Проверка слабого подстилающего слоя

 

При наличии в пределахсжимаемой толщи основания на глубине z от подошвыфундамента слоя грунта меньшей прочности, чем прочность грунта, лежащего выше, необходимо проверить прочность слабого слоя. Расчетная схема к проверке прочности слабого слоя приведена на рис. 3.2.

 

Рис. 3.2. Схема к проверке слабого подстилающего слоя

 

Условие проверки слоя

σ _zp + σ _zq ≤ R_z,(3.13)

где σ _zp и σ _zq - вертикальные напряжения в грунте на глубине z от подошвы фундамента соответственно от дополнительной нагрузки и от собственного веса грунта; R_z – расчетное сопротивление грунта пониженной прочности на глубине z.

R_z рассчитывается по формуле (3.2), где принимаются следующие величины: b = b_z, значения коэффициентов М_g, М_q и M_c и с_II - для слабого грунта.

Значения b_z вычисляются по формулам:

а) для ленточного фундамента

; (3.14)

б) для столбчатого фундамента

, (3.15)

где σ _zp – дополнительное напряжение на кровлю слабого слоя; А_z - площадка условного фундамента; N_II - суммарная вертикальная нагрузка на основание; а – полуразность между длиной l и шириной b фундамента

а = (l – b) / 2. (3.16)

, (3.17)

где h_i – мощность i -го слоя грунта; g _i – удельный вес i -го слоя грунта.

При уровне грунтовых вод выше подошвы фундаментов удельные веса определяются при взвешивающем действии воды

g_вз = ( g _s - g _w) / ( 1 + e), (3.18)

где γ_вз– удельный вес грунта во взвешенном состоянии; γ _s - удельный вес частиц грунта; γ _w – удельные вес воды, принимаемый равным 10 кН/м³; е – коэффициент пористости грунта.

 

Напряжения σ _zp на уровне слабого грунта равны

σ _zp = a ×p _o, (3.19)

где a - коэффициент, принимаемый по прил. 4; р _о- дополнительное давление, равное

р _о = р - σ _{zq. o}, (3.20)

где р – среднее давление по подошве фундамента; σ _{zq. o}– вертикальное напряжение по подошве фундамента от действия собственного веса грунта, равное

σ _zq.o = g¢ _II× d, (3.21)

где g¢ _II – усредненный расчетный удельный вес грунта выше подошвы фундамента; d – глубина заложения фундамента.

Если условие (3.13) не выполняется, то необходимо увеличить размеры фундамента, добиваясь выполнения условия.

Расчет свайных фундаментов

 

Свайные фундаменты являются одним из основных видов фундаментов, позволяющих обеспечить надежность работы сооружения в целом, в ряде случаев снизить объем земляных работ на 70-90%, исключить работы по водопонижению, уменьшить материалоемкость на 15-35% и трудоемкость в 1,2-1,8 раза, а также улучшить условия производства ра­бот по возведению надземной части здания. В большинстве случаев свайные фундаменты применяются для прорезания толщи слабых грунтов (насыпных, рыхлых песчаных, илов, торфов, пылевато-глинистых текучей консистенции и т. п.) и передачи нагрузки от здания па нижние, более прочные грун­ты основания. Вместе с тем применение свайных фундамен­тов может оказаться экономически возможным при отсутст­вии слабых грунтов для однородных и неоднородных осно­ваний, сложенных относительно прочными грунтами с R_о >100 кПа. Как правило, бывает целесообразным использо­вание свайных фундаментов взамен ленточных на естествен­ном основании для жилых и общественных зданий в относи­тельно благоприятных грунтовых условиях при глубине за­ложения ленточных фундаментов более 1,7 м от поверхности планировки, а для производственных зданий - при глубине заложения отдельно стоящих ступенчатых фундаментов бо­лее 2,5 м. Следует обратить внимание на целесообразность применения свайных фундаментов также при высоком уровне подземных вод и при глубоком сезонном промерзании грун­тов. Во многих случаях, используя свайные фундаменты, можно добиться экономии строительных материалов и снижения стоимости строительства.

