В настоящее время применяют длинные и короткие пирамидальные сваи. К числу первых относятся сваи длиной 6÷8 метров с малыми (1÷2°) углами наклона боковых граней к вертикали и размерами головы 40÷46 см [1, 2, 3].

Длинные пирамидальные  сваи рекомендуется  применять в однородных по глубине грунтах, в случаях, когда с поверхности залегают грунты более прочные, чем подстилающие, а также  недоуплотненные. При забивке этих свай происходит уплотнение окружающего грунта в большей степени, чем у обычных призматических или цилиндрических свай. Особенно в просадочных грунтах, как показывают опыты, в процессе забивки наблюдается уменьшение пористости от 15 до 40 % на расстоянии до трех диаметров сваи [4]. В этом случае рассматриваемые сваи наиболее эффективны и по сравнению с фундаментами из призматических свай обеспечивают снижение расхода бетона в 1,5÷2,0 раза.

Короткие  пирамидальные  сваи имеют длину 1,5÷5,0 м и угол  наклона граней 10÷15⁰. Такие сваи наиболее эффективны при строительстве в грунтовых  условиях I типа  просадочности, т.к. при забивке вокруг боковых  граней  сваи  образуется большой объем уплотненного грунта.

Пирамидальные  сваи отличаются не только конструктивным  решением, но самое главное, различными  условиями совместной  работы с грунтом, а, следовательно, и различным  расчетом их  несущей  способности.

Большие размеры поперечного сечения верха пирамидальных свай позволяют применять ростверки сборной и монолитной конструкции. При строительстве каркасных малоэтажных зданий стаканную часть под колонны устраивают непосредственно в голове сваи. Пирамидальные  сваи изготавливаются  ненапрягаемыми  с поперечным армированием ствола или с напрягаемым  центральным стержнем без  поперечного  армирования, что снижает расход арматурной стали [4].

Рис.1. Пирамидальные  сваи: а) с поперечным армированием  ствола; б) с продольной  напрягаемой  арматурой [4]

Основной задачей проектирования является выбор оптимальных размеров фундаментов [5, 6]. Главными факторами, влияющими на несущую  способность  пирамидальной сваи является угол наклона боковых граней, длина и физико-механические характеристики грунта [7, 8]. В настоящей работе представлены результаты исследований влияния наклонных граней и длины пирамидальной сваи при заданных грунтовых условиях на несущую способность.

Пирамидальные сваи являются сваями трения, и их несущая способность в основном складывается из сопротивления грунта вдоль наклонных боковых граней. При погружении в грунт по мере осадки пирамидальной сваи идет постоянное нарастание суммарных сил трения по боковым поверхностям f_i
и сопротивления под острием сваи R. Внешние нагрузки на такие сваи воспринимаются главным образом их боковой поверхностью и в меньшей степени острием.

Несущую  способность  пирамидальной сваи, прорезающей песчаные и глинистые грунты, F_d, кН, следует определять п. 7.2.4. [9] по формуле:

, (1)

где γ _c – коэффициент  условий работы  свай в грунте, принимаемый γ_c = 1,0;

R – расчетное  сопротивление  грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемый  по таблице 7.2. [9];

А – площадь  опирания сваи на грунт, м²;

f_i – расчетное  сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой  поверхности сваи, кПа, принимаемое по  таблице 7.3. [9];

h_i – толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося  с боковой  поверхностью сваи, м, мощные пласты грунтов следует расчленять на однородные  слои толщиной не более 2 м;

u_i   – наружный  периметр сваи в i-м сечении, м;

u_о,_i   – сумма  размеров  сторон i-го поперечного сечения  сваи, которые имеют  наклон к оси сваи, м;

i_р – наклон  боковых  граней к ее оси в долях единицы, при определении длины сваи принимается равным i_р ≤ 0,025;

E_i – компрессионный модуль  деформации i-го  слоя грунта, окружающего боковую поверхность сваи, кПа.

ζ_r – реологический   коэффициент,  принимаемый ζ_r = 0,8;

K_i – коэффициент,  зависящий от вида грунта  и принимаемый  для песков и супесей K_i  = 0,5, для глин при числе пластичности I_p =  18, K_i = 0,7, для глин при I_p = 25, K_i =   0,9 (при 18 < I_p < 25 K_i  определяется по интерполяции).

Из формулы (1) видно, что несущая способность зависит от характеристик грунтового основания и геометрических параметров сваи. Авторами исследуется влияние на несущую способность различной длины сваи в однородном суглинистом грунте с показателем текучести
I_l = 0,43 (рис.2). Длину свай принимаем от 3 до 8 м. Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Рис.2. Расчетная схема пирамидальной сваи.

Для свай различной длины с одинаковым уклоном боковых граней i_р ≤ 0,025 определяем удельную несущую способность F_d.уд. пирамидальной сваи по формуле:

(2)

Таблица 1. Изменение несущей способности в зависимости от длины пирамидальной сваи в глинистых грунтах

Графическая интерпретация результатов исследований зависимости удельной несущей способности

свай F_{d уд.} от их длины L показана на рис. 3.

Рис.3. Зависимость удельной несущей способности сваи F_d от длины L.

