Именно для таких людей и предназначена данная статья. Основное внимание уделено расчету висячих буровых свай и ростверков для малоэтажных сельских зданий. Именно в эту категорию попадает абсолютное большинство домов частной постройки.
Железобетонные сваи с преднапрягаемой арматурой, составные сваи, сваи-оболочки, деревянные сваи, сваи с продольным сечением, изменяющимся по длине, забивные сваи, в целом сваи-стойки, некоторые другие виды свай, а также особенности расчета свайных фундаментов для мостов, подпорных стенок, линий электропередач, свайных фундаментов для строительства при набухающих, просадочных или пучинистых грунтах, в сейсмических районах и на подрабатываемых территориях в данной статье не рассматриваются.
Кроме того, все изложенное в данной статье, является не более чем вольной интерпретацией положений, изложенных в нормативных документах, с целью истолковать эти самые положения с точки зрения основ строительной механики и теории сопротивления материалов. Возможно в моем изложении допущены какие-либо смысловые ошибки или допущено неверное толкование того или иного положения. Поэтому при расчете свайных фундаментов следует руководствоваться именно нормативными документами, а не данной статьей.
Итак, начнем.
1. Основные требования к материалу свайных фундаментов
1.1. Железобетонные сваи следует изготавливать из тяжелого бетона. Для буровых и набивных свай следует использовать бетон класса ≥ В15. Если длина указанных типов свай менее 3.5 м, то при соответствующем обосновании допускается использовать бетон класса ≥ В7.5.
1.2. Железобетонные ростверки свайных фундаментов следует изготавливать из тяжелого бетона класса ≥ В12.5 - для монолитных ростверков и класса ≥ В15 - для сборных ростверков.
1.3. Марки бетона по водонепроницаемости и морозостойкости следует принимать согласно требованиям ГОСТа 19804.0-78, а также СНиПа 2.03.01-84* "Бетонные и железобетонные конструкции".
Примечание: По поводу минимально допустимого диаметра сечения продольной арматуры железобетонных свай в нормативных документах прямо ничего не сказано. Поэтому, на мой взгляд, в подобных случаях можно руководствоваться или общими конструктивными требованиями для сжатых ж/б элементов конструкций, согласно которым диаметр продольной арматуры должен составлять не менее 12 мм. Или вообще не обращать на подобные требования никакого внимания, а принимать сечение арматуры согласно расчету. Все-таки свая практически полностью находящаяся в грунте - это не совсем колонна, поэтому и возможны бетонные и бутобетонные сваи, никакого армирования не имеющие.
2. Основные указания по расчету
2.1. Расчет свай, ростверков и оснований под свайные фундаменты производится по двум группам предельных состояний.
2.2. Расчет по первой группе предельных состояний является обязательным и включает в себя:
2.2.1. Расчет по прочности материала свай и свайных ростверков на действие вертикальной нагрузки
Данный расчет выполняется согласно требований вышеуказанного СНиПа 2.03.01-84* "Бетонные и железобетонные конструкции". Далее, согласно СНиП 2.02.03-85 п.3.11: "Расчетную нагрузку на сваю N, кН (тс), следует определять, рассматривая фундамент как рамную конструкцию, воспринимающую вертикальные и горизонтальные нагрузки и изгибающие моменты."
Чтобы было более понятно, о чем в данном немногословном пункте идет речь, рассмотрим следующую картинку:
Рисунок 486.1. Возможные варианты расчетных схем для висячих свай в зависимости от различных факторов.
