Проектирование свайного фундамента

 

Проектирование свайного фундамента ведут в следующей последовательности:

назначают вид свай, их параметры, глубину заложения ростверка;

определяют несущую способность свай;

находят их число в фундаменте;

выполняют эскиз фундамента в зависимости от конструктив­ных особенностей здания;

собирают нагрузки с учетом веса ростверка, выявляют их наиболее не­благоприятные комбинации;

рассчитывают фундамент и его элементы (сваи и рост­верк) по прочности;

выполняют проверочный расчет по деформациям;

окончательно конструируют фундамент, оформляют рабочие чер­тежи, вычисляют объемы работ, их трудоемкость и стоимость;

формулируют требования к производству работ и технологии погружения и из­готовления свай (и их качеству).

 

3.1. НАЗНАЧЕНИЕ ВИДА СВАИ И ЕЕ ПАРАМЕТРОВ

 

Из многочисленных видов свай практика отобрала наиболее простые, техно­логичные и экономичные. Такими, например, являются сборные железобетонные сваи, погружаемые в грунт, как правило, за­бивкой, реже вибропогружением или вдавливанием.

Самое широкое распространение в регионе имеют сваи марки С с ненапрягаемой арма­турой сечением 300х300 мм и длиной 3-12 м (табл. 16). Сваи сечением 350х350 мм и 400х400 мм применяются на отдельных объектах при больших нагрузках, чтобы уменьшить число свай в фун­даментах, а также при необходимости использования длинных свай.

Составные сваи изготавливают из двух элементов: нижнего (с острием) и верхнего (без острия). Используют их обычно при забивке на глубину более 12 м. Предусматривается применение трех видов стыков: болто­вого, сварного и стаканного.

Сваи обозначаются индексами, состоящими из буквенно-цифровых групп, разделенных дефисами. В первой части указывают тип сваи, ее длину в дециметрах и размер стороны (диаметр) в сантиметрах. Во второй части для преднапряженных свай указывают класс на­прягаемой арматурной стали, а для свай с ненапрягаемой арматурой – вариант армирования по рабочим чертежам. В третьей части зашифровывают дополнительные характеристики. Например: С80.30-2.У – свая сплошная с ненапрягаемой арматурой длиной 8 м, сечением 300х300 мм, тип армирования – 2, ударостойкая.

 

Забивные железобетонные сваи с поперечным армированием ствола нена­прягаемой и напрягаемой продольной арматурой применяют в любых сжимаемых грунтах, кроме насыпных с твердыми включениями, препятствующими погружению свай, или прослоями и линзами мерзлого грунта. Не допускается опирание нижних концов свай на сильносжимаемые грунты типа ила, торфа и пылевато-глинистые грунты с текучепластичной и текучей консистенцией. Необходимо предусмотреть их про­резку сваей.

Длина сваи зависит от инженерно-геологических условий и глубины заложения подошвы ростверка. Желательно применение в проектах свай-стоек, опертых на малосжимаемые грунты (скальные, крупнообломочные с песчаным заполнением), при этом несущая способность сваи на вдавливание максимальна и определяется сопротивлением материала сваи. В остальных случаях проектируются висячие сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку острием и боковой поверхностью. Минимальное заглубление нижнего конца сваи в малосжимаемые грунты, а также в пески крупные, средней крупности и пылевато-глинистые грунты с показателем текучести JL<0,1 составляет не менее 0,5 м, а в прочие виды нескальных грунтов - не менее 1,0 м. При проектировании на просадочных грунтах предусматривают, как правило, заглубление нижних концов свай в непросадочные грунты.

Глубина заложения подошвы ростверка зависит от конст­руктивного решения подземной части здания и высоты ростверка. На стадии эскизного проектирования для бесподвальных зданий реко­мендуется глубина заложения ростверка, равная отметке дна стакана и увеличенная на толщину плиты: 250 мм. При строительстве на пучинистых грун­тах предусматривают меры, предотвращающие воздействие нормальных усилий пучения на подошву ростверка. Это достигается устройством под ним воз­душного зазора высотой не менее 150 мм, огражденного досками (горбылями) или асбестоцементными листами.

