Приложение 1. Расчет свай на совместное действие вертикальной и горизонтальной сил и момента

Приложение 1
Рекомендуемое

Расчет свай на совместное действие вертикальной и горизонтальной сил и момента

1. При расчете свай на совместное действие вертикальной и горизонтальной сил и момента в соответствии со схемой, приведенной на чертеже, следует различать две стадии напряженно-деформированного состояния системы "свая - грунт".

В первой стадии грунт, окружающий сваю, рассматривается как упругая линейно-деформируемая среда, характеризуемая коэффициентом постели , ().

Расчетные значения коэффициента постели грунта на боковой поверхности сваи допускается определять по формуле

, (1)

где К - коэффициент пропорциональности, (), принимаемый в зависимости от вида грунта, окружающего сваю, по табл.1;

z - глубина расположения сечения сваи в грунте, м, для которой определяется коэффициент постели, по отношению к поверхности грунта при высоком ростверке или к подошве ростверка при низком ростверке;

- коэффициент условий работы.

Во второй стадии в верхней части грунта, окружающего сваю, образуется зона предельного равновесия (пластическая зона), характеризуемая прочностным коэффициентом пропорциональности .

Расчет свай в случае многорядного их расположения в фундаменте с ростверком, опирающимся на грунт, при отсутствии сейсмических воздействий допускается производить с учетом возможности последовательного развития первой и второй стадий напряженно-деформированного состояния грунта. В этом случае производится двухстадийный расчет свай, а коэффициент условий работы в формуле (1) принимается . Во всех остальных случаях следует производить одностадийный расчет свай применительно к условиям возможного развития только первой стадии напряженно-деформированного состояния системы "свая - грунт", принимая коэффициент условий работы в формуле (1) равным 3.

2. Расчет свай на совместное действие вертикальной и горизонтальной сил и момента должен включать:

а) расчет несущей способности свай в случае возможности развития второй стадии напряженно-деформированного состояния грунта в соответствии с условием

, (2)

где H - расчетное значение поперечной силы, кН (тc), действующей на одну сваю;

- несущая способность сваи, определяемая в соответствии с требованиями п. 10;

- коэффициент надежности, принимаемый равным 1,4;

б) проверку устойчивости грунта, согласно п.13, в случае, когда расчет ведется с допущением развития только первой стадии напряженно-деформированного состояния грунта;

в) расчет свай по деформациям, включающий проверку соблюдения условий допустимости расчетных значений горизонтального перемещения головы сваи и угла ее поворота :

, (3)

, (4)

где , - расчетные значения соответственно горизонтального перемещения головы сваи, м, и угла ее поворота, рад, определяемые согласно указаниям п.5;

, - предельные значения соответственно горизонтального перемещения головы сваи, м, и угла ее поворота, рад, устанавливаемые в задании на проектирование здания или сооружения;

г) проверку сечений свай по сопротивлению материала по предельным состояниям первой и второй групп (по прочности, по образованию и раскрытию трещин) на совместное действие расчетных усилий - вертикальной силы, изгибающего момента и поперечной силы; указанный расчет выполняется в зависимости от материала сваи согласно требованиям п. 3.6; расчетные значения изгибающих моментов и поперечных сил, действующих в различных сечениях сваи, должны определяться согласно требованиям пп. 8 и 9 в случае возможности допущения развития второй стадии напряженно-деформированного состояния грунта, а в остальных случаях - согласно требованиям пп. 14 и 15.

