Вопрос 35.(37) Свайные фундаменты. Условия применения. Виды свай. Низкие и высокие ростверки. Несущая способность одиночной сваи по грунту. Определение требуемого количества свай

Условия и область применения

Свайные фундаменты в современном мостостроении стали одним из основных типов фундаментов. Условия их применения практически неограниченны в силу возможности использования свай различим конструкции и различных технологических приемов сооружения фундаментов на сваях. Достаточно указать, что современное технологическое оборудование позволяет возводить фундаменты со сваями до 60-70 м в самых сложных условиях.

Широкое применение свайных фундаментов объясняется прежде всего возможностью использования индустриальных методов строительства и механизации работ, а также наиболее полным использованием прочностных свойств материалов и относительно малой ма­териалоемкостью конструкций.

Несущая способность одиночной сваи изменяется в зависимости от ее размеров и грунтовых условий в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч килоньютонов. Применение свай уменьшает земляные работы, исключает необходимость глубоких котлованов, а также позволяет вести работы зимой. К числу положительных особенностей свайных фундаментов относится также возможность применения различных материалов для их изготовления и разных способов их возведения.

Виды свай и их классификация

Основным конструктивным элементом свайного фундамента являются сваи. Сваей: называется стержень, погруженный в грунт для передачи нагрузок от сооружения.

Различают следующие виды свай. По способу заглубления в грунт:

забивные (железобетонные, стальные, деревянные), погружаемые в грунт (без его выемки) с помощью молотов, вибропогружателей и вдавливающих устройств;

сваи-оболочки (железобетонные), заглубляемые вибропогружателями с выемкой грунта и заполняемые бетонной смесью;

набивные (бетонные и железобетонные), устраиваемые путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате принудительного обжатия грунта;

буровые (железобетонные), устраиваемые путем заполнения пробуренных скважин бетонной смесью или установки в них готовых железобетонных элементов;

винтовые, погружаемые в грунт завинчиванием специальным роторным механизмом - кабестаном;

По условиям взаимодействия с грунтом:

сваи-стойки, к которым относятся сваи всех видов, опирающиеся на скальные грунты, а забивные сваи, кроме того, на малосжимаемые грунты (крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем и твердые глины с модулем деформации Е≥50000 кПа);

висячие сваи, к которым относятся сваи всех видов, стирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку на основание боковой поверхностью и нижним концом.

Забивные железобетонные сваи размером поперечного сечения до 0,8 м включительно и сваи-оболочки диаметром 1 м и более можно классифицировать по следующим признакам;

по способу армирования - с ненапрягаемой продольной арматурой "с поперечным армированием и предварительно напряженные со стержневой или проволочной продольной арматурой с поперечным армированием и без него;

по форме поперечного сечения - квадратные, прямоугольные, таврового и двутаврового сечений, квадратные с круглой полостью и полые круглого сечения;

по форме продольного сечения - призматические, цилиндрические и с наклонными боковыми гранями (пирамидальные, трапециедальные; ромбовидные);

по конструктивным особенностям - цельные и составные (из отдельных секций);

по конструкции нижнего конца - с заостренным или плоским нижним концом, с плоским или объемным уширением (булавовидные) и полые с закрытым или открытым нижним концом или с камуфлетной пятой. Забивные сваи с камуфлетной пятой устраивают путем забивки полых свай круглого сечения, имеющих на конце стальной наконечник с последующим заполнением полости свай и наконечника бетонной смесью и устройством с помощью взрыва камуфлетного уширения в пределах наконечника.

Набивные сваи по способу устройства подразделяются следующим образом: устраиваемые путем погружения инвентарных труб, нижний конец которых закрыт башмаком, оставляемым в грунте, с последующим извлечением труб по мере заполнения скважин бетонной смесью;

виброштампованные, устраиваемые в пробитых скважинах путем их заполнения жесткой бетонной смесью, уплотняемой виброштампом в виде трубы с закрепленным на ней вибропогружателем;

выштампованные, устраиваемые путем выштамповки в грунте скважин пирамидальной или конической формы с последующим заполнением их бетонной смесью. Буровые сваи по способу устройства подразделяются следующим образом:

буронабивные сплошного сечения, бетонируемые в пробуренных скважинах без крепления или с закреплением стенок глинистым раствором или извлекаемыми обсадными трубами;

буронабивные полые круглого сечения, устраиваемые с применением многосекционного вибросердечника;

буронабивные с уплотненным забоем, устраиваемые путем втрамбовывания в забой скважины щебня;

буронабивные с камуфлетной пятой, устраиваемые путем бурения скважин с по­следующим образованием уши рения взрывом и заполнения скважин бетонной смесью;

буроопускные сваи с камуфлетной пятой, отличающиеся от буронабивных свай с камуфлетной пятой тем, что после образования камуфлетного уширения в скважину опускают железобетонную сваю;

сваи-столбы, устраиваемое путем бурения скважин, укладки в них омоноличивающего цементно-песчаного раствора и опускания в скважины цилиндрических или призматических элементов сплошного сечения со сторонами или диаметром 0,8 м и более.