Анализируя полученный график, видим, что удельная несущая способность при увеличении длины сваи возрастает, что объясняется суммарным увеличением сопротивления грунта под нижним концом и по боковой поверхности сваи.

Проверим влияние на несущую способность сваи изменение уклона боковых граней. Для свай различной длины с различным уклоном боковых граней i_р
определяем удельную несущую способность пирамидальной сваи. Результаты расчетов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Изменение несущей способности в зависимости от уклона боковых граней пирамидальной сваи в песчаных грунтах

Для определения влияния уклона боковой грани i_р , на другие параметры строим график F_{d уд} = f ( i_p ) зависимости удельной несущей способности F_{d уд} 

от уклона граней i_p (рис. 4).

Рис.4. График зависимости удельной несущей способности F_dу , кН от уклона граней i_p, д.е.

Таким образом, исследования показали, что несущая способность пирамидальных свай, приведенная к единице объема, зависит не только от её объема, длины и грунтовых условий, но и от угла наклона граней сваи и возрастает с увеличением этого угла.

Установлено, что с ростом угла наклона боковых граней пирамидальных свай одинакового объема их несущая способность увеличивается. Варьируя параметром уклона боковых граней i_р , пирамидальных свай можно подобрать сваю требуемой несущей способности. Эффективность работы сваи с увеличением i_р можно наблюдать на графике зависимости F_{d уд} = f (i_p ) (рис.4). Для площадки, сложенной песком средней крупности при увеличении i_p от 0,014 до 0,025 удельная несущая способность сваи возросла более, чем в 1,5 раза.

Однако не везде удается применять сваи с уклоном боковых граней i_p > 0,25, т.к. в плотных грунтах их погружение оказывается затруднительным. Поэтому сваи с углами наклона граней 2÷9° целесообразно использовать в грунтах плотных и средней плотности, а сваи с углами наклона 9÷15° – в рыхлых.

Поэтому подбор оптимальных  размеров пирамидальных  свай по их несущей способности даже в конкретных  условиях является  трудоемким и не всегда позволяет учесть все факторы, влияющие на сопротивление сваи внешней нагрузке, особенно влияние уклона боковых граней. Не исключена  необходимость учета  и других факторов  при выполнении расчетов. Например, следует учитывать влияние начальной плотности грунта на несущую способность свай с различными уклонами граней, т.к. процесс погружения сваи связан с уплотнением грунта в околосвайном пространстве.

На выбор оптимальных геометрических размеров пирамидальных свай оказывают также влияние следующие факторы: величина нагрузок, передаваемых фундаментами, природная плотность грунта, конструкция  здания, его жесткость и предельная допускаемая величина осадки.

При расположении свайных фундаментов в слабых грунтах и воздействии на них больших нагрузок необходимо принимать максимальные размеры свай, в плотных грунтах геометрические размеры свай соответственно уменьшаются. Для установления действительного сопротивления пирамидальных свай нагрузке необходимо на площадках строительства выполнять статические испытания одной – двух свай в зависимости от степени неоднородности грунтовых условий.

Положительный опыт строительства зданий на пирамидальных сваях в г. Пензе и технико-экономическое сравнение [1, 2, 7, 8] свидетельствуют о целесообразности их использования для грунтовых площадок первых надпойменных террас в долинах рек, сложенных песками средней крупности и водонасыщенными пылевато-глинистыми грунтами. В пылевато-глинистых грунтах пирамидальные сваи при забивке уплотняют грунт и удаляют свободную воду, тем самым, исключая возможность морозного пучения в зоне уплотнения.

1. Хрянина О.В., Кошкина Н.В., Горынин А.С. К оценке эффективности пирамидальных свай // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 130-136.
2. Глухов В.С., Хрянина О.В., Фабрикин А.А. Экономическое обоснование применения пирамидальных свай на слабых грунтах в фундаментах под колонны // Вопросы планировки и застройки городов: материалы XXXV Всероссийской, XX Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С.136-139. ISBN 978-5-9282-0598-0.
3. Хрянина О.В., Белый А.А. Рациональный вариант фундаментов здания в сложных инженерно-геологических условиях г. Пензы // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50636 (дата обращения: 01.04.2015).
4. Малышев М.В., Болдырев Г.Г. Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах) /Учебное пособие. -М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2004. – 328 с.
5. Хрянина О.В., Пономарева Т.А. Рациональные фундаменты зданий на слабых грунтах // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы V Всероссийской науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2014. ISBN 978-5-9282-1216-2.
6. Галова Ю.С., Хрянина О.В. Подбор оптимального варианта фундамента многоэтажного жилого дома в сложных геологических условиях г. Тольятти // Актуальные проблемы проектирования и возведения зданий и сооружений с учетом энергосберегающих технологий и методов строительства: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2011. С. 64–67.
7. Хрянина О.В., Галов А.С. Исследование зависимости несущей способности пирамидальной сваи от ее длины // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 126-130.
8. Хрянина О.В., Кошкина Н.В., Горынин А.С. Зависимость несущей способности от уклона боковых граней пирамидальных свай // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 122-126.
9. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.20.03-85. М., 2011. 85 с.

Все статьи автора «Хрянина Ольга Викторовна»