13. Свайные фундаменты. Общие сведения. Виды свай и свайных

Фундаментов

Свайные и столбчатые фундаменты сооружают в тех случаях, когда в верхних слоях грунтовой толщи залегают грунты, имеющие низкую прочность и высокую сжимаемость. Их сооружают также в плотных грунтах, залегающих у поверхности, но при большой глубине воды. В практике строительства известно более 150 видов свай. Группа свай, объединенная сверху (по «головам» свай) распределительной плитой, называемой ростверком, образует свайный фундамент.

Основным конструктивным элементом свайного фундамента являются сваи – относительно длинные конструктивные элементы, располагаемые в грунте в вертикальном или наклонном положении и предназначенные для передачи нагрузки на лежащие ниже плотные слои грунта. Сваи передают на грунты нагрузки от сооружения и обеспечивают его устойчивость и жесткость.

В зависимости от материала, формы, конструкции, способа изготовления и условий работы можно выделить следующие виды свай.

1. По материалу – сваи могут быть деревянными, железобетонными, бетонными и стальными, а также комбинированными из стальной оболочки (трубы), заполненной сваи называют сталебетонными. Иногда применяют сваи, составленные по длине из разных материалов, преимущественно из дерева в нижней части и из железобетона или стальных труб, заполненных бетоном, в верхней части.

2. По форме поперечного сечения – сваи могут быть круговыми, прямоугольными, квадратными, многоугольными и кольцевыми. Значительно реже встречаются более сложные формы сечения, например двутавровые, коробчатые, тавровые.

3. По форме продольного сечения – сваи могут быть пирамидальными (а), ромбовидными (б), коническими, цилиндрическими, призматическими (в), а также неправильного очертания, меняющегося по длине сваи. Нижний конец сваи может быть плоским, иметь механическое (пяту–г) или камуфлетное (д) уширение, или заострен (е) (рис. 5.2)

а ) б) в) г) д) е)

Формы продольного сечения свай

4. Ствол сваи может быть сплошным или пустотелым. Пустотелые железобетонные и стальные сваи после погружения обычно заполняют бетоном, реже – песчаным грунтом или оставляют незаполненными.

5. По способу изготовления:

а) забивные, погружаемые в грунт без его выемки с помощью молотов, вибропогружателей, вибровдавливающих и вдавливающих устройств;

б) сваи–оболочки железобетонные, заглубляемые вибропогружателями с выемкой грунта и заполненные частично или полностью бетонной смесью;

в) набивные бетонные и железобетонные, песко– и грунтобетонные, устраиваемые в грунте путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате принудительного вытеснения грунта;

г) буровые железобетонные, бетонные, устраиваемые в грунте путем заполнения пробуренных скважин грунтовой смесью или установки в них железобетонных элементов;

д) винтовые.

6. По условиям взаимодействия с грунтом основания:

а) сваи–стойки, передающие нагрузку на грунт нижним концом и опирающиеся на скальные и малосжимаемые грунты, к которым относятся крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем средней плотности, а также грунты твердые с модулем деформации Е ≥ 50 МПа;

б) висячие сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку на грунты основания боковой поверхностью и нижним концом;

в) сваи трения, передающие нагрузку только трением по боковой поверхности (анкерные, воспринимающие растягивающие усилия);

г) сваи уплотнения с наклонной боковой поверхностью (канонические, пирамидальные, клиновидные).

7. По характеру действующего усилия – сжатые и растянутые, а также работающие на изгиб. Кроме того, сваи могут испытывать выдергивающие усилия. Выдергиванию свай, называемых в этом случае анкерными, оказывают сопротивление силы трения, а при уширенном конце – и вес вышележащего грунта. Сопротивление выдергиванию значительно меньше сопротивления сжатию.

8. По направлению погружения – вертикальные и наклонные. Наклонное расположение применяют для увеличения жесткости (в горизонтальном направлении) свайного фундамента.

Деревянные сваи. Деревянные сваи изготовляют из деревьев хвойных пород, преимущественно из сосны, не ниже второго сорта диаметром в тонком отрубе 160…340 мм. Рекомендуется применять лес зимней рубки. Влажность леса не ограничивается. Бревна очищают от коры, сучьев и наростов. Длина свай обычно составляет от 4,5 до 8,5 м. Сваи погружают в грунт тонким концов. Если сваю забивают в плотные грунты или грунты, содержащие твердые включения (прослойки гравия, гальки и пр.), острие сваи защищают от повреждений стальным трехгранным башмаком. Верхний конец сваи (голову) обрезают перпендикулярно к продольной оси и при забивке молотами одиночного действия укрепляют от раскалывания и размочаливания бугелем из полосовой стали размером 50х12–100х20 мм. Бугель насаживают на голову сваи в горячем состоянии с тем, чтобы, остывая, он плотно сжал древесину. При отсутствии длинномерного леса бревна наращивают в торец, используя стяжные хомуты, а также стальные или деревянные накладки на болтах.

При необходимости забивки длинных свай (до 25 м) большой несущей способности применяют пакетные деревянные сваи, сплоченные из трех или четырех бревен, которые соединяют между собой болтами или нагелями.

Деревянные сваи должны быть всегда погружены в грунт ниже уровня грунтовых вод, так как в условиях переменной влажности древесина быстро загнивает, (особенно в песчаных грунтах); при низком уровне грунтовых вод это может привести к столь глубокому заложению плиты фундамента, что применение деревянных свай станет невыгодным.

Недостатками деревянными свай являются ограниченная длина, сравнительно небольшая несущая способность, трудность погружения в плотные грунты.

