать сильно нагруженные морские сооружения?
Особого рассмотрения требуют более сложные методы проектирования для сильно нагруженных морских сооружений на глубокой воде. Здесь нередко имеет место недостаток информации относительно свойств грунта. Приходится выбирать среди консервативных значений с соответствующим коэффициентом запаса прочности без какой-либо проверки нагрузочными испытаниями.
Или просто использовать методы проектирования, чтобы получить предварительное руководство по диаметру и длине строительной сваи. Затем, основывать на полученных данных, выполнить программу полевых испытаний с нагрузкой до отказа. Такие испытания всегда оправданы при реализации крупномасштабного проекта по забивке строительных свай.
Там, где эффективное давление вышележащих слоёв является важным параметром для расчёта предельной несущей способности строительных свай (например, на сыпучих грунтах), необходимо учитывать влияние повышения уровня грунтовых вод. Тут может быть локальное или общее повышение, например, по причине сезонного разлива крупной реки. Или долгосрочный эффект - значительное общее повышение уровня грунтовых вод.
Строительная свая поведение под нагрузкой
Практика проектирования требует вести расчёты несущей способности на приложении нагрузки в течение относительно короткого времени после установки. Надёжность расчетов здесь оценивается посредством испытания нагрузкой, проводимого повторно через относительно короткий промежуток времени после установки.
Однако необходимо учитывать влияние времени на пропускную способность.
Когда строительная деревянная свая подвергается постепенно возрастающей сжимающей нагрузке с высокой или умеренно высокой скоростью приложения, результирующая кривая стабилизации нагрузки будет меняться.
Первоначально система свая-грунт демонстрирует поведение упругости. До некоторой точки «А» на кривой существует прямая зависимость, и если нагрузку снять на любом этапе до этой точки, головка строительной сваи вернётся к исходному уровню.
Когда же нагрузка увеличивается за пределы точки «А», происходит деформация на границе раздела строительной сваи и грунта или вблизи. Также происходит проскальзывание до момента достижения точки «В», когда мобилизуется максимальное поверхностное трение.
Если на этом этапе нагрузку снять, головка сваи сместится к точке «C». При этом величина «постоянной установки» окажется равной расстоянию между точками «OC».
Перемещение, необходимое для мобилизации максимального поверхностного трения, незначительно и составляет всего лишь порядка 0,3–1% диаметра строительной сваи. Базовое сопротивление требует большего движения вниз для полной мобилизации, а величина движения зависит от диаметра.
Эта величина охватывает диапазон от 10% до 20% диаметра основания. Когда достигается стадия полной мобилизации сопротивления основания, строительная свая погружается вниз без дальнейшего увеличения нагрузки. Или отмечается небольшое увеличение нагрузки с увеличением осадка.
Как определить нагрузку сжатия свайного элемента?
Если в различных точках свайного ствола установить тензо-резисторы, допустимо определить сжимающую нагрузку на каждом уровне. На основе показаний датчиков составляются диаграммы, показывающие передачу нагрузки от элемента в грунт на каждом уровне.
Таким образом, при воздействии в точке «А» практически вся нагрузка переносится за счёт поверхностного трения на ствол. Передача нагрузки на основание практически отсутствует.
Когда нагрузка достигает точки «B», ствол испытывает максимальное поверхностное трение. Основание несёт некоторую нагрузку. В точке «D» дальнейшего увеличения нагрузки, передаваемой при поверхностном трении, не происходит. Однако базовая нагрузка достигнет здесь максимального значения.
Строительные сваи основные формулы расчёта нагрузки
Концепция раздельной оценки трения вала и сопротивления основания лежит в основе всех «статических» расчётов несущей способности строительного свайного элемента. Соответственно, отсюда вытекает базовая формула расчёта:
Qp = Qb + Qs - Wp
где Qp - предельное сопротивление; Qb - предельное сопротивление основания, Qs - предельное сопротивление вала; Wp - вес строительной сваи.
Обычно строительные сваи имеют вес (Wp) малый по сравнению с разрушающей нагрузкой (Qp). Поэтому этот параметр нередко игнорируется при расчётах. Однако вес становится обязателен, если осуществляется сооружение фундаментов на глубокой воде.
Между тем строительной индустрией Западной Европы выведена формула расчёта, которая имеет несколько иной вид. Тут параметр Qp обозначается как расчётная несущая способность свайного элемента. Соответственно:
Qb = Qbk - расчётное базовое сопротивление.
Qs = Qsk - расчётное сопротивление вала.
Эти параметры далее разбиваются и определяются как:
Qbk = qbk * Ab
Qsk * Asi
где: Ab - номинальная площадь основания; Asi - номинальная площадь поверхности в слое грунта; qbk – характеристическое значение сопротивления единицы площади основания; qsik – характеристическое значение сопротивления единицы вала в слое i.
Примеры расчёта нагрузки строительной сваи
Есть сборные железобетонные строительные сваи, предназначенные под конструкцию водного причала. Требования к рабочей нагрузке - 350 кН (на сжатие) и 250 кН (на подъём). Проходка сквозь 7-ми метровый слой мягкой илистой глины в жёсткую глину с валунами. Однородная недренированная прочность на сдвиг 110 кН/м2. Необходимо определить глубину заглубления сборного бетонного элемента размером 350*350 мм.
Для получения требуемой предельной несущей способности достаточно коэффициента запаса прочности - 2. Влияние процесса вбивания через мягкую глину на ограниченное проникновение в жесткую глину видится сомнительным. Но принятие коэффициента запаса прочности 2,5 лишним не будет.
Поверхностное трение в мягкой глине можно игнорировать. Частично из-за эффектов пучения и последующего повторного уплотнения, частично из-за нарушения этого слоя боковыми силами, действующими на конструкцию причала.
Выбранный коэффициент запаса прочности 2,5 требует, чтобы предельная нагрузка при сжатии выдерживалась для жёсткой глины на уровне:
2,5 * 350 = 875 кН;
Сопротивление крайней точки опоры:
9 * 110 * 0,352 = 121 кН;
Соответственно, требуемое сопротивление поверхностному трению при сжатии составит:
875 - 121 = 754 кН;
Для глубины проникновения 7,5 метров в жесткую глину коэффициент сцепления равен 0,65. Следовательно, предельное поверхностное трение составит:
0,65 * 110 * 4 * 0,35 * 7,5 = 751 кН;
Полное предельное сопротивление:
121 + 751 = 872 кН;
Коэффициент запаса прочности при сжимающей нагрузке:
872 / 350 = 2,49 (удовлетворительно);
Коэффициент запаса прочности при подъемной нагрузке:
751 / 250 = 3 (удовлетворительно);
Среднее значение cu = 110 кН/м2. Поскольку эмпирические зависимости между трением вала и значением cu основаны на корреляции испытаний статической нагрузкой, параметр Qsk следует разделить на коэффициент 1,4 (вместо 1,5).
Чтобы учесть возможность того, что параметр cu в основании будет ниже среднего, берется характеристическое значение, равное 0,75 среднего значения. Характеристическое значение делится на коэффициент материала 1,8 (берётся из таблицы). Отсюда:
Базовое характеристическое сопротивление:
Qbk = 9 * 0,75 * 110 * 0,352 / 1,8 * 1,4 = 36 кН;
Характеристическое сопротивление вала:
Qsk = 0,65 * 110 * 4 * 0,35 * 0,75 / 1,4 = 536 кН;
Расчётная несущая способность строительной сваи:
(36 / 1,3) + (536 / 1,3) = 440 кН;