Винтовые сваи состоят из ствола, имеющего на нижнем конце башмак с металлическимилопостями. Ствол может быть железобетонным, но чаще его собирают из металлических труб, заполняемых бетонной смесью после погружения свай

Конструкции свайных фундаментов

Свайный фундамент состоит из свай и ростверка, объединяющего верхние концы свай и предназначенного для передачи и распреде­ления нагрузки от вышерасположенного сооружения. Конструкции некоторых типов свай показаны на рис.5.18.

Различают свайные фундаменты с низким и высоким ростверком. Если ростверк заглублен в грунт, то его называют низким ростверком (рис.5.19,а). Если же ростверк расположен над поверхно­стью земли, то такую конструкцию называют высоким ростверком' (рис.5.19,6). Плиту низкого ростверка обычно делают из монолитного бетона.

Ростверк представляет собой железобетонную плиту, армированную стержневой арматурой диаметром не менее 14 мм. Необходимая рабочая площадь арматуры определяется расчетом. Стержни устанавливают между сваями и по периметру плиты. Сваи заделывают в тело плиты не менее чем на два диаметра. Если диаметр свай превышает 0,6 м, то можно уменьшить глубину заделки до 1,2 м. Над головами свай устанавливают сетки из арматуры диаметром 10-14 мм (рис.5.20,а).

Глубина заделки сваи в плиту может быть уменьшена до 15-20 см, если ее осуществить с помощью арматуры. Для этого в железобетонных сваях сплошного сечения арматуру оголяют, разбивая бетон головы сваи. Арматурные стержни заводят в плиту на глубину не менее 20 диаметров стержней периодического профиля или 40 диаметров гладких стержней (рис. 5.20,6). При железобетонных полых сваях, сталебетонных сваях, а также оболочках и буровых сваях для объединения с плитой ставят арматурные каркасы, заводя их в тело свай и плиты ростверка.

Подошву низкого ростверка располагает ниже уровня промерзания грунта не менее чем на 0,25 м, а в русле реки ниже уровня расчетного размыва грунта на 1,5 м.

В плане сваи размещают в рядовом или шахматном порядке. В зависимости от направления действия внешних сил размещение свай может быть симметричным или несимметричным относительно осей подошвы плиты. По высоте сваи располагают вертикально или наклонно.

При отсутствии горизонтальных нагрузок или незначительной их величине (менее 1/15 -1/20 от вертикальной нагрузки) сваи располагают вертикально и равномерно по подошве фундамента.

Если на фундамент действуют значительные односторонние горизонтальные нагрузки (береговые устои, подпорные стенки, опоры арочных мостов и пр.), то все сваи или часть свай располагают наклонно, так, чтобы равнодействующая внешних сил совпадала с осью инерции свайного куста.

Несущая способность одиночной сваи

При увеличении нагрузки на сваю сопротивление трению грунта по телу сваи достигает предельного значения и как результат происходит срыв сваи относительно грунта. Величину нагрузки, соответствующую этому моменту, принято считать пределом несущей способности одиночной сваи по грунту.

Предел несущей способности одиночной сваи по работе в грунте можно рассчитать или определить экспериментально.

Несущая способность одиночной сваи складывается из сил трения по боковой поверхности сваи и сопротивления грунта сжатию под се концом.

При расчетах несущую способность висячей забивной сваи и сваи-оболочки, погружаемой без выемки грунта, определяют по следующей формуле:

Для определения несущей способности сваи-стойки в указанной формуле следует исключить второе, слагаемое, так как в работе такой сваи не участвуют силы трения. Несущую способность сваи контролируют в процессе забивки путем определения ее осадки от одного удара молотом. Работу, затраченную при погружении сваи от одного удара молота, а при применении вибропогружателей - от их работы в течение 1 мин., называют динамическим эквивалентом несущей способности сваи по грунту. На основании зависимости между энергией удара молота и работой, затрачиваемой на преодоление сопротивлений погружению сваи, Н.М.Герсевановым получена формула для определения предельной нагрузки на сваю.

Предел несущей способности одиночной сваи по грунту можно определить путем статических испытаний, позволяющих установить закономерность изменения осадок под нагрузкой. Экспериментальные кривые s = f (Р) дают возможность установить не только предел несущей способности сваи по грунту, что на графиках характеризуется резким увеличением интенсивности осадок, но и предельную^- нагрузку, соответствующую допустимой осадке одиночной сваи.

Помимо проверки несущей способности одиночной сваи по грунту необходимо проверить прочность сваи по материалу.

В общем случае сваи работают как внецентренно сжатые стержни и их рассчитывают по формулам прочности и устойчивости железобетонных колонн, с учетом продольного прогиба.

Предварительное назначение количества свай

Приближенно общее число свай в фундаменте с вертикальными сваями может быть вычислено по формуле