Расчет сваи на выдергивание

При планировании строительства различных малоэтажных конструкций на винтовых сваях обязательно проведение расчётов предполагаемых нагрузок с учётом влияющих на них факторов. К одной из них относится выдёргивающая сила, которая, в зависимости от важности объекта и его массивности, может дополнительно потребовать проведения полевых испытаний. В результате проводится анализ и сравнивается расчётная нагрузка на сваю с полученными данными, а затем выбирается подходящая свайная конструкция.

Требуется ли учитывать выдёргивающие нагрузки

Свайное основание подвержено множеству нагрузок

При проектировании свайных фундаментов под дом одним из ключевых моментов расчёта несущей способности опор является учёт деформаций. Они влияют не только на устойчивость конструкции основания, а и на возможность образования проседаний.

Особенно это актуально при выполнении строительных работ на рыхлых, скалистых, сейсмически-активных и промерзающих грунтах. То есть такой расчёт требуется проводить в тех случаях, когда расчётная схема устойчивости свай существенно отличается от стандартной.

При строительстве достаточно часто применяют сваи диаметром 108 мм, которых хватает для строительства одноэтажных объектов из древесины или пеноблоков. Опоры обладают высокой прочностью и при этом имеют оптимальную стоимость. Согласно действующим стандартам они способны выдерживать нагрузки в пределах 4-5 т и эффективно справляться с поперечными и продольными сдвигающими силами.

Использование лопастей в конструкции позволяет эффективно справляться с выдёргивающими напряжениями в результате пучения грунта. Однако же сваи 108 мм, несмотря на это, требуют обязательного просчёта на выдёргивание, особенно если требуется возвести двухэтажный дом.

Критерий необходимости учёта выдёргивающей нагрузки

Согласно СП 22.13330.2011, критерием для учёта выдёргивающей нагрузки является выполнение следующего условия:

где Fn – нормативная выдергивающая сила;

Gn – нормативный вес свайного основания;

β – угол действия выдёргивающей силы относительно вертикали;

γс – коэффициент, определяющий условия работы сваи;

R“0 – расчётная величина сопротивления грунта обратной засыпки;

A0 – величина площади проекции верхней части свайного основания на плоскость, которая перпендикулярна направлению действия выдёргивающей силы.

Выдергивающая нагрузка может быть не учтена только в том случае, когда она по направлению действия совпадает с осевой линией винтовой сваи.

Как определить коэффициент условий работы сваи

Чтобы определить γс, необходимо воспользоваться следующей формулой:

где γ1 может принимать значения 0,8, 1,0 или 1,2 при расстояниях между осями опор под дом равными 1,5, 2,5 и 5 м соответственно;

γ2 принимается равным 1,0 при нормальных режимах монтажа свай, либо 1,2 — при аварийном и монтажном режиме работы;

γ3 может принимать следующие значения:

  • 1,0 – при промежуточном прямом распределении устройств;
  • 0,8 – для промежуточных угловых, свайных, свайно-угловых, концевых распределениях порталов устройств;
  • 0,7 – для специальных порталов устройств.

γ4 может быть равным 1,0 при использовании грибовидных оснований и анкерных плит с защемлёнными стойками в грунте, либо 1,15 для анкерных плит с шарнирными опорами на основание.

Как определить сопротивление грунта обратной засыпки

Сопротивление грунта под подошвой стоек вычисляется по следующей формуле:

где γс1 и γс2 – коэффициенты условий работы. Первый коэффициент определяется на основе Таблицы 1, а второй принимается равным 1.

Таблица 1. Значения коэффициента γс1 для различных типов грунта

Коэффициенты М с различными индексами, которые присутствуют в формуле (3), берутся из Таблицы 2.

Таблица 2. Значения коэффициентов М в зависимости от угла внутреннего трения

Остальные переменные, присутствующие в формуле (3), определаются в соответствии с СП 22.13330.2011.

Максимальное давление на грунтовые слои подошвы фундамента под воздействием вертикальных и горизонтальных нагрузок в одном или обоих направлениях не должно превышать расчётную величину, равную 1,2 R.

Расчёт выдёргивающих нагрузок на основание

Расчёт винтовых свай под дом необходимо определять с учётом основных и особых нагрузок отдельно или при их одновременном воздействии. Кроме того, нужно выполнять расчёты по основным типам деформаций. При этом обязательно учитывается тип грунта и материала свай.

Определение основных параметров для расчётов может быть выполнено также при помощи полевых испытаний. При наличии неточной информации о несущих способностях нестабильного грунта может потребоваться дополнительное тестовое бурение в нескольких местах участка.

Основное условие для проведения расчётов

Выдёргивающая нагрузка на винтовую или буронабивную сваю под дом с воздействием сжимающих и/или растягивающих сил в вертикальном либо горизонтальном направлениях сводится к выполнению следующего условия:

Набивная свая

где F – приведённая действующая нагрузка на основание в верхней точке опор;

FR – допустимая горизонтальная нагрузка в верхней точке фундамента.

Параметр FR определяется на основе проведения расчётов на опрокидывание со сжатием или выдёргиванием. Среди двух рассчитанных величин выбирается та, которая имеет наименьшее значение.

Расчёт выдёргивающей нагрузки

Формула для вычисления выдёргивающей нагрузки F на фундамент имеет следующий вид:

где γf – коэффициент, характеризующий надёжность несущей конструкции, который в данном случае берётся равным 0,9;

Gn – значение веса конструкции фундамента;

γс – коэффициент условий работы, который принимается равным 1;

Fu,a – предельное сопротивление винтовых свай на выдёргивание;

γn – коэффициент надёжности сваи.

Выдёргивающее сопротивление зависит только от величины бокового трения.

Винтовые опоры диаметром 108 мм

На основе расчётов выдёргивающей нагрузки определают диаметр винтовых свай, которые потребуются для создания надёжного основания.

Если нагрузки на выдёргивание имеют значительную величину, то применяют буронабивные сваи с выполнением уширения пятки либо винтовые с диаметром более 108 мм. Наиболее устойчивыми к выдёргивающим силам являются буронабивные конструкции.

