3.2 Расчет и проектирование свайного фундамента

3.2.1 Выбор типа свайного фундамента

При выборе конструкции сваи принимают материал, форму сечения и размеры сваи (размеры сваи выбирают предварительно и изменяют в зависимости от результатов последующего расчета). Выбор материала свай определяется гидрогеологическими условиями.

В зависимости от конструктивного решения сооружения и нагрузок свайные фундаменты могут устраиваться в виде:

1) одиночных свай – под колонны или отдельно стоящие опоры при вертикальной нагрузке на фундамент до 1000 кН;

2) кустов – под колонны с размещением двух и более свай, связанных с ростверком;

3) лент – под стены зданий и сооружений с расположением свай в один, два ряда или в шахматном порядке;

4) сплошного свайного поля – под тяжелые сооружения небольших размеров в плане, если по расчету ширина ростверка близка к шагу колонн.

Вид применяемых в фундаменте свай (забивных, буронабивных, буроопускных и т.д.) зависит от грунтовых условий площадки и передаваемых на фундамент нагрузок. В курсовом проекте рекомендуется применять забивные призматические сваи.

В курсовом проекте рекомендуется применять призматические железобетонные сваи.

3.2.2 Выбор глубины заложения ростверка

Глубина заложения подошвы ростверка не зависит от глубины сезонного промерзания (т.е. климатических условий) и определяется только конструктивными требованиями, но должна быть не менее 0,5 м от пола подвала или планировочной отметки.

Высота ростверка под стену принимается для предварительных расчетов равной 300 мм, ширина не менее 400 мм. В ростверках свайных фундаментов каркасных зданий устраивается стакан под колонну, при этом высота ростверка должна быть такой, чтобы слой бетона ниже дна стакана был не менее 400 мм.

3.2.3 Выбор размеров фундамента

Размеры свай (длина и поперечное сечение) выбираются в зависимости от грунтовых условий строительной площадки и нагрузок на фундамент.

Сваи по условиям работы в грунте (в зависимости от свойств грунтов, залегающих под нижним концом) подразделяются на сваи стойки и висячие сваи. Сваи, которые передают нагрузку нижним концом на практически несжимаемые грунты, относят к сваям стойкам. Практически несжимаемыми считаются скальные, крупнообломочные с песчаным заполнителем и глинистые грунты твердой консистенции ( I_L< 0). Силы трения грунта по боковой поверхности свай стоек при расчете их несущей способности не учитываются.

Сваи, погруженные в сжимаемые грунты, относят к висячим. Висячие сваи передают нагрузку на грунт боковой поверхностью и нижним концом. Висячие сваи должны прорезать слабые грунты и заглубляться в малосжимаемые на величину не менее:

– в крупнообломочные грунты и пески крупные и средней крупности, а также в глинистые с показателем текучести I_L ≤ 0,1 на глубину не менее 0,5 м;

– в прочие виды нескальных грунтов – 1 м.

Предварительная длина висячих свай принимается с учетом этих требований в пределах 3-12 м с шагом 0,5 м, а размеры сечения от 20×20 см до 40×40 см. При выборе размеров свай следует исходить из того, что почти всегда (за исключением особых условий) рациональнее применять фундамент с меньшим числом длинных свай, чем фундамент с большим числом коротких свай. Окончательные размер свай уточняют после расчета их несущих способностей и определения количества свай в ростверке.

Длина свай назначается с учетом заделки в ростверк и должна быть увязана с типовой длиной [6]. Сопряжение сваи с ростверком может быть шарнирным или жестким. При шарнирном сопряжении заделка сваи в ростверк осуществляется на 5-10 см. Жесткое сопряжение свай с ростверком предусматривается при расположении свай в слабых грунтах (рыхлых песках, глинистых грунтах текучей консистенции и т.д.) при действии на фундамент нагрузки с большим эксцентриситетом или при значительных горизонтальных нагрузках. В этом случае величина заделки сваи в ростверк должна быть не менее 30 см (из них на 25 см оголяется арматура).

Следовательно, требуемая длина сваи определяется по формуле:

L_св = (0,1 + L_слаб. + L_оп) (3.27)

где 0,1 м – заделка сваи в ростверк;

L_оп – заглубление в прочный грунт;

L_слаб. - толщина слоя слабого грунта.

4.2.4 Расчет несущей способности сваи

Несущую способность свай-стоек определяют по формуле

(3.28)

где g_c – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый g_c = 1;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое для всех видов забивных свай R = 20000 кПа;

A – площадь опирания сваи на грунт, м².

Несущая способность висячих свай по грунту определяется по формуле

(3.29)

где g_c – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый g_c = 1;

g_сR ,g_сf – коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи, принимаемые по табл. 3 [13];

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по табл. 1 [13], в зависимости от z_c – глубины погружения нижнего конца сваи от уровня планировки (рис. 3.9);

u – наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

f_i – расчетное сопротивление i-того слоя грунта по боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл. 2 [13], в зависимости от z_i – средней глубины расположения слоя грунта от уровня планировки (рис. 3.9);

h_i – толщина i-того слоя грунта основания соприкасающаяся с боковой поверхностью сваи, м. Для определения расчетного сопротивления грунта по боковой поверхности сваи толща грунта разбивается на однородные слои мощностью не более 2 м.

Рисунок 3.6 - Расчетная схема к определению несущей способности висячей сваи.

Расчетная нагрузка на сваю F, должна удовлетворять условию:

F =F_d/γ_к, (3.30)

где _k – коэффициент надежности, принимаемый равным:

- 1,2 – если несущая способность сваи определена по результатам полевых испытаний статической нагрузкой;

- 1,25 – если несущая способность сваи определена расчетом по результатам статического зондирования, по результатам динамических испытаний свай и испытаний эталонной сваи;

- 1,4 – если несущая способность сваи определена расчетом.

