6. Бурозавинчиваемые сваи

Несущую способность бурозавинчиваемой сваи F_d, кН, следует определять по формуле

(16)

где _c – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1;

_cR – коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи, принимаемый равным 0,8;

R ‑ расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, определяемое по формуле (17);

A – площадь опирания на грунт сваи, брутто, м²;

u — периметр поперечного сечения ствола сваи, м;

f_i – расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице 7;

h_i – толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

_cf – коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи, принимаемый равным 1,1 при погружении сваи с поверхности грунта в ненарушенный грунтовый массив; равным 0,8 - при погружении сваи в разрыхленный предварительным бурением грунтовый массив и равным 0,6 - при погружении сваи в лидерную скважину.

Расчетное сопротивление грунта под нижним концом бурозавинчиваемой сваи следует определять по формуле

,

(17)

где ₁, ₂ – безразмерные коэффициенты, принимаемые по таблице 12 в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта φ_I основания сваи;

c_I - расчетное значение удельного сцепления грунта основания сваи, кПа;

_I – осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, кН/м³, залегающих выше нижнего конца сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды);

h - глубина погружения сваи, м.

Расчетное значение угла внутреннего трения грунта основания сваи φI, град.	Коэффициенты
	1	2
13	7,8	2,8
15	8,4	3,3
16	9,4	3,8
18	10,1	4,5
20	12,1	5,5
22	15,0	7,0
24	18,0	9,2
26	23,1	12,3
28	29,5	16,5
30	38,0	22,5
32	48,4	31,0
34	64,9	44,4

Толщина стенки бурозавинчиваемых свай должна проверяться расчетом на прочность при передаче на трубу максимального крутящего момента, развиваемого механизмом, используемым для погружения свай.

7. Учет отрицательных (негативных) сил трения грунта на боковой поверхности свай

Отрицательные (негативные) силы трения, возникающие на боковой поверхности свай при осадке околосвайного грунта и направленные вертикально вниз, следует учитывать в случаях:

• планировки территории подсыпкой толщиной более 1,0 м;

• загрузки пола складов полезной нагрузкой более 20 кН/м²;

• загрузки пола около фундаментов полезной нагрузкой от оборудования более 100 кН/м²;

• увеличения эффективных напряжений в грунте за счет снятия взвешивающего действия воды при понижении уровня подземных вод;

• незавершенной консолидации грунтов современных и техногенных отложений;

• уплотнения несвязных грунтов при динамических воздействиях;

• просадки грунтов при замачивании;

• при строительстве нового здания вблизи существующих зданий.

Отрицательные силы трения учитывают до глубины, на которой значение осадки околосвайного грунта после возведения и загрузки свайного фундамента превышает половину предельного значения осадки фундамента. Расчетные сопротивления грунта f_i принимают по таблице 7 со знаком "минус", а для торфа, ила, сапропеля - минус 5 кПа.

В пределах нижней части свай, где осадка околосвайного грунта после возведения и загрузки свайного фундамента менее половины предельного значения осадки свайного фундамента, расчетные сопротивления грунта f_i следует принимать положительными по таблице 7, а для торфа, ила, сапропеля - равными 5 кПа.

Если в пределах длины погруженной части сваи залегают напластования торфа толщиной более 30 см и возможна планировка территории подсыпкой или иная ее загрузка, эквивалентная подсыпке, то расчетное сопротивление грунта f_i, расположенного выше подошвы наинизшего (в пределах длины погруженной части сваи) слоя торфа, следует принимать:

а) при подсыпках высотой менее 2 м для грунтовой подсыпки и слоев торфа - равным нулю, для минеральных ненасыпных грунтов природного сложения - положительным значениям по таблице 7;

б) при подсыпках высотой от 2 до 5 м для грунтов, включая подсыпку, - равным 0,4 значений, указанных в таблице 7, но со знаком "минус", а для торфа - минус 5 кПа (отрицательные силы трения);

в) при подсыпках высотой более 5 м для грунтов, включая подсыпку, - равным значениям, указанным в таблице 7, но со знаком "минус", а для торфа - минус 5 кПа.

Если известны значения коэффициентов консолидации и модуля деформации торфов, залегающих в пределах длины погруженной части сваи, и возможно определение значения осадки основания от воздействия пригрузки территории для каждого слоя грунта, то при определении несущей способности сваи допускается учитывать силы сопротивления грунта с отрицательным знаком (отрицательные силы трения) не от уровня подошвы нижнего слоя торфа, а начиная от верхнего уровня слоя грунта, значение дополнительной осадки которого от пригрузки территории (определенной начиная с момента передачи на сваю расчетной нагрузки) составляет половину предельного значения осадки для проектируемого здания или сооружения.

