Конструирование свайных фундаментов

Разнообразие геологического строения оснований и свойств грунтов не позволяют разработать типовые конструкции свайных фундаментов в зависимости только лишь от расчетных нагрузок, передающихся надземным сооружением на фундаментную часть. Поэтому и для свайного основания выполняется индивидуальное проектирование и расчет фундамента.

Прежде всего назначается положение обреза фундамента и устанавливаются расчетные нагрузки, действующие в его уровне. Далее выбирается тип свайного фундамента и предварительно составляется его схема. Основными параметрами свайного фундамента являются: тип сваи, глубина погружения свай в грунт, число свай и их размещение, т.е. свайное поле. Затем можно назначить необходимые размеры плиты ростверка, объединяющей головы свай и выполнить чертеж предварительной конструкции свайного фундамента. Окончательные параметры свайного основания могут быть утверждены после выполнения необходимых расчетов по предельным состояниям.

Выбор типа свайного фундамента и типа сваи, назначение глубины погружения сваи в грунт (глубины заложения свайного фундамента) осуществляется проектировщиком на основе анализа инженерно-геологических условий, характера надземной конструкции и собственного опыта проектирования свайных фундаментов. Рекомендации по этому вопросу можно сформулировать только в виде иллюстративного примера. Итак, рекомендуется следующее:

- глубина погружения свай в грунт должна быть не менее 4 м;

- желательно, чтобы сваи своими нижними концами опирались на прочные грунты;

- желательно, чтобы несущая способность сваи по грунту приблизительно соответствовала несущей способности сваи по материалу.

Еще раз подчеркнем, что данные рекомендации даны для примера, для первого знакомства со свайными фундаментами и не являются обязательными условиями реального проектирования.

Итак, принимая к использованию сваю диаметром и глубиной погружения в грунт рассчитывается ее несущая способность по грунту на осевое вдавливание . Количество свай в фундаменте определяют предварительно по формуле

(4.12)
где Fvo — наибольшая суммарная вертикальная нагрузка на фундамент; G p— расчетная нагрузка от веса ростверка с учетом грунта на его уступах; Fd — расчетная несущая способность одной сваи на вдавливание по грунту, определяемая по формулам (4.1) или (4.5); k м— коэффициент, учитывающий действие горизонтальной и моментной нагрузок на фундамент, который назначают равным 1,1–1,5; gк— коэффициент надежности, принимаемый для фундаментов с низким ростверком равным 1,4, а для фундаментов с высоким ростверком в зависимости от ожидаемого числа свай в фундаменте потабл. 4.6.

Таблица 4.6

Если несущая способность свай по материалу на сжатие меньше Fd (например, у некоторых свай-стоек), то ориентируются на несущую способность свай по материалу. Нагрузку G pопределяют по предварительным размерам ростверка. В большинстве случаев найденное по (4.12) число свай бывает решающим.

В уровне подошвы прямоугольного ростверка сваи размещают рядами или в шахматном порядке (рис. 4.25, а, б), а расстояния между ними назначают возможно меньшими. Исходя из удобства установки и погружения свай расстояния между их осями принимают не менее 1,5 толщины сваи. Расстояния от краев ростверка до наружных граней ближнего ряда свай диаметром до 2 м должно быть 25 см, а при диаметре свай более 2 м — не менее 10 см.

Рис. 4.25 Размещение свай в плане

В уровне нижних концов расстояния между осями забивных висячих свай принимают не менее трех толщин свай, а для свай-стоек — не менее 1,5 их толщины. Между оболочками большого диаметра (dc ³ 1 м), погружаемыми с выемкой грунта, расстояния в свету должны быть не менее 1 м. Между буронабивными сваями с уширенной пятой расстояния в свету должны быть не менее 1 м, а в глинистых грунтах твердой и полутвердой консистенции — не менее 0,5 м.

При небольших горизонтальных нагрузках на фундамент (не более 10 % от значений вертикальной нагрузки) сваи обычно располагают вертикально. При действии на фундамент больших горизонтальных нагрузок часть свай следует располагать наклонно, что приводит к уменьшению в них изгибающих моментов и перемещений ростверка.

Наклонные сваи в фундаменте промежуточных опор мостов можно назначать как вдоль, так и поперек оси моста. В направлении действия наибольшей горизонтальной нагрузки ставят больше наклонных свай.

Использование наклонных свай позволяет сократить размеры ростверка, так как этим достигается более тесная расстановка свай в уровне его подошвы (до 1,5 dc между их осями), уменьшить число свай в фундаменте и снизить их армирование.

Наклон сваям придают (по условиям их погружения) в пределах 8:1...3:1. На практике чаще применяют наклон 5:1 или 4:1. Наклон буровых свай и свай оболочек диаметром 2 м не должен превышать 6:1, а при диаметре 3 м — 7:1.

При центральном загружении фундаментов вертикальной нагрузкой сваи размещают равномерно. При значительных эксцентриситетах приложения равнодействующей нагрузок и опирании свай на малосжимаемые грунты целесообразно их размещать неравномерно, сгущая в направлении к наиболее нагруженной грани ростверка (рис. 4.25, в). При опираниии свай на сжимаемые грунты неравномерная их расстановка (например, по условной эпюре напряжений, рис. 4.26, б) может привести к дополнительному крену фундаментов по причине неравномерных осадок, а потому в этих условиях используют равномерное размещение свай с развитием ростверка в направлении смещения равнодействующей внешних нагрузок от центральной оси. В случае внецентренного загружения фундамента только в одном направлении равномерную расстановку свай выполняют так, чтобы центр тяжести поперечного сечения поля свай был сдвинут в этом направлении на величину эксцентриситета приложения внешней нагрузки (рис. 4.26, а)

Выбор схемы размещения свай в фундаменте является ответственной задачей при проектировании. При одном и том же количестве свай, размещенных по разным схемам, усилия в них и перемещения ростверка могут отличаться в несколько раз.

Рис. 4.26 Влияние эксцентриситета

 

Нарис. 4.27показаны схемы расположения свай в вертикальной плоскости для фундаментов с высоким ростверком в порядке увеличения их жесткости по повороту. В фундаментах со сваями, для которых определяющей является несущая способность по грунту, рациональными могут быть схемы 1–3. Если же решающим фактором является прочность материала ствола сваи, то более рациональны схемы 4–7 и к ним следует прибегать, когда другие схемы не обеспечивают надежной поперечной жесткости.

Рис. 4.27 Схемы расположения свай в вертикальной плоскости