Однако их применение невозможно на грунтах с непробиваемыми пластами. Поэтому проектировщику приходится принимать достаточно сложное решение по возникшим технических проблемам.

Основным преимуществом применения винтовых свай диаметром 108 мм является возможность передачи выдёргивающих нагрузок в грунт. Дом построенный на их основе будет иметь более выгодную конструкцию, чем при использовании буронабивных опор, по параметру веса, надёжности и распределения нагрузки.

Испытания свай на выдёргивающие нагрузки

Для определения выдёргивающих нагрузок проводят статические испытания винтовых свай. При наличии песчаных слоёв грунта измерения проводят через 3 суток, а для глинистых — только после 6 суток. Для буронабивных свай испытательные работы следует выполнять только после набора бетоном прочности, определяемой по данным взятых образцов, созданных во время закладки опоры.

Испытания на вдавливание

Испытание винтовых свай статическим методом

В перечень основных испытаний на вдавливание опор под дом входят следующие этапы:

  1. Равномерная нагрузка.
  2. Дифференцированная нагрузка.
  3. Дифференцированная нагрузка, выполняемая по гистерезисной зависимости.

Величина нагрузки определяется необходимостью определения заданного уровня точности измерений. Обычно для равномерной нагрузки она составляет 0,07-0,1 от общей расчётной, а для дифференцированной – 0,2-0,4 для начальной ступени и 0,07-0,1 для последующих.

Переход между степенями нагружения осуществляется только после определения выхода на полную остановку усадки. Критерием является отсутствие изменений в течение 2-х последних часов наблюдения. Исключением из данного правила становятся песчаные и глинистые грунты, где создаётся необходимость проведения ускоренных испытаний. В таком случае вывод о стабилизации сваи принимается в течение часа при отсутствии смещений менее 0,1 мм.

На каждой ступени нагружения регистрируют показания измерительных приборов о вертикальном смещении сваи. Интервалы замеров длятся от 15 до 30 минут. Общее количество интервалов должно быть не менее трёх. Если выбрано нечётное число ступеней, то нагрузку на первой принимают равной величине всех последующих. После этого строят временную зависимость от вертикального смещения, а затем сравнивают с нормативным значением СП 22.13330.2011. Предельным считается такое значение, которое соответствует 0,1 от нормативной нагрузки.

Посмотрите видео, как проводится испытание опор с помощью вдавливания.

Испытания на выдёргивание

Испытания на выдёргивание винтовых свай под дом диаметром 108 мм определаются параметрами грунта, а также величиной предполагаемых нагрузок. Включают в себя следующие виды нагружения:

  • Увеличивающаяся ступенчатая нагрузка с выжиданием достижения стационарного состояния в положении сваи.
  • Пульсирующее ступенчатое воздействие с повышением нагрузки в несколько этапов: 1,25, 2,5 либо 5 мс. Суть заключается в проведении нагружения на каждой ступени от нуля до максимума, а затем полностью убирается без выжидания выхода в стационарное состояние. Изменение ступеней осуществляется только после стабилизации смещения опоры по вертикали по сравнению с предыдущей.
  • Знакопеременная нагрузка. На опору действует многократное нагружение одинаковой величины на выдёргивание и вдавливание, которые изменяют свой знак  при переходе через ненагруженную точку.
  • Непрерывно возрастающая нагрузка – на сваю действует постоянная выдёргивающая сила. При изменении величины нагружения не выжидают полной стабилизации, так как вполне достаточно достижения некоторого условного значения. Предельным значением нагрузки считается такое, когда перемещение опоры вверх не превышает 0,1 от величины её диаметра. Для переменных нагрузок и пульсирующих изменение положения не должно быть больше, чем 0,05 от диаметра сваи.

Выполнение испытаний для винтовых свай рекомендуется для уточнения расчётных значений сопротивления фундамента на выдёргивание и вдавливание.

Особенности проведения испытаний винтовых свай

Испытания винтовых опор

Винтовые сваи 108 мм под дом испытывают статическими нагрузками с применением следующих методов:

  • Ступенчатой нагрузкой с выжиданием стационарного состояния по вертикальным смещениям на каждой из величин нагружения.
  • Непрерывно увеличивающейся нагрузкой.
  • Знакопеременным или пульсирующим нагружением.

При ввинчивании винтовой сваи в грунт регистрируются следующие параметры: число оборотов, длительность заглубления, осевая пригрузка и крутящий момент. Периодичность записи данных в журнал определяется величиной погружения сваи на каждые полметра.

Пригрузка вдоль оси определяется плотностью грунта и его структурой. Численно она определяется путём деления теоретического числа оборотов сваи к реальному. Если соотношение имеет значение менее 1, то пригрузка повышается, а при большем — снижается. Оптимальным вариантом, который говорит о правильности настройки испытательной установки, считается равенство полученного значения единице.

Посмотрите видео, как проводятся испытания винтовых опор.

Заключение

После проведения расчётов и полевых испытаний на выдёргивающие нагрузки для свай диаметром 108 мм под дом проектировщиком решается вопрос о том, какую конструкцию фундамента выбрать и как разместить опоры. Было показано, как провести все необходимые расчёты по определению нагружения на выдёргивание, позволяющие избежать множества проблем при эксплуатации объекта.

Описаны процедуры проведения полевых испытаний на вдавливание и выдёргивание свай, которые являются дополнительным контролем правильности расчётов, а также источником сведений о несущей способности грунта.

Статьи по теме:

Всем привет,

Собираемся строить одноэтажный каркасник. Основной рассматриваемый вариант фундамента — винтовые сваи. Лить УШП и т. п. хорошо, но очень уж накладно.

Решили аккуратно посчитать сваи. На нагрузку сверху работать будет практически любая, там на сваю давит немного.

Но уперлись в расчет на удерживающую способность против сил морозного пучения. Если все считать по соответствующим СП, то любые стандартные сваи типа ф108/ф300/2500 будет вытаскивать. Поскольку нагрузка от веса конструкций очень невелика. Многоопытный тесть за три дня исписал полтетрадки и посадил батарейку в калькуляторе, но даже у него не выходит каменный цветок…

Получается, что надо крутить относительно тонкие сваи, но длинные и с лопастями побольше. Грунт — мягкопластичная глина (бурильщики скважины так сказали).

