Конструкции и расчет опор ЛЭП - Расчет оснований фундаментов из призматических свай

8-6. РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ ПРИЗМАТИЧЕСКИХ СВАЙ
На линиях электропередачи применяются свайные фундаменты, которые можно условно подразделить на два вида:

1. специальные фундаменты, сооружаемые в слабых или обводненных грунтах, главным образом под переходные опоры и опоры, устанавливаемые в поймах рек; кустовые свайные фундаменты с количеством свай в кусте более трех;
2. свайные фундаменты, сооружаемые в нормальных грунтах под нормальные опоры по всей трассе. В последнем случае повышается механизация строительства и исключаются земляные работы на линии.

Свайные фундаменты первого вида практически не отличаются от фундаментов промышленных сооружений, а фундаменты, сооружаемые для переходных опор и опор на поймах рек, от фундаментов, например, мостовых опор. В последнем случае нагрузки, являющиеся специфическими для линий электропередачи, составляют лишь незначительную долю нагрузки от давления льда.

Рис. 8-32. Схемы распределения сил сопротивления на боковой поверхности и под нижними концами сжатых свай

Расчет таких фундаментов и их оснований дается в технической литературе [2, 41, 42] и поэтому здесь не приводится. Проектирование и расчет свайных фундаментов первого вида следует производить в соответствии с указаниями СНиП П-В.5-67*.  Особенности расчета свайных фундаментов второго вида и их оснований и составляют содержание настоящего параграфа.
На линиях применяются главным образом свайные фундаменты из железобетонных свай, которые могут быть: призматическими, погружаемыми в грунт путем забивки, вдавливания или вибровдавливания [82]; винтовыми, погружаемыми путем завинчивания [6]. Эти фундаменты отличаются друг от друга не только способом погружения, но и характером работы, поэтому рассчитываются они также по-разному.
На свайные фундаменты опор линий электропередачи действуют как сжимающие, так и вырывающие силы; для нормальных опор они мало отличаются друг от друга. Так как сжимающие нагрузки передаются на грунт боковой поверхностью и нижними концами свай, а вырывающие только боковой поверхностью, размеры свайных фундаментов, как правило, определяются расчетом на вырывание.
Использование свай-стоек затруднено как из-за сложности обеспечения прочности заделки на вырывание, так и из-за невозможности изменения длины свай при переменных отметках залегания скальной породы. Наличие скальных пород на глубине, меньшей проектной глубины погружения свай, чаще всего заставляет отказываться от применения свайных фундаментов.

1. Расчет свай на действие осевых сил.

Для расчета несущей способности свай при действии осевых сил существуют теоретический, динамический и практический методы [82]. Для расчета свайных фундаментов опор линий электропередачи на осевую нагрузку применяется практический метод, основанный на учете средних (по длине) значений сил трения грунта на боковой поверхности сваи и сопротивления под острием. Несущая способность сваи при действии сжимающей осевой нагрузки (предельное сопротивление вдавливанию) складывается из сопротивления (трения) грунта на боковой поверхности свай Tf и сопротивления грунта под нижним ее концом Rσ, т. е.    

Еcли бы грунт был идеальным сыпучим телом, а сваи абсолютно жесткими, то эпюра давления на сваю, помещенную в грунт при условии свободного перемещения частиц грунта в стороны, имела бы треугольную форму. Так же распределились бы вдоль оси сваи и силы трения, пропорциональные давлению (рис. 8-32, а). В действительности при погружении сваи забивкой, вдавливанием или вибровдавливанием вокруг сваи образуется зона уплотненного грунта и характер давления грунта на сваю (а следовательно, и силы трения) меняется.
В практическом расчете принято, что силы трения распределены вдоль оси сваи равномерно (рис. 8-32,б) и предельная несущая способность определяется по формуле:
(8-90)
где и — периметр сваи; l — толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося со сваей; fi — сопротивление на боковой поверхности сваи; Fc — площадь поперечного сечения сваи; σ — сопротивление грунта на уровне нижнего конца сваи.
Несущая способность сваи при действии вырывающей осевой нагрузки определяется только сопротивлением грунта на боковой поверхности, которое при практической методе расчета считается также равномерно распределенным вдоль оси. Предельная несущая способность сваи на вырывание
(8-91)
Несущая способность основания сваи, работающей на осевую нагрузку, определяется по формулам:
при вдавливании

Таблица 9-11
Нормативные сопротивления на боковой поверхности свай, погруженных вдавливанием с предварительным бурением направляющих скважин (лидеров), в кН/м²

Таблица 8-12
Нормативные сопротивления грунта основания в плоскости ' нижних концов свай Rн в МПа

2. Расчет свай на действие горизонтальных (поперечных) сил.

