Плешко М.С. Основания и фундаменты тр. сооруж. Для практич. зан. и ргр. для студ. спец. Строит. ж.д. мостов и тр. тон. 2017

5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

5.1 Основные указания по расчету

Свайные фундаменты мостов в обычных условиях следует проектировать в соответствии с указаниями СП 35.13330 и СП 24.13330.2011.

Выбор конструкции фундамента (свайного, на естественном или искусственном основании), а также вида свай и типа свайного фундамента (например, свайных кустов, лент, полей) следует производить исходя из конкретных условий строительной площадки, характеризуемых материалами инженерных изысканий, расчетных нагрузок, действующих на фундамент, на основе результатов технико-экономического сравнения возможных вариантов проектных решений фундаментов (с оценкой по приведенным затратам), выполненного с учетом требований по экономному расходованию основных строительных материалов и обеспечивающего наиболее полное использование прочностных и деформационных характеристик грунтов и физико-механических свойств материалов фундаментов.

Свайные фундаменты следует проектировать на основе результатов ин- женерно-геодезических, инженерно-геологических, инженерно - гидрометеорологических изысканий строительной площадки, а также на основе данных, характеризующих назначение, конструктивные и технологические особенности проектируемых сооружений и условия их эксплуатации, нагрузки, действующие на фундаменты, с учетом местных условий строительства. Проектирование свайных фундаментов без соответствующего и достаточного инженерногеологического обоснования не допускается.

Расчет свайных фундаментов и их оснований должен быть выполнен по предельным состояниям:

а) первой группы:

по прочности материала свай и свайных ростверков;

по несущей способности грунта основания свай;

по несущей способности оснований свайных фундаментов, если на них передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций и др.) или если основания ограничены откосами или сложены крутопадающими слоями грунта и т.п.

б) второй группы:

по осадкам оснований свай и свайных фундаментов от вертикальных нагрузок;

по перемещениям свай (горизонтальным up, углам поворота головы свай p) совместно с грунтом оснований от действия горизонтальных нагрузок

имоментов;

по образованию или раскрытию трещин в элементах железобетонных конструкций свайных фундаментов.

Одиночную сваю в составе фундамента и вне его по несущей способности грунтов основания следует рассчитывать, исходя из условия:

21

где N – расчетная нагрузка, передаваемая на сваю (продольное усилие, возникающее в ней от расчетных нагрузок, действующих на фундамент при наиболее невыгодном их сочетании;

Fd – расчетная несущая способность грунта основания одиночной сваи, называемая в дальнейшем несущей способностью сваи;

γ0 – коэффициент условий работы, учитывающий повышение однородности грунтовых условий при применении свайных фундаментов, принимаемый равным γ0 = 1 при односвайном фундаменте и γ0 = 1,15 при кустовом расположении свай;

γn – коэффициент надежности по назначению (ответственности) сооружения, принимаемый равным 1,2; 1,15 и 1,10 соответственно для сооружений I, II и III уровней ответственности;

γк – коэффициент надежности, принимается равным: 1,2 – если несущая способность свай определена по результатам полевых испытаний статической нагрузкой; 1,25 – если несущая способность сваи определена расчетом по результатам статического зондирования грунта, по результатам динамических испытаний сваи, выполненных с учетом упругих деформаций грунта, а также по результатам полевых испытаний грунтов эталонной сваей или сваей-зондом; 1,4 – если несущая способность сваи определена расчетом, в том числе по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учета упругих деформаций грунта; 1,4 (1,25) – для фундаментов опор мостов при низком ростверке, на висячих сваях (сваях трения) и сваях-стойках, а при высоком ростверке – только при сваях-стойках, воспринимающих сжимающую нагрузку независимо от числа свай в фундаменте. В скобках даны значения γk в случае, когда несущая способность сваи определена по результатам полевых испытаний статической нагрузкой или расчетом по результатам статического зондирования грунтов.

Расчетную нагрузку на сваю N, кН, следует определять, рассматривая фундамент как группу свай, объединенных жестким ростверком, воспринимающим вертикальные и горизонтальные нагрузки и изгибающие моменты.

Для фундаментов с вертикальными сваями расчетную нагрузку на сваю допускается определять по формуле:

где Nd – расчетная сжимающая сила, кН;

Mx, My – расчетные изгибающие моменты, кН м, относительно главных центральных осей х и у плана свай в плоскости подошвы ростверка;

n – число свай в фундаменте;

xi, yi – расстояния от главных осей до оси каждой сваи, м;

22

х, у – расстояния от главных осей до оси каждой сваи, для которой вычисляется расчетная нагрузка, м.

Расчет свай и свайных фундаментов по деформациям следует производить исходя из условия

где s – совместная деформация сваи, свайного фундамента и сооружения;

su – предельное значение совместной деформации основания сваи, свайного фундамента и сооружения, устанавливаемое для мостов в соответствии с СП 35.13330. Различные по величине осадки соседних опор не должны вызывать появления в продольном профиле дополнительных углов перелома, превышающих для железнодорожных мостов – 1 ‰.

Предельные величины продольных и поперечных смещений верха опор железнодорожных мостов с разрезными балочными, пролетными строениями с учетом общего размыва русла не должны, как правило, превышать значения 0,5 l0 , см, где l0 – длина меньшего примыкающего к опоре пролета, принима-

емая не менее 25 м.

5.2 Выбор материала ростверка, назначение его размеров и глубины заложения

Ростверки свайных фундаментов изготавливаются из бетона и железобетона. Для мостов ростверки свайных фундаментов следует проектировать из тяжелого бетона класса В20 и выше.

Размеры ростверка в плане назначаются минимальными, как и для массивного фундамента мелкого заложения с учетом размеров опоры и минимальной ширины обрезов в пределах 0,3–0,5 м.

Отметка верха ростверка назначается также, как и положение обреза массивного фундамента мелкого заложения.

Минимальная толщина ростверка назначается с учетом размеров сваи. Сваи должны быть жестко заделаны в плиту ростверка (выше слоя бетона, уложенного подводным способом) на высоту не менее двух диаметров, а при размерах сечения сваи свыше 600 мм – не менее чем на 1,2 м. Толщина плиты ростверка над сваями определяется по расчету из условия невозможности ее продавливания сваями. Конструктивно она принимается в пределах 0,5–0,7 м. Высота ростверка должна быть не менее 1,2 м, окончательно она уточняется после размещения расчетного количества свай.

Подошву низкого ростверка свайного фундамента закладывают:

в непучинистых грунтах – независимо от глубины промерзания грунта;

в пучинистых грунтах – ниже расчетной глубины промерзания на

0,25 м;

в русле реки – ниже линии местного размыва на 2,5 м.

23

5.3 Выбор глубины заложения свай

Предварительный выбор длины свай должен производиться в зависимости от грунтовых условий строительной площадки. Нижний конец свай следует, как правило, заглублять в малосжимаемые грунты, прорезая более слабые напластования. Заглубление свай в крупнообломочные грунты, гравелистые, крупной и средней крупности песчаные грунты, а также в глинистые грунты с показателем текучести IL < 0,1 должно быть не менее 0,5 м, в другие виды нескальных грунтов – не менее 1,0 м.

Исходя из необходимости заделки свай в грунт, наименьшая глубина их погружения ниже подошвы ростверка для искусственных сооружений принимается равной 4,0 м.

5.4Определение несущей способности свай

5.4.1Определение несущей способности железобетонной сваи

где c – коэффициент условий работы ( c = 0,6 – для набивных свай и 0,9 –

сb – коэффициент условий работы, принимаемый для свай сечением 300·300 мм и более сb = 1, для свай меньшего сечения – сb = 0,9;

Rb – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, кПа (табл. П4.1 прил. 4);

Ab – площадь поперечного сечения бетона сваи, м2; Rsс – расчетное сопротивление арматуры сжатию, кПа;

As – площадь поперечного сечения продольной арматуры, м2.

Расчетное сопротивление арматуры сжатию Rsc принимается равным расчетному сопротивлению арматуры растяжению Rs (табл. П4.2 прил. 4), но не более 400 МПа при действии кратковременной нагрузки и 500 МПа при действии остальных нагрузок.

5.4.2 Определение несущей способности железобетонной сваи по грунтам основания

Несущую способность Fd, кН, висячей забивной сваи и сваи-оболочки, погружаемой без выемки грунта, работающих на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле

24

где c – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый для забивных свай c = 1;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по табл. П.5.1 прил. 5;

A – площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто или по площади поперечного сечения камуфлетного уширения по его наибольшему диаметру, или по площади сваи-оболочки нетто;

u – наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

fi – расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл. П5.2 прил. 5, где средняя глубина расположения слоя грунта соответствует расстоянию zi от поверхности грунта на суходолах и и от дна водотока после общего размыва до середины i-го слоя грунта (рис. 5.1);

Рис. 5.1. Расчетная схема к определению несущей способности сваи по грунтам основания

hi – толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

25

cR, cf – коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта и принимаемые по табл. П5.3 прил. 5.

Для предварительной оценки величин R и fi для глинистых грунтов можно также использовать графики, представленные на рис. П5.1 и П5.2 прил. 5.

Разбивка основных слоев грунта на элементарные слои толщиной hi осуществляется из следующих соображений:

1 Границы элементарных слоев должны обязательно располагаться на границах основных слоев, отметке уровня подземных вод, отметках подошвы ростверка и нижнего конца сваи.

2 Толщину элементарных слоев следует, как правило, принимать в пределах hi = 1,0–2,0 м.

3 Толщину элементарных слоев по возможности следует принимать кратной 0,5 и 0,1 м для удобства последующего расчета.

При выполнении расчета необходимо суммировать сопротивления грунта по всем слоям грунта, пройденным сваей, за исключением случаев, когда проектом предусматривается планировка территории срезкой или возможен размыв грунта. В этих случаях следует суммировать сопротивления всех слоев грунта, расположенных соответственно ниже уровня планировки (срезки) и дна водоема после его местного размыва при расчетном паводке.

Пример 5.1. Определение несущей способности сваи трения по грунту основания. Необходимо определить несущую способность сваи трения по грунту основания. Геологический разрез представлен песками средней крупности, суглинком и глиной большой мощности. Уровень грунтовых вод залегает на глубине 12,0 м. Физико-механические характеристики грунтов приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Физико-механические характеристики грунтов

Предварительными расчетами назначена глубина заложения подошвы ростверка свайного фундамента dр = 2,1 м, высота ростверка hр = 1,5 м. Принята железобетонная квадратная свая сечением 40·40 см, длиной lсв = 18 м.

Несущую способность висячей забивной сваи определяем по формуле

где c = 1;

R = 5054,43 кПа – определяем путем интерполяции согласно данным табл. П5.1 прил.5;

A = b2 = 0,42 = 0,16 м2; u = 40,4 м = 1,6 м;

fi – расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл. П5.2 прил. 5, где средняя глубина расположения слоя грунта соответствует расстоянию zi от поверхности грунта на суходолах и от дна водотока после общего размыва до середины i-го слоя грунта (рис. 5.2). Значение fi определяется путем интерполяции, результаты расчета представлены в табл. 5.2;

Рис. 5.2. Расчетная схема к примеру 5.1

27

hi – толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м. Схема размещения сваи в грунте представлена на рис. 5.2, значения приведены в табл. 5.2;

cR = 1,0, cf = 1,0, принимаются по табл. П5.3 прил. 5 для сплошных с закрытым нижним концом свай, погружаемых молотами.

Расчетная схема к определению несущей способности сваи с привязкой к геологическому разрезу приведена на рис. 5.2.

Fd = 1·{1 · 5054,43 · 0,16 + 1,6 · [1· (46,8 · 1,4 + 53,75 · 1,5 + 57,5 · 1,5 +

+42,312 · 2,0 + 44,231 · 2,0 + 53,9775 · 1,5 + 55,969 · 2,0 + 58,245 · 2,0 + 0,521

2,0 + 62,3987 · 1,3)]} = 2276 кН.

5.5 Определение количества свай в ростверке

Количество свай в фундаментах с низким ростверком предварительно определяется по формуле:

где k – коэффициент приближенно учитывающий вес ростверка и действие момента от горизонтальных сил, принимается k = 1.2–1,4;

NI' – расчетная вертикальная нагрузка по обрезу ростверка, определяется

Fd – минимальная несущая способность сваи по грунту или материалу,

кН;

γk – коэффициент надежности, принимаемый для фундаментов опор мостов с низким ростверком γk = 1,4.

28

После определения количества свай их размещают в плане в рядовом или шахматном порядке (рис. 5.3).

а

б

Рис. 5.3. Схемы размещения свай в ростверке: а – в рядовом порядке; б – в шахматном порядке

Расстояния между осями забивных вертикальных висячих свай должно быть не менее 3dсв, где dсв – диаметр круглой или сторона квадратной сваи. Если сваи забиваются с наклоном, то расстояния между их осями в плоскости подошвы ростверка может быть сокращено до 1,5dсв, а расстояние между осями свай в плоскости нижних концов должно выдерживаться не менее 3dсв.

Расстояние от края плиты ростверка до ближайшей грани сваи должно быть не менее 25 см.

29

Предварительно распределение свай производится по минимальной пло-

где b0 – ширина опоры; a0 –длина опоры;

с – ширина обреза, принимаемая в пределах 0,3–0,5 м.

Если эта площадь будет недостаточна для размещения свай, то необходимо произвести увеличение размеров подошвы ростверка в пределах максимального угла развития 300 при принятой высоте ростверка.

В случае, если и после увеличения площади ростверка расчетное количество свай разместить не удается, то необходимо увеличить длину и (или) сечение принятых свай, чтобы повысить их несущую способность, далее выполнить перерасчет и уменьшить количество свай.

Также можно увеличить ширину и высоту ростверка путем заглубления и устройства уступов, не отклоняясь от вертикали на угол свыше 300. Высота ступеней принимается в пределах 1–2 м. Высота нижней ступени назначается из условия достаточной прочности на продавливание свай не менее

где lз – величина заделки свай в ростверк, м, принимаемая не менее 2dсв.

5.6 Расчет свайного фундамента по несущей способности

Проверка нагрузки на сваю сводится к обеспечению условия, чтобы действующая на сваю нагрузка не превышала наименьшую расчетную нагрузку на нее по грунту или по материалу. При внецентренно нагруженном фундаменте наибольшую нагрузку испытывают сваи крайнего ряда, для них нагрузку допускается определять по формуле:

нагрузка на угловую сваю определяется по формуле

где NI – полная расчетная вертикальная нагрузка, кН, с учетом веса ростверка и свай, определяемая по формуле

за вычетом заделки свай;

Nсв – суммарный вес свай, равный их количеству n, умноженному на вес одной сваи, кН;

Nгр – нагрузка от веса грунта на уступах ростверка (с учетом взвешивающего действия воды, если оно имеет место), кН;

30