3.3 Определение несущей способности сваи

Расчет фундамента — ответственный этап проектирования. Если при его выполнении допустить ошибку, то можно не правильно задать шаг свай или их сечение. Ошибки приводят к снижению надежности опор под знание и возникновению вероятности сильной усадки или крена строения, вследствие которых образуются трещины и повреждения основных строительных конструкций здания. Одним из самых важных характеристик свайно-винтового фундамента (как и любого другого) является его несущая способность.

Определение несущей способности сваи по материалу

Расчетное сопротивление (несущая способность) сваи по материалу определяется по следующей формуле:

, (3.1)

где — ко­эффициент условий работы ( = 0,9 при размере поперечного сечения свай < 20 см и = 1 при ≥ 20 см), принимаем =1;

— коэффициент, учитывающий особенности загружения (для свай, полностью на­ходящихся в грунте, = 1);

— расчетное сопротивление бе­тона при осевом сжатии (табл. 19), =11500 кПа;

— расчетное сопротив­ление арматуры сжатию (), = 210000 кПа;

— площадь поперечного сечения сваи, = 0,04 м2;

— площадь поперечного сечения арматуры, = 4,52∙10-4 м2.

Таблица 19

Класс бетона

В20

В25

В30

В35

В40

Расчетное сопротивление бетона (призменная прочность), кПа

11500

14500

17000

19500

22000

Таблица 20

Марка сваи

Длина сваи, м

Сечение сваи, см

Марка бетона

Класс сваи, т

Продольная арматура А-1

С3-20

С3-30

3

20×20

30×30

В20

В20

0,33

0,70

412

С3,5-20

С3,5-30

3,5

20×20

30×30

В20

В20

0,38

0,83

412

С4-20

С4-30

4

20×20

30×30

В20

В20

0,43

0,93

412

С4,5-20

С4,5-25

С4,5-30

4,5

20×20

25×25

30×30

В20

В20

В20

0,48

0,73

0,93

412

С5-20

5

20×20

В20

0,53

412

С5-25

С5-30

5,3

25×25

30×30

В20

В20

0,80

1,15

412

С5,5-20

С5,5-25

С5,5-30

5,3

20×20

25×25

30×30

В20

В20

В20

0,58

0,88

1,28

412

С6-20

С6-25

С6-30

6

20×20

25×25

30×30

В20

В20

В20

0,63

0,95

1,38

412

С7-30

7

30×30

В20

1,60

412

С8-30

С8-35

8

30×30

35×35

В25

В25

1,83

2,50

412

С9-30

С9-35

9

30×30

35×35

В25

В25

2,05

2,80

412

С10-30

С10-35

10

30×30

35×35

В25

В25

2,28

3,10

412

С11-30

С11-35

11

30×30

35×35

В25

В25

2,50

3,43

416

С12-30

С12-35

12

30×30

35×35

В25

В25

2,73

3,73

416

С13-35

С13-40

13

35×35

40×40

В30

В30

4,03

5,25

416

С14-35

С14-40

14

35×35

40×40

В30

В30

4,33

5,65

416

С15-35

С15-40

15

35×35

40×40

В30

В30

4,65

6,05

416

С16-35

С16-40

16

35×35

40×40

В30

В30

4,95

6,45

416

Таблица 21

Расчетное сопротивление арматуры для предельных состояний первой группы, кПа

Стержневая

растяжению

арматура

продольной и попереч-

поперечной при рас-

сжатию,

класса

ной при расчете на мо­мент

чете на поперечную силу

A-I

210000

170000

210000

A-II

270000

215000

270000

A-III

340000

270000

340000

кН.

Диаметр изделия и нагрузка

Играют большую роль в выборе материала для возведения планируемого сооружения. От размера винтовой сваи для фундамента и величины оголовка зависит прочность материала, а соответственно надежность и долговечность фундамента в целом. Размеры оголовка пропорциональны диаметру трубы. Примеры соотношения:

  • 150*150*3 мм – 76 мм;
  • 150*150*4 мм – 89 мм;
  • 200*200*5 мм – 108 мм.

Винтовые сваи диаметром 57 мм

Такие элементы выдерживают максимальный вес до 800 кг. Винтовые сваи данного размера можно применять на увлажненном и подвижном грунте. Они подойдут для возведения заборов из металлической и пластиковой сетки. Иногда их используют в качестве фундамента при строительстве беседок и гаражей, имеющих легкую облицовку.

