Свод правил свайные фундаменты. Висячие сваи и сваи стойки – виды, особенности и расчеты на несущую способность

При устройстве фундаментов на слабых грунтах используются сваи разных видов. Они различаются по материалу изготовления, методу погружения, размерам и форме поперечного сечения. По способу взаимодействия с грунтовыми слоями такие конструкции относятся к одной из двух групп – висячие сваи или стойки.

В первом случае столбы опираются не на твердое основание, а на сжимаемые грунты, передавая нагрузки боковыми поверхностями и наконечником. Вторая группа свай удерживается мало- или несжимаемыми грунтами, которые принимают на себя усилия от острия или расширенной пяты фундаментных стволов. При таком взаимодействии, силы сопротивления грунтов на боковых стенках фундаментных опор в расчете их несущей способности не учитываются.

Виды и особенности свай

По способу установки в проектное положение как висячие, так и сваи стойки подразделяются на:

забивные;
вдавливаемые;
набивные;
буровые;
винтовые.

Они бывают бетонными и железобетонными, металлическими и деревянными, пустотелыми и сплошными. Висячая свая не опирается на несущий грунтовый слой, как фундаментные столбы-стойки, и в этом заключается ее основной недостаток. В целях повышения надежности «безопорного» фундамента используется несколько способов:

увеличение площади сечения или длины свайного столба;
добавление количества свай на единицу площади;
устройство камуфлетного уширения пяты.

Но данные методики далеко не всегда оправдывают себя. К примеру, увеличение размеров всегда приводит к дополнительным материальным вложениям, повышению трудоемкости работ, а также к необходимости заказа более мощной и дорогостоящей техники. Использование дополнительных свай в кустах может привести к обратному эффекту, так как утяжеление конструкции потянет за собой бóльшую осадку строения. Кстати, уменьшение шага между точечными опорами приводит к тому же результату. Но в некоторых ситуациях вариант увеличения кустистости спасает ситуацию и оказывается более подходящим, нежели установка сваи стойки .

Уширенная пята выгодна тем, что появляется возможность дополнительной опоры висячего ствола на грунт. Однако для забивной сваи, в этом случае, появляются свои неудобства. Технология не позволяет выполнить ее погружение.

Неравномерные осадки фундамента влекут за собой появление трещин на стенах здания и возможное его разрушение.

Длина висячих свай определяется в зависимости от расчетной нагрузки строения и «слабости» залегающих на участке грунтов. Чем больше первая составляющая и меньше вторая, тем глубже устанавливаются свайные опоры. В некоторых случаях их делают составными.

Сваи стойки опираются на прочный слой грунта, передавая ему нагрузки от наземной части сооружения. Нередко они утапливаются на некоторое расстояние вглубь, что увеличивает надежность фундамента и предотвращает какие-либо осадки. Длина стволов может составлять 20м и более.

Расчет висячей забивной сваи

Несущая способность (F d , кН) висячих, а также свай оболочек, определяется по формуле, указанной в соответствующем разделе СНиП 2.02.03-85. Расчет основывается на нескольких реальных показателях. В их число входят:

u - периметр сечения забивной опоры в метрах;
A - площадь свайного столба, оболочки или наибольшего сечения камуфлетного уширения в кв.метрах;
H i - толщина каждого из грунтовых слоев, расположенных в непосредственной близости от боковых поверхностей забивной свайной опоры, в метрах.

Расчет включает в себя и табличные значения:

R - расчетное значение сопротивления грунтового слоя, расположенного под нижней частью сваи, в кПа (табл.1);
Fi – расчетные значения сопротивления каждого из слоев грунта, соприкасающихся с боковой поверхностью фундаментной опоры, в кПа (табл.2);
Y c = 1 – коэффициент, определяющий условия работы конструкции;
Y cr – то же, под наконечником сваи (табл.3);
Y cf – то же, на боковой поверхности, с учетом способа заглубления опоры (табл.3).

Сам расчет на сжимающую нагрузку ведется по формуле:

F d = Yс * (Ycr * R * A + u * Σ Ycf * Fi * Hi).

, имеющие наклонные боковые грани, просчитываются по несколько иной формуле, в которой учитывается величина наклона и разные значения площадей сечения фундаментного столба.

Еще один расчет несущей способности забивной сваи и оболочки, не предусматривающей выемки грунта, выполняется на выдергивающую нагрузку. Обозначения здесь те же, что и в предыдущей формуле, однако коэффициент условий работы ( Yc ) имеет другие показатели. При заглублении опоры до 4 метров он равняется 0,6, а более 4 метров – 0,8. Следует отметить, что эти значения не касаются фундамента под опоры ЛЭП. Формула для расчета выглядит следующим образом:

F du = Yс * u * Σ Ycf * Fi * Hi

Набивные и буровые виды висячих свай рассчитываются по тем же формулам, но с учетом условий устройства скважины и бетонирования ствола, которые влияют на коэффициент γ cf . Он определяется по табл.5 того же СНиП. В нормативе описываются и некоторые другие особенности расчета.

