2. Последовательность проектирования свайных фундаментов

• Сбор нагрузок.

• Оценка инженерно-геологических условий площадки строительства. Выбор типа, материала сваи, длины сваи.

• Определение глубины заложения подошвы ростверка.

• Определение несущей способности и расчетных нагрузок, допускаемых на сваю из условия работы сваи по грунту и материалу сваи.

• Определение требуемого количества свай в кусте, шага свай (для лен­точных свайных фундаментов).Уточнение усилий, передаваемых на сваи.

• Конструирование ростверка.

• Проверка свайного фундамента по 1 группе предельных состояний (прочность свай и ростверка, по несущей способности и устойчивости грунта основания).

• Расчет по 11 группе предельных состояний (определение осадки и гори­зонтального смещения свайного фундамента).

3. Оценка инженерно-геологических условий площадки строительства. Выбор типа, материала сваи, длины сваи.

Тип и вид свай принимается исходя из характера напластования грун­тов, в зависимости от оборудования и опыта устройства свайных фундаментов, имеющегося у строительной организации. Наибольшее распространение полу­чили забивные сваи, области применения которых приведены в табл. 1. Однако при значительных нагрузках целесообразно рассмотрение вариантов набивных свай с уширенным нижним концом.

Длина свай определяется расположением слоя относительно прочного грунта, который может воспринять основную часть нагрузки от веса сооруже­ния. Следует учитывать, что наличие слабых слоев под "несущим" слоем может привести к развитию неравномерных осадок сооружения. Кроме того, надо иметь в виду, что нижний конец сваи должен быть погружен в несущий слой не менее чем на 1-1,5 м для всех грунтов, кроме плотных песков и пылевато-глинистых грунтов твердой консистенции (минимальная глубина погружения нижнего конца сваи в эти грунты - 0,5 м). Погружение свай на большую глубину в плотные пески и твердые глинистые грунты затруднительно и требует специ­альных мероприятий: в песках - погружение в предварительно пробуренные (лидерные) скважины, с подмывом водой; в глинистых грунтах - погружение в лидерные скважины.

Если в основании на значительную глубину (более 15 м) отсутствуют прочные грунты (с условным расчетным сопротивлением не менее 200 кПа), то

допускается оставлять нижние концы свай в "малопрочном" грунте, выбрав мак­симальное поперечное сечение сваи при глубине заделки сваи в "несущем" слое не менее 5-6 м.

При проектировании свайных фундаментов стремятся уменьшить попе­речное сечение свай (если их несущая способность обуславливается трением грунта по боковой поверхности). При этом учитывают возможность искривле­ния ствола сваи при ее погружении в грунт. При уменьшении размеров попе­речного сечения сваи увеличивается требуемое число свай в ростверке и умень­шается шаг свай в ленточных ростверках. Основные размеры выпускаемых про­мышленностью свай приведены в табл.2-4. Во всех случаях первоначальный выбор марки сваи является ориентировочным и вопрос об уточнении размеров сваи решается в ходе дальнейшего расчета.

Основные размеры и масса железобетонных призматических свай

Таблица 2

Марка	Сторона.	Длина, м		Масса, т
сваи	сечения, мм	Призм, части	Острия	1 п.м.	Острия
	200	3,0-6,0	150	0,10	0,01
	250	4,5-6,0	260	0,16	0,03
С	300	3,0-12,0	250	0,22	0,05
	350	8,0-16,0	300	0,30	0,06
	400	13,0-16,0	350	0,40	0,08
	300	9,0-15,0	250	0,22	0,04
СН	350	10,0-20,0	300	0,30	0,06
	400	13,0-20,0	350	0,40	0,08
	200	3,0-6,0	150	0,10	0,01
	250	4,5-6,0	250	0,16	0,03
СНпр	300	3,0-15,0	250	0,22	0,04
	350	8,0-20,0	300	0,30	0,06
	400	13,0-20,0	350	0,40	0,08

Основные размеры и масса железобетонных полых круглых цельных и составных свай (ГОСТ 19804.5-83)

Таблица 3

Марка сваи	Размеры, мм			Масса 1 п.м сваи, т
	длина наконечника	наружный диаметр	толщина стен
СК4-40-СК12-40 СК4-50-СК12-50 СК4-60-СК12-60 СК4-80-СК12-80	400 500 600 800	400 500 600 800	80 80 100 100	0,20 0,26 0,39 0,55

Основные размеры и масса свай-оболочек цельных и отдельных секций (ГОСТ 19804.6-83) с толщиной стен 120 мм

Таблица 4

Марка сваи	Размеры, мм		Масса 1 п.м. сваи, т
	длина	наружный диаметр
СО6-100-СО12-100 СО6-120-СО12-120 СО6-160-СО12-160	600-12000	1000 1200 1600	0,83 1,00 1,40
СО6-200 - СО8-200 СО6-300 - СО8-300	6000-8000	2000 3000	1,90 3,00

4. Определение глубины заложения подошвы ростверка

Глубина заложения ростверка назначается исходя из конструктивных особенностей здания (наличия подвала, примыкания фундаментов соседних зданий и т.п.); расчетной глубины промерзания грунта (для пучинистых грун­тов); условий производства работ при возведении фундамента и др. факторов.