а) общий вид;
б) расчетная схема при жестком соединении свай с ростверком, пунктиром показаны примерные положения нейтральных осей свай и ростверка в результате деформации;
в) расчетные нагрузки для свай при жестком соединении свай с ростверком, если жесткость свай стремится к бесконечности или расчетная длина свай стремится к нулю;
г) расчетная схема при шарнирном опирании нерарезного ростверка на сваи, пунктиром показаны примерные положения нейтральных осей свай и ростверка в результате деформации;
д) расчетные нагрузки на сваи при шарнирном опирании неразрезного ростверка, а также при жестком соединении свай с ростверком при условии, что жесткость свай стремится к нулю или расчетная длина свай к бесконечности
На рисунке 486.1 представлены два возможных варианта расчетных схем для среднего ряда висячих свай при отсутствии горизонтальных нагрузок, при равных пролетах l между сваями и постоянной равномерно распределенной нагрузке q.
Так как сваи висячие, то при одинаковых параметрах сечения крайних и промежуточных свай, а также при одинаковых характеристиках грунта под промежуточными сваями осадка s будет больше, чем под крайними сваями, на рисунке 486.1 осадки s не показаны, а показана только разница осадок Δs между крайними и промежуточными сваями.
1 вариант - соединение неразрезного ростверка со сваями имеет необходимую жесткость и позволяет рассматривать сваи и ростверк как рамную конструкцию (рис. 486.1.б)), соответственно и рассчитывать эту раму нужно с учетом жесткостей свай и ростверка.
В этом случае на крайние сваи кроме вертикальной (нормальной) нагрузки и горизонтальной нагрузки (касательных напряжений) будет дополнительно действовать изгибающий момент М.
Значение этого момента будет зависеть от множества факторов. Например при одинаковой жесткости ростверка и свай и при расчетной длине свай, равной пролету между сваями, значение момента для крайних свай составит около М = ±ql2/26. Для промежуточных свай, показанных на рисунке 486.1.б), значение момента составит около М = ±ql2/98.
2 вариант - жесткость свай значительно больше жесткости ростверка или расчетная длина свай значительно меньше пролетов ростверка.
В этом случае для упрощения расчетов ростверк в пролетах можно рассматривать как балку с жестким защемлением на опорах (рисунок 486.1.в)). Значение момента для крайних свай составит около М = -ql2/12 (при этом не следует забывать, что в данном случае l - это пролет ростверка, а не приведенная длина сваи). Расчетное значение момента на опорах для ростверка будет таким же, а в пролете расчетное значение момента составит Мl/2 = ql2/24.
А для того, чтобы учесть, что бесконечно жестких свай не бывает или то, что расчетная длина свай все-таки больше 0, указанные значения момента следует умножить на дополнительные коэффициенты надежности по нагрузке, например, γнм = 1.1.
3 вариант - при жесткости ростверка, значительно превышающей жесткость свай, а также при пролете между сваями значительно меньшем, чем длина свай, ростверк можно рассчитывать как многопролетную неразрезную балку (рисунок 486.1.г)).
В этом случае значение момента для свай будет стремиться к 0, и тем больше, чем ближе жесткость ростверка к бесконечности. Поэтому для свай можно принять расчетные нагрузки, показанные на рисунке 486.1.д).
Примечание: На угловые сваи (расположенные в углах здания) моменты могут действовать в 2 плоскостях, относительно оси х и z, это нужно учитывать при расчетах угловых свай.
4 вариант - соединение ростверка со сваями не имеет необходимой жесткости. В этом случае ростверк рассматривается и рассчитывается, как неразрезная многопролетная балка, а сваи - как опоры неразрезной балки. На рисунке 486.1.г) показана 3-х пролетная неразрезная балка. При этом на крайние сваи будет действовать момент (на рисунке 486.1.д) не показан), возникающий из-за эксцентриситета приложения нагрузки.
Впрочем, чем больше свай будет в рассматриваемом ряду, тем ближе расчетные нагрузки при шарнирном опирании будут к расчетным нагрузкам при жестком соединении свай с ростверком. Если свай в ряду 7 и больше, то для упрощения расчетов разницей нагрузок можно пренебречь, воспользовавшись соответствующим коэффициентом надежности по нагрузке, и рассматривать ростверк в промежуточных пролетах, как балку с жестким защемлением на опорах, а в крайних пролетах, как балку с жестким защемлением на одной опоре и шарниром на второй опоре.
