3 Проектирование свайных фундаментов

3.1 Расчет и конструирование свайного фундамента

Расчеты свайных фундаментов выполняю в соответствии с СНБ 5.01.01, П2 к СНБ 5.01.01, П4 к СНБ 5.01.01, П13 к СНБ 5.01.01, П19 к СНБ 5.01.01 и др. ТНПА.

Для фундамента по сечению 2-2 принимаю глубину заложения ростверка из конструктивных соображений 3,5 м. Следовательно, тип ростверка – низкий (залегающий в грунте и может передавать часть вертикального давления на грунт основания).

По инженерно-геологическим особенностям строительной площадки принимаю слой грунта для опирания сваи (несущий) – глина. Минимальная глубина заделки для данного грунта – 1 м, свая работает как защемленная в грунте.

Размеры сваи принимаю диаметром 300 мм –цилиндричекие. Определяю полную длину сваи:

l₁ – глубина заделки сваи в ростверк, принимаю 0,05 м (вариант шарнирной заделки);

l₂ – расстояние от подошвы ростверка до кровли несущего слоя, принимаю 5,5 м;

l₃ – заглубление в несущий слой, принимаю 1,05 м (грунт глина).

Расчет несущей способности вертикально нагруженных свай, защемленных в грунте, выполняю по несущей способности грунта.

Определяю несущую способность сваи по грунту:

_c – коэффициент условия работы сваи в грунте, принимаемый 1,0;

_cR и _cf – коэффициент условий работы грунта ;принимаемый 1,0.

A – площадь опирания свай на грунт, равная 0,28 м²;

u – периметр поперечного сечения сваи, равный 1,88 м;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним слоем сваи, определяемое по таблице 6.1 П4 к СНБ 5.01.01 и принятое 5000 кПа (вариант для песчано-глинистого грунта с пределом текучести I_L = 0,2 при глубине погружения нижнего конца сваи до 11 м);

h_i – толщина условных i-ых слоев грунта, разбиваемое вдоль боковой поверхности сваи на участки до 2 м;

R_fi – расчетное сопротивление трению грунта в пределах i-го слоя основания на боковой поверхности сваи, определяемое по таблице 5.2 П13к СНБ 5.01.01 и принятое (рисунок 6):

-для пласта №1 - ( рыхлый насыпной грунт из мелкого песка с ограническими примесями) ;

до 1м-45 кПа (знаменатель)

до 2 м-55 кПа

- для пласта №2 ( торф) 0 кПа;

- для пласта №3 (суглинок с пределом текучести I_L = 0,3) при среднем расположении слоя грунта

до 7м – 65 кПа(числитель)

до 8 м-66 кПа .

- для пласта №4 (глина с пределом текучести I_L = 0,2 ) при среднем расположении слоя грунта:

До 10 м –79 кПа(числитель)

Рисунок 6 – К определению расчетного сопротивления трению грунта

Расчетную нагрузку, допускаемую на сваю, рассчитываю по формуле:

_k – коэффициент надежности метода, принимаемый по таблице 5.6 СНБ 5.01.01 и равный 1,4 (вариант определения несущей способности расчетом по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учета упругих деформаций сваи в грунте).

N – вертикальная расчетная нагрузка, передаваемая на одну сваю от здания при самых неблагоприятных ее сочетаниях, кН, определяемая по формуле (расчет приведен в разделе 3.2 пояснительной записки):

Здесь N_0,I – вертикальная расчетная нагрузка от здания, приложенная на уровне обреза фундамента, по заданию 2350 кН;

G_m – расчетная нагрузка от веса ростверка и грунта на его уступах, кН;

n – количество свай в фундаменте.

Определяю предварительно количество свай в фундаменте:

Принимаю конструктивно 3 сваи на одном ростверке.

3.2 Проектирование свайного ростверка под колонну

Свайные ростверки рассчитываю и конструирую как обычные плитные фундаменты.

