Совместная работа свай в фундаменте понятие о кустовом эффекте

Понятия: отказ, ложный и истинный отказы.

Явления, происходящие в грунте при забивке сваи.

совместная работа свай в фундаменте понятие о кустовом эффекте

Величина погружения сваи при ударе (забивке) носит название отказ.

При погружении свай через песчаные грунты величина отказа с глубиной резко уменьшается и в некоторых случаях может достигнуть нуля.

совместная работа свай в фундаменте понятие о кустовом эффекте

Для увеличения отказа сваи необходимо предоставить отдых, т.е. остановить забивку на 3…5 дней. За это время в около свайном пространстве восстанавливается поровое давление, грунтовая вода снова подходит к стволу сваи, трение снижается и сваю можно снова добивать т.к. отказ увеличивается относительно первоначальной величины, полученной до отдыха.

Такой же эффект может быть получен при добавлении воды в около свайное пространство во время забивки.

При погружении свай через водонасыщенные глинистые грунты величина отказа с увеличением глубины забивки может увеличиваться и свая как бы проваливается в водонасыщенное основание.

При забивке в глинистых грунтах величина отказа (е) с глубиной или становится постоянной, или увеличивается.

После отдыха в течение 3…6 недель (снятие динамических воздействий) величина отказа уменьшается. Это явление получило название «засасывание сваи».

Отказ (е) сваи во время забивки получил название «ложный».

Отказ (е) сваи после отдыха – «истинный».

Получение истинного отказа сваи в глинистых грунтах приводит к увеличению ее несущей способности.

Насколько повышается несущая способность сваи после отдыха?

В

Почти максимальная несущая способность при забивке

супесях – в 1,1…1,2 раза

В

Необходимо учитывать повышение несущей способности

суглинках – в 1,3…1,5 раз

В глинах – в 1,7…6 раз

Понятие о кустовом эффекте.

При проектировании свайного фундамента расстояние между сваями (в осях) принимается не менее 3d (d – диаметр или сторона поперечного сечения сваи). Если необходимо более тесное расположение свай, несущую способность их нужно дополнительно уменьшать, т.е. увеличивать число или длину свай. Это связано с взаимным влиянием свай друг на друга, т.е. наложением возникающих в грунте напряжений («кустовой эффект»). Расстояние от боковой грани крайней сваи до грани ростверка обычно принимается не менее 15см.

При расчете свайных фундаментов из висячих свай кустовой эффект не учитывают, а ведут расчет свайного фундамента в целом по второму предельному состоянию (по деформациям) грунта основания.

Типы и реконструкции ростверков.

Ростверк — верхняя часть свайного или столбчатого фундамента, распределяющая нагрузку на основание. Ростверк выполняется в виде балок или плит, объединяющих оголовки столбов (свай) и служащая опорной конструкцией для возводимых элементов сооружения. Ростверком называют также одинарный или двойной металлический настил, который укладывают на грунтовую (гравийную) подушку, и выполняющий роль фундамента для лёгких зданий. Ростверк служит для распределения нагрузки, передаваемой сооружением на сваи. Головы свай обычно заделывают в ростверк. Однако свайный фундамент может состоять и только из одной сваи, которая будет являться продолжением колонны наземной конструкции. Нижняя поверхность ростверка называется его подошвой. Глубиной заложения свайного фундамента называется расстояние от поверхности грунта до плоскости, проведенной через острие свай.

Ростверки могут быть монолитными, сборными и сборно-монолитными.

Сопряжение свайного ростверка со сваями бывает свободно опирающимся и жестким. Свободное опирание ростверка на сваи должно учитываться в расчете как шарнирное сопряжение и при монолитных ростверках должно выполняться путем заделки голов свай в ростверке на глубину 5—10 см. Заделка выпусков арматуры в ростверке в этом случае не обязательна. Свободное опирание принимают для центрально нагруженных свай.

Жесткое сопряжение свай и ростверка предусматривается в следующих случаях: стволы свай располагаются в слабых грунтах, нагрузка приложена с эксцентриситетом, при действии на сваи горизонтальных и выдергивающих нагрузок, а также динамических воздействий. Жесткое сопряжение сваи с монолитным ростверком осуществляется с заделкой головы сваи в ростверк на глубину, соответствующую длине анкеровки арматуры, или с заделкой в ростверк выпусков арматуры на длину их анкеровки, определяемой расчетом. Эта длина должна быть не менее 20d при арматуре периодического профиля и 40 d для гладких стержней (d — диаметр стержня). При жестком сопряжении верхнюю часть головы сваи разбивают и обнаженную арматуру замоноличивают в ростверк. Неразбитую часть головы сваи заделывают в ростверк на глубину 5—10 см.

Конструкцию ростверка и технологию его устройства принимают в зависимости от типа свай. Ростверки объединяют группу свай в одну конструкцию и распределяют на них нагрузки от сооружения. Они чаще всего представляют собой непрерывную ленту по всему контуру здания в плане, включая внутренние стены. В зависимости от типа здания или сооружения ростверки разделяют на высокие и низкие.

Если подошва ростверка уложена непосредственно на грунт, то такой ростверк называется низким. Если подошва находится существенно выше поверхности грунта, то такой ростверк называется высоким. В некоторых случаях, например при пучинистых грунтах, подошву ростверка устанавливают несколько возвышающейся над грунтом на величину порядка 20 см. Однако такой ростверк тоже именуется низким. В некоторых случаях, например при устройстве свайных фундаментов в сейсмически опасных районах, головы свай не заводятся в ростверк, а между ними и нижней поверхностью ростверка устраивается амортизирующая песчаная прослойка.

Способ усиления ростверков выбирают в зависимости от характера повреждений и вызвавших его причин.

При коррозии наружного слоя бетона ростверков, а также для исправления и предохранения от дальнейшего разрушения выветрившейся и трещиноватой их поверхности следует применять торкретирование путем нанесения на поверхность конструкции под давлением цементного раствора. Перед торкретированием поверхность ростверка должна быть тщательно очищена стальными щетками или пескоструйным аппаратом, продута сжатым воздухом и промыта водой под давлением. Торкретирование рекомендуется выполнять по металлической сетке с ячейками размером 5—10 см при диаметре проволоки около 5 мм. Сетку привязывают вязальной проволокой к анкерам диаметром 8—10 мм, заделанным в ростверке на 15—25 см. Расстояние между анкерами принимают 50— 80 см. Торкрет наносят под давлением 0,4—0,6 МПа толщиной 20— 40 мм в 2—3 слоя полосами шириной 1 —165 м сверху вниз. Каждый последующий слой наносят после схватывания предыдущего.

При серьезных повреждениях железобетонных ростверков любых типов (плит, подколонников, лент, насадок), осуществляют более крупные ремонтные работы. Пустоты и трещины в бетоне заделывают нагнетанием цементного раствора под давлением. Для этого в ростверке перфораторами бурят вертикальные или наклонные шпуры диаметром 40—80 VMM, располагая их в таком порядке, чтобы максимально охватить разрушенный массив. Рекомендуемое расстояние между шпурами 0,8—1,5 м. Длина наклонных шпуров не должна быть более 0,4 толщины массива при бурении с обеих сторон массива и не более 0,75— при бурении с одной стороны. Общее число и расположение шпуров устанавливают в зависимости от степени разрушения ростверка, а также от расположения рабочей арматуры, поскольку шпуры должны буриться между стержнями арматуры. После окончания бурения шпуров через инъекционные трубки промывают бетон под давлением 0,2— 0,4 МПа. Для цементации обычно применяют водоцементный раствор состава от 1:10 до 1:1 (отношение цемента к воде по массе). В начале нагнетания применяют более жидкий раствор от 1:10 до 1:4 при давлении до 0,5—1,1 МПа. При малых поглощениях раствора его состав в процессе нагнетания не изменяют, но увеличивают давление до 1,1 МПа.

При недостаточной прочности бетона и значительном разрушении ростверков их усиляют обоймами. Обойму обычно выполняют на всю высоту ростверка по его периметру. Обоймы выполняют по такой же технологии, что и у фундаментов мелкого заложения.

Для свайных фундаментов с высоким ростверком усиление ствола свай является наиболее доступным. В этом случае сваи с поперечными или продольными трещинами и частичным разрушением стволов следует усиливать железобетонными обоймами, толщина стенок которых должна быть не менее 100 мм. Обойма устраивается на всю высоту свободной части сваи с заглублением в грунт не менее чем на 1 м. Известен способ обуривания ствола сваи скважинами малого диаметра. При этом способе вплотную к поверхности сваи пробуривают в грунте скважины диаметром 50—80 мм с расчетом не менее одной скважины вдоль грани сваи. По скважинам нагнетается цементный раствор, который окружает сваю сплошной рубашкой, препятствующей дальнейшему разрушению материала ствола и повышающей прочность окружающего грунта. Усиление стволов свай можно выполнять путем погружения забивной сваи или устройства буронабивной сваи вплотную к стволу. При устройстве буронабивной сваи у ствола бурят одну-две скважины, которые затем армируют и бетонируют. При таком способе следует усилять не все сваи подряд, а каждую вторую или даже третью. Иногда разрушенные стволы свай усиляют забивкой конической сваей.

Усиление всего свайного фундамента осуществляют при значительном разрушении фундамента, при большом увеличении нагрузки на фундамент, а также в связи с недостаточной несущей способностью грунта, на который опирается свайный фундамент.

При исчерпании несущей способности основания под сваями применяют методы закрепления и повышения прочности грунтов. Грунт вокруг стволов и под остриями свай может быть упрочнен цементацией, силикатизацией, смолизацией или обжигом.

Свайные фундаменты

5.1. Основные положения и классификация

В тех случаях, когда с поверхности залегают слои слабых грунтов, которые не могут служить основанием для фундаментов мелкого заложения проектируемого сооружения, возникает необходимость передачи нагрузки на более плотные слои, расположенные на глубине. В подобных ситуациях чаще всего прибегают к устройству свайного фундамента.

Сваей называют погруженный в готовом виде или изготовленный в грунте стержень, предназначенный для передачи нагрузки от сооружения на грунт основания.

Отдельные сваи или группы свай, объединенные поверх распределительной плитой или балкой, образуют свайный фундамент.

Распределительные плиты или балки, объединяющие головы свай, выполняются, как правило, из железобетона и называются ростверками. Ростверк воспринимает, распределяет и передает на сваи нагрузку от расположенного выше сооружения.

Если ростверк заглублен в грунт или его подошва расположена непосредственно на поверхности грунта, то его называют низким ростверком, если подошва ростверка расположена выше поверхности грунта – это высокий свайный ростверк (рис. 11.1). Наиболее часто применяют низкий ростверк, высокий ростверк устраивают в опорах мостов, набережных, пирсов и т.п.

Свая, находящаяся в грунте, может передавать нагрузку от сооружения либо через нижний конец (пята), либо совместно с боковой поверхностью сваи за счет трения последней об грунт.

В зависимости от этого, по характеру передачи нагрузки на грунт сваи подразделяются на

а) сваи-стойки

б) висячие сваи (сваи трения)

К сваям-стойкам относятся сваи, прорезающие толщу слабых грунтов и опирающиеся на практически несжимаемые или малосжимаемые грунты (крупнообломочные грунты с песчаным наполнителем, глины твердой консистенции). Такие сваи практически всю нагрузку передают через нижний конец, т.к. при их малых вертикальных перемещениях не возникают условия для возникновения сил трения на ее боковой поверхности.

Свая-стойка работает как сжатый стержень в упругой среде, ее несущая способность определяется или прочностью материала сваи, или сопротивлением грунта под ее нижним концом:

К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты. Под действием продольной силы (N) свая получает перемещение (дает осадку), достаточное для возникновения сил трения между боковой поверхностью сваи и грунтом. В результате нагрузка на основание передается как боковой поверхностью, так и нижним концом сваи. Несущая способность такой сваи определяется суммой сопротивления сил трения по ее боковой поверхности и грунта под острием:

По условиям изготовления сваи делятся на две группы:

· сваи, изготовляемые заранее на заводах или полигоне (предварительно изготовляемые) и затем погружаемые в грунт;

· сваи, изготовляемые на месте, в грунте.

По расположению свай в плане различают следующие виды свайных фундаментов:

1) одиночные сваи применяют под легкие сооружения в качестве опор (теплицы, склады), когда несущей способности одной сваи достаточно для передачи нагрузки на грунт.

Сложность: необходимо точно забить (погрузить), отклонение от оси в плане у одиночных свай ±5 см, от вертикальной оси не более 5º.