Читайте также:  Ленточный мелкозаглубленный фундамент по снипам в разрезе

Винтовые сваи диаметром 89 мм

Несущая способность изделий составляет 1,4 тонны. Их используют при возведении загородных домов небольшой этажности, гаражей, беседок, бань, монументальных заборов. Хорошо переносят зоны водоемов и подземных источников. Имеют отличное сцепление с грунтом. Выдерживают большие нагрузки. Фундамент на винтовых сваях данного размера не подвержен вспучиванию. Винтовые сваи данного диаметра подойдут для реставрации самых разнообразных построек. Станут надежной опорой при возведении пирсов и причалов.

Винтовые сваи диаметром 108 мм

Несущая способность изделий, имеющих такие размеры, составляет 3,5 тонны. Подойдут для возведения щитовых конструкций, бревенчатых домов, бань и строений из бруса. Используются для застройки складских помещений, технических объектов и платформ. Монтаж винтовых свай и всего фундамента осуществляется при помощи спецтехники. Вручную провести правильный монтаж не представляется возможным.

Винтовые сваи диаметром 133 мм

Несущая способность изделий достигает 6 тонн. Они подойдут для реализации самых разнообразных проектов на любом грунте. Винтовой фундамент хорошо выдержит конструкции из бетонных блоков, кирпича, а также монолитные сооружения. Сваи данного размера обладают максимальной прочностью и устойчивостью. Имеют большой срок службы. Монтаж фундамента можно проводить при любой погоде при наличии спецтехники.

Пример упрощенного расчета

Исходные данные для расчета фундамента под двухэтажный брусовой дом с размерами в плане 6 на 6 метров:

  • грунты на участке — глина;
  • диаметр используемых свай — 133 мм, диаметр лопасти — 350 мм;
  • масса дома, полученная в результате сбора нагрузок от стен, перегородок, перекрытий, полезного и снегового нагружения — 59 тонн.
  • периметр наружных стен — 24 м, внутренних несущих стен нет.

Сначала находится прочность грунта основания. Воспользовавшись приведенной ранее таблицей находим, что для имеющегося типа почвы она составляет 6,0 кг/см². Коэффициент надежности по нагрузке принимаем 1,75 (для обеспечения запаса по надежности). Остается вычислить площадь лепестковой подошвы:

S = (πD²)/4 = 3,14*352/4 = 961,6 см² (значение диаметра лопасти в расчет берется в сантиметрах).

Находим неоптимизированную несущую способность:

F = S*Rо = 961,6*6,0 = 5770 кг.

Вычисляем допустимую нагрузку:

N = F/γk = 5770/1,75 = 3279 кг ≈ 3,3 т.

Для дальнейшего расчета определяем минимальное количество свай, которые способны удержать данный дом:

59 т/3,3т = 17,87 шт, округляем до целых в большую сторону и принимаем в дальнейший расчет 18 шт.

Чтобы завершить вычисления для возведения фундаментов, нужно определить шаг между сваями. Для этого длину стен дома делят на количество опорных элементов:

24 м/18 шт = 1,33 м — максимальный шаг фундаментов.

Получилось довольно большое количество свай для такого небольшого дома, т.к. мы приняли что геологические изыскания не проводились, и пришлось принять γk = 1,75, если провести исследования хотя бы пробным вкручиванием (эталонным), тогда количество свай можно снизить до 12-13 штук, а это существенная экономия. В каждом случае нужно считать что обойдется дешевле — геологические изыскания или самостоятельный расчет и перестраховка по несущей способности.

Определение максимальной нагрузки на сваю — только часть вычислений для проектирования. Как показано выше, на этом расчет не заканчивается. Окончательными результатами вычислений должны стать следующие данные для свай:

  • сечение;
  • длина;
  • шаг;
  • распределение под несущими стенами.

Дополнительно рекомендуем прочитать статью: Расчет количества винтовых свай для фундамента.

Винтовые сваи в плане

При условии правильно расставленных опор, нагрузка равномерно распределится под постройкой, что значительно снизит риск просадки. Отдельное внимание нужно уделить постройке со сложной геометрией в плане.

Располагают сваи на одинаковом расстоянии по длине стены. Они обязательно должны быть в зонах сочленения несущих стен, под ответственными узлами, по углам внутренним или внешним. Если это каркасное строение, то установка свай обязательна под столбами. При расчете расстояния между металлическими опорами можно воспользоваться простым способом. На бумаге чертят прямоугольник, соответствующий плану дома.

Читайте также:  Вентиляция подвала частного дома — устройство и монтаж

Линии геометрической фигуры должны соответствовать стенам здания — внешним и несущим. С целью равномерного распределения нагрузки на основание, линии следует разделить на одинаковые части длиной 1,5-3 м. Места, где должны находиться винтовые сваи — точки деления.

Схему с сохранением масштаба переносят на стройплощадку и при помощи нитей выполняют условную разметку стен. Места нахождения винтовых свай отмечают колышками.

Исходя из расположения в плане, выделяют 4 типа схем расположения свай:

1. Одиночная. Опоры расположены в углах, под несущими стенами. 2. Свайная лента. Расположение под несущими стенами с укороченным шагом вплоть до 0,5 м. Такой фундамент позволяет выдерживать и равномерно рассредоточивать большие нагрузки. 3. Свайный куст. Опоры находятся под групповыми, массивными индивидуальными конструкциями, под тяжелым оборудованием. Размер шага в этом случае не играет роли. Сваи могут быть установлены в каком угодно порядке. Важно, чтобы они присутствовали по всему периметру. 4. Свайное поле. Сваями заполнена площадь под плитой фундамента. Шаг составляет приблизительно 1 м. Этот вариант подходит для слабых грунтов и массивных объектов.

Первые две схемы наиболее часто используют для возведения частных домов и легких строений. Экспериментальным и практическим путем было определено оптимальное расстояние между сваями, оно равно 2 м. Подходит это для всех видов и размеров опорных конструкций, которые применяют в индивидуальном строительстве.

Такая величина не может быть универсальной для любого случая. Проекты должны рассчитываться применительно к индивидуальным обстоятельствам.

Расчет параметров винтового фундамента — процесс непростой. В каждом индивидуальном случае есть свои нюансы. Выработать общие правила сложно, поскольку существует множество факторов влияния. Решать эту проблему должны профессионалы. У них есть опыт, соответствующие навыки.

Подготовка к расчету

Конструкция буронабивных свай

Исходные данные, которые понадобятся для расчета несущей способности буронабивной сваи, получают в итоге проведения геологических изысканий и подсчета общей предполагаемой нагрузки здания. Это обязательные этапы расчета, проведение которых обосновано теорией расчета прочностных характеристик буронабивных фундаментов.

Такие показатели как глубина промерзания, уровень залегания грунтовых вод, разновидность грунта и его механические характеристики очень важны для получения точного результата. Информация о глубине промерзании грунта находится в СНиП *, данные разделены по климатическим районам, представлены картографически и в виде таблиц.

Расчет массы постройки ведут с учетом климатического района, расположения здания относительно румба ветров, среднего количества осадков в зимний период, массы строительных конструкций и оборудования. Этот показатель наиболее значим при проектировании фундамента – данные для проведения этой части расчета, а также схему и расчетные формулы можно найти в СНиП

Проведение геологии

Шурф для проведения геологических изысканий

Проведение геологических изысканий ответственное мероприятие и в массовом поточном строительстве этим занимаются специалисты-геологи. В индивидуальном жилищном строительстве часто проводят самостоятельную оценку состояния грунтов. Не имея опыта проведения изысканий такого уровня очень сложно оценить реальное положение вещей. Работа грамотного специалиста по большей части заключается в визуальной оценке состояния напластований.

Для начала на участке устраивают шуфры – вертикальные выработки грунта прямоугольного или круглого сечения, глубиной от двух метров и шириной достаточной для визуального осмотра основания стенок ямы. Назначение шуфров – раскрытие почвы с целью осуществления доступа к напластованиям, скрытым под верхним слоем грунта. Геологи измеряет глубину пластов, берет пробу грунта из середины каждого слоя, а также впоследствии наблюдает за накоплением воды на дне забоя. Вместо шуфров могут устраиваться круглые скважины, из которых с помощью специального устройства вынимают керн или берут локальные пробы.

Читайте также:  Как залить фундамент под старый деревянный дом своими руками?

Все полученные данные заносятся в сводную того, составляется профиль сечения грунта, который позволяет предугадать состояние грунтов в точках, где бурение не производилось. При самостоятельной оценке оснований следует руководствоваться сведениями, представленными в СНиП * и ГОСТ 25100-2011, где в соответствующих разделах представлены классификации грунтов с описаниями, методы визуального определения типов грунта и характеристики в соответствии с типами.

Выбор оптимального количества опор по параметрам допустимого сечения

Условный расчет количества свай в фундаменте

Минимальное количество опор для фундаментов с низким ростверком можно посчитать по формуле:

n = KN’I Y k\ F d

Где k – коэффициент, составляет 1,4;  N’I − вертикальная нагрузка на фундамент со стороны здания;  Fd – несущая способность опоры;  Y k – коэффициент надежности, составляет 1,4.

После расчета минимально необходимого количества опор можно начинать делать эскизный проект будущего основания. Расстояние между опорами принимают до 1,5 метра, их обязательно нужно устанавливать на углах пересечения несущих стен и в точках наиболее высокой нагрузки на грунт. Объем строительных материалов рассчитывается индивидуально, исходя из местных условий и характеристик опор.

Предварительное распределение свай по минимальной площади нижней кромки ростверка рассчитывается так:

Выбор оптимального количества опор по параметрам допустимого сечения

A min = (bo + 2c)(ao + 2c)

Тут параметры a, b – это ширина и длина опоры, а с – ширина обреза, той части опоры, которая отрезается при выравнивании фундамента по горизонтальной плоскости.

Если полученная площадь окажется недостаточной для размещения свай, тогда будет необходимо увеличить размеры подошвы и, соответственно, ее объем. Если и увеличение не дает необходимых параметров нагрузки на грунт, тогда проектировщики увеличивают длину сваи, ее диаметр, количество или объем используемых строительных материалов.

В некоторых случаях целесообразно комбинировать сразу несколько видов свай или увеличивать объем подошвы за счет устройства свайного поля. Его рекомендуется устраивать в тех случаях, когда на единицу площади грунта оказывается значительная нагрузка со стороны здания. Как правило, такие поля монтируют в бетонные стаканы, объем необходимых строительных материалов рассчитывается отдельно, как и марка бетона. Также здесь настоятельно рекомендуется провести расчет допустимой нагрузки на строительные материалы.

Расчет осадки фундамента по второй группе выполняется аналогично расчету осадки фундамента мелкого заложения. Осадка определяется по диаметру и площади подошвы сваи, а также их количества и выбора допустимого материала при растяжении. При этом, если будут запроектированы висячие опоры, тогда деформацию не рассчитывают.

Правила установки

Туда вставляется свая и начинает закручиваться. Если используется ручной способ, то в верхней части трубы делается сквозное отверстие, куда вставляется лом. На него с двух сторон надеваются небольшого диаметра трубы, которые будут выполнять функции рычагов. Двое крутят трубу, один контролирует, чтобы она входила в землю вертикально ровно. При этом на каждой стойке заранее отмечается краской глубина установки. Как только дошли до метки, заглубление останавливается.

Когда все сваи будут установлены, надо провести их выравнивание. То есть, их верхние торцы должны располагаться в одной горизонтальной плоскости. Самый простой способ – использовать лазерный уровень, световые линии которого покажут, где надо подрезать выступающие части стоек. Резку проводят болгаркой.

Если лазерного уровня нет, то используют шпагат, который натягивается между угловыми сваями. Его выставляют по горизонту с помощью строительного уровня в каждом направлении. После чего точно также выравниваются и промежуточные элементы фундамента.

На этом можно сказать, что свайный фундамент своими руками установлен. Но остается еще несколько операций. В первую очередь внутрь труб надо залить бетонный раствор. Это может быть:

  1. Обычный пескобетон в готовом виде марки М 300 или М 400.
  2. Товарный бетон с классической рецептурой.

И последняя операция – установка оголовков на верхние торцы труб, которые будут выполнять функции подставок под ростверк. Их просто приваривают к трубам. Размеры пластин варьируются от 10 х1 0 см до 3 0х 30 см.