Как рассчитать несущую способность сваи по материалу

Расчет ростверка

Важный показатель для строительства — количество свай в ростверке. Этот показатель напрямую влияет на способность конструкции правильно передавать нагрузку на основание и обеспечивать прочность фундамента.

Крепление ростверка к разным видам свай Количество свай в ростверке находят по формуле:

где:

• dp — заглубление ростверка;
• N0I — максимальное значение суммы нагрузок от веса здания;
• Yk — коэффициент надежности;
• F — максимальная нагрузка на одну сваю;
• A — площадь ростверка;
• Ymt — усредненный вес ростверков и грунта на его обрезах.

Полученное в результате вычислений число округляется всегда в большую сторону до целого значения.

Сваи распределяют согласно правилам:

• В шахматном порядке, в два ряда или в одну линию с равными промежутками;
• Расстояние между соседними сваями не менее трех их диаметров;
• Минимальное расстояние от края ростверка до ближайшей сваи равно одному ее диаметру;
• При возникновении только вертикальных нагрузок сваи заглубляют в ростверк всего на 5–10 см, в иных случаях соединение делают более надежным и дополнительно рассчитывают.

При расчетах ростверков инженеры работают, основываясь на СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции».

Несущая способность – что это такое, факторы, влияющие на ее значение, виды свай

Несущая способность характеризует степень стойкости свайной опоры к деформациям под действием оказываемых на нее разносторонних нагрузок – без изменений в ее структуре и потери свойств. Характер и величина факторов воздействия складывается из двух основных составляющих:

1. Массы надземной части сооружения.
2. Характеристик грунта – структура, плотность, степень увлажненности.

Поэтому в зависимости от набора действующих факторов и их особенностей в каждом конкретном случае для основания дома подбирается определенное количество свайных элементов. При этом учитывается материал и конструкция применяемых опор. В частном домостроительстве наибольшее распространение получили следующие виды свай:

• Забивные.
• Винтовые.
• Буронабивные.

Забивные железобетонные опоры монтируются в грунт путем забивки молотом, вибро-погружными установками или специальными вдавливающими устройствами без выемки породы. Винтовые металлические аналоги просто вкручиваются в почву. Буронабивные устанавливаются методом бетонирования предварительно подготовленной скважины.

Схема винтовых свай для фундамента дома Источник k-dom74.ru

По характеру взаимодействия с грунтом сваи делятся на два типа:

1. Сваи-стойки, опирающиеся на твердые скальные породы. Основная нагрузка передается на пяту.
2. Висячие сваи – опираются всей площадью поверхности на сжимающее вокруг окружающие слои грунта.

Нагрузки на грунт

В конечном счете, давление от здания, передающееся на сваю, передается на грунт. Поэтому несущая способность сваи – это не только способность материала сваи выдержать те или иные нагрузки, а величина, связывающая как прочность самой сваи, так и прочность грунта.

Несущая нагрузка опоры в общепринятом смысле – это такое давление, которое выдерживает свая от элемента стоящего на ней здания без ее продвижения вглубь грунта. Другими словами – это способность опоры уравновешивать давление от веса здания и силу сопротивления грунта.

Существует несколько методов определения несущей способности сваи:

• Расчетный (теоретический)
• Динамический
• Пробный

Теоретический метод основан на табличных данных СНиП 11-17-77. В них приведены примерные значения несущей способности той или иной сваи в зависимости от того или иного грунта.

Приведем алгоритм расчета несущей способности сваи. Геологические испытания грунта на участке позволяют определить сопротивляемость грунтов. Для этого нужно знать состав грунта на той глубине, на которую погружается свая.

Табличные данные, полученные опытным путем, дают возможность оценить сопротивляемость того или иного грунта, то есть его несущую способность.

