Несущая способность и расчёт буронабивной сваи

Что такое несущая способность буронабивной сваи

Несущая способность буронабивной сваи — это предельное сопротивление грунта, которое одиночная свая может оказать вдавливающей нагрузке, прежде чем начнёт неограниченно оседать. В СП 24.13330.2021 «Свайные фундаменты» её обозначают Fd и называют так прямо: «предельное сопротивление грунта основания одиночной сваи, называемое в дальнейшем несущей способностью сваи» (п. 7.1.11).

Свая набирает сопротивление двумя путями. Нижний конец опирается на грунт и работает как маленький штамп — это лобовое сопротивление, или сопротивление под пятой. Боковая поверхность по всей длине трётся о грунт — это сопротивление по боковой поверхности. Для коротких свай в слабых грунтах основная доля приходится на пяту, для длинных свай в плотных суглинках — на трение. Расчёт буронабивной сваи сводится к тому, чтобы честно посчитать обе части и уменьшить их коэффициентами, которые учитывают технологию.

Важно не путать три величины:

• Fd — несущая способность сваи по грунту, кН. Результат расчёта или испытаний.
• Fd/γc,g — допускаемая нагрузка на сваю. Это Fd, делённая на коэффициент надёжности по грунту 1,2–1,5 в зависимости от того, как получена Fd.
• N — расчётная нагрузка, которая реально придёт на сваю от здания. Она должна быть не больше допускаемой с учётом коэффициента ответственности.

Отдельно проверяют прочность самого ствола сваи по бетону и арматуре. Для буронабивных свай средних диаметров в обычных грунтах грунт почти всегда «сдаётся» раньше бетона, но проверка обязательна.

Эта статья — разбор методики для заказчика и инженера, который проверяет проект. Сам расчёт свайного фундамента выполняет проектировщик. Если проект уже есть и нужно понять стоимость бурения, смотрите страницу буронабивные сваи под ключ — там цены за метр скважины по диаметрам.

Какие данные нужны для расчёта

Расчёт несущей способности буронабивной сваи без инженерно-геологических изысканий не делают: все табличные сопротивления зависят от типа и состояния грунта на конкретной глубине. Минимальный набор исходных данных:

1. Геологический разрез по скважинам изысканий с границами инженерно-геологических элементов (ИГЭ) и абсолютными отметками.
2. Характеристики каждого ИГЭ: для глинистых грунтов — показатель текучести IL, степень влажности Sr, коэффициент пористости e; для песков — крупность, плотность сложения, расчётный угол внутреннего трения φI и удельный вес.
3. Уровень подземных вод — от него зависит способ бурения (насухо, под обсадной трубой, под раствором), а значит и понижающие коэффициенты.
4. Отметки планировки и подошвы ростверка. Глубины в таблицах СП отсчитывают от природного рельефа, а при срезке или подсыпке больше 3 м — от условной отметки (прим. 1 к табл. 7.8).
5. Нагрузки на фундамент по сочетаниям и класс сооружения (КС-1, КС-2, КС-3) — для коэффициента ответственности.
6. Технология устройства сваи: диаметр, способ крепления стенок скважины, бетонирование насухо или подводное, наличие уширения.

Если изысканий нет или они старые и не доходят до глубины будущих свай, честный расчёт сделать нельзя. Никакой «типовой» нагрузки на сваю 400 мм не существует: в одних и тех же диаметре и длине разница между мягкопластичным суглинком и полутвёрдым может быть двукратной.

Формула СП 24.13330.2021 для буровых свай

Для набивных и буровых свай с уширением и без уширения, работающих на сжимающую нагрузку, СП 24.13330.2021 даёт формулу (7.13) в п. 7.2.10:

Fd = γc · (γR,R · R · A + γR,f · u · Σ fi · hi)

Расшифровка обозначений:

• γc — коэффициент условий работы сваи. Равен 1, кроме опирания на глинистые грунты со степенью влажности Sr < 0,85 и на лёссовые грунты — тогда 0,8.
• γR,R — коэффициент надёжности по сопротивлению грунта под нижним концом. Для обычной сваи без уширения равен 1. Для свай с уширением, разбуренным механически, — 0,5 при бетонировании насухо и 0,3 при подводном (с видеообследованием забоя без шлама допускается 1 и 0,9).
• R — расчётное сопротивление грунта под нижним концом, кПа. Для глинистых грунтов — по таблице 7.8, для песков — по формуле (7.14).
• A — площадь опирания, м². Для сваи без уширения — площадь поперечного сечения, с уширением — по наибольшему диаметру уширения.
• γR,f — коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности по таблице 7.6, зависит от способа образования скважины и бетонирования.
• u — периметр поперечного сечения ствола, м.
• fi — расчётное сопротивление i-го слоя грунта на боковой поверхности, кПа, по таблице 7.3.
• hi — толщина i-го слоя, м. Пласты разбивают на однородные слои не толще 2 м (прим. 2 к табл. 7.3).

Для сравнения: у забивных свай формула (7.9) той же структуры, но R берут по таблице 7.2, а коэффициенты γR,R и γR,f — по таблице 7.4 в зависимости от способа погружения. Подставлять табличные значения для забивных свай в расчёт буронабивной сваи — частая ошибка, которая завышает результат.

Коэффициенты, которые чаще всего путают

Табличные R и f — половина дела. Результат сильнее всего «плывёт» от коэффициентов, которые зависят от технологии устройства сваи. Поэтому способ бурения проектировщик должен знать до расчёта, а подрядчик — не менять его на площадке без согласования.

γc: степень влажности глинистого грунта под пятой

Если нижний конец сваи стоит в глинистом грунте со степенью влажности Sr < 0,85 (маловлажный суглинок выше уровня воды) или в лёссовом грунте, вся несущая способность умножается на 0,8. Это минус 20% сразу, и именно этот коэффициент чаще всего забывают при «быстрой» оценке. Значение Sr есть в таблице физических свойств ИГЭ в отчёте об изысканиях.

γR,R: уширение и шлам в забое

Без уширения γR,R = 1. Если пяту разбуривают уширителем, коэффициент падает до 0,5 (насухо) и 0,3 (под водой): СП прямо учитывает, что под уширением трудно гарантировать чистый забой. Видеообследование скважины без шлама позволяет вернуть 1 и 0,9. Отсюда практическое правило: уширение даёт большую площадь A, но без контроля забоя выигрыш может оказаться меньше, чем от удлинения сваи на 1–2 м.

γc,g: откуда взята Fd

Коэффициент надёжности по грунту в п. 7.1.11 зависит от метода определения несущей способности:

Для фундаментов на висячих сваях с выдёргивающей нагрузкой и ряда случаев с очень сильно деформируемыми грунтами γc,g зависит ещё и от числа свай в фундаменте: от 1,4 при 21 свае и более до 1,75 при 1–5 сваях.

Таблицы R и f: как ими пользоваться

Сопротивление под нижним концом в глинистых грунтах берут по таблице 7.8 в зависимости от глубины заложения нижнего конца h и показателя текучести IL. Чем глубже пята и чем плотнее грунт (меньше IL), тем больше R. Промежуточные значения находят линейной интерполяцией — и по глубине, и по IL.

Обратите внимание: значения R для буровых свай в 2–4 раза меньше, чем для забивных свай той же длины по таблице 7.2. Забивная свая уплотняет грунт под острием, буровая опирается на грунт, который при бурении разгрузили, а иногда и разрыхлили.

Сопротивление под нижним концом в песках считают не по таблице, а по формуле (7.14): R = 0,75·α4·(α1·γ'I·d + α2·α3·γI·h). Коэффициенты α1–α4 берут по таблице 7.7 в зависимости от угла внутреннего трения φI, отношения h/d и диаметра. Результат не должен превышать значения таблицы 7.2 для забивных свай в тех же условиях. Формула работает, если свая заглублена в несущий слой не менее чем на 2 м.

Сопротивление на боковой поверхности для буровых свай берут по той же таблице 7.3, что и для забивных, но затем умножают на γR,f. Значение fi находят по средней глубине слоя и его IL (для песков — по крупности). Несколько правил из примечаний к таблицам:

• слои толще 2 м делят на подслои не более 2 м;
• для плотных песков fi увеличивают на 30%;
• для супесей и суглинков с e < 0,5 и глин с e < 0,6 fi увеличивают на 15%;
• IL принимают по прогнозу на период эксплуатации: если грунт может замокнуть, берут состояние после замачивания;
• при планировке срезкой или возможном размыве слои выше отметки срезки в сумму не включают.

