7. Фундамент глубокого заложения

По конструктивным соображениям, условию производства работ принимается свайный фундамент с забивными железобетонными сваями и ростверком (возможны другие конструктивные решения свай и фундаментов глубокого заложения).

7.1. Определение основных размеров.

Предварительно, на миллиметровой бумаге в масштабе М_в 1:100 строится геологическая колонка грунтов по оси проектируемого здания с указанием их мощности. По эпюре условных расчетных сопротивлений (эп.R₀) выбирается несущий (опорный) слой грунта с наибольшей величиной R₀ (обычно пески - гравелистые, крупные, средней крупности, глины и суглинки - твердые и полутвердые, тугопластичные, супеси - твердые). Далее производится определение основных размеров свайных фундаментов в соответствии с указаниями и рекомендациями, изложенными в/1,2,5,7/.

Пусть требуется определить основные размеры свайного фундамента с забивными железобетонными сваями и ростверком для инженерно-геологических условий площадки строительства на рис. 2. Из эпюры следует, что опорным следует принимать слой песка средней крупности средней плотности, имеющего наибольшее значением R₀= 400 кПа.

7.1.1. В курсовом проекте устанавливается глубина заложения подошвы ростверка из конструктивных требований без учета сезонного промерзания грунтов, инженерно-геологических особенностей площадки строительства, положения УГВ. При этом, в первом приближении, высота ростверка назначается на 0,4  0,5 м больше необходимой глубины заделки колонны в фундамент h_f т. е.

d_k = h_f+(0,4  0,5) м;

d_k =1 + 0,5 = 1,5 м.

Размеры ростверка по высоте, как правило, принимаются кратными 0,1 м. Принимаем высоту ростверка, d₁=d_k= 1,5 м. Полученная величина глубины заложения d₁ = 1,5 м откладывается в масштабе на схеме от планировочной отметки и устанавливается абсолютная отметка подошвы ростверка, равная 110,75 м.

7.1.2. Задаются заглублением сваи в опорный (несущий) слой грунта на 0,5 м или 1,0 м в соответствии с п. 7.10 /5/ и устанавливается по схеме ориентировочная расчетная длина сваи (h_р), исчисляемая как расстояние от дна предполагаемого котлована до начала заострения. Таким образом, принимая заглубление сваи в слой песка средней крупности на 1,0 м, получим h_р = h₁ + h₂ + h₃ = 2,3 + 2,7 +1,0 = 6,0 м.

По ориентировочной расчетной длине, учитывая метод погружения, форму поперечного сечения, вид армирования, выбирается тип сваи (стандартная длина h_ст при минимальных размерах поперечного сечения). Забивные сваи подбираются, например, по таблице 8.1 /7/.

Выбирается забивная свая квадратного поперечного сечения с ненапрягаемой стержневой арматурой марки С-7-30, т.е. длиной h_ст = 7,0 м и размерами поперечного сечения 30х30 см. Назначается заделка верхних концов свай в ростверк. При действии

вертикальных и незначительных горизонтальных нагрузок эта величина принимается, равной 30 см (5 см - свая и 25 см- выпуски арматуры.) При вертикальных и значительных горизонтальных - 50 см (соответственно 10 см и 40 см). С учетом этого вновь определяется расчетная длина сваи. В нашем случае h_р=h_ст - 0,3м=7-0,3=6,7 м.

Значение расчетной длины сваи h_p = 6,7м вновь откладывается на геологическом разрезе и проверяется ее заглубление в опорный слой (песок средней крупности) h₃ = h_p – h₁ - h₂, h₃ = 6,7 - 2,3 - 2,7 = 1,7м > 1,0м, что находится в установленных п. 7.10 СНиП 2.02.1-85 пределах. Если в результате проверки выясняется, что величина h₃ менее 1м, то необходимо принять сваю другой марки с большей стандартной длиной.

