3.5. Основания и фундаменты.

3.5.1.Свайные фундаменты. Типы свай и область их применения.

Сваи-длинные стержни, погруж в грунт в готовом виде или изг-ые в грунте, служат для передачи давл от соор на грунт основания

Свайные фундаменты подразделяются на два типа: безростверковые (из одиночных свай) и с ростверками ( конструкции из свайных групп). Виды свай (п2.1 СНип свайн ф-ы): По способу заглубления в грунт 1) забивные (ж/б, стальные, дерев. сваи – оболочки) 2) набивные бетонные и ж/б 3) буровые ж/б 4) винтовые

По условию взаимодействия с грунтом 1) сваи – стойки (опираются на скальные грунты) 2) висячие сваи (опираются на сжимаемые грунты, передают нагрузку боковой поверхностью через силы трения)

по виду армирования: с напрягаемой и ненапрягаемой продольной арматурой, с поперечным армированием и без него.

П о характеру расположения свай в фундаменте: одиночные, ленточные, кусты свай (не менн 3шт.), сплошное свайное поле.

Чтобы все сваи работали одновременно их объед плитой или балкой-ростверком, к-й обеспеч распред нагр-ки на сваи и равномерность осадки. Типы ростверков: а) низкий б)повышенный в)высокий + Смотри в ТСП вопрос2.2.5

3.5.2.Свайные фундаменты. Опр-е несущей способности и длины сваи.

Сваи-длинные стержни, погруж в грунт в готовом виде или изг-ые в грунте, служат для передачи давл от соор на грунт основания

Свайные фундаменты подразделяются на два типа: безростверковые (из одиночных свай) и с ростверками ( конструкции из свайных групп). Виды свай (п2.1 СНип свайн ф-ы): По способу заглубления в грунт 1) забивные (ж/б, стальные, дерев. сваи – оболочки) 2) набивные бетонные и ж/б 3) буровые ж/б 4) винтовые

По условию взаимодействия с грунтом 1) сваи – стойки (опираются на скальные грунты) 2) висячие сваи (опираются на сжимаемые грунты, передают нагрузку боковой поверхностью через силы трения)

по виду армирования: с напрягаемой и ненапрягаемой продольной арматурой, с поперечным армированием и без него.

П о характеру расположения свай в фундаменте: одиночные, ленточные, кусты свай (не менн 3шт.), сплошное свайное поле.

Чтобы все сваи работали одновременно их объед плитой или балкой-ростверком, к-й обеспеч распред нагр-ки на сваи и равномерность осадки. Типы ростверков: а) низкий б)повышенный в)высокий

Выбор длины свай должен производиться в зависимости от грунтовых условий строительной площадки, уровня расположения подошвы ростверка с учетом возможностей имеющегося оборудования для устройства свайных фундаментов. Минимальная длина сваи 1_св должна быть достаточной для того, что­бы прорезать слабые грунты основания и заглубиться на минимальную ве­личину ∆h ( > 0,5 м в зависимости от вида грунта) в несущий слой. Полную длину сваи lсв устанавливают с учётом её заделки в ростверк на 5…10 см (шарнирное сопряжение).Окончательная длина сваи уточняется расчетами несущей способности по грунту, а длинных забивных свай, свай-оболочек и свай, формируемых в грунте, - и по материалу.

Способы определения несущей способности сваи (раздел 5 СНиП св фунд)

Несущая способность сваи-наиб сила предельного сопр грунта основания.(нагр к-ю может выдержать грунт без разрушения).

Метобы определения:1Расчетный 2Испытания:а)Метод статических пробных нагрузок Б)стат зондирования в)динамический.

Расчетный/практический метод. Несущую способность сваи – стойки следует определять по формуле 5 СНиП св фунд: Fd = γc R A , Где γc – коэф. условий работы сваи в. А – площадь опирания на грунт сваи R – расчетное сопротивление грунта.

Несущая способность висячей сваи (ф.8): Fd = γc (R A γcR + u Σ γcf fi hi ), u – наружный периметр fi – расчетное сопротивление i – го слоя грунта h_i - толщина i – го слоя грунта γ_cR , γ_cf f – коэф условий работы грунта. При вычислении составляющих сил трения по боковой поверхности свай fij каждый слой грунта по высоте разбивают на участки не более 2-х м.