Глубина заложения ростверка связана с высотой ростверка, поэтому при выборе проектной отметки низа ростверка следует учитывать, что должна обес­печиваться прочность ростверка как железобетонной конструкции, т.е. должны обеспечиваться условия прочности на продавливание ростверка, обеспечиваться прочность по поперечной силе и другие условия.

В общем случае глубина заложения подошвы ростверка определяется так же, как и для фундаментов неглубокого заложения согласно указаниям СНиП 2.02.01-83*.

В районах глубокого сезонного промерзания грунтов часто ростверк за­кладывают в пределах глубины промерзания грунта с устройством под подош­вой ростверка воздушного зазора размером, несколько большим расчетной ве­личины морозного пучения грунта под ростверком. При этом следует учитывать воздействие касательных сил морозного пучения на боковую поверхность свай.

Для мостовых опор, расположенных в русле реки необходимо учиты­вать глубину размыва дна водотока, отметку меженных вод и отметку нижней кромки льда при низком ледоставе.

5. Определение несущей способности и допускаемой нагрузки на сваю

Допускаемая нагрузка на сваю определяется из условий работы сваи по грунту и материалу. В расчетах используется меньшее значение расчетной на­грузки (несущей способности), допускаемой на сваю, полученной по двум ука­занным условиям .

Несущая способность сваи-стойки "по грунту" определяется по форму­ле: _____/8/ :

где - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое для всех видов забивных свай, опирающихся на скальные и крупнообломочные грунты, а также пылевато-глинистые грунты твердой консистенции с модулем деформации не менее 50 МПа при степени влажности грунта более 0,8 (R=20 МПа, если эта величина не задана в проекте);

А - площадь опирания на грунт сваи, м².

Несущая способность "висячей" сваи (сваи трения - рис.1) определяется по формуле: _____/8/:

где у - коэффициент условия работы сваи в грунте, принимаемый равным 1 (для забивных свай);

А - площадь опирания на грунт сваи, м²;

u_i - наружный периметр поперечного сечения сваи (на i-том участке), м;

H_i - толщина i-го слоя грунта, м;

,-коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погру­жения сваи на расчетные сопротивления грунта (по табл. П1 и П6);

R и f_i; - см. Рис. 1 и табл. П2, ПЗ, П4.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю по величине ее несущей спо­собности по грунту F_d определяется по формуле:

Р=F_d/k_н

где k_н - коэффициент надежности, зависящий от способа определения несущей способности сваи, количества свай в кусте, и, как правило, принимаемый рав­ным 1,4.

Расчетная нагрузка Р_с, кН допускаемая на железобетонную, централь­но-сжатую сваю с симметричным армированием ствола сваи (по сопротивлению материала) определяется по формуле:

где у- коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,85 для свай сече­нием менее 30x30 см и 1 - для свай большего сечения;

R_b - расчетное сопротивление бетона сжатию, кПа (определяется с учетом коэффициента условий работы бетона.

A_b- площадь поперечного сваи, м² ;

R_s- расчетное сопротивление арматуры, кПа;

А_s - площадь сечения арматуры, м²;

- коэффициент продольного изгиба, для низкого ростверка принимается равным 1, для высокого ростверка находится с учетом длины сваи l_i, располо­женный вне грунта ( l_i расстояние от подошвы ростверка до сечения, в котором свая жестко заделана в грунте)

Рис. 1. Расчетная схема для определения несущей способности висячей сваи.

При определении расчетной нагрузки допускаемой на сваю на первом этапе (определяется число свай в ростверке) она рассчитывается как централь­но-сжатая. При действии на сваю продольной силы и момента свая должна быть проверена по сопротивлению материала на внецентренное сжатие.

6. Расчет требуемого числа свай и конструирование ростверка.

