Нагрузка на винтовую сваю: Допустимая нагрузка на винтовую сваю

Допустимая нагрузка на винтовую сваю

Допустимая нагрузка на винтовую сваю. Расчет винтового фундамента.

Расчет винтового фундамента — ответственный этап проектирования. Если при его выполнении допустить ошибку, то можно не правильно задать шаг свай или их сечение. Ошибки приводят к снижению надежности опор под знание и возникновению вероятности сильной усадки или крена строения, вследствие которых образуются трещины и повреждения основных строительных конструкций здания. Одним из самых важных характеристик свайновинтового фундамента (как и любого другого) является его несущая способность.

Допустимая нагрузка на винтовую сваю зависит от следующих факторов:

1. диаметр трубы и лопастей;
2. прочность грунта основания;
3. длина сваи.

При выполнении простейших расчетов для частного дома потребуется знать только прочностные характеристики основания и площадь лепестковой подошвы (лопасти).

Расчет нагрузки на винтовую сваю выполняется по следующей формуле: N = F/γk .

В этой формуле:

• N — несущая способность винтовой сваи (сколько она способна выдержать),
• F — значение несущей способности (неоптимизированное),
• γк — коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый в зависимости от количества опор для здания и способа выполнения геологических изысканий.

Коэффициент γk назначается равным следующим значениям:

1,2 при проведении точных геологических испытаний грунта основания, путем выполнения зондирования и лабораторных исследований. Выполнить это самостоятельно невозможно. Способ не подходит для частного домостроения из-за высокой стоимости, которая сильно увеличит бюджет строительства.

• 1,25 при проведении испытаний с помощью сваиэталона. Хотя этот способ проще, чем предыдущий, определить, сколько сможет выдержать грунт, способен только человек, имеющий знания в области геологии.
• При самостоятельных исследованиях почвы и использовании табличных показателей прочности коэффициент принимается в зависимости от количества опор. Если несущая способность определяется для винтовой сваи с низким ростверком, то значение составит 1,41,75 при количестве опорных элементов в пределах 520 штук.

Чтобы найти F, потребуется выполнить вычисления по следующей формуле: F = S*Rо .

Здесь:

• S — площадь лопасти, которая вычисляется по формуле для круга (S = πR² = (πD²)/4). Исходные данные приводятся производителем винтовой сваи.

После того, как определено, сколько составляет площадь лепестковой подошвы винтовой сваи, нужно выяснить прочностные характеристики грунта основания (в формуле буква Rо). Для этого потребуется выполнить как минимум простейшие геологические изыскания с помощью ручного бурения или отрывки шурфов. Грунт можно изучить визуально и на ощупь, рекомендуется выполнять определение с применением ГОСТ «Грунты. Классификация».

ГОСТ «Грунты. Классификация».

Зная сколько способен выдержать грунт на один квадратный сантиметр и площадь опорной части винтовой сваи можно найти предварительное значение несущей способности F (без учета коэффициента по надежности). Значение подставляют в первую формулу и находят окончательную максимально допустимую нагрузку на один элемент фундамента. Более подробно определить, сколько сможет выдержать свая можно по формуле 7.15 пункта 7.2.10 СП «Проектирование и устройство свайных фундаментов». Здесь учитываются все моменты, которые способны повлиять на несущую способность, а именно:

1. условия работы;
2. характеристики грунта;
3. глубина залегания лопасти (прибавляется боковое трение);
4. диаметр лопасти;
5. характер работы сваи (на выдергивание или на сжатие).

Выполнить расчет достаточно сложно, потребуется найти множество коэффициентов и характеристик грунта (здесь учитывается не только несущая способность, но и угол внутреннего трения, удельное сцепление, удельный вес и др.). Для упрощения работы можно воспользоваться таблицами, которые приводятся для наиболее распространенных диаметров свай (чаще всего для частного домостроения используют 89 мм, 108 мм, 133 мм).

