Определение глубины заложения ростверка

Определение глубины заложения ростверка

Глубина заложения подошвы свайного ростверка назначается от планировочной отметки в зависимости от следующих факторов: наличия подвалов и подземных коммуникаций, возможности пучения грунтов при промерзании, глубины заложения фундамента примыкающих сооружений, размера ростверка и не зависит от геологических условий.

В жилых и общественных зданиях при отсутствии подполья верх ростверка должен быть на 0,1– 0,15м ниже планировочной отметки. При этом в глинистых грунтах под ростверком наружных стен устраивается подсыпка из щебня, шлака или крупнозернистого песка толщиной не менее 0,2м (0,1 м под ростверки внутренних стен), а в песчаных грунтах ростверк укладывается по слою щебня, шлака или тощего бетона толщиной не менее 0,1 м.

В зданиях с подвалом, примыкающими технологическими каналами или приямками глубина заложения подошвы ростверка назначается с таким расчетом, чтобы отметка низа ростверка располагалась на 0,3–0,5м ниже отметки пола подвала, примыкающих заглубленных помещений и коммуникаций, а при отсутствии вблизи ростверков заглубленных помещений верх ростверка назначается от уровня планировочной отметки.

В пучинистых грунтах при назначении глубины заложения ростверка следует учитывать глубину промерзания грунтов так же, как для фундаментов мелкого заложения.

При заложении ростверка в пределах глубины промерзания под ним следует устраивать воздушный зазор величиной не менее 0,2 м.

Высота ростверка назначается согласно расчету на продавливание в соответствии с требованиями норм проектирования железобетонных конструкций.

Обычно по конструктивным соображениям высота ростверка h_p ≥ h₀+ 0,25м, но не менее 30 см (h₀ – значение заделки сваи в ростверк, принимаемое не менее 5 см).

Определение несущей способности сваи

Несущая способность свай определяется в соответствии с требованиями СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03–85».

Сваи стойки

Несущую способность F_d, кН, забивной сваи, сваи-оболочки, набивной и буровой свай, опирающихся на скальный грунт, а также забивной сваи, опирающейся на малосжимаемый грунт, следует определять по формуле

(3)

где γ_c – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый γ_c=1,0;

A – площадь опирания на грунт сваи, м², принимаемая для свай сплошного сечения равной площади поперечного сечения, а для свай полых круглого сечения и свай-оболочек – равной площади поперечного сечения нетто при отсутствии заполнения их полости бетоном и равной площади поперечного сечения брутто при заполнении этой полости бетоном на высоту не менее трех ее диаметров.

Расчетное сопротивление грунта R под нижним концом сваи-стойки, кПа, следует принимать:

а) для всех видов забивных свай, опирающихся на скальные и малосжимаемые грунты, R = 20 000 кПа;

б) для набивных и буровых свай и свай-оболочек, заполняемых бетоном и заделанных в невыветрелый скальный грунт (без слабых прослоек), не менее чем на 0,5 м, по формуле

(4)

где R_c,n – нормативное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта в водонасыщенном состоянии, кПа.

γ_g – коэффициент надежности по грунту, принимаемый γ_g=1,4;

ℓ_d – расчетная глубина заделки набивной и буровой свай и сваи оболочки в скальный грунт, м;

– наружный диаметр заделанной в скальный грунт части набивной и буровой свай и сваи-оболочки, м.

ПРИМЕР 4.1. Определить несущую способность забивной квадратной сваи-стойки длиной 5м, сечением 35х35 см, опирающейся на скальный грунт.

Решение. Несущая способность сваи-стойки по грунту F_d определяется по формуле (3). Для забивной сваи-стойки γ_С =1,0 , R = 20000 кПа, A= 0,35·0,35 = 0,1225 м², F_d= 1·20000·0,1225= 2450 кН.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю с коэффициентом надежностиγ_k = 1,4 , будет

N ≤ F_d / γ_k = 2450/1,4 = 1750кН.

