Лекция 5. Проектирование и расчет свайных фундаментов

1. Классификация свайных фундаментов. В соответствии с классификацией ДБН В.2.1-10-2009 «Основи та фундаменти споруд. Зміна 1» свайные фундаменты классифицируются по следующим признакам: по способу заглубления в грунт; по условиям взаимодействия с грунтом; по материалу конструкции сваи.

По способу заглубления в грунт различают следующие виды свай (рис. 6.1): забивные, погружаемые в грунт без его выемки с помощью молотов, вибропогружателей, вибровдавливающих и вдавливающих устройств; набивные сваи, устраиваемые в пробитых скважинах или в скважинах, образованных в результате принудительного вытеснения (отжатия) грунта; буровые, устраиваемые в пробуренных скважинах путем их бетонирования или размещения в них сборных элементов; винтовые сваи.

Рис. 6.1. Классификация свайных фундаментов по способу заглубления в грунт:
а – забивные; б – набивные; в – буровые; 1 – погружающее устройство (молот, вибропогружатель, вибровдавливающее устройство и т.п.); 2 – забивная свая;
3 – извлекаемая забивная свая; 4 – пробитая скважина; 5 – бетон замоноличивания скважины; 6 – уплотнённая зона грунта.

 

По условиям взаимодействия сваи с грунтом различают (рис. 6.2): сваи – стойки и висячие сваи. Сваи – стойки рассматриваются как столбы, опертые на прочное основание. При этом силами трения по боковым поверхностям свай, как правило, пренебрегают. К прочным основаниям относятся: скальные грунты; крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем; глины твердые в состоянии полного водонасыщения (Wsat < Wp) с модулем деформации более 50 МПа. К висячим сваям относятся сваи всех видов, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку
на основание боковой поверхностью и нижним концом.

По материалу конструкции сваи различают: бетонные сваи: железобетонные сваи; каменные сваи – столбы; стальные сваи и деревянные сваи.

Все перечисленные выше виды свай имеют внутреннюю классификацию второго уровня. В соответствии с классификацией второго уровня забивные сваи подразделяются на такие виды: по способу армирования – с ненапрягаемой продольной арматурой с поперечным армированием и с напрягаемой продольной арматурой с поперечным армированием или без него; по форме поперечного сечения (рис. 6.3 а) – квадратные, прямоугольные, тавровые, двутавровые, квадратные с круглой полостью, полые круглого сечения; по форме продольного сечения (рис. 6.3 б) – призматические, цилиндрические, с наклонными боковыми гранями (пирамидальные, трапецеидальные, ромбовидные); по конструктивным особенностям – целые и составные; по конструкции нижнего конца (рис. 6.3 в) – с заостренным концом, с плоским нижним концом, полые сваи с открытым или закрытым нижним концом, камуфлетные сваи. Камуфлетными называют сваи с объемным (булавовидным) уширением нижнего конца, получаемым путем заполнения бетоном полости в основании сваи, образованной направленным взрывом камуфлетного заряда. Камуфлетные сваи должны быть полого сечения с закрытым концом. После устройства камуфлетного уширения тело сваи, как правило, омоноличивается.

а)

Рис. 6.3. Классификация забивных свай по геометрическим параметрам:
а – по форме поперечного сечения (квадратные, круглые, прямоугольные, тавровые и т.п.); б – по форме продольного сечения; в – по конструкции режущего ножа; 1 – призматическая; 2 – цилиндрическая; 3 – пирамидальная; 4 – трапецеидальная; 5 – ромбовидная; 6 – заострённый нож; 7 – плоский; 8 – открытый полый; 9 – закрытый полый; 10 – металлический наконечник; 11 – камуфлетное уширение.

 

Набивные сваи классифицируют на следующие виды (рис. 6.4): набивные, устраиваемые погружением инвентарных труб, нижний конец которых закрыт оставляемым башмаком или бетонной пробкой, с последующим извлечением этих труб и заполнением скважины бетоном (свая Франко); набивные виброштампованные, устраиваемые в пробитых скважинах путем заполнения скважины жесткой бетонной смесью, уплотняемой виброштампом в форме трубы с заостренным концом; набивные в выштампованном ложе, устраиваемые путем выштамповки в грунте скважины пирамидального или конического продольного сечения с последующим заполнением ее бетоном, например, фундаменты в вытрамбованных котлованах.

Рис. 6.4. Классификация набивных свай по технологии изготовления:
а – с извлекаемой обсадной трубой, например, свая "Франко";
б – виброштампованная; в – в выштампованном ложе (вытрамбованном котловане);
1 – пробитая скважина; 2 – извлекаемая инвентарная труба; 3 – бетонная пробка;
4 – бетон замоноличивания; 5 – штамп (виброштамп); 6 – зона уплотнённого грунта; 7 – выштампованное ложе (вытрамбованный котлован); 8 – вытрамбованный щебень.