7.1.3. Определяется несущая способность сваи из условия прочности грунта по СНиП 2.02.03-85 /5/ как

кН,

где _с - коэффициент условий работы сваи в грунте, _с= 1;

_cR, _cf - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи, по табл. 3 /5/ _cR =1, _cf = 1;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, определяемое по табл. 1 /5/. Для песка средней крупности средней плотности (рис. 9), при глубине погружения нижнего конца сваи от уровня природного рельефа равной 9,10 м, R = 3910 кПа. Для плотных песчаных грунтов значение R может быть увеличено по п. 4 табл. 1;

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания мощностью h_i по боковой поверхности сваи, принимается по табл. 2 /5/ в зависимости от средней глубины расположения слоя грунта, кПа. При определении f_i пласты грунтов следует расчленять на однородные слои толщиной не более 2 м. Для плотных песчаных грунтов, супесей и суглинков с е<0,5, глин с е<0,6 значение f_i могут быть увеличены по п.4 табл. 2. Расчетное сопротивление слоя супеси пластичной с консистенцией I_L = 0,8 на глубине равно f₁=7,6кПа; расчетное сопротивление слоя суглинка полутвердого с консистенцией I_L = 0,17 на глубине равно f₂ = 58кПа; расчетное сопротивление слоя песка средней крупности, средней плотности на глубине равно f₃=63кПа;

А - площадь поперечного сечения сваи, м²,

;

U - наружный периметр поперечного сечения сваи, м,

;

h_i - толщина i - го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м, h₁ =2,3м, h₂ =2,7м, h₃ =1,7м.

.

Рис.9. Расчетная схема сваи

Рис.10. Расположение свай в фундаменте.

7.1.4. Определяется расчетная нагрузка на сваю из условия прочности грунта

,

где _k - коэффициент надежности, назначаемый в зависимости от способа определения несущей способности сваи и равный _k=1,4.

.

7.1.5. Определяется несущая способность сваи, работающей на сжатие, по условию прочности материала

, кН,

где  - коэффициент продольного изгиба, =1;

_c - коэффициент условий работы, для свай сечением менее 30x30 см _с = 0,85, для сваи большого сечения _с = 1;

_m- коэффициент условия работы бетона, для всех видов свай, кроме буронабивных, _m=1,

R_b - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, принимаемое для свай из бетона класса В25 R_b = 14500 кПа;

А - площадь поперечного сечения сваи, м², А=0,3·0,3=0,09 м²;

R_sc - расчетное сопротивление арматуры сжатию, кПа, в курсовом проекте принимается армирование сечения сваи 4  12 А-П, R_sc = 280000 кПа;

А_а- площадь сечения рабочей арматуры, м²,

.

Тогда

кН.

В расчете окончательно принимается меньшая из полученных величин Р, F_dm, т.е. Р=492 кН.

7.1.6. Определяется ориентировочно количество свай в фундаменте (n) как (расчет выполняется по первой группе предельных состояний, прил. 2 блок-схема)

,

где 1,2 - коэффициент, увеличивающий число свай в фундаменте на 20% вследствие действия изгибающего момента и поперечной силы;

N^P - расчетное значение вертикальной нагрузки при коэффициенте надежности по нагрузке _f=1,1· N^Р = 1,1·2354= 2589,4кН.

Принимается n = 6.

7.1.7. Производится размещение свай, и определяются размеры ростверка в плане. Расстояние между осями свай принимается от 3d до 6d , где d - сторона сечения сваи. Оптимальным считается расстояние, равное 3d. Расстояние от края ростверка до внешней грани сваи назначается не менее 20 см (чаще всего равно размеру сечения сваи). Размеры ростверка в плане должны быть кратными 0,1 м. Схема ростверка приведена на рис. 10. При выборе схемы расположения свай рекомендуется руководствоваться табл. 8.20 [7] или приложениями 9-11.

7.1.8. Определяется нагрузка на угловые сваи фундамента, как наиболее нагруженные, по формуле

, кН,

где х - расстояние от главной оси до оси угловой сваи, м, х = 0,9 м;

G_р - расчетная нагрузка от собственного веса ростверка и грунта на его ступенях, кН, ориентировочно определяемая при _f = 1,1 как

кН;

М - расчетное значение изгибающего момента относительно главной оси подошвы ростверка, кН м, при _f = 1,1 определяемое как

кН м;

- сумма квадратов расстояний от главной оси до оси каждой сваи фундамента, м²,

кН;

кН.

