9Проектирование свайных фундаментов
9.3Методы определения несущей способности свай
Основным этапом проектирования свайного фундамента является определение несущей способности свай. На основании результатов такого определения выбирают длины и количество свай. В нашей стране, как и за рубежом, применяются в основном четыре метода определения несущей способности свай, показанные на схеме (рис. 37).
Расчеты по физическим свойствам грунтов являются наиболее распространенным методом в большинстве регионов нашей страны (исключение составляют Башкортостан и ряд других районов, где превалируют расчеты по данным статического зондирования).
В этом методе несущая способность сваи рассматривается как сумма двух видов сопротивлений (рис. 38):
сопротивления грунта под нижним концом сваи, R;
сопротивления fi, распределенного по ее боковой поверхности сваи («бокового трения»).
При этом значения сопротивлений R и fi определяются по таблицам в зависимости физических характеристик грунта и глубины рассматриваемого слоя. Физические характеристики устанавливаются путем лабораторной обработки образцов (монолитов) грунта, отобранных при бурении. Это показатель текучести IL у глинистых у грунтов, крупность и плотность у песков.
Такие расчеты применяются для свай различных конструкций (призматических, пирамидальных, свай-оболочек и проч.), различной технологии изготовления (забивных, погружаемых разными способами; буровых и проч.). Могут при этом применяться различные таблицы для определения R и f , различные формулы, различные коэффициенты в этих формулах. Такие формулы и таблицы приводятся в отечественных нормативных документах (СНиП 2.02.03-85*, СП 50-102-2003). Для стандартных призматических свай, погружаемых дизель-молотами, может использоваться формула:
,
(26)
где Fd – несущая способность свай;
A, u – соответственно площадь и периметр поперечного сечения сваи;
R, fi, – сопротивления грунта под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности в i-том слое (см. рис. 38);
hi – толщина слоя (не менее 2м).
Расчеты по результатам динамических испытаний свай основаны на использовании измеренной в натурных условиях величины «отказа», т.е. погружения сваи от одного удара молота (при использовании вибраторов – погружение за 1 минуту). Такие расчеты применяются только для свай, погружаемых забивкой или вибрацией без выемки грунта, для чего в нормативных документах (СНиП 2.02.03-85*, СП 50-102-2003) имеются соответствующие формулы. Они довольно громоздки, но по достоверности превосходят зарубежные аналоги.
Динамические испытания свай – это нанесение по свае ударов молотом (или ее вибропогружение) с замером «отказов». Динамические испытания выполняются после «отдыха» сваи (перерыва между окончанием ее забивки и началом испытания) 3…5 суток (в слабых глинистых грунтах более 20 суток). Удары по свае наносятся «холодным» молотом (без зажигания горючей смеси в камере сгорания), с четкой фиксацией высоты падения молота. Замеры «отказов» чаще всего делаются с помощью нивелира, причем определяют усредненные «отказы» (например, средний отказ по трем или пяти ударам).
Наиболее достоверные результаты получаются, когда замеряются и используются в расчетах «упругая» и «остаточная» части отказа (точность расчетов ± 25%). Однако приборы для таких замеров (отказомеры) широкого распространения пока не получили, и на практике расчеты ведутся чаще всего без учета упругой части отказа, т.е. более простым, хотя и менее точным методом (точность расчетов ± 40%).
Замеры «отказов» представляют очень удобный способ контроля сопротивляемости свай, осуществляемого в ходе сваебойных работ. Любой «ослабленный» участок, не замеченный при изысканиях или проектировании, будет сразу же обнаружен по величинам «отказов». Такие замеры, как правило, не считаются динамическим испытаниям, а относятся к сфере текущего контроля качества строительных работ.
Расчеты по данным статического зондирования грунтов являются наиболее эффективным методом оценки несущей способности свай по двум причинам:
по своей достоверности они уступают только статическим испытаниям свай,
по быстроте, простоте и дешевизне они превосходят все прочие методы изучения грунтов, применяемые в инженерно-геологических изысканиях.
