Проблемы с эксплуатацией фундамента в районах морозного воздействия на почву возникают после примерзания элементов конструкции к грунту. Общий показатель силы воздействия пучения на фундамент зависит от изменения касательного напряжения при увеличении пятна контакта боковой стороны фундамента с мерзлым грунтом. Данные изменения происходят по-разному, в зависимости от конструкционных особенностей фундамента и глубины его залегания, значений температуры и влажности, типа грунта, его промерзаемости и пучинистости.
Мы попробуем провести сравнение свай двух различных конструкций по такой характеристике, как стойкость к действию силы пучения грунта и определить, какой тип свай является наиболее эффективным в таких грунтовых условиях.
По данным СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», прочность любого объекта, строящегося на основании, подверженном промерзанию, можно обеспечить, если выполнить необходимые условия:
Данные для анализа
Грунтовые условия: сильнопучинистый тугопластичный суглинок, имеющий плотность r = 1,95 т/м3.
Конструктивные характеристики свай
В данный момент основными типами конструкций винтовых свай можно считать две. I тип – лопастная свая, выполненная из металла – изготавливается из трубы с лопастью приваренной на конце. Диаметр ствола находится в соотношении с диаметром лопасти, не превышающем его треть. II тип – коническая свая со множеством витков в виде одной спирали на острие. Состоит из двух частей, пустых внутри, одна из которых имеет форму цилиндра, другая – конуса. Для расчета были выбраны сваи данных типов со следующими параметрами:
Вычисление действующих сил при грунтовом пучении проводят, исходя из требований СП 50-101-2004, где приведена следующая формула:
F — расчетная постоянная нагрузка, кН, при коэффициенте надежности по нагрузке Tf = 0,9;
γс — коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,1;
В фундаментах, в которых лопасть установлена за глубиной промерзания (тип 1), сила Frf, удерживает от пучения и является значением несущей способности винтовой сваи на выдергивание, на которое необходимо умножить коэффициент запаса (γn = 1.4). Показатель силы Frf, МН (кгс), которая ограждает фундамент (если его несущая способность создается путем работы его боковых поверхностей) от воздействия пучения, выявляется благодаря следующей формуле:
Расчет по сваям
Определим τfh — расчетное значение удельной касательной силы пучения. Т.к. грунт относится к сильнопучинистым, нормативное значение удельной касательной силы пучения τfhn при глубине до 1,5 м. составит 100 кПа. τfh = χ k0 τfhn = 0,8 * 0,8 * 130 = 83,2 кПа, где:
Тип 2
Свая конической формы, диаметром 0,114 м, длиной 2,5 м. Геометрические данные, которые понадобятся в расчетах: Длина цилиндрической части — 0,55 м. Диаметр цилиндрической части — 0,114м. Периметр цилиндрической части — 0,358 м. Длина конической части − 1,45 м Приведенный диаметр конической части — 0,114/2 = 0,057 м. Расчетный периметр конической части — 0,358/2 = 0,1797 см. Расчетное значение силы Fr,f, МН (кгс), удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его поверхности с непромерзшим грунтом, определяется по формуле (2): Fr = 30 кПа * 2 м * 0,17 = 10,2 кН = 1,02 тс. Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1): 83 кПа * 0,45 м2 = 37,35 кН = 3,74 тс — вертикальная выдергивающая сила. Условие не выполняется.