Проверяется выполнение условий:

≤ Р;

> 0.

Не следует допускать недоиспользование несущей способности сваи более чем на 15%, перегрузку сваи от постоянных и длительных нагрузок более чем на 5%, от кратковременных нагрузок более чем на 20%. Разница между максимально и минимально нагруженными сваями не должно превышать соотношение 3:1. В данном случае

≤ Р, 756 кН > 492 кН - условие не выполняется;

> 0, 151кН > 0 - условие выполняется.

Так как одно из условий не выполняется, увеличиваем число свай в фундаменте до 8, располагая их, например, в шахматном порядке на расстоянии 3d = 0,9 м (рис. 10).

В данном случае x = 1,56м.

G_р = 1,1·3,9∙1,6∙20∙1,5 = 205,9 кН.

Вновь проверяется выполнение условий

кН.

кН.

≤ Р, 505 кН < 492 кН - условие не выполняется, но перегрузка при этом составляет (505-492)/492=0,026=2,6%, что допускается.

> 0, 194кН > 0 - условие выполняется.

Соотношение _{И составляет 2,6:1, что не превышает рекомендуемое соотношение 3:1.}

Окончательно, принимается 8 свай в одном фундаменте.

7.1.9. Проверяются напряжения в грунте в плоскости нижних концов свай. При этом, свайный фундамент условно принимается за массивный жесткий фундамент глубокого заложения, контур которого ограничен сверху - поверхностью планировки, снизу - плоскостью, проходящей через нижние концы свай, с боков – вертикальными плоскостями, отстоящими от наружных граней свай на расстоянии . Причем эта величина не должна превышать 2d в тех случаях, когда под нижним концом сваи залегают пылевато-глинистые грунты с показателем текучести J_L>0,6 (d-диаметр или сторона поперечного сечения сваи).

Для слоистой толщи определяется осредненное значение угла внутреннего трения грунта

,

где _IIi, h_i - соответственно расчетное значение угла внутреннего трения и толщина каждого слоя грунта в пределах расчетной длины сваи, град, м. В данном случае толщина слоя супеси пластичной h₁ =2,3 м, _II1 = 18⁰ ,толщина слоя суглинка полутвердого h₂ =2,7м, _II2 =16⁰, толщина слоя песка средней крупности h₃ = 1,7м, _II3 = 17⁰.

Тогда ;

; tg4⁰15 =0,0772.

Исходя из этого, размеры подошвы условного фундамента в плане определяются как (рис. 11)

l_усл=1,56+1,56+0,15+0,15+2∙6,7∙0,0772=4,5м;

b_усл=0,9+0,15+0,15+2∙6,7∙0,0772=2,2м.

Площадь подошвы условного фундамента

A_усл=l_усл∙b_усл=4,5∙2,2=9,9м².

Определяется давление под подошвой условного фундамента (в плоскости нижних концов свай) от действия расчетных нагрузок соответствующих II группе предельных состояний, т.е. при _f=1 по формуле

, кПа,

где N^P=1·2354 кН;

G_усл - расчетная нагрузка от собственного веса свай, ростверка, грунта, столба воды в пределах условного фундамента, определяемая приближено для данных грунтовых условий как

.

G_усл = 1·9,9(6,7+1,5)∙20=1624 кН.

С учетом этого .

Определяется расчетное сопротивление грунта под подошвой условного фундамента (или в плоскости нижних концов сваи) по формуле 7/6/, которая в принятых для свайного фундамента обозначениях записывается, как

,

где _c1=1,4; k = 1,0; _с2 = 1,0; K_z = 1,0;

М_, М_q, М_с - как и ранее, коэффициенты, принимаемые по табл. 4/6/в зависимости от угла внутреннего трения грунта основания подошвы условного фундамента, поскольку таковым является слой песка средней крупности с _II = 17⁰, М_ = 0,39, М_q= 2,57, М_с = 5,15;

Рис.11. Схема к определению размеров условного фундамента.

b_усл = 2,2 м;

₁₁ - расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы условного фундамента, кН/м³, в нашем случае, для песка средней крупности ₁₁=10 кН/м³ с учетом взвешивающего действия воды;

- среднее значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы условного фундамента до отметки планировки, определяемое как ;

_IIi, h_i - соответственно расчетное значение удельного веса и толщины каждого слоя грунта по высоте (h_p + d₁) условного фундамента, кН/м³, м,

кН/м³;

с₁₁- расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой условного фундамента, кПа, для песка средней крупности с₁₁=0.

