2.Определение предварительных нагрузок на свайные фундаменты при действии нагрузок для I группы предельных состояний

Предварительные нагрузки на фундаменты находим из статического расчета рамы при условии жесткого защемления колонн на уровне обреза фундамента. Расчет выполняем на нагрузки для Iгруппы предельных состояний (см. п. 3 Примера проектирования столбчатых фундаментов). Рассматривается три загружения рамы:

- постоянные нагрузки (загружение 1);

- полные вертикальные нагрузки (загружение 2);

- переменные горизонтальные нагрузки (загружение 3).

Статические расчеты выполняем с использованием программного комплекса "Лира" /14/. В загружениях 1 и 2 программно учтен собственный вес колонн и ригелей с характеристическим удельным весом железобетона 27,5 кН/м³. Усилия на обрезе фундаментов от трех загружений представлены в таблице 1.

Усилия в колоннах рамы на обрезе фундамента, кН, кНм

Таблица 1

Номер нагруж.	Ось А			Ось Б
	N	My	Qx	N	My	Qx
1	- 1291,0	- 40,1	32,1	- 2002,0	2,9	- 2,5
2	- 1981,0	- 82.0	65,7	- 3459,0	5,8	- 5,0
3	38,8	65,9	- 26,8	- 5,2	74,3	- 33,9

Номер нагруж.	Ось В			Ось Г
	N	My	Qx	N	My	Qx
1	- 2002,0	-2,9	2,5	- 1291,0	40,1	-32,1
2	- 3459,0	-5,8	5,0	- 1981,0	82.0	-65,7
3	5,0	73,9	- 33,6	-38,6	64,6	- 26,2

Примечание: Знаки усилий от ветровой нагрузки (загружение 3) представлены для направления ветрового потока к зданию с левой стороны (со стороны оси А).

По данным таблицы 1 составлены расчетные сочетания нагрузок на фундаменты, которые представлены таблице 2.

Расчетные сочетания усилий на обрезе фундаментов, кН, кНм

Таблица 2

Расчетное сочетание	Оси А, Г			Оси Б, В
	N	My	Qx	N	My	Qx
Nmax	- 1329,8	- 106,0	58,9	- 2007,2	77,2	- 36,4
Nmin	- 2019,8	- 147.9	92,5	- 3464,2	80,1	- 38,9

При составлении расчетных сочетаний нагрузок загружения 1 и 2 являются взаимоисключающими (может действовать одно из них), а загружение 3 учитывается в том случае, если результат этого учета является неблагоприятным (в данном случае увеличивает значения изгибающих моментов и поперечных сил).

3.Конструирование свайных фундаментов

Для конструирования свайных фундаментов используем геологический разрез из Примера проектирования столбчатых фундаментов (рис. 10). Абсолютную отметку обреза фундамента (в данном случае верха ростверка) принимаем такой же, как и для столбчатого фундамента, 197,35 м. Принимаем толщину ростверка 600 мм. Тогда абсолютная отметка подошвы ростверка будет равна 196,75 м. Принимаем конструкцию высокого ростверка. Это означает, что сопротивление грунта под подошвой ростверка в расчетах не учитывается. Расчетная глубина сезонного промерзания грунта (см. п. 5 Примера проектирования столбчатых фундаментов) составляет 1,0 м. При принятой планировочной отметке срезкой 197,55 м глубина заложения подошвы фундамента по климатическому фактору должна составлять 196,55 м, т. е. на 0,2 м ниже отметки подошвы ростверка. В связи с этимдля исключения сил морозного пученияустраиваем под подошвой ростверка подсыпку из щебня толщиной 200 мм.

Поскольку планировка срезкой выполняется менее, чем на 3 м (см. Примечание 2 к таб. 1 норм /4/), глубину заложения концов свай и расчетных слоев грунта определяем от абсолютной отметки природного рельефа, которая составляет 198,4 м. Наносим на геологический разрез (рис. 1) линии, соответствующие характерным уровням, которыми являются:

- природный рельеф;

- подошвы ростверков;

- границы геологических слоев;

- уровни грунтовых вод.

По геологическому разрезу вычисляем относительные отметки характерных уровней от природного рельефа и от подошвы ростверков. Рузультаты расчетов представлены в таблице 3.