ПРИМЕР 4.2. Определить несущую способность набивной сваи диаметром d_f = 0,6 м, заделанной в скальный грунт на глубину ℓ_d = 0,7 м, R_c,n =3500 кПа.

Решение. Расчетное сопротивление грунта R под нижним концом сваи стойки определяем по формуле (4)

R= (3500/ 1,4)·( 0,7/ 0,6+1,5)= 7325 кПа.

Площадь опирания сваи на грунт при d=0,5 , A=0,2827 м².

F_d=γ_c^.R^.A= 1·5983·0,2827= 2070,8 кН.

Расчетная нагрузка, допускаемая на одиночную сваю, определяется по формуле (1)

N ≤ F_d / γ_k = 1691/1,4 = 1479,1 кН.

Висячие забивные сваи

Несущую способность F_d [кН] висячей забивной сваи, погружаемой без выемки грунта, работающей на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи на ее боковой поверхности по формуле

, (5)

где g_с – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый g_с=1,0;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.2 [5], табл. Б.1, прил. Б;

А – площадь опирания на грунт сваи, м², принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто или по площади поперечного сечения камуфлетного уширения по его наибольшему диаметру, м²;

u – наружный периметр поперечного сечения сваи, u= 1,2 м;

f_i – расчетное сопротивление i–го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.3[5], табл. Б.3, прил. Б;

h_i – толщина i–го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м. При определении расчетных сопротивлений грунтов на боковой поверхности свай f_i пласты грунтов необходимо расчленять на однородные слои толщиной не более 2 м;

γ_cr,γ_cf – коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи, зависящие от способа ее погружения, определяемые по таблице 7.4 [4], табл. Б.2, прил. Б.

ПРИМЕР 4.3. Определить длину и рассчитать несущую способность забивной призматической сваи для геологических условий, приведенных на рис.1.

Решение. По грунтовым условиям сваю целесообразно заглубить в третий слой (песок средней крупности), т. к. вышележащие слои (супесь пластичная и суглинок текучепластичный) характеризуются низким сопротивлением грунта.

Минимальная длина сваи ℓ должна быть

ℓ= 0,1+0,3+2,0+4,0+1,0=7,4 м,

где 0,1 – заделка сваи в ростверк, м;

0,3 , 2,0 и 1,0 – толщины грунтовых слоев, м;

1,0 – минимальное заглубление сваи в несущий слой, м.

Рис.1 к примеру 4.3

Принимаем сваю С8–30 (длина сваи 8 м, сечение 30´30 см), длина острия 0,25м.

Несущая способность забивной висячей сваи определяется по формуле (5). Расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи для песков средней плотности определяется по табл.7.2 [5], табл. Б.1, прил. Б, при расчетной глубине погружения нижнего конца сваи ℓ= 8,45м. Интерполируя между значениями R при глубине погружения 7 м и 10 м, получим R=3845 кПа.

Коэффициенты γ_c=1,0 , γ_cr=1,0 , γ_cf=1,0 (при погружении сваи дизель-молотом по табл. 7.4 [5]), табл. Б.2, прил. Б.

Площадь опирания сваи на грунт A=0,3·0,3=0,09 м².Наружний периметр поперечного сечения свай u=0,3·4=1,2 м.

Расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи f_i определяется в зависимости от средней глубины расположения слоя z и консистенции грунта (показателя текучести) I_L по табл. 7.3 [5], табл. Б.3, прил. Б.

Для этого каждый слой (пласт) грунта делим на слои высотой не более 2 м и определяем расстояние от природного рельефа NL до середины рассматриваемого слоя.

Под подошвой ростверка залегает супесь пластичная мощностью 2м.

Следующий пласт–суглинок текучепластичный мощностью 4 м. Согласно вышеизложенному, разбиваем этот пласт на два слоя по 2 м.

При определении расчетного сопротивления на боковой поверхности забивных свай по табл. 7,3 [5], табл. Б.3, прил. Б необходимо обращать внимание на примечания к этой таблице.