5 вариант - сборный ростверк, узлы сопряжения которого не позволяют рассматривать его как неразрезную балку, на рисунке 486.1 данный вариант не показан.
В этом случае расчет совсем простой, все элементы ростверка рассматриваются как однопролетные балки с шарнирными опорами, а нагрузка на все сваи будет такой же, как показано на рисунке 486.1.в). А моменты на крайних сваях будут возникать из-за эксцентриситета приложения нагрузки. Правда в этом случае будет больше нагрузка на стеновые материалы, но к расчету свай это никакого отношения не имеет.
Примечание: Конечно же в действительности все может быть значительно сложнее, грунт может быть неоднородным, нагрузка не равномерно распределенной и т.д.
2.2.2. Дополнительный расчет на действие неравномерно распределенной вертикальной нагрузки
Если общая нагрузка на площадь фундамента является плоской неравномерно распределенной, то при рассмотрении всей площади фундамента, как некоего поперечного сечения, в этом сечении будут действовать дополнительные моменты, возникающие из-за эксцентриситета приложения нагрузки, сведенной к сосредоточенной Nd.
Чтобы учесть влияние этих моментов, можно воспользоваться положением все того же СНиП 2.02.03-85 п.3.11: "Для фундаментов с вертикальными сваями расчетную нагрузку на сваю допускается определять по формуле:
N = Nd/n ± Mxz/Σz2i ± Mzx/Σx2i (3)
где Nd - расчетная сжимающая сила кН (тс), из контекста формулы следует, что это нагрузка на фундамент от всего дома, так как n - количество свай в фундаменте.
Mx, Mz - расчетные изгибающие моменты, кНм (тcм), относительно главных центральных осей х и z плана свай в плоскости подошвы ростверка, рассматриваемого как некое поперечное сечение.
Соответственно Мх = Ndey. Где еу - эксцентриситет приложения сосредоточенной нагрузки.
х, z - расстояния от главных осей сечения до оси рассчитываемой сваи, м.
xi, zi - расстояния от главных осей сечения до оси каждой сваи, м.
Так из приведенной выше формулы следует, что если нагрузка является плоской равномерно распределенной, то никаких дополнительных моментов на фундамент, рассматриваемый, как некое поперечное сечение, действовать не будет, точнее они будут равны 0 и в этом случае никакого дополнительного расчета производить не надо.
2.2.3. Расчет на действие горизонтальной нагрузки
Согласно СНиП 2.02.03-85 п.3.12: "Горизонтальную нагрузку, действующую на фундамент с вертикальными сваями одинакового поперечного сечения, допускается принимать равномерно распределенной между всеми сваями". Проще говоря, имеющаяся горизонтальная нагрузка на свайный фундамент просто делится на количество свай.
Надеюсь, причины такого допуска станут более понятными после прочтения соответствующей статьи. Как учесть возможное влияние горизонтальных нагрузок на ростверк и сваи, рассказывается здесь.
2.2.4. Расчет на устойчивость свай
Сваи, как и любые другие центрально или внецентренно сжатые стержни, требуется проверить на устойчивость. На первый взгляд к висячим сваям данное требование не имеет никакого отношения. Потому они и висячие, что никакого ярко выраженного основания под собой не имеют, а под действием центрально приложенной нагрузки дают осадку, а значит и продольный изгиб исключен.
Все это действительно так, однако при действии на рассматриваемую сваю значительного изгибающего момента и горизонтальной нагрузки и без учета вертикальной нагрузки такая свая уже может рассматриваться как консольная балка с жестким защемлением на нижней опоре. А значит для такой сваи (а это как минимум крайние и угловые сваи) расчет на устойчивость является обязательным. Для этого требуется знать расчетную длину свай.