Для свай диаметром 89 и 108 мм можно привести следующую таблицу:

Расчет свай на фундамент

Несущая способность элементов диаметром 89 достаточна для того, чтобы использовать их в качестве фундаментов под одноэтажные дома из легких материалов (каркасные, бревенчатые, брусовые). При возведении двухэтажных строений лучше вместо 89 диаметра выбрать 108 или больший. Если опирать на такие свайные фундаменты кирпичные и бетонные здания, при расчете получится очень большой диаметр элементов и частое их расположение (зависит от характеристик грунта), да и не в каждой компании найдется специалист способный рассчитать массивное здание на винтовых сваях. Выгоднее использовать другие типы фундаментов.

Пример упрощенного расчета

Исходные данные для расчета фундамента под двухэтажный брусовой дом с размерами в плане 6 на 6 метров:

1. грунты на участке — глина;
2. диаметр используемых свай — 133 мм, диаметр лопасти — 350 мм;
3. масса дома, полученная в результате сбора нагрузок от стен, перегородок, перекрытий, полезного и снегового нагружения — 59 тонн.
4. периметр наружных стен — 24 м, внутренних несущих стен нет.

Сначала находится прочность грунта основания. Воспользовавшись приведенной ранее таблицей находим, что для имеющегося типа почвы она составляет 6,0 кг/см².  Коэффициент надежности по нагрузке принимаем 1,75 (для обеспечения запаса по надежности).

Остается вычислить площадь лепестковой подошвы: S = (πD²)/4 = 3,14*352/4 = 961,6 см² (значение диаметра лопасти в расчет берется в сантиметрах).

Находим неоптимизированную несущую способность: F = S*Rо = 961,6*6,0 = 5770 кг.

Вычисляем допустимую нагрузку: N = F/γk = 5770/1,75 = 3279 кг ≈ 3,3 т.

Для дальнейшего расчета определяем минимальное количество свай, которые способны удержать данный дом: 59 т/3,3т = 17,87 шт, округляем до целых в большую сторону и принимаем в дальнейший расчет 18 шт.

Чтобы завершить вычисления для возведения фундаментов, нужно определить шаг между сваями. Для этого длину стен дома делят на количество опорных элементов: 24 м/18 шт = 1,33 м — максимальный шаг фундаментов. Получилось довольно большое количество свай для такого небольшого дома, т.к. мы приняли что геологические изыскания не проводились, и пришлось принять γk = 1,75, если провести исследования хотя бы пробным вкручиванием (эталонным), тогда количество свай можно снизить до 1213 штук, а это существенная экономия.

В каждом случае нужно считать что обойдется дешевле — геологические изыскания или самостоятельный расчет и перестраховка по несущей способности. Определение максимальной нагрузки на сваю — только часть вычислений для проектирования. Как показано выше, на этом расчет не заканчивается.

Окончательными результатами вычислений должны стать следующие данные для свай:

1. сечение;
2. длина;
3. шаг;
4. распределение под несущими стенами.

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.

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. 

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.

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).

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.

Таблица выбора винтовых и винтовых свай в зависимости от нагрузки на фундамент.

Таблица выбора – Английский США (.Pdf)

table.ttmp tr.ttmp-unit2{
цвет фона:#888;
}
table.ttmp tr.ttmp-unit3{
цвет фона:#555;
}
table.ttmp tr.ttmp-unit4{
цвет фона:#00ac5b;
размер шрифта: 16 пикселей;
}