2) группы свай (свайный куст), устраивают под колонны или отдельные опоры конструкций, передающие значительные вертикальные нагрузки (рис. 11.3а).

3) ленточные свайные фундаменты устраивают под стены зданий и другие протяженные конструкции. Сваи в таком фундаменте располагаются в один или несколько слоев (рис. 11.3 б).

4) сплошные свайные поля устраивают под тяжелые сооружения башенного типа, имеющие ограниченные размеры в плане. Сваи располагаются в определенном порядке под всем сооружением (рис. 11.3 в).

В зависимости от материала предварительно изготовленные сваи подразделяются на:

· деревянные (условия эксплуатации – ниже уровня подземных вод). Простейшая деревянная свая представляет собой бревно с заостренным нижним концом. На верхний конец бревна надевают бугель (стальное кольцо), который защищает сваю от размочаливания оголовка во время забивки. На заостренном конце при погружении сваи в грунты с твердыми включениями закрепляют стальной башмак. Достоинства этого вида свай – простота изготовления и небольшой вес. Недостатки – малая несущая способность, трудность погружения в плотные грунты, опасность гниения в условиях переменной влажности. Деревянные сваи имеют ограниченное применение.

· стальные изготавливают из стандартных стальных труб d=0,2…0,8 м, используют также двутавровые балки, швеллеры и другие прокатные профили.

Если после погружения в грунт стальная трубчатая свая заполняется

бетоном, ее называют трубобетонной. Достоинство этого вида свай –

возможность наращивания сваркой по мере погружения в грунт. Недостатки – подверженность коррозии (для защиты поверхность труб покрывают битумом или эпоксидными смолами).

Стальные сваи рекомендуется применять в сложных для забивки грунтовых условиях (включения валунов, гальки и т.п.), часть их применяют в качестве ограждения котлованов.

· железобетонные сваи (получили наибольшее распространение в практике строительства). Их подразделяют:

— по форме поперечного сечения – рис 11.4 (а, б, в – типовые)

— по форме продольного сечения – рис 11.5

— по способу армирования на сваи:

1) с ненапрягаемой арматурой и с предварительно напряженной продольной арматурой

2) с поперечным армированием и без него

— по конструктивным особенностям – на сваи цельные и составные.

· комбинированные сваи – составные по длине из двух различных материалов. Чаще всего это комбинация деревянной части, которая помещается ниже уровня подземных вод, с бетонной или железобетонной частью.

5.2. Способы погружения готовых свай в грунт

5.2. а Забивные сваи 

При забивке свай в обезвоженные плотные песчаные и супесчаные грунты для повышения производительности забивки осуществляется подмыв. За счет подачи воды (под большим напором) под нижний конец сваи, грунт размывается, что значительно уменьшает сопротивление погружению.

5.2.б Вибропогружение 

сваи наиболее эффективно при насыщенных водой песках. В этом случае вертикальные колебания, создаваемые вибратором, передаются сваей грунту, который разжижается, что приводит к резкому уменьшению сил трения по боковой поверхности и она легко погружается в грунт. После прекращения вибрирования структура грунта быстро восстанавливается и трение по боковой поверхности сваи увеличивается.

5.2.в Вдавливание

свай осуществляется с помощью мощных гидродомкратов и применяется тогда, когда нельзя использовать забивку или вибропогружение (вблизи существующих зданий), также применяется при усилении существующих фундаментов.

5.2.г Ввинчивание 

свай, снабженных на конце винтовыми лопастями (винтовые сваи), осуществляется особыми механизмами, называемыми кабестанами.

5.3. Сваи, изготовляемые в грунте (на месте): буровые, набивные, буронабивные сваи

Такие сваи изготавливают из бетона, железобетона (с армокаркасом) или из цементно-песчаного раствора.

По способу изготовления подразделяются на

· сваи без оболочки;

· сваи с оболочкой, извлекаемой из грунта;

· сваи с неизвлекаемой оболочкой.

5.3.а Сваи без оболочки 

применяют в связных сухих и маловлажных грунтах, где можно осуществлять бурение без крепления стенок скважин.

В водонасыщенных глинистых грунтах проходку скважин производят под защитой глинистого раствора, который, создавая избыточное давление в скважине, препятствуют обрушению ее стенок. После выполнения буровых работ в забой скважины через бетонолитную трубу подается бетонная смесь, которая вытесняет раствор глины.

Набивную сваю, скважина которой получена бурением, принято называть буронабивной.

Последовательность изготовления такой сваи представлена на рис. 11.8.

Чтобы не использовать глинистый раствор при бурении используют полый шнек. Во время бурения стенки скважины удерживаются лопастями, а при поднятии шнека по полой трубе подается бетон.

Армирование сваи в зависимости от проектируемого сооружения, внешних нагрузок и инженерно- геологических условий производится на полную длину, на часть длины или только в верхней части с ростверком.

Скважину, помимо бурения, можно получить и другими способами:

— пробить инвентарным сердечником, трубой с закрытым нижним концом;

— вытрамбовать специальной трамбовкой;

— взрывом гирлянды зарядов взрывчатого вещества в лидерной скважине.

Такой способ формирования скважин приводит к значительному уплотнению грунта основания, что повышает несущую способность изготавливаемых свай.

Разновидностью буронабивных свай являются буроинъекционные сваи,которые устраивают путем заполнения вертикальных или наклонных скважин цементно-песчаным раствором под давлением, в результате чего получается очень неровная поверхность, обеспечивая хорошее сцепление свай с окружающим грунтом.

Такая технология при малых диаметрах свай (от 60…80 до 180…200 мм) и большой их длине (до 30м) в сочетании с неровной поверхностью придают этим сваям сходство с корнями деревьев, поэтому их еще называют корневидными сваями.

Используются буроинъекционные сваи для усиления фундаментов существующих зданий, в качестве анкерных свай при испытании свай статической нагрузкой.

5.3.б Сваи с извлекаемой оболочкой

можно применять практически в любых геологических и гидрогеологических условиях, поскольку используемые для их изготовления инвентарные обсадные трубы защищают стенки пройденной скважины от обрушения.

Простейшим видом свай с извлекаемой оболочкой является свая, предложенная еще в 1899 году инженером А. Э. Страусом. После появились разнообразные модификации подобных свай (св. Франки, Бенато и т.п.).

5.3.в Сваи с не извлекаемой оболочкой 

применяют при отсутствии возможности качественного изготовления свай с извлекаемой оболочкой (в водонасыщенных глинистых грунтах текучей консистенции с прослойками песков и супесей), где под напором подземных вод ствол сваи на отдельных участках может быть разрушен во время твердения бетонной смеси. Это дорогие сваи и используются в основном в гидротехническом и транспортном строительстве.

Недостатки набивных и буронабивных свай. Если изготавливать без обсадной трубы – это может повлечь обрушение стенок скважины, как при бурении, так и в процессе твердения бетона (хуже всего, т.к. не поддается проверке). Существует проблема удаления шлама, который препятствует погружению каркаса, при бетонировании шлам может всплывать и создавать грунтовые пробки, тем самым ослаблять сечение сваи.

1. Трудность контроля качества.

2. Подвержены действию агрессивных вод, во избежание этого также применяют оболочки (неизвлекаемые).

3. Порционность подачи бетонной смеси при уплотнении трамбовкой, что значительно удлиняет и усложняет процесс изготовлений таких свай.

4. Большой состав рабочей бригады.

Достоинства набивных и буронабивных свай:

1. Экономичность (малый расход арматуры).

2. Большая несущая способность – главный фактор.

5.4. Взаимодействие свай с окружающим грунтом

Взаимодействие свай с окружающим грунтом носит сложный характер и зависит от процессов происходящих в грунте при изготовлении и при их работе под эксплуатационными нагрузками. Процессы оказывают влияние на несущую способность и осадки свайного фундамента, от их правильного учета во многом зависит точность расчета и экономическая эффективность применения свай.

Процессы, происходящие в грунте при устройстве свайных фундаментов зависят от типа свай, грунтовых условий, технологии погружения или изготовления свай и т.п..

Так при погружении забивной сваи (сплошной сваи) объем грунта равный объему сваи вытесняется вниз, вверх и в стороны, в результате чего грунт вокруг сваи уплотняется.

Но если свая забивается в плотные пески, может наблюдаться обратный эффект – разуплотнение грунта.

Учитывая явление уплотнения грунта, рекомендуют во всех случаях, а в плотных грунтах особенно, забивку вести от середины свайного поля к его периметру. Если это правило не соблюдается, средние сваи из-за сильного уплотнения грунта не всегда удается погрузить до заданной глубины.

Но если брать расстояние между сваями в свайном фундаменте >d, то это приведет к огромным размерам ростверков, поэтому принято сваи забивать на расстоянии друг от друга равном d.

Но изменение напряженного состояния и плотности в грунтах при забивке свай могут носить и временный характер, т.е. грунт может обладать временным сопротивлением погружению сваи.

Скорость погружения сваи принято характеризовать величиной ее погружения от одного удара, называемой отказом сваи.

По величине отказа, который замеряется при достижении сваи проектной отметки, можно судить о ее сопротивлении, поскольку, чем меньше отказ, тем, очевидно, больше несущая способность сваи.

При забивке свай в маловлажные пески плотные и средней плотности под нижним концом образуется переуплотненная зона, препятствующая дальнейшему погружению сваи вплоть до нулевого значения отказа, и дальнейшая попытка забить сваю может привести к разрушению ее ствола. Но оставив эту сваю в покое, через некоторое время в результате релаксации напряжений сопротивление грунта под нижним концом сваи снизится и можно снова продолжить ее забивку до проектной отметки.

Описанное явление носит название ложного отказа. Время, необходимое для релаксации напряжений называется отдыхом свай (3…5 суток в песчаных грунтах, до 30 часов в глинах), а отказ определенный после отдыха свай и характеризующий ее действительную несущую способность – действительным отказом.

При забивке свай в глинистые грунты часть связной воды переходит в свободную, грунт на контакте со сваей разжижается (тиксотропное разжижение) и сопротивление погружению сваи наоборот – снижается, происходит так называемое засасывание сваи. Здесь также, если прекратить забивку, то через некоторое время структура грунта восстановится, и несущая способность сваи значительно возрастет.

Процессы происходящие в грунте при работе свай под нагрузкой. Не менее сложны, особенно в случае висячих свай.

Т.к. вертикальная нагрузка, воспринимаемая сваей перераспределяется на грунт по боковой поверхности и под нижним концом, в окружающем грунте возникает напряженная зона, имеющая сложное криволинейное очертание (рис. 11.10а).

Эпюра вертикальных нормальных напряжений σz на уровне нижнего конца свай имеет выпуклую форму. Принято считать, что напряжения σz распределяются по площади, равной основанию конуса, образующая которого составляет со сваей угол α, зависящий от сил трения грунта по ее боковой поверхности.

При редком расположении свай в кусте >d напряженные зоны в грунте не пересекаются, и все сваи работают независимо, как одиночные. При а 6d зоны пересекаются, происходит взаимное наложение эпюр, а давление на грунт в уровне нижних концов свай возрастает (рис 11.10б), увеличивается и активная зона сжатия грунта.

Вследствие этих причин при одинаковой погрузке осадка сваи куста при совместной работе будет всегда превышать осадку одиночной сваи.

Что касается несущей способности куста свай, то с одной стороны, уплотнение межсвайного пространства при забивке свай, приводит к ее увеличению, а с другой – осадка свай за счет наложения зон напряжений приводит к ее уменьшению. Что в итоге больше скажется на несущую способность сваи куста зависит от многих условий и не всегда легко прогнозируется. Но опыт показывает, что в глинистых грунтах, а также в пылеватых и мелких песках несущая способность сваи в кусте, как правило, уменьшается по сравнению с несущей способностью одиночной сваи, а в песках средней крупности и крупных песках – увеличивается.

Описанные следствия совместной работы свай в кусте принято называть кустовым эффектом. Изучение его влияния очень сложно и противоречиво и требует постановки экспериментов.

5.5. Определение несущей способности одиночной сваи при действии вертикальной нагрузки

5.5.а Сваи-стойки

могут потерять несущую способность либо в результате разрушения грунта под ее нижним концом, либо в результате разрушения самой сваи, т.е. такую сваю необходимо рассчитывать: по прочности материала ствола сваи и по условию прочности грунта под ее нижним концом. За несущую способность принимается меньшая величина.

По прочности материала свая-стойка рассчитывается как центрально нагруженный сжатый стержень, без учета поперечного изгиба.