Метод испытания свай статической нагрузкой. испытвают аналог сваи. На некотором расстоянии от сваи (вне зоны напряженного состояния грунта, возникающего при забивке сваи) забивают или ввинчивают инвентарные анкерные сваи 3, на которых закрепляют упорную балку 2. Между балкой и головой испытываемой сваи помещают домкрат 1 и после отдыха передают на сваю нагрузку, обычно по ступеням ожидаемой несущей способности. По результатам эксперимента строят графическую зависимость Fu (s). Получают частные значения предельного сопротивления Fu, находят нормативные значения сопротивления свай Fu,n => несущая способность свай: Fd = γс ∙ Fu,n / γg.

Продолжение 3.5.2

М етод статического зондирования. В грунт с постоянной скоростью 0,5м/мин погр зонд, позволяющий раздельно рагистрировать силы трения по бок пов-ти и сопр гр вдавливанию под наконечником. Сопротивление грунта прониканию зонда не идиентично сопротивлению грунта загружаемой свае, т.к. при внедрении зонда вокруг сваи нарушается структура грунта. qs=Ff/А, fs=Fg/(Ushs) (Ush-площадь боковой поверхности зонда; А-площадь попер сечения зонда). Частное значение предельного сопротивления сваи в месте зондирования (п5.11): Fu = Rs ∙ A + f ∙ h ∙ u, где А – площадь поперечного сечения сваи у нижнего конца, h – длина сваи в грунте, u – периметр поперечного сечения сваи, f =β2 ∙ fs – среднее удельное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи.Удельное сопротивление грунта под нижним концом сваи: Rs = β1 ∙ qs, где β1 – переходный коэффициент от сопротивления грунта под зондом при его погружении к сопротивлению грунта под забивной сваей после «отдыха»; qs – среднее значение сопротивления грунта под наконечником зонда. Несущая способность сваи, работающей на сжимающую нагрузку при относительно однородных инженерно-геологических условиях по частным значениям предельного сопротивления сваи, установленным для всех мест зондирования: Fd = γс / (n ∙ γg) Σ Fu,i , где γс – коэффициент условий работы = 1, n – число точек зондирования, в которых найдены частные значения предельного сопротивления сваи Fu,i ; γg – коэффициент безопасности по грунту.

Д инамические испытания. Чем глубже погружается свая, тем большее сопротивление оказ-ет грунт. Значит после каждого удара отказ все меньше. Работа, совершаемая при ударе свайного молота о голову

сваи, GH (где G – масса ударной части молота; H – высота падения) расходуется на погружение сваи, на упругие деформации системы молот – свая – грунт, частично на превращение механической энергии в тепловую и на разрушение головы сваи. Это в общем виде:

GH = Fu ∙ Sa + G ∙ h +G ∙ H ∙ α, где Fu – предельное сопротивление сваи погружению в грунт, Sa – отказ сваи

после «отдыха» , h – высота отскока свайного молота после

удара, зависящая от упругих деформаций системы молот –

свая – грунт; α – коэффициент, характеризующий потери

работы на разрушение головы сваи и другие потери. G ∙ H ∙ α

–энергия приходящаяся на вредные составляющие (нагревание, остат деф), G ∙ h –энергия приходящ на упругие

деф сваи и грунта (отскок). В результате принятия ряда допущений и преобразования этого выражения получена формула (18) для предельного сопротивления сваи - СНиП

Уравнение можно решить относительно Sа и получить контрольное значение отказа, который нужно достигнуть, для обеспечения необх расч сопр.

3.5.3 Фундаменты мелкого заложения под отдельные колонны.Конструктивное решение и расчет.

К ФМЗ относятся фундаменты, имеющие отношение высоты к ширине подошвы, не превышающее 4, и передающие нагрузку на грунты основания преимущественно через подошву.  ФМЗ ФМЗ возводятся в открытых котлованах или в специальных выемках, устраиваемых в грунтовых основаниях.

Рис 10.1. Схема фундамента мелкого заложения: 1 – фундамент; 2 – колонна; 3 – обрез фундамента.

А) ФМЗ по условиям изготовления разделяют на:1). -монолитные, возводимые непосредственно в котлованах;2) -сборные, монтируемые из элементов заводского изготовления

Б) ФМЗ изготовляют из следующих матреиалов: железобетон; бетон; бутобетон; каменные материалы(кирпич, бут, пиленные блоки из природных камней);в отдельных случаях(временные здания) допускает применение дерева или металла.

- По конструктивным решениям ФМЗ разделяют на: А)отдельно стоящие фундаменты: 1-под колонну(опору);2- под стены(при малых нагрузках)Б)ленточные фундаменты :1-выполняются под протяженные сетки конструкции (стены);2-выполняется под ряды сетки колонн в виде одинарных или перекрестных лент;В) сплошные( плитные) фундаменты

ФМЗ под отдельные колонны.

