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.

Формули 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].

Статичні випробування паль. Найчастіше випробування на дію вертикальних втискуючих навантажень виконують за схемою, показаною на рис.11.3. Перед проведенням випробувань влаштовують палю на дослідному майданчику (забивна, бурова) і дають їй відпочити (термін його залежить від виду грунтів. За цей період зменшується несуча здатність паль у пісках за рахунок релаксації напружень і збільшується в глинистих грунтах через розсмоктування плівки води довкола палі). Після відпочинку палі п рикладають 1-й ступінь навантаження (0,1÷0,15 від очікуваної несучої здатності палі визначеної розрахунком за формулою 11.2 - перед проведенням статичних випробувань завжди проводяться інженерно-геологічні вишукування, тому ІГУ відомі), витримують його до умовної стабілізації (різниця переміщень палі за останні 1 або 2год спостережень-, залежно від виду грунту на який опирається паля,- не повинна перевищувати 0,1мм). Потім прикладають 2-й ступінь навантаження і т.д. - до тих пір поки не відбудеться зрив палі (нема стабілізації деформацій).

З а результатами випробувань будують графік залежності осідань палі від навантаження (рис. 11.4).

Несуча здатність палі за результатами випробувань визначається за виразом

, де (11.5)

- коефіцієнт умов роботи палі в грунті; - нормативне значення граничного опору палі; - коефіцієнт надійності для грунту.

При кількості дослідних паль менше шести приймають рівним найменшому граничному опору , а - рівним 1. Якщо випробувано шість і більше паль на одній ділянці, то і визначають на основі статистичної обробки окремих значень граничних опорів паль . За граничний опір грунту заглибленню палі приймають навантаження, під дією якого дослідна паля отримає осідання , що визначається за виразом

, де (11.6)

- гранично допустиме середнє осідання будівлі, що проектується; - коефіцієнт переходу від граничного середнього осідання будівлі до осідання палі при статичних випробуваннях з умовною стабілізацією осідань.

Аналогічно виконують випробування паль на дію висмикуючих навантажень. Випробування проводяться відповідно з діючими стандартами [15].

Динамічні випробування паль. Під час забивки палі в грунт за допомогою дизель-молота по мірі того як вона заглиблюється в грунт, останній чинить все більший опір її зануренню. В результаті від кожного удара буде все менше заглиблення палі в грунт. Величина занурення палі в грунт від 1 удару молота називається “відмовою палі”. Після заглиблення палі до проектної відмітки "відмова" буде найменшою. Отже, величина "відмови" певним чином пов‘язана з несучою здатністю палі. Виходячи з цього припущення на основі численних вимірювань "відмови" паль під час їх забивки дизель-молотом до проектної відмітки і наступним визначенням їх несучої здатності випробуваннням статичним втискуючим навантаженням і розроблено метод визначення несучої здатності забивних паль динамічним випробуваннням втискуючим навантаженням.

Випробування паль проводять після їх забивки дзель-молотом до проектної відмітки лише після так званого “відпочинку” палі. (“Відпочинок” палі потрібен для зняття напружень, які виникають на контакті паля-грунт під нижнім кінцем палі і на її бічній поверхні. В залежності від інженерно-геологічних умов будмайданчика, на якому проводяться динамічні випробування, відпочинок може становити від 3год (піщані грунти, крім водонасичених дрібних і пилуватих) до 20діб (глинисті грунти мякопластичної і текучепластичної консистенції). Величина відпочинку може бути більшою, але ні в якому разі не меншою).

Добивку паль, заглиблених до проектної відмітки після відпочинку проводять залогами по 3-5 ударів в кожному. Проводять 3-5 таких залоги. Висота падіння ударної частини дизель-молота повинна бути в цьому випадку однаковою для кожного удара в залозі і у всій серії залогів. За розрахункову приймають найбільшу середню "відмову" з серії залогів.

Формула для визначення несучої здатності забивної палі за результатами динамічних випробувань аналогічна формулі (11.5).

Окреме значення граничного опору палі за результатами динамічних випробувань паль визначається за фомулою

(11.7)

при залишковій “відмові палі” м, який дорівнює заглибленню палі від одного удара молота, а при віброзаглибленні - від роботи віброзаглиблюючих установок на протязі однієї хвилини.

