Теория работы свай- стоек и висячих свай (свай трения).

Схематическое изображение висячего фундамента
Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются строители — это слабый грунт. На такой почве довольно трудно заложить надёжное основание даже для небольшого одноэтажного дома, не говоря уже о массивных многоэтажках. Наиболее эффективным выходом из данной ситуации является свайный фундамент. В зависимости от типа опирания на грунт, данная технология подразделяется на две разновидности: сваи стойки и висячие сваи.

По виду взаимодействия с грунтом

Сваи делятся на 2 основных вида: висячие сваи и сваи-стойки. Принципиальная разница между этими видами свай следует из определения и может быть проиллюстрирована следующей картинкой:

Рисунок 483.1. 1 — сваи-стойки, 2 — висячие сваи

Висячие сваи

Сюда относятся все виды свай, которые опираются на сжимаемые грунты и при этом передают нагрузку на грунты основания боковой поверхностью (за счет сил трения, на рисунке 483.1 обозначены как т — касательные напряжения, возникающие в грунтах) и нижним концом (сжатие по площади на нижнем конце сваи, на рисунке 483.1 обозначены как σ — нормальные напряжения, возникающие в грунтах).

К сжимаемым грунтам относятся глины от текучей до полутвердой консистенции, суглинки, супеси и пески.

Примечание: При расчете висячих свай следует учитывать влияние отрицательных сил трения (если таковые имеются), уменьшающих несущую способность свай. Отрицательными (негативными) силами трения называются силы, которые возникают на боковой поверхности свай при осадке околосвайного грунта. Отрицательные силы трения направлены вертикально вниз.

В свою очередь в пучинистых грунтах в зимнее время в результате пучения из-за промерзания грунта на боковой поверхности висячих свай могут возникать положительные силы трения, т.е. направленные вверх. Эти силы как бы пытаются выдавить сваи на поверхность. С одной стороны это приводит к повышению несущей способности висячих свай в зимнее время. А с другой стороны в материале свай кроме сжимающих могут возникнуть и растягивающие нормальные напряжения. Соответственно материал таких свай следует проверять расчетом на действие подобных растягивающих напряжений. Для восприятия этих растягивающих напряжений в ж/б сваях используется соответствующая арматура.

Сваи-стойки

Сюда относятся все виды свай, которые опираются на скальные грунты, а кроме того забивные сваи, опирающиеся на малосжимаемые грунты.

К малосжимаемым грунтам относят крупнообломочные грунты с плотным или средней плотности песчаным заполнителем, а также твердые глины, имеющие модуль деформации Е > 50 МПа (500 кг·с/см2) в водонасыщенном состоянии.

Модуль деформации грунта Е отличается от модуля упругости Е, тем, что при определении его значения учитываются не только упругие, но и пластические (остаточные) деформации.

Примечание: При расчете несущей способности по грунту основания свай-стоек силы сопротивления грунтов (силы трения на боковой поверхности) не учитываются, так как опирание на скальные (практически несжимаемые) грунты минимизирует вероятность осадки свай-стоек, а значит и силам трения на боковой поверхности, появляющимся при проседании висячих свай, взяться неоткуда. Исключение составляют все те же отрицательные сил трения. Они, если есть, при расчетах учитываются, так как снижают несущую способность свай.

Принцип устройства висячих свай

Висячие конструкции применяют в работе с прочными пластами грунта, залегающего на большой глубине. Задача таких опор — пройти сквозь толщу слабой почвы и закрепиться нижним концом в прочном грунтовом слое. Достижение поставленной цели возможно только при грамотном расчете длины висячей сваи, который учитывает следующие показатели:

1. Плотность материала, из которого она состоит.
2. Рабочая длина.
3. Характеристика особенностей грунта: подвижность, рыхлость, насыщенность влагой.
4. Расчетная нагрузка будущей постройки: чем больше её значение, тем глубже должна быть установлена висячая свая.

По форме

В зависимости от геометрии продольного, поперечного сечения и нижнего конца сваи принято различать

По форме поперечного сечения

Сплошные сваи прямоугольного (1), квадратного (2), круглого (3), таврового (4) и двутаврового (5) сечений, а также полые круглого (6) сечения (трубы, оболочки) и квадратные с круглой полостью (7).