Могут выполняться в монолитном или сборном варианте. Представляют собой кирпичные, каменные, бетонные или железобетонные столбы с уширенной опорной частью. - Фундаменты имеют наклонную боковую грань или, что чаще, уширяются к подошве уступами, размеры которых определяются углом жесткости α (≈30-40º), т.е. предельным углом наклона, при котором в теле фундамента не возникают растягивающие напряжения. Рис 10.3. Конструкция жесткого фундамента: а – с наклонными боковыми гранями; б – уширяющийся к подошве уступами. - Сопряжение сборных колонн с фундаментом осуществляется с помощью стакана (фундаменты стаканного типа), монолитных колонн – соединением арматуры колонн с выпуском из фундамента, а стальных колонн – креплением башмака колонны к анкерным болтом, забетонированным.

Рис 10.4. Сборный фундамент под колонну:

а – из нескольких элементов; б – из одного элемента; 1 – фундаментные плиты; 2 – подколонник; 3 – рандбалка; 4 – бетонные столбики; 5 – монтажные петли. 3 .5.6. Опускные колодцы. Конструктивное решение и принцип погружения в грунт. К массивным фундаментам глубокого заложения относят опускные колодцы и кессоны. Опускной колодец представляет собой оболочку, которая погружается в грунт под действием собственного веса в результате разработки грунта у ее ножевой части. В процессе опускания стенки колодца наращиваются.После достижения проектной глубины пространство внутри колодца полностью или частично заполняют бетоном. Опускные колодцы применяют, когда грунты, обладающие достаточной несущей способностью, залегают на значительной глубине.Под тяжелые сооружения (башни, мостовые опоры…) В определенных условиях, например при большой глубине залегания прочного слоя грунта, значительной глубине воды, отсутствии мощных средств для принудительного погружения свай и сборных тонкостенных оболочек большого диаметра, опускные колодцы могут оказаться выгоднее чем свайные и столбчатые фундаменты. Не целесообразно и затруднительно применять: Когда большая толща слабых водонасыщенных грунтов содержит крупные включения в виде валунов, скальных прослоек и т.д. и т. п. Опасно опускать в малопрочные грунты рядом с фундаментами существующих сооружений. Когда в основании залегают скальные грунты, имеющие наклонную поверхность.Колодцы обычно ж/б но могут быть и металлические.

Формы: .

Н ар стенки м.б. вертикальными, наклонными, с одним или несколькими уступами. Вертик стенки наиб устойчивы и просты в процессе изг-я. При погруж колодца на глубину 8-10 м для уменьшения трения исп-ют след методы:

1.Устройство наклонной поверхности (силы трения дей-ют только в ножевой части)

2устр-во уступа 3Устройство тиксотропной рубашки(круче всего)

1-уплотнение(уголок), 2-глиняный замок 3-тиксотропная рубашка 4-бетонолитная труба (поступает глиняный раствор)

3.5.4.Ж/б сваи стплошного сечения. Конструкт решения и факторы определяющ армирование.

Ж елезобетонные сплошного сечения. «-»большая масса, большая металлоемкость. «+»-заводское изготовление, высокое качество. Квадратные сваи L=3 – 20 м, Размеры от 20х20 до 40х40 см. Сваи имеют минимальное армирование, определенное из условия прочности свай на монтажные нагрузки. В сваях устанавливают продольную и спиральную поперечную арматуру. Продольную арматуру применяют предварительно напряженную или без напряжения. Стержни продольной арм в голове сваи доводятся только до нижней защитной сетки. Стержни стыкуются контактной сваркой. Попереч арм выпся в виде спирали или хомутов.Она улучш работу сваи ни изгиб и сжатие. Особенно важна ее роль в процессе забивки, т.к. при забивке у головы и острия возник значит местные напряж-я.Поэтому у концов сваи поп арм располаг более часто 5-8 см, а в середине шаг увел.В голове сваи укладывают 3-5 арматурных сеток для восприятия поперечных растягивающих усилий, воспиним.при ударах. Сваи небольшой длины с целью экономии металла делают без поперечного армирования с предварит. напряжением продольной арматуры. При необходимости получения свай большей длины их стыкуют из нескольких звеньев. Для возможности транспортирования из тела сваи выпускают монтажные петли, располагая их по длине сваи таким образом, чтобы в ней возникали равные изгибающие моменты в консолях (отрицательные) и в средней части (положительные). Для возможности подъема сваи на копер в ней на расстоянии 0,3 l от головы делают отверстие для штыря, удерживающего подъемный трос.

