Кафедра автомобильных дорог и городских сооружений

руководитель: Серватинский Вадим Вячеславович

e-mail: VServatinsky [at] sfu-kras [dot] ru

адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 3-09

веб-сайт: isi.sfu-kras.ru/kafedra/ADiGS

Подразделения

Лаборатория автомобильных дорог 206-56-52, rvolkov [at] sfu-kras [dot] ru
Лаборатория городских инженерных сооружений и фундаментов 206-27-64, vlyutinhay [at] sfu-kras [dot] ru
Лаборатория инженерной геодезии 206-56-67, OTerpilova [at] sfu-kras [dot] ru

	Серватинский Вадим Вячеславович доцент, заведующий +7 (391) 206-27-50, VServatinsky [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 3-07
	Артемьева Наталия Александровна доцент +7 (391) 206-28-10, nartemeva [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82— ИСИ, ауд. 1-19
	Богданов Игорь Яковлевич доцент +7 (391) 206-27-50, Ibogdanov [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 3-09
	Воротынова Ольга Владленовна доцент +7 (391) 206-27-64, ovorotynova [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 2-07
	Гавриленко Татьяна Валентиновна доцент +7 (391) 206-27-50, tvgavrilenko [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. А-309
	Гавриш Валентина Владимировна доцент +7 (391) 206-27-50, VGavrish [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 3-09
	Горяева Елена Владимировна доцент +7 (391) 206-56-67, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82— ИСИ, ауд. 1-22
	Жуков Виктор Ильич профессор +7 (391) 206-27-50, VZhukov [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 3-09
	Журавлев Виктор Юрьевич доцент +7 (391) 206-27-50, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 3-09
	Иванова Людмила Алексеевна доцент +7 (391) 206-27-50, LAIvanova [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82— ИСИ, ауд. 1-22
	Иванова Ольга Анатольевна ассистент +7 (391) 206-27-50, OAIvanova [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 3-09
	Крафт Светлана Леопольдовна доцент +7 (391) 206-27-64, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 2-07
	Криворотова Елена Сергеевна специалист +7 (391) 206-27-50, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 3-05
	Мохирев Александр Петрович профессор +7 (391) 206-28-09, amokhirev [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 119
	Преснов Олег Михайлович доцент +7 (391) 206-27-64, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 208
	Сабинин Виктор Леонидович доцент +7 (391) 206-27-50, vsabinin [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 3-09
	Савич Александр Сергеевич специалист страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82— ИСИ, ауд. 1-12
	Семенов Максим Юрьевич старший преподаватель +7 (391) 206-27-64, MSemenov [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 2-03
	Фомина Людмила Юрьевна доцент +7 (391) 206-27-64, lyfomina [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 207
	Холодов Сергей Павлович доцент +7 (391) 206-27-64, Skholodov [at] stu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 2-07
	Янаев Евгений Юрьевич доцент +7 (391) 206-28-24, EYanaev [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника адрес: пр. Свободный, 82— ИСИ, ауд. 2-32

Лаборатория городских инженерных сооружений и фундаментов

Лю-тинхай Валентина Васильевна

заведующий

+7 (391) 206-27-50, vlyutinhay [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника

адрес: пр. Свободный, 82, стр. 1, ауд. 3-05

Лаборатория инженерной геодезии

Терпилова Оксана Викторовна

заведующий

+7 (391) 206-56-67, OTerpilova [at] sfu-kras [dot] ru, страница сотрудника

адрес: пр. Свободный, 82— ИСИ, ауд. 1-22

Все сотрудники на странице подразделения: isi.sfu-kras.ru

Лаборатория автомобильных дорог 206-56-52, rvolkov [at] sfu-kras [dot] ru
Лаборатория городских инженерных сооружений и фундаментов 206-27-64, vlyutinhay [at] sfu-kras [dot] ru
Лаборатория инженерной геодезии 206-56-67, OTerpilova [at] sfu-kras [dot] ru

Сваи с уширенной пятой

Свайный фундамент является одним из наиболее распространенных видов фундаментов в сложных грунтовых и климатических условиях России (большая глубина промерзания, воздействие сил морозного пучения и др.).