Длину сваи устанавливают следующим образом. Отметку головы сваи для определения ее длины принимают на 0,3-0,5м выше отметки подошвы ростверка с последующей срубкой (при свободном опирании ростверка на сваи) или разбивкой (при жестком сопряжении ростверка и сваи). При погружении сваи в глинистые грунты возможно применение безотходной технологии, т. е. без срубки головы. Предварительную отметку острия сваи принимают, исходя из вышеуказанных требований (прорезка слабого слоя, минимальная длина заглубления в более прочный грунт и т.д.). Таким образом, длину сваи приравнивают к ближайшему размеру сортамента. После определения типовой сваи корректируют отметку ее острия. Сечение сваи принимают, как правило, 300х300 мм (по каталогу); при нагрузке менее 300 кН рекомендуются сваи сечением 250 х 250 мм, при усилиях свыше 800 - 1000 кН и больших

 

 

горизонтальных нагрузках (свыше 30 кН) возможно применение свай сечением 350х350 мм и 400х400 мм.

Оптимальные параметры свай следует обосновать в ходе анализа двух-трех вариантов (по длине, сечению) и проверить их эффективность по рас­ходу материалов и стоимости.

 

3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗАБИВНОЙ СВАИ

 

Несущую способность забивной сваи по грунту основания (кН) определяют по формуле

F_d = g_c (g_сRRA + u , (7)

где γ_с=1 - коэффициент условий работы сваи в грунте;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа (табл.17);

A - площадь поперечного сечения нижнего конца сваи, м²;

u - периметр сваи, м;

f _i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа (табл. 18);

h_i - толщина i-го слоя грунта у боковой поверхности сваи, м;

γ_сR, γ_{с f} - коэффициенты условий работы соответственно под нижним концом и на боковой поверхности, учитывающие способ погружения и принимаемые при по­гружении свай марок С, СН, СЦ, СП, а также составных свай забивкой без лидерных скважин и подмыва (γ_cR=1, g_{c f} =1).

Несущая способность свай-стоек, опертых остриями на малосжимаемый грунт (скальный, плотные глины, крупнообломочный грунт с песчаным заполнителем, имеющие Е>50 МПа и не снижающие прочности при обвод-нении), определяется первым слагаемым формулы (7).

При определении несущей способности сваи-стойки сопротивление на боковой поверхности не учитывается (f =0), сопротивление грунта под острием равно 20000 кПа (для всех грунтов, перечисленных выше), значение коэффициентов условий работы сваи-стойки равно 1.

Расчет несущей способности висячей сваи ведут по формуле (7), используя форму, представленную в табл. 19.

Полученный показатель уточняется на базе результатов статических и динамических испытаний, а также данных статического зондирования. Для определения числа свай в фундаменте необходимо назначить допускаемую нагрузку на одну сваю. Ориентировочные ее значения равны F_d/γ_К, где γ_К - коэффициент надежности (1,4).

При назначении нагрузки, допускаемой на сваю, учитываются ограничения. Для забивных свай сечением 30х30 см, опирающихся на крупнообломочные грунты, она составляет не более 800 кН; для свай, заглубленных в крупные или гравелистые пески, - 600 кН (в пески пылеватые, мелкие, средней

 

круп­ности и глинистые грунты – 400-600 кН); для составных свай со сварным стыком – 600 кН. Эти значения устанавливаются по опыту проектирования и исходя из обеспечения надежности фундамента; при этом принимают во внимание возможность повреждения свай при забивке, допуски и отклонения их от проектного положения.