Для железобетонных свай формула расчета несущей способности по материалу выглядит следующим образом:

где φ – коэффициент продольного изгиба, обычно φ=1;

γс – коэффициент условий работы,

для свай сечением менее 0,3×0,3м γс=0,85;

для свай большего сечения γс=1;

γm коэффициент условий работы бетона (0,7…1 – в зависимости от вида

свай);

Rb– расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, зависит от класса бетона (кПа);

Aплощадь поперечного сечения сваи, м2;

γa– коэффициент условий работы арматуры,γa=1;

Rsрасчетное сопротивление сжатию арматуры (кПа);

As – площадь поперечного сечения арматуры, м2.

Несущая способность сваи-стойки по грунту определяется по формуле:

где γс – коэффициент условий работы сваи в грунте, γс=1;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа

А – площадь опирания сваи на грунт, м2.

5.5.б Висячие сваи 

Их расчет производится, как правило, только по прочности грунта, т.к. по прочности материала она всегда заведомо выше.

Существуют следующие методы расчета:

· Динамический метод;

· Метод испытания пробной статической нагрузкой;

· Практический метод;

· Метод статического зондирования;

· Теоретические методы.

Динамический метод заключается в определении несущей способности сваи по величине ее отказа на отметке близкой к проектной. В основу метода положено, что работа, совершаемая свободно падающим молотом, GH (где G – вес молота, H – высота падения молота) затрачивается на преодоление сопротивления грунта погружению сваи; на упругие деформации системы «молот-свая-грунт»; на превращение части энергии в тепловую; разрушение головы сваи и т.п., т.е. на неупругие деформации.

В общем виде эта зависимость записывается следующим образом:

– уравнение работ Н.М. Герсевомова

где GH – работа падающего молота;

FuSa – работа на погружение;

Gh – работа на упругие деформации;

α∙GH – работа на неупругие деформации;

Fu – предельное сопротивление сваи вертикальной нагрузке, кН;

Sa – отказ сваи, м;

Α – коэффициент, учитывающий превращение части энергии в тепловую

и т.п.

Отказ сваи (Sa) определяется либо по одному удару молота, либо, что чаще, вычисляется как среднее арифметическое значение погружения сваи от серии ударов, называемой залогом (число ударов от 4-х до 10).

Метод испытания свай статической нагрузкой. Несмотря на сложность, длительность и значительную стоимость этот метод позволяет наиболее точно установить предельное сопротивление сваи с учетом всех геологических и гидрогеологических условий строительной площадки

Метод используется либо с целью установления предельного сопротивления сваи, необходимого для последующего расчета фундамента, либо с целью проверки на месте несущей способности сваи, определенной каким-либо другим методом, например, практическим.

Проверке подвергаются в среднем до 1% от общего числа погруженных свай, но не менее 2-х.

Схема испытания выглядит следующим образом:

Нагрузка прикладывается ступенями, равными от ожидаемого предельного сопротивления сваи. Каждая ступень выдерживается до условной стабилизации осадки сваи. Осадка считается условно стабилизировавшейся, если ее приращение не превышает 0,1мм за 1 час наблюдения для песчаных грунтов и за 2 часа для глинистых.

По данным испытаний строятся два графика:

Практика показала, что графики испытаний свай делятся на два типа (рис. 1.13б):

· с характерным резким переломом, после которого осадка непрерывно возрастает без увеличения нагрузки, данная нагрузка в этом случае и принимается за предельную;

· с плавным очертанием без резкого перелома, что затрудняет определение предельной нагрузки. В этом случае за предельную принимается та нагрузка, под воздействием которой испытываемая свая получила осадку S:

где ζ – переходной коэффициент, комплексно учитывает ряд факторов:

несоответствие между осадкой одиночной сваи и сваи в кусте,

кратковременность испытания (главный фактор) по сравнению с

длительностью эксплуатации здания и т.п., принимается равным ζ=0,2;

Sumt – предельное значение средней осадки фундамента проектируемого здания (по СНиП 2.02.01-83*).

В итоге расчетная нагрузка на сваю по результатам статических испытаний:

где γс – коэффициент условий работы;

γgкоэффициент надежности по нагрузке;

Fu – частное значение, т.е. нормативное значение.

Практический метод (по таблицам СНиП). Широко применяется в практике проектирования, позволяет определить несущую способность сваи по данным геологических изысканий. Метод базируется на обобщении результатов испытаний большого числа обычных и специальных свай вертикальной статической нагрузкой, проведенных в различных грунтовых условиях с целью установления предельных значений сил трения, возникающих между сваей и окружающим грунтом, и

предельного сопротивления грунта под ее концом.

В результате составлены таблицы расчетных сопротивлений грунтов, которые позволяют определить сопротивление боковой поверхности и нижнего конца сваи и, просуммировать полученные значения по формуле:

Fd= ()

Найти ее НС Fd (kH)

R и fi — затабулированы

R→Zo– расстояние от поверхности до низа сваи; крупность песчаного грунта или IL глинистого грунта.

fi→Zi – расстояние от поверхности до середины рассматриваемого слоя, крупности песчаного грунта или IL глинистого грунта.

Особое внимание в этом методе расчета необходимо уделять правильности оценки физико-механических свойств грунта, особенно показателю текучести ILглинистых, который оказывает значительное влияние на результат расчета.

Этот метод, как правило, дает заниженное значение НС сваи.

При расчете сваи на выдергивающую нагрузку (например – анкерных свай) ее НС Fduбудет определяться только сопротивлением трению по боковой поверхности и рассчитывается по формуле:

Здесь – коэффициент условий работы меньше чем при вдавливающей нагрузке =0,6 для свай l

Остальное – то же, что и в формуле на вдавливающую нагрузку.

Понятие о негативном трении

Если по тем или иным причинам осадка окружающего сваю грунта будет превышать нагрузку самой сваи, то на ее боковой поверхности возникнут силы трения , направленные не вверх, как обычно, а вниз – отрицательное трение.

Обычно отрицательное трение возникает при загружении поверхности грунта около сваи (планировка территории подсыпкой м т.п.).

Вероятность возникновения отрицательного трения значительно возрастает если в пределах глубины погружения сваи имеется слой слабых сильно сжимаемых грунтов – торфа. Деформация торфа может быть настолько большой, что вышележащие слои грунта зависнут на свае, дополнительно пригружая ее (рис. 11.12.).

НС сваи в этом случае определяется по той же формуле, но fiдля слоев выше торфа берется со знаком «-«, а для торфа «-5 кПА».

Подробно эта методика изложена в СниПе.

Метод статического зондирования грунтов

— более дешевый и быстрый метод по сравнению с испытанием свай статическими нагрузками.

Заключается во вдавливании в грунт стандартного зонда, состоящего из штанги с конусом на конце (dкон = 36 мм, F = 10 см2,

Так как характер деформации грунтов при вдавливании свай и зонда аналогичен, полученные данные можно использовать для определения предельных сопротивлений свай.

Fd = AR+ h·U

f = B2·fз ; AR — сопротивление острия зонда

R = B1·qз ; h — длина сваи

B1B2 – переходные коэффициенты учитывающие разные размеры зонда и сваи.

Наряду с зондами для определения НС свай используются также эталонные сваи сечением 10х10 см двух типов – для измерения сопротивления грунта только под острием эталонной сваи, а второй – под острием и по ее боковой поверхности.

Теоретические методы

В силу своей сложности и многочисленных допущений, снижающих их точность, широкого применения на практике не нашли.

5.6. Расчет НС свай при действии горизонтальных нагрузок 

Причиной значительных горизонтальных нагрузок на фундаменты могут быть горизонтальные нагрузки от кранов в цехах, температурные расширения технологических трубопроводов предприятий, односторонний обрыв проводов ЛЭП, волновые воздействия и т.д.

5.6.а Метод испытания сваи пробной статической нагрузкой

Позволяет наиболее точно установить действительное сопротивление сваи горизонтальной нагрузке.

Проводятся испытания следующим образом (рис. 11.14). Нагрузка на сваю увеличивается ступенями, горизонтальные перемещения на каждой ступени фиксируются прогибомерами.

Каждая ступень нагрузки выдерживается до условной стабилизации горизонтальных смещений. По результатам испытаний строятся графики зависимости горизонтальных перемещений сваи от нагрузок (рис. 11.14 б) по которым и определяется предельное сопротивление сваи.

За предельное сопротивление сваи Fu принимается нагрузка на одну ступень менее той, при которой перемещения сваи непрерывно возрастают.

НС определяется по формуле

5.6.б Математические методы расчета свай на горизонтальную нагрузку

Ø 2 группы в зависимости от характера деформаций свай в грунте

— Первая группа – для коротких жестких свай, поворачивающихся в грунте без изгиба (рис. 11.15 а).

Разрушение системы «свая-грунт» происходит за счет потери устойчивости грунтом основания.

— Вторая группа – для свай, изгибающихся в грунте (рис. 11.15 б).

Сопротивление таких – длинных гибких свай определяется прочностью материала сваи на изгиб.

В первой группе расчет базируется на положениях теории предельного равновесия грунтов. Во второй группе методы основаны на использовании модели местных упругих деформаций.

При отнесении свай к той или иной категории жесткости следует учитывать не только длину сваи и жесткость ее поперечного сечения, но и деформационные свойства грунта, поскольку одна и та же свая, работающая в слабом грунте как короткая жесткая, в прочном грунте будет вести себя как длинная гибкая.

НС горизонтально нагруженного куста свай по нормам допускается определить как сумму сопротивлений одиночных свай.

5.7. Проектирование и расчет свайных фундаментов 

Выполняется в следующем порядке:

1. Оценка ИГУ (определяется слой грунта, в который наиболее рационально заглубить острие сваи).

2. Определяется тип и размер сваи

3. Определяется НС сваи (расчетная, допустимая на сваю нагрузка)

— расчетом по таблицам (СНиП)

— по испытаниям

— по данным статического зондирования

4. Определяется необходимое количество свай

5. Размещение свай в плане и конструирование развертка

6. Проверка давления, приходящегося на одну сваю. (При несоблюдении данного условия производится перерасчет свайного фундамента).

7. Определяется осадка свайного фундамента.

5.7.а Основные положения расчета

Расчет свайных фундаментов и их оснований производят по двум группам предельных состояний:

— По первой группе – по НС грунта основания свай; по устойчивости грунтового массива со свайным фундаментом…; по прочности материала свай и ростверков

— По второй группе – по осадкам свайного фундамента от вертикальных нагрузок; по перемещениям свай совместно с грунтом оснований от горизонтальных нагрузок и моментов; по образованию или раскрытию трещин в элементах железобетонных конструкций свайного фундамента

· Расчет по НС грунта основания заключается в выполнении условия

N – расчетная нагрузка, передаваемая на сваю,

Fd – НС сваи,

– коэффициент надежности, принимаемый равным от 1,2 до 1,4 в зависимости от метода, которым была определена НС сваи

· Расчет свайного фундамента по предельной составляющей второй группы (по деформациям) производят исходя из условия

осадка при действии вертикальных нагрузок

горизонтальное перемещение и угол поворота сваи, при действии горизонтальных нагрузок и моментов

5.7.б Определение числа свай в фундаменте и размещение их в плане

— Центрально нагруженный свайный фундамент

· Зная Fd– несущую способность сваи и принимая, что ростверк обеспечивает равномерную передачу нагрузки на все сваи фундамента, необходимое число свай (n) в кусте или на 1 м/п (в ленточном фундаменте) определяют по формуле

– то же

— рассчетная нагрузка на куст или на 1 погонный метр

· Для куста свай полученное по формуле число свай округляют в сторону увеличения до целого числа

· Сваи в ростверке располагают компактно (а = 3 d) по прямоугольной сетке или в шахматном порядке т.к. при а3 d – увеличиваются размеры ростверка.

· Расстояние от крайнего ряда свай до края ростверка 1 d.

· Ростверки кустов свай конструируются как обычные фундаменты мелкого заложения и рассчитываются на продавливание колонной или угловой сваей, на на поперечную силу в наклонных сечениях и на изгиб по СниП «Железобетонные конструкции».

· Если сваи куста работают только на сжимающую нагрузку, то достаточно их заделки в ростверк на 5…10 см, если же сваи воспринимают выдергивающие нагрузки или моменты, то их связь с ростверком делают более надежной, для чего оголовки свай разбивают и обнаженную арматуру замоноличивают в бетон ростверка.