Сопротивление трению по боковой поверхности сваи f₁ в пластичной супеси (I_L=0,5) на глубине

z₁=0,6+2/2=1,6 м f₁=15 кПа.

Сопротивление трению f₂ в суглинке текучепластичном на глубине

z₂=0,6+2+2/2=3,6 м f₂=7 кПа,

а на глубине

z₃=0,6+2+2+ 2/2 =5,6 м f₃=7 кПа.

Сопротивление трению f₄ в песке средней крупности и плотности на глубине

z₄=0,6+2+2+2+ 1,85/2 =7,525 м f₄=61 кПа.

Несущая способность сваи

F_d=1·[1·3845·0,09+1,2·Σ(15·2+7·2+7·2+61·1,85)]=346,05+205,02=551,1кПа.

Висячие набивные сваи

Несущая способность F_d, кН, набивной и буровой свай с уширением и без уширения, работающих на сжимающую нагрузку, следует определять в соответствии с п.7.2 [5] по формуле

, (6)

где γ_c – коэффициент условий работы сваи, принимаемый при опирании сваи на глинистые грунты со степенью влажности S_r<0,8 и лессовидные грунты γ_c=0,8 , в остальных случаях γ_c=1;

γ_cr – коэффициент условий работы грунта под нижним концом набивной сваи, равный γ_cr=1,0; для сваи с уширенной пятой, бетонируемой подводным способом, γ_cr=0,9;

R– расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое в соответствии с указанием п. 7.2 [5];

A – площадь опирания сваи, м²;

u – периметр ствола сваи, м;

γ_cf – коэффициент условий работы грунта, принимаемый по таблице 7.6 [5] в зависимости от способа изготовления ствола и скважины и вида грунта;

f_i – расчетное сопротивление i–го слоя грунта по боковой поверхности набивной сваи, кПа, принимаемое по табл. 7.3 [5];

h_i – толщина i–го слоя грунта, соприкасающегося со сваей, м.

ПРИМЕР 4.4. Определить несущую способность буронабивной сваи длиной 7 м; диаметром 1 м. Геологические условия приведены на рис.2.

Рис.2 к примеру 4.4

Несущая способность буронабивной сваи по грунту определяется по формуле (6). Коэффициенты γ_c=γ_cr=1,0. Свая нижним концом опирается на песок средней крупности и плотности, поэтому в соответствии с п.7.2.7 [5] расчетное сопротивление R определяется по формуле

(7)

где – безразмерные коэффициенты, принимаемые по табл.7.7 [5], в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта основания α₁=71,3 при φ=35°,

α₂=127; при h/d=8/1=8 (h – глубина заложения, м, нижнего конца сваи или ее уширения, отсчитываемое от природного рельефа или уровня планировки (при планировке срезкой),d – диаметр сваи);

α₃=0,764; при d=1;

α₄=0,237;

γ´_I – расчетное значение удельного веса грунта, кН/м³, в основании сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды) γ´_I=16,0 кН/м³;

γ_I – осредненное (по слоям) расчетное значение удельного веса грунтов, кН/м³, расположенных выше нижнего конца сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды)

γ_I = (19·3+18·4+16·1)/(3+4+1)=18,1 кН/м³;

d – диаметр, м, набивной и буровой свай, диаметр уширения (для сваи с уширением), сваи-оболочки или диаметр скважины для сваи-столба, омоноличенного в грунте цементно-песчаным раствором;

h – глубина заложения, м, нижнего конца сваи или ее уширения, отсчитываемая от природного рельефа или уровня планировки (при планировке срезкой).

По формуле (7)

R= 0,75·0,237·(71,3·16,8·1+127·0,764·18,1·8)= 2404,75 кН/м².

Площадь опирания сваи на грунт

A=π·d² /4 = 3,14·1² /4 = 0,785 м².

Периметр сваи u=2·π·r =2·3,14·0,5= 3,14 м.