К руглые пустотелые сваи изготавливают наружным диаметром 0,4 – 0,8 м при большем диаметре их называют сваями-оболочками ( 0,8 - 1,2 м) и оболочками ( >1,2 м). Сваи диаметром до 0,6 м производят с закрытым концом. Для возможности соединения звеньев свай для получения свай большей длины на сварке или на болтах по их торцам устанавливают закладные детали. Пустотелые сваи армируют продольной предварительно напряженной арматурой периодического профиля и спиралью.

Продолжение 3.5.6

Если уменьшим трение, то можно уменьшить толщину стенки.

Р асчет опускного колодца состоит из двух частей: 1.) расчет колодца как фундамента глубокого заложения на эксплуатационные нагрузки. 2.) расчет на нагрузки, действующие в процессе строительства. Глубина заложения фундамента обычно зависит от уровня залегания кровли прочного грунта. В однородных грунтах отметку подошвы фундамента определяют расчетом по первому и второму предельным состояниям. Минимальные размеры фундамента в плане определяются размерами надфундаментной части сооружения (опоры) и минимальным значением обрезов, которое принимают 0,02…0,04 от полной глубины опускания колодца, но не менее 40 см. Кессоны. В рабочую камеру подается сжатый воздух, под давлением которого вода вытесняется из камеры, что позволяет разработку грунта вести насухо. Рабочая камера ограждена кессоном, имеющим боковые стенки – консоли и потолок. На потолке кессона по мере его погружения ведут надкессонную кладку из бутобетона. По достижении заданной глубины рабочую камеру кессона и шахтный колодец заполняют кладкой. Использование кессонов позволяет выполнять работы в любых грунтовых условиях ниже горизонта вод и при наличии в грунтах любых препятствий.(основное достоинство). Предотвратив наплыв грунтов в рабочую камеру, позволяет более безопасно возводить фундаменты по соседству с существующими сооружениями. Недостатки: Вредное воздействие сжатого воздуха на организм человека, сложность и трудоемкость кессонных работ. Наибольшая глубина погружения кессонов ниже горизонта вод, зависящая от максимально допустимого безопасного давления сжатого воздуха на организм человека, составляет 38 м. Расчет кессонного фундамента ничем не отличается от расчета опускного колодца. При расчете на эксплуатационные нагрузки определяют внешние размеры фундамента.

3.5.5 Буронабивные сваи. Конструктивные решения. Определение несущей способности.

Буронабивные сваи – изготовляемые в грунте, в буровых скважинах, заполненных бетоном, без уплотнения или с небольшим уплотнением. Применяются при действии больших соср нагрузок; когда необх прорезка насыпей с твердыми включениями, валунами ит.д.; вблизи сущ-их зданий. Делаются длиной более 10 м.. Бетонирование произвм методом вертикально перемещающееся трубы: сухим способом(без крепления стенок); крепление глинистым раствором (в водонас несвязных гр); под обсадной трубой.По констр реш м.б. без уширения и с уширением. Уширение увел нес сп-ть сваи, его устраивают посредством взрыва или механическим сп-м. Буронабивные сваи без уширения имеют относительно небольшую несущую способность вследствие осыпания грунта и образования шлама на дне скважины. Для повышения несущей способности буронабивных свай грунт под ними уплотняют с помощью взрывов, вытрамбовыванием щебня в забой скважины.Диаметр свай 0,4-7,7м(2м), диаметр уширения до 3.5м

Нес сп-ть буронабивных свай-стоек (п4.1б) СНиП свайные фунд Fd = γc R A.

Нес сп-ть буронабивных висячих свай (п4.6) сопределяется как сумма двух слагаемых – сопротивления грунта под их нижним концом давлению и сопротивления грунта сдвигу по их боковой поверхности: Fd = γс (γс_R ∙ R ∙ A + u ∙ Σ γсf ∙ f i ∙ hi), где γс – коэфф-т условий работы сваи в грунте = 1, γс_R , γсf – коэфф-ты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой пов-ти сваи, зависящие от способа ее погружения, R – расч сопротивление грунта под нижним концом сваи, А – площадь опирания сваи на грунт, u – периметр попер сечения сваи, f i – расчетное сопротивление сдвигу боковой пов-ти сваи по i – му слою грунта, hi – толщина i – го слоя грунта в пределах длины сваи. Коэффициенты γс,γс_R принимают = 1. R по СНиП [табл. 7], а для песчаных и крупнообломочных грунтов - из предельного равновесия массива грунта под сваей.