· После размещения свай в плане и уточнения габаритных размеров ростверка определяют нагрузку N приходящуюся на каждую сваю, и проверяют условие

N — нагрузка на каждую сваю в ростверке

· Если условие не выполняется, то необходимо выбрать или другой тип свай, имеющий более высокую НС, или увеличить число свай в фундаменте и повторить расчет.

· Для свайного фундамента под стену (ленточного свайного фундамента) число свай на 1 п.м. может быть дробным. Тогда расчетное расстояние между осями свай по длине стены определяется по формуле

· Полученный результат округляют до кратного 5 см. В зависимости от а определяется число рядов свай. Различают: однорядное, шахматное и двухрядное.

· Из-за значительного увеличения размера ростверка принимают, как правило, не более двух рядов свай.

Если же по расчету получается аd, то лучше увеличить длину свай или ее сечение, т.е. НС.

· Железобетонные ростверки ленточных свайных фундаментов рассчитывают как неразрезные многопролетные балки в соответствии с требованиями СниП «Железобетонные конструкции».

— Внецентренно нагруженный свайный фундамент

· Предварительное число свай при внецентренном нагруженным свайном фундаменте определяют, так же как и при центральной нагрузке

а затем увеличивают ≈ на 20%.

· Расчетную нагрузку, приходящуюся на отдельную сваю, в общем случае, когда моменты действуют в направлении двух осей, определяют по формуле внецентренного сжатия

-расчетная нагрузка на сваю при внецентренном сжатии

где , Mx, My – соответственно расчетная вертикальная нагрузка кН, и расчетные изгибающие моменты кН·м, относительно главных центральных осей х и у плана своей в плоскости подошвы ростверка(рис.):

n – число свай в фундаменте;

x1, y1 – расстояния от главных осей до оси каждой сваи, м;

x, y – расстояния от главных осей до оси каждой сваи, для которой вычисляется расчетная нагрузка, м

· Максимальное усилие на сваю, найденное по этой формуле, должно удовлетворять условию

При кратковременных (ветровых, крановых и т.п.) и особых нагрузках допускается перегрузка крайних свай на 20%.

Если условие не выполняется необходимо увеличить число свай в фундаменте или расстояние между ними.

5.7.в Расчет осадки свайного фундамента

· Сложность определения осадок свайного фундамента связана с тем, что они предают нагрузку на грунт основания одновременно через боковую поверхность и нижние концы свай. При этом соотношение предаваемых нагрузок зависит от многих факторов:

— числа свай в фундаменте

— их длины

— расстояния между сваями

— свойств грунта и степени его уплотнения при погружении свай.

Поэтому при расчете принимают упрощающие допущения, снижающие их точность. С другой стороны, чем точнее расчетная схема, тем сложнее методика расчета.

· В настоящее время в большинстве случаев свайный фундамент при расчете его осадок рассматривается как условный массивный
фундамент на естественном основании, т.е. все, что находится в пределах АБВГ (рис) рассматривается как единый массив.

– углы внутренниго трения для отдельнных пройденых свай и слоев грунта толщинами

· При наличии в фундаменте наклонных свай, плоскости АБ и ВГ проходят через их концы (рис. б). Размеры подошвы условного фундамента в этом случае определяются расстояниями между нижними концами наклонных свай.

· Если в пределах глубины погружения свай залегают слои торфа или ила толщиной более 30 см, то, поскольку трение в них принимается равным нулю, осадку свайного фундамента из висячих свай определяют с учетом уменьшенных габаритов условного фундамента (рис. в). Уширение учитывается только у слоев, залегающих ниже слоя торфа или ила.

· Во всех рассмотренных случаях при определении осадок расчетная нагрузка, передаваемая условным фундаментом на грунт основания, принимается равномерно распределенной.

Расчет осадки свайного фундамента, как условного массивного, выполняется теми же методами, что и расчет фундамента мелкого заложения. При этом также требуется выполнение условия. Чтобы среднее давление (Р) по подошве условного фундамента не превышало расчетное сопротивление грунта основания на данной глубине, т.е.

определяется, как и при расчете ФМЗ, но заменой фактической ширины и глубины заложения фундамента на условные.

Осадка свайного фундамента определяется, как правило, методом эксменторного суммирования.

Ф.14.1. Когда возникает необходимость устройства свайных фундаментов?

Необходимость устройства свайных фундаментов возникает, если верхние слои грунтов являются слабыми, малопрочными и сильносжимаемыми, то есть они являются малопригодными для устройства на них фундаментов мелкого заложения без улучшения свойств грунтов. Сваи передают нагрузки от сооружения на нижние, как правило, более уплотненные и прочные слои грунта. Свайные фундаменты применяются, если они являются в рассматриваемых условиях более экономичными и индустриальными.

Ф.14.2. Что называется сваей?

Сваей называется стержень, погружаемый в готовом виде в грунт или изготовленный непосредственно в скважине в грунтовом массиве. Свая передает нагрузку на основание как нижним торцом, так и трением, возникающим по ее боковой поверхности при перемещении.

Верхняя часть сваи называется головой, нижний конец ее ограничивается острием. Между ними находится тело сваи, ограничиваемое ее боковой поверхностью.

Ф.14.3. Из чего состоит свайный фундамент?

Свайный фундамент состоит из свай, объединенных в верхней части балкой или плитой, именуемыми ростверком. Ростверк служит для распределения нагрузки, передаваемой сооружением на сваи. Головы свай обычно заделывают в ростверк. Однако свайный фундамент может состоять и только из одной сваи, которая будет являться продолжением колонны наземной конструкции. Нижняя поверхность ростверка называется его подошвой. Глубиной заложения свайного фундамента называется расстояние от поверхности грунта до плоскости, проведенной через острие свай.

Рис.Ф.14.3. Свайные фундаменты с низким и высоким ростверками:
а,б — свайный фундамент с низким роствером; в — свайный фундамент с высоким ростверком

Ф.14.4. Как выбрать вид свай и вид свайного фундамента?

При строительстве зданий и сооружений применяются два вида свайных фундаментов: безростверковые и с ростверками.

К безростверковым относятся конструкции со сваями-колоннами, состоящие из одиночных свай, насадок и колонн.

В конструкциях безростверковых свайных фундаментов используются сваи-колонны или иные любые виды свай с применением оголовков, насадок, монолитных стаканов и опорных балок (рис.Ф.14.4).

К конструкциям с ростверками относятся фундаменты под колонны, включающие более двух свай (свайный куст) и фундаменты под несущие стены в виде ленточных ростверков с однорядным, двухрядным и более расположением свай.

В конструкции фундаментов типа «свайный куст» используются все конструкции свай. При выборе типа свай определяющим является требуемая величина ее несущей способности и вид нагрузки, действующей на фундамент.

При большой требуемой величине несущей способности применяются сваи-оболочки, а также буровые опоры с уширением или без него. Если на фундамент действуют наклонная или горизонтальная нагрузки, то применяют сваи больших сечений или диаметров. При значительных выдергивающих нагрузках применяются буронабивные сваи с уширением или винтовые сваи.

Ф.14.5. Как выбрать несущий слой грунта?

Под несущим слоем грунта понимается слой, который обладает прочностью, достаточной для восприятия нагрузок от веса сооружения. Как правило, такой слой залегает в глубине грунтовой толщи, а выше располагаются более слабые слои грунтов. Поэтому длина сваи принимается такой, чтобы свая могла прорезать слабые слои грунтов (насыпных, рыхлых песков, илов, текучих глин и т.п.) с заглублением острия свай по крайней мере на 0,5-1 м в прочный грунт.

Ф.14.6. Каким образом устраиваются свайные фундаменты без ростверков?

Безростверковые свайные фундаменты состоят из одной сваи, на которую непосредственно передается нагрузка от здания или сооружения. Данные фундаменты рекомендуется применять при нагрузках до 1000 кН на сваю квадратного сечения, до 3000 кН на полую круглую сваю и больших нагрузках на сваи-оболочки и буронабивные сваи.

Безростверковые свайные фундаменты используются при проектировании жилых зданий с несущими стенами (рис.Ф.14.6,а), одноэтажных и многоэтажных каркасных зданий (рис.Ф.14.6,б), эстакад, галерей (рис.Ф.14.6,в), линий электропередачи (рис.Ф.14.6,г) и т.д.

Рис.Ф.14.6. Безростверковые свайные фундаменты

Для легких сельскохозяйственных зданий — домов усадебного типа, животноводческих и птицеводческих ферм, складов сельскохозяйственной продукции, навесов — применяются сваи-колонны. Сваей-колонной является забивная свая квадратного или круглого сечения, надземная часть которой служит колонной здания или сооружения. Сваи-колонны позволяют устраивать свайные фундаменты без ростверков.

Ф.14.7. Какие бывают виды забивных свай?

Забивные железобетонные сваи размером поперечного сечения до 0,8 м включительно и сваи-оболочки диаметром 1 м и более подразделяются:

а) по форме поперечного сечения — на сваи квадратные, прямоугольные, таврового и двутаврового сечений, квадратные с круглой полостью, полые круглого сечения (рис.Ф.14.7.А,а);

б) по форме продольного сечения — на призматические, цилиндрические и с наклонными боковыми гранями (пирамидальные, трапецеидальные, ромбовидные, с уширенной пятой (рис.Ф.14.7.А,б);

в) по способу армирования — на сваи и сваи оболочки с ненапрягаемой продольной арматурой с поперечным армированием и на предварительно напряженные со стержневой или проволочной продольной арматурой с поперечным армированием и без него (рис.Ф.14.7.Б,в);

г) по конструктивным особенностям на цельные и составные из отдельных секций (рис.Ф.14.7.Г);

Рис.Ф.14.7.А. Формы сечения железобетонных свай:
а — поперечных:
1 — квадратная; 2 — квадратная с круглой полостью; 3 — круглая пустотелая; 4 — прямоугольная; 5 — швеллерная; 6 — двутавровая;
б — продольных:
7 — призматическая; 8 — цилиндрическая; 9 — пирамидальная;
10 — трапецеидальная; 11 — ромбовидная; 12 — с уширенной пятой

Рис.Ф.14.7.Б. Конструкция железобетонных свай:
а — призматическая с поперечным армированием ствола; б — то же, без поперечного армирования ствола; в — то же, с круглой полостью; г — полая круглая:
1 — строповочная петля; 2 — арматурные сетки головы; 3 — продольная арматура; 4 — спираль острия; 5 — поперечная спиральная арматура

Рис.Ф.14.7.В. Составная свая:
а — верхнее звено; б — нижнее звено

д) по конструкции нижнего конца — на сваи с заостренным или плоским нижним концами, с плоским или объемным уширениями и на полые сваи с закрытым или открытым нижним концами или с камуфлетной пятой (рис.Ф.14.7.Д).

Составные сваи применяются в слабых грунтах мощностью более 12 м и состоят из двух звеньев с различными стыками: стаканным, коробчатым, сварным, болтовым, клеевым.

Применение свай квадратного сечения с круглой полостью позволяет снизить расход цемента на 15-25 % по сравнению со сваями сплошного квадратного сечения.

Забивные сваи применяются для всех типов зданий и сооружений в любых грунтах (за исключением грунтов с непробиваемыми включениями) для восприятия вдавливающих, выдергивающих и горизонтальных нагрузок.

Ф.14.8. По каким признакам классифицируются сваи?

Все известные сваи классифицируются по трем признакам:

1) По материалу: железобетонные, бетонные, металлические, деревянные;

2) По способу заглубления в грунт:

а) забивные железобетонные, деревянные и стальные, погружаемые в грунт без его выемки с помощью молотов, вибропогружателей, вибровдавливающих и вдавливающих устройств, а также железобетонные сваи-оболочки;

б) сваи-оболочки железобетонные, заглубляемые вибропогружателями с выемкой грунта и заполняемые частично или полностью бетонной смесью;

в) набивные бетонные и железобетонные, устраиваемые в грунте путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате принудительного вытеснения грунта;

г) буровые железобетонные, устраиваемые в грунте путем заполнения пробуренных скважин бетонной смесью или установки в них железобетонных элементов;

д) винтовые;

3) По условиям взаимодействия с грунтом:

а) сваи-стойки, передающие нагрузку на грунт нижним концом и опирающиеся на скальные или малосжимаемые прочные грунты. К малосжимаемым грунтам относятся крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем средней плотности и плотные, а также глины твердой консистенции в водонасыщенном состоянии с модулем деформации E ³ 50 МПа (рис.Ф.14.8,а);

б) висячие сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку на грунты основания боковой поверхностью и нижним концом (рис.Ф.14.8,б).