Рисунок 484.2. Геометрия поперечных сечений свай.

Сваи-оболочки от свай-труб отличаются относительно большим наружным диаметром и относительно малой толщиной стенок сваи по сравнению с наружным диаметром. Соответственно устраиваются сваи-оболочки в грунтах с очень низкой несущей способностью, а такая форма свай позволяет экономить значительное количество материала.

По форме продольного сечения

Сваи постоянного по длине сечения: цилиндрические (1), призматические (2) и сваи с наклонными боковыми гранями: ромбовидные (3), пирамидальные (4), трапецеидальные (5).

Рисунок 484.3. Геометрия продольных сечений свай

По конструкции нижнего конца

Сваи с плоским нижним концом (рис. 483.1.1), с заостренным нижним концом (рис.483.3.2), полые с открытым (1) или закрытым (2) нижним концом, булавовидные с плоским или объемным уширением (3), с камуфлетной пятой (4), винтовые (5).

Рисунок 484.4. Конструкции нижнего конца свай.

Примечание: в нормативных документах классификация по форме дается только для забивных свай (само собой винтовые сваи к ним не относятся). Однако такой подход мне кажется не совсем верным, поэтому я выделил геометрию свай в отдельную категорию.

Область применения

Используется висячая технология при возведении зданий самой различной массы и этажности – от небольших малоэтажных строений, до больших заводских цехов и многоквартирных домов. Выбор висячего или стоечного фундамента производится ещё на стадии проектирования здания в зависимости от геологических условий и конструктивных особенностей постройки. Перед этим в обязательном порядке производятся предварительные геодезические исследования, цель которых – определение показателей плотности грунта и глубины залегания твёрдых пород.

Особое внимание следует уделить возможности подвижек слабой почвы в результате сезонных или тектонических воздействий – замерзания и таяния, землетрясений, селей и оползней. Данные характеристики могут стать противопоказаниями к использованию при строительстве висячей технологии.

Не рекомендуется использования висячих свай на грунтах, сложенных илистыми и болотными осадками, торфяниках, а также на искусственных насыпях. Категорически запрещается монтаж висячих фундаментов на слабых поверхностях, имеющих уклон к горизонту, из-за высокой вероятности оползней.

Бетонные монолитные сваи

Погружаемые в грунт без выемки грунта

Сюда относятся:

Забивные

Сваи всех видов для заглубления в грунт которых используются молоты, вибропогружатели, вибровдавливающие или вдавливающие устройства.

Другими словами забивные сваи погружаются в грунт под воздействием ударной, вибрационной или динамической нагрузки, соответственно материал забивных свай должен рассчитываться на воздействие таких нагрузок.

Кроме того забивные железобетонные сваи диаметром ≤ 80 см и сваи-оболочки диаметром ≥ 100 см дополнительно подразделяются

По способу армирования

На сваи с ненапрягаемой и предварительно напряженной продольной арматурой вне зависимости от наличия поперечного армирования.

По конструктивным особенностям

На сваи цельные и составные (из нескольких секций).

Примечание: К забивным сваям также относят железобетонные сваи-оболочки, погружаемые в грунт вибропогружателями без выемки или с частичной выемкой грунта и не заполняемые бетонной смесью.

Классификация забивных свай по геометрическим признакам приводилась выше в отдельной категории.

Набивные

Сюда относят бетонные и железобетонные сваи, устраиваемые путем укладки в скважины бетонной смеси. Для образования скважин грунт принудительно отжимают (вытесняют).

В свою очередь набивные сваи

по способу устройства

подразделяют на

Набивные, устраиваемые с использованием инвентарных труб

Нижний конец труб у таких свай при погружении в грунт закрыт бетонной пробкой или оставляемым в грунте башмаком. По мере заполнения скважин бетонной смесью трубы извлекаются.

Набивные, виброштампованные

Такие сваи делаются путем заполнения жесткой бетонной смесью пробитых скважин. Бетонную смесь уплотняют виброштампом в виде трубы с нижним заостренным концом. Ну трубу крепится вибропогружатель.

