Определение несущей способности свай в просадочных грунтах по их прочностным характеристикам

Е.1 Несущая способность свай зависит от показателей прочности грунта: угла внутреннего трения j и удельного сцепления с. Существенное изменение несущей способности сваи при замачивании просадочного грунта происходит в основном за счет снижения сцепления с.

Е.2 Расчет несущей способности свай в просадочных грунтах рекомендуется производить на основе приближенного решения упругопластической задачи предельного равновесия грунта в основании сваи.

Общая поверхность предельного равновесия основания сваи длиной l состоит из трех участков: верхний участок 1 - вдоль ствола сваи l₁ + l₂; нижний участок 2 - по поверхности усеченного конуса вдоль ствола сваи длиной b; участок 3 - под нижним концом сваи по части шаровой поверхности (рисунок Е.1).

(Опечатка. Июнь 2011 г.)

Рисунок Е.1 - Расчетная схема

Несущая способность F_d определяется по формуле

F_d = g_c(F₁ + F₂ + F₃), (Е.1)

где g_c - коэффициент условий работы, принимаемый равным 1;

F₁ - сопротивление на участке ствола сваи l₀ + l₂, кН; где l₀ - участок линейного возрастания сопротивления от 0 до 12d, но не более 6 м, а ниже - участок постоянного значения сопротивления, равного конечному значению по длине l₀, кН;

F₂ - сопротивление на участке ствола сваи по поверхности усеченного конуса, кН;

F₃ - сопротивление под нижним концом, кН.

A₁=u[l₀(0,5xgl₀tgj + с) + (xgl₀tgj + с)l₂], (Е.2)

где и - периметр сваи, м;

x - коэффициент бокового давления грунта, равный 0,5;

j - расчетное значение угла внутреннего трения, град.;

с - расчетное значение удельного сцепления грунта, кН/м²;

l₂ - участок длины сваи, м, равный

l₂ = l +d/2 - l₀ - b - a, (Е.3)

где l - длина погруженной части сваи, м;

d - диаметр или сторона поперечного сечения, м;

l₀ = l₁ - а, м, (Е.4)

где l₁ - длина от поверхности земли до начала длины l₂, м;

b = d/2 - (ctga - l)ctgj, м; (Е.5)

a - самый верхний участок погруженной сваи, где боковое давление грунта равно 0, для забивной сваи a = 2,5 м, для набивной a = 1,0 м;

a = 45°- j - xc, град., (Е.6)

где х = к/с₀, град×м²/кН; к = 1°;

с₀ - минимальное значение сцепления, принимаемое в расчет и равное 5 кН/м²; при этом х = 0,2.

Предел применимости формулы (Е.6) дается соотношением j + хс < 45°.

В случае если на большом участке длины сваи l₂ прорезаются грунты с разными характеристиками j и с, то значение l₂ представляется в виде суммы толщин слоев

F₁ вычисляется по формуле

(Е.7)

где т - число слоев с разными характеристиками.

Если в пределах участка l₁ = l₀ + а длиной не более 6 м встретится слой с другими расчетными характеристиками j и с, то принимаются в расчет их значения для нижнего слоя толщиной не менее 3 м.

F₂ = pу ctgj (у + d)с, кН, (Е.8)

где

(E.9)

где

(Е.10)

(E.11)

где

(E.12)

Наибольшее главное напряжение определяется по формуле

(E.13)

Наименьшее главное напряжение определяется по формуле

s₃ = xgl₀, кН/м², (Е.14)

где g - удельный вес грунта, кН/м³.

Характеристики грунта j, с, g определяются в водонасыщенном состоянии. При полном водонасыщении грунта, в случаях возможного его замачивания, показатель текучести определяется по формуле

(Е.15)

где е - коэффициент пористости грунта природного сложения;

g_w - удельный вес воды, равный 10 кН/м³;

g_s - удельный вес твердых частиц, кН/м³;

W_p, W_L - влажность грунта на границе раскатывания и на границе текучести, доли единицы.

Нижние концы длинных буровых свай в просадочных грунтах, устраиваемые без уплотнения грунта в забое скважин, полностью включаются в работу после достижения критической нагрузки на сваю и дальнейшей ее значительной осадки. Несущую способность длинных буронабивных свай, нижний конец которых полностью не включился в работу, допускается в первом приближении определять по формуле

F_d = g_c(F_1н + F_2н), кH, (Е.16)

где g_c - то же, что и в формуле (Е.1);

F_1н - сопротивление на участке ствола сваи l₀ + l_н, определяемое как для забивной сваи по формуле (Е.2), причем

l_н = l - l₀ - а, м, (Е.17)

где l₀ - то же, что и для забивной сваи;

а - для набивной сваи, принимаемое равным 1 м;

F_2н - сопротивление под нижним концом сваи

F_2н = кs₁A, кН, (Е.18)

где к - экспериментальный коэффициент при диаметре сваи 1 м ³ d ³ 0,5 м, равный 3;

А - площадь подошвы сваи, м²;

s₁ - определяется по формуле (Е.13).

Значения характеристик грунта определяются в замоченном состоянии.