Собственно, вопрос, наверное, к жестким профи, кто точно знает корректные методики, коэффициенты и считал подобные вещи — поделитесь, пожалуйста, что у вас получалось. СП штука хорошая, но там много допущений, обобщений и разных оговорок типа «это вообще-то надо испытывать живьем».

Перемещению сваи вверх препятствует трение по ее бо­ковой поверхности и вес сваи.

Несущую способность сваи, работающей на выдергивание, определяют по формуле

£ + Y,Gp, (11.18)

где yt — коэффициент надежности по нагрузке, обычно принимаемый равным 0,9; др — вес сваи, кН; остальные обозначения даны в экспликации к фор­муле (11.4).

Коэффициент условий работы свай в грунте ус при их длине h < 4 м принимают равным 0,6, а при h ^ 4 м — равным 0,8. При проектировании линий элетропередачи в случае кратковре­менных нагрузок значение ус берут несколько большим, соглас­но СНиП 2.02.03—85.

Значение Fdu можно определять также испытанием свай на выдергивание.

11.2.9. Сваи, работающие

на горизонтальную нагрузку и действие момента

Если свая загружена горизонтальной нагрузкой или мо­ментом, она подвергается изгибу (рис. 11.16). Смещению сваи в горизонтальном направлении препятствует грунт, оказывая сопротивление. При таком смещении сваи грунт уплотняется и сопротивление его все возрастает, в самых поверхностных слоях

а

> и

И f’

гу-п

5)

Н

*

If//II II/

1 1

I

|

наблюдается выпор грунта. В связи с этим определить со­противление сваи при воздей­ствии горизонтальной нагруз­ки довольно сложно.

Поскольку сооружения, как правило, не допускают суще­ственных горизонтальных сме­щений, расчет чаще всего ве-

Рис. 11.16. Расчетные схемы при дей­ствии на сваю горизонтальной со­ставляющей и момента а — при свободном опирании ростверка на сваю; б—при заделке сваи в рост-» верке

дется по деформациям. При этом, если нет других ограничений, в качестве допустимого принимают смещение, равное 1 см. С целью увеличения жесткости системы ростверк — свая голову сваи прочно заделывают в ростверке. При этом горизонтальное смещение сваи уменьшается.

Расчет свай, воспринимающих горизонтальную силу и мо- мент, приводится в приложении 1 СНиП 2.02.03—85. Сопротив- ление свай горизонтальной нагрузке часто определяют экспери- ментальным путем. Для этого между двумя забитыми сваями устанавливают домкрат и прикладывают к сваям горизонталь­ную силу. С целью получения момента эту силу прикладывают на некоторой высоте над поверхностью грунта. Несущую спо­собность свай, работающих на горизонтальную нагрузку, опре­деляют по формуле (11.14).

11.3. Проектирование свайных фундаментов

П.3.1. Работа свай в кусте

Сваи трения передают усилия на грунты основания че­рез боковую поверхность и нижний конец. В зависимости от соотношения этих усилий эпюра вертикальных напряжений, возникающих в горизонтальной плоскости, проходящей через нижний конец сваи, будет иметь различное очертание. При блин женно такую объемную эпюру можно представить в форме ко­нуса, который проецируется на вертикальную плоскость в виде треугольника (рис. 11.17,д.). Под действием этой нагрузки в ос­новании ниже указанной плоскости будут развиваться дефор­мации грунтов.

При загрузке свайного куста конусообразные объемные эпюры пересекаются, и при некотором расстоянии а между

а)

г// in in /ft

й

‘ill HI III Ml »■ r/T7Z ‘// Ш У/I ill If/

Рис, 11.17, Эшоры давлений в плоскости, проходящей через нижние концы

свай

Рис. 11.18. Схема развития зон деформаций под сваей

осями свай суммарная эпюра напря­жений в плоскости их нижних концов может быть представлена в разрезе в виде сложной фигуры (рис. 11.17,6), у которой максимальное напряжение существенно превышает напряжение, возникающее при загрузке одиночной сваи. Вследствие большей площади загружения в плоскости нижних кон­цов свай в кусте и большей интенсивности давления следует ожидать большую осадку свайного куста по сравнению с осад­кой одиночной сваи. В связи с этим максимальное сближение свай в кусте ограничивают, принимая расстояние между ося­ми а не менее 3d (здесь d — диаметр свай). Однако и при а = 3d наблюдаются значительно большие осадки, чем при за­грузке одиночной сваи.

По этой причине некоторые’специалисты считают, что несу­щая способность свай в кусте меньше, чем одиночных. Это, в принципе, неверно, так как несущая способность сваи зависит от прочности — устойчивости грунтов, окружающих сваю, а не от деформации уплотнения грунтов в основании.

Давление, передаваемое нижним концом одиночной сваи в начале загружения, будет вызывать только упругие деформа­ции грунта; по мере увеличения давления под сваей появится зона уплотнения, при некотором значении давления под сваей возникнет зона пластических деформаций, в которой грунт бу­дет находиться в предельном равновесии. Зона пластических деформаций станет передавать давление от сваи как вниз/ так и в стороны. В этом случае в основании одиночной сваи сле­дует различать три зоны (рис. 11.18): зону предельного равно­весия (пластических деформаций) /, зону уплотнения грунта 2, вону упругих деформаций 3.

