Определение числа свай в фундаменте и размещение их в плане

Центрально нагруженный свайный фундамент. Зная несущую способность сваи f_d и принимая, что ростверк обеспечивает равномерную передачу нагрузки на все сваи фундамента, необходимое число свай п в кусте или на 1 м длины ленточного фундамента определяют по формуле

n=_kN₀₁/f_d (11.16)

где _k — то же, что и в формуле (11.13), N₀₁— расчетная нагрузка на куст, кН, или на 1 м длины ленточного фундамента, кН/м

Для отдельно стоящего фундамента (куста свай) полученное по формуле (11.16) число свай округляется в сторону увеличения до целого числа.

Сваи в кусте надо разместить таким образом, чтобы ростверк получился наиболее компактным, при этом сваи можно располагать по прямоугольной сетке или в шахматном порядке. Обычно расстояние между осями свай принимается а=3d (при меньшем расстоянии между осями сваи трудно, а иногда и просто невозможно забить из-за чрезмерного уплотнения грунта межсвайного пространства, а при большем — значительно увеличиваются размеры ростверка), а расстояние от крайнего ряда свай до края ростверка— 1d. Примеры размещения свай в кустах были показаны на оис 11.3, а.

Ростверки кустов свай конструируются как обычные фундаменты мелкого заложения и рассчитываются на продавливание колонной или угловой сваей, на поперечную силу в наклонных сечениях и на изгиб. Все расчеты производятся в соответствии с требованиями СНиП 2.03.01 — 84 «Бетонные и железобетонные конструкции».

Если сваи куста работают только на сжимающую нагрузку то достаточно их заделки в ростверк на 5...10 см, если же сваи воспринимают выдергивающие нагрузки или моменты, то их связь

с ростверком делают более надежной, для чего головы свай разбивают и обнаженную арматуру замоноличивают в бетон ростверка.

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

N=N₀₁+G_f+G_g/n£F_d/_k (11.17)

где N_01, n, F_d, _k —то же, что и в формуле (11.16); G_f и G_g — расчетные нагрузки от веса фундамента и грунта на обрезах ростверка, кН. Если условие (11.17) не выполняется, то необходимо выбрать или другой тип свай, имеющий более высокую несущую способность, или увеличить число свай в фудаменте и повторить расчет. Для свайного фундамента под стену (ленточный свайный фундамент) число свай на 1 м, найденное по формуле (11.16), может быть дробным. Расчетное расстояние между осями свай по длине стены определяется по формуле

а=1/n. (11.18)

Полученный результат округляется таким образом, чтобы шаг свай был кратен 5 см. В зависимости от величины а определяется число рядов свай, при этом расстояние между осями свай принимается 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 а>6d, то можно изменить длину или сечение сваи, чтобы уменьшить ее несущую способность;

двухрядное шахматное, если n<2 и 1,5d<а3d. Расстояние между двумя рядами свай c_p в этом случае определяется по формуле

c_p=(11.19)

двухрядное, если n>2 и а ==1,5d. Расстояние между рядами принимается С_P=3d.

Из-за значительного увеличения размера ростверка принимают, как правило, не более двух рядов свай. Если же по расчету получается а<1,5d, то лучше увеличить длину сваи или ее сечение, т. е. несущую способность.

Ширину ростверка ленточного свайного фундамента определяют по формуле

b_P=d+2c₀+(m-1)C_P (11.20)

где С₀=0,1 м — расстояние от края ростверка до грани сваи; т — число рядов свай, C_P— расстояние между рядами свай, м.

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

В § 11.2 отмечалось, что, по опытным данным, несущая способность сваи куста и одиночной сваи может быть существенно различна 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 определения несущей способности сваи в фундаменте, учитывающий эти факторы. Формула для определения несущей способности сваи имеет вид, аналогичный формуле (11.5):

F_d=_C[_CR(1+B^b)RA+A^bu_Cff_ih_i],

где B^b и A^b — коэффициенты соответственно увеличения сопротивления грунта под нижним концом сваи в результате его уплотнения и уменьшения сопротивления по боковой поверхности сваи в результате совместной работы свай в фундаменте; остальные обозначения те же, что и в формуле (11.5).

Для свайных фундаментов с расстоянием между осями свай 3d В. И. Кудиновым составлены таблицы коэффициентов B^b и A^b которые определяются в зависимости от числа свай в фундаменте и относительной глубины их погружения =l/d, где l — длина сваи

Внецентренио нагруженный свайный фундамент. Предварительное число свай при внецентренном нагружен™ 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 общем случае, когда моменты действуют в направлении двух осей, определяют по формуле внецентренного сжатия

(11.21)

где N. М_X М_Y— соответственно расчетная вертикальная нагрузка, кН, и расчетные изгибающие моменты, кН.м, относительно главных центральных осей х и у плана свай в плоскости подошвы ростверка (рис. 11.16); n — число свай в фундаменте; x_i, у_i, — расстояния от главных осей до оси каждой сваи, м; х. у — расстояния отглавных 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 (ветровых, крановых и т. п.) и особых нагрузках допускается перегрузка крайних свай до 20%. ' "

Если условие (11.13) не удовлетворяется, необходимо увеличить число свай в фундаменте или расстояние между ними.

Подбор оптимального числа свай и расстояний между ними при расчете внепентрен-но нагруженных свайных фундаментов значительно облегчается при использовании номограммы, разработанной институтом «Фундаментпро-ект». Номограмма составлена для кустов с числом свай от 3 до 26 и обеспечивает наиболее полное использование их несущей способности*.

При передаче на крайние сваи куста выдергивающих нагрузок должно выполняться условие

N_minF_du/_k (11.22)

где _k у ^ — то же, что и в формуле (11.13); F_du-несущая способность сваи, работающей на выдергивание, определяемая по формуле (11.6) 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 k_х и k_у, снижающих внешние моменты. Формула (11.21) примет вид

1.-.

Значения коэффициентовk_х и k_у 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. Кудйнова, а в других случаях использовать их эмпирические значения, полученные опытным путем 3. Сирожиддиновым.

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

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

В связи 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.

В настоящее время в большинстве случаев свайный фундамент при расчете его осадок рассматривается как условный массивный фундамент на естественном основании. Это означает, что сваи, грунт межсвайного пространства, а также некоторый объем грунта, примыкающего к наружным сторонам свайного фундамента, рассматриваются как единый массив АБВГ (рис. 11.17, а), ограниченный 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

C=h tg(_II,_mt/4) (11.23)

где h — глубина погружения свай в грунт, считая от подошвы ростверка, м; _II,_mt— осредненное расчетное значение угла внутреннего трения грунта:

_II,_mt=_II,_ih_i/h_i (11.24)

_II,_i— расчетные значения углов внутреннего трения для отдельных пройденных сваями слоев грунта толщиной h,.

Размеры подошвы условного фундамента при определении его границ по этим правилам находим по формулам

b_y=a_b(m_b-1)+d+2c;

l_y=a_y(m_l-1)+d+2c; (11.25)

где а_b, и а_l — расстояния между осями свай соответственно по поперечным и продольным осям, м; ть и т^ — количество рядов свай по ширине и длине фундамента (на рис. 11.17, а m_b,=3; m_l=4);

d — диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи, м.

При наличии в фундаменте наклонных свай плоскости АБ и ВГ проходят через их концы (рис. 11.17, б). Размеры подошвы условного 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 принимается равным нулю, осадку свайного фундамента из висячих свай определяют с учетом уменьшенных габаритов условного фундамента, который принимается ограниченным с боков вертикальными плоскостями, отстоящими от наружных граней крайних рядов свай на расстоянии с', определяемом как

C^!=h_mt tg(_II,mt/4) (11.26)

где h_mt — расстояние от нижнего конца сваи до подошвы слоя торфа или ила (рис. 11.17, в), м; _II,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 расчетная нагрузка, передаваемая условным фундаментом на грунт основания, 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 давление P_II по подошве условного фундамента не превышало расчетное сопротивление грунта основания R на этой глубине, т. е.

P_II=N_II/A_yR (11.27)

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

N_II= N_0II+ N_CII+ N_PII+ N_RII (11.28)

где N_0II— расчетная нагрузка от веса здания или сооружения на уровне верхнего обреза фундамента, кН; N_CII, N_PII, N_RII М:п,— вес соответственно свай, ростверка и грунта в объеме условного фундамента 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 фундамента s определяется, как правило, методом 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 условием (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 методов, позволяющих рассчитывать свайные фундаменты с учетом глубины приложения нагрузки и базирующиеся на задаче Миндлина о сосредоточенной силе, приложенной внутри линейно деформируемого полупространства. Для ленточных свайных фундаментов такой метод разработан А. А. Бартоломеем (см. Приложение 2 СНиП 2.02.03 — 85). Соответствующее решение для кустов свай при расчете их осадок методом послойного суммирования получено Н. М. Дорошкевич, а методом эквивалентного слоя — В. В. Знаменским.

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

проектировщиков А. А. Ободовского, Г. М. Лещина и Р. Е. Ханина, которые в своей профессиональной деятельности объединили практику проектирования с достижениями науки и способствовали широкому внедрению свай в отечественное фундаментостроение.