Относительные отметки границ геологических слоев и уровня грунтовых вод по осям фундаментов

Таблица 3

Характеристика уровня	z, м для фундаментов здания по осям
	А		Б		В		Г
	относ. NL	относ. FL	относ. NL	относ. FL	относ. NL	относ. FL	относ. NL	относ. FL
Подошва фундамента	1,65	0,00	1,65	0,00	1,65	0,00	1,65	0,00
Граница слоев ИГЭ 2 – ИГЭ 3	4,19	2,54	4,13	2,48	4,07	2,42	4,01	2,36
Уровень грунтовых вод	6,69	5,04	6,63	4,98	6,57	4,92	6,51	4,86
Граница слоев ИГЭ 3 – ИГЭ 4	10,03	8,38	10,18	8,53	10,32	8,67	10,47	8,82

Вставить рис. 1, ИГ

Принимаем фундаменты из призматических забивных свай по серии 4-II-6, вып. 1 (см. Методические указания /26/, Приложение 17). Расчеты выполняем в соответствии с нормами /4/. Из анализа грунтовых условий полощадки строительства (см. таб. 3 Примера проектирования столбчатых фундаментов) следует, что в качестве надежного основания конца сваи можно принять глины ИГЭ 4, которые при полном водонасыщении находятся в твердой консистенции (I_L,sat = - 0,012). Суглинки ИГЭ 3 выше уровня грунтовых вод также имеют твердую консистенцию (I_L = - 0,231), однако при их полном водонасыщении переходят в тугопластичную консистенцию (I_L,sat = 0,346). При этом более, чем в три раза уменьшается их несущая способность под концом сваи. Таким образом, расположение части грунтов ИГЭ 3 ниже уровня грунтовых вод (см. геологический разрез на рис. 1), а также существующая на практике тенденция к подтоплению застроенных территорий, делает их ненадежными для размещения концов свай.

Из анализа таблицы 3 следует, что расстояние от подошвы ростверка до кровли слоя ИГЭ 4 колеблется от 8,38 м до 8,82 м. Учитывая, что свая должна заглубляться своим концом в несущий слой на глубину не менее, чем на 0,5 м (учитывается неточность изысканий и построения геологических разрезов) и заходить в ростверк на величину не мене d(d– размер поперечного сечения сваи) для обеспечения жесткого сопряжения сваи с ростверком, принимаем сваи марки С10-30. Такая свая имеет расчетную длину призматической части 10 м и сечение 30х30 см. Технологический элемент сваи – заостренный конец имеет длину 0,25 м. Свая изготавливается из бетона класса по прочности В20 и армируется продольной арматурой 4Ф14А-II. Поперечная арматура спиральная из проволокиФ4 Вр-I.

Определяем несущую способность одиночной сваи по формулам (2) и (8) норм /4/. Расчетная несущая способность грунта основания одиночной сваи F_dопределеяется по формуле:

Входящие в эту формулу параметры имеют следующие значения:

- коэффициент услови работы сваи в грунте γ_с= 1,0;

- коэффициент услови работы грунта под нижним концом сваи γ_сR= 1,0 (см. таб. 3);

- коэффициент услови работы грунта по боковой поверхности сваи γ_сf= 1,0 (см. таб. 3);

- площадь опирания на грунт сваи, принимаемая по площади ее поперечного сечения, А= 0,09 м²;

- наружный периметр поперечного сечения сваи u= 1,2 м.

Расстояние от низа ростверка до нижнего конца сваи с учетом ее заделки в ростверк на 0,3 м составляет 9,7 м (длина заостренного технологического конца сваи в расчетах не учитывается). Заглубление ростверка относительно природного рельефа (см. таб. 3) составляет 1,65 м. С учетом этого глубина заложения конца сваи от природного рельефа составляет 11,35 м. На этой глубине залегает глина с показателем текучести в водонасыщенном состоянии -0,012. Для заданных исходных данных по таб. 1 норм /4/ определяем путем интерполяции расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи R= 10824 кПа. Поскольку в нашем случае грунт находится в твердой консистенции, при интерполяции используем столбец данных дляI_L= 0. С учетом этого сопротивление грунта под нижним концом сваи будет равно:

Вычисления, связанные с определением второго слагаемого в расчетной формуле, рекомендуется выполнять в табличной форме. Для этого по длине сваи (рис. 1) назначаются расчетные участки грунта толщиной h_iне более 2 м. При этом границами этих участков обязательно должны быть границы геологических слоев и уровень грунтовых вод (см. таб. 3). В таблице указываются координаты расчетных сечений по длине сваи относительно природного рельефа (z_NL) и относительно подошвы ростверка (z_FL). Приводятся также значения показателей текучести грунтаI_L, соответствующие расчетным участкам. Далее определяются расчетные сопротивления грунта на боковой поверхности расчетных участковf_iс помощью таблицы 2 норм /4/. Входными данными в таблицу являются параметрыz_NLиI_L. Величинаf_iопределяется путем интерполяции по четырем ближайшим табличным данным. Учитывая трудоемкость двухмерного интерполирования, студентам рекомендуется предварительно составитьExcel– программу двухмерного интерполирования. При этом нужно учесть, что приI_L< 0,2 следует приниматьI_L= 0,2. Ниже приводится таблица (Excel– программа) для вычисления сопротивления грунта по боковой поверхности сваиF_d,uфундамента по оси А.

Несущая способность сваи по боковой поверхности, фундамент по оси А

Таблица 4

Расчет сопротивления грунта по боковой поверхности сваи u=						1.2
ZNL	ZFL	hi	IL,i	fi	γcf	ΔFi
1.65	0	0	-0.357	39.55	1
2.65	1	1	-0.357	45.9	1	51.27
3.65	2	1	-0.357	51.25	1	58.29
4.19	2.54	0.54	-0.357	53.57	1	33.96
4.65	3	0.46	-0.231	54.95	1	29.95
5.65	4	1	-0.231	57.3	1	67.35
6.69	5.04	1.04	-0.231	59.38	1	72.81
7.65	6	0.96	0.346	38.59	1	56.43
8.65	7	1	0.346	39.44	1	46.82
9.65	8	1	0.346	40.21	1	47.79
10.03	8.38	0.38	0.346	40.51	1	18.4
10.65	9	0.62	-0.012	65.91	1	39.59
11.35	9.7	0.7	-0.012	66.89	1	55.78
	9.7	0	-0.012	0	1	0
	9.7	0	-0.012	0	1	0
	9.7	0	-0.012	0	1	0
	9.7	0	-0.012	0	1	0
	9.7	0	-0.012	0	1	0
	9.7	0	-0.012	0	1	0
	9.7	0	-0.012	0	1	0
					Fd,u =	578.44

Примечание: При вычислении величины ΔF_i значение f_i на расчетном участке определеяется как полусумма ее значений на границах расчетного участка.

Окончательно расчетную несущую способность сваи определяем по формуле:

Допустимую расчетную нагрузку, предавемую на сваю, определяем по формуле:

где γ_k– коэффициент надежности, равный 1,4, если несущая способность сваи определена расчетом.

По аналогичной методике вычислена несущая способность сваи для геологических разрезов для фундаментов по осям Б, В, и Г. Минимальная несущая способность сваи, равная 1103 кН, соответствует геологическому разрезу для фундамента по оси Г.

Принимаем допустимую расчетную нагрузку на сваю С10-30 [N] = 1103 кН.

Для вариантного проектирование определяем допустимую расчетную нагрузку на сваю С8-30, которая своим концом опирается на грунт ИГЭ 3, находящийся ниже уровня грунтовых вод. Расстояние от низа ростверка до конца сваи составляет 7,7 м, глубина заложения нижнего конца сваи от природного рельефа 9,35 м. Показатель текучести грунта I_L= 0,346. В соответствии с таблицей 1 норм /4/ расчетное сопротивление грунта под концом сваи составляет 2951 кПа или в 3,7 раза меньше, чем при опирании сваи на грунт ИГЭ 4. При этом допустимая расчетная нагрузка на сваю составляет [N] = 527 кН или в 2,1 раза меньше, чем для сваи С10-30. Аналогичные расчеты выполнены для сваи С9-30. Расстояние от низа ростверка до конца сваи составляет 8,7 м, глубина заложения нижнего конца сваи от природного рельефа 10,35 м. Для фундаментов по оси Г (см. таб. 3) конец такой сваи размещается в грунте ИГЭ 3, в связи с чем ее несущая способность увеличится по сравнению со сваей С8-30 незначительно. Для фундаментов по осям А, Б и В крнец сваи заглубляется в грунт ИГЭ 4 соответственно на 0,32 м, 0,17 м и 0,03 м. При показателе текучести грунта ИГЭ 4 в основании сваиI_L= - 0,012 допустимая расчетная нагрузка на сваю С9-30 составляет [N] = 1064 кН или 96% от допустимой расчетной нагрузки на сваю С10-30. Однако сваи С9-30 могут быть надежно применены только для фундаментов по оси А. В остальных случаях из-за неточностей инженерно-геологических изысканий допустимая расчетная нагрузка на сваю С9-30 может резко уменьшиться и приблизится к допустимой расчетной нагрузке на сваю С8-30.По этой причине для конструирования свайных фундаментов используем следующие типы свай:

- С10-30, [N] = 1103 кН;

- С8-30, [N] = 527 кН.

