Тема 11. Пальові фундаменти

П альові фундаменти складаються з паль і ростверка (рис. 11.1). Ростверк – це збірна чи монолітна, як правило, залізобетонна конструкція, яка забезпечує передачу і рівно-мірний розподіл навантаження від надземних конструкцій на палі. Ростверки бувають низькі, повишені і високі. Низький ростверк розміщується нижче поверхні грунту, повишений – на рівні поверхні грунту, високий - вище поверхні грунту.

Палі - це довгі стержні, які занурюються в грунт у готовому вигляді або виготовляються безпосередньо в грунті. В більшості випадків палі передають навантаження на розміщені нижче надійні шари грунтів

1. Класифікація паль. В діючих нормах (СНиП 2.02.03-85 “Свайные фундаменты” [25] ст. 3-4) наводиться така класифікація паль:

забивні - занурюються в грунт за допомогою молотів або віброзанурювачів (забивні палі несуть більше ніж бурові);

набивні - виготовляють шляхом бетонування свердловин, утворених примусовим відтисненням грунту в сторони (наприклад, у грунт забивають металеву трубу, виймають її, а утворену свердловину заповнюють бетонною сумішшю);

бурові - виготовляють шляхом бетонування пробурених свердловин або монтують у свердловинах готові залізобетонні елементи;

гвинтові - загвинчуються в грунт за допомогою спеціальних установок;

палі-оболонки - порожнисті круглі елементи діаметром від 1 до 3м.

Забивні палі. За конструктивними особливостями ці палі розділяються таким чином:

за способом армування – з напруженою та ненапруженою арматурою з поперечним армуванням і без та ін.;

за формою поперечного перерізу - квадратні, прямокутні, квадратні з круглою порожниною, круглі з порожниною та ін.;

за формою поздовжнього перерізу – призматичні, пірамідальні, конусні та ін;

за умовами занурення - цільні і з окремих ланок (палі з окремих ланок використовують у тих випадках, коли умови занурення і транспортування не дозволяють використати цільні палі. Елементи цих паль з’єднуються між собою в процесі забивки за допомогою болтів, зварювання та іншими методами);

за конструкцією нижнього кінця - без розширення, з розширенням, порожнисті з відкритим або закритим нижнім кінцем;

палі-колони - надземна частина цих паль є колоною будівлі.

Згідно з прийнятою класифікацією забивні палі розділяються на такі типи:

С - квадратні, призматичні, суцільного перерізу, з поперечним армуванням, цільні і складені; СП - квадратного перерізу з круглою порожниною; СК - круглого перерізу з порожниною; СО - палі-оболонки; CД - палі-колони.

Прийнято таке позначення марок паль:

тип паль (букви), довжина в дм, розмір сторони (діаметр) в см, потім для попередньо напружених паль - клас арматури, а для ненапружених - номер варіанта армування відповідно до креслень, що наводяться в діючих стандартах Гост19804-91 [6]. Наприклад, С60.35-АV - квадратна призматична паля довжиною 6м з стороною поперечного перерізу 35см з напруженою арматурою класу АV; С60.35-3 - те саме, з ненапруженою арматурою, третій варіант армування.

Набивні палі. За технологією виготовлення ці палі розділяються таким чином:

набивні - виготовляють шляхом занурення інвентарних труб з подальшим їх вийманням і одночасним заповненням свердловини бетонною сумішшю (труби обладнані наконечниками, що залишаються в грунті) ;

набивні віброштамповані - виготовляють у пробитих свердловинах шляхом заповнення їх жорсткою бетонною сумішшю, яка ущільнюється віброштампом (в основному в грунтах, які утримують стінки, в протилежному випадку необхідно підтримувати стінку в рівновазі за допомогою глинистого розчину, який витісняється під час бетонування свердловини);

набивні у виштампованому ложі - бетонують виштамповані в грунті свердловини пірамідальної або конусної форми.