Считается, что расчет на устойчивость относится к расчетам по первой группе предельных состояний, я же считаю, что расчет на устойчивость - это некий промежуточный расчет, не имеющий прямого отношения ни к 1 ни ко 2 группе предельных состояний. Впрочем, это мое личное мнение и к теме данной статьи оно никакого отношения не имеет.
2.2.5. Расчет по несущей способности грунта основания
Подобный расчет выполняется на основании следующих расчетных предпосылок:
По несущей способности грунтов одиночная свая, входящая в состав фундамента или вне его, должна рассчитываться, исходя из следующего условия:
N ≤ Fd/γk (486.1)
где N - расчетная нагрузка на сваю (см. пункт 2.2.1);
γk - коэффициент надежности, принимаемый равным:
γk = 1.2 - при определении несущей способности свай по результатам полевых испытаний статической нагрузкой;
γk = 1.25 - при определении несущей способности свай расчетом по результатам статического зондирования грунта, по результатам динамических испытаний сваи, выполненных с учетом упругих деформаций грунта, а также по результатам полевых испытаний грунтов эталонной сваей или сваей-зондом;
γk = 1.4 - при определении несущей способности сваи расчетом, в том числе по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учета упругих деформаций грунта;
Кроме того, если подошва низкого или высокого ростверка опирается на сильносжимаемый грунт, если висячие сваяи воспринимают сжимающую нагрузку N, а также при любом виде ростверка и висячих сваях и сваях-стойках, воспринимающих выдергивающую (растягивающую) нагрузку N, значение коэффициента надежности принимается в зависимости от числа свай в фундаменте:
Если всего от 1 до 5 свай, то γk = 1.75(1.6);
от 6 до 10 свай - γk = 1.65(1.5);
от 11 до 20 свай - γk = 1.55(1.4);
при 21 свае и более - γk = 1.4(1.25).
В скобках даны значения коэффициента для тех случаев, когда несущая способность сваи определена по результатам полевых испытаний статической нагрузкой или расчетом по результатам статического зондирования грунтов. И это еще далеко не все возможные значения коэффициентов надежности.
Вот только в этом достаточно подробном и обширном перечне нет одного, довольно часто встречающегося в последнее время в малоэтажном строительстве варианта: когда расчет свай выполняется на глаз, т.е. нет даже результатов геологоразведки. А про какие-либо статические-динамические испытания свай и говорить нечего.
Почему-то люди, самостоятельно занимающиеся расчетом свай, в таких случаях принимают значение γk = 1.4 (во всяком случае именно это значение чаще всего встречалось мне на форумах и иных сайтах, посвященных теме строительства). Скорее всего потому, что планируемое количество свай более 21. В принципе такое допустимо, если дальнейший расчет вести по минимально возможному значению расчетного сопротивления грунта.
И все равно в подобных случаях, если используется не минимально возможное расчетное сопротивление грунта, я рекомендую использовать γk = 1.8÷2. Если уж вы экономите на геологических изысканиях, то придется вложиться в запас по прочности. Впрочем это не более, чем рекомендации.
Fd - несущая способность сваи, определяемая в зависимости от рассматриваемого вида свай.
Так как сваи-стойки, а также забивные сваи мы в данной статье не рассматриваем, то сразу перейдем к висячим буровым и буронабивным сваям, заполняемым бетоном:
Fd = γc(γcRRA + uΣγcffihi) (486.2.1)
где γс = 1, коэффициент условий работы сваи в грунте. При опирании сваи на пылевато-глинистые грунты со степенью влажности Sp < 0.9 и на лессовые грунты γс = 0.8.
γсR = 1 - коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи. Для свай с камуфлетными уширениями γсR = 1.3.
R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа (тс/м2).
В малоэтажном сельском строительстве при глубине погружения свай 2-3 метра:
Расчетные сопротивления под нижним концом набивных и буровых свай с уплотненным забоем следует принимать по таблице 22:
При плотных песчаных грунтах табличные значения следует увеличивать в 1.3 раза.
