Сваи квадратного сечения с круглой полостью: конструкция, применение и особенности расчёта

Сваи квадратного сечения с круглой полостью (иногда называемые "сваи-оболочки квадратные" или "полые квадратные сваи") представляют собой распространенный тип железобетонных забивных свай, сочетающий преимущества квадратного профиля и внутренней полости. Их применение регламентировано серией стандартов, прежде всего ГОСТ 19804.4-78 "Сваи забивные железобетонные цельные сплошного и квадратного сечения с круглой полостью. Конструкция и размеры".

Конструктивные особенности и размеры

• Форма поперечного сечения: Наружный контур сваи — квадрат. Внутри по всей длине сваи имеется сквозная круглая полость. Соотношение размеров стандартизировано: диаметр полости (d) составляет 0.6 от ширины наружной грани квадрата (a). Наиболее распространенные типоразмеры: 300х300 мм (d=180 мм), 350х350 мм (d=210 мм), 400х400 мм (d=240 мм), 500х500 мм (d=300 мм).
• Материал: Изготовливаются из тяжелого бетона классов не ниже В22.5 (М300) по прочности на сжатие. Армирование — ненапрягаемой стержневой арматурой класса АIII (А400) или напрягаемой высокопрочной арматурой (канаты или стержни) классов Ат-V, Ат-VI, К-7. Концы свай усилены спиральной или сетчатой арматурой для предотвращения разрушения при забивке.
• Конструкция острия: Для облегчения погружения в плотные грунты свая снабжается стальным башмаком, надежно закрепляемым на нижнем конце. Башмак защищает бетон от разрушения и способствует лучшему заострению.
• Конструкция головы: Верх сваи имеет стальной оголовок (наголовник) или усиленное армирование для передачи ударных нагрузок от молота без повреждений. Для соединения с ростверком из сваи выпускаются арматурные стержни.

Технология изготовления и погружения

Изготовление ведется в заводских условиях на виброплощадках или в кассетных установках, обеспечивающих высокое качество бетона и точность геометрии. Погружение осуществляется преимущественно ударным методом с помощью дизель-молотов, гидравлических молотов или вибропогружателей. Наличие полости облегчает вес сваи, что может снижать требования к мощности оборудования, но требует контроля за целостностью стенок при ударном воздействии. При погружении в водонасыщенные пески или пылевато-глинистые грунты полость может частично заполняться грунтом.

Области применения

Данный тип свай широко применяется в гражданском и промышленном строительстве для:

1. Свайных фундаментов зданий и сооружений: Особенно эффективны при больших вертикальных нагрузках и необходимости прохождения слабых верхних слоев грунта до плотных несущих пластов.
2. Устройства шпунтовых ограждений котлованов: Используются как элементы шпунтовых стенок (рядов), обеспечивая водонепроницаемость и устойчивость откосов.
3. Усиления существующих фундаментов: При реконструкции или надстройке зданий.
4. Фундаментов под оборудование: Требующих высокой несущей способности и минимальных осадок.

Расчёт несущей способности

Расчёт несущей способности сваи квадратного сечения с круглой полостью на вертикальную сжимающую нагрузку производится в соответствии с СП 24.13330.2011 "Свайные фундаменты" по методике для висячих свай или свай-стоек, аналогично сплошным сваям, но с важными особенностями:

1. Площадь поперечного сечения (A): Рассчитывается как площадь квадрата минус площадь круга: A = a² - (π * d²)/4, где a — сторона квадрата, d — диаметр полости. Именно эта приведенная площадь используется при расчете сопротивления под нижним концом (R * A).

2. Расчётное сопротивление под острием (R): Определяется по таблицам СП 24.13330 (Таблица 7.2) в зависимости от вида грунта под острием и глубины его залегания (Z). Ключевой момент: Поскольку табличные значения R даны для свай диаметром 0.8 м, для полых свай квадратного сечения требуется введение понижающего коэффициента условий работы γ_cR.

3. Коэффициент γ_cR: Рассчитывается по формуле СП 24.13330: γ_cR = (0.7 + 0.1 * (d_eff / d_0)) / (0.7 + 0.1 * (d_0 / d_0)), где:

   • d_0 = 0.8 м — базовый диаметр.

   • d_eff — эквивалентный диаметр сплошной круглой сваи, имеющей ту же площадь поперечного сечения, что и рассматриваемая полая квадратная свая. Рассчитывается: d_eff = sqrt( (4 * A) / π ), где A — приведенная площадь сечения полой сваи (см. п.1).

4. Сопротивление по боковой поверхности (f_i): Рассчитывается стандартно по таблицам СП 24.13330 (Таблица 7.3) в зависимости от вида грунта, его состояния и глубины расположения слоя. Периметр сечения (u) для расчета бокового трения принимается равным периметру наружного квадрата: u = 4a. Наличие внутренней полости не влияет на расчет периметра.

5. Формула несущей способности (F_d): F_d = γ_c * (γ_cR * R * A + u * Σ(γ_cf_i * f_i * h_i)), где:

   • γ_c — коэффициент условий работы сваи в грунте (обычно 1.0).

   • γ_cf_i — коэффициент условий работы i-го слоя грунта по боковой поверхности (принимается по таблицам СП).

   • h_i — толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи.

Преимущества и недостатки

• Преимущества:

  • Снижение расхода бетона (до 30-40%) и арматуры по сравнению со сплошными квадратными сваями того же наружного размера.

  • Уменьшение собственного веса, облегчающее транспортировку и погружение.

  • Сохранение преимуществ квадратного сечения (удобство стыковки, работы в шпунтовых рядах).

  • Возможность инъектирования полости бетоном или раствором для усиления несущей способности или создания водонепроницаемого экрана (в шпунте).

• Недостатки:

  • Меньшая приведенная площадь сечения по сравнению со сплошной сваей при том же наружном размере, что может снижать несущую способность по грунту под острием.

  • Повышенный риск раскалывания или повреждения стенок при забивке в очень плотные или каменистые грунты (требует тщательного контроля качества бетона и процесса погружения).

  • Необходимость точного расчета эквивалентного диаметра и коэффициента γ_cR для определения R.

Контроль качества и особенности монтажа

Приемка свай осуществляется по ГОСТ 13015-2012. Особое внимание уделяется геометрии (особенно толщине стенок вокруг полости), прочности бетона, качеству армирования и защитного слоя. При забивке обязателен контроль:

• Отказа (величины погружения от одного удара или серии ударов) для оценки несущей способности по динамическим формулам (как предварительная оценка).

• Целостности сваи (отсутствия трещин, сколов, особенно в районе оголовка и острия).

• Вертикальности погружения.
  После завершения погружения часто требуется статическое испытание контрольных свай нагрузкой для точного определения фактической несущей способности по грунту.

Заключение

Сваи квадратного сечения с круглой полостью являются экономичным и технически обоснованным решением для широкого спектра инженерно-геологических условий и типов сооружений. Их успешное применение требует строгого соблюдения нормативов при проектировании (особенно в части расчета приведенной площади и коэффициента γ_cR), изготовлении и контроле качества, а также правильного выбора и эксплуатации оборудования для погружения. Учет специфики их конструкции позволяет эффективно использовать преимущества как квадратного профиля, так и внутренней полости.