Рис.Ф.14.8. Схемы передачи нагрузки на основание

Ф.14.9. Как различают сваи по характеру работы в грунте?

Сваи по характеру передачи нагрузки на грунт подразделяются на сваи-стойки и висячие сваи (см.рис.Ф.14.8). Сваи-стойки прорезают толщу слабых или недостаточно прочных грунтов и опираются на прочные грунты скальные, полускальные, крупнообломочные, плотные песчаные грунты, глинистые грунты твердой консистенции.

Свая-стойка всю свою нагрузку передает через нижний конец, так как при малых ее перемещениях — осадках не происходит мобилизации сил трения по боковой поверхности. Свая-стойка работает как сжатый стержень в упругой среде. Ее несущая способность определяется прочностью самого материала на сжатие и сопротивлением грунта под нижним концом — острием.

К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты. Они имеют перемещения под воздействием нагрузок значительно большие, чем сваи-стойки, при этом в работу включаются силы трения, возникающие по боковой поверхности. У висячих свай нагрузка передается основанию не только через нижний конец, но и боковой поверхностью. Нагрузка на такую сваю определяется суммой этих двух воздействий. Таким образом, висячая свая отличается от сваи-стойки тем, что передает нагрузку от веса сооружения не только своим нижним концом, но и боковой поверхностью.

Свая-стойка подобна колонне, которая опирается на несжимаемый грунт и поэтому ее несущая способность определяется только размером ее поперечного сечения. Висячая свая под действием нагрузки перемещается относительно окружающего сжимаемого грунта, при этом на ее боковой поверхности возникает трение, которое оказывает сопротивление внедрению сваи в грунт. Поэтому несущая способность висячей сваи зависит как от площади поперечного сечения, так и от площади боковой поверхности сваи.

Ф.14.10. Как подразделяются сваи по условиям их изготовления?

По условиям изготовления сваи подразделяются на:

1) предварительно изготовленные на заводе или полигоне и затем погружаемые в грунт;

2) сваи, изготовляемые непосредственно в грунте.

Ф.14.11. Какие материалы используются для изготовления свай?

Основным материалом являются бетон и железобетон. Сваи изготавливаются также из дерева, металла, асбоцемента. Возможно комбинирование из этих материалов по длине сваи. Например, применение дерева для части сваи, располагающейся ниже уровня грунтовой воды, и бетона в зоне переменного увлажнения.

Ф.14.12. Как изготавливаются набивные сваи?

Набивные сваи изготавливаются из бетона и железобетона. При изготовлении набивных свай в выштампованном ложе используют щебень, который втрамбовывается в массив грунта основания в нижней части сваи.

Набивные сваи изготавливают диаметром поперечного сечения до 0,8 м и длиной до 50 м следующим образом. В грунт погружается инвентарная труба с нижним концом, закрытым теряемым башмаком (рис.Ф.14.12). После забивки трубы в грунт в нее подается бетон, и молот производит частые удары вверх и вниз; при этом от каждого удара труба поднимается на 3-4 см и вновь погружается на 1-2 см. Таким образом бетон трамбуется, а труба извлекается из грунта. Сваи, изготовленные подобным способом, называются частотрамбованными.

Рис.Ф.14.12. Изготовление частотрамбованных и виброштампованных свай

К набивным сваям относятся также вибронабивные сваи, которые изготавливают в скважине, образованной путем погружения вибратором инвентарной трубы, закрытой также теряемым затем железобетонным башмаком. Бетонная смесь уплотняется вибрированием. Уширенная пята в основании вибронабивной сваи образуется путем выдавливания из обсадной трубы башмака и одновременно порции бетона, равной по высоте 3-4 диаметрам сваи, и втрамбовывания их в грунт.

Виброштампованные сваи изготавливают, заполняя скважину бетоном с уплотнением ее виброштампом. Такой способ уплотнения бетона в скважине обеспечивает вдавливание бетона в грунт и уширение пяты ствола сваи с уплотнением грунта вокруг сваи.

При необходимости армирования сваи в обсадную трубу устанавливают арматурный каркас из четырех-шести стержней диаметром 14-20 мм и спирали из проволоки диаметром 6 мм с шагом 150 мм.

Ф.14.13. Какое поперечнее сечение имеют сваи?

Поперечное сечение свай — квадратное, прямоугольное, круглое, квадратное с круглой полостью, трубчатое открытого профиля, в виде швеллера или двутавра. Последние два вида поперечного сечения (см.рис.Ф14.7.А,а) применяются, когда при одной и той же площади поперечного сечения нужно развить боковую поверхность (например для свай, смерзающихся с окружающим грунтом).

Ф.14.14. Какой продольный профиль имеют сваи?

Сваи делаются призматическими, цилиндрическими, пирамидальными, трапецеидальными, ромбовидными с уширенной пятой, цилиндрическими с несколькими уширениями по высоте (см.рис.Ф.14.7.А,б).

Ф.14.15. Какой длины и какого поперечного размера изготавливаются сваи?

Сваи сплошного квадратного сечения выпускаются сечением 20´ 20 см длиной 3-6 м (через 0,5 м), сечением 25´ 25 см длиной 4,5-6 м (через 0,5 м), сечением 30´ 30 см длиной 3-12 м (до 6 м через 0,5 м, более 6 м через 1 м), сечением 35 ´ 35 см длиной 8-16 м (через 1 м), сечением 40´ 40 см длиной 13-16 м (через 1 м).

Длина острия этих свай соответственно 15, 25, 30 и 35 см. Сваи квадратные с круглой полостью изготавливаются сечением от 25´ 25 см до 40´ 40 см длиной 3-8 м. Полые круглые сваи имеют диаметр 0,4-0,8 м, а при их диаметре более 0,8 м именуются сваями-оболочками. Длина их секции 4-8 м. Длина составной сваи — до 40 м. Сваи диаметром до 0,6 м выпускаются с закрытым нижним концом.

Сваи с прямоугольным сечением 35´ 35 см выпускаются длиной до 16 м.

Ф.14.16. Когда рекомендуется применение пирамидальных, трапецеидальных, ромбовидных свай и свай с уширенной пятой?

Они применяются только как висячие сваи, когда необходимо более полно использовать несущую способность однородного грунта. Ромбовидные сваи рекомендуются, чтобы уменьшить величину касательных сил морозного пучения грунта при промерзании. Сваи с уширенной пятой применяются в слабых грунтах, подстилаемых более прочными с тем, чтобы они работали как сваи-стойки.

Ф.14.17. Имеется ли преимущество у пирамидальных свай?

Пирамидальные сваи наиболее эффективны в недоуплотненных однородных грунтах. При забивке этих свай происходит уплотнение окружающего грунта в большей степени, чем у обычных призматических или цилиндрических свай. Опыты показывают, что в просадочных грунтах в процессе забивки наблюдается уменьшение пористости на 15-40 % на расстоянии до трех диаметров сваи.

Пирамидальные сваи выпускаются с углом наклона боковых граней от 1 ° до 15° . Голова сваи имеет размеры до 80´ 80 см и острия — до 10´ 10 см. Длина этих свай — от 4 до 6 м.

Пирамидальные сваи изготавливаются ненапрягаемыми с поперечным армированием ствола или с напрягаемым центральным стержнем без поперечного армирования.

Рис.Ф.14.17. Пирамидальные сваи:
а — с поперечным армированием ствола;
б — с продольной напрягаемой арматурой

Ф.14.18. Что такое сваи-колонны?

Сваи-колонны (рис.Ф.14.4) применяются при устройстве свайных фундаментов взамен столбчатых и ленточных при строительстве малоэтажных производственных зданий, как правило сельскохозяйственного назначения. Свая-колонна выполняет одновременно функцию сваи (погружаемая в грунт — нижняя часть) и колонны (надземная часть).

Сваи-колонны применяются сечением 20´ 20 и 30´ 30 см с двухсторонними консолями. Консоли колонны погружаются в грунт, что увеличивает ее несущую способность. Консоли служат также для опирания фундаментных балок под наружные стены.

Сваи-колонны в надземной части имеют закладные детали для крепления опорных металлических столиков под стеновые панели и балки покрытий.

Применение свай-колонн требует повышенной точности разбивки осей, так как сама свая является элементом каркаса здания.

Сваи-колонны погружаются в грунт забивным способом с проверкой их вертикального положения.

Ф.14.19. Как изготавливают сваи в выштампованном ложе?

Сущность устройства свай в выштампованном ложе или вытрамбованных котлованах состоит в том, что котлованы под отдельные фундаменты не отрываются, а вытрамбовываются на необходимую глубину с последующим заполнением бетоном в распор. Для повышения несущей способности в дно котлована втрамбовываются порциями щебень или песчано-гравийная смесь.

Вытрамбовывание котлованов производят путем сбрасывания трамбовки с экскаватора по направляющей штанге длиной 4-8 м. Трамбовки применяют квадратного, прямоугольного, шестигранного или круглого сечений длиной от 1 до 3,5 м.

При устройстве фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием после образования котлована в него подаются щебень или гравий порциями высотой 0,6-1,2 м с уплотнением каждой порции трамбовкой. В результате втрамбовывания жесткого материала в основании котлована создается уширение с увеличением размеров уплотненной зоны грунта.

Фундаменты в вытрамбованных котлованах наиболее эффективны в просадочных лессовых грунтах, так как при вытрамбовании вокруг котлована повышается плотность грунта и устраняются его просадочные свойства (см.рис.Ф.15.14).

Ф.14.20. Какой вид в плане имеют контуры свайных фундаментов?

Свайные фундаменты представляют в плане вид кустов, когда ростверки имеют квадратное, прямоугольное, а реже треугольное очертания. Фундаменты под стены проектируются в виде лент и перекрестных лент с одно-, двух и трехрядным расположением свай, возможно и в шахматном порядке. При большом числе свай они могут объединяться сплошной плитой-ростверком, повторяющим контуры всего здания или сооружения.

Ф.14.21. Какой размер обычно рекомендуется для ростверка?

Ростверк обычно выполняется из бетона или железобетона. Голова сваи заделывается в ростверк на 5-10 см. Толщина ростверка в остальной части определяется сопротивлением материала на продавливание. При передаче на сваю не только вертикальных сил, но также сдвигающих сил и моментов заделку следует соответственно рассчитывать на это воздействие. В плане край ростверка должен отстоять от боковой внешней стороны поверхности сваи не менее чем на 5 см и не менее чем на 0,15 размера сваи. Высота ростверка должна быть равна (h0 + 0,25 м), где h0 — расчетная рабочая толщина ростверка, которая должна составлять не менее 0,3 м.

Ф.14.22. Чем отличаются высокий и низкий ростверки?

Если подошва ростверка уложена непосредственно на грунт, то такой ростверк называется низким. Если подошва находится существенно выше поверхности грунта, то такой ростверк называется высоким (см.рис.Ф.14.3). В некоторых случаях, например при пучинистых грунтах, подошву ростверка устанавливают несколько возвышающейся над грунтом на величину порядка 20 см. Однако такой ростверк тоже именуется низким. В некоторых случаях, например при устройстве свайных фундаментов в сейсмически опасных районах, головы свай не заводятся в ростверк, а между ними и нижней поверхностью ростверка устраивается амортизирующая песчаная прослойка.

Ф.14.23. Как можно подразделить буронабивные сваи?

Буронабивные сваи по способу устройства подразделяются на:

а) буронабивные сплошного сечения с уширениями и без них, бетонируемые в скважинах, пробуренных в пылевато-глинистых грунтах выше уровня грунтовых вод без крепления стенок скважин, а в любых грунтах ниже уровня грунтовых вод — с закреплением стенок скважин глинистым раствором или инвентарными извлекаемыми обсадными трубами;

б) буронабивные полые круглого сечения, устраиваемые с применением многосекционного вибросердечника;

в) буронабивные с уплотненным забоем, устраиваемые путем втрамбовывания в забой скважины щебня;

г) буронабивные с камуфлетной пятой, устраиваемые путем бурения скважин с последующим образованием уширения взрывом и заполнения скважин бетонной смесью;

д) буроинъекционные диаметром 0,15-0,25 м, устраиваемые путем нагнетания (инъекции) мелкозернистой бетонной смеси или цементно-песчаного раствора в пробуренные скважины;

е) сваи-столбы, устраиваемые путем бурения скважин с уширением или без него, укладки в них омоноличивающего цементно-песчаного раствора и опускания в скважины цилиндрических или призматических элементов сплошного сечения со сторонами или диаметром 0,8 м и более;

ж) буроопускные сваи с камуфлетной пятой, отличающиеся от буронабивных свай с камуфлетной пятой (см.подп.»г») тем, что после образования камуфлетного уширения в скважину опускают железобетонную сваю.

