Расчет свай по нормативным сопротивлениям грунтов

При расчете висячих свай полагают, что приложенная к ним вертикальная нагрузка уравновешивается реакцией грунта, действу­ющей на заостренную часть нижнего конца сваи, и его сопротивлением, распределенным по боковой поверхности ее ствола (рис.2.11.).

Рис. 2.11. Схема работы висячей сваи в грунте

В зависимости от глубины забивки сваи и свойств окружающего грунта соотношение указанных сил может быть различным. Оно, очевидно, изменяется и в процессе нагружения сваи, по мере увеличения ее осадки, а потому найти действительное соотношение указанных сил весьма трудно.

Решение этой сложной задачи связано с необходимостью опре­деления деформаций сваи и окружающего грунта, характер развития которых в зависимости от нагрузки изучен пока еще слабо. Поэ­тому расчет висячих свай ведут приближенными способами, проверяя в необходимых случаях полученные результаты посредством дина­мических и статических испытаний.

Длина сваи назначается в зависимости от глубины заложения подошвы ростверка (или с учетом заданной отметки голо­вы сваи, при безроетверковых фундаментах) и положения не­сущего слоя, в который заглубляется нижний конец или пята сваи. При этом сваи должны прорезать все слабые прослойки, а в необходимых случаях и слои просадочных грунтов. Обычно заглубление сваи в несущий слой составляет не менее 1 м, кроме твердых глинистых грунтов, гравелистых, крупных и средней крупности песков, в которых оно должно приниматься не менее 0,5 м.

В случае однородных на большую глубину оснований дли­на сваи определяется необходимой несущей способностью. Минимальная длина должна не менее чем в 2-3 раза пре­вышать ширину ростверка.

Глубина заложения подошвы свайных ростверков прини­мается такой же, как и глубина заложения в рассматривае­мых условиях обычных фундаментов. Ростверки ленточных свайных фундаментов под наружные стены бесподвальных зданий могут заглубляться всего на 10-15 см ниже плани­ровочнычх отметок в случае устройства под ростверками подушек из песка толщиной 0,5 м. Но и такие подушки не требуются, если заанкеривание сваями и нагрузка, передаваемая стеной, способны противодействовать силам морозного пучения.

Расчет свайных оснований по несущей способности и конструктивные расчеты свайных фундаментов производятся по расчетным нагрузкам, которые принимаются по основным со­четаниям нагрузок с коэффициентами надежности,. определяе­мыми по СНиП [ 6 ].

Расчет свайных оснований по деформациям выполняется на основное сочетание расчетных нагрузок с коэффициентами надежности γ_f = 1,0. При этом расчетные вертикальные усилия, моменты и горизонтальные силы, действующие по обрезу ростверка, для расчета по, не­сущей способности обозначаются N_I, M_I, Q_I , а для расчета по деформациям – соответственно N_II, M_II, Q_II.

Проектирование свайного фундамента начинается с совме­щения инженерно -геологического разреза со схемой погруже­ния или устройства принятого к рассмотрению типа сваи. Пос­ле этого определяется расчетная нагрузка, передаваемая на сваю N_I, которая не должна превышать расчетной нагрузки Р,

допускаемой на эту сваю ( 4 ).

N_I ≤ F_d / γ_k =P, (2. 1.)

где F_d- расчетная несущая способность грунта основания одиночной сваи, сокращенно называемая несущей способностью сваи;

γ_к - коэффициент надежности, принимаемый γ_к = 1,4.

Несущая способность висячей сваи складывается из рабо­ты нижнего конца и боковой поверхности, а несущая способ­ность сваи-стойки, опирающейся на твердые несжимаемые грунты, определяется только работой нижнего конца.

Для сваи - стойки F_d = γ_с RА (2. 2.)

Для висячей сваи F_d = γ_с (γ_сR RА + u γ_cf ƒ₁ h ₁ ) (2. 3.)

Здесь γ_с - коэффициент условий работы сваи в грунте, прини­маемый для всех типов свай γ_с = 1, кроме случаев опирания буронабивных свай на покровные глини­стые грунты со степенью влажности Sr < 0,85 и на лессовидные грунты, когда γ_с =0,8;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним кон­цом сваи (табл. 2.1. и 2.2. для висячих свай).