Приведем некоторые табличные значения из данных по сопротивлению глиняных и песчаных грунтов, наиболее распространенных для возведения зданий (в кг/см2):

Суглинки и супеси – 3-4

Пески средние – 15

Пески мелкие – 8

Пески пылеватые — 5

Насыпной грунт без уплотнения – 1

Насыпной грунт с уплотнением – 1.5

Сила F, с которой лопасть сваи давит на грунт, определяется по формуле:

S – площадь опоры, т.е. лопасти

Ro – прочностная характеристика грунта

Площадь опоры приблизительно берется равной площади лопасти, в проекции, без учета ее изгиба. Упрощенно для расчета площади берется радиус лопасти, а площадь круга высчитывается по известной формуле S=пR2.

Обычно для свай различных диаметров лопасти выполняются по одним стандартам, т.е ширина лопасти увеличивается с увеличением диаметра трубы. Общепринятые стандарты для лопастей:

1. Для трубы 89 мм – 250 мм
2. Трубы 108 мм – 300 мм
3. Трубы 133 мм – 350 мм

Следует отметить, что с углублением плотность грунта возрастает, что также вносить изменения в расчеты.

Для упрощения расчетов можно воспользоваться следующей таблицей для наиболее распространенных свай с диаметром 89 и 108 мм с лопастью 300 мм:

Тип грунта	Несущая способность сваи при глубине залегания
1,5 м	2,0 м	2,5 м	3,0 м
Полутвердая глина	4,7	5,4	6,0	6,7
Мягкая глина	3,7	4,4	5,0	5,8
Тугопластичне суглинки	3,9	4,6	5,3	6,0
Песок средний	9,7	10,4	11,1
Песок мелкий	6,3	7,0	7,7
Песок пылевидный	4,9	5,6	6,3

Виды свай

Существует несколько классификационных признаков буронабивных свай.

Так, по особенностям конструкции они делятся на:

• цилиндрические сваи. Имеют форму правильного цилиндра и сечение, одинаковое на всю длину конструкции;
• сваи с опорной подошвой. Главный характерный признак – больший диаметр нижней части сваи. Подобные конструкции имеют несколько большую устойчивость и несущую способность.

По технологии обустройства буронабивные сваи делятся на:

• сваи, выполненные без оболочки. Данный вариант может применяться только в условиях крайне устойчивых и не склонных к обрушению или осыпанию грунтов, а также тогда, когда уровень грунтовых вод минимален;
• сваи, выполненные с применением извлекаемой или несъемной оболочки. Может применяться практически везде, в большинстве случаев используется съемная или извлекаемая оболочка в виде обсадной трубы.

Достаточно часто буронабивные сваи используются в комбинированных фундаментах совместно с последующим устройством ростверка. По месту его расположения разделяют фундаменты:

• с низким заглубленным в почву ростверком. Обычно опускаются в грунт ниже уровня промерзания, благодаря чему приобретают повышенную несущую способность;
• с обычным ростверком, находящимся прямо на грунте;
• с высоким ростверком, понятым над поверхностью земли. Высота подъема может варьироваться и составлять 20-30 см. Часто применяется при строительстве частных домов на сложном рельефе местности.

Пример выполнения буронабивных свай с ростверком приведен на следующем видео:

Достоинства фундамента на сваях

Использование буронабивных свай при устройстве фундамента позволяет получить ряд преимуществ:

низкая стоимость работ при одновременно высокой несущей способности и надежности конструкции;
возможность применения практически на любом типе грунта;
длительный срок эксплуатации (не менее 100 лет);
возможность проведения работ в сжатые сроки и даже в холодное время года (при использовании специальных добавок в процессе бетонирования);
отсутствие динамически нагрузок на грунт, что позволяет использовать технологию рядом с существующими зданиями и сооружениями или для усиления требующих этого конструкций фундамента;
возможность сохранить существующее благоустройство в виду отсутствия применяемой тяжелой техники (при частном строительстве)

Также важно то, что при этом варианте возможно выполнение работ своими руками, без привлечения профессиональных строителей.

