Расчётные сопротивления под нижним концом свай и свай-оболочек: углублённое рассмотрение

Сущность параметра R

Расчётное сопротивление R представляет собой условное давление, которое может воспринимать грунт основания под остриём сваи без развития недопустимых деформаций. Это давление выражается в килопаскалях (кПа) или мегапаскалях (МПа). Значение R является расчётной характеристикой грунта, полученной на основе обобщения данных испытаний штампов и свай статической нагрузкой, и нормируется для различных видов грунтов и глубин их залегания.

Определение R по таблицам СП

Основной метод определения R, применяемый в повседневной проектной практике, регламентирован СП 24.13330.2011. Он заключается в выборе значения R из нормативных таблиц (Таблица 7.2 СП 24.13330 для висячих свай и свай-оболочек, Таблица 7.3 - для свай-стоек). Для этого необходимы следующие исходные данные:

1. Вид грунта под остриём сваи: Точная идентификация грунта по геологическому разрезу (пески разной крупности и плотности, глинистые грунты разной консистенции, крупнообломочные грунты).
2. Глубина погружения острия сваи (Z): Расстояние от планировочной отметки поверхности земли (или дна водотока) до острия сваи. Это ключевой параметр, так как R увеличивается с глубиной погружения сваи вследствие роста напряжений от собственного веса грунта и уплотнения грунтов с глубиной.

Порядок определения:

• По данным инженерно-геологических изысканий (ИГИ) устанавливают тип грунта, залегающего непосредственно под остриём проектируемой сваи.
• Определяют глубину погружения острия сваи (Z) от поверхности земли (дна).
• По соответствующей таблице СП 24.13330 находят строку с нужным типом грунта и столбец, соответствующий интервалу глубин, в который попадает глубина Z для данной сваи.
• На пересечении строки и столбца считывают значение R в кПа или МПа.

Важные аспекты и дополнения к базовому методу

1. Интерполяция: Если глубина погружения Z попадает между значениями, указанными в столбцах таблицы, допускается линейная интерполяция для определения R. Например, если для песка средней крупности плотного при Z=10м R=4500 кПа, а при Z=15м R=5300 кПа, то для Z=12м R = 4500 + ((5300-4500)/(15-10)) * (12-10) = 4500 + 320 = 4820 кПа.
2. Сваи-стойки: Для свай-стоек, опирающихся на скальные грунты или крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем плотным, значение R определяется по Таблице 7.3 СП 24.13330. Оно зависит от степени выветрелости скальных пород или типа крупнообломочного грунта и его плотности.
3. Сваи-оболочки: Для свай-оболочек значение R под нижним концом определяется по тем же таблицам (7.2 или 7.3), что и для призматических свай соответствующего типа (висячая или свая-стойка).
4. Влияние диаметра сваи: Следует помнить, что табличные значения R в СП 24.13330 даны для свай диаметром 0.8 м. При использовании свай другого диаметра (d) необходимо вводить понижающий коэффициент условий работы γ_cR по формуле:

   γ_cR = (0.7 + 0.1 * (d / d_0)) / (0.7 + 0.1 * (d_0 / d_0)), где d_0 = 0.8 м.
   Для d > 0.8м γ_cR < 1.0, для d < 0.8м γ_cR > 1.0. Фактическое расчетное сопротивление для данной сваи будет: R_d = R * γ_cR.

5. Ограничения применения табличного метода: Табличные значения R являются усредненными и не всегда могут учесть специфику конкретного грунтового разреза, особенно при наличии:

   • Слабых подстилающих слоев под плотным пластом, на который опирается свая.

   • Значительной неоднородности грунтов в пределах зоны влияния под острием.

   • Особых типов грунтов (например, заторфованных, илистых, мерзлых, просадочных II типа, набухающих), для которых требуется специальный подход и определение R другими методами (расчет по физико-механическим характеристикам, полевые испытания).

6. Альтернативные методы определения R: В сложных грунтовых условиях или для ответственных сооружений табличный метод может быть дополнен или заменен:

   • Расчетом по физико-механическим характеристикам (ФМХ) грунтов: Используются данные лабораторных определений угла внутреннего трения (φ), удельного сцепления (c), модуля деформации (E), коэффициента Пуассона (ν). Расчет ведется по методикам теории предельного равновесия или методом послойного суммирования деформаций. Этот метод требует высокого качества ИГИ и лабораторных работ.

   • Полевыми испытаниями: Наиболее достоверный метод. Включает:

     • Статические испытания эталонных свай нагрузкой вдавливающего действия до достижения предельного сопротивления. Значение R определяется по результатам испытаний.

     • Динамические испытания свай (по сопротивлению погружению или с применением молота-падающего груза). Требуют калибровки по статическим испытаниям на конкретном объекте.

     • Испытания грунтов штампами (на плоских или свайных штампах) на глубине заложения острия сваи. Значение R определяется по результатам штамповых испытаний с учетом поправочных коэффициентов.

7. Связь с несущей способностью: Полученное значение R (скорректированное на диаметр) является основой для расчета несущей способности сваи по грунту (F_d) на осевое сжимающее усилие. Для висячей сваи формула включает как сопротивление под острием (R * A, где A - площадь поперечного сечения сваи), так и сопротивление по боковой поверхности. Для сваи-стойки несущая способность определяется в основном сопротивлением под острием (F_d = γ_c * R * A, где γ_c - коэффициент условий работы, обычно равный 1.0 для свай-стоек).

Заключение

Определение расчётного сопротивления грунта под нижним концом сваи (R) табличным методом по СП 24.13330.2011 – основной и широко применяемый подход в проектировании. Однако, проектировщик должен четко понимать его основы, ограничения и необходимость учета поправочных коэффициентов (особенно на диаметр). В сложных инженерно-геологических условиях или при проектировании ответственных объектов критически важно обосновать значение R альтернативными, более точными методами – расчетом по ФМХ или, предпочтительнее, полевыми испытаниями. Это обеспечивает надежность и экономическую эффективность свайного фундамента.