Опора, заглублённая в грунт: как проверяют заделку

О какой схеме речь

Стойка, заделанная в грунт, работает как стержень в упругой среде. В фундаменте на плите сопротивление даёт масса бетона и давление под подошвой, а здесь горизонтальную силу и момент от ветра принимает боковое сопротивление грунта по глубине заделки. Поэтому для схемы важны диаметр или ширина стойки в грунте и свойства грунта, а не масса фундамента.

Схема встречается в двух видах. Первый: невысокая опора, которую опускают в котлован и заливают бетоном вокруг нижней части, об этом в статье Фланцевое или прямостоячее крепление опор освещения. Второй: высокая опора на фланце стоит на одиночной стойке-фундаменте, которая есть стальная труба в скважине, заполненную бетоном. Подземную часть такой стойки проверяют так же, как опору без фланца, а фланцевый узел наверху рассчитывают отдельно.

Типы фундаментов под мачты, башни и опоры ЛЭП, выбор по грунту и закладные разобраны в статье Фундаменты для мачт, башен и опор ЛЭП, а что именно передают на стыке с фундаментом, в статье Фундамент под опору по ДБН В.2.1-10. Здесь только проверка заделки.

Какие данные нужны для проверки

Для проверки нужны нагрузки от опоры и данные о грунте. Нагрузки берут на уровне поверхности грунта отдельно для каждой группы предельных состояний, потому что коэффициенты надёжности в них разные.

Первая группа: устойчивость против опрокидывания

Стойка под горизонтальной силой поворачивается вокруг точки на некоторой глубине: выше неё грунт сопротивляется с одной стороны, ниже с противоположной. Проверка такая: расчётная горизонтальная сила не должна превышать предельную силу Qu, умноженную на коэффициент условий работы заделки и делённую на коэффициент надёжности по назначению.

Предельная сила зависит от глубины и ширины заделки, удельного веса грунта, угла трения и сцепления, трения грунта о стенки стойки и ригелей, если они есть. Для первой группы берут расчётные значения грунта, которые немного ниже нормативных: в примере угол внутреннего трения уменьшен с 29° до 26°. Положение точки поворота тоже получается из расчёта: в примере она легла на глубину около 0,69 от заделки, то есть примерно 3,4 м из 5 м.

Сама проверка проста по смыслу: сравнивают действующую силу с предельной и смотрят, на сколько процентов она её использует. Сложнее найти предельную силу, и именно её методику и коэффициенты проектировщик основания сверяет с действующей редакцией норм.

Вторая группа: угол поворота стойки

Даже когда грунт не разрушается, стойка под ветром поворачивается, а за ней наклоняется вся опора. Поэтому проверяют деформации: угол поворота стойки под нормативной нагрузкой не должен превышать предельного. Предельная величина зависит от того, что стоит на опоре: её задают нормы, производитель оборудования или задание на проектирование (подробнее о допустимом крене в статье Фундамент под опору по ДБН В.2.1-10).

Для стойки без ригелей угол поворота в примере считали по формуле: угол β равен 0,75 · Q · (6α + 3) · υ, делённому на произведение модуля деформации грунта E и квадрата глубины заделки d. Здесь Q — поперечная сила для второй группы, α — отношение приведённой высоты H к глубине d, υ — безразмерный коэффициент, который берут с графика по отношению расчётной ширины к глубине. Расчётная ширина больше диаметра стойки, потому что в работу вовлекается и грунт рядом с ней.

Каждая тысячная радиана поворота означает 1 мм смещения на метр высоты. Поэтому даже небольшой угол на высокой опоре даёт заметное отклонение верха, к которому добавляется прогиб самой опоры. В примере для уменьшения остаточных деформаций грунта у поверхности верхнюю часть отверстия заложили железобетонной «пломбой».

Условный числовой пример

Пример условный: стойка диаметром 1,5 м в скважине, заделка 5 м, песок средней крупности, без ригелей. Значения переведены из тонн-сил в килоньютоны и округлены.

Труба с бетонным заполнением: проверка прочности

Если стойка — стальная труба, заполненную бетоном, отдельно проверяют прочность её сечения. Момент в подземной части не равен моменту на поверхности грунта: от поверхности вглубь он сначала растёт, потому что плечо от силы ещё увеличивается, а дальше спадает, когда грунт начинает его принимать. Поэтому рассматривают сечение на той глубине, где момент наибольший, а не у поверхности.

Сечение считают сталебетонным. Принимают, что сечения остаются плоскими, что бетон в растянутой зоне не работает, а растяжение воспринимает труба. В сжатой зоне работают и бетон, и сталь. Опытами установлено, что от бетонного заполнения при изгибе выигрыш невелик, поэтому его учитывают коэффициентами, лишь немного большими единицы. Моменты в сечении сравнивают с несущей способностью на изгиб по соответствующему разделу норм на сталежелезобетонные конструкции.

В зоне поверхности грунта, где труба подвергается влаге и воздуху, нужна защита от коррозии; подробнее о цинковании в разделе Горячее цинкование.

Кто что выполняет

Проектировщик оснований и фундаментов выбирает схему заделки, глубину и диаметр, определяет расчётные характеристики грунта по изысканиям и выполняет описанные выше проверки. Это его раздел проекта, а не наш.

Мы изготавливаем опоры, мачты, стальные сваи-оболочки и закладные и разрабатываем чертежи КМ и КМД: проектирование КМ и КМД, изготовление металлоконструкций. Проект фундамента выполняем по отдельному заказу и за отдельную оплату, или лишь передаём нагрузки на фундамент: момент, поперечную и продольную силу на уровне грунта для обеих групп предельных состояний. Монтаж выполняет партнёрская строительная компания.

Что прислать для проверки заделки

Для проверки нужно:

• высота и тип опоры, перечень оборудования с массой и площадью под ветром;
• ветровой район, гололёд и тип местности;
• нагрузки на уровне грунта для обеих групп предельных состояний, если они уже рассчитаны;
• отчёт инженерно-геологических изысканий: разрез, свойства грунтов, уровень воды, глубина промерзания;
• допустимый угол поворота верха опоры от производителя оборудования, если он жёстче нормативного.

Нормативы и действительность

Проверку заделки проектировщик оснований согласует с действующими редакциями документов (с изменениями): ДБН В.2.1-10:2018 «Основания и фундаменты зданий и сооружений. Основные положения», ДБН В.1.2-2:2006 «Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования», ДБН В.2.6-198:2014 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» и ДБН В.2.6-160:2010 «Сталежелезобетонные конструкции. Основные положения». Метод и коэффициенты, приведённые в примере, нужно сверить с действующим текстом норм: статья не заменяет проект.