Расчетные сопротивления под нижним концом забивных свай следует принимать по таблице 20:
А - площадь опирания сваи на грунт, м2. Для буровых и набивных свай без уширения площадь опирания принимается равной площади поперечного сечения сваи. Для буровых и набивных свай с уширением площадь опирания принимается равной площади поперечного сечения уширения сваи в месте, где диаметр уширения наибольший. Для заполняемых бетоном свай-оболочек площадь опирания принимается равной площади поперечного сечения оболочки брутто (больше подробностей по определению площади поперечного сечения свай смотрите здесь);
u - периметр поперечного сечения ствола сваи, м;
γcf - коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи. Значение коэффициента зависит от способа образования скважин а также условий бетонирования, принимаемается по таблице 5:
Примечание: в п.2.5 СНиПа речьидет о различных видах буровых свай.
fi - расчетное сопротивление i-гo слоя грунта на боковой поверхности ствола сваи, кПа (тс/м2), принимается по таблице 21:
hi - толщина i-го слоя грунта, контактирующего с боковой поверхностью сваи, м.
В общем случае (при расчете висячих буровых и набивных свай и свай-оболочек, заполняемых бетоном):
Расчетные сопротивления для пылевато-глинистых грунтов, следует принимать по таблице 7:
Примечание, относящееся к сваям опор мостов, я убрал, по указанным выше причинам.
Расчетные сопротивления для крупнообломочных грунтов с песчаным заполнителем и песчаных грунтов в основании набивной и буровой свай с уширением и без уширения, сваи-оболочки, погружаемой с полным удалением грунтового ядра следует определять по формуле (486.2.2):
R = 0,75a4(a1γ'Id + a2a3γIh) (486.2.2)
где a1, a2, a3, a4 - безразмерные коэффициенты. Их значение определяется в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта основания по таблице 6:
γ'I - расчетное значение удельного веса грунта, кН/м3 (тс/м3), в основании сваи (с учетом взвешивающего действия воды при водонасыщенных грунтах);
γI - расчетное значение, осредненное по слоям, удельного веса грунтов, кН/м3 (тс/м3), которые расположены выше нижнего конца сваи (с учетом взвешивающего действия воды при водонасыщенных грунтах);
d - диаметр, м, набивных и буровых свай, для свай с уширением - диаметр уширения, наружный диаметр свай-оболочек или диаметр скважин для свай-столбов, омоноличенных в грунте цементно-песчаным раствором;
h - глубина заложения нижнего конца сваи, м, (ее уширения для свай с уширением). Глубина заложения отсчитывается от природного рельефа или уровня планировки (при планировке срезкой).
Расчетные сопротивления на боковой поверхности висячих свай следует определять по таблице 2:
Примечания:
1. В п.2 примечаний к таблице 1 речь идет о том, что: "глубину погружения нижнего конца сваи и среднюю глубину расположения слоя грунта при планировке территории срезкой, подсыпкой, намывом до 3 м следует принимать от уровня природного рельефа, а при срезке, подсыпке, намыве от 3 до 10 м - от условной отметки, расположенной соответственно на 3 м выше уровня срезки или на 3 м ниже уровня подсыпки" (определение глубины погружения свай в водоемах я опустил).
2. В п.3 примечаний к таблице 1 речь идет о определении промежуточных значений интерполяцией.
Расчетные значения под низом и на боковой поверхности буровых и набивных свай (общий случай) я привел для наглядности.
2.2.6. Расчет по несущей способности основания свайного фундамента
Такой расчет необходим в тех случаях, когда на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки от подпорных стен, фундаментов распорных конструкций (например, арочных) и др., а также если основание ограничено откосами или сложено крутопадающими слоями грунта и т.п.
2.3. Расчет по второй группе предельных состояний является обязательным и рассматривается отдельно. | 