Класс бетона принимаю С16/20, по способу изготовления – монолитный ростверк. Верх ростверка принимаю на 2000 мм ниже верха пола. Высоту тела ростверка принимаю 1,5 м (соответственно, отметка дна ростверка составляет -3,5м). Размещаю 2 сваи на ростверке из следующих соображений:

1 Расстояние между осями свай 1,1 м > 3d = 3300 = 900 мм;

2 Расстояние от края ростверка до оси первого ряда свай 250 мм, что соответствует минимальным условиям:

- 0,7d=0,7300 = 210 мм;

- d/2+50 = 300/2+50 = 200 мм.

Толщину стенок стакана ростверка принимаю 225 мм, толщину днища – 300 мм, что соответствует минимальному условию.

При таком расположении свай и конструкции ростверка размеры ростверка в плане составляют 1,61,8 м (рисунок 7).

Рисунок 7 – Конструкция монолитного ростверка

Определяю расчетную нагрузку от веса ростверка и грунта на его уступах:

G_р и G_гр – вес ростверка и грунта, располагающегося на ростверке, соответственно.

V_р и V_гр – объем ростверка и грунта, располагающегося на ростверке, соответственно.

_f – коэффициент надежности по нагрузке, равный 1,1;

_b – удельный вес железобетона ростверка, равный 25,0 кН/м³;

₁ – удельный вес грунта пласта №1 во взвешенном состоянии, равный 7,0 кН/м³.

Определяю вертикальную расчетную нагрузку, передаваемую на одну сваю от здания при самых неблагоприятных ее сочетаниях:

Определяю нагрузку с учетом действия расчетных моментов (фундамент внецентренно сжатый):

M_0,I – расчетный изгибающий момент, принятый по условию 150 кН·м;

y – расстояние от главных осей свайного поля до оси наиболее удаленной сваи, равное 0,55 м;

y_i – расстояние от главных осей свайного поля до оси каждой сваи (в случае двух свай в ряду, равное y = 0,55 м).

Несущая способность обеспечивается.

3.3 Расчет возможной конечной осадки основания свайного фундамента

Расчет по предельному состоянию второй группы производится аналогично расчету по деформациям оснований плитных фундаментов (на естественном основании), изложенном в разделе 2.4 пояснительной записки:

S  S_u где

S – конечная осадка отдельного фундамента, определяемая расчетом;

S_u – предельная величина конечной осадки основания фундамента зданий и сооружений, принимаемая по 5.5.3 ТКП 45-5.01-67. В курсовом проекте, согласно данному пункту, принимаю по приложению Б таблицы Б.1 СНБ 5.01.01 – 80 мм (графа 1, вариант: производственные и гражданские одноэтажные и многоэтажные сооружения с полным железобетонным каркасом).

Расчет осадок свайных фундаментов из свай, защемленных в грунте, и его основания по деформациям, выполняю по методу условного массивного фундамента, по той же методике, что и для фундамента на естественном основании (согласно ТКП 45-5.01-67).

Грунт в межсвайном пространстве и примыкающий к наружным граням крайних свай фундамента рассматриваю как единый массив АБВГ (рисунок 8):

- снизу – горизонтальной плоскостью БВ, проходящей через нижние концы свай и служащей подошвой условного фундамента;

- по краям – вертикальными плоскостями АБ и ВГ, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии a. Таким образом, ширина подошвы условного фундамента:

m – расстояние между внешними плоскостями свай, равное 1,4 м;

h₀ – расчетная длина сваи, равная 6,6 м;

φ_II,mt – осредненное расчетное значения угла внутреннего трения грунта, определяемого по формуле:

φ_II,1, φ_II,2, … , φ_II,n – расчетные значения углов внутреннего трения грунтов соответствующих участков сваи h₁, h₂, …, h_n.

- сверху – поверхностью планировки грунта АГ.

Определяю ширину и длину подошвы условного фундамента:

Определяю суммарный вес условного массива и нагрузок, приложенных в уровне обреза фундамента:

G₁ – вес ростверка:_.

G₂ – вес свай:_.

G₃ – вес грунта в объеме выделенного условного массива:_.