При сравнительно частом размещении свай в кустах раз­витие зон пластических деформаций ограничивается из-за воз­никновения в грунте напряженного состояния от загрузки со­седних свай. По этой причине устойчивость грунтов под свай­ным кустом, как правило, существенно выше, чем под одиноч­ными сваями. Однако осадка свайного куста вследствие боль­шого объема грунта, подвергающегося уплотнению в его осно­вании, превышает осадку одиночных свай при той же нагрузке на каждую сваю. Учитывая повышение устойчивости грунтов под свайным кустом, некоторые исследователи считают воз­можным уменьшать число свай в кусте, размещая их на боль­шем расстоянии друг от друга,

Рис. 11.19. Линии равных вертикальных напряжений в основании свайного и обыч* ного фундаментов при раз­личной их ширине

а — под узким свайным фундач ментол!; б — то же, под широ*

КИМ

При устройстве свайных кустов с низким свайным ростверк ком часто возникает желание учесть работу ростверка, пере- дающего часть давления на грунт межсвайного пространства по своей подошве. Такой учет возможен, когда под подошвой ростверка залегает относительно хороший грунт и в пределах длины свай нет слоев снльносжимаемых грунтов. Кроме того, необходимо помнить, что учет сжимаемости грунтов межсвай- ного пространства приводит к уменьшению значения трения свай о грунт, так как последний перемещается вместе са сваями вниз. При учете работы межсвайного пространства под ростверком свайные фундаменты проектируют по второй группе предельных состояний (по деформациям).

Для выяснения особенностей работы грунта основания свай- ного куста сопоставим ее с работой естественного основания под обычными фундаментами. На рис. 11.19 приведены линии равных вертикальных напряжений под узким (а) и широким (б) свайными фундаментами (правые части схем). В левых ча- стях схем показаны аналогичные линии при отсутствии свай и той же ширине фундамента. Применение свай при узких фун- даментах позволяет заглубить напряженную зону. В таком слу­чае даже при однородных грунтах осадки существенно умень- шаются благодаря исключению осадок разуплотнения и воз- можного расструктуривания при отрывке котлована, а также вследствие того, что однородные грунты на глубине обладают, как правило, меньшей сжимаемостью.

Рассмотрение рис. 11.19,6 приводит к заключению, что при широких фундаментах применение висячих свай не позволяет существенно заглубить напряженную зону. В то же время про резать всю толщу слабых грунтов часто затруднительно.

Изложенное свидетельствует, что во многих случаях целее- сообразно применять сваи большей длины. К окончательному суждению о рациональности того или иного решения приходят на основе технико-экономического сравнения вариантов.

11.3.2. Проектирование центрально нагруженных свайных фундаментов

При проектировании свайных фундаментов необходимо:

выбрать глубину заложения подошвы ростверка, тип, вид и размеры (длину и поперечное сечение) свай;

найти несущую способность сваи;

определить необходимое число свай в фундаменте;

разместить сваи в плане и сконструировать ростверк;

произвести проверку нагрузки, приходящейся на каждую сваю;

определить осадку свайного фундамента.

При проработке этих вопросов в вариантах стремятся найти наиболее экономичное и рациональное решение, что легко до­стигается с применением ЭВМ.

Глубину заложения подошвы ростверка выбирают, сообра­зуясь с особенностями сооружения (наличие подвальных эта­жей, приямков и т. п.), а при пучинистых грунтах — также с глубиной промерзания, как это изложено для фундаментов в п. 9.5. Иногда в районах глубокого сезонного промерзания рос­тверки закладывают в пределах глубины возможного промер­зания даже в пучинистых грунтах. В этом случае под ними де­лают воздушный зазор размером, несколько большим величины ожидаемого пучения грунта под ростверком. Тем самым ис­ключается воздействие нормальных сил морозного пучения грунта на подошву ростверка. Однако надо учитывать, что промерзание пучинистого грунта в межсвайном пространстве может привести к поднятию свай. По этой причине сваи долж­ны быть рассчитаны на воздействие касательных сил пучения и в случае необходимости загружены до промерзания.

Меньшая глубина заложения подошвы ростверка обычно обеспечивает более экономичное решение. В ряде случаев пред­ставляется возможным вообще не заглублять ростверк в грунт (высокий или повышенный свайный ростверк, рис. 11.3), что позволяет свести к минимуму объем земляных работ.

Тип и вид свай выбирают, исходя из характера напласто­вания грунтов, в зависимости от оборудования и опыта устрой­ства свайных фундаментов, имеющегося у строительной органи­зации. Во многих случаях наиболее рационально устройство забивных свай. Однако при необходимости применения свай большой несущей способности целесообразнее набивные сваи с уширенным нижним концом.

Размеры свай также выбирают с учетом характера напла­стования грунтов. Длина свай обусловливается расположением слоя относительно плотного грунта, на который можно пере­давать большую часть нагрузки. Под этим слоем не должно быть слабых грунтов, способных привести к неравномерным осадкам сооружения.

Поперечное сечение свай принимают в зависимости от их длины, так как очень большая гибкость свай может вызвать искривление их ствола по мере погружения его в грунт, В то же время сечение свай стремятся принимать наименьшим, когда их несущая способность обусловливается удельным трением грунта по боковой поверхности сваи. При одном и том же рас­ходе бетона сваи меньшего сечения имеют большую боковую поверхность на 1 м3 бетона и, следовательно, большее относи­тельное сопротивление их сдвигу. Однако это ведет к увеличе­нию числа свай в фундаменте.

Несущую способность сваи определяют в соответствии с ре­комендациями п. 11.2. Иногда приходится уточнять размеры сваи и повторно находят Fa.

Число свай в фундаменте устанавливают исходя из допуще­ния, что ростверк осуществляет равномерное распределение на­грузки на свайный куст или свайный ряд под стену. Расчет ве-дут по первой группе предельных состояний. Ориентировочное число свай в центрально нагруженном кусте определяют по формуле

где у* — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,2 при статиче­ских испытаниях свай, 1,25 — при статическом зондировании, испытании эта­лонной сваи и динамическом испытании с учетом упругих деформаций и 1,4 —при определении Fd расчетом или динамическим методом без учета упругих деформаций; No — расчетная нагрузка, действующая по обрезу фун­дамента; а — шаг свай; d— глубина заложения подошвы ростверка; ут-— средний удельный вес материала ростверка, фундамента и грунта.

Зная число свай, их размещают в плане и конструируют ростверк. В центрально нагруженном свайном фундаменте сваи располагают рядами (рис. 11.20, а) или в шахматном порядке (рис. 11.20,6).