                                                                Таблица 1

Грунты, окружающие сваи, и их характеристики	Коэффициент пропор- циональности К, кН/м4(тс/м4)	Прочностный коэф- фициент пропорци- ональности а, кН/м3(тс/м3)
Пески крупные (0,55 <= e <= 0,7); глины и суглинки твердые (I < 0) L Пески мелкие (0,6 <= e <= 0,75); пески средней крупности (0,55 <= <= e <= 0,7), супеси твердые (I < 0); глины и суглинки туго- L пластичные и полутвердые (0 <= I <= 0,75) L Пески пылеватые (0,6 <= e <= 0,8); супеси пластичные (0 <= I <= 1); L глины и суглинки мягкопластичные (0,5 <= I <= 0,75) L Глины и суглинки текучепластич- ные (0,75 < = I <=1) L Пески гравелистые (0,55 <= e <= <= 0,7); крупнообломочные грунты c песчаным заполнителем Примечания: 1. Меньшие знач высоким значениям показателя тек ристости е песчаных грунтов, ук коэффициента К - соответствен грунтов с промежуточными значени фициента К определяются интерпол 2. Коэффициент К для плотны ше, чем наибольшие значения указ данного вида грунта.	18 000-30 000 (1800-3000) 12 000-18 000 (1200-1800) 7000-12 000 (700-1200) 4000-7000 (400-700) 50 000-100 000 (5000-10 000) ния коэффициента К с чести I глинистых и L занным в скобках, а о более низким знач ми характеристик I L цией. песков должен прини нных в табл.1 коэфф	71-92(7,1-9,2) 60-71(6,0-7,1) 44-60(4,4-6,0) 26-44(2,6-4,4) 100-120(10-12) ответствуют более коэффициентов по- большие значения ниям I и е. Для L e значения коэф- аться на 30% вы- циентов К для за-

3. При расчете с допущением развития второй стадии напряженно-деформируемого состояния грунта за предельное состояние системы "свая - грунт" принимается образование на глубине (в пределах или на границе пластической зоны) пластического шарнира, в котором возникает момент , , равный предельному изгибающему моменту, воспринимаемому поперечным сечением сваи. В случае заделки сваи в ростверк последовательно образуются два пластических шарнира: первый - в месте заделки сваи в ростверк, второй - в пределах или на границе пластической зоны. За предельное состояние системы принимается момент образования второго пластического шарнира.

4. Расчет свай по предельным состояниям двух групп выполняется с использованием следующих параметров: приведенной глубины расположения сечения сваи в грунте , приведенной глубины погружения сваи в грунт , а в случае учета возможности развития второй стадии напряженно-деформированного состояния грунта, кроме того, приведенной глубины пластической зоны , приведенных расчетных значений поперечной силы и изгибающего момента , действующих со стороны ростверка на голову сваи, приведенного значения граничной поперечной силы , соответствующего границе упругой работы системы "свая - грунт" при , приведенных значений граничного горизонтального перемещения и граничного угла поворота при низком ростверке в уровне его подошвы при , приведенных значений перемещений и угла поворота сваи, которые определяются по формулам:

; (5)

; (6)

; (7)

; (8)

; (9)

, (10)

где z, , l - действительная глубина расположения сечения сваи в грунте, действительная глубина пластической зоны и действительная глубина погружения сваи (ее нижнего конца) в грунт, м;

- коэффициент деформации, 1/м, определяемый по формуле

, (11)

где К - то же, что в формуле (1);

Е - модуль упругости материала сваи, кПа();

I - момент инерции поперечного сечения сваи, ;

- условная ширина сваи, м, принимаемая равной: для свай с диаметром стволов 0,8 м и более , а для остальных размеров сечений свай , м;

- коэффициент условий работы, принимаемый согласно п. 1;

d - наружный диаметр круглого или сторона квадратного, или сторона прямоугольного сечения свай в плоскости, перпендикулярной действию нагрузки, м;

- прочностный коэффициент пропорциональности, (), определяемый по табл. 1; значения и определяются по табл. 2 и 3 при .

5. Расчетные значения горизонтального перемещения сваи в уровне подошвы ростверка , м, и угол ее поворота , рад, следует определять по формулам:

; (12)

, (13)

где Н, М - расчетные значения поперечной силы, кН (тс), и изгибающего момента, , действующие на голову сваи (см. чертеж);

- длина участка сваи, м, равная расстоянию от подошвы ростверка до поверхности грунта;

Е, I - то же, что в формуле (11);

, - горизонтальное перемещение, м, и угол поворота поперечного сечения сваи, рад, в уровне поверхности грунта при высоком ростверке, а при низком ростверке - в уровне его подошвы, определяемые по указаниям п. 7 при двухстадийном расчете и по указаниям п. 12 при одностадийном расчете свай.

