Практическое занятие №6 - Расчет свайного фундамента

 

6.1 Общие сведения

 

Основное назначение свай заключается в том, чтобы передать нагрузку от сооружения или здания на более глубокие слои грунта, обладающие необходимой несущей способностью.

Группу свай, образующую фундамент, поверху связывают жесткой конструкцией в виде балки или плиты, обеспечивающей передачу давления от сооружения на все сваи и препятствующей горизонтальному перемещению верхних частей свай.

Конструкции, связывающие головы свай, называют ростверками и выполняют их в зависимости от материала свай и постоянного уровня грунтовых вод из дерева, бетона или железобетона. Различают ростверки высокие и низкие (Рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Свайные фундаменты:

а) с низким ростверком; б) с высоким ростверком

 

Высокими называют ростверки с нижней плоскостью, лежащей выше поверхности грунта. Такие ростверки устраивают в тех случаях, когда поверхность грунта покрыта водой (например, при строительстве набережных, мостовых опор и т.д.). Однако возможно устройство высоких ростверков и при строительстве гражданских зданий с техническим подпольем.

Низкими называют ростверки с нижней плоскостью, заглубленной в грунт. В промышленном и гражданском строительстве чаще применяют низкие ростверки. Отметка заглубления низкого ростверка в грунт зависит от наличия подвалов и проходящих в них коммуникаций, возможности пучения грунтов, глубины заложения соседних фундаментов и ряда других причин.

Свая нижним концом (подошвой) может опираться на практически несжимаемые грунты: скальные, плотные крупнообломочные, плотные песчаные, плотные малосжимаемые глинистые в твердом состоянии (при показателе консистенции В < 0). В таких случаях все давление на грунт основания передается только через нижний конец сваи, по площади ее поперечного сечения. Такие сваи называют сваями – стойками.

Сваи можно опереть на несжимаемые грунты далеко не всегда. По большей части нижние концы свай остаются в сжимаемых грунтах. В этих случаях нагрузка от сваи воспринимается грунтом как по площади поперечного сечения сваи, так и по ее боковой поверхности. Такие сваи называют висячими или сваями трения. Это название сваи получили от развития сил трения по их боковой поверхности (Рисунок 6.2).

Следует отметить, что силы трения, развиваемые по боковой поверхности сваи в процессе ее погружения и в эксплуатационных условиях, резко разнятся по своей величине. Поэтому проектную величину несущей способности висячей сваи определяют по величине сил трения, развивающихся в эксплуатационных условиях.

Несущую способность свай определяют различными способами, что будет рассмотрено в следующих лекциях. Однако надо отметить, что несущая способность свайного фундамента из свай – стоек всегда равна сумме несущих способностей отдельных свай в фундаменте.

Особенности работы в грунте висячих свай таковы: несущая способность свайного фундамента из висячих свай, как правило, меньше суммы несущих способностей отдельных свай в фундаменте.

Рисунок 6.2 – Свайные фундаменты:

а) на сваях - стойках; б) на висячих сваях

 

Сваи представляют собой по форме круглые или многогранные стержни, погруженные в грунт.

По длине (продольному профилю) сваи могут быть постоянного (цилиндрические и призматические) и переменного сечения (конические и пирамидальные).

По типу нижнего конца сваи (пяты) они делятся: на заостренные, плоские, с уширенной пятой.

По материалу они могут быть: деревянные, бетонные, железобетонные, металлические или комбинированные в виде стальной или железобетонной трубы – оболочки, заполненной бетоном, а также грунтобетонные или грунтоцементные и грунтовые (песчаные).

По способу внедрения в грунт (по методу производства работ) различают сваи готовые (изготовленные заранее до их устройства на заводе ЖБИ или на полигоне) и набивные (их устраивают на месте производства свайных работ) в скважине, предварительно пробуренной или пробитой в грунте (Рисунок 6.4).

Готовые сваи, погружаемые в грунт с помощью молотов и вибропогружателей, называют забивными сваями.

Поперечное сечение свай может быть сплошным (полнотелые сваи) или полым (пустотелые сваи и сваи - оболочки). Принципиального различия между пустотелыми сваями и сваями – оболочками нет. Обычно при диаметре (стороне) поперечного сечения сваи до 800 мм и наличии внутренней полости сваи называют пустотелыми. При тех же условиях, но при диаметре более 800 мм сваи относят к оболочкам.