Коли м, то в проекті пальових фундаментів замінюють палебійне обладнання на більш потужніше (більша енергія удара молота), яке викличе м і тоді розрахунок граничного опору палі проводять за формулою (11.7). Якщо ж цього не можна зробити (не можна замінити обладнання), то, за наявності “відмовомірів” значення граничного опору палі визначають за формулою

(11.8)

В наведених формулах використані позначення з ст. 15 [25] ( - коефіцієнт, який приймається в залежності від матеріалу палі; - площа поперечного перерізу палі; - коефіцієнт, який приймається рівним 1 при забивці палі молотами ударної дії і за табл. 11 при віброзаглибленні; - розрахункова енергія удару молота, приймається за табл. 12, або розрахункова енергія віброзаглиблювача - за табл.13; - маса молота чи віброзаглиблювача; - маса палі і наголовка; - маса підбабка; - маса ударної частини молота; - коефіцієнт відновлення удара при забивці залізобетонних паль молотами ударної дії з використанням наголовка з деревяним вкладишем, а при віброзаглибленні;

, де

- коефіцієнти перехода від динамічного до статичного опору грунту; - площа бічної поверхні палі, яка стикається з грунтом; - прискорення вільного падіння; - фактична висота падінняударної частини молота; - висота першого відскоку ударної частини дизель-молота).

Динамічні випробування паль виконуються у відповідності з [15].

За формулами (11.7)-(11.8) можна проводити і контроль несучої здатності паль. Для цього до місця влаштованого пальового поля вивозять палебійне обладнання і проводять контрольну добивку паль, за результатами якої отримують контрольні "відмови" паль і тоді за формулами перевіряють їх несучу здатність.

В изначення несучої здатності паль за результатами статичного зондування. Статичне зондування проводиться шляхом втиснення (за допомогою домкрата і штанг) в грунт зонда у вигляді конуса. Схема випробувань продібна до статичних випробувань паль. Існують конструкції зонда, в яких вимірювання опору грунту під нижнім його кінцем і на бічній поверхні проводиться поперемінно (зонд І-го типу (рис. 11.5) - після завантаження зонда для оцінки граничного опору грунту під його нижнім кінцем проводять втиснення його нижнього кінця, а потім для оцінки граничного опору грунту на бічній поверхні зонда проводять втиснення чи витягування його кожуха В цьому випадку визначається опір грунту під нижнім кінцем зонда на певній глибині і загальний опір грунту на бічній поверхні зонда на всій його довжині) і ті, які дозволяють одночасно фіксувати опір грунту під нижнім його кінцем і на бічній поверхні - зонди ІІ-го і ІІІ-го типу (рис. 11.5).

За результатами експеримента будується графік питомого опору грунту під нижнім кінцем зонда з глибиною (рис. 11.6).

Методика випробувань грунтів статичним зондування викладена в [7].

Результати статичного зондування грунтів використовують для визначення несучої здатності забивних паль. Несучу здатність забивної палі в цьому випадку визначають за формулою

, де (11.9)

- коефіцієнт умов роботи; - кількість точок зондування; - коефіцієнт надійності для грунту, який визначається за результатами статистичної обробки експериментальних результатів зондування; - окреме значення граничного опору палі в точці зондування, яке визначається за формулою

, де (11.10)

- граничний опір грунту під нижнім кінцем палі, який визначається за формулою

(11.11)

- середнє значення граничного опору грунту на бічній поверхні палі в точці зондування, яке визначається для зонда І-го типу за формулою

(11.12)

для зонда ІІ-го і ІІІ-го типу за формулою

(11.13)

В наведених формулах використані позначення з ст. 18 [25] ( - коефіцієнт переходу від до і приймається за табл. 15; - середнє значення питомого опору грунту під нижнім кінцем зонда на ділянці, розміщеній в межах одного діаметра вище і чотирьох діаметрів нижче відмітки нижнього кінця проектуємої палі (де - діаметр круглого чи більша сторона поперечного перерізу палі); - площа поперечного перерізу палі; - периметр поперечного перерізу палі; - глибина заглиблення палі; - коефіцієнти, які приймаються за табл 15; - середнє значення питомого опору і-го шару грунту на бічній поверхні зонда; - середнє значення питомого опору грунту на бічній поверхні зонда І-го типу).