Как отмечалось ранее, минимальное расстояние а между осями цилиндрических и призматических свай принимают рав­ным 3d (d размер поперечного сечения сваи). Расстояние от края ростверка до оси крайнего ряда свай а* зависит от точ« ности погружения свай в грунт или от способа их изготовления.

п)

D

Б-

D

в-

D

Рис. 11.20. Размещение свай в свайном кусте

Для забивных свай это расстояние чаще всего принимают рав­ным размеру поперечного сечения сваи.

Ростверк (обычно железобетонный) рассчитывают на про-давливание колонной или сваей и на изгиб (при значительном его развитии в плане) в соответствии с расчетом фундаментов но нормам на железобетонные конструкции.

Подготовку под ростверк делают только при наличии сла­бых грунтов непосредственно под его подошвой, чтобы не пере­мешать бетонную смесь с грунтом при бетонировании.

Сваи, работающие только на сжатие, заделывают в рост­верке обычно на глубину 5… 10 см. Сборные ростверки при воз­можности контроля допускается устанавливать непосредственно на головы свай на растворе. Сваи, работающие на выдергива­ние или изгиб, следует прочно заделывать в ростверк. Для $того бетон головы свай разбивают и обнаженную арматуру ваделывают в ростверке.

Проверку расчетной нагрузки, приходящейся на каждую сваю, при центральном нагружении фундамента осуществляют по формуле

N = (Na + Of + ов)/п, (И.20)

где G/, Gg — расчетные нагрузки от веса фундамента и грунта и ростверка; и — принятое число свай в фундаменте.

При этом должно удовлетворяться условие

(11.21)

где у*—коэффициент надежности, принимаемый в зависимости от точности определения несущей способности сваи (см. с. 285), Если это условие не удовлетворяется, изменяют число свай и проводят повторную проверку.

11.3.3. Проектирование внецентренно

нагруженных свайных фундаментов

При внецентренном загружеиии фундамента различают два случая: I случай — момент действует постоянно; II слу­чай—момент непостоянен и может действовать то справа, то слева. В I случае стремятся совместить центр тяжести сечений свай в кусте с точкой приложения равнодействующей. Тогда свайный куст будет испытывать центральное загружение, и на­грузку на сваи проверяют по формулам (11.20) и (11.21). Раз­мещать сваи с большей частотой у наиболее загруженного края ростверка нежелательно из-за возможного крена рост­верка.

Во II случае при проектировании таких фундаментов удает­ся несколько снизить влияние момента на -их работу частичным смещением центра тяжести сечений свай в кусте относительно оси конструкции. Число свай внецентренно нагруженного фун­дамента обычно определяют по формуле (11,19) и увеличи­вают приблизительно на 20 %,

Расчетную нагрузку на сваю при эксцентриситете относи* тельно двух осей инерции площади сечений свай в кусте нахо« дят по формуле внецентренного сжатия

Na + Gf+ Oa MxyAn МихАо

где MxMy — моменты относительно главных осей инерции х и у площади горизонтального сечения свай в кусте; х и у— координаты центра сечения рассматриваемой сваи, для которой определяется нагрузка М; Арплощадь поперечного сечения рассматриваемой сваи; IxiIyi — моменты инерции се­чения 1-й сваи относительно главных осей инерции х и у.

Учитывая, что при применении свай одинакового поперечь ного сечения

и момент инерции сечения сваи относительно собственной оси инерции / во много раз меньше А у, а при отсутствии за-» делки свай в ростверке вообще равен нулю, поэтому

1-1 i

Тогда выражение (11.22) приводят к виду: JVn + Gf + G. Mxy Мих

(11.23)

При учете ветровых и крановых нагрузок разрешается при* нимать расчетную нагрузку iV на крайние ряды свай на 20 %’, больше, чем по условию (11.21). Так как условие (11.21) ча­сто не удовлетворяется даже с использованием коэффициента 1,2, приходится расчет повторять несколько раз, используя ме-> тод последовательного приближения.

11.3.4. Свайные фундаменты,

воспринимающие горизонтальные нагрузки

Обычно распорные надземные конструкции передают на основание наклонно направленную равнодействующую на-> грузку. Такая же нагрузка передается на основание и подпор­ными стенками, набережными и др. Горизонтальные состав* ляющие возникают от действия ветра тормозных сил, темпера­турных деформаций и т, д,

ОС

Рис. 11.21. Расположение свай при наклонной равнодействующей

На свайные фундаменты го­ризонтальные составляющие передаются во многих случа­ях. Когда эти усилия сравни­тельно невелики (при угле от­клонения равнодействующей от вертикали а ^ 6°) их обыч­но передают на вертикально забитые сваи (рис. 11.21, а) за ис­ключением случаев, когда верхние части сваи окружены слабы­ми грунтами. Горизонтальную нагрузку, действующую на фун­дамент, равномерно распределяют на сваи, причем горизонталь­ное усилие Я на одну сваю должно удовлетворять условию, аналогичному (11.21). В рассматриваемом случае Fd — это несущая способность свай на горизонтальную нагрузку.

При больших углах отклонения равнодействующей от вер­тикали часть свай забивают наклонно, т. е. устраивают козло­вые сваи (рис. 11.21,6). Последние обеспечивают жесткость фундамента при действии горизонтальной силы. Сваи, забитые в двух направлениях, рассчитывают путем разложения равно­действующей на эти два направления.

При действии горизонтальной составляющей на свайный фундамент с высоким свайным ростверком сваи с ростверком рассчитывают как рамную конструкцию с учетом упругой за­делки свай в грунте.

Иногда на вертикальные сваи, кроме горизонтальной со­ставляющей, действует момент, отражающийся на горизонталь­ном смещении головы сваи. Воздействие момента на сваю учи­тывают расчетом по деформациям, изложенным в приложе­нии 1 СНиП 2.02.03—85.