Особое место по эффективности занимают фундаменты из буронабивных свай с уширенной пятой, работающие на вертикальную нагрузку.

Однако отдельные вопросы применения такого свайного фундамента остаются слабо изученными. К ним относятся вопросы рационального выбора размеров уширенной пяты буронабивной сваи для увеличения ее несущей способности.

Эффективность (удельная несущая способность) применения такого уширения будет зависеть от его размеров.

С ростом радиуса R уширения удельная несущая способность (отношение несущей способности сваи к ее объему) такой сваи вначале растет, а затем снижается.

В связи с этим вопрос выбора радиуса R уширения становится особенно важным.

Для эффективного применения уширения необходимо назначать R = R_опт, дающий максимальное значение показателя K/m (удельная несущая способность).

В работах предложена схема расчета радиуса R = R_опт обеспечивающая наибольшую удельную несущую способность (эффективность) конструкции.

Выбор размеров уширения для буронабивных свай с уширенной пятой

В работах [1,2,3,4] показано, что буронабивные сваи с уширенной пятой — эффективная свайная конструкция, работающая на выдергивание. Такой тип работы широко встречается для коротких свай в условиях большой глубины промерзания df , т.е. в условиях Сибири и большей части Европейской территории России.

Технология свай ТИСЭ [5,6,7] предполагает изготовление в нижней части сваи уширения в виде полусферы (с помощью специального ножа-плуга).

Так как объем (а, следовательно и стоимость) цилиндрической части сваи растет пропорционально квадрату радиуса скважины, а уширения — кубу радиуса полусферы R, эффективность (удельная несущая способность на выдергивание, несущая способность отнесенная к объему сваи, кН/м³) применения такого уширения будет непостоянна.

Вначале она будет расти, достигая максимума, а затем снижаться, при больших значениях R. Таким образом, актуальным становится вопрос выбора радиуса R полусферической части сваи, который обеспечит наибольшую удельную несущую способность конструкции.

Определим значение R_опт (в приведенном ранее смысле) в зависимости от других параметров сваи.

Объем цилиндрической части сваи V_ц равен:

V_ц = πr²ℓ,

где r — радиус скважины;
ℓ — длина сваи.

Объем полусферической части сваи V_п определится:

V_п = (4πR³ / 3) / 2 = 2πR³ / 3

Учитывая, что объем центральной части уширения в пределах радиуса r и высотой h ≈ R входит в объем цилиндрической части сваи V_ц, его нужно вычесть из V_п.

Тогда:

V_п = 2πRR³ / 3 − πrR²R.

Небольшая погрешность, возникающая за счет замены h на R, не превышает 3% и на точность дальнейших расчетов существенно не влияет.

Таким образом, объем сваи с уширением V_уш равен:

V_уш = V_ц + V_п = πr²ℓ + 2πR³ / 3 − πr²R.

Объем сваи без уширения V_c определится:

V_с = V_ц = πr²ℓ.

Так как нас интересует насколько растет объем сваи за счет уширения, введем показатель m.

m = V_уш/V_с = (V_ц + V_п)/V_ц = (πr²ℓ + 2πR³ / 3 − πr²R) / (πr²ℓ) = 1 + (2R³ / 3)/(r²ℓ) − R / ℓ.

При росте R несущая способность сваи на выдергивание (в дальнейшем несущая способность сваи) также растет.

Несущая способность сваи без уширения F_d с по (7.14)[8] будет равна:

F_dc = γ_c2πrγ_cffℓ

где f — расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности ствола сваи, кПа; ввиду малой длины сваи может быть принято постоянным.

Для сваи с уширением несущая способность F_{d уш} определится:

F_{d уш} = γ_c2πRγ_cffℓ.

Введем показатель K, равный отношению несущих способностей.

K = F_{d уш} / F_dc = γ_c2πR_γcffℓ / (γ_c2πrγ_cffℓ) = R / r.

Показателем эффективности применения уширения (как отмечено ранее) будет отношение удельной несущей способности сваи с уширением к этому же показателю для цилиндрической. То есть отношение прироста несущей способности K приросту объема сваи m (т.е. стоимости).

