книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

с ростверком делают более надежной, для него головы свай разби­ вают и обнаженную арматуру замоноличивают в бетон ростверка.

После размещения свай в плане и уточнения габаритных раз­ меров ростверка определяют нагрузку N, приходящуюся на каждую сваю, и проверяют условие

где N01, п, Fd и yk — то же, что и в формуле (11.16); G/ и Gg — расчетные нагрузки от веса фундамента и грунта на обрезах ро­ стверка, кН.

Если условие (11.17) не выполняется, то необходимо выбрать или другой тип свай, имеющий более высокую несущую способ­ ность, или увеличить число свай в фудаменте и повторить расчет.

Для свайного фундамента под стену (ленточный свайный фун­ дамент) число свай на 1 м, найденное по формуле (11.16), может быть дробным. Расчетное расстояние между осями свай по длине стены определяется по формуле

Полученный результат округляется таким образом, чтобы шаг свай был кратен 5 см. В зависимости от величины й определяется число рядов свай, при этом расстояние между осями свай принима­ ется не менее 3d.

Рекомендуются следующие варианты размещения свай в плане (см. рис. 11.3, б):

однорядное, если 3d<a<6d. Расстояние между осями свай более 6d принимать не рекомендуется, так как в этом случае значительно увеличиваются размеры ростверка. Если по расчету a>6d, то мож­ но изменить длину или сечение сваи, чтобы уменьшить ее несущую способность;

двухрядное шахматное, если п< 2 и l,5d<a^3d. Расстояние меж­ ду двумя рядами свай ср в этом случае определяется по формуле

двухрядное, если л>2 и a=l,5d. Расстояние между рядами при­ нимается ср= 3d.

Из-за значительного увеличения размера ростверка принимают, как правило, не более двух рядов свай. Если же по расчету получает­ ся a<l,5d, то лучше увеличить длину сваи или ее сечение, т. е. несущую способность.

Ширину ростверка ленточного свайного фундамента определяют

где со=0,1 м — расстояние от края ростверка до грани сваи; т — число рядов свай, ср— расстояние между рядами свай, м.

311

Железобетонные ростверки ленточных свайных фундаментов рассчитывают как неразрезные многопролетные балки в соответст­ вии с требованиями СНиП 2.02.01 — 84.

В § 11.2 отмечалось, что, по опытным данным, несущая способ­ ность сваи куста н одиночной сваи может быть существенно различ­ на за счет более интенсивного уплотнения грунта при забивке группы свай и снижения сил трения по их боковым поверхностям при совместной работе.

На кафедре механики грунтов, оснований и фундаментов МИСИ Н. М. Дорошкевич и Б. А. Сальниковым разработан метод опреде­ ления несущей способности сваи в фундаменте, учитывающий эти факторы. Формула для определения несущей способности сваи име­ ет вид, аналогичный формуле (11.5):

где £* и Аь — коэффициенты соответственно увеличения сопротив- ления грунта под нижним концом сваи в результате его уплотнения и уменьшения сопротивления по боковой поверхности сваи в ре­ зультате совместной работы свай в фундаменте; остальные обозна­ чения те же, что и в формуле (11.5).

Для свайных фундаментов с расстоянием между осями свай М В. И. Кудиновым составлены таблицы коэффициентов В6 и Аь, которые определяются в зависимости от числа свай в фундаменте и относительной глубины их погружения rj=ljd, где / — длина сваи.

Внецентреш© нагруженный свайный фундамент. Предварительное число свай при внецентренном нагружении свайного фундамента определяют, так же как и при центральной нагрузке, по формуле (11.16), а затем увеличивают приблизительно на 20%.