Набивные в выштампованном ложе

В грунте производится выштамповка скважин конусной или пирамидальной формы, после чего скважины заполняются бетонной смесью.

Винтовые

Сваи со стальным или железобетонным корпусом (стволом) с лопастью (или лопастями) на конце (рис. 484.4.5), погружаемые в грунт завинчиванием, иногда в сочетании с вдавливанием.

Винтовые сваи относятся к висячим. Одно из главных достоинств винтовых свай — это значительное уширение площади сечения на конце свай, образуемое лопастью или лопастями, которое не только увеличивает несущую способность свай при относительно малом диаметре, но также препятствует выдергиванию свай. Потому винтовые сваи раньше использовались в основном для устройства фундаментов, которым передаются значительные выдергивающие силы. В настоящее время винтовые стальные сваи очень часто используются при возведении небольших частных домов.

При расчете винтовых свай следует учитывать крутящий момент, возникающий при завинчивании.

Монтаж висячих опор на готовом фундаменте

Иногда возникает ситуация, когда эксплуатируемый фундамент требует укрепления. В этом случае используется технология буронабивных висячих свай. В фундаменте или вплотную к основанию при этом шагом в 2 м в почве проделываются отверстия. Их глубина должна быть больше линии залегания основных свай, если работать предстоит с двойным основанием. Разница между этими значениями может достигать 2,5 м.

Пробуренные отверстия должны располагаться в свайных промежутках или около старых опор. Если укрепления требует плитный фундамент, то бурение осуществляется по всему периметру плиты. При этом плита сверлится насквозь. Так как фундаментная опора располагается внизу цокольного этажа или в подвале, работы производятся там.

На следующем этапе производится уплотнение почвы под воздействием давления. В шахты заливается бетонный раствор. Рекомендуется применять бетононасос, так как с его помощью можно получить нужное давление смеси. Это позволяет укрепить готовый фундамент любого типа. Такой метод имеет некоторые преимущества. Например, земляные работы минимальны. Сложные манипуляции исключены. Сама технология позволяет получить свайное основание буронабивного типа. Используется бетононасос и бурильная установка. Грунт уплотняется под высоким давлением, благодаря этому возрастает сила трения между сваей и почвой.

Если проводить сравнение с традиционной забивной опорой, описываемая позволяет получить опору, которая удерживается в земле надежнее. Такая технология позволяет укрепить готовый фундамент, если он начал проседать или разрушаться. Однако есть и минусы. Один из них заключается в том, что монтаж сваи такого типа выполнить довольно сложно. Это особенно верно, если у вас нет специальной техники.

Устраиваемые с выемкой грунта

Сюда относятся

Буровые

Железобетонные сваи, устраиваемые в грунте путем установки готовых железобетонных элементов в пробуренные скважины или заполнением скважин бетонной смесью. В малоэтажном частном строительстве — это самый распространенный вид свай.

В свою очередь буровые сваи

по способу устройства

подразделяют на

Буронабивные сплошного сечения

Для устройства таких свай бурятся скважины. Стенки скважин не крепятся, если скважины пробурены в пылевато-глинистых грунтах выше уровня грунтовых вод. При бурении скважин ниже уровня грунтовых вод в любых грунтах стенки скважин закрепляются глинистым раствором или инвентарными обсадными трубами, извлекаемыми после устройства скважин. Затем скважины заполняются бетонной смесью. На конце свай может быть уширение.

Буронабивные полые

Сваи круглого сечения, устраиваемые с использованием многосекционного вибросердечника.

Буронабивные с уплотненным забоем

Перед заливкой бетонной смеси в забой скважины втрамбовывается щебень для повышения несущей способности грунта.

Буронабивные с камуфлетной пятой

После бурения на дне скважины производится взрыв, приводящий к образованию камуфлетной пяты. В результате увеличивается площадь основания будущей сваи, а также уплотняется грунт в области взрыва. Все это приводит к значительному повышению несущей способности грунта. Затем скважины заполняются бетонной смесью.