Для свай-стоек, опирающихся на скальные и крупнообло­мочные грунты, а также на глинистые грунты твердой конси­стенции, R = 20000 кПа, если эта величина для них не задана в проекте;

А - площадь нижнего конца сваи;

u - наружный периметр поперечного сечения сваи;

ƒ₁ - расчетное сопротивление i-гo слоя грунта мощностью h_l по боковой поверхности сваи;

γ_сR и γ_сf - коэффициенты условий работы грунта под остри­ем и по боковой поверхности, принимаемые для забивных свай равными единице; для набивных свай γ_сR =l (кроме свай с камуфлетным уширени­ем, когда

γ_сR = 1,3 и свай с уширенной пятой, бетонируемых подводным способом, когда γ_сR =0,9), γ_сf принимается по табл. 2.4.

Величины расчетного сопротивления плотных песчаных грунтов на боковой поверхности свай и свай-оболочек следует увеличивать на 30% против значений, приведенных в табл.2.3. При определении расчетных сопротивлении по табл.2.3. грунты расчленяются на однородные слои толщиной не более 2 м. При значениях показателя текучести меньших 0,2 величины ƒ принимаются по колонке для IL=0,2.

В случае возможного подъема уровня подземных вод и замачивания основания показатель текучести определяется по влажности грунта при его водонасыщении по формуле

I_L = (0,9e γ_w / γ_s – ω_p) / (ω_p – ω_p) (2.4.)

Для лессовидных просадочных грунтов в условиях прогно­зируемого замачивания при I_L <0,4 рекомендуется принимать I_L =0,4. При глубине погружения свай более 5 м величины R и f принимаются по табл.2.1. - 2.3. по значениям для глубины 5,0 м.

В табл. 2.4. приведены значения коэффициентов γ_сf для свай, изготавливаемых в грунте.

Таблица 2.1.

Глубина погружения нижнего конца сваи, м	Расчетные сопротивления под нижним концом забивных свай и свай оболочек, не заполняемых бетоном, R кПа
Песчаных грунтов средней плотности
гравелистых	крупных	-	Средней крупности	мелких	пылеватых	-
Глинистых грунтов при показателе текучести J L , равном
	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
		6600 4000		3100 2000	2000 1200
		6800 5100		3200 2500	2100 1600
		7000 6200		3400 2800	2200 2000
		7300 6900		3700 3300	2400 2200
		7700 7300		4000 3500	2600 2400
		8200 7500		4400 4000
				4800 4500

Примечание: Цифры в числителе относятся к пескам, в знаменателе – к глинам.

Таблица 2.2.

Глубина заложения нижнего конца сваи, м	Расчетное сопротивление R кПа, под нижнем концом набивных свай с уширением и без уширения, и свай-оболочек, погружаемых с выемкой грунта и заполнением полости бетоном, при глинистых грунтах с показателем текучести J L , равным
	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
						-	-
						-	-
	Таблица 2.3.
Средняя глубина расположения слоя грунта, м	Расчетные сопротивления на боковой поверхности свай и свай-оболочек, ƒ кПа
песчаных грунтов средней плотности
Крупных и средней крупности	мелких	пылеватых	-	-	-	-	-	-
Глинистых грунтов при показателе текучести J L , равном
0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0

Таблица 2.4.

Коэффициенты γ_сf

Вид свай и способы их устройства	γсf при грунтах
песках	супесях	суглинках	глинах
1. Набивные, частотрамбованные при забивке инвентарной трубы	0,8	0,8	0,8	0,7
2.Буронабивные, в том числе с уширенной пятой, бетонируемые: при отсутствии воды в скважине под водой или глинистым раствором	0,7   0,6	0,7   0,6	0,7   0,6	0,6   0,6
3. Сваи-оболочки, погружаемые вибрированием с выемкой грунта	1,0	0,9	0,7	0,6

Для свай-стоек обязательно про изводится проверка на сжатие по материалу сваи и эта величина принимается за несущую способность сваи, если она окажется меньше ее несущей способности по грунту. Несущая способность по материалу железобетонных свай определяется по формуле

F_dm = φ (γ_с γ_m R_b A + γ_aR_sA_a) (2.5.)

где φ - коэффициент продольного изгиба, обычно принимаемый φ = 1

(φ < 1может назначаться для свай с вы­соким ростверком и для свай, прорезающих с поверх­ности мощные толщи очень слабых грунтов);

γ_с - коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,85 для свай сечением менее 30х30 см и γ_с = 1 - для свай большего сечения;

γm - коэффициент условий работы бетона, принимаемый γm = 1 для всех видов свай, кроме буронабивных, для которых: γm =0,9 - в случае, если при бурении сква­жин и изготовлении свай используются извлекаемые обсадные трубы и отсутствует вода в скважинах и γm =0,8 в том же случае, но при бетонировании под водой; γm =0,7 - в грунтах, бурение скважин и изготовление свай в которых ведется под глинистым рас­твором;

R_b - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, зависящее от его класса и принимаемое при

В 15 R_b = 8,5 МПа;

В 25 R_b =14,5 МПа;

В 30 R_b = 17,0 МПа;

А - площадь поперечного сечения сваи;

γ_a- коэффициент условий работы арматуры, принимаемый γ_a =1;

R_s- расчетное сопротивление сжатию арматуры, принимаемое по СНиП [5];

А_а- площадь сечения рабочей арматуры.