Примечание:В качестве варианта можно рассмотреть использование нестандартных свай С9,5-30, однако применение индивидуальных изделий связано, как правило, со значительным увеличением их стоимости.

Конструируем свайный фундамент для осей А и Г и присваиваем ему марку ФС1. Рассматриваем два варианта размещения свай в ростверке.

Вариант 1.Размещаем в плане симметрично относительно центральных осей 4 сваи марки С8-30. Расстояния между сваями принимаем 3d= 3∙0,3 = 0,9 м. При этом расстояния осей свай от центральных осейx_i= 0,45 м. Расстояния от осей свай до наружных контуров ростверка принимаем 1,5d= 1,5∙0,3 = 0,45 м. При этом свесы ростверка за границами наружных граней свай составляют 0,3 м. С учетом этого размеры ростверка в плане составляют 1,8х1,8 м, а толщина 0,6 м. Изображаем опалубочный чертеж свайного фундамента (рис. 2).

Вставить рис. 2, чертеж ФС1, вариант 1

Определяем расчетные нагрузки на сваи по формуле (3) норм /4/. Величины расчетных усилий, действующих на обрезе фундамента, принимаем по таб. 2.

Поскольку [N] = 527 кН меньшеN_max= 578,1 кН, требуется увеличение несущей способности свайных фундаментов. По этой причине вариант 1 является неприемлемым.

Вариант 2.Размещаем в плане симметрично относительно центральных осей 2 сваи марки С10-30. Расстояния между сваями принимаем 3d= 3∙0,3 = 0,9 м. При этом расстояния осей свай от центральных осейx_i= 0,45 м. Расстояния от осей свай до наружных контуров ростверка принимаем 1,5d= 1,5∙0,3 = 0,45 м. При этом свесы ростверка за границами наружных граней свай составляют 0,3 м. С учетом этого размеры ростверка в плане составляют 1,8х0,9 м, а толщина 0,6 м. Изображаем опалубочный чертеж свайного фундамента (рис. 3).

Вставить рис. 3, чертеж ФС1, вариант 2

Определяем расчетные нагрузки на сваи:

Поскольку [N] = 1103 кН меньшеN_max= 1174,2 кН, требуется увеличение несущей способности свайных фундаментов. Принимаем сваи марки С11-30. По вышеприведенной методики переопределяем допустимую расчетную нагрузку на сваю, которая составляет [N] = 1182 кН >N_max= 1174,2 кН.Окончательно принимаем фундамент ФС1 из двух свай марки С11-30и вносим соответствующие изменения в чертеж (рис. 3).

Определяем минимальное осевое усилие, действующее на сваю, при действии только постоянных нагрузок (таб. 2, стр. 1):

Поскольку минимальное осевое усилие, действующее на сваю, не является растягивающим, проверку сваи на выдергивание не производим.

Конструируем свайный фундамент для осей Б и В и присваиваем ему марку ФС2. Рассматриваем вариант размещения четырех свай в ростверке марки С10-30. Изображаем опалубочный чертеж фундамента ФС2 (рис. 4), в котором сохраняются основные размеры, принятые для фундамента ФС1 при варианте 1.

Вставить рис. 4, чертеж ФС2

Определяем расчетные нагрузки на сваи по формуле (3) норм /4/. Величины расчетных усилий, действующих на обрезе фундамента, принимаем по таб. 2.

Поскольку [N] = 1103 кН >N_max= 910,5 кН, принятая конструкция свайного фундамента удовлетворяет требованиям норм /4/ по несущей способности.Окончательно принимаем фундамент ФС2 из четырех свай марки С10-30.

Определяем минимальное осевое усилие, действующее на сваю, при действии только постоянных нагрузок (таб. 2, стр. 1):

Поскольку минимальное осевое усилие, действующее на сваю, не является растягивающим, проверку сваи на выдергивание не производим.