4. Проектирование свайного фундамента.

Основным нормативным документом при работе над этим разделом служит СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты [9]. Расчет и проектирование свайного фундамента сводится к следующему:

- выбирают тип конструкции и глубину заложения ростверка;

определяют тип свай (форма сечения, способ погружения, длина, глубина заделки в ростверк);

- находят несущую способность и расчётную нагрузку, допускаемую на сваю;

- определяют необходимое число свай в фундаменте, размещают их в плане и конструируют ростверк;

При проектировании стремятся достигнуть наиболее рационального и экономичного решения. Например, во всех случаях нижние концы свай следует заглублять в более прочный и относительно мало сжимаемый грунт, т.к. почти всегда экономически более выгодным оказывается фундамент с меньшим числом более длинных свай, чем фундамент с большим числом коротких.

В курсовой работе в учебных целях необходимо рассмотреть устройство свайного фундамента из забивных призматических свай с низким ростверком. Длина и сечение свай, расположение их в плане и т.п. могут варьироваться с целью поиска оптимального решения.

Длина свай выбирается из условия обеспечения прорезки слоёв слабых грунтов. Нижние концы свай следует заглублять на глубину h_s не менее:

а) 0.5 м - в крупнообломочные, гравелистые, крупные и средней крупности, плотные и средней плотности песчаные грунты; глинистые твердые и полутвердые с показателем текучести I_L  0.1;

б) 1.0 м - в прочие плотные и средней плотности песчаные грунты, глинистые грунты от полутвёрдых до мягкопластичных при 0.1<I_L  0.6 .

Не рекомендуется заделывать концы свай в рыхлые песчаные грунты, глинистые грунты от мягкопластичной до текучей консистенции, характеризуемые показателем текучести I_L > 0.6.

С целью исключения возможности продавливания несущего слоя грунта под нижними концами свай его мощность должна быть не менее

5d (d - диаметр или большая сторона сечения сваи).

Длина l_св=h₁+h₂ +h₃  (cм. рис4) является минимально необходимой. Окончательная длина сваи принимается равной ближайшему стандартному размеру по ГОСТ 19804.1-6 - 79-83 (приложение 4 к настоящему пособию) с округлением в сторону большего размера. Сечение свай принимается минимальным, соответствующим принятой длине.

Минимальная А_min  и максимальная A_max  площади подошвы ростверка должны удовлетворять тем же условиям, что и для мелкозаглубленного фундамента. Сваи размещают в рядовом или шахматном порядке. Расстояние от края подошвы ростверка до ближайшей грани забивных свай принимается не менее 25 см. Минимальное расстояние между осями забивных висячих свай - 3d, максимальное - 8d (d – размер стороны поперечного сечения сваи). Размеры ростверка в плане и по высоте принимаются кратными 0.1 м в целях унификации опалубки.

Если по конструктивным соображениям число свай n_к  больше требуемого по расчёту (n_к>n_р ), то целесообразно уменьшить длину свай либо площадь их поперечного сечения. Если наоборот (n_к<n_р), необходимо увеличить расчетное значение несущей способности за счет изменения сечения или длины сваи, либо увеличить размеры ростверка в плане для размещения свай в количестве не менее n_р .

4.1. Этапы проектирования.

4.1.1. Проектирование свайного фундамента начинается с определения глубины заложения и предварительного назначения размеров ростверка.

На суходоле следует проектировать свайные фундаменты с низким ростверком. Обрез низкого ростверка располагается также, как обрез фундамента мелкого заложения на естественном основании.

В настоящей работе рекомендуется проектировать призматический ростверк с размерами b = 3,2м, l = 10,4м.

Минимальная толщина ростверка h_р = 1,2÷1,5 м., материал – бетон марки В20( = 25 кН/м³).

Минимальная заделка сваи в ростверк – не менее 0,15 м.

Далее выбираем несущий слой основания и рассчитываем минимальную длину сваи (см. выше). По приложению 4 подбираем марку сваи (сваи забивные железобетонные сплошного квадратного сечения).

4.1.2. Определение расчетной нагрузки, допускаемой на сваю.

Расчетное сопротивление сваи (допустимая нагрузка на сваю) определяется по прочности материала и прочности грунта. Для дальнейшего расчета применяется меньшее полученное значение. Расчет висячих свай по материалу, как правило, не требуется, так как оно обычно больше, чем по грунту.

Для расчета несущей способности сваи необходимо составить расчетную схему сваи с наложением литологической колонки

Расчетное сопротивление висячей сваи по грунту определяем по формуле:

,

где: _с – коэффициент условий работы сваи, принимаемый _с = 1;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа;

А – площадь поперечного сечения сваи, м²;

U – наружный периметр сваи, м;

f_i – расчетное сопротивление i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью, м;

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

_c.r, _c.f – коэффициент условий работы под нижним концом и по боковой поверхности сваи, зависящие от способа погружения свай (для свай, погружаемых забивкой _c.r = _c.f = 1).

