4.Расчет осадок свайных фундаментов

Предварительные нагрузки на фундаменты для расчета их осадок находим из статического расчета рамы при условии жесткого защемления колонн на уровне обреза фундамента. Расчет выполняем на нагрузки для IIгруппы 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 25,0 кН/м³. Усилия на обрезе фундаментов от трех загружений представлены в таблице 5.

Усилия в колоннах рамы на обрезе фундамента, кН, кНм

Таблица 5

Номер нагруж.	Ось А			Ось Б
	N	My	Qx	N	My	Qx
1	- 1124,2	- 34,4	27,6	- 1714,8	2,5	- 2,1
2	- 1568,1	- 59.2	47,4	- 2655,2	4,2	- 3,6
3	7,2	12,1	- 4,9	- 1,0	13,7	- 6,2

Номер нагруж.	Ось В			Ось Г
	N	My	Qx	N	My	Qx
1	- 1714,8	-2,5	2,1	- 1124,2	34,4	-27,6
2	- 2655,2	-4,2	3,6	- 1568,1	59.2	-47,4
3	0,9	13,6	- 6,2	-7,1	11,9	- 4,8

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 5 составлены расчетные сочетания нагрузок на фундаменты, которые представлены таблице 6.

Расчетные сочетания усилий на обрезе фундаментов, кН, кНм

Таблица 6

Расчетное сочетание	Оси А, Г			Оси Б, В
	N	My	Qx	N	My	Qx
Nmax	- 1131,4	- 46,5	32,5	- 1715,8	16,2	- 8,3
Nmin	- 1575,3	- 71.3	52,3	- 2656,2	17,9	- 9,8

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).

Для расчета осадок свайных фундаментов в соответствии с нормами /4/ выполняем построения, связанные с определением геометрических параметров условных фундаментов. Далее вычисляем осадки условных фундаментов по методике, изложенной в п. 7 Примера проектирования столбчатых фундаментов каркасного здания.

Фундамент ФС1. Глубина заложения условного фундамента будет равна:

где d_рост.– глубина заложения подошвы ростверка (абс. отм. 196,75 м) от планировочной отметки срезкой (абс. отм. 197,55 м);

l_св.– длина сваи С11-30;

l_зад.– длина заделки сваи в ростверке.

Поскольку угол внутреннего трения φ_II= 19⁰является неизменным для всех грунтов, слагающих тело условного фундамента (см. таб.2 Примера проектирования столбчатых фундаментов), осреднение этого параметра по глубине грунтового массива не производим и принимаем φ_II,mt= 19⁰. Высота части условного фундамента, расположенного ниже ростверка, равна:

Ширину свесов условного фундамента, выходящих за наружные грани свай, определяем по рисунку п. 6.1 норм /4/:

Определяем размеры подошвы условного фундамента с учетом опалубочного чертежа фундамента ФС1 по рис. 3:

Среднее давление под подошвой условного фундамента:

Здесь γ_a– осредненный удельный вес грунта и свай;q – нагрузка на полы.

Определяем расчетное сопротивление грунта под подошвой условного фундамента по формуле (Е.1) норм /3/. Несущим слоем является грунт ИГЭ4. Расчетные характеристики грунта для IIгруппы предельных состояний составляют (см. таб. 2 Примера проектирования столбчатого фундамента):

γ_II= 10,27 кН/м³;γ_II' = 14,06 кН/м³;φ_II= 19⁰;c_II= 28 кПа.

Здесь учтено (см. таб. 7), что грунты ИГЭ 4 и часть грунтов ИГЭ 3 находятся ниже уровня грунтовых вод. В связи с этим γ_II= γ_sb, аγ_II' определен как осредненное значение удельных весов слоев грунта выше подошвы условного фундамента в соответствии с данными таб. 7 (γ_II' = σ_zg,0/ 11,5 м).

В соответствии с таблицей Е.8 норм /3/ коэффициенты M_γ,M_qиM_cдля расчетного значения угла внутреннего трения 19⁰будут равны:

M_γ= 0,47;M_q= 2,89;M_c= 5,48.