Определяю среднее давление по подошве условного центрально нагруженного фундамента:

A₁ –площадь подошвы условного фундамента, м.

Определяю максимальное давление по краю подошвы условного фундамента:

Определяю расчетное сопротивление грунта в уровне подошвы условного фундамента:

где _c1 и _c2 – коэффициенты условий работы, принимаемые по таблице 5.2 ТКП 45-5.01-67 и равные для глинистых оснований с пределом текучести до I_L = 0,25 – 1,25 и 1,0 (вариант здания с ограниченно-жесткой конструктивной схемой по 4.4.3ТКП 45-5.01-67 (здания и сооружения с рамными и неразрезными железобетонными конструкциями) при соотношении длины здания к высоте 48,0/10,8  4,4) соответственно;

k – коэффициент зависящий от прочностных характеристик грунта  и C, равный 1,0 (вариант определения характеристик испытаниями согласно геологических данных, приведенных во введении);

M_, M_q, M_c – коэффициенты, принимаемые по таблице 5.3 ТКП 45-5.01-67 и равные 0,51; 3,06; 5,66 соответственно (угол внутреннего трения  = 20 для пласта №4);

k_z – коэффициент, зависящий от ширины подошвы фундамента, равный 1,0 (вариант при ширине до 10 м);

b – ширина подошвы условного фундамента, равная 2,5 м;

_II – среднее арифметическое расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента на глубину сжимаемой толщи, но не менее 2b при b  1м и не менее 0,5b при b 1 м, для несущего пласта №4 принимаю 22 кН/м³;

_II^’ – среднее арифметическое расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента, равный 0,95_II.

C_II – расчетное удельное сцепление грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, равное 100,0 кПа;

d₁ – глубина заложения фундаментов подвальных сооружений от уровня планировки, равная 10,05м;

d_b – глубина подвала, принимаю для расчетных сечений 3,0 м

В общем случае, формула имеет вид:

Проверяю условие:

Условие выполняется, прочность обеспечена.

Расчет осадок выполняю аналогично плитным фундаментам мелкого заложения (см. раздел 2.4  пояснительной записки). Данные расчета сведены в таблице 5.

Рисунок 8 – Расчетная схема для определения осадок свайного фундамента по сечению 2-2

Таблица 5 – Расчет конечной осадки свайного фундамента по сечению 2-2

Номер пласта	Номер элементарного слоя, hi		Толщина элементарного слоя, hi,см		Относительная глубина  = 2z/b		Коэффициент затухания 		Среднее дополнительное напряжение в слое zpi, кПа		Среднее напряжение от природного давления грунта zgi, кПа		0,2zgi, кПа		Модуль общей деформации грунта Ei, кПа		Осадка слоя, si, мм
1	1		150		-		-		-		19,5		3,9		-		-
	2		150		-		-		-		13,5		2,7		-		-
	0-1		300		-		-		-		0-1 = 33,0		6,6		-		-
2	3		300		-		-		-		21,0		4,2		-		-
0-3		600		-		-		-		0-3 = 54,0		10,8		-		-
3	4		300		-		-		-		36,0		7,2		-		-
0-4		900		-		-		-		0-4 = 90,0		18,0		-		-
4	5		105		-		-		499,4		14,7		2,9		20000 20000		-
	0-5		1050		-		-		-		0-4 = 104,7		20,9				-
	6		75		0,6		0,624		311,6		105,0		21,0				14,6
	7		75		1,2		0,272		135,8								6,4
	8		75		1,8		0,139		69,4								3,3
	9		75		2,4		0,083		41,5								1,9
	10		75		3,0		0,055		27,5								1,3
	11		75		3,6		0,038		19,0
	12		75		4,2		0,028		14,0
	13		75		4,8		0,021		10,5
	14		75		5,4		0,017		8,5
	15		75		6,0		0,016		8,0
	6-15		750		-		-		-		-		-				-
0-15		18000		-		-		-		209,7		41,9		-		-
															si = 27,5 мм

Конечная осадка S = 27,5 мм < S_u = 80 мм оставляю размеры фундаментов без изменения