Исходные данные для проектирования свайных фундамен­тов и данные о грунтах строительной площадки принимаются по заданию. Основная задача проектирования свайного фундамента сводится к максимальному использованию допускаемой на сваю расчетной нагрузки, обеспечению равнопрочности сваи по грунту и материалу, определению оптимальных типораз­меров свай и ростверков и их унификации, обеспечению ми­нимального заложения ростверков и наименьших объемов земляных работ.

Свайный фундамент может быть принят в курсовом про­екте как элемент вариантного проектирования или как основ­ной вариант – при дипломном проектировании. В обоих случаях обя­зательным является выполнение следующих этапов проекти­рования и расчета, которые последовательно должны быть отражены в расчетно-пояснительной записке:

1. Выбор типа и вида свай, определение глубины заложе­ния подошвы свайного ростверка и предварительной длины свай.

2. Определение несущей способности одиночной висячей забивной сваи.

3. Предварительное определение числа свай в свайном фундаменте и размещение свай в плане.

4. Расчет свайных фундаментов. Проверка нагрузки, приходящейся на сваю в ростверке по пре­дельному состоянию первой группы. Сравнение этой нагрузки с расчетной нагрузкой на сваю.

5. Расчет оснований по пре­дельному состоянию второй группы (по осадкам оснований свайных фундаментов от вертикальных нагрузок):

а) построение условного свайного фундамента;

б) определение среднего давления - Р, передаваемого на грунт в плоскости нижних концов сваи (по подошве ус­ловного фундамента);

в) определение расчетного сопротивления грунта основания R для условного свайного фундамента;

г) сравнение Р с R и соответствующая корректировка раз­меров свайного фундамента;

д) расчет осадки свайного фундамента одним из методов механики грунтов как для условного фундамента на естест­венном основании.

Если свайный фундамент принят как основной вариант фундаментов сооружения, то для всех остальных заданных сечений производится расчет в соответствии с вышеуказанной последовательностью.

Выбор типа и вида свай

Тип и вид свай выбирают исходя из характера напласто­вания грунтов, а также в зависимости от оборудования и опыта устройства свайных фундаментов, имеющегося у стро­ительной организации, которой намечается передать выпол­нение работ по устройству фундаментов на проектируемом объекте. По характеру взаимодействия с грунтами сваи классифицируются: на сваи-стойки, опирающиеся на практически несжимаемые грунты, и висячие, заглубленные в сжи­маемые грунты. В курсовом проекте заданные грунтовые ус­ловия предопределяют использование висячих свай при проектировании свайных фундаментов.

В проекте свайных фундаментов должны предусматри­ваться гостированные и типовые конструкции забивных свай. Основным материалом для забив­ных свай является железобетон. Стандартные сваи имеют, в основном, квадратное сплошное сечение. Для улучшения качества их изготовле­ния разработаны ГОСТы на следующие конструкции забив­ных железобетонных свай сплошного квадратного сечения: с ненапрягаемой стержневой арматурой, поперечным армиро­ванием ствола сечением от 200×200 до 400×400 мм и длиной 3-16 м (ГОСТ 19804.1-79); с напрягаемой арматурой из высокопрочной проволоки, поперечным армированием ствола с течением от 200×200 до 400×400 мм, длиной 3-16 м (ГОСТ 19804.2-79); с напрягаемой стержневой арматурой, попереч­ным армированием ствола сечением от 300×300 до 400×400 мм, длиной 9-20 м (ГОСТ 19804.2-79); с напрягаемой стержневой арматурой, поперечным армированием ствола сечением от 300×300 до 400×400 мм, длиной 11-20 м (ГОСТ 19804.2-79); с напрягаемой арматурой без поперечного ар­мирования ствола сечением 250×250 и 300×300 мм, длиной 3-12 м (ГОСТ 19804.4-78).

Железобетонные сваи изготав­ливаются с применением тяжелого бетона. Для забивных железобетонных свай с ненапрягаемой продольной армату­рой применяют бетон класса не ниже В15, а для забивных железобетонных свай с напрягаемой арматурой - не ниже В22.5. Основные типоразмеры свай приведены в прил. 5. Размер стороны сваи называется диаметром и обозначается буквой d. При маркировке сваи буквенные обозна­чения дополняют указанием длины ее призматической части в метрах, размера стороны в см. Например, С6-30 - свая длиной 6 м, сечением 30×30 см.