В соответствии с таблицей Е.7 для основания, сложенного глинами твердыми, и податливой конструктивной схемы здания, к которой относятся рамно-связевые каркасы, γ_с1= 1,25; γ_с2= 1,0.

k=1,0 в связи с тем, что характеристики грунтов определены непосредственно изысканиями на площадке строительства;

k_z= 1,0 так как ширина подошвы условного фундамента меньше 10 м;

Для вычисления расчетного сопротивления грунта студенту рекомендуется составить Excel– программу, реализующую формулу (Е.1) норм /3/. Расчетное сопротивление грунта, вычисленное на уровне подошвы условного фундамента при указанных выше исходных данных, составляет:

R= 788,5 кПа >p= 504,1 кПа.

Таким образом, установленные размеры подошвы условного фундамента удовлетворяют требованиям норм по ограничению давлений на основание.

Вычисляем бытовое давление на уровне подошвы условного фундамента. Данные об отметках границ геологических слоев и уровня грунтовых вод принимаем по таб. 3. Глубина заложения подошвы ростверка от планировочной отметки составляет 0,8 м. Длина свай 10,7 м. Характеристики грунтов проинимаем по таб. 2 и 3 Примера проектирования столбчатого фундамента. При определении бытового давления учитываем взвешивающее действие воды ниже уровня грунтовых вод. Водоупор на геологических разрезах не разведан и находится ниже подошвы условного фундамента. Результаты вычислений представлены в таблице 7.

Расчет бытового давления на уровне подошвы условного фундамента

Таблица 7

Уровни	Отметка, м	Толщина слоя, м	γII или γsb кН/м3	Δσzg кПа
Планировка	0,00
Подошва ростверка	0,8	0,8	17,67	14,14
Граница слоев ИГЭ 2 – ИГЭ 3	3,34	2,54	17,67	44,88
Уровень грунтовых вод	5,84	2,5	18,47	46,18
Граница слоев ИГЭ 3 – ИГЭ 4	9,18	3,34	9,7	32,40
Подошва фундамента	11,5	2,32	10,27	23,83
			σzg,0	161,7

Вычисляем дополнительное давление на упрвне подошвы условного фундамента:

Расчет осадок условного фундамента выполняем методом послойного суммирования. Распределение дополнительных давлений по глубине грунтового массива вычисляем по формуле:

где αопределяется по таблице Д.1 норм /3/ в зависимости от относительной глубины расчетного слояζ= 2z/b,b= 2,08 м, иη=l/b= 2,98/2,08 = 1,43.

В основании условного фундамента залегает однородный грунт ИГЭ 4 с модулем деформации Е = 20 МПа и удельным весом во взвешенном состоянии (грунт находится ниже уровня грунтовых вод) γ_sb= 10,27 кН/м³. Расчет осадок выполняем в табличной форме (см. Методические указания /11/). Результаты расчета осадок приведены в таблице 8. При этом осадкаi– го слоя в указанной таблице вычисляется по формуле:

где σ_zp,i – дополнительное напряжение в середине расчетногоi– го слоя, равное полусумме дополнительных напряженийσ_zpна границах этого слоя.

Глубина сжимаемой толщи, в пределах которой производится суммирование осадок расчетных слоев, определяется из условия:

Последним в сжимаемой толще по таб. 8 является слой №5, для которого выше приведенное условие перестает выполняться.

Расчет осадок основания условного фундамента ФС1

Таблица 8

Слой i	z м	hi м	γII кН/м3	σzg кПа	0,2σzg кПа	ζ	α	σzр кПа	σzр,i кПа	Ei кПа	Δsi м
	0			161,7	32,3	0	1	342,4
1	1	1	10,27	172,0	34,4	0,962	0,783	268,1	305,3	20000	0,0122
2	2	1	10,27	182,2	36,5	1,923	0,441	151,0	209,6	20000	0,0084
3	3	1	10,27	192,5	38,5	2,885	0,252	86,3	118,7	20000	0,0047
4	4	1	10,27	202,8	40,6	3,846	0,158	54,1	70,2	20000	0,0028
5	5	1	10,27	213,1	42,6	4,808	0,107	36,6	45,4	20000	0,0018
									s = ∑Δsi		0,0299

Фундамент ФС2. Глубина заложения условного фундамента будет равна:

где d_рост.– глубина заложения подошвы ростверка (абс. отм. 196,75 м) от планировочной отметки срезкой (абс. отм. 197,55 м);

l_св.– длина сваи С10-30;

l_зад.– длина заделки сваи в ростверке.