Пример расчёта буронабивной сваи ф600 длиной 12 м

Разберём упрощённый, но полный пример. Условия типичны для Подмосковья: под насыпью тугопластичный суглинок, ниже — полутвёрдый суглинок. Подземные воды ниже пяты, бурение насухо под защитой инвентарной обсадной трубы в верхней части, бетонирование насухо.

Шаг 1. Геометрия сваи

Площадь сечения A = π·d²/4 = 3,1416·0,6²/4 = 0,2827 м². Периметр u = π·d = 3,1416·0,6 = 1,885 м.

Шаг 2. Коэффициенты

• γc = 1: под пятой суглинок с Sr = 0,9, то есть не менее 0,85.
• γR,R = 1: свая без уширения.
• γR,f = 0,7: суглинки, бурение и бетонирование насухо, обсадные инвентарные трубы (табл. 7.6, п. 3а).

Шаг 3. Сопротивление под нижним концом

Глубина нижнего конца h = 13,5 м, IL = 0,2. По таблице 7.8 для 12 м — 1 250 кПа, для 15 м — 1 500 кПа. Интерполяция: R = 1 250 + (1 500 − 1 250)·(13,5 − 12)/(15 − 12) = 1 375 кПа.

γR,R·R·A = 1·1 375·0,2827 = 388,8 кН.

Шаг 4. Сопротивление на боковой поверхности

Делим длину сваи на шесть подслоёв по 2 м и для каждого берём fi по средней глубине из таблицы 7.3, интерполируя между строками. Для IL = 0,2 используется столбец «≤0,2», для IL = 0,4 — столбец «0,4».

Как получены fi: для подслоя 1,5–3,5 м средняя глубина 2,5 м, в таблице 7.3 при IL = 0,4 на 2 м — 21 кПа, на 3 м — 25 кПа, середина — 23 кПа. Для подслоя 9,5–11,5 м средняя глубина 10,5 м, при IL ≤ 0,2 на 10 м — 65 кПа, на 15 м — 72 кПа: 65 + 7·0,5/5 = 65,7 кПа. Коэффициент пористости e = 0,65 больше 0,5, поэтому повышение на 15% не применяется.

γR,f·u·Σfi·hi = 0,7·1,885·558,9 = 737,5 кН.

Шаг 5. Несущая способность

Fd = γc·(388,8 + 737,5) = 1·1 126,3 ≈ 1 126 кН.

Трение даёт около 65% несущей способности, пята — около 35%. Это типичное соотношение для буронабивной сваи средней длины в суглинках: основную работу делает полутвёрдый слой, куда свая заглублена на 6 м.

От Fd к допускаемой нагрузке на сваю

Условие п. 7.1.11 СП 24.13330.2021 записывается так:

γn · N ≤ Fd / γc,g

где N — расчётная нагрузка на сваю от наиболее невыгодного сочетания, γn — коэффициент надёжности по ответственности по ГОСТ 27751, но не менее 1, γc,g — коэффициент надёжности по грунту.

В нашем примере Fd получена расчётом по таблицам, значит γc,g = 1,4. Для КС-2 γn = 1,0:

N ≤ 1 126 / (1,4·1,0) = 804 кН, то есть около 82 тс на сваю.

Если тот же результат подтвердить статическими испытаниями (γc,g = 1,2), допускаемая нагрузка вырастет до 1 126 / 1,2 = 938 кН — на 17% больше. На свайном поле из сотни свай это может означать на 10–15 свай меньше или меньший диаметр. Но чаще испытания показывают, что реальная Fd отличается от табличной в обе стороны, поэтому рассчитывать на экономию до испытаний нельзя.

Расчётную нагрузку N на каждую сваю в кусте определяют с учётом моментов и горизонтальных сил по п. 7.1.12, а не делением общей нагрузки на число свай. Крайние сваи в кусте под колонной с моментом нагружены сильнее средних.