Буроопускные с камуфлетной пятой

Отличие буроопускных свай с камуфлетной пятой от буронабивных в том, что после взрыва в скважину опускаются готовые железобетонные сваи, а не бетонная смесь.

Буроинъекционные

Сваи малого диаметра (15-25 см) устаиваются нагнетанием (инъекцией) в пробуренные скважины мелкозернистой бетонной смеси или цементно-песчаного раствора.

В последнее время буроинъекционные сваи получили большое распространение в малоэтажном частном строительстве. Их еще называют микросваями.

Буроопускные сваи-столбы диаметром или со сторонами ≥ 80 см

После бурения в скважины укладывается омоноличивающий цементно-песчаный раствор. Затем в скважину опускаются призматические или цилиндрические элементы сплошного сечения

Вибропогружные

Железобетонные сваи-оболочки, погружаемые в грунт с выемкой грунта и полностью или частично заполняемые бетонной смесью.

При устройстве свай без выемки грунта или с частичной выемкой физические свойства основания в результате уплотнения могут значительно изменяться. При устройстве свай с выемкой грунта физические свойства основания как правило изменяются не значительно и это тоже необходимо учитывать при расчете свай и оснований под сваями.

Принцип устройства свайной стойки

Принцип устройства свайной стойки
Свая стойка — это конструкция длиной до 20 м., которая проходит через неустойчивые слои почвы и закрепляется в твердом покрытии на глубине от 0,5 метров и более. В отличие от висячей, данная опора предотвращает постепенную осадку здания, оказывая нагрузку на прочный грунт не всем своим телом, а за счет нижней части. Сваи стойки широко применяются для прокладки трубопроводов и в масштабном промышленном строительстве. Такие опоры также можно использовать в районах с непредсказуемой сейсмической активностью. Для расчета оптимальной длины сваи стойки ориентируются на следующие показатели:

• прочность грунта;
• способность твердого основания нести массу будущей постройки;
• материал изготовления сваи стойки.

Расчет сваи

Расчет висячей сваи осуществляется по формуле: P = km (RH × F + u∑f ⁿili). Опоры могут иметь разные сечения:

• квадратное;
• прямоугольное;
• круглое.

При определении главных параметров используются следующие величины: k — это коэффициент однородности почвы. F — это площадь упора, которая принимается по площади поперечного сечения. Сопротивление нижележащий почвы — это RH. Для глинистого грунта средней консистенции это значение равно 0,3 тонны на квадратный метр. Здесь следует соблюсти глубину забивки в 5 м.

Коэффициент условий работы обозначается буквой m. Толщина слоя почвы по бокам сваи в метрах обозначается в формуле буквами li. Нормативное сопротивление — f ⁿi. Периметр сечения опоры в метрах обозначается буквой u.

Основные требования к материалу свайных фундаментов

1.1. Железобетонные сваи следует изготавливать из тяжелого бетона. Для буровых и набивных свай следует использовать бетон класса ≥ В15. Если длина указанных типов свай менее 3.5 м, то при соответствующем обосновании допускается использовать бетон класса ≥ В7.5.

1.2. Железобетонные ростверки свайных фундаментов следует изготавливать из тяжелого бетона класса ≥ В12.5 — для монолитных ростверков и класса ≥ В15 — для сборных ростверков.

1.3. Марки бетона по водонепроницаемости и морозостойкости следует принимать согласно требованиям ГОСТа 19804.0-78, а также СНиПа 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции».

Примечание: По поводу минимально допустимого диаметра сечения продольной арматуры железобетонных свай в нормативных документах прямо ничего не сказано. Поэтому, на мой взгляд, в подобных случаях можно руководствоваться или общими конструктивными требованиями для сжатых ж/б элементов конструкций, согласно которым диаметр продольной арматуры должен составлять не менее 12 мм. Или вообще не обращать на подобные требования никакого внимания, а принимать сечение арматуры согласно расчету. Все-таки свая практически полностью находящаяся в грунте — это не совсем колонна, поэтому и возможны бетонные и бутобетонные сваи, никакого армирования не имеющие.

Источник: furnilux.ru