3.2.5 Определение числа свай и конструирование ростверка свайного фундамента

Количество свай n в ростверке предварительно определяют по формуле:

(3.31)

где N_I – вертикальная нагрузка на обрез фундамента, кН.

Количество свай принимают с округлением в большую сторону. Размещение свай в плане производят с учетом, что минимальное расстояние между осями свай в плане должно не менее 3d (где d – принятый диаметр сваи), а минимальное расстояние от оси сваи до края ростверка – d. При центрально нагруженных свайных фундаментах сваи размещают симметрично относительно центра тяжести подошвы ростверка, следовательно, принимают квадратные ростверки. При внецентренно нагруженных свайных фундаментах принимаются прямоугольные ростверки, вытянутые в плоскости действия изгибающего момента, а сваи располагают таким образом, чтобы момент сопротивления свайного поля в плоскости действия изгибающего момента был максимальным.(см. рисунок 3.7 )

На этом этапе выполняется корректировка числа и размеров свай. Как уже отмечалось, при определении количества свай в ростверке целесообразно повысить несущую способность свайного фундамента за счет увеличения длины свай, а не их количества. При этом длина забивных свай должна составлять не более 10-12 м в связи со сложностью забивки свай на большую глубину. Если расчетное количество свай в ростверке не превышает 6-8, проектируют ростверк. Если число свай превышает восемь штук, необходимо увеличить длину и размеры поперечного сечения свай.

Рисунок 3.7 – Схема размещения свай в ростверке

3.2.6 Определение фактической нагрузки на максимально нагруженную сваю

Для центрально нагруженного свайного фундамента:

(3.32)

где G_p2 – вес ростверка и грунта на его уступах, кН

G_p2 = A h_p _ср (3.33)

_ср = 22 кН/м³ – осредненный удельный вес фундамента и грунта на его уступах;

h_р – высота ростверка, м

А – площадь подошвы ростверка, м²

N_I – нагрузка, действующая по обрезу фундамента, кН

Фактическая нагрузка на максимально нагруженную сваю должна быть не более расчетной, допустимой на сваю. Т.е. должно выполняться условие: NF. Если условие не выполняется, то увеличивают количество свай.

3.2.7 Проверка свайного фундамента на действие моментной нагрузки

После определения размеров ростверка уточняют нагрузку на сваю по

Формуле

F= N_I+ G_p/n ± M_x·x/∑x_i² ± M_y· у/ ∑у_i² (3.34)

где G_p– ориентировочное значение веса ростверка, кН;

M_xи M_y– расчетные изгибающие моменты, кН×м, относительно главных

центральных осей х и у плана свай в плоскости подошвы ростверка;

y_iи x_i– расстояния от главных осей до оси каждой сваи, м;

y и x – расстояние от главных осей до оси каждой сваи, для которой

вычисляется расчетная нагрузка, м.

Значение веса ростверка и грунта на его обрезах можно определить по формулам:

G p d bpl p γmt, (3.35)

где γ_mt– осредненный удельный вес грунтобетонной призмы (20…22 кН/м3).

или

G_р = V_роств * _бет (3.36)

где _бет – удельный вес железобетона

В случае несоблюдения условия;

F ≤F_d/γ_к, (3.37)

размеры сваи корректируют.

3.2.8 Расчет свайного фундамента по деформациям

Расчет свайного фундамента и его основания по деформациям производится как для условного фундамента на естественном основании.

Размеры условного фундамента (рис. 3.8) определяются следующим образом: нижней границей фундамента является плоскость, проходящая через нижние концы свай, верхней – поверхность планировки грунта, боковые грани отстают от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии l·tg(φ_ǁ,mt /4), где l – глубина погружения свай в грунт, считая от подошвы ростверка;φ_ǁ,mt– осредненное по формуле (3.12) расчетное значение углов внутреннего трения слоев грунта, залегающих в пределах l.

В собственный вес условного фундамента включается вес свай, ростверка и грунта в объеме условного фундамента.

Рисунок 3.8 - Расчетная схема к определению размеров условного фундамента

Среднее давление под подошвой условного фундамента определяется по формуле:

где G – вес ростверка, свай и грунта в межсвайном пространстве в объеме условного фундамента:

G = G_роств+G_гр+G_св

G_св = n*V_св * _бет

А_усл – площадь подошвы условного фундамента, м²

А_усл = B_усл * L_усд

V_роств – объем ростверка, м³

_бет – удельный вес железобетона;

V_св – объем сваи, м³

V_усл.ф – объем условного фундамента, м³

V_усл.ф= А_усл*h_усл

Максимальное давление под подошвой фундамента определяется по формуле (3.10). Расчетное сопротивление основания условного фундамента определяется по формуле (3.11) с подстановкой размеров условного фундамента.

Далее проверяется соблюдение условий 3.4 и 3.5 для внецентренно и центрально нагруженных фундаментов соответственно.

3.2.9 Расчет осадки свайного фундамента

Расчет осадки свайного фундамента сводится к определению осадки условного фундамента на естественном основании. Расчет полного значения осадки условного фундамента производят методом послойного суммирования по методике изложенной выше. Расчетная схема для определения осадки свайного фундамента приведена на рис.3.9

Рисунок 3.9 – Расчетная схема к определению осадки свайного фундамента

Найденные значения абсолютной осадки и относительной осадки соседних свайных фундаментов не должны превышать допустимых значений описанных в п.п.4.1.4.