В свайных фундаментах опор линий электропередачи призматические сваи по технологическим условиям погружаются в грунт вертикально, поэтому кроме осевых сил все такие сваи испытывают также действие поперечных (горизонтальных) сил.
Действующие на сваю горизонтальные силы уравновешиваются боковым отпором грунта. При расчете оснований узких опрокидываемых фундаментов, к которым относится подземная часть стоек железобетонных опор, деформации самих фундаментов не учитываются. Это допущение может быть распространено и на короткие сваи, нагруженные горизонтальными силами, при этом эпюра давления на грунт будет иметь вид, показанный на рис. 8-33, а прочность основания свай может быть определена по формулам § 8-5.

Рис. 8-33. Давление грунта на короткую сваю при действии на нее горизонтальной силы

Применяемые в качестве фундаментов опор сваи относительно небольших поперечных размеров (от 20X20 до 35X35 см) погружаются в грунт на глубину 4—6 м. Минимальная длина сваи определяется нормами [66], а максимальная — предельными возможностями механизмов, используемых для их погружения. При таких соотношениях поперечных размеров и длины должно учитываться влияние деформации сваи на распределение бокового давления.
Существующие в практике проектирования методы расчета свай на горизонтальную нагрузку можно разделить на теоретические и практические.     
Теоретические методы расчета основываются на рассмотрении работы погруженной в грунт сваи как упругой балки в линtйно-деформируемом или упругом полупространстве. Грунт обычно рассматривается как линейно-деформируемый массив, и делается допущение, что его давление в произвольной точке передней (или задней) грани сваи определяется только величиной горизонтального перемещения этой точки и зависимостью между перемещением и давлением грунта. Исходное дифференциальное уравнение в этом случае имеет вид:

Рис. 8-34. Общий вид изогнутой оси длинной сваи в винклеровом полупространстве при действии на нее горизонтальной силы

Уравнения (8-94,а) и (8-94,б) были даны и решены Рифаатом, а также использовались авторами при расчете свай в проектах свайных фундаментов опор. Для решения уравнения (8-94,б) был использован метод последовательных приближений Пикара.

Получающаяся при использовании уравнений (8-94а), и (8-946) разница показана на рис. 8-35, на котором приведены эпюры давления и изгибающих моментов для сваи квадратного сечения длиной 6 м, полученные из расчета, выполненного для двух случаев.
В первом случае коэффициент постели принимался постоянным цо глубине и равным 15 Н/см³, во втором — изменяющимся по линейному закону от нуля на поверхности грунта до 45 Н/см³ на глубине 6,0 м (на глубине 2,0 м сп=15 Н/см³).

Рис. 8-35. Эпюры давлений и изгибающих моментов
1, 3 — эпюры давлений, полученные соответственно из решений уравнений (8-94б) и (8-94а); 2, 4 — эпюры изгибающих моментов из уравнений (8-946) и (8-94а)

Из сравнения эпюр следует.

1. Изгибающие моменты, действующие в сечениях сваи, при переменном коэффициенте постели больше, чем при постоянном.
2. Давление грунта при постоянном коэффициенте постели получается наибольшим на поверхности грунта, что может иметь место в твердом теле, но нереально для грунтов. В то же время предположение линейного изменения сп при больших глубинах приводит к неестественному увеличению его значения, хотя это мало влияет на величину изгибающих моментов в сечениях сваи, что непосредственно видно из приведенных на рис. 8-35 кривых.

Фактически в поверхностном слое имеют место неупругие деформации грунта и поэтому некоторые авторы (И. В. Урбан, К. Хаяси [80, 81]) предлагают рассматривать грунт этого слоя в предельном состоянии необратимых сдвигов, учитывая в расчете его пассивное давление. Ввиду особого интереса, который представляет расчет свай на горизонтальную нагрузку, ниже дается краткое изложение этого метода, имеющего сравнительно простые расчетные формулы. На рис. 8-36, а показана эпюра давления и расчетная схема сваи.
Верхняя часть ее (зона I) представляет собой эпюру пассивного давления грунта (в данном случае с учетом сцепления). Нижняя часть эпюры давления (зона II) соответствует работе сваи в линейно-деформируемом полупространстве. Коэффициент постели сп в зоне II принят постоянным.