11.3.5. Определение осадки свайных фундаментов

Свайные фундаменты из свай трения (висячих) рассчи­тываются дополнительно по второй группе предельных состоя­ний (по деформации). Давление, передаваемое сваей треиия на грунт основания, вызывает в нем развитие напряжений, под действием которых грунты основания будут, как отмечалось ранее, испытывать деформации упругие, уплотнения и пласти­ческие (см. рис. 11.18). Деформации, возникающие в зоне уплотнения и упругие деформации за пределами этой зоны ниже плоскости, проходящей через нижние концы свай, разви­ваются аналогично деформации грунтов под фундаментами на естественном основании. Вследствие этого при расчете осадки

2R8

свайных фундаментов рассматривают условный фундамент. При этом принимают, что давление по подошве условного фун­дамента распределено равномерно. В случае сравнительно ча­стого расположения свай это приблизительно соответствует дей­ствительности, начиная с глубины, равной одному-полутора раз­мерам поперечного сечения свай. Этому способствует наличие уплотненной зоны грунта, которая образуется ниже свай, по­груженных забивкой, вдавливанием и в некоторых других слу­чаях.

Когда сваи изготовлены в грунте или погружены ввинчива­нием, под их нижними концами нет уплотненного грунта, по­этому они дают большую осадку. Этим и объясняется приня­тие существенно меньшего сопротивления грунта под нижними концами свай. Поскольку и под сваями такого вида напряжен­ные зоны сливаются на некоторой глубине, их осадку опреде­ляют также исходя из осадки условного фундамента. Таким образом, задача сводится к нахождению площади, через кото­рую давление передается на основание, и среднего давления, передаваемого на грунт.

СНиП 2.02.03—85 рекомендует для определения размеров условного фундамента, заменяющего свайный, проводить на­клонные плоскости под углом фц mt/i от точки пересечения на­ружной грани свай с подошвой ростверка (рис. 11.22,а). Здесь фи mtсредневзвешенное расчетное (по деформациям) значе­ние угла внутреннего трения толщи грунтов в пределах длины сваи. Однако уширеиие условного фундамента в стороны не должно превышать половины шага свай (а/2) и, во всяком случае, быть, не больше dсчитая от крайнего ряда свай (d — поперечный размер свай).

Найдя размеры подошвы условного фундамента ABCD

. включающего в себя грунт, сваи и ростверк, а также глубину

его заложения df определяют среднюю интенсивность давления

No/r

В)

расчет сваи на выдергивание

лЛ

frrn» Г» I WV» но бы привести к обратной картине распределения нагрузки,

Кроме большего рассеивания напряжений в пределах длины угловых и крайних свай, неравномерному распределению на­грузки между сваями, по-видимому, способствует большая шь тенсивность напряжений в грунте основания по вертикали, про­ходящей через центр тяжести подошвы свайного фундамента, по сравнению с напряжениями по вертикалям, соответствующим крайним рядам свай.

12. ИСКУССТВЕННО УЛУЧШЕННЫЕ ОСНОВАНИЯ

12.1. Общие поло&ения

Согласно постановлениям партии и правительства для строительства предприятий и жилых.объектов следует исполь­зовать территории, непригодные для сельского хозяйства (за­болоченные, овражистые и др.)- Такие площадки сложены ча* сто слабыми грунтами, что, как правило, обусловливает разви­тие недопустимых неравномерностей осадки фундаментов или потерю устойчивости грунтов основания. При наличии слабых грунтов целесообразно применение свайных фундаментов, ра­ционально также искусственно улучшать работу и свойства грун­тов в основании: работу грунтов улучшают конструктивными методами, а их свойства уплотнением, и закреплением.

К конструктивным методам улучшения работы грунтов ос­нований относятся устройство грунтовых подушек, применение шпунтового ограждения, создание боковых пригрузок, армиро­вание грунта.

Для уплотнения грунтов применяют следующие методы: по­верхностное уплотнение, глубинное виброуплотнение, камуф-летные взрывы, устройство грунтовых (из местного грунта) и песчаных свай, уплотнение либо статической нагрузкой с при­менением вертикальных дрен, либо водопонижением, в т. ч. с использованием электроосмоса.

К методам устройства искусственно улучшенных оснований с уплотнением грунта относят также сооружение фундаментов в вытрамбованных котлованах.

Из методов закрепления грунтов широко известны следую­щие: цементация, химические, электрохимические способы, смо-лизация, термический метод, битумизация и глинизация. После закрепления грунты иногда превращаются в сравнительно проч­ную полускальную породу.

Выбор метода улучшения работы и свойств грунтов в осно* вании в значительной степени зависит от характера напласто­вания и свойств грунтов, интенсивности передаваемых нагрузок, особенностей сооружения и возможностей строительной органи* бации (табл, 12.1),

Таблица 12.1. Искусственно улучшенные основания и способы их устройства

Методы устройства оснований

Вид основания или способ его устройства

Грунтовые условия, прн которых

может применяться данный

способ

I. Конструк­тивные

II. Механиче­ское уплотне­ние

1. Песчаные подушки (за­мена грунта)

  1. Грунтовые подушки из местного связного грунта

  2. Каменные, песчано-гра- вийные и другие отсыпки

1. Поверхностное уплотне­ние грунтов: тяжелыми трамбовками

катками, легкими трамбов­ками и другими механиз­мами и транспортными средствами

вибраторами площадоч­ными

вытрамбовыванием котло­ванов под отдельные фун­даменты

2. Глубинное уплотнение

грунтов:

грунтовыми, сваями из местного связного грунта песчаными сваями

виброуплотнением или ги> дровиброуплотнением взры­вами

предварительным замачи­ванием

предварительным замачи­ванием и глубинными взрывами

3. Предварительное обжатие

грунтов:

понижением уровня под­земных вод

посредством внешней при-грузга и устройства верти­кальных дрен

Слабые силыгосжимаемые грунты (алы,, связные грунты в текучем состоянии, торфы, ааторфованные, насыпные и пучинистые грунты)

То же и просадочные грун­ты

Илы. и другие слабые грун­ты, залегающие под слоем воды

Макропористые просадоч­ные, рыхлые песчаные, све-жеуложепные связные и на­сыпные грунты при степени влажности Sr < 0,7

То же при послойной ук­ладке

Рыхлые песчаные грунты при послойной укладке

Макропористые просадоч-иые (I тип просадочности). и другие пылевато-глинистые грунты при Sr < 0,7