Коэффициент γ_cf определяется по табл. 5[4]:

для глины – γ_cf =0,6;

для суглинка – γ_cf =0,7;

для песка – γ_cf =0,7.

Разбиваем пласты грунта на однородные слои мощностью не более 2 м и определяем соответствующие значения f_i:

для глины (I_L=0,4) при z₁=2,1 м f₁=21,4 кПа;

для суглинка (I_L=0,4) при z₂=4 м f₂=27 кПа;

при z₃=6 м f₃=31 кПа;

для песка средней крупности при z₄=7,5 м f₄=61 кПа.

Определяем несущую способность сваи по формуле (6).

F= 1·[1·2404,75·0,785+3,14·(0,6·21,4·1,8+0,7·27·2+0,7·31.2+

+0,7·61·1)]= 2349,3 кН.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю, определяется по формуле (1)

N ≤ F_d / γ_k = 2349,3 /1,4 = 1678,1 кН.

ПРИМЕР 4.5. Определить несущую способность буронабивной сваи с уширенной пятой. Длина сваи 9 м, диаметр ствола 0,8 м, диаметр уширения 1,5 м. Грунтовые условия приведены на рис.3.

Несущая способность буронабивной сваи с уширением по грунту определяется по формуле (6).

γ_c– коэффициент условий работы сваи равен, I_c= 1,0;

γ_cr – коэффициент условий работы для сваи с уширением, бетонируемым подводным способом, равен γ_cr= 0,9;

R– расчетное сопротивление под нижним концом сваи принимаем в глинистых грунтах согласно п.4.7б по табл.7[4] при h=10 м и I_L=0,5 R=700 кПа;

Рис.3 к примеру 5.5

A– площадь опирания при d_у= 1,5 м,

A= 3,14·1,5² /4 = 1,77 м²;

u – периметр ствола сваи при d= 0,8 м,

u= 2·π·r= 2·3,14·0,4= 2,51 м;

γ_cf – коэфициент условий работы грунта по боковой поверхности свай, принимаем по табл.5[4]:

для суглинка – γ_cf = 0,7;

для супеси:

выше WL – γ_cf = 0,7; ниже WL – γ_cf = 0,6.

Для определения сопротивления грунта по боковой поверхности разбиваем ствол сваи по длине на слои (в пределах однородного слоя грунта) мощностью 2 м (Рис.3).

при z₁=2,2 м, I_L=0,7 , f₁=7,2 кПа;

при z₂=4,1 м, I_L=0,7 , f₂=9,1 кПа;

при z₃=5,75м, I_L=0,5 , f₃=24,7кПа;

при z₄=7,5 м, I_L=0,5 , f₄=25,7кПа.

Несущая способность сваи

F_d= 1[0,9·700·1,77+2,51·(0,7·7,2·2+0,7·9,1·1,8+0,7·24,7·1,5+0,6·25,7·2)]= 1311,98 кН.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю

N ≤ F_d / γ_k = 1311,98 /1,4 = 937,1 кН.

5. Определение числа свай и размещение их в плане ростверка

Ориентировочно количество свай в кусте определяется по формуле

, (8)

где γ_k– коэффициент надежности, γ_k= 0,8÷1,4 (при определении несущей способности сваи расчетом γ_k= 1,4 [5]);

N_0I – расчетная нагрузка, передаваемая на фундамент, кН;

F_d – несущая способность сваи, кН;

А´– площадь ростверка, приходящаяся на одну сваю, принимаемая равной 0,9÷1,2 м²;

γ_k– усредненный удельный вес ростверка и грунта на его уступах, принимаемый равным 20 кН/м³.

Если количество свай в кусте n, рассчитанное по формуле (8), не превышает 8–10 шт., то проектируют ростверк. Если же n больше 10, то необходимо увеличить сечение сваи или их длину. При этом длину забивных свай не рекомендуется принимать более 10–12 м в связи со сложностью забивки их на большую глубину.

Минимальное расстояние а между осями висячих свай должно быть a≥3d, где d – диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи. Для свай стоек а≥1,5d.