Таким образом, кПа

Проверяется выполнение условия

p < R,

401,8 кПа < 543 кПа.

Условие выполняется. В противном случае необходимо перепроектировать фундамент и добиться выполнения условия.

7.2. Расчет железобетонного ростверка.

Расчет ростверка свайного фундамента производится на продавливание колонной, на продавливание угловой сваей, на поперечную силу в наклонных сечениях, на изгиб, на местное сжатие под торцом сборной колонны, на прочность сжатой части, на раскрытие трещин.

В курсовом проекте производится только проверка ростверка на продавливание колонной по пирамиде, боковые стороны которой проходят от наружных граней колонны до внутренних граней сваи, наклонены к горизонту под углом не более угла, соответствующего пирамиде у которой с = 0,4Н₀. Расчетная формула имеет вид

,

где N - расчетная продавливающая сила, равная, при внецентренно нагруженном фундаменте, удвоенной сумме реакций всех свай, расположенных с одной наиболее нагруженной стороны от оси колонны за пределами нижнего основания пирамиды продавливания. Подсчитывается от усилий, действующих в плоскости верха фундамента, кН, с учетом коэффициента надежно­сти по нагрузке при расчете по I группе предельных состояний;

H₀ - рабочая высота ростверка, принимаемая при сборной колонне от дна стакана до верха нижней рабочей арматуры сетки, м, Н₀ = 0,40 м (рис. 12);

Рис.12. Свайный фундамент со стаканным ростверком.

h_c , b_c - как и раньше, длина и ширина сечения колонны, h_c = 0,8 м, b_с = 0,5 м;

с₁,с₂ - расстояние от соответствующих граней колонн до внутренних граней ближайших свай, расположенных за пределами нижнего основания пи­рамиды продавливания, м, принимаемые от 0,4H₀ до Н₀ , с₁=0,23м, что больше 0,4H₀=0,4∙0,4=0,16м, назначается с₂ = 0,16 м;

₁ , ₂ - безразмерные коэффициенты, равные  = H₀/с_i и принимаемые в пределах от 2,5 до 1, ₁ = 0,4 / 0,23 = 1,7, ₂ = 0,4 / 0,16 = 2,5;

R_bt - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению, кПа, для предельного состояния I группы принимаемое с учетом коэффициента условий работы

_в2 =1,1, для заданного в проекте класса бетона В12.5 R_bt= 750∙1,1= 825 кПа.

Реакция одной сваи фундамента может быть определена как

кН,

где G_р =205,9 кН– расчетная нагрузка от собственного веса ростверка и грунта на его ступенях (п. 7.1.8).

За пределами нижнего основания пирамиды продавливания, в данном случае, с одной стороны находятся 3 сваи, поэтому расчетная продавливающая сила

N = P_ф∙6 = 352∙3·2 = 2112 кН.

В правой части условия имеем:

2∙825∙0,40·[1,7(0,5 + 0,16) + 2,5(0,8 + 0,23)] = 2443,3 кН.

Проверяем выполнение условия:

2443,3кН > 2112кН.

Условие выполняется, следовательно, продавливание ростверка колонной не произойдет.

Если условие не выполняется, необходимо:

1) увеличить глубину заложения подошвы ростверка (возрастет H_0), скорректировать длину свай, пересчитать число свай, выполнить проверку расчетного сопротивления грунта в оснований свай и т.п.);

2) по возможности, повысить класс бетона ростверка, установить поперечную арматуру по расчету и т.п.

Предпочтительно выполнить мероприятия по п. 1).