Бурові палі. За технологією виготовлення ці палі розділяються на:

буронабивні (з розширеннями і без них) - виготовляють шляхом бетонування пробурених свердловин. (у водонасичених грунтах і пісках стінки свердловин утримують в рівновазі інвентарними обсадними трубами або глинистим розчином);

буронабивні з камуфлетною п’ятою - відрізняються від буронабивних тим, що в нижній частині свердловини розширення утворюють вибухом;

буроопускні - в пробурених свердловинах монтують збірні залізобетонні елементи у вигляді паль;

буроін‘єкційні – заповнені дрібнозернистим бетоном свердловини опресовують тиском, внаслідок чого свердловина збільшується в діаметрі.

За умовами роботи в грунті палі розділяються на палі-стояки та висячі палі. До паль-стояків відносять палі, що передають навантаження нижнім кінцем на практично нестисливі грунти (скельні і напівскельні грунти, а також глини твердої консистенції при мПа). Сили тертя на бічній поверхні таких паль у процесі їх роботи не виникають. Висячі палі опираються на стисливі грунти - опір грунту розвивається як під нижнім кінцем, так і на бічній поверхні.

В даний час у будівельній практиці найбільш поширені забивні призматичні та буронабивні палі (це пояснюється високою індустріальністю, широкою областю застосування та наявністю матеріальної бази для виготовлення таких паль).

2. Визначення несучої здатності паль на дію вертикальних навантажень. В процесі збільшення вертикальних навантажень на палю може відбутися руйнування її матеріалу або втрата несучої здатності грунту (випирання грунту з-під нижнього кінця палі та подолання сил тертя на її бічній поверхні). Тому необхідно розрізняти несучу здатність матеріалу паль та грунту.

Як правило, несуча здатність пальових фундаментів вичерпується при незначних деформаціях. Тому розрахунок таких фундаментів за несучою здатністю є основним, а за деформаціями - перевірочним.

Розрахунок несучої здатності пальових фундаментів виконують, виходячи з умови

, де (11.1)

- розрахункове навантаження, що передається на палю; - допустиме навантаження, яке можна передати на палю; - несуча здатність палі (граничний опір грунту основи заглибленню одиночної палі); - коефіцієнт надійності (приймається залежно від методу визначення несучої здатності палі).

В даний час для визначення несучої здатності паль застосовують такі методи: формули СНиП 2.02.03-85 “Свайные фундаменты”; статичні і динамічні випробування паль натурних розмірів; статичне зондування; статичні випробування інвентарних паль.

Ф ормули СНиП 2.02.03-85. Несуча здатність паль-стояків зумовлена лише опором грунту під нижнім кінцем палі і розраховується за формулою

(11.2)

Несуча здатність висячих паль складається з несучої здатності палі під нижнім кінцем палі та несучої здатності на її бічній поверхні (рис. 11.2) і визначається за формулою

(11.3)

Несуча здатність паль на дію висмикуючих навантажень визначається за формулою

(11.4)

В (11.2)-(11.4) прийняті такі позначення:

- коефіцієнт умов роботи палі в грунті; - площа поперечного перерізу нижнього кінця палі; - розрахунковий опір грунту під нижнім кінцем палі; - зовнішній периметр поперечного перерізу палі; - розрахунковий опір і-го шару грунту основи на бічній поверхні палі; - товщина і-го розрахункового шару грунту (приймається рівною не більше 2м); - коефіцієнти умов роботи грунту, відповідно під нижнім кінцем і на бічній поверхні палі. Значення коефіцієнтів умов роботи паль в грунті під нижнім кінцем і на бічній поверхні та розрахункових опорів грунту під нижнім кінцем і на бічній поверхні наведено в [25].

5. Проектування пальових фундаментів. У загальному випадку проектування пальових фундаментів виконують у такій послідовності:

1. Визначають вид паль (забивні, бурові). При цьому враховують характер та величину навантажень, інженерно-геологічні умови будівельної ділянки (в слабких грунтах основи переріз палі роблять меншим ніж у нормальних), можливості будівельних організацій, економічні показники та інші фактори.