Примечание. В настоящем приложении считаются положительными:

момент и горизонтальная сила, приложенные к голове сваи, если момент и сила направлены соответственно по часовой стрелке и вправо;

изгибающий момент и поперечная сила в сечении сваи, если момент и сила, передающиеся от верхней условно отсеченной части сваи на нижнюю, направлены соответственно по часовой стрелке и вправо;

горизонтальное смещение сечения сваи и его поворот, если они направлены соответственно вправо и по часовой стрелке.

6. Горизонтальная сила H, кН (тc), соответствующая границе упругой работы системы "свая - грунт", при двухстадийном расчете определяются по формуле

. (14)

7. Горизонтальное перемещение , м, и угол поворота , рад, при двухстадийном расчете следует определять по формулам:

а) при

; (15)

; (16)

б) при

; (17)

, (18)

где Н - расчетное значение поперечной силы, кН (тс), прикладываемой к голове сваи;

- граничное значение поперечной силы, определяемой по формуле (14), где определяется по табл. 2 и 3 в зависимости от значения при ;

, - определяются по табл. 2 и 3 в зависимости от значения силы , рассчитываемой по формуле (8).

Примечание. При приведенной длине сваи следует пользоваться табл. 2 и 3 для , при этом значение допускаемого перемещения сваи в уровне поверхности грунта не должно превышать 2 см.

8. Расчетный изгибающий момент , , поперечную силу , кН (тс), действующие на глубине z в сечении сваи, следует определять при допущении двух стадий работы системы "свая - грунт" в пределах упругой зоны грунта по формулам:

; (19)

, (20)

где , , , - приведенные значения фиктивных начальных параметров, определяемые в зависимости от значений H и l по табл. 2 и 3;

, , , - коэффициенты, значения которых принимаются по табл. 4 в зависимости от глубины .

                                                                Таблица 2

Приведенная длина участ- _ ка сваи l	Параметры для расчета свай при шарнирном их сопряжении с ростверком
	_ H	----- дзета i	_ u	--- пси	_ f u 0	--- f пси 0	_ f H 0	_ f M 0
2,6	0,316 0,388 0,478 0,578 0,682 0,785	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,238 1,603 2,174 3,108 4,772	0,642 0,802 1,032 1,377 1,904 2,767	1,000 1,238 1,602 2,170 3,082 4,631	-0,642 -0,801 -1,030 -1,359 -1,804 -2,340	0,316 0,392 0,513 0,730 1,155 2,086	0,000 0,000 -0,010 -0,067 -0,279 -0,960
2,8	0,344 0,422 0,520 0,631 0,748 0,864	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,236 1,594 2,142 2,997 4,389	0,643 0,795 1,020 1,349 1,826 2,541	1,000 1,236 1,593 2,139 2,973 4,266	-0,643 -0,795 -1,018 -1,331 -1,734 -2,168	0,344 0,426 0,555 0,778 1,191 2,009	0,000 0,000 -0,010 -0,065 -0,260 -0,840
3,0	0,366 0,450 0,556 0,678 0,808 0,939	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,237 1,593 2,134 2,955 4,216	0,644 0,797 1,022 1,347 1,806 2,454	1,000 1,237 1,593 2,131 2,932 4,103	-0,644 -0,797 -1,020 -1,329 -1,717 -2,110	0,366 0,454 0,591 0,823 1,238 2,007	0,000 0,000 -0,010 -0,064 -0,252 -0,780
3,2	0,383 0,472 0,585 0,716 0,860 1,008	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,238 1,598 2,141 2,956 4,167	0,648 0,803 1,031 1,360 1,819 2,446	1,000 1,238 1,598 2,138 2,932 4,056	-0,648 -0,803 -1,029 -1,342 -1,730 -2,114	0,383 0,475 0,619 0,862 1,287 2,046	0,000 0,000 -0,010 -0,064 -0,250 -0,755
3,4	0,395 0,487 0,606 0,746 0,903 1,067	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,241 1,604 2,155 2,978 4,183	0,653 0,810 1,043 1,379 1,848 2,480	1,000 1,241 1,604 2,152 2,955 4,075	-0,653 -0,810 -1,141 -1,361 -1,759 -2,150	0,395 0,491 0,641 0,893 1,333 2,102	0,000 0,000 -0,010 -0,065 -0,251 -0,750
3,6	0,403 0,497 0,620 0,768 0,935 1,115	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,243 1,611 2,170 3,009 4,233	0,658 0,817 1,054 1,398 1,881 2,531	1,000 1,243 1,611 2,167 2,985 4,124	-0,658 -0,817 -1,052 -1,381 -1,791 -2,199	0,403 0,501 0,656 0,916 1,370 2,160	0,000 0,000 -0,010 -0,065 -0,254 -0,757
3,8	0,407 0,503 0,629 0,782 0,967 1,150	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,244 1,616 2,183 3,038 4,321	0,661 0,823 1,064 1,415 1,910 2,583	1,000 1,244 1,616 2,108 3,014 4,181	-0,661 -0,823 -1,062 -1,397 -1,819 -2,247	0,407 0,507 0,665 0,932 1,398 2,211	0,000 0,000 -0,010 -0,066 -0,258 -0,768
4,0	0,409 0,507 0,634 0,790 0,941 1,174	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,245 1,620 2,193 3,061 4,342	0,664 0,827 1,070 1,427 1,933 2,626	1,000 1,245 1,620 2,189 3,037 4,231	-0,664 -0,827 -1,068 -1,409 -1,841 -2,285	0,409 0,510 0,670 0,941 1,417 2,250	0,000 0,000 -0,010 -0,067 -0,260 -0,778