Расчетную нагрузку, приходящуюся на отдельную сваю, в об­ щем случае, когда моменты действуют в направлении двух осей, определяют по формуле внецентренного сжатия

Д, М ,х

(11.21)

где Nj, Мх, Му — соответственно расчетная вертикальная нагрузка, кН, и расчетные изгибающие моменты, кН м, относительно глав­ ных центральных осей х н у плана свай в плоскости подошвы ростверка (рис. 11.16); п — число свай в фундаменте; xitу, — рассто­ яния от главных осей до оси каждой сваи, м; х, у — расстояния от главных осей до оси сваи, для которой вычисляется расчетная нагрузка, м.

Максимальное усилие на сваю, найденное по формуле (11.21), должно удовлетворять условию (11.13). При кратковременных (вет­ ровых, крановых и т. п.) и особых нагрузках допускается перегрузка крайних свай до 20%.

312

или по результатам испытания сваи пробной нагрузкой, кН. Экспериментальные исследования 3. Сирожиддинова, В. И. Ку­

динова, Е. П. Знаменской и других показали, что в результате крена внецентренно нагруженного куста возникают силы горизонтального отпора грунта, действующие на боковые поверхности свай. Эти силы, создающие момент, обратный приложенному, что разгружает крайние сваи куста, можно учесть введением в формулу' (11.21) коэффициентов кх и ку, снижающих внешние моменты. Формула (11.21) примет вид

„ Nd кхМхУ куМуХ

* я Г ^ ±Т 5 Г ±Т З "

*Лешин. Г. М. Номограмма для подборки куста свай под колонну каркасных зданий — Материалы по проектированию сложных фундаментов и оснований и по производству изысканий: Сб. тр. № 13/Фундаментпроект — М.: ЦБНТИ Минмонтажспецсгрой СССР, 1973.

313

Рис. 11.17. Схемыусловныхфундаментовдлярасчетапо второйгруппепредельных состояний

Значения коэффициентов кх и ку зависят от многих факторов: характеристик грунтов, числа свай в фундаменте, их длины и т. д. При глубине забивки свай не более 6 м их можно определить расчетом по формулам В. И. Кудинова, а в других случаях исполь­ зовать их эмпирические значения, полученные опытным путем 3. Сирсжиддиновым.

Методика расчета внецентренно нагруженных кустов свай с уче­ том горизонтального реактивного отпора грунта, позволяющая более экономично запроектировать свайный фундамент, была с ус­ пехом использована при проектировании ряда промышленных объектов Алтайского края и в настоящее время совершенствуется.

Расчет осадки свайного фундамента. Сложность определения оса­ док свайных фундаментов связана с тем, что они передают нагрузку на грунт основания одновременно через боковую поверхность и нижние концы свай, при этом соотношение передаваемых нагру­ зок зависит от многих факторов: числа свай в фундаменте, их длины, расстояния между сваями, свойств грунта и степени его уплотнения при погружении свай.

Всвязи с этим при разработке методов расчета осадок свайных фундаментов принимаются те или иные упрощающие допущения, снижающие их точность. С другой стороны, чем точнее расчетная схема отражает фактическую работу свайного фундамента, тем сложнее методика расчета.

Внастоящее время в большинстве случаев свайный фундамент при расчете его осадок рассматривается как условный массивный фундамент на естественном основании. Это означает, что сваи,

314

грунт межсвайного пространства, а также некоторый объем грунта, примыкающего к наружным сторонам свайного фундамента, рас­ сматриваются как единый массив АБВГ (рис. 11.17, а), ограничен­ ный снизу плоскостью БВ, проходящей через нижние концы свай, а с боков — вертикальными плоскостями АБ и ВГ, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии с, равном

где h — глубина погружения свай в грунт, считая от подошвы ростверка, м; фц м — осредненное расчетное значение угда внут­

реннего трения грунта:

Фп, i — расчетные значения углов внутреннего трения для отдель­

ных пройденных сваями слоев грунта толщиной Af.

Размеры подошвы условного фундамента при определении его

где аь и щ — расстояния между осями сваи соответственно по поперечным и продольным осям, м; ть и гщ — количество рядов свай по ширине и длине фундамента (на рис. 11.17, а ть=3; т[=4); d — диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи, м.

При наличии в фундаменте наклонных свай плоскости АБ а ВГ проходят через их концы (рис. Ц.17, б). Размеры подошвы условно­ го фундамента в этом случае определяются расстояниями между нижними концами наклонных свай.

Если в пределах глубины погружения свай залегают слои торфа или ила толщиной более 30 см, то, поскольку трение в них принима­ ется равным нулю, осадку свайного фундамента из висячих свай определяют с учетом уменьшенных габаритов условного фундамен­ та, который принимается ограниченным с боков вертикальными плоскостями, отстоящими от наружных граней крайних рядов свай на расстоянии с', определяемом как

где hm — расстояние от нижнего конца сваи до подошвы слоя

торфа или ила (рис. 11.17, в), м; Фи, mt — осредненное расчетное

значение угла внутреннего трения грунта, определяемое по формуле (11.24) для слоев, залегающих ниже слоя торфа или ила.

Во всех рассмотренных случаях При определении осадок расчет­

315

ная нагрузка, передаваемая условным фундаментом на грунт ос­ нования, принимается равномерно распределенной.

Расчет осадки свайного фундамента, как условного массивного, выполняется теми же методами, что и расчет фундамента мелкого заложения. При этом также требуется выполнение условия, чтобы среднее давлениерц по подошве условного фундамента не превыша­

ло расчетное сопротивление грунта основания R на этой глубине, т. е.

где Ау=Ьу1у— площадь подошвы условного фундамента, м2; Nu — расчетная нагрузка по второй группе предельных состояний, кН, определяемая с учетом собственного веса условного фундамента по формуле

где iVon— расчетная нагрузка от веса здания или сооружения на

уровне верхнего обреза фундамента, кН; Ncu, Npii, 7Vrii — вес соот­

ветственно свай, ростверка и грунта в объеме условного фундамен­ та АБВГ, кН.

Расчетное сопротивление грунта .основания R определяется, как и при расчете фундаментов мелкого заложения, по формуле (9.5), но с заменой фактической ширины и глубины заложения фундамента на условные.

Осадка свайного фундаментах определяется, как правило, мето­ дом элементарного суммирования. Последовательность расчета та же, что и в случае фундамента мелкого заложения (см. § 10.3). Полная осадка фундамента, определенная по формуле (7.13), не должна превышать ее предельного значения в соответствии с усло­ вием (11.14).

Как и для фундаментов мелкого заложения, кроме вычисления осадок расчет свайных фундаментов по деформациям включает также проверку относительной разности осадок, а при действии внецентренных нагрузок — и кренов.

Наряду с изложенными в последние годы разработан ряд мето­ дов, позволяющих рассчитывать свайные фундаменты с учетом глубины приложения нагрузки и базирующиеся на задаче Мивдлина О сосредоточенной силе, приложенной внутри линейно деформиру­ емого полупространства. Для ленточных свайных фундаментов та­ кой метод разработан А. А. Бартоломеем (см. Приложение 2 СНиП 2.02.03 — 85). Соответствующее решение для кустов свай при рас­ чете их осадок методом послойного суммирования получено Н. М. Дорошкевич, а методом эквивалентного слоя — В. В. Знаменским.

Вместе с именами ученых и исследователей, упомянутых в раз­ личных разделах главы, необходимо назвать и имена инженеров-

316

проектировщиков А. А. Ободовского, Г. М. Лешина и Р. Е. Ханина, которые в своей профессиональной деятельности объединили прак­ тику проектирования с достижениями науки и способствовали ши­ рокому внедрению свай в отечественное фундаментостроение.

Глава 12

ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ОСНОВАНИЙ

12.1. Общие положения

За последние 15 лет наблюдается неуклонное увеличение объема строительства в сложных инженерно-геологических условиях. Если в 1985 г. его удельный вес составлял около 45%, то к 1990 г. он достиг 50%. Все чаще для строительства используются площадки,, сложенные слабыми грунтами — илами, рыхлыми песками, заторфованными отложениями. Особую проблему представляет стро­ ительство в регионах, характеризуемых распространением так на­ зываемых региональных типов грунтов, обладающих специфичес­ кими свойствами. К ним относятся вечномерзлые грунты, лессовые просадочные грунты, набухающие, засоленные грунты, озерно-лед­ никовые отложения. Особое место занимают насыпные грунты, представленные толщами разнородных отложений, сформировав­ шихся в результате техногенной деятельности человека, а также создаваемые целенаправленно отсыпкой или намывом с исполь­ зованием естественных грунтовых материалов или промышленных отходов.

Некоторые из указанных грунтов (илы, заторфованные грунты, рыхлые пески, насыпные грунты) в природном состоянии имеют невысокую несущую способность и повышенную сжимаемость. Для других характерно существенное ухудшение механических свойств при определенных воздействиях (например, замачивание лессовых грунтов под нагрузкой, оттаивание мерзлых грунтов, рассоление ^ засоленных грунтов и т. д.). Недооценка этих явлений может приве­ сти к большим, часто неравномерным осадкам или просадкам, а в худшем случае — к потере устойчивости оснований.

Современное состояние строительной науки, конструкторской и технологической базы дают широкий выбор средств строительст­ ва сооружений в сложных условиях. В их число входят многочислен­ ные способы направленного воздействия на строительные свойства оснований. Эти способы позволяют увеличить несущую способ­ ность оснований, уменьшить их деформируемость и в отдельных случаях водопроницаемость. Часто за счет этих мероприятий удает­ ся отказаться от применения сложных и дорогостоящих конструк­ ций фундаментов и сооружений. Многие из этих способов оказыва-

317

ются единственно приемлемыми при реконструкции зданий и со­ оружений, при возведении сооружений в условиях стесненной , за­ стройки.

Методы преобразования строительных свойств оснований мож­ но разделить на три группы:

конструктивны е методы , которые в отличие от других мето­ дов не улучшают свойства самих грунтов, а создают более благо­ приятные условия работы их как оснований за счет регулирования напряженного состояния и условий деформирования;

уплотнение грунтов, осуществляемое различными способами и направленное на уменьшение пористости грунтов, создание более плотной упаковки минеральных агрегатов;

закрепление грунтов, заключающееся в образовании про­ чных искусственных структурных связей между минеральными ча­ стицами.

Основания с измененными таким образом свойствами называют

искусственными или искусственно улучшенными (в отличие от есте­ ственных оснований). Выбор методов преобразования строитель­ ных свойств оснований зависит от характера напластований, типов грунтов и их физико-механических свойств, особенностей сооруже­ ний и интенсивности передаваемых ими нагрузок, решаемых ин­ женерных,задач, технологических возможностей строительных ор­ ганизаций и т. д.

12.2. Конструктивные методы улучшения работы грунтов в основаниях сооружений

Устройство грунтовых подушек. Если в основании фундамента залегают слабые грунты (илы, текучие пылевато-глинистые грунты, торфы, заторфованные, малоуплотненные насыпные или пучинистые грунты), обладающие низкой несущей способностью и повы­ шенной сжимаемостью, то их использование в качестве естествен­ ных оснований чаще всего оказывается невозможным или нецелесо­ образным. В этом случае экономичной может оказаться замена слабого грунта другим, обладающим достаточно высоким сопроти­ влением сдвигу и имеющим малую сжимаемость, который образует так называемую грунтовую подушку.

В качестве материала грунтовых подушек обычно используют крупнообломочные грунты (гравий, щебень), крупные и. среднезер­ нистые пески, шлак и т. д.

При устройстве грунтовых подушек в лёссовых основаниях при­ меняют перемятые местные грунты. Наиболее часто грунтовые подушки имеют толщину в пределах 1...3 м.

При решении вопроса о назначении толщины грунтовых поду­ шек могут быть два случая. Возможен вариант (рис. 12.1, а), когда слой слабого грунта подстилается более прочным и маЛосжимаемым грунтом, причем расстояние от подошвы фундамента до

318

кровли прочного грунта z не превышает 1...3 м. Тогда целесообразно пол­ ностью удалить слабый грунт в пределах этой глу­ бины и заменить его, на­ пример, песком, создав песчаную подушку. Когда пласт слабого гру­ нта имеет большую тол­ щину (рис. 12.1, б), то пол­ ная замена слабого грун­

та оказывается неэкономичной и прибегают к устройству грунтовых подушек «висячего» типа, подстилаемых слабым грунтом. Если в первом случае выбор толщины грунтовой подушки однозначен, то во втором случае ее толщина должна быть подобрана таким образом, чтобы обеспечивалась надежность решения в соответствии с принципами проектирования оснований по предельным состо­ яниям.

Порядок проектирования грунтовых подушек сводится к следу­ ющему. Задавшись расчетными значениями физико-механических характеристик материала подушки, определяют ориентировочные размеры фундамента в плане. Далее, варьируя толщину подушки и, если необходимо, размеры фундамента, устанавливают такую тол­

где р2— сумма давлений, передаваемых на подстилающий слой слабого грунта от фундамента и веса грунтовой подушки:

уп и z — соответственно удельный вес и толщина грунтовой подуш­ ки; р0— дополнительное давление под подошвой фундамента; Rz — расчетное сопротивление грунта, слагающего слабый подсти­ лающий слой.

Далее производится расчет деформаций основания. Если со­ вместная деформация грунтовой подушки и подстилающего грунта s окажется больше предельно допустимой величины suдля данного сооружения, то толщина подушки должна быть увеличена до раз­ мера, при котором будет выполнено условие s ^ s u.

Ширина подушки понизу bz зависит от угла ^ (рис. 12.1, б), часто называемого углом распределения напряжений. Для песка обычно принимают Д=30...350, для гравия /?=40...45°. Таким образом,

При применении грунтовых подушек уменьшаются осадки фун­ даментов, так как модуль деформации грунтов в теле подушек, как

319

правило, больше 15...20 МПа, что в несколько раз превышает модуль деформации слабых грунтов. Грунтовые подушки могут устраиваться под отдельные фундаменты (ленточные и реже сто­ лбчатые), под группу фундаментов или под все сооружение. При устройстве грунтовых подушек за счет снижения общих осадок фундаментов уменьшается также неравномерность осадок. Подуш­ ки из несвязных материалов одновременно выполняют роль дрени­ рующего слоя при фильтрации поровой воды из нижележащих водонасыщенных грунтов в процессе их уплотнения. Применение грунтовых подушек из песчаных и крупнообломочных грунтов по­ зволяет также уменьшить глубину заложения фундаментов из усло­ вия промерзания оснований, так как пучинистые пылевато-глини­ стые грунты заменяются непучинистыми.

При устройстве грунтовых подушек в толще слабых водонасы­ щенных пылевато-глинистых грунтов для обеспечения устойчивости откосов строительного котлована можно использовать распорные крепления или шпунтовые ограждения. Целесообразно в этих случа­ ях применять также строительное водопонижение.

Грунтовые подушки необходимо возводить таким образом, что­ бы добиться максимальной плотности укладки грунта. При боль­ ших размерах в плане подушки отсыпаются послойно при толщине слоя 15...20 см. Каждый слой грунта уплотняется катками. При устройстве подушек под отдельно стоящие фундаменты материал подушек уплотняется при помощи виброплит, вибротрамбовок, пневмотрамбовок. Уплотнение производят до получения заданной плотности скелета грунта, равной 1,65...1,75 г/см3.

Шпунтовые конструкции как ограждающие элементы могут быть использованы для улучшения условий работы грунтов в основаниях сооружений.

320