Стальные сваи применяют преимущественно в сложных геологических условиях, когда непосредственное заглубление железобетонных свай невозможно, например в галечно–валунные отложения, в грунты, имеющие твердые включения в виде валунов, заиленных предметов и т.п. Сваи необходимой длины получают сваркой встык отдельных секций. Недостаток – большая коррозийность, дефицит металла и высокая его стоимость, поэтому применяют ограничено.

Железобетонные сваи. Преимущественно применяют железобетонные призматические сваи сплошного сечения и сваи цилиндрические полые.

Цилиндрические полые сваи делают сборными из железобетонных центрифугированных звеньев длиной от 8 до 12 м. Сваи центрифугированного изготовления имеют более плотный бетон по сравнению с призматическими, что особенно важно для фундаментов, находящихся в агрессивной среде.

Если учесть, что одна полая свая по несущей способности может заменить две–три сваи сплошного сечения, то очевидно преимущество таких свай.

Сплошные сваи делают с обычной или напрягаемой арматурой из бетона не ниже В15 (С 12/15) для обычных свай и В22,5 (С 18/22,5) для предварительно напряженных. Сечение свай квадратное размерами 20х20, 25х25, 30х30, 35х35 и 40х40 см – без поперечного и с поперечным армированием.

В сваях без предварительного напряжения, изготовляемых длиной от 3 до 6 м с интервалом 0,5 м, от 6 м и более – через 1 м, продольная (рабочая) арматура ставится в количестве от 4 до 12 стержней диаметром от 12 до 28 мм класса А–II (С 400). Защитный слой арматуры – не менее 3 см.

Поперечная арматура в виде спирали имеет шаг у концов сваи 50 мм, у середины – 100–200 мм. Армирование свай, используемых для фундаментов на восприятие сжимающих нагрузок, определяют расчетом на изгиб при подъеме свай на копер от воздействия их веса с коэффициентов динамичности 1,25 при расчете на прочность и 1,5 на трещиностойкость.

В средней части сваи располагают две строповочные петли для захвата свай при выемке из пропарочной камеры, их транспортировании и складировании. Места установки петель определяются расчетом на изгиб от собственной массы сваи, но не менее 0,2L от концов сваи.

Поперечную арматуру, строповочные петли, сетки в голове сваи обычно изготовляют из малоуглеродистой стали диаметром не меньше 5 мм.

В верхней части сваи – «голове», непосредственно воспринимающей удар молота, для исключения их повреждения при забивке в тяжелые грунты размещают от трех до пяти сеток из стержней диаметром 5 – 8 мм. Первую сетку устанавливают на расстоянии 30 – 50 мм от торца, а затем через каждые

50 мм друг от друга с ячейками до 5 см.

14. Расчет свайных фундаментов по предельным состояниям

Расчёт свайных фундаментов и их оснований производится по двум группам предельных состояний:

1) по первой группе предельных состояний определяют несущую способность сваи по грунту, прочность материала свай и ростверков, по несущей способности оснований свайных фундаментов, если на них передаются значительные горизонтальные нагрузки или если основания ограничены откосами или сложены крутопадающими слоями грунта. Расчёт ведётся на основные и особые сочетания расчётных нагрузок с использованием расчётных характеристик материалов и грунтов. Одиночную сваю в составе фундамента и вне его по несущей способности грунтов основания рассчитывают исходя из условия:

;

где N – расчетная нагрузка, передаваемая на сваю (наиболее невыгодное сочетание), кН;

γ_к – коэффициент надежности;

P_св – расчётная нагрузка, допускаемая на сваю, кН;

F_d – расчётная несущая способность грунта основания одиночной сваи или материала;

2) по второй группе предельных состояний рассчитываются осадки оснований фундаментов, горизонтальные перемещения свай и свайных фундаментов, образование или раскрытие трещин в элементах железобетонных конструкций. Расчет по деформациям необходимо выполнять на основные сочетания нагрузок. При расчете по второй группе предельных состояний (по деформациям) должно удовлетворяться условие:

S ≤ S_U

где S – расчетная величина осадки, перемещения свай или фундамента, определяемая расчетом;

S_U – предельно допустимая величина деформации, устанавливаемая нормами (СНБ) или заданием на проектирование.

15. Определение несущей способности свай–стоек

После определения и подбора длины сваи рассчитывается несущая способность свай.

Несущую способность свай–стоек определяют по материалу и по грунту.

Несущая способность F_d, кН, железобетонной призматической забивной сваи по материалу определяется по формуле:

F_d = _cв∙ φ(R_b∙A  R_S · А_S); (5.4)

где _cв – коэффициент условия работы = 0,85, если сечение сваи < 30х30 см, _cв =1 если сечение сваи > 30х30 см;

φ – коэффициент, учитывающий продольный изгиб сваи;

R_b – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, кПа;

А – площадь поперечного сечения сваи, м²;

А_S – площадь поперечного сечения всех продольных стержней арматуры, м².

При определении несущей способности свай по материалу расчетное сопротивление бетона осевому сжатию R_b следует определять с учетом коэффициента условий работы γ_св = 0,85.

Несущая способность свай–стоек по грунту F_d, кН, определяется по формуле:

F_d = _c∙R∙A, (5.5)

где _c – коэффициент условия работы сваи в грунте, принимаемый _c =1

R – расчётное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кН, принимаемое для всех видов забивных свай, опирающихся на скальные и крупнообломочные (валунные, галечниковые, щебенистые, гравийные и дресвяные), грунты с песчаным заполнителем, а также пылевато-глинистые грунты твердой консистенции, если эта величина для них не задана в проекте R = 20000 кПа (20 МПа).

А – площадь опирания на грунт сваи, м²