                                                                Таблица 3

Приведенная длина участ- _ ка сваи l	Параметры для расчета свай при их жесткой заделке в ростверк
	_ H	----- дзета i	_ u	_ M	_ f u 0	--- f пси 0	_ f H 0	_f M 0
2,6	0,927 0,963 1,061 1,210 1,407 1,656	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,039 1,158 1,374 1,733 2,337	-0,943 -0,980 -1,089 -1,275 -1,552 -1,960	1,000 1,039 1,158 1,372 1,718 2,258	0,000 0,000 0,000 0,009 0,054 0,234	0,927 0,964 1,074 1,281 1,644 2,314	-0,943 -0,981 -1,094 -1,308 -1,700 -2,471
2,8	0,947 0,984 1,083 1,232 1,425 1,660	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,039 1,156 1,365 1,709 2,256	-0,938 -0,975 -1,081 -1,260 -1,522 -1,890	1,000 1,039 1,156 1,363 1,692 2,183	0,000 0,000 0,000 0,008 0,052 0,217	0,947 0,985 1,096 1,301 1,652 2,273	-0,938 -0,975 -1,086 -1,292 -1,663 -2,365
3,0	0,972 1,010 1,111 1,263 1,457 1,687	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,039 1,155 1,361 1,690 2,202	-0,940 -0,977 -1,083 -1,259 -1,512 -1,856	1,000 1,039 1,155 1,359 1,676 2,133	0,000 0,000 0,000 0,008 0,050 0,204	0,972 1,011 1,124 1,331 1,678 2,268	-0,940 -0,977 -1,087 -1,291 -1,649 -2,304
3,2	0,998 1,036 1,141 1,298 1,496 1,729	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,039 1,156 1,361 1,684 2,174	-0,947 -0,984 -1,092 -1,269 -1,519 -1,852	1,000 1,039 1,156 1,359 1,670 2,108	0,000 0,000 0,000 0,008 0,049 0,197	0,998 1,037 1,154 1,365 1,714 2,291	-0,947 -0,984 -1,096 -1,300 -1,655 -2,286
3,4	1,021 0,061 1,169 1,331 1,537 1,777	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,040 1,157 1,363 1,685 2,168	-0,957 -0,995 -1,105 -1,285 -1,538 -1,870	1,000 1,040 1,574 1,361 1,672 2,102	0,000 0,000 0,000 0,008 0,049 0,194	1,021 1,062 1,182 1,398 1,755 2,333	-0,957 -0,995 -1,109 -1,316 -1,673 -2,298
3,6	1,040 1,081 1,192 1,360 1,574 1,825	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,040 1,159 1,367 1,692 2,174	-0,968 -1,007 -1,118 -1,303 -1,562 -1,900	1,000 1,040 1,159 1,365 1,678 2,109	0,000 0,000 0,000 0,008 0,049 0,194	1,040 1,082 1,206 1,428 1,794 2,382	-0,968 -1,007 -1,123 -1,334 -1,698 -2,328
3,8	1,054 1,096 1,210 1,383 1,606 1,867	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,040 1,160 1,371 1,700 2,188	-0,977 -1,017 -1,131 -1,320 -1,586 -1,933	1,000 1,040 1,160 1,369 1,686 2,122	0,000 0,000 0,000 0,008 0,050 0,195	1,054 1,097 1,224 1,452 1,827 2,429	-0,977 -1,017 -1,136 -1,352 -1,723 -2,364
4,0	1,064 1,107 1,223 1,400 1,629 1,901	0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50	1,000 1,041 1,162 1,375 1,708 2,203	-0,982 -1,026 -1,142 -1,334 -1,606 -1,964	1,000 1,041 1,162 1,373 1,694 2,137	0,000 0,000 0,000 0,009 0,050 0,197	1,064 1,108 1,237 1,470 1,853 2,469	-0,985 -1,026 -1,146 -1,366 -1,775 -2,399

