Технология Научные публикации Проектирование

Последнее обновление 16.01.2025

Воздействие сил морозного пучения на разные типы винтовых свай

В статье мы расскажем, для каких свай расчет на действие сил морозного пучения является обязательным.

Время чтения: 8 минут Интересно, но нет времени читать?

Введите ваш e-mail, и мы отправим статью на почту *

Введите код*

Нажимая кнопку «Получить», я подтверждаю свою дееспособность и даю согласие на обработку своих персональных данных в соответствии с условиями

Содержание

Данные для анализа
Конструктивные характеристики свай
Расчет по сваям
- I тип
- II тип
Результаты расчета

Проблемы с эксплуатацией фундамента в районах морозного воздействия на почву возникают после примерзания элементов конструкции к грунту. Общий показатель силы воздействия пучения на фундамент зависит от изменения касательного напряжения при увеличении пятна контакта боковой стороны фундамента с мерзлым грунтом.

Данные изменения происходят по-разному, в зависимости от конструкционных особенностей фундамента и глубины его залегания, значений температуры и влажности, типа грунта, его промерзаемости и пучинистости.

По данным СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений», прочность любого объекта, строящегося на основании, подверженном промерзанию, можно обеспечить, если выполнить необходимые условия:

установление фундамента на такую глубину, при которой не будет происходить значительное действие выталкивающих сил при промерзании;
исследование стойкости фундамента к касательным силам, появляющимся при промерзании грунта и пучении в боковой зоне конструкции фундамента.

Мы попробуем провести сравнение свай двух различных конструкций по такой характеристике,

как стойкость к действию силы пучения грунта и определить,

какой тип свай является наиболее эффективным в таких грунтовых условиях.

Данные для анализа

Грунтовые условия – сильнопучинистый тугопластичный суглинок, имеющий плотность r = 1,95 т/м³.

Модуль общей деформации: E = 2,9 МПа;
Коэффициент относительной поперечной: m = 0,30;
Показатель текучести: JL = 0,31;
Угол внутреннего трения: φ =21;
Удельное сцепление: C = 32 кПа;
Расчетная глубина промерзания: d = 1,7 м.

Конструктивные характеристики свай

В данный момент основными типами конструкций винтовых свай можно считать две.

I тип

– лопастная свая, выполненная из металла – изготавливается из трубы с лопастью, приваренной на конце. Диаметр ствола находится в соотношении с диаметром лопасти, не превышающем его треть.

II тип

– коническая свая со множеством витков в виде одной спирали на острие. Состоит из двух частей, пустых внутри, одна из которых имеет форму цилиндра, другая – конуса.

Для расчета были выбраны сваи данных типов со следующими параметрами:

I тип: длина – 2500 мм, диаметр ствола сваи – 108 мм (0,108 м), диаметр режущей лопасти – 300 мм;
II тип: длина – 2500 мм (2,5 м), диаметр ствола сваи – 114 мм.

Вычисление действующих сил при грунтовом пучении проводят, исходя из требований СП 50-101, где приведена следующая формула:

Воздействие сил морозного пучения на разные типы свай

где:

τ_fh – значение расчетной удельной касательной силы пучения, кПа, τ_fh должно определяться, как правило, опытным путем. При отсутствии опытных данных допускается принимать значения τ_fh в зависимости от вида и характеристик грунта.
A_fh – площадь боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах расчетной глубины сезонного промерзания, м².
F – расчетная постоянная нагрузка, кН, при коэффициенте надежности по нагрузке T_f = 0,9.
F_rf – расчетное значение силы, кН, удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания.
γ_c – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,1.
γ_n – коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1.

