Как выполнить расчет несущей и допустимой способности винтовых свай

На запас прочности опорного столба влияет его длина и диаметр. Пример зависимости этих показателей можно увидеть в таблице 1.

Таблица 1. Несущая способность винтовых свай.

Диаметр, мм	Н/С, т	Длина опоры, м
89,0	4	2,5
108,0	7	2,5
133,0	8,5	2,5

Большое значение для расчетов имеет тип грунта на участке застройки, глубина залегания плотного несущего слоя, уровень промерзания почвы. При проектировании фундамента нужно подбирать такое количество стержней, чтобы проектная нагрузка на основание была меньше табличной, то есть обязательно должен быть запас прочности.

Основные составляющие расчетов нагрузки на сваи:

• диаметры ствола и лопастей;
• длина свайной конструкции;
• характеристики грунта. 

Самый простой способ расчета выполняется при помощи формулы H = F / уk, где:

• H — вес, который выдерживает свайная конструкция;
• F — «чистая» нагрузка;
• уk — поправочный коэффициент.

Коэффициент надежности зависит от количества столбов в свайном поле, нагрузки на почву. Для определения поправочного коэффициента используют следующие данные:

• Коэффициент 1,2. Его используют в том случае, если были проведены точные геологические исследования с зондированием почвы, сбором образцов, лабораторными исследованиями грунта. Этот способ редко используют при строительстве частных домов из-за высокой стоимости геологической экспертизы.
• Значение 1,25. Такой коэффициент используется если было проведено пробное бурение. Сваю-эталон вкручивают в нескольких точках на участке застройки. Таким способом определяют глубину залегания несущего пласта, его толщину. Для выполнения пробного бурения нужны практические навыки, а также определенные познания в области геологии.
• Значение 1,75. Этот показатель применяется при самостоятельном исследовании грунта и использовании справочных данных. Он подходит для свайных фундаментов при количестве опорных столбов до 22 штук. 

Для частного строительства лучше применять 2 способ, поскольку провести полноценную геологическую экспертизу своими силами невозможно. 

Чтобы рассчитать неоптимизированную несущую нагрузку нужно выполнить вычисления по следующей формуле F = S x Rо, где Ro это прочность основания, а S — площадь лопасти. Ее вычисляют по специальной формуле или используют исходные данные, которые предоставляют изготовители винтовых свай.

Таблица 2. Размеры и вес свайных конструкций. 

Диаметр столба, мм	Диаметр лопасти, мм	Длина, м	Вес, кг	Толщина стали (ствол), мм	Толщина стали (лопасть), мм
89,0	250,0	3,0	24,1	3,0-3,5	4,0
108,0	300,0	3,0	34,9	3,5-4,0	5,0
133,0	350,0	3,0	44,6	4,0-4,5	5,0

При определении длины опорных конструкций нужно учитывать тип грунта и особенности климата данной местности. Поскольку сваи вкручивают ниже точки промерзания необходимо знать на какую глубину промерзает почва. Средние показатели для Москвы и Московской области:

• глинистые почвы и суглинки — 135 см;
• песчаные — от 164 до 176 см;
• каменистые — 200 м.

Для определения прочности основания (Ro) применяют табличные данные.

Таблица 3. Тип почвы и ее несущая способность.

Тип грунта	Rо на глубине 150 см и более, кг/см2
Галька с включениями глины	4,5
Гравелистый с включениями глины	4,0
Песчаные почвы (крупная фракция)	6,0
Песчаные почвы (средняя фракция)	5,0
Песчаный (мелкая фракция)	4,0
Пылеватый песок	2,0
Глинистые почвы и супеси	3,5
Вязкие глинистые почвы	6,0
Просадочный грунт или насыпное основание (с уплотнением)	1,5
Насыпной грунт (без уплотнения)	1,5

Данные из таблиц подставляют в формулу и находят ориентировочную нагрузку на основание.

Полученное число умножают на коэффициент надежности и определяют проектную нагрузку на один опорный столб.

Более точное значение можно получить, используя множество коэффициентов: от глубины залегания лопастей и силы бокового трения до характера работы опоры, величины выдергивающих или сжимающих сил. Чтобы упростить работу используют данные из таблиц.

Таблица 4. Несущая способность одной свайной опоры (Ф ствола 108 мм, Ф лопасти 300 мм).