Перечисленными плюсами достоинства технологии возведения фундаментов с использованием буронабивных свай не исчерпываются, однако и этого перечня достаточно для того, чтобы понять причину популярности данной технологии.

Недостатки фундамента

Как и у любой применяемой технологии, у буронабивных свай также присутствуют определенные минусы:

• относительно большой перерасход бетона, связанный с тем, что почва рядом с изготавливаемыми сваями не уплотняется;
• большое количество трудоемких ручных процессов и достаточно серьезная технологическая сложность производства работ;
• необходимость тщательного контроля над всеми этапами изготовления буронабивных свай;
• сильная зависимость несущей способности свай от качества бетона и свойств грунта (информацию о качестве бетона, а также дополнительным требованиям к бетону и его наполнителям можно узнать из этой статьи), что приводит к заложению дополнительного запаса по надежности и, соответственно, еще большему расходу бетона.

Как рассчитать количество свай для фундамента

Правильный расчет количества используемых свай нуждается в предварительной геодезической разведке. Прежде всего, необходимо рассчитать уровень промерзания грунта в зимний период, учитывая, что данный показатель отличается в разных регионах. Для прочной установки сваи ее нижний конец должен находиться ниже этого уровня.

А также необходимо выяснить степень плотности слоев грунта. Чем выше плотность, тем меньшую глубину сваи следует закладывать на этапе проектирования. К примеру, для полускальных и крупноблочных пород она будет минимальной (но не меньше 0,5 метра), а для песчаных и глинистых грунтов придется углубляться по максимуму.

1. Вычисление потенциальной предельной нагрузки на сваи

Перед началом расчета количества свай для фундамента следует выяснить несущую способность отдельной сваи. Общий вид формулы выглядит следующим образом:

В этом случае W является искомой фактической несущей силой, Q – расчетное значение несущей силы, рассчитанное для отдельной сваи по материалу, размерам и характеристикам грунта; k – дополнительный «коэффициент надежности», расширяющий эксплуатационный запас фундамента.

2. Вычисление расчетной нагрузки на сваи

Далее нам необходимо найти параметр Q, без которого расчет свайного фундамента невозможен. Расчетная нагрузка определяется по формуле:

Где S равно площади поперечного сечения лопастей сваи, а Ro – это показатель грунтового сопротивления на глубине размещения лопастей. Сопротивление грунта можно брать из готовой таблицы:

Таблица 2

Что касается «коэффициента надежности» условного фундамента, его величина может варьироваться в пределах 1,2-1,7. Логично, что чем меньше коэффициент, тем ниже себестоимость фундамента на этапе проектирования, поскольку для достижения заданного значения несущей силы не потребуется использования большого количества свай. Чтобы уменьшить коэффициент следует провести качественный и достоверный анализ грунта на стройплощадке, привлекая специалистов.

3. Расчет нагрузки от конструкции здания

На завершающем этапе проектирования свайного фундамента проводится расчет количества свай. Для этого потребуется просуммировать все элементы конструкции здания: от капитальных стен и перекрытий, до стропильной системы и кровли. Провести точное вычисление всех компонентов довольно сложно, поэтому рекомендуем воспользоваться одним из специализированных калькуляторов. И также в калькулятор расчета вносятся эксплуатационные нагрузки, включающие предметы интерьера, мебель, бытовую технику и даже проживающих в доме людей.