Расстояние в свету между стволами буровых, набивных свай и свай столбов должно быть не менее 1 м.

Расстояние в свету между уширениями при устройстве их в твердых и полутвердых пылевато-глинистых грунтах –0,5 м, в других нескальных грунтах –1 м.

Ориентировочно расстояние от края ростверка до внешней стороны вертикально нагруженной сваи при свободной заделке ее в ростверк принимается при размещении свай: однорядном – не менее 0,2d+5 см; двух– и трехрядном 0,3d+5 см и при большем количестве рядов 0,4d+5 см (d – диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи, см). По конструктивным соображениям высота ростверка должна быть равна h_o+0,25 м, но не менее 0,3 м (h_o– величина заделки сваи, м).

Количество свай на погонный метр ленточного фундамента определяется по формуле

, (9)

где γ_k– коэффициент надежности, γ_k= 0,8÷1,4 (при определении несущей способности сваи расчетом γ_k= 1,4 [5];

N_0I – расчетная нагрузка на 1 м погонный стены, кН;

F_d– несущая способность сваи, кН;

А´– площадь ростверка, приходящаяся на одну сваю, принимаемая равной 0,9÷1,2 м²;

γ_k – усредненный удельный вес ростверка и грунта на его уступах, принимаемый равным 20 кН/м³.

Шаг свай в ленточном ростверке определяется по формуле

.

После определения размеров ростверка уточняют фактическую нагрузку на сваю и при необходимости корректируют параметры свайного фундамента.

При этом должны соблюдаться условия:

– при центральном загружении и (10)

(11)

– при внецентренном загружении,

где N_d – суммарная расчетная нагрузка на уровне низа фундамента, кН,

N_d=N_p+G_p+G_г ; (12)

N_d – нагрузка на уровне обреза фундамента, кН;

G_p – вес ростверка, кН;

G_г – вес грунта на уступах ростверка, кН;

n – количество свай;

F_d – несущая способность сваи, кН;

M_x,M_y – моменты относительно осей X и Y плана свай в плоскости подошвы свайного ростверка;

x_i,y_i – расстояние от осей ростверка до оси каждой сваи, м;

x,y – расстояние от осей ростверка до оси сваи, для которой вычисляется расчетная нагрузка, м.

При действии момента только в одном направлении формула прев­ращается в двухчленную, и зависит от расположения эскиза.

При проектировании ростверков необходимо стремиться к тому, чтобы нагрузка F, допускаемая на сваю, была равна расчетной нагрузке на сваю или недогрузка не превышала на 5–10%. При внецентренном загружении допускается, чтобы расчетная нагрузка на сваю, определяемая по формуле (11), превышала нагрузку, допускаемую на сваю F, на 20%.

ПРИМЕР 5.1. Определить число свай сечением 30´30 см.

Несущая способность сваи F_d= 880 кН. Расчетная нагрузка на фундамент: N=2400 кН. Высота ростверка 1,3 м.

Решение. Число свай равно

n= 2400/(880/1,4-1,0∙1,3∙20) = 3,98.

Принимаем 4 шт., округляя в большую сторону.

Размер ростверка определяется из следующих условий: расстояние между осями свай 3d=3·0,3=0,9 м, свес ростверка 14 см, принимаем 15 см (рис.4).

Рис.4 к примеру 5.1

Суммарную нагрузку N_d на уровне низа фундамента, от веса ростверка и грунта над ним и с усредненным удельным весом железобетона и грунта γ_ср=20 кН/м³, определяем по формуле (12)

N_d=2400+1,5·1,5·1,3·20=2458,5 кН.

Нагрузка на одну сваю

N_Ф=2458,5 /4 = 614,6 кН.

F= 880/1,4 =628,6 кН.

Сравнивая N_Ф=614,9 кН и F=628 кН, видим, что недогрузка сваи 2,2% в допустимых пределах, т.е. меньше 10% .

