Обычно сваи входят в состав фундаментной части сооружения и воспринимают нагрузки, передающиеся на них от основного сооружения на уровне грунта. В гидротехническом строительстве они часто не только составляют фундамент, но и образуют основную конструкцию. Например, в конструкциях пирсов и эстакад на сваях, высоких свайных ростверков, свайных палов, сваи являются основным элементом сооружения. Поэтому распространенный в нормативной литературе термин "свайный фундамент" не в полной мере отражает характер работы свай в составе гидротехнического сооружения. В связи с этим в дальнейшем изложении наравне с термином "свайный фундамент" используется понятие "свайное основание" или просто "сваи".
Возникающие в сваях усилия определяются нагрузками, действующими на гидротехническое сооружение в целом. В соответствии со СНиП нагрузки могут быть постоянными, временными (длительными, кратковременными) и особыми. К постоянным относятся, в зависимости от назначения и конструкции гидротехнического сооружения, нагрузки от веса элементов и грунта, входящего в его состав; от веса постоянных конструкций и технологического оборудования, расположенных на сооружении; от бокового давления грунта, действующего на отдельные элементы или на сооружение в целом; от предварительного напряжения железобетонных свай.
Временными длительно действующими могут быть нагрузки от складируемых материалов и механизмов, размещаемых на сооружении; от фильтрационного давления воды при нормальной работе дренажных систем.
Кратковременные нагрузки на гидротехнические сооружения вызываются воздействиями от волн, ветра, швартующихся судов, льда, течений. К кратковременным также относят нагрузки, действующие в строительный период или вызванные изменениями температуры. В отдельных случаях к кратковременным относят нагрузки, вызванные обледенением конструкций (например, морских платформ), которое приводит к увеличению веса сооружения и горизонтальных воздействий от ветра и волн в связи с изменением сечения отдельных составных элементов.
Особые нагрузки в общем случае включают сейсмические воздействия и ледовые нагрузки в случае невыполнения проектных мероприятий по снижению ледовых воздействий, таких, как околка льда около сооружения, дробление больших ледяных полей и т. п.
При расчете сооружений нагрузки принимаются в определенных сочетаниях. Основное сочетание включает все постоянные, все временные длительно действующие и одну кратковременную нагрузки. В особом сочетании к ним добавляется одна из особых нагрузок.
Естественно, что состав действующих нагрузок определяется в зависимости от типа и назначения конструкций, но при этом учитываются только те временные нагрузки, которые ухудшают работу сооружения, и располагаются они в наиболее невыгодных, но реально возможных вариантах.
Расчетные значения действующих нагрузок получают путем умножения их нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке. На основании опыта проектирования гидротехнических сооружений водного транспорта эти коэффициенты надежности (или коэффициенты перегрузки) могут быть приняты в следующих пределах: для нагрузок от складируемых грузов и транспортных средств — 1,2—1,3; для нагрузок от судов — 1,2; для нагрузок от веса грунта, давления льда и от температурных воздействий — 1,1, для собственного веса элементов гидротехнического сооружения — 1,05, для волновых и сейсмических нагрузок, а также для нагрузок от фильтрационного давления воды и предварительного напряжения — 1,0.
Когда сваи входят в состав фундамента сооружения, они воспринимают перераспределенные этим сооружением нагрузки, которые в большинстве случаев могут быть разложены на три составляющие — вертикальную, горизонтальную и изгибающий момент того или иного направления в головной части сваи. В зависимости от конструкции и назначения сооружения соотношения между этими составляющими могут изменяться в широких пределах, что является одним из основных отличий работы свай гидротехнических сооружений от работы свай, входящих в фундамент промышленных и гражданских зданий. Например, если обозначить максимальную осевую вдавливающую нагрузку на сваю морской буровой платформы через N, то выдергивающая нагрузка может достигать (0,5— 0,7) N, а горизонтальная — 0,2 N. При этом следует учесть, что несущая способность стальных свай большого сечения составляет до 20000 кН и более. Большая горизонтальная нагрузка вызывает и значительные смещения свай или свайных фундаментов гидротехнических сооружений, что ведет обычно к возникновению больших моментов в местах защемления свай.
Особенностью гидротехнических сооружений водного транспорта и континентального шельфа является то, что в силу технологических особенностей эксплуатации они допускают значительные горизонтальные перемещения. Поэтому при расчете свай на горизонтальные нагрузки целесообразно учитывать пластические деформации материала свай и грунта основания.
Все перечисленные нагрузки по характеру воздействия на сооружение и его свайный фундамент можно разделить на статические, квазистатические многократно повторные и динамические. К категории статических относятся нагрузки от собственного веса сооружения, технологического оборудования и временных нагрузок на нем, от давления грунта и воды. Многократно повторные квазистатические нагрузки вызывают давление льда, навал судна, воздействие ветра и течений. Нагрузки от давления волн на причальные сооружения и от длинных волн зыби на сооружения в открытом море также можно отнести к квазистатическим.
Динамический характер имеют сейсмические нагрузки, нагрузки от удара судна или льдины, от прибойной или разбитой волны. К категории динамических относятся нагрузки на сваи, возникающие в процессе их транспортировки и забивки, а также при работе различных механизмов, расположенных на самом сооружении. Многократно повторные нагрузки могут изменяться как циклически, например при волновом воздействии, так и произвольно по времени и значению (давление льда, ветра, навал судна). Воздействие их на сооружения или их свайные фундаменты обычно учитывается путем введения поправочных коэффициентов на нагрузки или характеристики отпора грунта в расчетные формулы для статических одноразовых нагрузок. Таким же образом часто учитывается и динамический характер действующих горизонтальных и вертикальных эксплуатационных и монтажных нагрузок.
Таким образом, особенности конструкции свайных оснований гидротехнических сооружений, условия их работы и действующие нагрузки таковы, что к их конструированию и расчету необходим иной подход чем применяемый для свайных фундаментов промышленных и гражданских зданий. Между тем существующие нормативные документы на свайные фундаменты [28, 31] ориентированы в основном именно на промышленное и гражданское строительство и не отражают специфического характера применения свай в гидротехнике.