Как и для фундамента ФС1 принимаем φ_II,mt= 19⁰. Высота части условного фундамента, расположенного ниже ростверка, равна:

Ширину свесов условного фундамента, выходящих за наружные грани свай, определяем по рисунку п. 6.1 норм /4/:

Определяем размеры подошвы условного фундамента с учетом опалубочного чертежа фундамента ФС2 по рис. 4:

Среднее давление под подошвой условного фундамента:

Здесь γ_a– осредненный удельный вес грунта и свай;q – нагрузка на полы.

Определяем расчетное сопротивление грунта под подошвой условного фундамента по формуле (Е.1) норм /3/. Несущим слоем является грунт ИГЭ4. Расчетные характеристики грунта для IIгруппы предельных состояний составляют (см. таб. 2 Примера проектирования столбчатого фундамента):

γ_II= 10,27 кН/м³;γ_II' = 14,42 кН/м³;φ_II= 19⁰;c_II= 28 кПа.

Здесь учтено (см. таб. 9), что грунты ИГЭ 4 и часть грунтов ИГЭ 3 находятся ниже уровня грунтовых вод. В связи с этим γ_II= γ_sb, аγ_II' определен как осредненное значение удельных весов слоев грунта выше подошвы условного фундамента в соответствии с данными таб. 9.

Все остальные исходные данные не отличаются от принятых при определении расчетного сопротивления грунта основания условного фундамента ФС1. Расчетное сопротивление грунта, вычисленное на уровне подошвы условного фундамента ФС2 при указанных выше исходных данных, составляет:

R= 751,3 кПа >p= 564,0 кПа.

Таким образом, установленные размеры подошвы условного фундамента удовлетворяют требованиям норм по ограничению давлений на основание.

Вычисляем бытовое давление на уровне подошвы условного фундамента, для чего вносим изменения в таблицу 7, связанные с изменением длины свай в фундаменте ФС2. Результаты вычислений представлены в таблице 9.

Расчет бытового давления на уровне подошвы условного фундамента

Таблица 9

Уровни	Отметка, м	Толщина слоя, м	γIIили γsb кН/м3	Δσzg кПа
Планировка	0,00
Подошва ростверка	0,8	0,8	17,67	14,14
Граница слоев ИГЭ 2 – ИГЭ 3	3,34	2,54	17,67	44,88
Уровень грунтовых вод	5,84	2,5	18,47	46,18
Граница слоев ИГЭ 3 – ИГЭ 4	9,18	3,34	9,7	32,40
Подошва фундамента	10,5	1,32	10,27	13,56
			σzg,0	151,4

Вычисляем дополнительное давление на упрвне подошвы условного фундамента:

Расчет осадок условного фундамента выполняем методом послойного суммирования по тому же алгоритму, что и для фундамента ФС1, при η=l/b= 2,82/2,82 = 1,0. Результаты расчета осадок приведены в таблице 10.

Расчет осадок основания условного фундамента ФС2

Таблица 10

Слой i	z м	hi м	γII кН/м3	σzg кПа	0,2σzg кПа	ζ	α	σzр кПа	σzр,i кПа	Ei кПа	Δsi м
	0			151,4	30,3	0	1	412,6
1	1	1	10,27	161,7	32,3	0,709	0,836	344,9	378,8	20000	0,0152
2	2	1	10,27	171,9	34,4	1,418	0,52	214,6	279,8	20000	0,0112
3	3	1	10,27	182,2	36,4	2,128	0,311	128,3	171,5	20000	0,0069
4	4	1	10,27	192,5	38,5	2,837	0,197	81,3	104,8	20000	0,0042
5	5	1	10,27	202,8	40,6	3,546	0,135	55,7	68,5	20000	0,0027
6	6	1	10,27	213,1	42,6	4,255	0,097	40,0	47,9	20000	0,0019
									s = ∑Δsi		0,0421

Максимальная осдка фундамента составляет 42,1 мм, что меньше допускаемого нормами /3, таб. И.1/ 100 мм. Максимальная относительная разность осадок смежных фундаментов составляет 0,0014, что меньше допускаемого нормами /3/ 0,002. Абсолютная разность осадок составляет 12,2 мм. Таким образом, требования норм по ограничению осадок фундаментов выполняются.

Рис. 5. Графики давлений в основании к расчету осадок фундаментов

Для визуального контроля результатов расчета осадок фундаментов по данным таблиц 8 и 10 построены графики бытовых и дополнительных давлений в грунтовом массиве (рис. 5).