Во второй стадии работы сваи расчетный изгибающий момент , поперечную силу , кН (тc), действующие на глубине в пределах пластической зоны грунта, следует определять по формулам:

; (21)

, (22)

где - глубина расположения сечения сваи в грунте, м, в пределах пластической зоны по отношению к подошве низкого ростверка.

9. В случае жесткой заделки сваи в ростверк, если исключается возможность поворота ее головы (например, в жесткий ростверк с двумя рядами свай или более, установленных в направлении действия горизонтальной силы), в формуле (21) вместо М следует принимать расчетный момент заделки , действующий в месте сопряжения сваи с ростверком.

Расчетный момент заделки , , определяется по формуле

, (23)

где - приведенный момент, определяемый по табл. 3 в зависимости от значений .

10. Несущая способность системы "свая - грунт" при действии горизонтальной силы определяется по формулам:

1) для сваи, не имеющей жесткой заделки в ростверк,

, (24)

где - расстояние, м, от поверхности грунта до местоположения пластического шарнира, которое определяется из уравнения

, (25)

здесь е - эксцентриситет приложения внешней нагрузки к свае, м;

- предельный изгибающий момент, воспринимаемый поперечным сечением сваи, с учетом продольной силы, ;

- коэффициент, равный единице, кроме случаев расчета фундаментов распорных сооружений, для которых ;

- коэффициент, учитывающий долю постоянной нагрузки в суммарной нагрузке, определяемый по формуле

, (26)

где - момент от внешних постоянных нагрузок в сечении фундамента на уровне нижних концов свай, ;

- то же, от внешних временных расчетных нагрузок, ;

- коэффициент, принимаемый , за исключением случаев расчета:

а) особо ответственных сооружений, для которых при принимается и при принимается ; при промежуточных значениях значение определяется интерполяцией;

б) фундаментов с однорядным расположением свай на внецентренно приложенную вертикальную сжимающую нагрузку, для которых следует принимать независимо от значения ;

2) для сваи, имеющей жесткую заделку в низкий ростверк, несущую способность следует определять по формуле

. (27)

11. При статическом расчете свай в составе куста, если допускается возможность развития второй стадии напряженно-деформированного состояния системы "свая - грунт", следует учитывать их взаимодействие. В этом случае расчет производится как для одиночной сваи, но коэффициенты пропорциональности К и умножаются на понижающий коэффициент , определяемый по формуле

, (28)

где - коэффициент, учитывающий уплотнение грунта при погружении свай и принимаемый: для забивных свай сплошного сечения и для остальных видов свай;

d - диаметр или сторона поперечного сечения сваи, м;

; (29)

, - координаты оси i-й сваи в плане, причем горизонтальная нагрузка приложена в направлении оси х;

, - то же, для j-й сваи.

Произведение в формуле (28) распространяется только на сваи куста, непосредственно примыкающие к i-й свае.

12. При одностадийном расчете свай горизонтальное перемещение , м, и уго