Макропористые просадоч­ные грунты

Рыхлые пылеватые и мел-Кие пески,- слабые сильносжи-маемые заторфованные грун« ты

Рыхлые песчаные грунты

То же

просадоч-

Макропористые кые грунты То же

Слабые силыгосжимаемые водонасыщенные грунты (при снятии взвешивающего дейст­вия воды)

Слабые силыгосжимаемые пылевато-глинистые и затор-фоваиные грунты

Продолжение таблицы 12.1

Методы устройства оснований

Вид основания или способ его устройства

Грунтовые условия, при которых

может применяться данный

способ

III. Закрепле­ние

  1. сиитетиче-

    Силикатизация

  2. Закрепление скими смолами

  3. Цементация

4. Закрепление грунта из­вестковыми и грунтоцемент-иыми сваями

аа-

5. Электрохимическое крепление

  1. Электроосмос

  2. Термическое закрепление (обжиг)

Пески и макропористые просадочные грунты То же

Трещиноватая скала, гравий и песчаные грунты

Слабые сильносжимаемые водонасыщенные пылевато-глинистые и заторфованные грунты

Слабые пылевато-глшгастые грунты (при коэффициенте фильтрации kf sg: 0,01 м/сут)

То же

Макропористые просадоч­ные грунты

12.2. Конструктивные методы

улучшения работы грунтов в основании

12.2.1. Устройство грунтовых подушек

В п. 6.2 было установлено, что при действии на грунт внешней местной равномерно распределенной нагрузки наи­большие нормальные напряжения возникают в нем непосред­ственно под местом ее приложения. С глубиной и в стороны от площади загружения напряжения быстро уменьшаются вслед­ствие рассеяния в окружающем грунте. В п. 8.2 было показано, что зоны сдвигов возникают под краями фундаментов и затем развиваются в глубину и частично в стороны. Если в пределах области возможных значительных уплотнений и зон сдвигов за­менить слабый грунт на малосжимаемый с относительно высо­ким сопротивлением сдвигу, можно существенно улучшить ра­боту грунтов в основании. Примером такого решения является устройство под фундаментами подушек (рис. 12.1) песчаных или из иного материала (гравия, щебня, шлака, отходов различ­ных производств). К материалу, применяемому для подушек, предъявляются следующие требования: удобоукладываемость с заданной плотностью, малая сжимаемость, относительно высо­кое сопротивление сдвигу, устойчивость его скелета при движе­нии грунтовых вод.

При проектировании подушек необходимо установить их тол­щину и размеры в плане, Толщину подушки hcs принимают ис-

a

J

a

rrri

/i

/ in ii

Pa

h /a /i/

ч

с ^

л?

•■^^

Рис. 12.1. Расчетные схемы песчаных подушек

ходя из давления, которое можно передавать на подстилающие ее грунты. Расчетное сопротивление грунтов устанавливают как на подстилающий слой слабого грунта (см. п. 9.6.5). Размеры подушки в плане зависят от сопротивляемости горизонтальному давлению грунта, расположенного по сторонам от нее. Эта ха­рактеристика должна исключить возможность деформации по­душки в стороны. Для определения ширины подушки задаются распределением давления в ней под углом а, равным обычно 30…45° (см. рис.12.1, а). Тогда

Bcs = Ъ + 2hcs tg a (12.1)

Более экономичное решение можно получить при проектиро­вании песчаной подушки, исходя из условий устойчивости * призмы ACD (см. рис. 12.1,6)—случай 1 или ACED (см. рис. 12.1, в) —случай 2. При расчете учитывают трение по по-

*Далматов Б. И. Устройство песчаных подушек под фундаментами//Архитектура и строительство Ленинграда. Л.-М., 1946,

верхности скольжения ADзависящее от угла внутреннего тре­ния песка фсз, и активное давление слабого грунта на верти­кальную грань песчаной яодушки, равное гидростатическому давлению от- собственного веса грунта. В случае 2 учитывают, кроме того, трение песчаной подушки о подстилающий грунт на участке DE. Обычно ограничиваются расчетом по случаю 1. Тогда для ленточных фундаментов, задавшись размерами песча-Ной подушки и вероятной поверхностью скольжения АВ, после­довательным приближением находят наименьшее давление рисоответствующее условиям предельного равновесия:

гдеу и Yes — удельный вес заменяемого грунта н материала подушки;
Основные положения расчета. Расчет свайных фундаментов и их оснований ведут по двум группам предельных состояний:

по первой группе – по несущей способности грунта основания свай; по устойчивости грунтового массива со свайным фундаментом; по прочности материала свай и ростверков;

по второй группе – по осадкам свайных фундаментов от вертикальных нагрузок; по перемещениям свай совместно с грунтом оснований от действия горизонтальных нагрузок и моментов; по образованию или раскрытию трещин в элементах железобетонных конструкций свайных фундаментов.

Расчет по несущей способности грунтов основания заключается в выполнении условия (8.12):

N ≤ Fd / γ k , (8.12)

где N — расчетная нагрузка, передаваемая на сваю, кН;

Fd — несущая способность сваи, определяемая любым из известных методов;

γ k — коэффициент надежности, принимаемый равным:

1,2 – если несущая способность сваи определена по результатам ее испытания статической нагрузкой;

1,25 – по результатам динамических испытаний, выполненных с учетом упругих деформаций грунта, а также по результатам статического зондирования грунта или его испытания эталонной сваей или сваей – зондом;

1,4 – по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учета упругих деформаций грунта, или расчетом практического метода.

Проверку устойчивости свайного фундамента совместно с грунтовым массивом производят только в случае передачи на свайные фундаменты больших горизонтальных нагрузок, а так же если фундамент расположен на косогоре или его основание имеет откосный профиль. Проверку производят по расчетной схеме сдвига грунта по цилиндрической поверхности скольжения.

Расчет свайных фундаментов по второй группе предельных состояний (по деформациям) при действии вертикальных нагрузок проводят из условия (8.1):

S < S u , (8.1)

где, S — деформация свайного фундамента (осадка и относительная разность осадок), определяемая расчетом;

S — предельно допустимая величина деформации свайного фундамента, устанавливаемая заданием на проектирование или определяемая по СНиП 2.02.01 — 83.

