Процессы, происходящие в грунте при работе свай под нагрузкой.

Вертикальная нагрузка, воспринимаемая висячей сваей, передается на грунт через ее боковую поверхность и нижний конец. В результате в грунте вокруг сваи возникает напряженная зона, имеющая сложное криволинейное очертание.

Эпюра вертикальных нормальных напряжений s_Z на уровне нижнего конца свай имеет выпуклую форму. Принято считать, что напряжения s_Z распределяются по площади, равной основанию конуса, образующая которого составляет со сваей угол a, зависящий от сил трения грунта по его боковой поверхности.

При редком расположении свай в кусте напряженные зоны грунта вокруг них не пересекаются и все сваи работают не зависимо, как одиночные. При небольшом расстоянии между сваями (как показали опыты менее 6d, где d – диаметр сваи) происходит наложение напряжений, вследствие чего давление на грунт в уровне нижних концов свай возрастает. Одновременно с увеличением давления под кустом свай формируется и значительно большая, по сравнению с одиночной сваей общая активная зона сжатия грунта. Вследствие этих двух причин при одинаковой нагрузке осадка сваи куста при совместной работе свай будет всегда заметно превышать осадку одиночной сваи.

Что касается несущей способности свай куста, то, с одной стороны, дополнительное уплотнение грунта, вызванное забивкой соседних свай, приводит к ее увеличению, а с другой стороны – осадка грунта межсвайного пространства в результате совместной работы свай приводит к ее уменьшению, поскольку снижаются силы трения по боковым поверхностям свай. Опыты показывают, что в глинистых грунтах, а также мелких и пылеватых песках несущая способность сваи в кусте, как правило, уменьшается по сравнению с несущей способностью одиночной сваи, а в песках крупных и средней крупности – увеличиваются. Описанные следствия совместной работы свай в кустах принято называть кустовым эффектом.

Сваи-стойки. Поскольку потеря несущей способности сваей-стойкой может произойти либо в результате разрушения грунта под ее нижним концом, либо в результате разрушения самой сваи, ее расчет на вертикальную нагрузку проводится по двум условиям: по условию прочности материала ствола сваи и по условию прочности грунта под нижним концом сваи. За несущую способность сваи в проекте принимается меньшая величина.

По прочности материала сваи рассчитываются как центрально сжатые стержни, жестко защемленные в грунте в сечении, расположенном от подошвы ростверка на расстоянии l₁, определяемом по формуле

l₁ = l₀+2/a_e,

l₀ – длина участка сваи от подошвы высокого ростверка до уровня планировки грунта, м; a_e - коэффициент деформации, 1/м, определяемый по приложению 1 СНиП 2.02.03-85.

Несущая способность по материалу F_dm наиболее широко применяемых в строительстве ж. б. призматических свай рассчитывается по формуле

F_dm = j(g_cbR_bA+g_aR_sA_a),

где j – коэффициент продольного изгиба; g_cb – коэффициент условий работы, зависящий от поперечного сечения и вида сваи по СНиП 2.02.03-85; R_b - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию в зависимости от его класса по
СНиП 2.03.01-84*, кПа; A – площадь поперечного сечения сваи, м²; g_a – коэффициент условий работы арматуры, принимаемый равным 1; R_s – расчетное сопротивление сжатию продольной рабочей арматуры в зависимости от ее класса по
СНиП 2.03.01-84*, кПа; A_a – площадь поперечного сечения арматуры, м².

По прочности грунта под нижним концом сваи несущая способность F_d сваи-стойки определяется по формуле

F_d = g_cRA,

где g_c=1 – коэффициент условий работы сваи в грунте; R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа; A – площадь опирания сваи-стойки на грунт, м².

Расчетное сопротивление грунта R для всех видов забивных свай принимается равным 20 МПа. Для набивных свай, если они опираются на прочную скальную породу, R определяется по формуле

R = R_{c, n}/g_g,

а для свай, заделанных в невыветрелую скальную породу на глубину не менее 0,5 м, по формуле

R = (R_{c, n}/g_g) (l_d/d_f+1,5),

где R_{c, n} – нормативное значение предела прочности скального грунта на одноосное сжатие грунта в водонасыщенном состоянии, кПа; g_g=1,4 – коэффициент надежности по грунту; l_d – глубина заделки сваи в скальный грунт, м; d_f – наружный диаметр, заделанной в скальный грунт части сваи, м.

Висячие сваи. Расчет несущей способности вертикально нагруженных висячих свай производится только по прочности грунта, поскольку по прочности материала сваи она заведомо выше.