Несущая способность буронабивной сваи с уширенной пятой определяется по формуле

F_dy = g_c(F_1у + F_2у), кH, (Е.19)

где g_c - то же, что и в формуле (Е.16);

F_1у - сопротивление на участке ствола сваи l₀ + l_у, определяемое как для забивной сваи по формуле (Е.2), причем

l_у = l - а - l₀, м, (Е.20)

где l - длина сваи до начала уширения;

а и l₀ принимаются такими же, как для набивной сваи без уширенной пяты.

F_2у = кs₁A_у, кН, (Е.21)

где к - экспериментальный коэффициент, равный 2 при 3,5 ³ d_у/d ³ 2 и 1 м ³ d ³ 0,5 м, при длине сваи не более 20 м;

d_y - диаметр наибольшего поперечного сечения уширенной пяты, м;

s₁ - определяется по формуле (Е.3);

А_у - площадь наибольшего поперечного сечения уширенной пяты, м².

Е.3 Сваи по несущей способности грунтов основания в грунтовых условиях II типа следует рассчитывать с учетом сил отрицательного трения исходя из условия

(Е.22)

где N - расчетная нагрузка, кН, на одну сваю;

F_d - несущая способность сваи, кН, определяемая в соответствии с Е.5;

g_k - коэффициент надежности;

g_с - коэффициент условия работы сваи, значение которого принимают в соответствии с 9.10;

Р_n - отрицательная сила трения, определяемая в соответствии с Е.4.

Примечания

1 Значение Р_n следует определять, как правило, для полностью водонасыщенного грунта (при возможном замачивании грунтов сверху).

2 По прочности материала сваи должны быть рассчитаны на нагрузку N + Р_n.

Е.4 Отрицательную силу трения Р_п в водонасыщенных грунтах, действующую по боковой поверхности сваи, кН, принимают равной наибольшему предельному сопротивлению сваи на длине h_sl, отсчитываемой от поверхности земли до нейтрального слоя. Выше этого слоя по боковой поверхности сваи действует отрицательное трение, а ниже - положительное сопротивление. Для определения положения нейтрального слоя строится график зависимости просадки S_sl (ось абсцисс) от глубины h (ось ординат) (рисунок Е.2).

Рисунок Е.2 - График зависимости S_sl = f(h)

Возможную величину просадки для каждого i-го слоя просадочного грунта под собственным весом вышележащей толщи см, определяют по формуле

(E.23)

где ε_sl,i - относительная просадочность, определяемая для каждого i-го слоя грунта, расположенного выше рассматриваемого слоя при природном давлении в середине слоя, по данным лабораторных компрессионных испытаний либо по результатам осадок глубинных марок в полевом испытании;

h_i - толщина i-го слоя просадочного грунта, см;

п - число слоев, на которые разбита просадочная толща, расположенная выше рассматриваемого слоя.

Глубину залегания нейтрального слоя h_sl определяют из условия

(Е.24)

где S_u - предельная деформация основания, назначаемая по СП 22.13330.

(Опечатка. Июнь 2011 г.)

Глубину h_sl находят на пересечении ординаты S_u для проектируемого здания или сооружения с кривой S_sl =f(h) (рисунок Е.2).

Сила отрицательного трения при нахождении нейтрального слоя на глубине h_sl определяется по формуле

(Е.25)

где k_от - коэффициент, снижающий полную силу сопротивления по длине сваи в расчетный момент, принимаемый по данным полевых исследований с некоторым запасом, равным 0,5;

- предельное значение сопротивления по боковой поверхности сваи на верхнем участке до нейтрального слоя h_sl, определяемое для однородного грунта по формуле (Е.2), а для слоев с разными характеристиками - по формуле (Е.7). При этом l₂ £ h_sl – l₀ - а (рисунок Е.1).

В период активной просадки грунта нейтральный слой смещается вниз до конечного положения, соответствующего началу периода стабилизации осадок грунта - h_sl.

Длину сваи при проектировании назначают на основе выполнения следующего условия

(Е.26)

где N - полезная нагрузка, приложенная к свае, кН;

Р_n - сила отрицательного трения, кН;

F_d - несущая способность сваи, определяемая по формуле (Е.1) или по данным статического испытания в условиях локального замачивания основания сваи, кН.

Если условие (Е.26) в рассматриваемом случае не удовлетворено, то сваю следует либо удлинить, либо изменить ее конструкцию.

Е.5 Несущую способность F_d, кН, свай в грунтовых условиях II типа по просадочности, работающих на сжимающую нагрузку, следует определять расчетом в соответствии с Е.2, Е.3 и Е.4 в условиях водонасыщенных грунтов основания сваи.

При этом следует использовать результаты статических испытаний свай с локальным замачиванием грунтов в основании сваи. Проведение их является обязательным при отсутствии фондовых материалов по таким испытаниям.

Е.6 В грунтовых условиях II типа по просадочности сваями следует прорезать все слои просадочных грунтов.

При длительном интенсивном замачивании грунтовой толщи сверху следует учитывать возможность развития деформационного явления со сжатием грунтов не только в просадочной части толщи, но и в подстилающем слое, как правило, водонасыщенного, но недостаточно плотного грунта. Критерием для определения толщины этого слоя служит условие

e ³ 0,03, (Е.27)

где e - относительное сжатие образца грунта в лабораторном компрессионном испытании под действием природного давления всей водонасыщенной толщи.

Возможность дополнительной осадки от сжатия подстилающего слоя следует учитывать в расчете свайного фундамента по деформациям.

Приложение Ж
(рекомендуемое)