Помимо несущей способности, свайный фундамент рассчитывают по деформациям — по осадкам одиночных свай, кустов и условного фундамента (п. 7.4 СП 24.13330.2021). На длинных сваях в однородных суглинках именно осадка куста, а не Fd, часто становится определяющей.

Проверка по материалу сваи

Несущая способность по грунту ничего не значит, если не выдержит ствол. Для набивных и буровых свай расчётное сопротивление бетона в СП 24.13330.2021 (п. 7.1.9) понижают двумя коэффициентами: γcb = 0,85 — за бетонирование в узкой скважине и γ'cb — за способ производства работ.

Оценка для примера: бетон B25, расчётное сопротивление сжатию Rb = 14,5 МПа по СП 63.13330, обсадная труба насухо — γ'cb = 0,9. Без учёта арматуры: 0,85·0,9·14 500·0,2827 ≈ 3 136 кН. Это почти втрое больше Fd, так что грунт здесь определяющий. Ситуация меняется у коротких свай-стоек на скале и у свай под большими горизонтальными нагрузками: там решает армирование и изгиб.

Коэффициент γb1 по СП 63.13330 в расчётах буровых свай принимают равным 1 (прим. 2 к п. 7.1.9). Класс бетонной смеси указывают в проекте по ГОСТ 7473.

Как диаметр и длина меняют несущую способность

По той же схеме грунтов посчитаем несущую способность для диаметров, которые чаще всего встречаются в проектах складов и малоэтажных зданий, и разных длин. Голова сваи на −1,5 м, коэффициенты те же.

Что видно из таблицы:

• Длина работает сильнее диаметра, пока свая заходит в прочный слой. Удлинение сваи ф450 с 8 до 12 м даёт +72%, а переход с ф450 на ф550 при длине 8 м — +32%.
• Объём бетона растёт с квадратом диаметра, а трение — только линейно. Свая ф450 длиной 14 м держит больше, чем ф650 длиной 8 м (938 против 753 кН), хотя бетона в ней меньше: 2,23 м³ против 2,65 м³.
• Короткая свая в слабом слое почти бесполезна: свая ф650 длиной 6 м, которая целиком стоит в суглинке IL = 0,4, даёт около 425 кН — почти вдвое меньше, чем ф450 длиной 12 м с заходом в полутвёрдый слой.

Глубина и диаметр упираются и в технику. Экскаваторы с гидробуром, которыми ФирмаСтрой бурит скважины под сваи, проходят диаметры 350–650 мм на глубину до 18 м. Цена метра скважины при этом зависит от диаметра: ф450 — от 1 100 ₽/м, ф550 — от 1 700 ₽/м, ф650 — от 2 000 ₽/м с НДС 22%. При выборе между «толще и короче» и «тоньше и длиннее» полезно сравнить не только Fd, но и стоимость метра бурения и кубометра бетона. Цены и состав работ — на странице стоимость буронабивных свай.

Отрицательное трение, пески и сваи в кусте

Отрицательное (негативное) трение

Если грунт вокруг сваи оседает сильнее, чем сама свая, он не держит её, а тянет вниз. СП 24.13330.2021 (п. 7.2.30) требует учитывать это при подсыпке территории толщиной более 1,0 м, загрузке пола складов более 20 кН/м², нагрузке от оборудования у фундаментов более 100 кН/м², понижении уровня подземных вод, незавершённой консолидации техногенных отложений и строительстве рядом с существующими зданиями.

В расчёте (п. 7.2.31) fi в верхних осадочных слоях берут по таблице 7.3 со знаком «минус», для торфа, ила и сапропеля — минус 5 кПа. Для склада с полом по грунту и большой полезной нагрузкой это может заметно снизить несущую способность сваи, особенно короткой. Поэтому в техническом задании на проектирование склада нагрузку на пол нужно указать сразу.

Пески под пятой

Для песков R считают по формуле (7.14). Расчёт чувствителен к углу φI и к уровню воды: ниже уровня подземных вод удельный вес берут с учётом взвешивания, и R заметно падает. В обводнённых песках скважину бурят под защитой обсадной трубы или раствора, а значит γR,f снижается до 0,6–0,7. Опирать буровые сваи на рыхлые пески и глинистые грунты с IL > 0,6 СП не рекомендует; если иначе нельзя, обязательны контрольные статические испытания (п. 8.14).

