Определение несущей способности

Висячей забивной сваи

В общем случае несущая способность сваи определяется исходя из двух условий: сопротивления грунта основания свай в соответствии с требованиями СНиП 2.02.03-85; сопротивления материала свай в соответствии с требования­ми СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций. Так как в общей стоимости свайных фундамен­тов стоимость свай составляет до 70%, рациональность кон­струкции свайных фундаментов определяется максимальным использованием прочности материала свай и грунтов основа­ния при минимальной площади сечения и длине свай. В курсовом проекте расчет несущей способности свай по материалу не производится, так как для большинства стандартных висячих свай сопротивление их материала обыч­но в десятки раз больше сопротивления грунта основания.

Наиболее распространенным методом определения несу­щей способности висячей забивной сваи по грунту, которым пользуются на стадии технического проекта, является прак­тический метод расчета по таблицам расчетных сопротивле­ний грунтов. Несущая способность F_d висячей забивной сваи, работающей на сжимающую нагрузку, следует опре­делять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижнем концом сваи и на ее боковой поверхности

, (4.1)

где γ_с - коэффициент условия работы сваи в грунте, принимаемый γ_с = 1,0; R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, оп­ределяемое по табл. 2; А - площадь опирания на грунт сваи, принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто; U - наружный периметр поперечного сечения сваи; f_i - расчетное сопро­тивление 1-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, опре­деляемое по прил. 7; h_i - толщина i -го слоя грунта, сопри­касающегося с боковой поверхностью сваи; γ _cR, γ _сf - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности свай, учитывающие влияние способа погружения сваи на рас­четные сопротивления грунта и принимаемые независимо друг от друга (для свай, погружаемых механическими, паровоздушными и дизельными молотами γ _cR = γ _сf = 1,0).

Для вычисления несущей способности сваи по вышеука­занной формуле необходимо вычертить на миллиметровой бумаге в масштабе 1:100 или 1:200 инженерно-геологиче­скую колонку по расчетному сечению с указанием характе­ристик физико-механических свойств грунтов и толщины слоев, прорезаемых сваей. На колонке определяются положе­ния свайного ростверка, нижнего конца сваи и расчетная дли­на l_р. За расчетную длину висячей сваи l_р принимается длина сваи от подошвы ростверка до начала ее заострения. При на­личии под подошвой ростверка слабых (ненормируемых) грунтов l_р уменьшается еще и на толщину слабых грунтов между подошвой ростверка и кровлей первого прочного слоя грунта. Нанесение контура сваи на геологическую колонку позволяет определить количество слоев основания и их тол­щин в пределах расчетной длины сваи. Значения расчетных сопротивлений грунта R и f_i определяют в зависимости от глубины расположения того или иного рассматриваемого слоя и характеристик физических свойств грунтов в этом слое, а именно: показателя текучести I_L пылевато-глинистых грунтов, гранулометрического состава и плотности сло­жения песчаных грунтов. Вычисления удобно представить в виде схемы, пример составления которой приведен на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема к расчету несущей способности сваи

 

Для плотных, песчаных грунтов значения R по прил. 6 следует увеличивать на 60%, но не более чем 20000 кПа. Для су­песей при числе пластичности I_p ≤4 и коэффициенте пори­стости е < 0,8 расчетные сопротивления R и f_i следует опре­делять как для пылеватых песков средней плотности. Зна­чения расчетного сопротивления плотных песчаных грунтов по боковой поверхности свай следует увеличивать на 30%, а супесей и суглинков с коэффициентом пористости е < 0,5 и глин с коэффициентом пористости е < 0,6 при любых значениях показателя текучести I_L следует увеличить на 15% по сравнению со значениями, приведенными в прил. 6.

Для промежуточных значений средней глу­бины расположения слоя грунта и промежуточных значений показателя текучести I_L пылевато-глинистых грунтов значе­ния f так же, как и значения R при промежуточных значе­ниях глубины погружения нижнего конца сваи и показателя консистенции I_L, опреде­ляются по таблицам линейной интерполяцией. Если показатель текучести I_L < 0,2 при определении f_i, то значение f_i следует принимать для значений I_L = 0,2.

По формуле производят расчет несущей способно­сти одиночной висячей забивной сваи F_d. Расчет несущей способности сваи приведен на рис. 4.1. Допускаемая на сваю расчетная вертикальная нагрузка по грунту опреде­ляется по формуле

, (4.2)

где F_d - несущая способность сваи, определяемая и зависимости от типа сваи, ее размеров и характеристик грунтов основания; γ_к - коэффициент надежности, принимаемый в соответствии с указаниями п.3.10 СНиП 2.02.03-85 (2) (в курсовом проекте коэффициент надежности γ_к принимает­ся равным 1,4, поскольку несущая способность сваи определена рас­четом).

Предварительное проектирование ростверка

 

При определении числа свай в свайном фундаменте сле­дует различать два варианта устройства свайных роствер­ков: вариант 1 (отдельно стоящие фундаменты) - свайный куст под колонны здания с рас­положением свай в плане на участке квадратной, прямоуголь­ной и других форм (в этом случае обычно применяют свай­ный ростверк из трех и более свай; вариант 2 (ленточные фундаменты) - ленточный ростверк под сте­ны здания при передаче на фундамент распределенных по длине нагрузок с расположением свай в один, два и более рядов в линейном или шахматном порядке.