Одновременно с выбором типа и конструкции свай наме­чают глубину заложения подошвы свайного ростверка и выбирают его конструкцию. Чаще всего глубина заложения ростверка назначается равной глубине заложения фундаментов в открытом котловане. В условиях промышленного и гражданского строительства чаще всего применяются свай­ные фундаменты с низким свайным ростверком, т.е. заглуб­ленным в грунт, устраиваемым, как правило, из монолитного железобетона. Свайные фундаменты со сборными ростверка­ми оказываются менее экономичными по сметной стоимости, чем свайные фундаменты с монолитными ростверками, поэто­му эффективность применения сборных ростверков в каждом конкретном случае должна обосновываться с учетом сниже­ния трудоемкости и сроков строительства.

В зависимости от условий работы железобетонные рост­верки подразделяются на ленточные под кирпичные, крупно­блочные, крупнопанельные стены и на плитные под колонны каркасных зданий. Глубина их заложения должна назначать­ся в зависимости от конструктивных решений подземной ча­сти здания (наличия подвала, технического подполья), про­екта планировки территории (срезкой или подсыпкой), а так­же высоты ростверка, определяемой расчетом. Рекомендации по проектированию железобетонных ростверков свайных фундаментов под колонны зданий различного назначения, по расчету стаканных железобетонных ростверков под сборные железобетонные колонны, плитных ростверков под монолит­ные железобетонные и стальные колонны, примеры расчета ростверков даны в пособии по проектированию.

В курсовом проекте высота свайного ростверка определя­ется по конструктивным соображениям. Обычно этот размер принимается равным 500-600 мм. При этом принима­ется во внимание условие сопряжения свай с ростверком, вы­бор типа которого зависит от конструктивной схемы здания, действующих на фундаменты нагрузок и условии их прило­жения. Анализ нагрузок заключается в первую очередь в выявлении их определяющих видов: осевых и горизонтальных. Сопряжение свайного ростверка со сваями допускается пре­дусматривать как свободно опирающимся, так и жестким. Если сваи воспринимают лишь центрально прило­женные вертикальные сжимающие нагрузки и погружены в грунты, оцененные как пригодные в качестве естественного основания, то сопряжение принимается шарнирным (свобод­ное опирание). В этом случае голова сваи заделывается в ростверк на глубину 5-10 см. Такая величина заделки не­обходима для обеспечения равномерной передачи нагрузки по всему сечению сван.

Необходимость в выпусках арматуры при шарнирной заделке отпадает. Жесткое сопряжение свай с ростверком выполняется: 1) если сваи воспринимают внецентренно приложенные сжимающие нагрузки или выдергивающие, на них действуют горизонтальные нагрузки, величины, перемещений от которых при свободном опирании оказываются больше предельно допускаемых для проектируемого здания; 2) когда в фундаменте имеются наклонные или со­ставные вертикальные сваи, стволы которых располагаются в слабых грунтах (рыхлых песках, глинистых грунтах текучей консистенции, илах, торфах и т.п.). Жесткое сопряжение железобетонных свай с монолитным железобетонным ростверком следует предусматривать с заделкой головы сваи в ростверк на глубину, соответствующую длине анкеровки арматуры, либо с заделкой в ростверк выпусков арматуры на длину их анкеровки (для забивных свай это достигается пу­тем разбивки их головы) в соответствии с требованиями гла­вы СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций. В последнем случае в голове предварительно-напряженных свай должен быть предусмотрен ненапрягаемый арматурный каркас, используемый в дальнейшем в ка­честве анкерной арматуры.

В курсовом проекте выпуски ар­матуры можно принять равными 0,3-0,4 м, что входит в об­щую длину сваи. Допускается также жесткое сопряжение с помощью сварки закладных стальных элементов при условии обеспечения требуемой прочности. Анкеровка в ростверк свай, работающих на выдергивающие нагрузки, должна предусматриваться с заделкой арматуры свай в ростверк на величину, определяемую расчетом ее на выдергивание. Сверх выпусков арматуры в плите ростверка дается еще слой бетона толщи­ной l-2 d. В итоге предварительная общая толщина плиты составляет 2-3 d. Для ленточных ростверков при расположе­нии свай в один ряд толщину плиты можно принять h _р = 50 см, при двухрядном и трехрядном расположении свай h _р = 60 см. В жилых и гражданских каркасных зданиях к высоте плитной части ростверка следует добавить высоту подколонной части (подколонники марки КН h = 103 см).