По этим причинам отечественные нормы проектирования и устройства свайных фундаментов (СП 50-102-2003) требуют при выполнении инженерных изысканий обязательно проводить зондирование, если объект намечено проектировать на сваях.
Сущность статического зондирования уже излагалась в разделе 4.2 (погружение в грунт «зонда» – стержня Ø36мм с коническим наконечником и замеры сопротивлений грунта под нижним концом и на боковой поверхности этого зонда). Следует лишь добавить, что в нашей стране используются два типа зондов, различающихся формой наконечника и размерами зоны, в пределах которой измеряется «боковое трение» грунта. Зонды I типа предусматривают замеры бокового сопротивления грунта на всей заглубленной части вдавливаемого стержня (штанги зонда), а зонды II типа – только на нижнем участке 31см («муфта трения»), примыкающем к коническому наконечнику. Получаемые этими зондами результаты в одних и тех же грунтах не одинаковы, поэтому формулы расчета несущей способности свай для них различны.
В Башкортостане в 60…90-е годы применялись только зонды II типа (зондировочная установка С-832 БашНИИстроя), как наиболее эффективные, но начиная с 90-х годов, в ограниченном объеме используются и зонды I типа.
Расчеты несущей способности забивных свай производятся по той же формуле, что и при расчетах по физическим характеристикам грунта, но величины R и fi определяются не по характеристикам грунта, а по данным зондирования. В нормах приводятся специальные таблицы для определения R и fi по данным зондирования.
Статические испытания свай – самый достоверный, но очень дорогой и трудоемкий способ определения несущей способности свай. Схема испытания приведена на рис. 39.
Такое испытание требует участия строительной организации, которая должна доставить на площадку и забить сваи (испытуемую и анкерные), смонтировать упорные устройства. Требуется организация круглосуточного дежурства бригады испытателей (на 3…5 суток) с устройством для них временного отапливаемого помещения, системы освещения и проч.
В ряде стран, а также в некоторых районах России (например, в Башкортостане) разработаны и применяются ускоренные методы испытаний, не требующие круглосуточного дежурства испытателей, но они пока не получили повсеместного применения в РФ.
Нагрузка на сваю прикладывается ступенями 1/10…1/20 от ожидаемой предельной нагрузки. Каждая ступень прикладывается после затухания осадки от предшествующей ступени. На основе произведенных измерений строится график «осадка–нагрузка» (рис. 40).
За предельное сопротивление сваи Fu принимается нагрузка, соответствующая осадке, равной 0,2 от предельно допустимой для данного сооружения (раздел 7.1).
Установление расчетных значений сопротивлений свай (несущей способности Fd) производится по тем же принципам, что и установление расчетных характеристик грунта. Результат расчета предельного сопротивления сваи в конкретной точке площадки называется частным значением этого сопротивления (Fu), среднее значение на выделенном участке – нормативным сопротивлением (Fu,n), результат деления нормативного сопротивления на коэффициент надежности по грунту (γg) – несущей способностью свай Fd. Однако при оценке несущей способности свай очень часто число частных значений Fu оказывается слишком малым для того, чтобы реализовывать упомянутые принципы (при отсутствии статического зондирования эта нехватка неизбежна). В этих случаях за нормативное сопротивление принимается минимальное частное значение Fu, а γg =1. При расчете по физическим свойствам грунта коэффициент надежности по грунту уже входит в табличные значения R и f, поэтому расчет по приведенной выше формуле сразу дает несущую способность свай.
При выборе длины и количества свай вводится дополнительный коэффициент надежности γk, на который делится несущая способность свай. Коэффициент γk отражает достоверность использованного метода и прочие случайные факторы. Например, при расчетах Fd по физическим свойствам грунта γk=1,4, при расчете по данным зондирований γk=1,25 и т.д.