 

Буровые сваи классифицируют на следующие виды (рис. 6.5): буронабивные сплошного поперечного сечения с уширением или без него, бетонируемые в пробуренных скважинах без крепления стенок (плотные грунты, отсутствие грунтовых вод) или с креплением стенок бентонитовым (глиняным) раствором или с помощью извлекаемых обсадных труб (ниже уровня грунтовых вод); буровые полые круглого сечения, устраиваемые с помощью многосекционного вибросердечника; буровые с уплотненным забоем, устраиваемые путем втрамбовывания в забой скважины щебня; буровые камуфлетные сваи; буроинъекционные сваи диаметром 0,15 – 0,25 м, устраиваемые путем нагнетания (инъекции) мелкозернистого бетона или цементно-песчаного раствора в пробуренные скважины; сваи – столбы, устраиваемые путем бурения скважин с уширением или без него, укладки в нее омоноличивающего цементно-песчаного раствора и опускания в скважину цилиндрических или призматических элементов сплошного сечения со сторонами или диаметром более 0,8 м.


2. Конструкции свайных фундаментов. Свайный фундамент представляет собой конструкцию, включающую от одной до нескольких свай, объединенных между собой по верху балкой или плитой, называемой ростверком. Расстояния между осями забивных свай принимаются не менее 3×d, d – размер поперечного сечения сваи в направлении ряда. По количеству свай в ростверке и схеме их размещения различают: фундаменты в виде одиночных свай; кусты свай; ленты свай и свайные поля (рис. 6.6).

Ростверки бывают высокие и низкие. Высокие ростверки не имеют контакта с основанием и выполняют только функции распределения нагрузок на сваи, объединенные ростверком. Низкие ростверки заглубляют в грунт основания, в связи с чем они воспринимают по подошве часть нагрузок, действующих на фундамент. Глубина заложения низких ростверков определяется по правилам для фундаментов мелкого заложения. Сопряжение сваи с ростверком может быть жестким или шарнирным (рис. 6.7). При жестком сопряжении оголовок сваи разрушается до оголения арматуры,
которая запускается в ростверк и омоноличивается в нем. При шарнирном сопряжении оголовки свай подбетонируются после обрезки до проектной отметки и заводятся в ростверк на 50 – 70 мм. При этом перед бетонированием ростверка оголовки свай, как правило, оборачиваются гидроизолом. Обрезке подлежат оголовки забивных свай, которые не представляется возможным погрузить на одну и ту же величину из-за различия геологического строения площадки. Для более точного погружения забивных свай используют лидерные скважины, устраиваемые бурением.
Набивные и буровые сваи сразу устраиваются с оголовками по проектным отметкам.

 

3. Расчет свайных фундаментов. Свайные фундаменты всегда рассчитывают по несущей способности (в отличие от фундаментов мелкого заложения). Висячие сваи, а также кусты, ленты и поля из висячих свай рассчитывают по деформациям. Расчетная схема сваи принимается в виде стержня в грунтовой среде, защемленного на определенной глубине (рис. 6.8).

 

Свободную длину сваи l1 определяют по формулам:

                                             (6.1)

где l0 – длина сваи от подошвы ростверка до планировочной отметки;
bр - меньший размер поперечного сечения сваи; K – коэффициент пропорциональности, зависящий от вида грунта (кН/м4), принимается по таблице ДБН на проектирование свайных фундаментов; EI – изгибная жесткость поперечного сечения сваи; gс – коэффициент условий работы.

Расчет сваи по несущей способности выполняется по формуле:

                                                                                           (6.2)

где N – действующая на сваю расчетная нагрузка; Fd – несущая способность сваи; gk – коэффициент надежности по грунту, принимаемый равным при определении несущей способности сваи: по расчету – 1,4; по данным динамических испытаний – 1,25; по данным статических испытаний – 1,2.

Распределение нагрузок, действующих на ростверк, между сваями в кусте производится на основании гипотезы плоских сечений применительно к дискретному сечению, составленному из поперечных сечений свай в кусте (рис. 6.9).

 

Расчетные формулы имеют вид:

                                          (6.3)

где Nd, Mx, My, Qd – нагрузки, действующие на ростверк, приведенные к его центру тяжести; n – количество свай в кусте; xi , yi – координаты центра
i-ой сваи; Ni, Qi – продольная и поперечная силы, действующие в ростверке на i сваю.