В случае, когда консолидация грунта от подсыпки или пригрузки территории к моменту начала возведения надземной части зданий или сооружений (включая свайный ростверк) завершилась или возможное значение осадки грунта, окружающего сваи, после указанного момента в результате остаточной консолидации не будет превышать половины предельного значения осадки для проектируемого здания или сооружения, сопротивление грунта на боковой поверхности сваи допускается принимать положительным вне зависимости от наличия или отсутствия прослоек торфа. Для прослоек торфа значение f_i следует принимать равным 5 кПа.

5. Требуется определить несущую способность буровой сваи длиной 12 м, диаметром 0,6 м, изготовленной сухим способом. Грунты, прорезаемые сваей, приведены на рисунке 20. Территория спланирована подсыпкой из мелкого песка, толщина насыпи 2,8 м.

Ф изико-механические характеристики грунтов: I - суглинок мягкопластичный e = 0,65, I_L = 0,6,  = 17 кН/м³, φ = 22°; II - торф  = 16 кН /м³; III - суглинок тугопластичный I_L = 0,4, φ = 22°, e = 0,55,  = 18 кН /м³; IV - песок средней крупности e = 0,55, φ = 37°,  = 22 кН /м³.

Решение. По таблице 10 при φ = 37° ₁ = 108; ₂ = 185;

при h/d = 11,4/0,6 = 19 ₃ = 0,75;

при d = 0,6 м ₄ = 0,23.

Осредненный удельный вес _I грунтов, расположенных выше нижнего конца сваи, равен:

=  17,7 кН /м³:

_I = 22 кН /м³.

Расчетное сопротивление R грунта под нижним концом сваи-оболочки определяем по формуле (14):

R = 0,75₄ (₁ _I d + ₂ ₃ _I h) =

= 0,750,23(108220,6 + 1850,7517,711,4) = 5075 кПа.

А = d² / 4 = 3,140,6² / 4 = 0,28 м²; u = d = 3,140,6 = 1,89 м.

По таблице 9

_cf1 = _cf2 = _cf3 = _cf4 = 0,7.

Т.к. толщина подсыпки находится в пределах от 2 до 5 м, то для подсыпки и первого слоя грунта значения f_i умножаем на 0,4.

Расчленяем пласты грунта на однородные слои толщиной не более 2 м и по таблице 7 определяем соответствующие значения f_i:

подсыпка песок мелкий h=0,6 м, f = -230,4 = -9,2 кПа;

суглинок мягкопластичный

е = 0,65, I_L = 0,6, z₁=1 м, h₁=2,0 м, f₁ = -80,4 = -3,2 кПа;

z₂=2,6 м, h₂=1,2 м, f₂ = -13,20,4 = -5,3 кПа;

z₃=3,8 м, h₃=1,2 м, f₃ = -15,60,4 = -6,2 кПа;

торф

z₄=5,15 м, h₄=1,5 м, f₄ = -5 кПа;

суглинок тугопластичный

e = 0,55, I_L = 0,4, z₅=6,65 м, h₅=1,5 м, f₅ =31,7 кПа;

z₆=8,15 м, h₆=1,5 м, f₆ =33,1 кПа;

z₇=9,65 м, h₇=1,5 м, f₇ =33,8 кПа;

песок средней крупности средней плотности

z₈=10,9 м, h₈=1 м, f₈ = 66,3 кПа.

Определяем несущую способность буровой сваи по грунту по формуле (13), для сваи опирающейся на песок _c = 1, т.к. свая без уширения _cR = 1:

=

=1(150750,28+1,890,7(-9,20,6-3,22-5,31,2-6,21,2-51,5+31,71,5+

+33,11,5+33,81,5+66,31)) = 1660 кН.

6. Определить отрицательные силы трения по боковой поверхности сваи из примера 3 при загрузке поверхности грунта (пола склада) полезной нагрузкой 40 кН/м². Дополнительно к представленным на рисунке 16 грунтам имеется суглинок полутвердый мощностью сложения 5 м. Указанный суглинок подстилает песок мелкий средней крупности. Коэффициенты относительной сжимаемости грунтов: глина - m_v = 0,03 МПа^-1; песок мелкий - m_v = 0,01 МПа^-1; суглинок - m_v0 = 0,008 МПа^-1. Предельная осадка фундамента назначена s_u = 0,1 м.