4. Подсчет требуемого количества свай

Перед тем как рассчитать количество задействованных свай нам нужно получить на предыдущих этапах две величины: совокупную массу здания (M) и несущую способность сваи (W) умноженную на «коэффициент надежности». Значение несущей способности можно взять из Таблицы 1. Итак, если масса равна 58 тонн, а скорректированная несущая способность сваи СВС-108 равна 3,9 тонн, то:

Как показал пример расчета, для дома весом в 58 тонн потребуется 15 свай марки СВС-180. Следует отметить, что это значение приблизительно и не учитывает правила точного распределения свай согласно СНиП:

• Первые должны быть установлены в точках пересечения несущих конструкций;
• Остальные монтируются равномерно между обозначенными углами;
• Минимальное расстояние между отдельными сваями 3 метра;

5. Глубина установки свай и расстояние между ними

Базовое значение глубины установки сваи рассчитывается исходя из глубины промерзания грунта в конкретно регионе, плюс 25 сантиметров. И также перед тем как рассчитать свайный фундамент, необходимо выяснить:

• Уровень прочности сваи по материалу и конструкции;
• Несущую способность грунта;
• Провести расчет осадки свайного фундамента, со временем возникающей под нагрузкой здания;
• Дополнительные параметры (температурный режим в течение года, объем осадков, нагрузки от ветра и др.).

Формула Терцаги

Формула Терцаги описывает закономерность уплотнения грунтов и их компрессионное сжатие. Для исследования грунтов редко выбирают метод трехосного сжатия ввиду его сложности, метод одноосного сжатия можно применять лишь к узкому кругу грунтов. Именно поэтому Терцаги рассматривает одноосное сжатие в жесткой таре, где стенки не дают образцу деформироваться.

По мере уплотнения, то есть сокращения объема полостей, давление возрастает. В результате становится понятно, то сумма деформаций образца составляется из пластической и остаточной деформации. (ξ1= ξp+ ξв)

Рис. 4 График нагружения грунта

При выполнении повторного нагружения основанию передаются только упругие деформации.

Способы вычисления несущей способности по различным параметрам

Несущая способность сваи зависит от целого ряда параметров. Главные из них – материал опоры и виды грунта, с которыми она контактирует при заглублении. Опираясь на данные характеристики можно легко рассчитать необходимое количество элементов свайного фундамента и их геометрические параметры.

Свайные фундаменты

Среди получивших наибольшее распространение в частном домостроении можно выделить следующие свайные фундаменты:

• На винтовых сваях;
• На забивных опорах;
• С помощью буронабивных свай.

Каждый вариант хорош в тех или иных случаях и может использоваться при строительстве зданий различной конструкции и этажности.

Расчет фундамента на винтовых сваях

Винтовые сваи представляют собой стальные трубчатые опоры, оснащенные в нижней части лопастями, облегчающими процесс внедрения в грунт. Для строительства домов используют элементы диаметром 133, 108 и 89 мм. Более тонкие сваи можно применять для монтажа легких конструкций типа беседок и террас.

Фундамент на винтовых сваях

Несущая способность сваи с лопастями зависит от следующих параметров опоры:

1. Диаметра трубы;
2. Длины трубы, погруженной в почву;
3. Диаметра лопастей, распределяющих конечную нагрузку на грунт.

Даже трубы самого большого диаметра не позволяют использовать их для строений из таких сравнительно тяжелых строительных материалов, как кирпич и бетонные стеновые блоки. Для соответствия нагрузке дома даже на таких мощных почвах, как глиняные шаг установки винтовых свай может составлять 0,3 метра, что невыгодно с точки зрения технологии и экономики строительства.

Особенности фундамента на забивных сваях

Максимально возможная несущая способность забивной сваи позволяет широко использовать подобный вид фундаментов даже при строительстве многоэтажных жилых домов. Это способствует их распространению при возведении конструкций высотой до 40-60 метров.

Применение специализированной строительной техники позволяет использовать опоры, длина боковой поверхности которой может составлять десятки метров. Забитая свая нижним концом опирается на высокопрочные скальные породы, передавая им нагрузку от конструкции дома. Прочность материала опоры достаточна для сохранения ее целостности под такой высокой нагрузкой.

В частном домостроении фундамент на забивных сваях распространен очень слабо. Связано это с высокой стоимостью аренды пневматического забивного оборудования и его операторов. Только в крайних случаях строительные инженеры склоняются в пользу такого вида фундамента для двухэтажных частных домов.