 

3.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА СВАЙ В ФУНДАМЕНТЕ

И ЭСКИЗНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ РОСТВЕРКА

 

Число свай в фундаменте устанавливается исходя из условия максимального ис­пользования их несущей способности:

n = , (8)

где N_OI – максимальная сумма расчетных вертикальных нагрузок (Nmax+Nст), действующих на обрезе ростверка, кН; Ā - площадь ростверка, приходящаяся на одну сваю (0,9 м²); g_mt-средний удельный вес ростверка и грунта на его обрезах (20 кН/м³); d_p – глубина заложения ростверка, м.

Полученное по формуле (8) значение n округляется до целого числа в сторону большего.

Размещение свай в кустах ведется с учетом следующих требований:

центр тяжести должен совпадать (или находиться возможно ближе) с точкой приложения равнодействующей постоянных нагрузок;

расстояние между осями забивных свай не менее 3d (d - диаметр круглого или сторона квадратного поперечного сечения сваи); расстояние в свету между стволами буровых, набивных свай и свай-оболочек не менее 1 м, между их уширениями в твердых и полутвердых пылевато-глинистых грунтах - 0,5 м, а в других грунтах - 1 м.

Конструирование начинают с размещения свай и определения размеров ростверка в плане. Рекомендуемые схемы размещения свай даны на рис. 2.

Минимальное расстояние между сваями в ряду (3d) может быть уменьшено до 1,5d для свай-стоек, если при этом не осложняется по­гружение свай забивкой из-за уплотнения грунта между сваями. Свесы ростверков со свай составляют не менее 150 мм. Размеры монолитного ростверка в плане должны быть кратны 300 мм, а по высоте -150 мм.

Фундамент из двух свай допускается только для бескрановых зданий: сваи располагают в плоскости рамы (при величине эксцентриситета в перпендику­лярном направлении меньше 50 мм).

 

 

 

Ориентировочно вес ростверка, кН, определяется по формуле

Gp=bp l pdpγmt

,

где b_P и l _P - размеры ростверка в плане, м;

d_P - высота ростверка, м;

γ_mt - среднее значение его удельного веса и грунта (при плитном ростверке равно 24 кН/м³, при ступенчатом - 22 кН/м³).

Приведение нагрузки к подошве ростверка осуществляется согласно п. 2.3.

 

3.4. РАСЧЕТ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА ПО НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТА ОСНОВАНИЯ

 

Расчет свайного фундамента выполняют по 1-ой группе предельных состоя­ний. При этом должно удовлетворяться условие

NC≤Fd/γk

,

(9)

где N_C - наибольшая расчетная нагрузка, передаваемая на сваю, кН;

F_d - несущая способность сваи, кН;

γ_K - коэффициент надежности; при определении несущей способности расчетом или по динамическим испытаниям он равен 1,4, по результатам полевых испытаний - 1,2, по результатам статического зондирования - 1,25.

Расчетная нагрузка на сваю при действии моментов в одной плоскости определяется по формуле

N_ci = ,

где N' и M' - соответственно расчетные усилия в неблагоприятных сочетаниях и комбинациях, при которых расчетное усилие в свае наибольшее; при определении вертикального усилия к расчетной нагрузке добавляют вес свай с коэффициентом надежности 1,1;

n - число свай в фундаменте;

x - расстояние в плоскости действия момента от главной оси куста до сваи, усилие в которой определяется;

x_i - расстояние от главной оси до каждой из свай.

Составляется таблица усилий, действующих в каждой свае от 2-х комбинаций расчетных нагрузок, проверяется условие (9). При этом для крайних свай в кусте возможно превышение F_d/γ_k на 20%.

Если расчетное усилие в свае отрицательно (свая работает на выдергивание), определяют ее несущую способность на выдергивание F_du (кН) по формуле F_du = g_сuSg_{c f} f _ih_i,

где u, γ_{c f} , f _i, h_i - то же, что в формуле (7);

γ_С - коэффициент условий работы; для свай, погружаемых в грунт на глубину ме­нее 4 м, γ_С=0,6, в остальных случаях γ_С=0,8.