2. Попередньо визначають розміри паль. Палі повинні прорізати ненадійні грунти і вартість фундаментів має бути мінімальною. Для цього визначають вартість фундаментів з паль різних розмірів. Довжину вибирають так, щоб палі заглиблювались не менше 0,5м у великоуламкові, гравелисті, крупні й середньої крупності піщані грунти і глинисті з показником текучості ; для решти грунтів - 1,0м.

3. Визначають несучу здатність паль (див. п. 11.2).

4. За формулою (11.1) визначають навантаження , допустиме на палю.

5. Визначають кількість паль:

для кущових фундаментів за формулою

(11.19)

- максимально допустима розрахункова відстань між осями сусідніх забивних паль стрічкового фундаменту становить

, де (11.20)

- відповідно погонне навантаження, вага палі, вага 1м/п ростверка і грунту на його обрізах.

6. Виконують конструювання фундаментів.

Пальові фундаменти залежно від розміщення паль у плані проектують у вигляді: пальових смуг - під стіни будівель; пальових кущів - під колони; суцільного пальового поля - під всією будівлею чи спорудою.

Мінімальна кількість паль у кущі становить: у центрально завантаженому фундаменті – 1; у позацентрово завантаженому фундаменті в одній площині – 2; у позацентрово завантаженому фундаменті в двох площинах – 3.

Відстань між осями забивних висячих паль повинна бути не меншою ( - діаметр круглої або сторона квадратного перерізу палі), а між осями паль-стояків - не меншою . Чиста відстань між стовбурами бурових, набивних паль і паль-оболонок приймається не менше 1,0м, а відстань між розширенням паль у твердих та напівтвердих глинистих грунтах - 0,5м, в інших нескельних грунтах - 1,0м .

Оптимальна конструктивна відстань між осями сусідніх паль у стрічковому фундаменті зумовлена несучою здатністю ростверка (нерозрізна балка на опорах) і становить приблизно .

Якщо максимальна розрахункова відстань між осями сусідніх паль у стрічковому фундаменті менша мінімально допустимої, то палі розташовують у два і більше рядів. Якщо максимальна розрахункова відстань більша оптимальної конструктивної, то палі розміщують з урахуванням останньої. Потім виконують розстановку паль у плані таким чином, щоб фактична відстань між ними не перевищувала максимальну розрахункову і оптимальну конструктивну і була не меншою за мінімальну конструктивну. В першу чергу розміщують палі в місцях, де ростверки перетинаються між собою.

З’єднання пальового ростверка з палями може бути шарнірним або жорстким (рис. 11.9). Жорстке з’єднання хоч є значно трудоємкішим і дорожчим проте використовується частіше, оскільки, є більш надійним.

П ісля розміщення паль у плані перевіряють фактичне завантаження паль за формулами:

- для стрічкових фундаментів

(11.21)

- для стовпчатих фундаментів

(11.22)

д е - максимальне і мінімальне навантаження на крайні палі; - вага ростверка та грунту на його обрізах; - власна вага палі; - відстань від головної осі до осі крайньої палі (рис.11.10); - відстань від головної осі до осі кожної палі; , - момент і горизонтальна складова зовнішніх сил на рівні обрізу фундаменту відносно (у напрямку) відповідної осі; - відстань від підошви ростверка до його обрізу

Перевантаження крайніх паль в кущі на 20% від навантаження, допустимого на них, можливе при ро-зрахунках фундаментів із врахуванням вітрових та кранових навантажень (при цьому величина кранових навантажень повинна становити більше 30% сумарних навантажень на фундамент), тобто . Якщо , то додатково проводять розрахунки паль на дію висмикуючих навантажень.

7. Проводять розрахунки фундаментів за деформаціями.

8. Розраховують тіло ростверка і палі.