В таблице приведены значения K/m в зависимости от радиуса уширения R при значениях ℓ = 1,0 м и r = 0,1 м.

R,м	m	K	K/m
0,10	0,97	1,0	1,031
0,15	1,075	1,5	1,395
0,20	1,33	2,0	1,50
0,25	1,79	2,5	1,396
0,30	2,50	3,0	1,20
0,35	3,50	3,5	1,00
0,40	4,90	4,0	0,81

Из рассмотрения таблицы можно видеть зависимость предполагаемую ранее. Удельная несущая способность сваи с уширением растет с ростом R от 1,0 до 1,50 (при R = 0,20 м), а затем падает до 1,0 и менее по сравнению с цилиндрической формой (что совершенно недопустимо на практике).

Для эффективного применения уширения необходимо назначать R, дающий максимальное значение показателя K/m (отношение удельных несущих способностей свай с уширением к цилиндрической ).

Для определения R_опт необходимо взять производную от K/m по R, приравнять ее нулю и из этого выражения найти R = R_опт.

K / m = (R / r)/(1 + (2 R³ / 3) / (r²ℓ) − R / ℓ). (1)

Решение уравнения третьей степени, полученного после дифференцирования, весьма громоздко. Поэтому найдем R_опт для обратной величины m / K (минимальный прирост объема сваи на 1 кН несущей способности).

m / K = (1 + (2 R₃ / 3) / (r₂ℓ) − R / ℓ) / (R / r) = r / R + (2R₂) / (3rℓ) − r / ℓ;

(m / K)׀ = (r / R + (2R²) / (3rℓ) − r / ℓ)׀ = 4R / (3rℓ) − r / R².

Отсюда:

4R / (3rℓ) − r / R² = 0; R = R_опт = (3r²ℓ / 4)^1/3. (2)

Для значений приведенных к таблице R_опт равно:

R_опт = (30,1² 1,0 / 4)^1/3 = 0,196 м;

K / m = (R / r) / (1 + (2 R³ / 3) / (r²ℓ) − R / ℓ) = 1,96 / (1 + 20,1963 / (30,01*1,0) − 0,196) = 1,508.

Удельная несущая способность такой сваи на выдергивание будет в 1,508 раза выше, чем у цилиндрической.

Выводы

Для свай, изготовленных по технологии ТИСЭ, работающих на выдергивание, размер уширения определяет удельную несущую способность всей конструкции.
Для обеспечения максимальной удельной несущей способности свай радиус уширения должен приниматься по выражению (2).

Литература

Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. — М.: ПНИИИС, 1986.
Невзоров А.Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. — М.: Изд. АСВ, ISBN 5–93093–031–7, 2000.
Рекомендации по совершенствованию конструкций и норм проектирования искусственных сооружений, возводимых на пучинистых грунтах с учетом природных условий БАМа. — М.: ВНИИТС, 1981.
СП 131.13330.2012. Строительная климатология. — М.: Минрегион России НИИСФ РААСН, 2012.
ВСН 5–71 Временные указания по устройству коротких буронабивных бетонных и бутобетонных свай для малоэтажных сельских зданий. — М.: Минсельстрой СССР,1971.
Холодов С.П. Малонагруженные фундаменты в условиях большой глубины промерзания. Системы. Методы. Технологии. Братский государственный университет. ISSN 2077–5415, вып. 2, с. 138–141, 2015.
Холодов С.П. Расчет буронабивной сваи с уширением в климатических условиях Сибири. Системы. Методы. Технологии. Братский государственный университет. ISSN 2077–5415, вып. 2, с. 138–142, 2017.
СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. — М.: Минрегион России ОАО «ЦПП», 2010.

Контакты

Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, Красноярск, проспект Свободный 79, тел. +7 (391) 244-82-13, факс. +7 (391) 244-86-25.

Кафедра автомобильных дорог и городских сооружений»; +7 (391) 252-78-72.

УДК 624.139.26

Холодов С. П., канд. техн. наук, доц.; skholodov [at] sfu-kras [dot] ru.