Определение несущей способности сваи – стойки. Несущая способность сваи – стойки рассчитывается по сечению сваи и по сопротивлению основания под нижним концом сваи (рис. 6.10 а). При определении несущей способности сечения сваи используются формулы для расчета внецентренно сжатых железобетонных сечений. При этом коэффициент продольного изгиба определяется для свободной длины сваи по формуле (6.1). Несущая способность сваи по основанию определяется по формуле:


                                                                              (6.4)


где gc – коэффициент условия работы; R – расчетное сопротивления грунта под нижним концом сваи; А – площадь поперечного сечения нижнего конца сваи (проекции на горизонтальную плоскость).

 

Для забивных свай расчетное сопротивление грунта под пятой сваи принимается 20 МПа. Для набивных и буровых свай расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи рассчитывается по формуле:

                                                                       (6.5)

где Rсж – предел прочности скального грунта на одноосное сжатие в состоянии полного водонасыщения; gg – коэффициент надежности по грунту, равный 1,4; ld – глубина заделки сваи в скальный грунт; df – диаметр заделанной в скальный грунт части сваи.

Определение несущей способности висячих свай с параллельными боковыми гранями. Несущая способность таких свай рассчитывается как сумма сопротивлений грунта под нижним концом и по боковым поверхностям сваи (рис. 6.10 б). Сопротивление грунта под нижним концом определяется величиной его расчетного сопротивления R, зависящего от вида и состояния грунта и глубины погружения сваи в грунт. Сопротивление грунта по боковым поверхностям сваи определяется силами трения и сцепления. Указанные силы суммарно учитываются расчетным сопротивлением грунта f по боковой поверхности. Расчет несущей способности сваи выполняют по формуле:

                                                      (6.6)

где gc, gCR, gcf – коэффициенты условий работы соответственно сваи, под нижним концом и по боковой поверхности (например, при погружении забивной сваи в лидерную скважину gcf равен 0,5); А – площадь поперечного сечения сваи; u – периметр боковой поверхности сваи; fi – расчетное сопротивление i–го слоя грунта по боковой поверхности; hi – толщина i–го слоя грунта; R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи.

Для забивных и погружаемых без выемки грунта свай расчетное сопротивление грунта R определяется по таблицам СНиП на проектирование свайных фундаментов и изменяется в пределах от 600 до 15000 кПа. Для набивных и буровых свай величина расчетного сопротивления грунта под нижним концом сваи рассчитывается по формуле:

                                               (6.7)

где d – диаметр сваи; h – глубина заложения сваи; k – коэффициент условий работы; a1 - a4 – коэффициенты прочности, принимаемые по таблицам СНиП на проектирование свайных фундаментов в зависимости от угла внутреннего трения грунта; gI ¢ – расчетное значение удельного веса грунта в основании сваи; gI – то же, осредненное по длине сваи.

Определение несущей способности свай с наклонными боковыми гранями. Наклон боковых поверхностей сваи к вертикали ip не должен превышать 0,025 (25 мм на метр). Особенностью работы таких свай (рис. 6.5) является наличие нормального давления на боковых поверхностях (расклинивающий эффект). При этом несущая способность сваи увеличивается на величину проекции на вертикальную ось сил бокового давления (рис. 6.10 в). Расчетные формулы имеют вид:

                          (6.8)

где ui – периметр i–го сечения сваи; u0,i – периметр граней в i–ом сечении, имеющих наклон; Ei – модуль деформации i-го слоя грунта;
ki – коэффициент, зависящий от вида грунта (изменяется от 0,5 до 0,9);
xr - реологический коэффициент, равный 0,8.

Расчет забивных свай на выдергивание. Предполагается, что при выдергивании анкерных свай грунт сопротивляется только по боковым поверхностям сваи. Расчетная формула имеет вид:

                                                           (6.9)

Расчет свай на горизонтальные и моментные нагрузки. Расчетная схема сваи (рис. 6.11) представляется в виде стержня в упругой среде с боковым коэффициентом жесткости, вычисляемым по формуле:

                                                                          (6.10)

где Ki – коэффициент пропорциональности для i–го слоя грунта по формуле (6.1); zi – глубина центра i–го слоя грунта, отсчитываемая от планировочной отметки; d – размер поперечного сечения сваи по грани, воспринимающей давление грунта при моментной и горизонтальной нагрузке.

Боковой коэффициент жесткости грунта изменяется от нулевого значения на поверхности основания до расчетного значения на глубине zi (см. эпюру на рис. 6.11). Расчеты выполняются с использованием вычислительных программ, например, методом конечных элементов. По результатам расчетов строятся эпюры боковых давлений грунта (рис. 6.11), ординаты которых не должны превышать значений пассивного давления грунта (см. лекцию 4 курса "Механика грунтов"). По найденным эпюрам боковых давлений грунта и заданным нагрузкам на сваю строятся эпюры изгибающих моментов и поперечных сил по длине сваи и выполняются проверки прочности ее сечений.