ПРИМЕР 5.2.Определить число свай сечением 40´40 см под ленточный ростверк.

Нагрузка на 1 м погонный стены N=356 кН/м.

Несущая способность одной сваи F_d=350 кН.

Решение. Число свай

n= 356/(350/1,4-0,9∙1,3∙20)=1,57≈1,6 свай (две сваи на 1м пог. метр принимать нерационально).

Шаг свай ℓ_ш= = (350/1,4-0,9∙1,3∙20) /356=0,63 м.

Принимая расстояние между осями свай не менее 3d = 3·0,4 = 1,2 м, сваи расставляем в шахматном порядке, как показано на рис.5.

Рис.5 к примеру 5.2

ℓ= = 1,0 м.

Ширина ростверка ℓ_p=ℓ+2·0,2= 1,0+0,4= 1,4 м.

Пример 5.3. Запроектировать ростверк под колонну.

Несущая способность сваи сечением 40´40, длиной 6 м – F_d=440 кН. Высота ростверка 1,4 м. Расчетная нагрузка на фундамент N_0I=4100 кН. M_X0I=700 кН∙м.

Решение. Число свай в ростверке определяется по формуле (8)

n= 4100/(440/1,4-1,0∙1,4∙20)= 14,3.

С целью уменьшения числа свай в ростверке увеличим их длину до 11 м. Несущая способность таких свай F_d=1260 кН.

n= 4100/(1260/1,4-1,0∙1,4∙20) = 4,7≈5 свай.

Размеры ростверка определяются из следующих условий: минимальное расстояние между осями свай 3d=3∙0,4=1,2 м, свес ростверка 20 см (Рис.6).

ℓ= = 1,7 м

Рис.6 к примеру 5.3

Суммарная нагрузка в уровне подошвы ростверка N_d=4100+2,5·2,5·1,4·20=4275,0 кН.

Расчетная фактическая нагрузка на сваю определяется по формуле (10)

N_Ф= 4275,0/5 ± (700·0,85)/(0,85²·4) =867,3±137,2=1060,9 кН.

N_Ф=1060,9 кН. = 1,2∙1260/1,4=1080 кН.

Недогрузка крайних свай 1,8% в допустимых пределах, т. е. меньше 10% .

Определение глубины заложения ростверка

Глубина заложения подошвы свайного ростверка назначается от планировочной отметки в зависимости от следующих факторов: наличия подвалов и подземных коммуникаций, возможности пучения грунтов при промерзании, глубины заложения фундамента примыкающих сооружений, размера ростверка и не зависит от геологических условий.

В жилых и общественных зданиях при отсутствии подполья верх ростверка должен быть на 0,1– 0,15м ниже планировочной отметки. При этом в глинистых грунтах под ростверком наружных стен устраивается подсыпка из щебня, шлака или крупнозернистого песка толщиной не менее 0,2м (0,1 м под ростверки внутренних стен), а в песчаных грунтах ростверк укладывается по слою щебня, шлака или тощего бетона толщиной не менее 0,1 м.

В зданиях с подвалом, примыкающими технологическими каналами или приямками глубина заложения подошвы ростверка назначается с таким расчетом, чтобы отметка низа ростверка располагалась на 0,3–0,5м ниже отметки пола подвала, примыкающих заглубленных помещений и коммуникаций, а при отсутствии вблизи ростверков заглубленных помещений верх ростверка назначается от уровня планировочной отметки.

В пучинистых грунтах при назначении глубины заложения ростверка следует учитывать глубину промерзания грунтов так же, как для фундаментов мелкого заложения.

При заложении ростверка в пределах глубины промерзания под ним следует устраивать воздушный зазор величиной не менее 0,2 м.

Высота ростверка назначается согласно расчету на продавливание в соответствии с требованиями норм проектирования железобетонных конструкций.

Обычно по конструктивным соображениям высота ростверка h_p ≥ h₀+ 0,25м, но не менее 30 см (h₀ – значение заделки сваи в ростверк, принимаемое не менее 5 см).