Сваи стойки

Их несущая способность определяется по упрощенной формуле:

F d = Yс * R * A.

Буквенные обозначения здесь соответствуют ранее описанным. Разница состоит лишь в том, что значение R, определяющее сопротивление грунта под нижней частью сваи стойки, принимается не по таблицам, а рассчитывается по формулам.

Неустойчивая почва - это распространенная проблема, с которой сталкиваются многие строители при возведении фундамента. Чтобы получить надежное основание, на слабом грунте используются сваи. Их длина компенсирует отсутствие опоры, а силы трения боковых поверхностей о грунт помогают удерживаться в почве. В зависимости от характера слоя и способа взаимодействия с грунтовым напластованием различают висячие сваи и сваи стойки.

Разница между висячими и сваями-стойками

К первой категории относятся опоры, которые опираются на сжимаемые грунты. Их строение позволяет с помощью нижнего конца и боковой поверхности перенаправлять нагрузку на почвенное основание.

Ко второй категории относятся опоры, опирающиеся на мало сжимаемые грунты, к которым относятся глинистые и крупнообломочные породы с плотным песчаным заполнителем.
Висячие сваи и сваи стойки имеют сходное строение и внешний вид, но кардинально отличаются принципом работы и базовыми технологиями обеспечения безопасности будущего строения.

Висячие конструкции применяют в работе с прочными пластами грунта, залегающего на большой глубине. Задача таких опор - пройти сквозь толщу слабой почвы и закрепиться нижним концом в прочном грунтовом слое. Достижение поставленной цели возможно только при грамотном расчете длины висячей сваи, который учитывает следующие показатели:

Плотность материала, из которого она состоит.
Рабочая длина.
Характеристика особенностей грунта: подвижность, рыхлость, насыщенность влагой.
Расчетная нагрузка будущей постройки: чем больше её значение, тем глубже должна быть установлена висячая свая.

Принцип устройства свайной стойки

Свая стойка - это конструкция длиной до 20 м., которая проходит через неустойчивые слои почвы и закрепляется в твердом покрытии на глубине от 0,5 метров и более. В отличие от висячей, данная опора предотвращает постепенную осадку здания, оказывая нагрузку на прочный грунт не всем своим телом, а за счет нижней части. Сваи стойки широко применяются для прокладки трубопроводов и в масштабном промышленном строительстве. Такие опоры также можно использовать в районах с непредсказуемой сейсмической активностью.
Для расчета оптимальной длины сваи стойки ориентируются на следующие показатели:

прочность грунта;
способность твердого основания нести массу будущей постройки;
материал изготовления сваи стойки.

Преимущества и недостатки опорных конструкций

В зависимости от материала изготовления различают деревянные, бетонные, железобетонные, металлические, сплошные, и пустотелые изделия. Немаловажным критерием отбора является способ монтажа, который подразделяет опоры на забивные, буровые, вдавливаемые, винтовые и набивные.
Фундаментальные сваи стойки считаются более надежными, чем висячие сваи, которые не опираются на несущий слой грунта.
Устранить этот существенный недостаток можно несколькими способами:

Увеличением площади сечения.
Увеличением длины.
Расширением диаметра.
Добавлением большего количества опор на одну единицу площади.

Однако, такие методы не оправдывают себя с точки зрения экономии и практичности.
Так, увеличение размеров изделия за счет изменения площади сечения, длины и диаметра, приводит к дополнительным затратам денежных средств и сил: закупка дополнительной крупногабаритной подъемной техники, расходы на сопутствующие стройматериалы, наем квалифицированных рабочих, общее удорожание фундамента, цена на который складывается из стоимости каждого элемента.
Необдуманное использование дополнительных опор значительно утяжеляет конструкцию и приводит к осадке строения. В свою очередь, неравномерное проседание фундамента влечет за собой неприятные последствия, которые начинаются с проявления трещин на стенах и заканчиваются разрушением сооружения.

Таким образом, укрепление фундамента – это трудоемкий процесс, требующий определенных профессиональных навыков и наличия специальной техники. Выбор опорных изделий основывается на исходных требованиях и технико-экономическом сравнении.