Учет негативного трения при расчете свайных фундаментов. Негативное трение проявляется при смещении грунтового массива относительно погруженной в грунт сваи. При этом на боковых поверхностях сваи возникают нагружающие силы трения и сцепления, обратные по направлению ранее рассмотренным удерживающим силам трения и сцепления (рис. 6.12). Зона сил негативного трения распространяется от
подошвы ростверка до некоторой глубины, которая определяется следующим образом. Строится график осадки грунта вокруг сваи (рис. 6.12) по глубине грунтового массива. На этом графике находится точка с абсциссой, равной половине осадки свайного фундамента от действующих на него нагрузок. Расстояние от подошвы ростверка до указанной точки (или ордината этой точки) представляет собой толщину зоны негативного трения грунта, в которой силы трения и сцепления по боковой поверхности сваи fi должны учитываться в формулах (6.6) и (6.8) с обратным знаком, т.е. как нагружающие.

Силы негативного трения учитываются в следующих случаях: при планировке территории подсыпкой толщиной более 1 м; при загрузке пола нагрузкой более 20 кПа; при увеличении эффективных напряжений в грунте вследствие понижения уровня грунтовых вод; при незавершенной консолидации грунтов современных техногенных отложений (насыпей); при уплотнении несвязных грунтов динамическими воздействиями; при просадках грунтов от замачивания (структурно неустойчивые грунты).


Расчет осадки свайного фундамента. Осадка свайного фундамента определяется методом послойного суммирования для условного фундамента (рис. 6.13), имеющего высоту, равную высоте свайного фундамента.

Ширина условного фундамента определяется следующим образом. На уровне подошвы ростверка от наружных граней крайних свай в кусте проводят линии, наклоненные к вертикали под углами jII,mt/4 до пересечения с горизонтальной плоскостью на уроне нижних концов свай. Расстояние между указанными точками пересечения наклонных линий с горизонтальной плоскостью принимается за ширину условного фундамента (отрезок АВ на рис. 6.13). Расчетные формулы для указанных построений имеют вид:

                                  (6.11)

где В – ширина условного фундамента; b – ширина свайного фундамента по границе наружных граней крайних свай в кусте; h – глубина заложения свайного фундамента от подошвы ростверка; jII,i – угол внутреннего трения i-го слоя грунта.

Для условного фундамента производят проверки по ограничению средних и краевых давлений по аналогии с проверками для столбчатого фундамента. При этом величину расчетного сопротивления грунта определяют для условного фундамента шириной В и глубиной заложения h. Если проверки по ограничению средних и краевых давлений по подошве условного фундамента не выполняются, увеличивают глубину заложения свайного фундамента или развивают его в плане. Если в основании свайного фундамента залегают пылевато-глинистые грунты с показателем текучести более 0,6, ширину условного фундамента ограничивают величиной b +4×d, где d – диаметр сваи.

Расчет ростверков. Толщину плиты ростверка определяют из условия ее продавливания нагрузкой, передаваемой сваей. При этом принимают схему продавливания по двум или четырем сторонам (см. расчет на продавливание плиты под колонной). В продольном направлении ростверк рассчитывают как многопролетную балку, загруженную распределенной нагрузкой от стены, опорами которой являются сваи. По результатам этого расчета проверяется достаточность продольного и поперечного армирования ростверка. Ростверки свайных полей рассчитываются как плиты на дискретных опорах (сваях) с учетом в необходимых случаях нагрузок от давления грунта по подошве.

Определение несущей способности свай по данным испытаний. Назначаемые в проектах конструктивные параметры свайных фундаментов на основании их расчетов подлежат, как правило, проверке путем проведения статических или динамических испытаний. Статические испытания проводят нагружением сваи возрастающей нагрузкой с замерами ее осадок. Несущая способность сваи определяется как величина нагрузки, при которой
происходит резкое увеличение осадок (см. график статических испытаний на рис. 6.14).

 

Динамические испытания проводят путем добивки сваи в грунт молотом с замерами ее осадок (рис. 6.15).

Отказом называют погружение сваи в грунт от одного удара молота. Залогом называют количество ударов молота в бойке для определения отказа. Несущую способность сваи по результатам динамических испытаний определяют на основании уравнения сохранения энергии:

               (6.11)

где

Q – сила (вес) молота; H – высота падения молота; Fd – несущая способность сваи; e – отказ сваи; h – отскок молота после удара о сваю; a – коэффициент, учитывающий необратимый переход части механической энергии в тепловую.















Дата: 2019-03-05, просмотров: 8.