При назначении конструкции свайного ростверка под ко­лонны промышленных зданий следует руководствоваться аль­бомами типовых конструкций (10; 11). Ростверки в этом слу­чае, как правило, устраиваются из монолитного железобето­на, плитная часть совмещена с подколонной. Высота роствер­ка определялась расчетом на продавливание его колонной и из условия заделки колонны в ростверк. Высота плитной ча­сти и подколенника принята кратной 150 мм.

Отметка верха ростверка принимается, как правило, на 0,15 м ниже отметки планировки DL или уровня пола под­вала. Для удобства производства работ ростверк стремятся закладывать выше уровня подземных вод WL. При значи­тельных уклонах местности допускаются уступы (перепады) в ростверке. Осадочные швы разрезают и ростверк.

Во всех случаях нижние концы свай следу­ет заглублять в более прочные и менее сжимаемые грунты, прорезая более слабые их напластования. Оценку несущего слоя пылевато-глинистых грунтов производят по показателю текучести, песчаных - по содержанию частиц различной крупности и плотности сложения, устанавливаемых по данным лабораторных исследований. В некоторых случаях глу­бина погружения свай предопределяется почти однозначно геологическим разрезом, а именно: если на достижимой глу­бине имеется слой крупно- или среднезернистого песка плот­ного сложения или же слои пылевато-глинистого грунта твердой консистенции, то торец сваи можно ввести в такой грунт (без учета заострения) не менее, чем на 0,5 м, что и определяет максимально возможную длину сваи. Погруже­ние сваи в несущий слой не менее 0,5 м может быть принято также для песков крупных и средней крупности средней плот­ности, а также для пылевато-глинистых грунтов с показате­лем текучести I_L ≤ 0,1.

Требования к заглублению нижних концов свай на 0,5 м объясняется тем, что кровля этих грун­тов, как правило, неоднородная, выветрелая и содержит включения вышележащих сжимаемых слоев грунта, подлежа­щих прорезке. В прочие нескальные грунты нижний конец сваи должен заглубляться не менее 1,0 м. В указанных выше условиях максимальная глубина погружения, как правило, является наиболее целесообразной, за исключением тех случаев, когда действующие нагрузки малы и могут быть эф­фективно переданы основанию сваями меньшей длины.

Опирания нижних концов свай на пылевато-глинистые грунты с показателем текучести I_L > 0,6 и рыхлые пески следует избегать ввиду их низкой несущей способности. Ниж­ний конец сваи нельзя располагать непосредственно на гра­нице двух природных слоев грунта, его следует помещать или выше границы на 1,0-1,5 м (при условии, что несущая спо­собность подстилающего грунта не ниже, чем вышерасполо­женного), или же войти в подстилающий слой на глубину, определяемую видом грунта.

Мощность несущего слоя грунта должна быть ниже ост­рия свай не менее 2-3 м, если он подстилается слабым грун­том. В случае однородных на большую глубину оснований или если в основании залегают грунты с более или менее одинаковой несущей способностью, длина сваи определяется подбором в зависимости от действующих нагрузок на ростверки. В одних случаях может оказаться целесообразным увеличение длины свай, а в других - нет. Этот вопрос реша­ется путем сравнения вариантов фундаментов, различающих­ся длиной свай. Минимальная длина свай при центральной нагрузке принимается не менее 3 м, при дополнительном же действии горизонтальной нагрузки и момента - не менее 4 м. Для одного здания желательно назначать сваи одного размера или, во избежание ошибок, заметно отличающиеся друг от друга по размеру.

При этом следует иметь в виду, что экономически почти всегда наиболее выгодным оказывается фундамент с мень­шим числом более длинных свай, чем фундамент с большим числом коротких.

Во всех случаях первоначальный выбор марки (типораз­мера) сваи является ориентировочным и вопрос об уточне­нии ее размеров решается в ходе дальнейших расчетов свай­ных фундаментов и их оснований по предельным состояниям первой и второй групп.