Решение. Для выяснения вопроса о необходимости учета отрицательных сил трения вычисляем осадки слоев грунта снизу вверх от дополнительного давления 40 кН/м² по формуле осадки слоя грунта от сплошной равномерно распределенной нагрузки

,

(18)

где h – толщина слоя грунта;

m_v – коэффициент относительной сжимаемости грунта;

р – давление на кровле слоя грунта.

Осадка по слоям равна :

суглинок – s₃ = 50,00810^-340 = 0,0016 м;

песок мелкий – s₂ = 0,0016+60,0110^-340 = 0,004 м;

глина – s₁ = 0,004+5,50,0310^-340 = 0,0106 м.

Таким образом, установлено, что в пределах трех слоев максимальная осадка s₁ = 0,0106 м < 0,5s_u = 0,05 м. Следовательно, для рассматриваемого примера отрицательные силы трения при вычислении несущей способности сваи по грунту учитывать не нужно.

В курсовом проекте при отсутствии соответствующих данных коэффициент относительной сжимаемости можно найти по модулю деформации m_v= β / E. Коэффициент β при отсутствии экспериментальных данных допускается принимать  равным: 0,623-0,743 - для песков и супесей; 0,565-0,623 - для суглинков; 0,743-0,9 при I_L < 0; 0,534-0,743 при 0  I_L  0,25; 0,264-0,534 при 0,25 < I_L  1,0 - для глин. При этом меньшие значения β принимаются при меньшей плотности грунта.

7. Требуется определить несущую способность буровой сваи длиной 12 м, диаметром 0,6 м, изготовленной сухим способом, с учетом отрицательных сил трения при загрузке поверхности грунта (пола склада) полезной нагрузкой 60 кН/м². Грунты, прорезаемые сваей, приведены на рисунке 21. Предельная осадка фундамента назначена s_u = 0,1 м.

Ф изико-механические характеристики грунтов: I - суглинок мягкопластичный m_v = 0,08 МПа^-1, e = 0,65, I_L = 0,6,  = 17 кН/м³, φ = 22°; II - торф m_v = 0,4 МПа^-1,  = 16 кН /м³; III - суглинок тугопластичный m_v = 0,03 МПа^-1, I_L = 0,4, φ = 22°, e = 0,55,  = 18 кН /м³; IV - песок средней крупности мощностью сложения 12 м, m_v = 0,01 МПа^-1, e = 0,55, φ = 37°,  = 22 кН /м³.

Решение. По таблице 10 при φ = 37° ₁ = 108; ₂ = 185;

при h/d = 11,4/0,6 = 19 ₃ = 0,75;

при d = 0,6 м ₄ = 0,23.

Осредненный удельный вес _I грунтов, расположенных выше нижнего конца сваи, равен:

=  17,7 кН /м³:

_I = 22 кН /м³.

Расчетное сопротивление R грунта под нижним концом сваи-оболочки определяем по формуле (14):

R = 0,75₄ (₁ _I d + ₂ ₃ _I h) =

= 0,750,23(108220,6 + 1850,7517,711,4) = 5075 кПа.

А = d² / 4 = 3,140,6² / 4 = 0,28 м²; u = d = 3,140,6 = 1,89 м.

Для выяснения вопроса о необходимости учета отрицательных сил трения вычисляем осадки слоев грунта снизу вверх от дополнительного давления 60 кН/м²

Осадка по слоям равна:

песок средней крупности – s₄ = 120,0110^-360 = 0,0072 м;

суглинок – s₃ = 0,0072+4,50,0310^-360 = 0,0153 м;

торф – s₂ = 0,0153+1,50,3510^-360 = 0,0468 м;

глина – s₁ = 0,0468+4,40,0810^-360 = 0,0679 м.

Установлено, что в пределах первого слоя проходит граница, на которой значение осадки околосвайного грунта после загрузки дополнительным давлением превышает половину предельного значения осадки s₁ = 0,0679 м > 0,5s_u = 0,05 м.

Определяем положение границы

х = 4,4/(0,0679-0,0468)(0,05-0,0468) = 0,67 м.

По таблице 9

_cf1 = _cf2 = _cf3 = _cf4 = 0,7.