Тип почвы	Несущая способность сваи в кг при глубине залегания лопасти, см
	150	200	250	300
мягкопластичная лессовая	2200	2900	3600	4300
полутвердые глинистые	4700	5400	6000	6700
тугопластичные глинистые	4200	4900	5600	6300
мягкопластичные глинистые	3700	4400	5000	5800
полутвердый суглинок	4400	5100	5800	6500
тугопластичная суглинистая	3900	4600	5300	6000
мягкопластичная суглинистая	3500	4200	4800	5500
песчаные (крупная и средняя фракция)	—	9700	10400	11100
песчаные (мелкая фракция)	—	6300	700	7700
пылеватый песок	—	4900	5600	6300

Запас прочности свайных опор диаметром 108 мм позволяет использовать их в качестве основания для строительства каркасных, бревенчатых, брусовых домов в один этаж. Для двухэтажных построек, а также сооружений из кирпича и блока используют сваи большего диаметра.

Несущая способность винтовой сваи 57, 76, 89, 108, 133, 159, 89, 219

Несущая способность винтовых свай диаметров 108, 133, 159, 89 и 219 мм достаточна для того, чтобы с их помощью возводить фундаменты для различных типов сооружений. При строительстве необходимо рассчитать их характеристики прочности.

Определение нагрузки – это важный этап в проектировании. Если при расчёте будет допущена ошибка, то вряд ли получится правильно выбрать расстояние между элементами или сечение столбов. Ошибки ведут к потерям устойчивости и возникновению значительного перекоса здания, что грозит образованием трещин и повреждениям дома. Прочность – одна из основных характеристик фундамента.

Показатели влияющие на допустимую нагрузку

Величина наибольшего допустимого давления на конструкцию фундамента – его запас прочности, который всегда выше действующих на него сил. Равность этого показателя не допускается, поскольку должен быть предусмотрен запас прочности на случай развития форс-мажорной ситуации.

Допустимое давление на одну опору зависит от:

• Радиуса и оперения;
• Длины;
• Плотности и стабильности почвы;

Несущая способность винтовой сваи 89 мм, рассчитывается просто: для этого необходимо знать величину F не оптимизированной нагрузки. Вычисления проводятся с учётом коэффициента yk надёжности, который зависит от числа свай для сооружения и метода проведения геологических изысканий. N=F/yk

Коэффициент yk соответствует значениям:

• 1,2 в случае проведения точного испытания почвы методом зондирования. Метод отличается высокой стоимостью и поэтому малопригоден в частном домостроении, поскольку значительно увеличивает затраты на строительство;
• 1,25 при испытаниях с применением детали-эталона. Метод более простой, чем предыдущий, но чтобы его применить, потребуются знания в сфере геологии;
• При самостоятельном изучении почвы и применении табличных величин прочности yk берётся в зависимости от числа опор. Для деталей с низким ростверком несущая способность определяется исходя из коэффициента 1,4–1,75 при числе свай от 5 до 20 штук.

Важно!

Самый практичный – второй способ, поскольку полноформатные исследования дороги по стоимости, а изучить грунт на глубине вкручивания самостоятельно почти невозможно.

Надежности сваи 108 мм достаточно для того, чтобы с помощью таких элементов возводить здания высотой свыше одного этажа. Для опоры массивного дома из кирпича или бетона на фундамент, может потребоваться много столбов большого диаметра. При этом не каждая компания имеет специалиста, который может рассчитать массивный дом на столбах, поэтому целесообразнее делать другие виды оснований.

Данные для упрощённого расчёта

Исходная информация для определения характеристик под двухэтажный деревянный дом размером 5 на 5 метров:

• На участке глинистый грунт;
• Учитывается несущая способность винтовой сваи 133 мм. Диаметр лопасти– 300 мм;
• Вес дома составил 48 тонн – с учётом перекрытий, полезной и снежной нагрузки;
• Периметр стен – 20 м.

С помощью таблиц определяется устойчивость почвы, которая для глины равняется 6,0 кг/см². Коэффициент yk берется 1,75, что обеспечивает запас по надёжности. Далее рассчитывается площадь лопастей основания конструкции:

S = πR² = 3,14*15²=706,5 см² (величина радиуса лопасти по формуле принимается в сантиметрах).

Не оптимизированная надёжность конструкции находится так:

F=S*Ro=706,5*6,0=4239 кг.

Рассчитывается допустимая нагрузка:

N=F/yk=4239/1.75=2400 кг.

Определяется меньшее число свай, способных удержать строение:

48/2,4=20 штук.

В завершении расчётов для фундамента, определяется шаг между опорами. Чтобы узнать шаг, необходимо длину дома разделить на количество свай:

20м/20=1м – наибольший шаг между элементами.