Рис. 8-37. Эпюры давлений и изгибающих моментов
1, 3 — эпюры давлений, полученные соответственно из решений уравнений (8-100) и (8-94б); 2, 4 — эпюры изгибающих моментов из уравнений (8-100) и (8-94б)

 Для различных грунтов в расчетах по изложенному методу принимаются следующие значения сп, Н/см³:
Глина и суглинок в пластичном состоянии . 30—60
Песок, супесь средней плотности .. 60—100
Плотные песок, глина, суглинок, гравий .. 100—300
Гипотеза линейно-деформируемой среды, положенная в основу рассмотренных расчетов, лишь приближенно соответствует физическим явлениям, происходящим в упругой среде. Давление в какой-либо точке среды вызывает напряжения и деформации во всем массиве, и, следовательно, отдельные силы не могут рассматриваться изолированно. В настоящее время разработан расчет балок и плит на упругом основании по методу теории упругости Б. И. Жемочкиным [23] предложен метод расчета свай на горизонтальную нагрузку, в котором давление сваи на сплошную упругую среду передается через конечное количество абсолютно жестких связей. Однако и эти методы недостаточны, поскольку не учитывают пластических деформаций, которые присущи грунтам на всех стадиях их нагружения.

Рис. 8-38. Схемы, положенные в основу практического метода расчета свай на горизонтальную нагрузку

Практика испытания свай при действии горизонтальных сил подтвердила недопустимость их расчета как жестких стоек при глубине погружения более чем на 10 d [82]. Опыты показывают, что при сваях длиной более 10 d характер их поворота в грунте существенно отличается ют показанного на рис. 8-33, а разрушение происходит на меньшей’ глубине, чем это получается из расчета, выполняемого в предположении абсолютной жесткости свай.
Обработка результатов испытаний свай при действии горизонтальной нагрузки позволила выработать практический метод расчета свай, в соответствии с которым в зависимости от материала сваи и характера грунта задается глубина условной их заделки (рис. 8-38).
Расчетные сопротивления свай при действии горизонтальной силы определяются по формулам: при свободной голове сваи
,     (8-109)
при голове, заделанной в ростверк,
(8-110)
где В — жесткость сваи; nd — глубина условной заделки сваи в диаметрах сваи (при квадратной свае d — сторона квадрата).
Глубина условной заделки и коэффициент β для сваи со свободной головой (рис. 8-38, а) и с головой, заделанной в ростверк (рис. 8-38,б), при горизонтальном перемещении головы сваи Δ=1 см даны в табл. 8-13.
Формулы практического способа расчета весьма просты (но точность их невысокая):

Рис. 8-39. Расчетные схемы свай при наличии слоя торфа 

Таблица 8-13
Глубина условной заделки железобетонных свай при действии горизонтальных нагрузок и коэффициент отпора грунта

Примечание. Таблица составлена для песков (кроме пылеватых) средней плотности и тугопластичных суглинков и глин.
При расчете по формулам (8-98) — (8-108) параметры тс и т вычисляются по расчетным характеристикам грунта, коэффициенты постели приведены выше. Возможные изменения этого коэффициента, определяющего условия работы сваи в упругой зоне, на работу верхней ее части влияют мало. Прочность сваи и в этом случае проверяется по формуле (8-111).
При расчете свайных фундаментов, сооружаемых на заболоченных участках трассы, весь участок сваи выше подстилающего грунта следует рассматривать как свободную консоль (рис. 8-39, а). В некоторых случаях, например при наличии плотного слоя торфа, его отпор при расчете гибких свай может быть учтен, как в рассмотренном выше методе, в виде пассивного давления. В этом случае (рис. 8-39,б) подсчет момента М и силы Р на уровне подстилающего грунта выполняется по формулам:

где m1 — характеристика слабого грунта слоя которую следует назначать минимальной, индекс «д» — соответствует действующему значению. Коэффициент одиночности в слабом слое учитывать не следует.