Несущая способность сваи по материалу ствола:

1.Необходимо сопоставить дей-щее продольное усилие в сечение сваи N, с max Pc, воспринимаемое сечением.

2. Сопоставить действ-й в сечении момент с мах Мс, воспринимаемый сечением при продольном усилии N

Ni<=Pc

η Mi<=Mc, η-коэф, учит увел эксцентр за счет доп-ого прогиба

Продолжение 3.5.5

1(продолжение 3.5.3…1)

- Размеры в плане подошвы, ступеней и подколонника монолитных фундаментов принимаются кратным 300 мм, а высота ступеней - кратной 150 мм. - В тех случаях, когда это возможно, сборный фундамент устраивают из одного элемента (рис 10.4.б) или переходят на монолитный вариант фундамента. - с целью сокращения трудоемкости работ по устройству фундаментов и уменьшению их стоимости создаются новые типы фундаментов, которые в соответствующих грунтовых условиях оказываются более экономичными по сравнению с традиционными типами. ^ Рис 10.5. Буробетонные (а), щелевые (б) и анкерные (в) фундаменты: 1 – колонна; 2 – арматурный каркас; 3 - фундамент; 4 – подколонник; 5 – плитная часть; 6 – бетонные пластины; 7 – анкеры (буронабивные сваи) d=15-20см, l=3-4м. Расчет ведут по 2 –м группам предельных состояний:

Расчет по 1 группе (по несущей способности) должен обеспечить прочность и устойчивость грунтов основания:

(1)

– давление под подошвой фундамента от расчетной нагрузки, кПа;

- коэффициент условия работы грунта основания;

- коэффициент надежности по назначению сооружения;

- расчетное сопротивление грунта основания по подошве фундамента.

Расчет по 1 группе предельных состояний можно вести из условия:

(2)

- расчетная нагрузка на основание;

- сила подошвенного сопротивления основания (несущая способность основания).

Устойчивость фундамента на сдвиг по подошве обеспечивается условием:

(3)

- расчетная сдвигающая сила, равная сумме проекций сдвигающих сил на площадь скольжения (площадь подошвы фундамента);

- предельная удерживающая сила, равная сумме проекций предельных сил на площадь подошвы фундамента.

Оценка несущей способности грунта выполняется 2 – мя основными способами:

2(Продолжение 3.5.3….2)1)Оценка несущей способности нескальных грунтов на основе решения теории предельного напряженного состояния.

(4)

где a^' и b^' – приведенные длина и ширина подошвы фундамента;

, , - коэффициенты несущей способности, определяемые в зависимости от расчетного угла внутреннего трения и угол наклона равнодействующей нагрузки ;

, - расчетные значения удельного веса грунта ниже и выше подошвы фундамента;

- расчетное удельное сцепление грунта;

, , - коэффициенты формы подошвы фундамента.

(5)

Приведенные размеры подошвы фундамента:

(6)

и - эксцентриситеты приложения равнодействующей внешних нагрузок на уровне подошвы фундамента, соответственно в направлении сторон a и b.

Для центрально нагруженного фундамента .

1. Определение расчетного сопротивления нескальных грунтов по эмпирической формуле с использованием физических характеристик грунта:

(7)

3(Продолжение 3.5.3…3) - условное сопротивление грунта (зависит от вида грунта и его физических характеристик);

и - коэффициенты, зависящие от вида грунта основания;

- средневзвешенный удельный вес грунтов, расположенных выше подошвы фундамента;

d – глубина заложения фундамента ( );

- расстояние от уровня меженных вод до расчетной поверхности грунта.

Расчет оснований по 2 – ой группе (по деформациям), ограничивает деформации подфундаментных конструкций такими пределами, при которых не нарушается нормальная эксплуатация сооружений:

, где S – деформация фундамента, обусловленная деформациями грунтов; S_пр – предельно допустимая величина деформаций.

Деформации фундамента можно охарактеризовать 3 – мя составляющими: осадка S, горизонтальное смещение и угол поворота (крен) .

Осадка фундамента S, определяется методом послойного суммирования.

Угол поворота фундамента определяется по обобщенной формуле:

(9)

- коэффициент поперечного расширения грунта (коэффициент Пуассона);

- коэффициент, применяемый в зависимости от размеров подошвы и глубины заложения фундамента;

E – модуль деформации грунта;

- сторона подошвы фундамента, в направлении которой действует момент (a или b);

- коэффициент, определяемый в зависимости от модуля деформации E и размеров фундамента.