Для относительно небольшого дома вышло 20 свай – много. Это связано с тем, что по умолчанию не проводились геологические исследования и yk=1,75. Если выполнить изыскания эталонным вкручиванием, то может оказаться, что деталей необходимо 13-15 штук, а это значительная экономия. Индивидуально устанавливается, что выйдет дешевле в строительстве дома – специальные исследования или простые вычисления и перестраховка по числу опор.

Вычисление надежности – часть расчёта при проектировании. Как указано выше, на этом расчеты не заканчиваются. Конечными результатами подсчетов будут такие данные: шаг, сечение, расстановка под стенами и длина.

3 метода определения мощности спиральной сваи (и почему вам следует использовать 2)

Несущая способность винтовых свай и анкеров может быть определена тремя способами — несущей способностью в грунте, корреляцией крутящего момента или испытанием под нагрузкой/прямым измерением.

Несущая способность винтовых свай определяется тремя способами. Используемые методы определяются доступной информацией. Грузоподъемность винтовой сваи должна быть равна или превышать расчетную нагрузку, которую свая должна выдерживать.

 

МЕТОД 1: НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ В ГРУНТЕ

Это теоретический метод, для которого в качестве входных данных требуются данные о прочности грунта.

Необходимая информация о несущей способности получена из отчетов о грунтах и ​​журналов бурения грунта. В отчете о почвах содержится такая информация, как классификация почв, профиль почвы, грунтовые воды, удельный вес и любые примечательные результаты, которые наблюдал бурильщик. Почвы обычно классифицируются как мелкозернистые или зернистые. Мелкозернистые почвы представляют собой глины и илы. Зернистые почвы представлены песками и гравием. Данные о прочности грунтов обычно получают во время бурения в результате стандартного испытания на проникновение в соответствии с ASTM D-1586 или в результате лабораторных испытаний образцов, взятых из скважины.

Несущая способность грунта определяется с использованием хорошо зарекомендовавших себя инженерных принципов и методов проектирования. Эти методы были включены в программное обеспечение HeliCAP® v3.0 для проектирования спиральной емкости. Разработанный инженерами Hubbell и CHANCE, HeliCAP рассчитывает теоретическую грузоподъемность и установочный крутящий момент винтовых анкеров и свай в грунте. Пользователь вводит данные о прочности грунта и конфигурации винтовых анкеров/свай, а программное обеспечение быстро предоставляет информацию о грузоподъемности.

 

МЕТОД 2: КОРРЕЛЯЦИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

Второй метод – это корреляция крутящего момента. Это эмпирический метод, что означает, что он основан на наблюдениях и опыте. Крутящий момент связан с грузоподъемностью с помощью простого множителя и часто используется, когда информация о грунтах ограничена или отсутствует. Корреляция крутящего момента также известна как отношение крутящего момента к предельной удерживающей способности.

Этот метод был разработан на основе более чем 50-летнего опыта и наблюдений инженеров и клиентов компании CHANCE. Принцип заключается в том, что по мере того, как винтовая свая устанавливается (ввинчивается) во все более плотный/твердый грунт, сопротивление установке или крутящий момент будет увеличиваться. Аналогичным образом, чем выше крутящий момент при установке, тем больше осевая нагрузка установленной винтовой сваи.

Связь между установочным крутящим моментом и предельной грузоподъемностью выражается простой формулой: Q _ult = K _t x T

Коэффициент крутящего момента (Kt) используется в качестве множителя в зависимости от типа и размера ствола винтовой сваи. Коэффициент крутящего момента Kt обратно пропорционален размеру ствола, то есть чем больше ствол винтовой сваи, тем меньше коэффициент крутящего момента Kt. Винтовые сваи CHANCE типа SS или квадратного вала имеют самый большой коэффициент крутящего момента; это означает, что тип SS обеспечивает большую грузоподъемность при заданном крутящем моменте при установке.

МЕТОД 3: ИСПЫТАНИЕ НА НАГРУЗКУ / ПРЯМОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

Третий метод – это прямое измерение несущей способности путем проведения полномасштабного испытания под нагрузкой на установленной винтовой свае. Нагрузочный тест — самый точный способ определения емкости, но и самый дорогой.

Стандартная реактивная рама установки для испытаний на сжимающую нагрузку состоит из центральной нагрузочной балки и двух распорных балок. Рама удерживается реактивными анкерами, расположенными по углам распорных балок, как показано на рисунке. Гидравлический домкрат, применяющий сжимающую нагрузку, расположен под нагрузочной балкой и опирается на испытуемую винтовую сваю.

Во время теста компрессионная нагрузка применяется постепенно и удерживается в течение определенных интервалов времени. Применяемая процедура испытаний в целом соответствует стандартному методу испытаний свай ASTM D1143 под действием статической осевой сжимающей нагрузки. Испытание под нагрузкой продолжается до тех пор, пока не будет достигнута предварительно определенная максимальная испытательная нагрузка, или свая не сможет выдерживать дальнейшее нагружение. Осадка или перемещение сваи измеряется и записывается при каждом приращении нагрузки. Затем результаты испытаний используются для определения несущей способности сваи.

Подробнее: 

5 вопросов об испытаниях винтовых свай под нагрузкой [ответы]

Понимание и проведение испытаний винтовых свай под нагрузкой

 

ЗАЧЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ДВА МЕТОДА?

Название этой статьи говорит о том, что одного метода недостаточно, но часто непрактично или необходимо использовать все три для данного проекта. Для статистически надежной несущей способности Hubbell рекомендует использовать по крайней мере 2 из 3 методов при установке винтовых свай CHANCE. Например, корреляция крутящего момента (метод 2) часто используется для проверки несущей способности, полученной теоретически на основе данных о грунте с использованием метода 1. Когда данные о грунте ограничены или отсутствуют, можно использовать испытание под нагрузкой (метод 3) для проверки несущей способности, полученной эмпирически на основе данных о грунте. данные установочного крутящего момента (метод 2).

Можно ли просто использовать корреляцию крутящего момента (метод 2) для определения емкости? Это может произойти в проектах, где данные о грунте и нагрузочные испытания не предусмотрены в бюджете. В этом случае Хаббелл считает приемлемым использовать только корреляцию крутящего момента, но увеличить коэффициент безопасности (например, с 2,0 до 2,5), чтобы компенсировать неопределенность, которая может возникнуть при ограниченной информации.

Экспериментальное исследование несущей способности винтовых свай и избыточного давления пластовых вод в мягких глинах при статическом осевом нагружении

Открытый доступ

Проблема		Веб-конференция E3S. Том 318, 2021 Вторая международная конференция по геотехнической инженерии – Ирак (ICGE 2021)
Номер статьи		01001
Количество страниц)		10
Секция		Разработки в геотехнической инженерии
DOI		https://doi. org/10.1051/e3sconf/202131801001
Опубликовано онлайн		08 ноября 2021 г.

E3S Web of Conferences 318 , 01001 (2021)

Экспериментальное исследование несущей способности винтовых свай и избыточного давления поровой воды в мягких глинах при статическом осевом нагружении

Махди О. Каркуш ^A* и Асаад А. Хуссейн ^B

Департамент гражданского строительства, Университет Багдада, Багдад, IRAQ

^A Mahdi_karkrush@coeng. [email protected]

Abstract

В данном исследовании поведение моделей винтовых свай с непрерывной спиралью изучалось путем проведения лабораторных экспериментальных испытаний на одиночной винтовой свае с несколькими соотношениями сторон (L/D) при влияние статических осевых сжимающих нагрузок. Винтовые сваи были заложены в мягкий грунт с удельным весом 18,72 кН/м3 и влажностью 30,19. %. Также грунт имеет предел текучести 55% и индекс пластичности 32%. Физическая лабораторная модель была разработана для исследования предельной способности винтовой сваи к сжатию и измерения создаваемого давления поровой воды в процессе нагружения. Грунт для подстилки был подготовлен в соответствии с массой и влажностью единицы поля, а разрушающая нагрузка принималась соответствующей осадке равной 20% от диаметра спирали. Предел прочности на сжатие винтовых свай выше, чем предел прочности обычных свай, а предел прочности на сжатие увеличивается с уменьшением соотношения сторон. Предельная несущая способность гибкой винтовой сваи (L/D<20) больше, чем у обычной сваи на 590,5%, а с жесткой винтовой сваей (L/D>20) предельная несущая способность может достигать 250% по сравнению с обычной сваей. Также расчетная предельная сжимающая способность гибких винтовых свай хорошо согласовывалась с измеренными экспериментально, но для жестких винтовых свай была отмечена большая разница.

Ключевые слова: Винтовые сваи / несущая способность / мягкий грунт / статические нагрузки / давление поровой воды

© The Authors, опубликовано EDP Sciences, 2021 г.