Пустотелые сваи и сваи – оболочки могут быть с открытым или с закрытым нижним концом, что сказывается на способе производства работ и на несущей способности.

Для повышения несущей способности сваи у ее нижнего конца устраивают уширенную пяту (разбуриванием или камуфлетным взрывом). Устройство уширенной пяты возможно у забивных свай, но более характерно для набивных.

Конструкции готовых свай более или менее стандартны, тогда как конструкции набивных весьма разнообразны. Скважины для устройства набивных свай можно образовывать непосредственно в грунте бурением или пробивкой, под защитой обсадной трубы или без нее, причем обсадную трубу чаще всего удаляют после бетонирования сваи или оставляют в качестве внешней оболочки.

Возможно комбинирование различных методов устройства ствола сваи и уширенной пяты. Все это затрудняет составление общей классификации свай как по способу их устройства, так и по другим признакам (таблица 6.1).

 

Рисунок 6.3 – Основные типы свай:

а) готовая (забивная) свая, погружаемая забивкой или вибрированием;

б) набивная свая без оболочки, скважина пробуривается тяжелым конусом;

в) набивная свая с оболочкой, остающейся в грунте (оболочка из тонкого листового железа забивается с помощью сердечника);

г) набивная свая со съемной оболочкой (оболочка из стальной трубы со съемным башмаком забивается в грунт и по мере бетонирования извлекается);

д) набивная свая со съемной оболочкой без башмака или без оболочки (скважина образуется бурением);

е) винтовая свая. Пунктиром показаны контуры скважин, сплошными линиями – контуры свай

 

Таблица 6.1 – Общая схема классификации свай по их видам

Материал ствола сваи	Характеристика сечения	Форма сечения сваи	Форма по длине ствола сваи	Способ погружения или изготовления	Примечание
Дерево	Сплошное	Круг	Цилиндр	Забивка или вибропогружение	-
Бетон	- «-	Близкое к кругу	- «-	Набивка бетона в буровую скважину	Возможно устройство арматурного каркаса
- «-	- «-	- «-	- «-	Набивка бетона в извлекаемую забивную оболочку	- «-
- «-	- «-	Круг	Слегка коническая	Набивка бетона в остающуюся за- бивную оболочку	- «-
Железобетон	- «-	Квадрат, многоугольник, круг	Призма, усеченная пирамида., цилиндр, конус	Забивка или вибропогружение	Арматурный каркас или жесткие стержни
- «-	Пустотелое (d < 800 мм)	Кольцо, пустотелый многоугольник	Цилиндр, конус	Вибропогружение	Арматурный каркас
- «-	Оболочка (d > 800 мм)	Кольцо	Цилиндр	- «-	- «-
Металл	Сплошное	Форма проката	Призма	Забивка, вибропогружение	___
- «-	Сплошное с винтовыми лопастями	Круг с винтовыми лопастями	Цилиндр (лопасти внизу)	Завинчивание	___
- «-	Оболочка	Кольцо	Цилиндр	Вибропогружение	___

По отношению к горизонту сваи бывают вертикальные и наклонные.

По количеству рядов свай в фундаменте – однорядные и многорядные.

По типу объединения верхних частей (голов) свай – гибкие и жесткие безростверковые, а также с низким (заходящим в грунт основания) и высоким ростверком (расположенным над грунтовым основанием).

Характеристики отдельных видов забивных свай приведены в справочниках.

 

6 Пример расчета свайного фундамента

 

Глубина заложения ростверка должна быть не меньше расчетной глубины промерзания.

 

Рисунок 6.4 – Схема к расчету свайного фундамента

 

 

Принимаем глубину заложения ростверка 1,7 м (равной глубине нормативного промерзания глинистых грунтов, увеличенной на 20%).

Принимаем изготовленные на заводе ЖБИ сплошные железобетонные сваи: С9 - 30, с сечением 30 х 30 см, марка бетона М250, масса 2,19 т, арматура 4 Ø12 мм, длина сваи Р = 9 м, расчетное сопротивление грунта под острием забивной сваи R ≈ 3800 кПа в песке средней крупности с показателем текучести (J_L), равным нулю.