Ф.14.24. Как изготавливаются буронабивные сваи?

В зависимости от грунта основания буронабивные сваи могут изготавливаться с применением извлекаемых инвентарных обсадных труб или без них. В маловлажных структурно устойчивых глинистых грунтах бурение скважин можно производить без устройства обсадных труб, так как вследствие структурной прочности грунта стенки скважины определенное время могут находиться в устойчивом состоянии. В водонасыщенных глинистых грунтах бурение скважин осуществляется под защитой глинистого раствора как с использованием обсадных труб, так и без них (рис.Ф.14.24).

Рис.Ф.14.24. Последовательность изготовления буронабивных свай без оболочек:
а — бурение скважины; б — устройство уширения механическим способом; в — установка арматурного каркаса; г — опускание в скважину бетонолитной трубы; д — заполнение скважины бетонной смесью; е — извлечение бетонолитной трубы с вибрацией; ж — формирование головы сваи в инвентарном кондукторе

Буронабивные сваи без применения обсадных труб изготавливаются в следующей последовательности. В грунте проходят скважину с использованием установки ударного или вращательного способов бурения. Грунт в забое скважины при ударном способе бурения разрушается ударами долота, присоединенного к бурильным трубам и канатам. При бурении вращательным способом оно выполняется специальной насадкой со сплошным или кольцевым забоем. В процессе бурения применяется глинистый раствор, который оказывает гидростатическое давление на стенки скважины, предохраняя их тем самым от обвала. Кроме того, восходящим потоком глинистого раствора частицы разбуренного грунта выносятся на его поверхность.

После изготовления скважины в нее опускается арматурный каркас, который в зависимости от вида внешней нагрузки может устанавливаться по всей длине сваи, на части ее длины или только у верха для связи с ростверком. Затем скважина бетонируется методом вертикально перемещающейся трубы. При подъеме бетонолитной трубы в процессе бетонирования нижний конец ее должен быть всегда заглублен в бетонную смесь не менее чем на 1 м. Поданная бетонная смесь уплотняется с помощью вибратора, закрепленного на бетонолитной трубе.

Ф.14.25. Как устраивается уширенная пята буронабивной сваи?

Уширение сваи в нижней части выполняется с целью увеличения ее несущей способности. Применяются следующие способы уширения сваи:

—  трамбованием бетона в нижней части сваи;

—  с помощью камуфлетного взрыва;

—  при помощи механического уширителя.

При устройстве уширения первым способом в нижнюю часть обсадной трубы подается порция бетонной смеси, которая затем частично выбивается в грунт, образуя уширенную грушевидную пяту в 1,5-2 диаметра трубы.

Устройство уширения вторым способом образуется энергией взрыва: одним взрывом сосредоточенного заряда, двумя последовательными взрывами, взрывом кольцевого заряда и групповым взрывом нескольких зарядов, расположенных по периметру скважины.

Двойное камуфлетирование применяют при необходимости получения большой пяты в неглубокой скважине или в скважине малого диаметра.

Рис.Ф.14.25. Сваи с камуфлетным уширением:
а — со сборным стволом; б — с набивным стволом:1 — забивная свая; 2 — уширенная камуфлетная пята; 3 — уплотненная взрывом грунтовая оболочка; 4 — бетонный ствол; 5 — арматурный каркас

Камуфлетирование кольцевыми и групповыми зарядами применяют в основаниях свай и свай-оболочек диаметром более 1 м.

Сваи с камуфлетным уширением изготавливают со сборным стволом из железобетонных свай, а также с набивным стволом.

В глинистых грунтах уширение производится механическим способом (см.рис.Ф.14.24,а) с использованием ножей, которые раздвигаются при помощи гидравлического механизма. При вращении ножей грунт срезается и падает в стакан, после заполнения которого он извлекается из скважины и ножи очищаются от грунта. Наибольший диаметр уширения можно получить до 3,5 м.

Ф.14.26. Как делаются деревянные сваи?

Деревянная свая представляет собой бревно со снятой корой длиной до 6,5 м и заостренным нижним концом. В верхней части делается металлическое кольцо-бугель, предохраняющее от повреждения ее при забивке. В нижней части у острия делается маталлический башмак. Деревянные сваи следует пропитывать для предохранения их от загнивания в зоне переменного увлажнения. Если необходимо забить длинные сваи, то их наращивают и делают составными. Стык является сложным местом, так как в стыке должны быть обеспечены центрировка и прочность. Если сечение одного бревна недостаточно, то применяют пакетные сваи из двух-трех бревен, соединяемых параллельно. Такие пакетные сваи имеют одно острие.

Ф.14.27. Как устраиваются металлические сваи?

Стальные сваи бывают трубчатыми и открытого профиля. Диаметр трубчатых свай от 0,2 до 0,8 м. Трубчатая свая может быть после опускания заполнена бетоном. Забивные стальные сваи могут быть также выполнены с конусом, приваренным снизу. Секции по длине могут свариваться или скрепляться навинчивающимся кольцом. Металлические завинчивающиеся сваи имеют на конце винтовую лопасть размером до трех диаметров трубы. Завинчивающиеся сваи применяются для восприятия вырывающих усилий. Металлические сваи требуют антикоррозийного покрытия.

Ф.14.28. В каких случаях применяются винтовые сваи?

К сваям с уширенной пятой относятся также сваи, имеющие на конце винтовую лопасть (рис.Ф.14.28). Ствол сваи может быть металлическим или железобетонным (сплошным или пустотелым). Башмак с винтовой лопастью (1,25 витка, диаметром 3-3,5 диаметра ствола) соединяют со стволом при помощи закладных деталей.

Рис.Ф.14.28. Винтовая свая:
а — общий вид; б — башмак:
1 — ствол сваи; 2 — винтовая лопасть; 3 — наконечник;4 — нож лопасти; 5 — хвост лопасти

Винтовые лопасти изготавливают стальными или чугунными. Основное преимущество винтовых свай в том, что они могут передавать на грунт выдергивающие нагрузки. Погружаются винтовые сваи завинчиванием при помощи специального механизма, называемого кабестаном.

Винтовые сваи применяют для опор мостов, фундаментов мачт, башен, опор линий электропередачи. Винтовые сваи могут быть заложены в любые грунты, допускающие завинчивание, за исключением глинистых грунтов текучей консистенции, а также илов и заторфованных грунтов.

Ф.14.29. Как устраивают комбинированные сваи и когда их применяют?

Это сваи, составленные по длине из двух различных материалов. Примером является конструкция, когда деревянная часть располагается снизу, ниже уровня воды, а верхняя часть выполняется из бетона или железобетона. Комбинированная свая в нижней части забивная, а в верхней части может быть набивной.

Ф.14.30. Каким образом производится погружение в грунт предварительно изготовленных свай?

Эти сваи погружаются с помощью забивки, вибропогружения, вдавливания и завинчивания.

Ф.14.31. Как производится забивка свай?

Забивка осуществляется сваебойными молотами. На сваю при забивке надевают металлический наголовник с прокладками, смягчающими силу удара. Направляющим устройством при забивке свай является копер.

Ф.14.32. Какие бывают молоты для погружения свай?

Молоты бывают механические, паровоздушные, дизельные и вибромолоты. Наиболее простые — механические молоты. Забивка состоит из подъема молота (тяжелой падающей массы) с помощью прикрепленного троса и опускания его на сваю под действием силы тяжести. Это молот одиночного действия. Паровоздушные и дизельмолоты могут быть не только одиночного, но и двойного действия, когда к падающему молоту прикладывается посылающая его вниз сила, дополнительная к силе тяжести. Таким образом, ускорение падающего молота двойного действия существенно более ускорения силы тяжести.

К вибромолотам относятся молоты ударно-вибрационного действия, когда одновременно действуют и вибрация, и силы ударов падающего молота. Для облегчения погружения свай в песчаные грунты и супеси может быть использован подмыв. Иногда для облегчения погружения свай устраиваются лидерные скважины размером несколько меньше, чем поперечное сечение сваи.

Ф.14.33. Что такое отказ сваи и чем отличаются ложный и истинный отказы сваи?

Перемещение сваи от одного удара молотом называется отказом сваи. Отказ сваи определяется при достижении сваей проектной отметки. Используя величину отказа, можно определить несущую способность сваи теоретическим методом.

В маловлажных песчаных грунтах несущая способность свай во времени снижается. Это объясняется тем, что под концом сваи при забивке образуется зона уплотнения (рис.Ф.14.33,а), которая после прекращения процесса забивки сваи уменьшается за счет релаксации напряжений, что и приводит к уменьшению первоначальной несущей способности сваи. Это явление подтверждается контрольной добивкой сваи после отдыха — интервала времени. Отказ до отдыха называется ложным, а отказ после отдыха — истинным. Поэтому в песчаных грунтах величина отказа после отдыха будет больше, чем без отдыха. В глинистых грунтах отказ после отдыха будет меньше, чем до отдыха, так как при забивке сваи происходит разрушение структурных связей, рост гидродинамического давления воды и ее движение по стволу сваи вверх , что играет роль смазки, уменьшая в совокупности несущую способность сваи. После отдыха сваи происходит засасывание сваи в грунт за счет частичного восстановления структурных связей.

Рис.Ф.14.33. Физические явления, сопровождающие забивку свай:
а — образование уплотненной зоны; б — смазка ствола сваи выжимаемой водой

Ф.14.34. Когда рекомендуется применять вибропогружение и вдавливание свай?

Вибропогружение эффективно при погружении свай в водонасыщенные песчаные и малосвязные грунты. При этом происходит разжижение песчаного грунта и резко уменьшаются силы трения по боковой поверхности. После прекращения вибрации эти силы трения восстанавливаются.

Вдавливание применяется для коротких свай, когда нельзя применить забивку или вибропогружение, чтобы не разрушить находящиеся рядом конструкции.

Ф.14.35. Как устраиваются набивные сваи?

Отличие набивных свай от забивных состоит в том, что набивные сваи изготавливают непосредственно на строительной площадке с применением специальных машин и механизмов.

Набивные сваи по способу устройства подразделяются на:

а) набивные, устраиваемые путем погружения инвентарных труб, нижний конец которых закрыт оставляемым в грунте башмаком или бетонной пробкой, с последующим извлечением этих труб по мере заполнения скважин бетонной смесью;

б) набивные виброштампованные, устраиваемые в пробитых скважинах путем заполнения скважин жесткой бетонной смесью, уплотняемой виброштампом в виде трубы с заостренным нижним концом и закрепленным на ней вибропогружателем;

в) набивные в выштампованном ложе, устраиваемые путем выштамповки в грунте скважин пирамидальной или конусной формы с последующим заполнением их бетонной смесью.

Ф.14.36. Имеются ли различия в характере деформации грунта в основании сваи и основании свайного фундамента?

Характер деформации грунта вокруг отдельно стоящей сваи рассмотрен в ответе на вопрос Ф.14.37. Свайный фундамент представляет собой группу свай, объединенную поверху ростверком. Наиболее часто на практике применяются ленточные свайные фундаменты и свайные фундаменты под колонны (рис.Ф.14.36,а).

При нагружении свайного фундамента грунт в межсвайном пространстве перемещается вместе с ним как единое целое и силы трения возникают только по боковой поверхности свай внешнего ряда (рис.Ф.14.36,б). В результате доля несущей способности свайного фундамента, обусловленная трением, уменьшается. В то же время, сопротивление грунта под концами свай возрастает в результате увеличения площади опирания.

Осадка свайного фундамента при равной нагрузке на сваю всегда больше осадки одиночной сваи. Это явление объясняется тем, что напряжения в грунте ниже концов свай возрастают вследствие суммирования напряжений, создаваемых отдельными сваями (см.рис.Ф.14.36,в).

Рис.Ф.14.36. Распределение напряжений вокруг свай:
а — работа грунта в основании свайного фундамента; б — одиночной сваи; в — группы свай:1 — грунт в межсвайном пространстве; 2 — контур свайного фундамента

Ф.14.37. Какой характер имеет напряженно-деформированное состояние грунта вокруг сваи?

При забивке сваи в грунт частицы грунта выдавливаются из-под ее острия в стороны и вверх. При погружении сваи до глубины менее 4d наблюдается выпор грунта на поверхность основания (рис.Ф.14.37,а). Подъем поверхности основания происходит на расстоянии (3-4)d вокруг сваи. Величина подъема основания зависит от влажности грунта.