Исходя из величины допускаемой нагрузки на сваю (минимальное из величин несущей способности сваи по грунту и по материалу сваи) и условия размещения свай в ростверке находятся условное давление под подошвой рост­верка р_р, кПа, площадь ростверка F_p, м², приближенный вес ростверка G_p, кН по формулам:

р_р = Р/(3а)²,

F_p=N⁰₁/ р_p-n_mh_p ,

G_p=_fFpd_m ,

где N⁰₁ - расчетная нагрузка по верхнему обрезу ростверка, кН;

а - размер поперечного сечения сваи (диаметр), м; _f= 1,1 - коэффициент надежности по нагрузке;

у_т - средний удельный вес материала ростверка и грунта, кН/м³;

d - глубина заложения подошвы ростверка, м.

Количество свай в ростверке с учетом его веса определяется из выраже­ния

n_c=( N⁰₁+G_p)/P,

где - коэффициент, учитывающий действие момента и принимаемый равным =1,1-1,6 (при М=0, =1).

Для ленточных свайных ростверков определяется шаг свай и их распо­ложение в ростверке (одно-, двухрядное, в шахматном порядке). Расположение свай в ростверке зависит, в первую очередь, от действующих нагрузок. При про­ектировании свайных фундаментов следует стремиться к однорядному распо­ложению свай, как более экономичному, принимая, при необходимости, боль­шие размеры поперечного сечения свай и длину свай для восприятия значитель­ных нагрузок. При этом нагрузка принимается на 1 погонный метр длины рост­верка. Требуемое число свай на 1 м длины ростверка определяется по формуле:

n_c=( N⁰₁+G_p)/(P _т) ,

где т - количество рядов свай в ростверке (при расположении свай в шахматном порядке т приближенно равно 1,5 - зависит от принятой ширины ростверка).

Шаг свай в ростверке не должен превышать величины, обратной вели­чине п_с :

S_max-1 /п_с.

При размещении свай в ростверке следует учитывать конструктивные требования, согласно которым сваи, в обязательном порядке, размещаются в местах пересечения продольных и поперечных стен здания. При этом возможно корректирование принимаемого шага размещения свай в ростверке и даже попе­речного сечения свай в целях более полного использования несущей способно­сти свай.

Ростверки под колонны

Ростверки под стены здания

. Рис.2 Примеры размещения свай в плане ростверков.

Для всех ростверков минимальное расстояние от внешнего края рост­верка до грани свай должно быть не менее 100-150 мм.

Расстояния между сваями в ростверках принимается в пределах от 3 до 6 диаметров ствола сваи (размера поперечного сечения). При больших расстоя­ниях в ростверке возникают значительные изгибающие моменты и перерезы­вающие силы (увеличивается расход арматуры). При меньших расстояниях уменьшается несущая способность свай (взаимное влияние близко расположен­ных свай), т.к. несущая способность определяется для одиночной сваи.

Размеры ростверков мостовых опор назначается конструктивно исходя из условий размещения в ростверке свай и опоры. Т.к. ростверк мостовых опор работает на сжатие, проверка прочности ростверка на продавливание и по попе­речной силе не производится.

Расчетная нагрузкаN, передаваемая на сваю для фундаментов промыш­ленных и гражданских сооружений с вертикальными сваями определяется по формуле:

где N₁, M₁,M_1y- соответственно расчетная сжимающая сила и расчетные мо­менты относительно главных осей х и у по плану свай в плоскости подошвы ро­стверка (по I группе предельных состояний);

п_с- число свай в фундаменте;

x_i и y_i,- расстояние от главных осей подошвы ростверка до оси каждой сваи;

х и у - расстояние от главных осей до оси каждой сваи, для которой вычисляет­ся расчетная нагрузка (для свай крайних рядов и угловых свай), м.

Распределение нагрузок между сваями в ростверках мостовых опор оп­ределяется расчетом их как рамной конструкции.

Сваи по несущей способности грунтов основания необходимо прове­рять исходя из условия:

N_maxP.

Если условие не выполняется, увеличивают число свай или расстояние между ними. Это влечет за собой изменения в конструктивном решении рост­верка с необходимостью повторных расчетов. При кратковременной нагрузке (мостовые краны и т.п.) допускается перегрузка крайних рядов свай, но не более чем на 20%. Работа свай "на выдергивание" (N_min < 0) не допускается.

Сваи в кусте внецентренно-нагруженного фундамента следует разме­щать таким образом, чтобы равнодействующая постоянных нагрузок, дейст­вующих на фундамент, проходила возможно ближе к центру тяжести свай. Ти­повые решения по размещению свай в ростверках приведены в /1-3/.

Горизонтальную нагрузку, действующую на фундамент с вертикальны­ми сваями одинакового поперечного сечения, принимают равномерно распреде­ленной между всеми сваями (в расчетах горизонтального смещения ростверка).