Фундаменты из свай, работающих как сваи – стойки, рассчитывать по деформациям от вертикальных нагрузок не требуется.

Для фундаментов с вертикальными сваями расчетную нагрузку на сваю определяют по формуле (8.13):

N = Nd / n +(-) Mx y / ∑y2i +(-) My x / ∑ x2i, (8.13)

где Nd , Mx , My — расчетные усилия (вертикальная нагрузка, изгибающие моменты) в плоскости подошвы ростверка фундамента относительно главных центральных осей (Рисунок 21);

n – количество свай в фундаменте;

xi , yi — расстояния от главных осей до оси каждой сваи;

x и y — расстояния от главных осей до оси сваи, для которой вычисляется расчетная нагрузка.

Рисунок 30 – Размещение свай (а) и давление на грунт (б)

под подошвой фундамента устоя

В устоях наихудшее сочетание нагрузок в большинстве случаев вызывает внецентренное нагружение фундамента (Рисунок 30). Поэтому в устоях для лучшего использования несущей способности каждой сваи их размещают пропорционально эпюре давлений на грунт. Местоположение свай определяют путем разбиения эпюры давлений на участки равновеликой площади (объема). В центре тяжести площадок устанавливают сваи (Рисунок 31) и корректируют расстояния между ними в соответствии со СНиПами.

Рисунок 31 – Размещение свай под промежуточной опорой с разбиением

эпюры давлений на участки равновеликой площади (объема)

В промежуточных опорах балочных мостов, как правило, сваи располагают симметрично относительно продольной оси, так как изгибающий момент вдоль моста от сил торможения и трения в опорных частях моста может быть направлен в разные стороны.

При симметричном расположении свай (Рисунок 31) расчетную нагрузку определяют по формуле (8.14):

N = Nd / n +(-) Mx ymax / 2m1 ∑y2i +(-) My xmax / 2m2 ∑ x2i , (8.14)

где Nd , Mx , My — расчетные усилия (вертикальная нагрузка, изгибающие моменты) в плоскости подошвы ростверка фундамента относительно главных центральных осей (Рисунок 30);

n – количество свай в фундаменте;

xi , yi — расстояния от главных осей до оси каждой сваи;

∑y2i и ∑ x2i — подсчитывают для половины количества свай в ряду и половины рядов свай;

ymax и xmax — максимальные расстояния от главных осей до оси наиболее удаленной сваи, для которой вычисляется расчетная нагрузка.

m1 , m2 — соответствующее количество свай в ряду и количество рядов свай.

Полная нагрузка F на сваю состоит из расчетной нагрузки на сваю N и нагрузки от веса сваи G:

F = N + G , (8.15)

Для свай, работающих на выдергивание, полная нагрузка:

F = N — G , (8.16)

Полная нагрузка на сваю должна быть меньше несущей способности сваи по материалу или по грунту, значения которых определяют по вышеизложенным формулам:

F ≤ Fd или F ≤ Fdu , (8.17)

При расстояниях между сваями меньше 6d сильно уплотненный сваями грунт образует грунтосвайный блок, основанием которого является подстилающий слой грунта в уровне низа свай.

Размеры условного фундамента принимают в виде прямоугольного параллепипеда, ограниченного зоной уплотнения грунта (Рисунок 32), с наклоном граней под углом φm / 4. Среднее значение расчетного угла внутреннего трения грунта φ m , прорезанных сваями, определяют по формуле:

φ m = (φ 1 h1 + φ 2 h2 + … + φ n hn ) / d = ∑ φ i h i / d , (8.18)

где φ i — расчетный угол внутреннего трения i – го слоя грунта, расположенного в пределах глубины погружаемых свай в грунт;

h i — толщина i – го слоя грунта, м;

d — глубина погружения свай в грунт от его расчетной поверхности, м.

Рисунок 32 – Схема проверки несущей способности основания

Несущую способность грунта основания под подошвой условного фундамента проверяют по среднему давлению Р :

Р = Nс / ас bс ≤ R/ γ n , (8.19)

где Nс — нормальная составляющая давления условного фундамента на грунт основания, с учетом грунтового массива 1-2-3-4 и заключенными в нем сваями, кН;

γ n — коэффициент надежности;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи.

Выдергивающие нагрузки.Несущую способность Fdu висячих забивных свай и свай оболочек, погружаемых без выемки грунта, работающих на выдергивание (опоры технологического оборудования и ЛЭП, анкерные устройства и т.д.), определяют по формуле (8.19):

Fdu = γ с u ∑ γ cf f i h i , (8.20)

где γ с — коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 0,6 для свай , погружаемых в грунт на глубину менее 4 м, γ с = 0,8 – для свай погружаемых в грунт на глубину 4 м, и более;

γ cf — коэффициенты условий работы грунта на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта;

u – периметр поперечного сечения сваи, м;

f i — расчетное сопротивление i — го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа;

h i — толщина слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

Предельную нагрузку Nпр на сваю по грунту определяют по формуле (8.21):

Nпр = Fd / γ g , (8.21)

где γ g — коэффициент надежности по грунту для опор мостов. При низком ростверке висячих свай и свай – стоек, при высоком ростверке – только при сваях – стойках принимают равным 1,4. В остальных случаях принимают по таблице 8.3 в зависимости от числа свай n.

Таблица 8.3 — Коэффициент надежности по грунту для опор мостов

Число свай в кусте , n     11…20   6…10   1…5
Коэффициент надежности, γ g   1,4   1,55   1,65   1,75

Расчетная длина сваи L расч определяется по формуле (8.22):

L расч = (N — γ CR R A) / u γ c f f c р , (8.22)

где f cр — среднее расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи, кПа. Оно определяется по формуле (8.23):

f cр = ∑ f i h i / ∑ h i , (8.23)

где f i — расчетное сопротивление i — го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа;

h i — толщина слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

Дата добавления: 2015-08-08; просмотров: 771;

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ: