ГОСТ 5686-2012 Грунты. Методы полевых испытаний сваями

Низкая себестоимость винтовых свай делает их весьма привлекательными для устройства фундаментов под индивидуальные постройки.

Изучение характеристик грунта

Для расчета количества винтовых свай необходимо определить тип грунта

Изучение характеристик грунта

Чтобы рассчитать количество винтовых свай, нужно определить тип грунта, на котором планируются строительные работы. Чтобы узнать его прочность, можно бурить его вручную на полметра глубже, чем будет располагаться основание. Расчет свайного фундамента требует знания характеристик и коэффициентов, влияющих на прочность постройки. Необходимо выяснить:

  1. Тип почвы: суглинок, супесь, песчаный грунт и т.д.
  2. Коэффициент, показывающий соотношение частиц почвы и пустот.
  3. Тип консистенции и соответствующий ей прочностной коэффициент. Для глинистых грунтов используют 2 значения, одно из которых характеризует область вдоль протяженности сваи, другой – в районе ее подошвы. Почва может быть твердой, полутвердой либо пластичной (легко или туго разминающейся).
Изучение характеристик грунта

Для определения вида почвы нужно воспользоваться информацией из приложения к госстандарту «Грунты. Классификация». В этом документе приводятся характеристики, на которые надлежит опираться. Также нужны таблицы, в которых приводятся значения прочности грунтов, имеющих те или иные состав и консистенцию. Коэффициент зависит от твердости и состава почвы. При рассмотрении показателя для глинистых грунтов по длине сваи можно заметить: чем больше глубина, тем выше значение.  Прочность мелкопесчаных почв, и без того небольшая, понижается при увлажнении.

Нельзя строить дом на пылеватом грунте: нужно заменить его на крупнопесчаный либо выбрать более подходящее место.

Изучение характеристик грунта

Зависимость перемещения свай от горизонтальной нагрузки

Зависимость между Pg и Р для жестких свай, имеет вид: Pg = 0,108 Р + Pg; для свай конечной жесткости: Pg = 0,08Р + + Pg; где Pg — фактическая несущая способность свай на горизонтальную нагрузку с учетом действия вертикальных сил; Pg — несущая способность сваи на горизонтальную нагрузку при отсутствии вертикальных сил.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о положительном влиянии вертикальной нагрузки на несущую способность горизонтально нагруженных свай. Так, при вертикальной нагрузке, равной расчетной, сопротивляемость указанных свай горизонтальным нагрузкам увеличивается в 2 раза. Увеличение сопротивляемости свай горизонтальным воздействиям при действии вертикальной нагрузки объясняется повышением сопротивления ее сдвигу вследствие увеличения и развития сил трения и сцепления по боковой поверхности под торцом сваи.

Действие горизонтальной нагрузки на сваю вызывает ее поворот вокруг ’’нулевой точки”, что приводит к появлению момента от касательных сил, действующих при вертикальной нагрузке по боковой поверхности ствола сваи. Этот момент направлен в сторону, противоположную действию горизонтальных нагрузок, и является удерживающей силой. Наиболее существенное влияние на сопротивляемость коротких свай гори-зонтальным нагрузкам оказывает торец сваи. Вследствие действия вертикальной нагрузки под торцом сваи происходит уплотнение грунта, что приводит к увеличению коэффициента постели грунта под подошвой сваи в вертикальном и горизонтальном направлениях и увеличению сил трения.

Непосредственные замеры расстояния у от поверхности грунта до точки нулевых смещений, производимые с помощью тонкого стального щупа, показали, что при вертикальной нагрузке ’’нулевая точка” понижается.

Исследования на горизонтальные нагрузки проводились со свайными фундаментами из забивных и буронабивных железо-бетонных свай. Глубина заложения свай принята равной от 3 до 7,7 м, расстояние между сваями — 3d. Испытывались кусты из двух, четырех и шести свай с низким и высоким ростверками.

Для установления кустового эффекта проведены сравнения испытания одиночных свай и свай в кусте на действие горизонтальных нагрузок. При этом рассматривались сваи с различной глубиной заложения и различного поперечного сечения.

Расчет несущей способности сваи по грунту

Сваи широко применяют в строительстве. Они позволяют устраивать фундамент на неустойчивых почвах, ограждать котлованы, возводить подпорные стенки и укреплять грунт.

Это экономичный, устойчивый вариант установки фундамента, применяемый практически в любых условиях.

В статье мы расскажем о видах свай, порядке и различных методах расчета фундамента.

Расчет несущей способности сваи по грунту

Расчет свай начинается с выбора их типа.

По способу заглубления в грунт различают:

  • Забивные сваи. Самый популярный вид. Погружаются в грунт путем забивки пневматическим молотом на рассчитанную глубину;
  • Буронабивные сваи устанавливаются в самые короткие сроки. Сначала методом шнекового бурения разрабатывают скважину и уплотняют грунт вокруг нее. Потом одновременно с извлечением бура под давлением закачивают в скважину бетонную смесь. Сразу после этого в ней устанавливают армирующий каркас. Его изготавливают из металлических стержней на заводе или строительной площадке;
  • Вибропогружаемые опускаются в толщу пород под действием собственного веса. Специальная установка передает вибрацию через сваю на грунт, за счет этого уменьшается сила трения между конструкцией и частицами почвы и свая постепенно погружаются в породу. Метод применяется на площадках с песчаным или насыщенным влагой грунтом;
  • Винтовые конструкции имеют лопасти на концах, благодаря им конструкция погружается в землю. Хорошо работают на неустойчивых грунтах и плывунах при наличии недалеко от поверхности прочной породы. При монтаже не издают шума, не повреждают почву, могут устанавливаться на площадках с плотной застройкой. Монтаж осуществляется вручную или с применением легкой техники;
  • Вдавливаемые устанавливаются без сильных толчков и вибраций, создают минимальную нагрузку на почву и фундаменты расположенных вблизи сооружений. Подходят для строительства крупных объектов в местах с плотной застройкой и вблизи зданий с неустойчивыми или старыми фундаментами.
Читайте также:  Как правильно утеплять фундамент снаружи дома своими руками

По виду материала:

  • Железобетон. Самый популярный материал для возведения крупных объектов. Металл, составляющий каркас обеспечивает стойкость к изгибающим нагрузкам, а бетон защищает металлоконструкцию от воздействия окружающей среды, обеспечивает стойкость к вертикальным нагрузкам и увеличивает силу трения с грунтом;
  • Дерево. Применяется в индивидуальном строительстве на сухих почвах. Дешевый и доступный материал, но требует дополнительной гидроизоляции;
  • Металл. Из этого материала выполняют винтовые сваи. После изготовления их покрывают специальным составом, защищающим их от коррозии.

Сваи отличаются по виду конструкции и форме. Это могут быть квадратные, прямоугольные, многоугольные и круглые сечения. Последний вид приобрел наибольшую популярность благодаря простоте изготовления и расчета нагрузки на такую конструкцию.

Расчет несущей способности сваи по грунту

По характеру работы:

  • Сваи-стойки работают за счет установки их нижней части на прочную породу. Они передают нагрузку на устойчивое основание, миную другие, менее надежные слои;
  • Висячие сваи работают за счет силы трения между ними и сжатыми грунтами вокруг.

На выбор типа конструкции влияют условия работы, особенности грунтов, конструкция и вес здания. Для правильного расчета необходимо обратиться к специалистам, способным провести все необходимые измерения и изыскания.

Количество свай в ростверке

Количество свай п в ростверке при центральном сжатии можно определить по формуле

где Nd — расчетная нагрузка, приходящаяся на свайный фундамент с учетом веса ростверка; Pmin — минимальная расчетная нагрузка, которую способна выдерживать свая (по грунту или по материалу).

Для ленточных ростверков нагрузка на свайный фундамент Nd определяется на один погонный метр свайного фундамента и вместо количества свай обычно определяют требуемый шаг свай а:

где к — число рядов свай. При назначении шагов свай следует учитывать минимально допустимые расстояния между сваями, и если получается, что требуемый по расчету шаг свай меньше допустимого расстояния между ними, следует увеличивать количество рядов свай или изменять конструкцию свай.

Расчёт нагрузки на ленточный фундамент

Определение нагрузки на ленточное основание начинается с подсчёта массы самой ленты, для чего используется следующая формула:

Pфл= V × q.Расшифровка формулы: V – объём стен; q – плотность материала основания.

Необходимо произвести суммирование всех типов давления на фундамент, для чего можно воспользоваться следующей формулой: (Pд+Pфл+ Pсн+Pв)/ Sф.

Внимание! Важно, чтобы результат вычислений, выражающийся в удельной нагрузке, был меньше допустимых значений сопротивления почвы. Разница должна составлять порядка 25%, что необходимо для компенсации неточностей.

Получение точных сведений, возможно при учёте видов стен, надо определить, какие из них несущие и выполняют функцию удержания перекрытий, лестничных пролётов, стропил. Выявляются самонесущие стены, выполняющие функцию поддержания исключительно собственной массы.

Исходя из этих данных, определяют под какую сторону закладывать стены определённой ширины, с обязательной проверкой допустимых значений. Расчёты нагрузки в программе «APM Civil Engineering»

Расчет ленточного фундамента: определяем ширину подошвы

При расчете ленточного фундамента необходимо будет определить два его параметра:

  • глубина заложения + высота цоколя = высота;
  • ширина ленты;

Третий — длина — известен. Это сумма длин всех стен, под которыми будет закладываться фундамент.

Глубина заложения во многом определяется в зависимости от типа находящихся под подошвой грунтов. Общие рекомендации можно найти в таблице, а описание определения глубины заложения  читайте в статье «Какой глубины должен быть фундамент».

Таблица с рекомендуемой глубиной заложения фундамента в зависимости от типа грунта и уровня подземных вод (для увеличения размеров картинки щелкните по ней правой клавишей мыши)

Пусть мы примем, что глубина залегания фундамента для наших условий — ниже уровня промерзания грунта, высота цоколя — 20 см. Грунт промерзает в нашем регионе на 1,4 м. По рекомендациям фундамент должен находится на 15 см ниже уровня промерзания. Получаем общую высоту: 1,4 м + 0,2 м + 0,15 м = 1,75 м.

Теперь нужно рассчитать ширину ленточного фундамента. Она зависит от расстояния, на котором находятся стены и материала, из которого будем его строить. Рекомендованные значения  приведены в таблице.

Выбираете ширину фундамента в зависимости от материала и расстояния между стенами (для увеличения размеров картинки щелкните по ней правой клавишей мыши)

Расчет нагрузки на фундамент

Теперь нужно найти, с какой силой будет давить дом на фундамент. Для этого общую массу дома (масса всех элементов + полезная нагрузка + снеговая) делим на площадь фундамента.

Площадь ленточного фундамента находим умножив ее длину на выбранную в предыдущем пункте ширину. Потом общую нагрузку от дома делим на площадь фундамента в квадратных сантиметрах. Получаем удельную нагрузку на каждый квадратный сантиметр ленточного фундамента.

Пример. Пусть нагрузка от дома 408000 кг, площадь ленточного фундамента (длинна 4400 см, ширина 30 см)  — 132000 см2. Разделив эти значения, получаем: на каждый сантиметр давит 3,09 кг.

Теперь необходимо узнать, выдержат ли грунты под подошвой фундамента это значение. Любой грунт в состоянии выдержать какое-то давление. Эти значения просчитаны и занесены в таблицу. Находим тип грунта под подошвой фундамента (определяется геологическими исследованиями) и смотрим его удельную несущую способность.

Несущая способность грунтов — сравниваем найденную нагрузку от дома с нормативной для вашего грунта

Если несущая способность грунта больше чем нагрузка от дома, все выбрано правильно. Если нет, необходимо вносить корректировки.

Корректировка параметров

Если нагрузка, передаваемая через ленточный фундамент, для данных грунтов велика, выхода два: использовать при строительстве более легкие материалы или увеличить ширину ленты.

Изменение материала очень трудоемко: часто изменение одного материала тянет за собой цепочку изменений параметров целого ряда других. В результате расчет массы приходится переделывать. Потому чаще увеличивают толщину ленты в фундаменте. Этим увеличивается уменьшается удельная нагрузка.

Но слишком широкий ленточный фундамент (шире 60 см), особенно глубокого заложения,  невыгоден экономически: большой расход материала и трудозатараты. В этом случае необходимо сравнивать стоимость нескольких типов фундамента.

Ширину монолитно-ленточного фундамента подбирают исходя из рассчитанной нагрузки от дома и несущей способности грунтов

Не забудьте после изменения ширины ленты пересчитать ее массу и соответствующим образом откорректировать массу строения.

Порядок расчета несущей способности винтовых свай

Определив площадь подошвы лепестка и несущую способность грунта, можно приступать к расчету несущей способности опоры. Для этого надо просто перемножить эти две величины.

Например, если площадь подошвы составила 706,5 кв. см (при диаметре 300 мм), а сопротивление грунта – 6 кг/кв. см, несущая способность сваи составит:

706,5 х 6 = 4200 кг

Однако вышеприведенный расчет не соответствует реальной картине по одной просто причине: в нем не учтен такой важный параметр, как запас прочности винтовой сваи.

Для получения более точного результата следует произведение площади лепестка и сопротивления грунта разделить на коэффициент запаса прочности.

Его значение зависит от количества свай, которые будут установлены в основание постройки и находится в диапазоне 1,4-1,75. При установке пяти свай коэффициент запаса равен 1,75, двадцати – 1,4. Промежуточные значения рассчитываются методом интерполяции.

Если опорная способность грунта определялась при помощи эталонной сваи, коэффициент запаса следует принимать равным 1,25. При полноценном исследовании с привлечением лабораторий он будет равен 1,2.

То есть несущая способность сваи с диаметром лопасти в 300 мм на глине с учетом коэффициента запаса составит 4200/1,2 = 3500 кг.

Определение расчетной нагрузки, допустимой на сваю

Расчетная нагрузка, допустимая на сваю, определяется сопротивлением сваи по материалу (для свай-стоек) или несущей способностью сваи по грунту. Сопротивление ж/б сваи по материалу определяют из таблиц справочника проектировщика (7, стр. 167)

Расчетное сопротивление грунту, допустимое на сваю определяется по формуле:

Где — несущая способность свай по грунту.

Для свай стоек, опирающихся нижним концом на скальные, крупнообломочные грунты в плотном сложении и глинистые твердой консистенции (за исключением лессов, лессовидных, набухающих и засоленных грунтов):

=gc RA Где:

· gc

— коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемыйgc = 1

· A

— площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая для свай сплошного сечения равной площади поперечного сечения.

· Расчетное сопротивление грунта R

под нижним концом сваи-стойки, кПа (тс/м2), следует принимать равным 20000 КПа (2000 тс/м2)

Для висячей забивной сваи, передающей нагрузку нижним концом и боковой поверхностью:

Где:

— коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемыйgc = 1;

— расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа (тс/м2), принимаемое по табл. 8;

— площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая по площади поперечного сечения сваи.

— наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

— расчетное сопротивлениеi -го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа (тс/м2), принимаемое по табл. 9;

— толщинаi -го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

gcR

,gcf — коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта и принимаемые по табл. 3 СНиП

Таблица 8

Глубина погружения нижнего конца сваи, м Расчетные сопротивления под нижним концом забивных свай и свай-оболочек, погружаемых без выемки грунта, R, кПа (тс/м2)
песчаных грунтов средней плотности
гравелистых крупных средней крупности мелких пылеватых
пылевато-глинистых грунтов при показателе текучести lL , равном
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
7500 (750) 6600 (660) 4000 (400) 3000 (300) 3100 (310) 2000 (200) 2000 (200) 1200 (120) 1100 (110) 600 (60)
8300 (830) 6800 (680) 5100 (510) 3800 (380) 3200 (320) 2500 (250) 2100(210) 1600 (160) 1250 (125) 700 (70)
8800 (880) 7000 (700) 6200 (620) 4000 (400) 3400 (340) 2800 (280) 2200 (220) 2000 (200) 1300(130) 800 (80)
9700 (970) 7300 (730) 6900 (690) 4300 (430) 3700 (370) 3300 (330) 2400 (240) 2200 (220) 1400 (140) 850 (85)
10500 (1050) 7700 (770) 7300 (730) 5000 (500) 4000 (400) 3500 (350) 2600 (260) 2400 (240) 1500 (150) 900 (900)
11700 (1170) 8200 (820) 7500 (750) 5600 (560) 4400 (440) 4000 (400) 2900 (290) 1650(165) 1000 (100)
12600 (1260) 8500 (850) 6200 (620) 4800 (480) 4500 (450) 3200 (320) 1800 (180) 1100 (110)
13400 (1340) 9000 (900) 6800 (680) 5200 (520) 3500 (350) 1950 (195) 1200 (120)
14200 (1420) 9500 (950) 7400 (740) 5600 (560) 3800 (380) 2100 (210) 1300 (130)
15000 (1500) 10000 (1000) 8000 (800) 6000 (600) 4100 (410) 2250 (225) 1400 (140)

Примечание: в числителе даны R для песков, в знаменателе для глинистых грунтов.

Таблица 9

Средняя глубина расположения слоя грунта, м Расчетные сопротивления на боковой поверхности забивных свай и свай-оболочек fi , кПа (тс/м2)
песчаных грунтов средней плотности
крупных и средней крупности мелких пылеватых
пылевато-глинистых грунтов при показателе текучести IL равном
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
35(3,5) 23 (2,3) 15(1,5) 12(1,2) 8(0,8) 4(0,4) 4(0,4) 3(0,3) 2(0,2)
42(4,2) 30 (3,0) 21(2,1) 17(1,7) 12(1,2) 7(0,7) 5(0,5) 4(0,4) 4(0,4)
48 (4,8) 35(3,5) 25 (2,5) 20 (2,0) 14(1,4) 8(0,8) 7(0,7) 6(0,6) 5(0,5)
53(5,3) 38(3,8) 27 (2,7) 22 (2,2) 16(1,6) 9(0,9) 8(0,8) 7(0,7) 5(0,5)
56 (5,6) 40(4,0) 29 (2,9) 24 (2,4) 17(1,7) 10(1,0) 8(0,8) 7(0,7) 6(0,6)
58(5,8) 42(4,2) 31 (3,1) 25 (2,5) 18(1,8) 10(1,0) 8(0,8) 7(0,7) 6(0,6)
62(6,2) 44(4,4) 33 (3,3) 26 (2,6) 19(1,9) 10(1,0) 8(0,8) 7(0,7) 6(0,6)
65 (6,5) 46 (4,6) 34(3,4) 27 (2,7) 19(1,9) 10(1,0) 8(0,8) 7 (0,7) 6(0,6)
72(7,2) 51 (5,1) 38(3,8) 28 (2,8) 20 (2,0) 11(1,1) 8(0,8) 7(0,7) 6(0,6)
79(7,9) 56 (5,6) 41 (4,1) 30(3,0) 20 (2,0) 12(1,2) 8(0,8) 7 (0,7) 6(0,6)
86(8,6) 61 (6,1) 44 (4,4) 32(3,2) 20 (2,0) 12(1,2) 8(0,8) 7(0,7) 6(0,6)
93 (9,3) 66(6,6) 47 (4,7) 34(3,4) 21 (2,1) 12(1,2) 9(0,9) 8(0,8) 7(0,7)
100 (10,0) 70 (7,0) 50(5,0) 36(3,6) 22 (2,2) 13(1,3) 9(0,9) 8 (0,8) 7(0,7)

Примечания:

· Слой большой мощности следует разделять на однородные слои толщиной не более 2 м.

· Для песчаных плотных грунтов f следует увеличить на 30%.

· Сопротивление по боковой поверхности сваи насыпей моложе 5 лет в расчетах не учитывается.

· Средняя глубина расположения слоя берется от уровня природного рельефа до середины слоя, если произведена срезка или подсыпка до 3 метров.

Динамические испытания свай

“Динамика” – наиболее простой и дешевый способ получения данных о несущей способности сваи. Суть испытания сводится к сбрасыванию груза на сваю и замеру осадки сваи от этого удара. Осадку, или на профессиональном сленге “отказ”, измеряют нивелиром, либо специальным прибором – отказомером. На забивных сваях испытания проводятся непосредственно молотом, которым и были забиты сваи. На буронабивных сваях используют бетонные, или металлические “бабы”, которые сбрасываются с заданной высоты. Имея данные об осадке, параметрах сваи, массе ударной части и высоте сброса, лаборант рассчитывает несущую способность сваи и выдает отчет установленной формы. Эти испытания проводятся быстро, стоят недорого и достаточно точны. Общий объем испытаний свай динамической нагрузкой, согласно рекомендациям ГОСТ, составляет 1 % от общего количества свай.