Несущую способность забивных свай всех видов и свай оболочек, погружаемых без выемки грунта (расчетное сопротивление сваи по грунту), F_d, кН, определяют по формуле:

F_d = γ _с (γ _CR R A + u ∑ γ _{c f} f _i h _i), (28)

 

где γ _с - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 0,85 для свай сечением менее 0,3 х 0,3 (м) и γ _с = 1 – для свай большего сечения;

γ _CR, γ _{c f} - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта, принимают по таблице приложения

(γ _CR =1,0; γ _{c f} = 1,0);

R - расчетное сопротивление под нижним концом сваи, кПа, (3800 кПа), таблица П10 приложений;

А – площадь поперечного сечения сваи, м²;

u – периметр поперечного сечения сваи, м;

f _i - расчетное сопротивление i - го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа, (принимают по таблице П11 Приложений);

h _i - толщина i - го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

Определим расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи (за счет сил трения, таблица П11 Приложений), используя интерполирование:

Суглинок желто бурый (IL =0,55):

z₁ = 1,7 м; f₁ = 12,5 кПа;

z₂ = 2,0 м; f₂ = 14,5 кПа;

z₃ = 3,0 м; f₃ = 17 кПа;

z₄ = 3,7 м; f₄ = 18 кПа;

 

Глина бурая (I_L =0,37):

z₅ = 4,0 м; f₅ = 32,5 кПа;

z₆ = 5,0 м; f₆ = 34,5 кПа;

z₇ = 5,67 м; f₇ = 35,5 кПа;

 

Супесь зелено бурая (I_L =0,75):

z₈ = 6,0 м; f₈ = 9,0 кПа;

z₉ = 7,0 м; f₉ = 9,0 кПа;

z₁₀ = 9,07 м; f₁₀ = 9,0 кПа;

 

Песок серо бурый:

z₁₁ = 10,0 м; f₁₁ = 65,0 кПа;

z₁₂ = 12,0 м; f₁₂ = 67,8 кПа.

Находим расчетное сопротивление сваи:

F_d = 0,85*{[1*3800*0,09+1,2*[1*(12,5*1,7+14,5*0,3+17*1,0+18*0,7)+

+(32,5*0,3+34,5*1+35,5*0,67)+(9*0,33+9*1,0+9*2,07)+(65*0,93+67,8*2)]}=

=0,85*[342+1,2*(21,25+4,35+17+12,6+9,75+34,5+23,79+2,97+9+18.63+

+60,45+135,6)] = 0,85*(342 + 1,2*349,89) =0,85*761,87=647,59 кПа.

Приближенно определяем вес ростверка (вместе с условным фундаментом) по формуле:

Р_р = F_d /(3d)², (29)

Р_р= 647,59: (3*0,3)² = 799,49 кПа.

Определяем ориентировочную площадь подошвы ростверка по формуле:

А_р = N_o / [Р_р – (γ_ср *d* γ_f)], (30)

 

где γ_ср = 15,56 кПа, - осредненный удельный вес грунта (всех слоев); d – глубина заложения ростверка, м (1,7 м);

γ_f – коэффициент надежности по нагрузке, γ_f = 1,2.

Отсюда:

А_р = 1180/[799,49 - (15,56*1,7*1,2)] = 1180/767,75 = 1,54 м².

Определим ширину фундамента по формуле:

b = √ А_р, (31)

Отсюда: b = √ 1,54 = 1,24 м.

Из конструктивных соображений принимаем размеры ростверка: 1,5х1,5х1,7 (м) с площадью ростверка 2,25 кв.м.

Находим ориентировочный вес ростверка и грунта (при удельном среднем их весе 20 Кн):

N_гр = N_o / (γ _с * γ_ср * А_р * d), (32)

Отсюда: N_гр = 1180/(0,85∙20∙2,25 ^.1,7) = 18,15 кН.

Определим количество свай

n_c =[(N_o + N_гр)]/ F_d , (33)

n_c = [(1180+18,15)]/ 647,59 = 1,85 сваи.

Полученное количество увеличим на 20 %, т.к. на фундамент действуют изгибающие моменты.

n_c =[ (N_o + N_гр)*1,2]/ F_d, (34)

Подставив данные в формулу, получим:

n_c = [(1180+18,15)*1,2]/ 647,59 = 2,22 сваи.

В целях обеспечения достаточной устойчивости и прочности конструкции, принимаем 4 сваи.