При дальнейшем погружении сваи наблюдается только внутренний выпор (рис.Ф.14.37,б), что приводит к уплотнению грунта в пределах цилиндрического тела диаметром до (3-5) d в зависимости от вида грунта. Под нижним концом сваи образуется зона, в пределах которой плотность грунта максимальная. Размер этой зоны зависит от вида грунта и его прочностных свойств. В песчаных грунтах после прекращения забивки сваи в этой перенапряженной зоне начинается процесс релаксации напряжений, происходит разуплотнение грунта и размер переуплотненной зоны грунта уменьшается.

Рис.Ф.14.37. Деформация грунта вокруг сваи

В водонасыщенных глинистых грунтах процесс погружения сваи сопровождается разрушением структурных связей и возникновением избыточного давления в поровой воде, что приводит также к выпиранию грунта на поверхность. Это выпирание сопровождается значительным подъемом поверхности грунта и продолжается несколько дней после прекращения процесса забивки сваи. Вокруг висячей сваи возникает напряженно-деформированная зона. Вертикальные сжимающие напряжения имеют максимум непосредственно у сваи, уменьшаясь в радиальном направлении. На расстоянии примерно 3d от оси сваи их величина незначительна и не вызывает уплотнения грунта. Поэтому, чтобы не происходило наложения напряжений от соседних свай, их рекомендуют располагать на расстоянии не менее 3d друг от друга.

Для свай-стоек, опирающихся на более прочные грунты, расстояние между осями свай в уровне их острия принимается рав-
ным 1,5d.

Касательные напряжения на боковой поверхности сваи увеличиваются до определенной глубины, оставаясь затем практически постоянными в пределах всей длины ствола сваи. В ряде опытов было отмечено увеличение сил трения с глубиной.

Ф.14.38. Почему при определении сил трения не учитывается вид материала сваи?

При погружении сваи в грунт на ее боковой поверхности образуется грунтовая «рубашка», которая как бы прилипает к ее боковой поверхности, перемещаясь как единое целое со сваей. Трение возникает не между телом сваи и грунтом, а между грунтовой «рубашкой» и окружающим грунтом. Поэтому силы трения мало зависят от вида материала сваи.

Ф.14.39. По каким предельным состояниям выполняется расчет свайных фундаментов и их оснований?

Расчет свайных фундаментов и их оснований должен быть выполнен по следующим предельным состояниям:

а) первой группы:

— по прочности материала свай и свайных ростверков;

—  по несущей способности грунта основания свай;

—  по несущей способности оснований свайных фундаментов, если на них передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций и др.), а также если основания ограничены откосами или сложены круто падающими слоями грунта;

б) второй группы:

—  по осадкам оснований свай и свайных фундаментов от вертикальных нагрузок;

—  по перемещениям свай (горизонтальным и углом поворота головы сваи) совместно с грунтом основания от действия горизонтальных нагрузок и моментов;

—  по образованию или раскрытию трещин в элементах железобетонных конструкций свайных фундаментов.

Расчет конструкций свай и ростверков по первой группе предельных состояний выполняется во всех случаях на вертикальные и горизонтальные нагрузки по прочности материала свай, а также по несущей способности грунта основания.

Расчет свайных фундаментов по второй группе предельных состояний (по деформациям) выполняется при всех видах грунтов, за исключением тех случаев, когда сваи опираются на крупнообломочные грунты, плотные пески и твердые глины. Расчет по деформациям выполняется также при действии на фундаменты горизонтальных нагрузок, которые могут вызвать горизонтальные смещения фундаментов.

По образованию и раскрытию трещин рассчитываются железобетонные элементы свайного фундамента в соответствии с нормами проектирования железобетонных конструкций.

Ф.14.40. Какие нагрузки и воздействия учитываются при расчете свайных фундаментов?

Нагрузки и воздействия, учитываемые в расчетах свайных фундаментов, определяются по СНиП .

Расчет свай, свайных фундаментов и их оснований по несущей способности выполняется на основные и особые сочетания нагрузок с коэффициентами надежности более единицы, а по деформациям — на основные сочетания расчетных нагрузок с коэффициентом надежности, равным единице.

Расчеты свай всех видов выполняются на воздействия нагрузок, передаваемых на них от здания или сооружения, а забивных свай, кроме того, на усилия, возникающие в них от собственного веса при изготовлении, складировании, транспортировании свай, а также при подъеме их на копер за одну точку, удаленную от головы свай на 0,3l, где l — длина сваи.

Ф.14.41. В каких случаях необходимо выполнить расчет свай по прочности их материала и по прочности грунта основания?

Расчет по прочности материала свай выполняется во всех случаях для свай-стоек.

Расчет по прочности грунта выполняется как для свай-стоек, так и для висячих свай.

Ф.14.42. Сколько времени рекомендуется обычно отводить на «отдых» сваи?

Продолжительность «отдыха» сваи, после которого замеряется истинный или действительный отказы для песчаных грунтов, составляет 3-5 суток. В глинистых грунтах он больше: в супесях — 5-10 суток, в суглинках — 15-20 суток, в глинах — 25-30 суток и более (см.Ф.14.33).

Ф.14.43. Какие расстояния рекомендуются между сваями в свайном фундаменте?

Расстояние между осями забивных висячих свай должно быть не менее 3d, где d —  диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи. Максимальное расстояние обычно не превосходит 6d. Минимальное расстояние между сваями-стойками 1,5d. При редком расположении свай они начинают работать как одиночные, исчезает кустовой эффект. При одинаковой нагрузке осадка сваи в кусте превышает осадку одиночной сваи. В глинистых грунтах несущая способность сваи в кусте получается меньшей, чем у одиночной сваи.

Ф.14.44. Что такое «кустовой эффект» в свайном фундаменте?

Кустовой эффект —  это взаимное влияние свай при небольшом расстоянии между ними. Работа свай в кусте отличается от работы одиночных свай. Осадка сваи в кусте превышает осадку одиночной сваи, поскольку сопротивляющиеся этому силы бокового трения полностью не мобилизуются.

Ф.14.45. Как определяется несущая способность сваи-стойки?

Несущая способность сваи-стойки определяется минимальным значением предельной нагрузки либо по прочности грунта под ее нижним концом, либо разрушением сваи по ее материалу. При низком ростверке сваи рассчитываются без учета их продольного изгиба. Сопротивление под нижним концом сваи, опирающейся на скальные и малосжимаемые грунты, принимается равным 20 МПа. У песчаных грунтов сопротивление под нижним концом зависит от крупности песчаных грунтов, их плотности, а также от глубины их нахождения. В глинистых грунтах это сопротивление зависит также от глубины и от показателя текучести IL. Величина сопротивления дается на единицу площади поперечного сечения сваи.

Ф.14.46. Как определяется несущая способность висячей сваи?

Несущая способность висячих свай определяется либо расчетным методом, либо путем забивки опытных свай, а также применением статического зондирования.

Висячие сваи рассчитываются по грунту. Сопротивление погружению сваи возникает под ее пятой-острием (лобовое сопротивление) и по боковой поверхности (сопротивление благодаря мобилизации сил трения). Как и для свай-стоек, лобовое сопротивление зависит от грунтов (плотности и вида песчаных грунтов и показателя текучести глинистых грунтов), а также от глубины погружения нижнего конца. Боковое сопротивление зависит от вида песчаных грунтов, показателя текучести IL глинистых грунтов, от глубины слоя, для которого определяется коэффициент трения. Лобовое сопротивление дается на единицу площади поперечного сечения сваи, поэтому полученная величина R умножается на площадь поперечного сечения A. Боковое сопротивление трению дается на 1 м2 боковой поверхности, поэтому оно умножается на соответствующую площадь боковой поверхности рассматриваемого»пояса». С глубиной сопротивление трению увеличивается. Сопротивления под острием и по боковой поверхности суммируются. Однако предварительно они умножаются на коэффициент условий работы, который зависит от способа погружения свай.

Ф.14.47. От чего зависит сопротивление выдергиваемой сваи?

Это сопротивление зависит только от сил бокового трения и, естественно, не зависит от лобового сопротивления.

Ф.14.48. Что такое отрицательное трение грунта, окружающего сваю?

Отрицательное трение возникает тогда, когда окружающий сваю грунт вместо того, чтобы сопротивляться вдавливанию сваи в грунт и создавать силы сопротивления, направленные вверх, наоборот, из-за оседания грунта вокруг сваи тянет ее вниз. В этих расчетах изменяется знак сил трения.

Ф.14.49. В чем заключается динамический способ определения несущей способности свай?

Динамический способ заключается в нахождении несущей способности сваи по величине отказа при забивке ее на глубину, близкую к проектной.

В формулу для расчета несущей способности входят параметры оборудования, используемого для погружения испытываемой сваи, — энергия падающего молота, вес наголовника и др. Грунт характеризуется только величиной отказа. Чтобы найти величину предельной нагрузки на сваю, рассчитанную по результатам динамических испытаний, ее делят на коэффициент надежности, равный 1,4.

Ф.14.50. На что затрачивается энергия при забивке сваи?

Энергия при забивке сваи затрачивается на преодоление сопротивления грунта погружению сваи, на упругие деформации соударяемых молота и сваи, на превращение механической энергии в тепловую, на разрушение головы сваи.

Ф.14.51. В чем заключается статический метод испытания свай?

Статический метод испытания сваи заключается в том, что к забитой на заданную глубину свае ступенями прикладывается нагрузка, чаще всего создаваемая домкратом, и выжидается стабилизация осадки при данной ступени нагрузки, после чего прикладывается следующая ступень нагрузки. Ступени составляют обычно 1/10-1/15 ожидаемой величины предельной нагрузки. После этого строится график зависимости осадки от нагрузки, причем за предельную принимается нагрузка, вызывающая 20 % осадки от предельной для проектируемого здания или сооружения. Эта нагрузка делится на коэффициент надежности, равный 1,2.

Ф.14.52. В чем заключается метод статического зондирования для определения несущей способности свай?

Статическое зондирование представляет собой вдавливание в грунт штанги с конусом стандартного размера (диаметр его основания 36 мм, угол заострения 60 ° ). Измеряется вдавливающее усилие в зависимости от глубины и с помощью переходных формул находится несущая способность сваи.

Ф.14.53. Как выбирается длина свай?

Длина свай выбирается в зависимости от грунтовых условий. Нижние концы свай заглубляют в плотные грунты не менее чем
на 1 м.

Ростверк чаще всего располагают ниже пола подвала. В пучинистых при промерзании грунтах ростверк закладывается ниже глубины промерзания. Оптимальные значения длины сваи и ее сечения определяются технико-экономическим сопоставлением.

Ф.14.54. Как определить число свай в свайном фундаменте?

Число свай определяется путем деления величины нагрузки на свайный куст на несущую способность одиночной сваи, которая определяется как расчетная несущая способность сваи, деленная в свою очередь на коэффициент надежности по нагрузке g k (обыч-
но g k = 1,4), то есть уменьшенная в 1,4 раза. Для ростверка подбирается наиболее компактное очертание. Сваи размещаются рядами или в шахматном порядке. Шаг свай в кусте выбирается кратным 5 см. При расчете ленточного ростверка число свай n на 1 п.м. длины может оказаться дробным. Тогда расстояние a, м, между сваями будет a=1/n.

Ф.14.55. Как устанавливается размещение свай в фундаменте, к которому прикладывается вертикальная сила с постоянным эксцентриситетом?

Сваи располагаются на разном расстоянии исходя из того, чтобы на каждую из них приходилась бы практически одна и та же нагрузка. В этом случае оказывается возможным избежать крена ростверка.

Ф.14.56. Каким образом и по какой схеме рассчитываются осадки свайных фундаментов?

Свайные фундаменты передают усилия на основание через боковую поверхность и через свою подошву, ограничиваемую плоскостью, проведенной на уровне острия забивных свай. Осадка фундамента из свай-стоек обычно не рассчитывается из-за ее малости. Тело свайного фундамента образуют собственно сваи и заполняющие межсвайное пространство грунты. Свайный фундамент имеет подошву большую, чем подошва ростверка, и к контуру свайного поля добавляется со стороны ширины и длины величи-
на , где — средневзвешенное значение угла внутреннего трения грунта в пределах высоты фундамента, равной h. При подсчете нагрузки на уровне подошвы фундамента в нее включаются вес грунта и вес свай. Поскольку при подсчете осадок расчет ведется на величину давления за вычетом природного, то практически вес фундамента на осадку почти не влияет, а осадка формируется за счет нагрузки, приходящейся на фундамент от сооружения. Так как величина сжимаемой толщи под свайным фундаментом получается существенно меньшей, чем под фундаментом мелкого заложения при тех же нагрузках, то и осадка свайного фундамента также обычно получается меньшей, чем у фундамента мелкого заложения.

Рис.Ф.14.56. Схема для расчета осадок свайного фундамента

  на сайте:
Продвижение и создание сайтов WebOneDesign
Сайт бесплатно, создане сайтов бесплатно создать сайт бесплатно сайт бесплатно

В данной статье речь пойдет о свайном типе фундаментов. Будет рассмотрена  конструкция и устройство свайных фундаментов для малоэтажного строительства. Так же мы разберем типы свайных фундаментов и наиболее популярные материалы для свай.

Свайные фундаменты широко применяются в промышленном и гражданском строительстве (ПГС). Они возводятся на участках со слабым грунтом под здания в несколько этажей. Строительство этих фундаментов позволяет исключить земляные работы в бесподвальных зданиях или значительно сократить их объем при наличии технического подполья.

В более скромных масштабах свайные фундаменты применяются в индивидуальном строительстве дачных домов и коттеджей.

Определение термина «свайный фундамент»

В общем виде свайный фундамент представляет собой погруженные в грунт сваи, объединенные сверху железобетонными (бетонными) балками или плитой (ростверками).

Когда целесообразно применять свайный фундамент.

Рассмотрим предпосылки применения свайного фундамента в частном строительстве.

Необходимость в возведении свайного фундамента при особых условиях

Причина 1. В ряде случаев при строительстве дачного дома или коттеджа в верхней части основания возводимого здания может находиться относительно слабый слой грунта.

К слабым грунтам можно отнести:

  • Суглинки и глины в текучепластичном состоянии;
  • Лёссовидные грунты — содержат более 50% пылевидных частиц при незначительном наличии глинистых и известковых частиц. Лёссовидные грунты при наличии воды размокают и теряют устойчивость;
  • Плывуны — песчано-глинистые грунты, сильно насыщенные водой;
  • Растительные грунты — различные почвы с примесью 1…20% перегноя, торф и заторфованные грунты, илы, сапропели, глинистые грунты, иольдиевые глины, грунты мокрых солончаков.

В этом случае возникает необходимость в передаче давления от здания на более плотный грунт, залегающий на некоторой глубине в зависимости от геологических условий.

Тогда рекомендуется устраивать фундаменты из свай, которые способны воспринимать большие нагрузки по сравнению с фундаментами неглубокого заложения. Особенно эффективны фундаменты в пучинистых грунтах при их глубоком промерзании более 1,5 метра. В этом случаи свайный фундамент более надежный чем столбчатый и тем более ленточный

Причина 2. Возможно применение свайных фундаментов и в плотных грунтах в целях уменьшения объема земляных работ, расхода бетона, снижения трудоемкости и стоимости строительства. При устройстве свайного фундамента отпадает необходимость в рытье котлована, складировании вынутого грунта, вывозе грунта, обратной засыпке и т.д. Если у Вас возникла необходимость соорудить фундамент за короткое время, малыми силами и с минимальными затратами, тогда вариант свайного фундамента – это Ваш вариант. К примеру, для сооружения одной сваи длиной 3 метра и диаметром 300 мм, потребуется выполнить земляных работ объемом 0,2 м3 земли (при помощи бура), а в случае с устройством ленточного фундамента объем земляных работ будет гораздо больше (в зависимости от ширины подошвы фундамента). Этот вариант приемлем, если в проекте дома не предусмотрен подвал.

Причина 3. В случае если при расчете ленточного фундаменты ширина фундамента получается слишком большой (больше 1,5 м), имеет смысл применить свайный фундамент, что сократит расход материала.

Причина 4. В случае, если выбор типа фундамента диктуется видом несущего остова, к примеру, если Вы решили использовать каркасный несущий остов на основании, сложенном слабыми грунтами, то рационально будет применить свайные кусты под каждую колонну, а не делать ленточный фундамент.

Конструкции свайных фундаментов очень разнообразны и зависят:

  • от выбора типа свай,
  • способа их изготовления и погружения в грунт,
  • расположения их под строящимся зданием,
  • от характера работы сваи в грунте,
  • от конструкции ростверков.

Для изготовления свайных фундаментов привлекается большое количество специальной строительной техники, что, конечно, не приемлемо для дачного строительства. Поэтому мы остановимся на тех конструкциях свайных фундаментов, которые под силу индивидуальному застройщику.

Схема армирования и составляющих свайного фундамента.

Схема расположения свай с шагом ~ 1,5 м.

Виды свай для дачного строительства

Сваи — это относительно длинные заостренные или имеющие пяту бетонные, деревянные или металлические стержни квадратного или круглого сечения, погруженные в грунт в готовом виде или изготовленные непосредственно в грунте. Применяется в дачном строительстве для укрепления грунта в качестве фундамента здания. 

Сваи могут использоваться на любых типах грунта, кроме скальных пород. Этот вид фундамента технологически и экономически целесообразно применять в частном строительстве:

  • Для строительства зданий на участках с высоким уровнем грунтовых вод;
  • Если плотные грунты расположены глубоко и когда верхние слои естественного основания характеризуются слабой несущей способностью (торфяники, плавуны);
  • При большой глубине промерзания от 2 м;
  • На склонах с крутым уклоном;
  • Если масса частного дома слишком велика (более 350 т).

Свая в готовом виде с одной стороны имеет острый конец, которым свая погружается в землю с помощью специальной техники (молотов) через подвижные слои грунта, пока она не достигнет твердого слоя.

Для изготовления свай непосредственно в грунте в нем бурятся скважины с последующим их армированием и заливкой бетоном.

Сваи различают по способу изготовления, материалу, форме поперечного и продольного сечений, способу их погружения в грунт.

Требуемая длина свай заранее рассчитывается проектировщиком.

Как правило, в индивидуальном домостроении длина сваи составляет от 1,5 до 6 м, расстояние между сваями не привышает 2 м.

В зависимости от способа их заглубления в грунт можно рассматривать следующие виды свай: 

  • Забывные — загружаются в грунт без выемки. Для этого используются специальные механизмы, такие как вибропогружатели, вибровдавливающие и вдавливающие устройства;
  • Набивные бетонные и железобетонные, устраиваемые в грунте путем укладки бетонной смеси в пробуренные скважины;
  • Буровые железобетонные, устраиваемые в грунте путем установки в пробуренных скважинах железобетонных элементов;
  • Винтовые — имеют форму сверла и закручиваются в грунт при помощи специальных машин.

Схемы существующих видов свайного фундамента.

1 — деревянная, 2 — железобетонная сплошного сечения, 3 — железобетонная полая, 4 — стальная винтовая, 5 — набивная бетонная в процессе изготовления.

В частном строительстве, в основном, применяют сваи вариантов 1, 2, 4, 5.

По характеру работы сваи подразделяют:

  • Сваи-стойки, которые передают давление от зданий и сооружений на прочный грунт, расположенный под толщей слабого грунта. У свай-стоек небольшая гладкая поверхность, за которую не цепляется грунт. Сваи-стойки, прорезая слои слабых грунтов, передают нагрузку своим острием на глубоко расположенный прочный грунт. В этого типа сваях самое важное — это достаточно широкое основание, так как оно принимает на себя более 80% нагрузки. К ним относятся сваи ТИСЭ — это сваи с уширением в нижней части и сваи, забетонированные в обсадной трубе или иногда без нее бетонируют прямо в скважине, но теряется 15-20% прочности. Применяются, когда прямо под подошвой залегает слабый грунт и такие сваи практически не дают осадки. 
  • Висячие сваи, передающие нагрузку на окружающий грунт через трение о боковые стенки. Эти сваи имеют развитую боковую поверхность и по всей своей длине они цепляютмя за грунт. Для них менее важна площадь острия, главное их поверхность — неровная, со множеством выступов. Например, буронабивные сваи, когда бетон просто заливается в скважину (иногда и под давлением). В этом случае боковые поверхности сваи обеспечивают от 60-70% несущей способности. Применяются, когда вести серъезные земляные работы оказываются очень дорого. Чаще используют когда высокий уровень грунтовых вод или сравнительно толстый слой слабого грунта, под которым есть более прочный, но не настолько, чтобы удержать сваю-стойку). 

Конструкция свай-стоек.

Размещение свай в фундаменте

Оно может быть в виде:

  1. Одиночных свай — под отдельно стоящие опоры;
  2. Свайных лент — под стены зданий и сооружений при передаче на фундамент распределенных по длине нагрузок с расположением свай в один, два ряда и более;
  3. Свайных кустов – под каждую колонну в случае каркасного несущего остова здания.

Способы размещения свай в фундаменте.

Размещение, тип, размер, глубина и способы погружения свай указываются в проектах (параметр b — шаг свай). Сваи выполняют в грунте в основном вертикально, но существуют варианты их размещения наклонно. Этот вариант применяется в том случае, когда на фундамент действуют значительные горизонтальные силы. Например, если площадка под фундамент имеет уклон и возможна подвижка грунта при весеннем таянии снегов или обильных долговременных осадках. В основном, при строительстве дачных домов, применяют как одиночные сваи, так и свайные ленты. Усиление свайными кустами в частном строительстве происходит, если участок застройки частично имеет слабое основание (в месте бурения единичной скважины обнаруживается плывун) или неравномерно водонасыщен грунт,  а также при укреплении, например, большого дверного проема (гаражные ворота). 

Материалом для изготовления свай 

  • Железобетон (бетон) — его применение предпочтительнее с точки зрения долговечности (100 и более лет). Плюс бетонных свай в том, что при наличии соответствующей техники их изготовление может происходить прямо на месте. Для изготовления свай используют бетон не ниже М200;
  • Сталь — сваи выполняются в виде различных прокатных стальных профилей или труб. Однако не рекомендуется применение металла по трём причинам:
  1. Требуется крановое оборудование для монтажа при диаметрах свай более 100 мм и длине их более 3 м;
  2. Большой расход металла;
  3. Необходимо антикоррозионное покрытие свай.
  • Дерево — деревянные сваи представляют собой прямое, очищенное от коры (ошкуренное), наростов и сучьев бревно диаметром 22-34 см и длиной до 8,5 метров из хвойных твердых пород (сосны, ели, лиственницы, пихты). Естественная коничность (сбег) бревен сохраняется. Несмотря на свою дешевизну в наших широтах при строительстве загородного дома для свайного фундамента их практически не используют, так как они подвержены быстрому гниению. Хотя этот вариант нельзя исключать при использовании современных химических препаратов обработки древесины против гниения.

Итак, для частного строительства наиболее подходят сваи железобетонные сплошного сечения, стальные винтовые, буронабивные бетонные. По способу заглубления предпочтение конечно надо отдать буронабивному варианту. Для легких строений – как дачные дома, приемлемым вариантом является ленточное расположение свай. Как уже говорилось выше, использование свай – стоек или висячих свай, зависит от геологических условий, но как правило, это сочетание состояний работы сваи.

Ростверки свайных фундаментов

Свайный фундамент с ростверком (свайно ростверковый фундамент) – строительная конструкция, которая объединяет сваи и служит для равномерной передачи нагрузки сооружения на них и на грунтовое основание. Различают сборные, сборно-монолитные и монолитные ростверки. 

Ростверки бывают высокие и низкие. Низкий ростверк обычно располагают ниже поверхности грунта и он передает часть вертикального давления на грунт основания, в то время как высокий ростверк эти нагрузки передает на сваи. Устройство сборных железобетонных и монолитных ростверков представляют наиболее приемлемые варианты для дачного строительства.

Схема устройства сборных железобетонных и монолитных ростверков в свайных фундаментах.

Схема металлического и железобетонного ростверка свайного фундамента.

Металлические ростверки обычно сваривают на месте и «привязывают» к сваям арматурным прутком. При обустройстве большого по размерам фундамента, для установки отдельных элементов швеллера или двутавра требуются применения крановой техники, что не всегда удобно в индивидуальном строительстве, т.к. требует организации подъездных дорог и площадки для крана. 

Самым приемлемым для частного строительства считается железобетонный ростверк. Для изготовления литого железобетонного ростверка, между сваями собирают опалубку, в которую закладывают арматуру из стальных прутков. Часть вертикальных прутков приваривают к сваям и «связывают» их между собой длинными арматурными прутками, находящимися внутри опалубки. 

Обзор видов фундамента для дома читайте в статье Фундамент дома. Выбор типа фундамента дома.