Расчленяем пласты грунта на однородные слои толщиной не более 2 м и по таблице 7 определяем соответствующие значения f_i:

суглинок мягкопластичный

е = 0,65, I_L = 0,6, z₁=1 м, h₁=2,0 м, f₁ = - 8 кПа;

z₂=2,87 м, h₂=1,73 м, f₂ = - 13,4 кПа;

z₃=4,07 м, h₃=0,67 м, f₃ = 16,1 кПа;

торф

z₄=5,15 м, h₄=1,5 м, f₄ = 5 кПа;

суглинок тугопластичный

e = 0,55, I_L = 0,4, z₅=6,65 м, h₅=1,5 м, f₅ =31,7 кПа;

z₆=8,15 м, h₆=1,5 м, f₆ =33,1 кПа;

z₇=9,65 м, h₇=1,5 м, f₇ =33,8 кПа;

песок средней крупности средней плотности

z₈=10,9 м, h₈=1 м, f₈ = 66,3 кПа.

Определяем несущую способность буровой сваи по грунту по формуле (13), для сваи опирающейся на песок _c = 1, т.к. свая без уширения _cR = 1:

=

= 1(150750,28+1,890,7(-82-13,41,73+16,10,67+51,5+31,71,5+

+33,11,5+33,81,5+66,31)) = 1677 кН.

8. Определить, какой необходимо обеспечить перерыв между созданием насыпи и строительством здания на свайных фундаментах, чтобы не учитывать отрицательные силы трения. Предельная осадка фундамента назначена s_u = 0,08 м. Инженерно-геологические условия площадки следующие:

с поверхности расположен насыпной слой песка средней крупности средней плотности толщиной 5 м с  = 18 кН /м³;

насыпной песок расположен на супеси мощностью сложения 3 м с характеристиками k_ф = 110^-4 см/с, m_v=0,00011 кПа^-1=0,0011 Н/см²;

супесь расположена на заторфованном суглинке мощностью сложения 2 м с k_ф = 110^-7 см/с, m_v = 0,0006 кПа^-1 = 0,006 Н/см²;

заторфованный суглинок подстилается суглинком мощностью сложения 12 м с k_ф = 510^-5 см/с, m_v = 0,00006 кПа^-1 = 0,0006 Н/см².

Решение. Давление от насыпного грунта р = 185 = 80 кПа.

Вычисляем стабилизированные осадки слоев грунта за исключением насыпи по формуле (18):

супесь мощностью сложения 3 м – s_II = 30,0001180 = 0,026 м;

заторфованный суглинок – s_III = 20,000680 = 0,096 м;

суглинок – s_IV = 120,0000680 = 0,058 м.

Осадка слоя грунта за время t, год, вычисляется по формуле

,

(19)

где h – толщина слоя грунта, м;

m_v – коэффициент относительной сжимаемости грунта, кПа^-1;

р – давление на кровле слоя грунта, кПа;

;

с_v – коэффициент консолидации, вычисляемый по формуле

;

k_ф – коэффициент фильтрации, м/год;

_w – удельный вес воды _w = 9,81 кН/м³;

Н – расчетная толщина слоя, м, равная h для слоя расположенного между фильтрующим слоем и недренированным скальным основанием, или 2h для слоя расположенного между фильтрующими слоями.

Вычисляем осадки слоев грунта за исключением насыпи по формуле (19) с интервалом 0,5 года, учитывая, что 1 см/с  310⁵ м/год:

супесь 2,7810⁴ м²/год,

Н = 23 = 6 м,

1,9110³t,

при t = 0,5 года

= 0,026 м – осадка стабилизировалась;

заторфованный суглинок

5,1 м²/год,

Н = 22 = 4 м,

7,8610^-1t,

при t = 0,5 года

= 0,043 м – осадка не стабилизировалась;

при t = 1 год

= 0,061 м – осадка не стабилизировалась, но дополнительная осадка после одного года

s_III – s₁ = 0,096 – 0,061 = 0,035 м < 0,5s_u = 0,04 м;

суглинок 2,5510³ м²/год,

Н = 212 = 24 м,

1,0910t,

при t = 0,5 года

= 0,057 м – осадка не стабилизировалась;

при t = 1 год

= 0,058 м – осадка стабилизировалась.

Таким образом, определено, что при начале строительства спустя год после устройства насыпи отрицательные силы трения по боковой поверхности свай можно не учитывать, т.к. дополнительные осадки слоев грунта от веса насыпи после этого срока не превышают половины предельной осадки фундамента.