Буронабивные сваи – оптимальный вариант фундамента

Буронабивные сваи аналогичны забивным, но монтаж тела опор осуществляется непосредственно на месте строительства. Для этого в грунте бурится отверстие, в которое опускается полая цилиндрическая опалубка в виде труб. Внутрь устанавливается стальной усиливающий каркас и полость заполняется бетоном. Для увеличения несущей способности сваи возможно изготовление ее нижнего конца в виде полусферического или конического расширения.

Важный аспект – материал, из которого изготовлена опора и способ ее изготовления. Максимальная величина характерна для железобетонных заводских стоек. Несущая способность сваи по материалу в расчетах характеризуется коэффициентами, величина которых определяется по соответствующим таблицам.

Фундамент на буронабивных сваях

В процессе бурения первого или пробного шурфа на месте строительства необходимо как можно тщательнее изучить имеющиеся слои грунта, ибо каждый из видов почв обладает различной несущей способностью сваи. Конкретные цифры по каждому виду почв легко найти в соответствующем ГОСТе, который называется «Грунты. Классификация». Эти величины учитывают, когда определяется несущая способность сваи по грунту.

Буронабивная свая, как и забивная, благодаря плотной посадке в почву нагрузку от конструкции дома передает не только своим нижним концом, но и по всей боковой поверхности. Это отличает их от свайных опор и служит неоспоримым преимуществом. Для более тщательного изучения технологии расчета несущей способности сваи рассмотрим ее на конкретном примере.

Прочность трубы на сжатие

Почему в качестве опор для строительства выбираются металлоконструкции в виде трубы? Она имеет замкнутый контур, что придает опоре повышенную жесткость по сравнению с открытыми контурами швеллера или уголка. При равной массе металла конструкция трубы жестче, следовательно, расходы на трубные опоры оказываются ниже.

Существуют методики определения жесткости тех или иных труб, позволяющие выбрать их в качестве опор свайного фундамента.

В результате расчетов оптимальными для возведения фундаментов признаны трубы, выполненные из конструкционных марок стали, диаметром от 73 до 300 мм, с толщиной стенки от 4 мм для самых мелких труб. Чаще всего берутся рядовые трубы со сталью 20, как наиболее распространенные на рынке.

Большое значение имеет замкнутость и надежность контура трубы

Важно отметить, что для свай рекомендовано использовать только бесшовные трубы

Расчет несущей способности сваи в конкретных условиях.

Перед началом строительства дома из пеноблоков были проведены исследования грунта на глубине 3 метров. Результаты показали следующее распределение почв:

• 0-2 метра – суглинистые почвы;
• 2-3 метра – глинистые почвы.

Расчет несущей способности сваи по грунту зависит от параметров самой опоры. В соответствии со Строительными правилами «Свайные фундаменты» предположим первоначально ее длину 3 метра. Минимальный рекомендуемый диаметр для таких опор составляет 300 мм.

Исходя их геометрии и почвенных условий, можно рассчитать несущую способность сваи по ее торцевой части и боковой поверхности. Для этого высчитаем площадь нижнего конца опоры:

Sторца=3,14D2/4=3,13*0,3*0,3/4=0,07,

где D – диаметр круга. Следующий параметр, необходимый для определения несущей способности свай – периметр опоры:

U бок=2*3,14*R=2*3,14*0,15=0,94.