Випробування інвентарних паль.Суть таких випробувань полягає в тому, що замість паль натурних розмірів випробовують інвентарні палі, що представляють собою трубу з наконечником діаметром 114мм. Довжина таких паль відповідає довжині натурних. Після випробувань палі виймаються з грунту і використовуються повторно. Схема випробувань така сама, як і схема випробувань натурних паль. Розрахункові опори грунту під нижнім кінцем та на бічній поверхні інвентарних і натурних паль відрізняються між собою. Це пояснюється, в основному, різницею в площах поперечного перерізу, матеріалів паль, умов їх занурення та ін. Тому для визначення несучої здатності використовують систему поправочних коефіцієнтів, що суттєво знижує достовірність результатів випробувань. Але вартість таких робіт значно нижча ніж вартість випробувань натурних паль.

Існують три типи інвентарних паль: І-й – з наконечником, наглухо з‘єднаним з стовбуром палі, для вимірювання загального опору грунтів заглибленню палі; ІІ-й – з наконечником, який може вільно переміщатися вздовж стовбура палі, для поперемінного вимірювання опору грунтів заглибленню палі на бічній поверхні і під нижнім кінцем палі (після проведення досліджень (зрив палі) для оцінки граничного опору грунту під нижнім кінцем палі проводять втиснення її нижнього кінця на 20мм, а потім для оцінки граничного опору грунту на бічній поверхні палі проводять втиснення чи витягування її стовбура на 12мм); ІІІ-й – з наконечником, який з‘єднаний з стовбуром палі через датчик, для одночасного роздільного вимірювання опору грунтів заглибленню палі на бічній поверхні і під нижнім кінцем палі (крім загального навантаження на палю на кожному ступені завантаження, знімають навантаження з датчика, який реєструє опір грунту під нижнім кінцем палі).

Несучу здатність забивної палі в цьому випадку визначають за формулою (11.9). Окреме значення граничного опору забивної палі , в точці випробування грунтів еталонною палею, визначається за формулою

І типу (11.14)

ІІ і ІІІ типу (11.15)

В наведених формулах використані позначення з ст. 17 [25] ( - коефіцієнт умов роботи палі в грунті; - коефіцієнти умов роботи грунту, відповідно, під нижнім кінцем і на бічній поверхні палі; - периметр поперечного перерізу, відповідно, натурної і інвентарної палі; - несуча здатність інвентарної палі; - площа поперечного перерізу нижнього кінця палі; - розрахунковий опір грунту, відповідно, під нижнім кінцем і на бічній поверхні інвентарної палі; - величина заглиблення натурної палі в грунт).

3 . Визначення осідань пальових фундаментів. Осідання паль-стояків та паль, що сприймають висмикуючі навантаження, не визначають.

Осідання фундаментів на висячих палях визначають як осідання умовного фундаменту ABCD (рис. 11.7) за методиками, що застосовуються для фундаментів мілкого закладення (див п. 9.5)

, де (11.16)

- товщина інженерно-геологічних елементів:

Перед розрахунками перевіряють умову

, де (11.17)

- вага умовного фундаменту; - площа підошви умовного фундаменту; - розрахунковий опір грунту, на який опирається умовний фундамент.

У власну вагу умовного фундаменту при визначенні осідань включають вагу паль, ростверка і грунту в об’ємі цього фундамента. Розрахунки осідань малозавантажених стрічкових пальових фундаментів та одиночних паль можна визначати за методиками додатків 3 і 4 [25].

4 . Розрахунки горизонтально завантажених пальових фундаментів. При дії на пальові фундаменти тільки вертикальних навантажень визначають несучу здатність паль на дію цих навантажень та осідання фундаментів. Якщо паля чи фундамент сприймають моментні та горизонтальні навантаження (рис. 11.8), то необхідно виконати також ще такі розрахунки:

- визначення горизонтального переміщення голови палі і кута її повороту для перевірки виконання умов

, де (11.18)

, - гранично допустимі значення горизонтальних переміщень голови палі і кута її повороту;

- розрахунки стійкості грунту основи, що оточує палю (тільки для паль стороною чи діаметром 0,6м і більше);

- перевірку матеріалу тіла палі за граничними станами першої і другої груп.

Методика розрахунків наводиться в додатку 1 [25]. В статичному відношенні горизонтально завантажена паля розглядається як балка в пружній основі з заданим поперечним перерізом та відомими навантаженнями на одному кінці. На основі будівельної механіки отримані формули для визначення горизонтального переміщення палі, кута її повороту, згинаючих моментів та поперечних сил у будь-якому перерізі по її довжині.

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.