Значения f_i и R находятся по табл. СНиП 2.02.03-985 (Прил.6) в зависимости от глубины z_i расположения середины соответствующего слоя грунта (для f_i) или от глубины z₀ погружения нижнего конца сваи (для R). Глубина z отсчитывается от природной поверхности грунта (на суходоле).

Величина f_i · h_i в формуле берется по всем слоям, пройденных сваей грунтов. При этом пласты грунтов под подошвой ростверка следует расчленять на однородные слои с h_i ≤ 2м.)

4.1.3. Следующий этап – определение числа свай, их размещения и уточнение размеров ростверка.

Количество свай определяется по формуле:

,

где N_I – расчетная нагрузка, передаваемая на сваю, определяемая в общем случае по формуле:

N_I=1,1(Р_о+Р_п+Р_р+Р_в+Р_г+Р_св)+γ_ƒ*Р_к

где P_p – вес ростверка;

F_d – расчетная нагрузка, допускаемая на сваю;

–коэффициент, учитывающий перегрузку отдельных свай от действующего момента, равный 1,1 1,2, принимаем= 1,2.

Определив число свай n, размещаем их в призматическом ростверке в соответствии с требованиями по расстояниям между осями свай (см. выше). 4.1.4. Проверочный расчет центрально-нагруженного свайного фундамента выполняется по упрощенной методике.

Проверкой спроектированного свайного фундамента по несущей способности является выполнение следующих условий:

Проверяем усилие в свае с учетом действия одной горизонтальной силы Т (в плоскости вдоль моста).

N = N_I/n+M_I*y_max /∑ ≤ F_d

где: M_I – расчетный момент в плоскости подошвы ростверка от сил торможения;

M_I=1.1*T*(1.1+h₀+h_p)

у_max - расстояние от главной центральной оси инерции подошвы фундамента до оси крайнего ряда свай в направлении действия момента (в плоскости вдоль моста);

у_i- расстояние от той же оси до оси каждой сваи;

N_i - полная расчетная вертикальная нагрузка с учетом веса свай и ростверка, определяемая по формуле

N_I=1,1(Р_о+Р_п+Р_р+Р_в+Р_г+Р_св)+γ_ƒ*Р_к

. Расчет свайного фундамента как условного массивного./ПРИМЕР/

Определяем границу условного массивного фундамента. средневзвешенное значение угла внутреннего трения грунтов, пройденных сваями:

φ_m = ∑φi*hi/d =38*10/10, α = φ_m/4=9,5˚

где ϕ_i - расчетные значения углов внутреннего трения отдельно пройденных сваями слоев грунта;

h_i- толщины этих слоев;.

d - глубина погружения свай от подошвы ростверка или от уровня размыва, если подошва ростверка расположена выше этого уровня.

Проверка напряжений по подошве условного фундамента .

Р = N_ic/a_c*b_c≤R/γ_п;

Р_max = N_Ic/a_c*b_c+6a_c*(3M_Ic+2Td)/b_c(K/c_b*d⁴+3a_c³) ≤γ_c*R/γ_п

N_Ic= 1,1(Р_о+Р_п+Р_р+Р_в+Р_г+Р_св)+γ_ƒ*Р_к;

M_{I c}= 1.1*T*(1.1+h₀+h_p) =1,1*0,66*(1,1+8,2+1,5)=7,84МН*м.

R=1.7 R₀[1+K₁(b-2)]+K₂γ(d-3)

R₀=0,15МПа

K₁ = 0,02^-1

K₂ = 1,5

R=1.7* {0.15*[l+0.02*(6-2)]+1,5*0.0199*(10,4-3)}=0,766мПа

a_c =а + 2tg(φ_m/4 )*ℓ=2,7+2tg9⁰*5,4=4,4м длина и ширина условного

b_c = b + 2tg(φ_m/4 )*ℓ=9,89 +2tg9⁰*5,4=11,6м массивного фундамента

K = 3921 кН/м⁴ –коэффициент пропорциональности, определяющий нарастание с глубиной коэффициента постели грунта, расположенного выше подошвы фундамента

Св = 10*К = 39210 кН/м³ – коэффициент постели грунта в уровне подошвы условного фундамента.

0,0199 МН/м³–средневзвешенный по высоте расчетный удельный вес грунта;

Р_г =6*10,4*7,4*0,0199=9,18МН

N_I = 1,1(5,50+1,49+2,34+9,18+1,16)+1,13*6,60=29,09МН;

Р =29,09/62,4≤0,766/1,4=0,466≤0,547МПа

Условие выполняется

Р_max = 0,466+(6*6*(3*7,84+2*0,66*7,4))/(10,4*(0,1*7,4⁴+3*6³)

0,587≤0,656 МПа

Условие выполняется