Сваи в кусте и в поле

Fd по формуле (7.13) — это несущая способность одиночной сваи. В кусте сваи влияют друг на друга, и групповой эффект проявляется прежде всего в осадке. Для буровых свай СП требует расстояние в свету между стволами не менее 1,0 м (п. 8.13). Для сваи ф600 это шаг в осях не менее 1,6 м. Сблизить сваи, чтобы поставить больше в кусте, нельзя.

Когда расчёт уточняют испытаниями

Таблицы СП дают осторожную, но всё же усреднённую оценку. Для буровых и набивных свай СП 24.13330.2021 в п. 8.14 прямо говорит: для контроля выбранной длины и подтверждения технических решений в проекте должны предусматриваться статические испытания свай.

Рекомендованный объём для объектов КС-2 и КС-3 (п. 7.3.1): статические испытания — до 1% свай на объекте, но не менее трёх для КС-2 и четырёх для КС-3; динамические — до 2%, но не менее шести и девяти. Испытания проводят по ГОСТ 5686-2020 по программе, утверждённой заказчиком. Буровые сваи испытывают не раньше, чем бетон наберёт 80% проектной прочности, и после проверки сплошности ствола.

По результатам испытаний Fd определяют по формуле (7.20): Fd = γc·Fu,n/γc,g1. Если одинаковых свай испытано меньше шести, Fu,n принимают по наименьшему результату, а γc,g1 = 1. При шести и более — статистической обработкой с доверительной вероятностью 0,95.

Практический вывод для заказчика: на крупных свайных полях испытания окупаются почти всегда. Если испытания назначены, опытные сваи бурят первыми, на захватке с наихудшей по изысканиям геологией, а основной объём — после получения результатов. Это нужно заложить в график.

Типичные ошибки и что проверить на площадке

Ошибки в расчёте буронабивной сваи повторяются из проекта в проект. Их стоит проверить до того, как техника выйдет на объект:

1. Табличные значения для забивных свай в расчёте буровой: R по таблице 7.2 вместо 7.8 и γR,f = 1 вместо 0,6–0,7. Завышение в 1,5–2 раза.
2. Забытый γc = 0,8 при маловлажных глинистых грунтах под пятой.
3. Глубины от отметки ростверка, а не от природного рельефа. В таблицах 7.3 и 7.8 глубина отсчитывается от поверхности (с оговорками для срезки и подсыпки).
4. Трение в насыпи и в слое, который срежут при планировке. Эти слои в сумму не включают.
5. Технология в расчёте не совпадает с технологией на площадке. Посчитали «насухо», а бурят под бентонитом из-за воды — коэффициенты другие.
6. Пята в слабом слое из-за ошибки в отметке или «экономии» на длине.

На площадке несущую способность сваи обеспечивает исполнение скважины. Что должен контролировать технадзор при бурении:

• глубину каждой скважины и отметку забоя по журналу бурения — пята должна оказаться в том слое, который заложен в расчёт;
• соответствие грунта в забое изысканиям; если на проектной отметке вместо полутвёрдого суглинка идёт текучепластичный, бурение останавливают и вызывают проектировщика (СП 45.13330.2017, п. 12.2.5);
• чистоту забоя перед бетонированием: разрыхлённый грунт и шлам под пятой снижают сопротивление нижнего конца;
• появление воды в скважине, которой не было в расчёте, — повод перейти на обсадную трубу и сообщить проектировщику о смене γR,f;
• сроки: в устойчивых грунтах скважину бетонируют не позднее 24 ч после бурения, в обводнённых и неустойчивых — не позднее 8 ч (СП 45.13330.2017, п. 12.2.9).

Мы ведём журнал бурения с фактической глубиной каждой скважины и оформляем акты освидетельствования скрытых работ — по ним проектировщик и технадзор видят, совпала ли реальная свая с расчётной. Другие разборы по проектированию и устройству свай — в статьях о бурении, сваях и шпунте; там же материалы о технологии и контроле свайных работ, которые дополняют этот расчёт. Возвращайтесь в раздел статей, когда будете готовить ТЗ на свайное поле.