Модель	Тип проекта	Максимально допустимая несущая способность 1234		Допустимая боковая грузоподъемность 5	Максимальный крутящий момент при установке	Допустимое сопротивление изгибу 7
		Сжатие (фунт)	Напряжение (фунт)	фунтов	фут-фунт	фут-фунт
P1 Ø 1,9 дюйма	Легкий жилой дом (терраса без крыши, лестницы и т. д.)	6 700	3 350 до 4 450	250	1 336 8	785
P2 Ø 2,4 дюйма	Средний жилой и легкий коммерческий сектор (терраса, навес для машины, солярий, одноэтажная жилая пристройка и т. д.)	11 200	5 600 до 7 450	550	2 242 8	1 360
P3 Ø 3,5 дюйма	Тяжелые жилые, легкие и средние коммерческие и промышленные объекты (двухэтажная жилая пристройка, коттедж, вывеска, навес для машины, солнечная панель, новое строительство, фундамент, дощатый настил, примыкание и т. д.)	29 800 до 33 000	15 000 до 19 850	1 200	8 509 8	4 571
P4 6 Ø 4 дюйма	Тяжелые жилые дома, легкие и средние коммерческие и промышленные объекты (коттеджи, вывески, фонарные столбы, солнечные панели, новое строительство, дощатые настилы, примыкания, столбы и т. д.)	36 000 до 45 000	18 000 до 30 000	1 500	11 000	6 371
P3-HD 6 Ø 3,5 дюйма	Тяжелые жилые дома, легкие и тяжелые коммерческие и промышленные объекты (новое строительство, фундамент, примыкание и т. д.)	38 000 до 45 000	19 000 до 30 000	1 400	11 000	6 428
P4-HD 6 Ø 4 дюйма	Тяжелые жилые, легкие и тяжелые коммерческие и промышленные (новое строительство, подпорная стенка, примыкание и т. д.)	44 000 до 50 000	22 000 до 33 000	1 500	14 500	8 944
P5 6 Ø 5,6 дюйма	Тяжелые жилые дома, легкие и тяжелые коммерческие и промышленные объекты (коттедж, вывеска, фонарный столб, новое строительство, дощатый настил, солнечная панель, тумба, подпорная стена и т. д.)	30 000 до 50 000	15 000 9от 0042 до 33 000	2 750	14 500 9	14 713
P6 6 Ø 6,6 дюйма	Тяжелые жилые, легкие и тяжелые коммерческие и промышленные объекты (вывески, фонарные столбы, новое строительство, солнечные панели, столбы, подпорная стена и т. д.)	30 000 до 50 000	15 000 до 33 000	3 700	14 500 9	23 142
Примечания Максимальная сжимающая несущая способность (допустимая нагрузка) включает коэффициент безопасности 2. Максимальная несущая способность (допустимая нагрузка) определяется максимальным крутящим моментом, прилагаемым монтажным оборудованием. Если винтовой фундамент не имеет боковой поддержки (очень рыхлый/мягкий грунт, разжижаемый грунт, течение и ветер), прочность конструкции винтового фундамента должна быть одобрена Техническим отделом ТМЗ. В случае натяжения винтовой фундамент должен быть установлен таким образом, чтобы минимальная глубина от поверхности земли до спирали составляла 12D, где D — диаметр спирали. Свяжитесь с техническим отделом TMP для приложений натяжения, когда 12D невозможно поддерживать. Допустимая боковая нагрузка указана для грунта средней плотности в условиях свободного напора с максимальным расстоянием в воздухе или жидком грунте 6 дюймов и заглублением 7 футов. Свяжитесь с инженерным отделом TMP для других условий. Модель TMP P4, P3-HD, P4-HD, P5 и P6 разрабатывается в соответствии с особенностями объекта. Для использования верхних значений производительности, указанных в таблице, требуется одобрение технического отдела TMP. Допустимое сопротивление изгибу основано на расчетах с учетом голой стали, 50-летней коррозии в соответствии с AC358 и коэффициентом безопасности 1,67. Максимальный крутящий момент при установке для P1, P2 и P3 основан на отчете об оценке IAPMO-UES №. 481. Максимальный установочный крутящий момент для P5 и P6 ограничен максимальным крутящим моментом монтажного оборудования ET1. Комментарии По любым техническим вопросам обращайтесь в Технический отдел ТМЗ. Более крупные металлические стойки Techno можно использовать в тех случаях, когда требуется более высокое боковое сопротивление или сопротивление изгибу, чем указано в таблице выбора.

3 метода определения мощности винтовой 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 берется 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 – 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 испытания 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.