Слабые грунты — это очень большая проблема в строительстве. Для того чтобы закрепить и обезопасить все строение были разработаны две базовые технологии с применением свай:

Первая технология. Висячие сваи – это опоры, которые опираются на непосредственно сжимаемый грунт.
Вторая технология. Свая стойка, это достаточно длинная конструкция, которая пронизывает слабые слои и как минимум на полметра входит в твердые слои почвы.

В каждой из этих технологий есть свои плюсы и минусы , поэтому рассматривая тему , предлагаем, не углубляясь в тонкости, пройтись по базовым моментам.

Две технологии – две сущности

Попробуем разобраться в проблеме установки на слабых грунтах. Сваи стойки и висячие основы при всей внешней похожести будут отличаться по принципу действия.

Итак:

Свая-стойка напоминает сжатый стержень, который передает всю нагрузку от носимой массы в малосжимаемые слои грунта. При этом фактически в перераспределении нагрузок на грунт оказывает именно нижняя часть конструкции, а не все ее тело. При расчетах необходимо уделять внимание и прочности грунта, и именно его способности нести массу строения, а также прочности материала, из которого изготовлена свая.
Сваи висячие совсем по-другому действуют. В этом случае происходит опора сваи на непосредственно сжимаемые грунты, а не на прочные глубокие слои. Сваи несут нагрузку за счет трения всего тела изделий, а не только острия. И в этом есть значительный минус такой конструкции.

Способы решения проблемы

Для решения проблемы повышения надежности висячих свай разрабатывались и внедрялись несколько технологических наработок, вот некоторые из них:

Увеличение диаметра свай, а в некоторых случаях и длины;
Увеличение «кустистости» опор на единицу площади фундамента здания;
Расширение пяты изделия. В этом случае увеличивается площадь трения на конце изделия;
Применения современных технологий по типу разрядно-импульсной.

Однако практическое применение показало не очень радужную перспективу таких методик:

Во-первых, любое увеличение размеров изделия ведет к удорожанию всего строительства, так как цена всего фундамента складывается из цен на каждый элемент. Кроме того стоит помнить, что чем толще свая, тем ее сложнее вколачивать в грунт;
Во-вторых, количество «вгоняемых» опор для такого усиления может утяжелить конструкцию и в прямом смысле и финансово, а вот желаемой пользы не принести:
Кустистая конструкция подвергается осадке большей, чем одна свая;
Длина стандартной опоры составляет 7 метров, при этом осадка одиночной сваи и куста приблизительно одинаковая, но существует парадокс.

Интересно знать! Существует занятное практическое наблюдение. Если расстояние между сваями больше трех диаметров, то осадка одиночной опоры и куста примерно одинаковая, при уменьшении этого расстояния усадка фундамента резко возрастает.

Новые технологии

Перед новыми технологиями ставится на первый взгляд неразрешимая задача, а именно, увеличение несущей способности уже имеющихся штифтов. И это на лабильных, слабых грунтах. Цель такой методики увеличить силы трения поверхности свай и расположенного вокруг них грунта.

Инструкция применения технологии предполагает следующий порядок действия:

В имеющемся фундаменте, с шагом от 1.5 до 2 метров забуриваются и под высоким давлением производят уплотнение грунта до образования полостей гидроразрыва. Бурение производится в межсвайном пространстве и у основания установленных свай;

К сведению! Под воздействием высокого давления грунт уплотняется возле имеющихся основ, для достижения максимального результата бурение осуществляют на глубину от метра до двух с половиной глубже уровня залегания основных свай. Кроме обычного направления заполнения быстротвердеющим раствором, применяется разнонаправленные иньекторы, которые позволяют подгрести грунт именно под уже установленные конструкции.

В имеющихся уже зданиях, при наличии плитного фундамента инъекторы вставляются по всему плиточному полю с захватом квадратов от полутора на полтора метра, до двух на три метра. Все операции происходят в подвальном помещении;
Нагнетание раствора происходит поэтапно, идеальным является заполнение шахт идущих и примыкающих друг к другу. Таким образом, происходит целенаправленное смещение грунтов к конкретной опоре и поддержка этой вновь образованной подушки своеобразными армировочными поясами из цементной смеси.

Положительные характеристики этого метода:

Уплотнение грунта с элементами армирования происходит без сложных земельных работ, использования тяжелой техники и дополнительных строительных бригад;
Задувка цементной смеси под давлением позволяет увеличить силу трения между уплотненными грунтами и поверхностью родных свай, что в свою очередь увеличит эффективность несущей способности конструкции в 2 раза;
Предлагаемая технология позволит провести ремонт фундамента уже имеющегося здания и усилить возможности висячих опор. Так как классическая технология предполагает возведение новых свай и перераспределения нагрузки на них, что практически не реально, то в новой методике это неудобство нивелировано.