В фундаментах, в которых лопасть установлена за глубиной промерзания (I тип), сила F_rf, удерживает от пучения и является значением несущей способности винтовой сваи на выдергивание, на которое необходимо умножить коэффициент запаса (γ_n = 1,4). Показатель силы F_rf, МН (кгс), которая ограждает фундамент (если его несущая способность создается путем работы его боковых поверхностей) от воздействия пучения, выявляется благодаря следующей формуле:

Расчет винтовых свай на стойкость к действию сил морозного пучения

где:

u – периметр сечения поверхности сдвига, м (см), принимаемый равным: для свайных и столбчатых фундаментов без анкерной плиты — периметру сечения фундамента.
h_i – толщина i-го слоя мерзлого или талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя сезонного промерзания-оттаивания, м (см).
f_i – расчетное сопротивление i-го слоя талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, кПа (кгс/см²).

Расчет по сваям

I тип

Свая диаметром ствола 0,108 м, длиной 2,5 м. Установим несущую способность винтовой сваи на выдергивание по СП 50-102 в соответствии с принятыми грунтовыми условиями: F_d0 = γ_c[(α₁c₁ + >α₂ γ₁ h₁)A] = 0,7×[(12,1×32 кПа + 5,5×19,5 кН⁄м³×1,70 ) × 0,07 = 108,31 кН = 10,83 тс F_d/γ_k = 10,83÷1,4 = 7,7 тс. В данной формуле учтем только одно слагаемое, а именно, сопротивление выдергиванию лопасти, погруженной в непромерзший грунт.

Определим τ_fh — расчетное значение удельной касательной силы пучения. Так как грунт относится к сильнопучинистым, нормативное значение удельной касательной силы пучения τ_fhn при глубине до 1,5 м составит 100 кПа. τ_fh = χ k₀ τ_fhn = 0,8×0,8×130 = 83,2 кПа, где:

χ – коэффициент, учитывающий геокриологические условия участка: при сезонном промерзании грунтов в условиях отсутствия или глубокого залегания вечномерзлых пород χ = 0,8, при смыкании промерзающего слоя с вечномерзлыми (или скальными) породами χ = 0,6÷0,7.
k₀ – коэффициент, учитывающий материал и состояние поверхности фундамента в пределах слоя промерзающего грунта.
τ_fhn – значение удельной нормативной касательной силы пучения, МПа (кгс/см²), определяемое в зависимости от степени морозоопасности грунта.
A_fh – расчетная площадь боковой поверхности фундамента, м², находящейся в пределах расчетной глубины слоя сезонного промерзания — оттаивания грунта.

Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1): 83 кПа×0,57 м² = 47,84 кН = 4,8 тс — вертикальная выдергивающая сила F_d/γ_k = 7,7 > 4,8 тс. Условие по устойчивости выполняется.

II тип

Свая конической формы диаметром 0,114 м и длиной 2,5 м. Гео- метрические данные, которые понадобятся в расчетах:

длина цилиндрической части — 0,55 м;
диаметр цилиндрической части – 0,114 м;
периметр цилиндрической части — 0,358 м;
длина конической части — 1,45 м;
приведенный диаметр конической части — 0,114⁄2 = 0,057 м;
расчетный периметр конической части — 0,358⁄2 = 0,1797 м.

Расчетное значение силы F_r, f, МН (кгс), удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его поверхности с непромерзшим грунтом, определяется по формуле (2): F_r = 30 кПа×2 м×0,17 = 10,2 кН = 1,02 тс. Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1): 83 кПа×0,45 м² = 37,35 кН = 3,74 тс — вертикальная выдергивающая сила. Условие не выполняется.

Результаты расчета

Лопастная винтовая свая в морозном или пучинистом грунте (I тип) не испытывает силы пучения и влияния промораживания/оттаивания и является устойчивым элементом фундамента.
Винтовые сваи с многовитковым наконечником (II тип) не являются устойчивыми к воздействию касательных сил при морозном пучении. Для фундаментов с применением свай такого типа необходимо выполнять условие отсутствия остаточного принципа деформации грунта при пучении.

Автор статьи: Глазачев Антон Олегович, Хабиров Ришат Мавлитянович

Узнайте стоимость будущего фундамента

Калькулятор фундамента