Вариант 1. Нагрузка сосредоточена в точке (колонна). Предварительно необходимое число свай в фундаменте под колонну (в кусте) рассчитывается по формуле, исходя из допущения, что ростверк передает равномерную нагрузку на свайный куст. Расчет ведется по первой группе предельных состояний.

, (4.3)

где 1,2 – коэффициент, учитывающий наличие момента; γ _q -коэффициент надежности, равный 1,25 при определении несущей способности экспериментально и 1,4 – при определении другими методами; N _I – расчетная нагрузка на обрезе фундамента, собранная по первому предельному состоянию (кН); d – глубина заложения подошвы ростверка; а - шаг свай в ростверке.

Схема размещения свай в ростверке приведена на рис. 4.2.

 

а б в

г д

е ж

з

 

Рис. 4.2. Размещение свай в кусте отдельно стоящих фундаментов

 

 

Полученное по формуле количество свай округля­ется до целого числа в большую сторону. Округление возмож­но и в сторону уменьшения, если уменьшенное количество не менее 95% расчетного числа свай. Если найденное коли­чество свай по каким-либо соображениям неприемлемо, его можно изменить, принимая другие размеры свай. Несущая способность свай в этом случае соответственно уменьшается или увеличивается.

После определения числа свай необходимо разместить их по площади подошвы ростверка (рис. 4.2). При центральной нагрузке форму ростверка отдельных свайных фундаментов в плане рекомендуется принимать квадратной, если этому не препят­ствуют фундаменты соседних зданий, подземные сооружения, фундаменты под оборудование и т. п. Обычно сваи разме­щают либо по прямоугольной сетке продольными и попереч­ными рядами параллельно сторонам его подошвы (так называемый линейный или рядовой порядок), либо под углом к ним (шахматный порядок). Ряды свай располагают на рав­ных расстояниях. Оси одиночных свайных рядов должны со­впадать с линиями действия нагрузок. Оси свайных рядов и кустов привязываются к осям здания. Каждая свая в проекте должна иметь свой порядковый номер. При их размещении в плане по площади ростверка необходимо стремиться к со­кращению его размеров до конструктивного минимума. Этого можно достичь правильным выбором порядка размещения свай и установлением минимальных расстояний между ося­ми смежных свай. Минимальное расстояние между осями висячих параллельно погруженных забивных свай без уширений в их нижнем конце должно быть не менее 3 d. Это условие диктуется прежде всего тем, что при меньших рас­стояниях между сваями их несущая способность снижается, при меньшем расстоянии очередную сваю невозможно погру­зить до проектной отметки, поскольку она попадает в грунт, уплотненный предыдущей рядом забитой сваей. Расстояние между сваями-стойками не регламентируется и зависит от нагрузок и возможности их забивки до прочного грунта. Мак­симальное расстояние между забитыми сваями в осях, как правило, не должно превышать 6 d. При большем расстоянии требуется излишне интенсивное армирование плиты рост­верка и увеличение ее размеров.

Если требуемое число свай не размещается в пределах предварительно принятой площади подошвы ростверка А _р, размеры подошвы должны быть увеличены.

Размеры ростверка должны быть рассчитаны по формулам:

а) для ростверков, в которых расстояние между сваями равно (3¸6) d (схемы а, г, е на рис. 4.2)

l _p = b _p = 3 d (g_p – 1) + d + 2 c_o, (4.4)

где l _p и b _p – ширина и длина ростверка; c_o – расстояние от края сваи для края ростверка, принимаемое равным 0,1 м;

б) для ростверков с шахматным расположением свай

+ d + 2 c_o, (4.5)

где m _p – количество рядов свай по ширине или длине ростверка.

Размеры ростверков рекомендуется принимать кратными 300 мм, а подколонника - кратными 150 мм.

Вариант 2 (ленточный фундамент). Нагрузка рассредоточена по линии. В этом случае нагрузка на фундамент собирается на 1 м стены здания по первому предельному состоянию. Количество свай также принимается на 1 пог. м стены по формуле

n = N _I × g _k / F_d, (4.6)

где N _I – расчетная нагрузка от веса здания;g _k – коэффициент надежности, равный 1,4.

В зависимости от числа свай на 1 пог. м фундамента определяют число рядов по ширине ростверка. Примеры размещения свай в ростверке приведены на рис. 4.3.

Расстояние между рядами

(4.7)

Ширина ростверка

b _p = а + d + 2 c_o. (4.8)

При однорядном расположении свай в ростверке возможен случай, когда расстояние 1000 мм не удовлетворяет требуемому удалению свай друг от друга. Например, при диаметре свай 350 и 400 мм. В этом случае следует применять шахматное расположение свай, то есть использовать двухрядное расположение свай (рис. 4.3 б). Тогда расстояние между рядами должно быть не менее

. (4.9)

а

б

в

г

д

Рис. 4.3. Схемы расположения свай в ленточном ростверке:

а – однорядное; б, в, г - двухрядное; д - трехрядное

Если количество свай на 1 пог. м два и более, то расположение свай в ростверке может быть осуществлено схемами, приведенными на рис. 4.3 в, г, д.

Обычно не рекомендуется иметь на 1 пог. м ростверка более 3 свай, так как в этом случае ширина ростверка достигает больших размеров. Например, при свае диаметром 300 мм ширина ростверка должна быть не менее 2 м. В этом случае увеличивая длину сваи, добиваются повышения несущей способности сваи, что уменьшит количество свай в ростверке.