Несущая способность по материалу деревянных свай определяется по формуле

F_dm= γ_с R_с А (2.6.)

где γ_с - коэффициент условий работы, принимаемый γ_с =0,75; R_с - расчетное сопротивление древесины сжатию вдоль волокон (для сосны и ели

R_с=13МПа); А- минимальная площадь поперечного сечения сваи.

Сопряжение сваи с ростверком в расчетах принимается шарнирным, если оно выполняется в виде свободного опира­ния (при сборных ростверках), а также при заделке головы сваи в монолитный ростверк на

5-10 см. При жестком сопря­жении головы сваи выпуски арматуры заделываются в рост­верк на глубину, равную требуемой по СНиП [5] длине ан­керовки арматуры. Обычно эта величина принимается равной 20-25 диаметрам поперечного сечения рабочей арматуры.

Расстояние между осями погружаемых· в грунт висячих свай без уширений принимается не менее 3 d и не более 6 d (где d - диаметр или наибольшая сторона поперечного сечения сваи); для свай-стоек этот шаг должен быть не менее 1,5 d.

Расстояние в свету между стволами буронабивных свай без уширений принимается не менее 1 м, а для буронабивных свай с уширениями расстояние между последними в свету должно быть не менее 0,5 м.

Рис. 2.12. Ленточные ростверки с двухрядным размещением свай – рядовым (а) и шахматным (б).

Для ленточного свайного фундамента шаг свай по его длине (рис. 2.12.) определяется по формуле

a=m_pF_d / N_p γ_k (2.7.)

где m_p - принятое число рядов свай;

N_p - расчетная нагрузка от здания и веса ростверка, приходящаяся на 1 м длины фундамента (в предварительных расчетах вес ростверка и грунта на его об­резах может быть принят равным 5-10% нагрузки от веса здания).

В поперечном направлении расстояние между соседними рядами свай обычно принимается минимально возможным для данного вида свай в соответствии с вышеприведенными тре­бованиями.

Ширина ленточного ростверка определяется по формуле

b_р = а(m_р-1) +d+0.2 [м]. (2.8.)

Она может быть уменьшена за счет размещения свай в шах­матном порядке с шагом а в ряду при минимальном расстоя­нии между осями сваи с (рис.2.12.б). При этом расстояние между рядами свай составит

b= (2.9)

Размещение свай в фундаментах, круглых в плане, производится по концентрическим окружностям с соблюдением по­стоянного шага в каждом кольцевом ряду. Кустовые фунда­менты под колонны выполняются с ростверками квадратной и прямоугольной в плане формы, как правило, с минимальным шагом свай. Приближенно площадь такого ростверка оцени-

вается по формуле

A_p=N°₁/ (F_d / γ_k a² - γ_fγ₀ d_p), (2.10.)

где N°₁- расчетная нагрузка, действующая по обрезу фундамента;

γ_f - коэффициент надежности, равный 1,1;

d_p - глубина заложения подошвы ростверка;

γ₀ - осредненный удельный вес материала фундамента и грунта, принимаемый γ₀ =20 кН/м^З.

Вес ростверка и грунта на его обрезах ориентировочно со­ставляет

C₁ ^p = γ_f γ₀ d_р, (2.11.)

а количество свай в кусте определяется по формуле

n_c = (N°₁ + C₁ ^p) γ_k /F_d (2.12)

и округляется до целого числа.

Ростверки под колонны конструируются как обычные фун­даменты мелкого заложения.

Расстояние от дна стакана до подошвы ростверка определяется из расчета на продавливание, но должно составлять не менее 25 см. Свес ростверка за грани свай принимается равным 10-15 см.