Исходя из перечисленного, несущая способность буронабивной сваи по грунту будет определяться по следующей формуле:

Pтор=0,7Pнорм*S=0,7*90*0,07=4,41т,

где Pтор – несущая способность по торцу сваи, 0,7 – общепринятый коэффициент по грунту, Pнорм – нормативная несущая способность (табличная величина из соответствующих справочников), S – площадь основания. Аналогично рассчитаем несущую способность буронабивной сваи по ее боковой поверхности:

Pбок=0,8*U*fiн*h,

где Pбок – несущая способность по боковой поверхности сваи, 0,8 – коэффициент по условиям работы сваи в почве, U – периметр боковой поверхности, fiн – сопротивление грунта воль боковой поверхности (также табличная величина, зависящая от вида грунта и глубины его расположения), h – высота того или иного слоя грунта, через который проходит свая. Подставляя известные и рассчитанные величины получим:

Pбок=0,8* (2,8*2 + 4,8*1)*0,942=7,8т.

Исходя из проведенных вычислений, можем выполнить определение несущей способности свай. Для этого достаточно суммировать Рбок и Ртор:

Р=Рбок+Ртор=4,41+7,8=12,21т.

То есть каждая свая с указанными выше параметрами в том грунте, который располагается в зоне строительства согласно нашему примеру, способна выдержать нагрузку в 12 тонн 210 кг. Исходя из этой величины, необходимо рассчитать необходимое и достаточное количество опор буронабивного фундамента. Для этого определим общую массу строения.

Пример расчета несущей способности свай

Вес дома определяется как сумма веса всех входящих в него частей – перекрытий, перегородок, стен, стропильной системы, кровельного материала, переменной нагрузка от снега и ветра, массы отделки снаружи и внутри строения, а также предполагаемой к установке в доме мебели и бытовой техники. Предположим, что посчитав все искомые величины, получили общую массу строения, равную 124 тонны.

Следующий необходимый параметр – длина стен и перегородок, под которыми предполагается установка свай. Данная величина позволит распределить опоры дома равномерно с равным шагом. Предположим, что длина стен составила 29 метров. Тогда нагрузка на 1 п.м. будет определяться по формуле:

Q=124/29=4,3 т.

Шаг установки опор определим как отношение несущей способности сваи на величину Q:

L=P/Q=12,21/4,3=2,8

Используя полученные данные, рассчитаем и количество опор буронабивного свайного фундамента через отношение периметра стен к шагу установки опор:

N=29/2,8=10,3.

Принимаем ближайшее большее количества для получения определенного запаса прочности фундамента.

Таким образом, даже не обладая необходимым инженерным строительным образованием можно самостоятельно рассчитать несущую способность свай фундаментов того или иного вида, а также шаг установки опор и их количество. Необходимо это и для контроля работ, проводимых нанятой строительной бригадой, и для предварительного экономического расчета расходов на строительство основания дома.

Способы определения несущей способности сваи

Существует несколько методов, как произвести подобные расчеты. К ним относятся:

Расчетный метод. Он не отличается высокой эффективностью, но применяется довольно часто, так как в отличие от других довольно простой.Пробные статические нагрузки. Крайне эффективная методика, но она требует много времени и сил.

Довольно часто применяется профессионалами.Динамическое испытание. Производится посредством нескольких ударов молотка по установленным сваям, после чего фиксируется осадка. Преимуществом такого способа является то, что его можно использовать непосредственно на строительном участке, но в отличие от предыдущего метода, он не столь эффективен.Зондирование.

Этот способ подразумевает комбинирование статического и динамического метода. Он производится путем регистрации данных несущей способности на поверхность базис с заранее установленных специальных датчиков. Оборудование стоит довольно дорого, поэтому такие вычисления зачастую выполняются только специалистами.

Расчетный способ часто используется простыми обывателями, так как для этого не потребуется специального оборудования или большого количества опыта. Понадобится лишь собрать определенные данные, которые пригодятся для расчетов. Остальные методики также могут использоваться, но для их реализации понадобятся знания и приспособления, которые у новичков в строительном ремесле зачастую отсутствуют.

Чтобы увеличить количеству знаний по теме вычисления несущей способности свай, рекомендуется к просмотру следующее видео.

По мере увеличения количества столбов для базиса, увеличивается и его прочность.