По окончательно принятым габаритным размерам ростверка определяются его уточненный вес и вес грунта на обрезах. Суммируя расчетные значения этих величин (коэффициент надежности γ_f = 1,1) с величиной действующего по обрезу уси­лия N°_I найдем расчетную нагрузку, передающуюся на сваи N^ф_I. При этом обязательно должно соблюдаться условие

N^ф_I / n_c ≤ F_d / γ_k (2.13)

В случае передачи на свайный фундамент моментной на­грузки, она раскладывается по осям на составляющие момен­ты, действующие по осям - M_Ix и M_1y. Количество свай, най­денное по формуле (2.12), целесообразно заранее увеличивать на 20%. Расчетная нагрузка, приходящаяся на отдельную сваю, в общем случае, когда моменты действуют в направлении двух осей, составляет

n n

N_max = N^ф_I / n_c ± M_rx y / Σ ± y²₁ ± М_iy х / Σ х ²₁ (2.14)

min i=1 i=1

где х и у - расстояния от главных центральных осей плана свай до оси рассматриваемой сваи;

х₁ и у₁ - расстояния от главных осей до оси каждой сваи.

При этом обязательно соблюдение, требований

N_max ≤ F_d / γ_k

(2.15)

N_max ≤ 1,2 F_d / γ_k

Последнее условие используется в случае расчета крайних свай свайных фундаментов с учетам ветровых и крановых на­грузок. Если оно не удовлетворяется, необходимо увеличить количество свай или расстояние между ними. Перегрузка свай, кроме оговоренного случая, не дапускается, а недогрузка не должна превышать 5%.

При передаче на сваю выдергивающей нагрузки последняя не должна превышать расчетного выдергивающего усилия, до­пускаемого для сваи:

N_min ≤ F_du / γ_k (2.16)

В формуле (2.16.) γ_k - обозначение то же, что и в (2.1.)

F_du - несущая способность сваи, работающей на выдергивание,

n

F_du = γ_c u Σ γ_cf ƒ₁ h ₁ (2.17.)

I=1

где γ_c - коэффициент условий работы, принимаемый для свай, длиной до 4 м

γ_c =0,6 и для свай длиной 4 м и более - γ_c, = 0,8;

γ_cf ƒ₁ h ₁ – обозначения те же, что и в формуле (2.3).

Однако для ростверков наиболее целесообразно не только недопущение передачи на отдельные сваи выдергивающих усилий, но и равномерное загружение всех свай в фундамен­те, что достигается смещением центра тяжести площади их поперечных сечений на величину эксцентриситета в направле­нии действия момента. Размещение свай в этом случае с оди­наковым шагом является удобным для производства работ.

Горизонтальную нагрузку, передаваемую на фундамент из однотипных свай, считают равномерно распределенной между ними. Расчет свай постоянного по длине поперечного сечения на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагру­зок может быть выполнен по Руководству [2], а расчет пирамидальных свай - по Руководству [ 3].

Свайные фундаменты из висячих свай, так же как фундаменты различных других видов, подвержены осадкам под нагрузкой от сооружений. Эти осадки происходят в основном за счет деформации грунтов, залегающих ниже острия свай. При сваях стоечного типа, опирающихся на прочные твердые грунты, осадки мало заметны и во многих случаях они практически отсутствуют, а потому их здесь не определяют.

В расчете осадки свайных фундаментов считают, что вся нагрузка от сооружения, включая собственный вес свай, ростверка и призматического объема грунта ABCD, передается в плоскости AD на нижележащий грунт как на естественное основание (рис.2.13.).

Рис. 2.13.Схема свайного куста, принимаемая в расчете его осадки

Это давление условно прини­мают равномерно распределенным по площади АD, границы которой определяют по пересечению с ней в точках А и D линий, идущи к сваям крайних рядов под углом δ, равным φ^н/4. При наличии в крайних рядах наклонных свай, имеющих отклонение от вертикали, превышающее угол φ^н/4, размеры площади AD определяют по положению нижних концов этих свай

При слоистом залегании грунтов в пределах глубины забивки свай в расчете принимают среднее значение φ^нср, вычисляемое по формуле

φ^н_ср = φ^н₁l₁ + φ^н₂l₂ + ….. + φ^н_nl_n (2.18.)

L

где φ^н_1, φ^н_2, …… φ^н_n – нормативные углы внутреннего трения грунтов, окружающих сваи;

l₁, l_{2, ……}l_n - мощность их слоев, суммарная величина которой равна L.

Расчет осадки свайного фундамента обычно ведут способом послойного суммирования деформаций грунтов основания, залегающих под нижними концами свай. Полученные по расчету осадки не должны превышать величин, допустимых для конструк­ции возводимого сооружения. В противном случае приходится изме­нять размеры свайного фундамента и производить повторные расчеты, пока указанное требование не будет удовлетворено.