Расчёт и конструирование сплошных фундаментов

Сплошную фундаментную плиту под всё здание применяют в следующих случаях:

1) отдельные или ленточные фундаменты становятся недостаточными для передачи нагрузки на основание (p > R, p_max > 1,2∙R) и их подошву приходится развивать в поперечном или в обоих (поперечном и продольном) направлениях;

2) необходимо перераспределить усилия между более или менее податливыми участками грунта (благодаря устройству сплошной плиты исключается резкая неравномерность осадок различных частей здания);

3) в основании под подошвой фундамента залегают слабые и неоднородные грунты.

Сплошные фундаменты устраивают как под сеткой колонн, так и под несущими стенами (рис. 34, а, б). Их выполняют плитными безбалочными с уширением-капителью или без неё под монолитные колонны (рис. 34 в, г), а также со сборными или монолитными подколонниками под сборные колонны (рис. 34 д, е), плитно-балочными (ребристыми) (рис. 34, ж) и коробчатыми (рис. 34, з). Конфигурацию и размеры сплошного фундамента в плане устанавливают так, чтобы равнодействующая основных нагрузок от сооружения проходила приблизительно в центре тяжести всей плиты.

Плоские фундаментные плиты (рис. 35, а) рекомендуется применять при расстоянии между колоннами 6…8 м (при отсутствии капителей у монолитных колонн – до 6 м включительно) и нагрузках на колонну до 10 000 кН. Такие плиты отличаются простотой конструкции и технологичностью изготовления. Толщину плиты принимают равной 1/6∙l … 1/8∙l, где l — шаг колонн. В дальнейшем её уточняют расчётом на продавливание от низа монолитной колонны, монолитного или сборного подколонника. В том случае, если прочность плиты на продавливание недостаточна (как правило, это бывает при бескапительном опирании монолитных колонн), то по высоте фундаментной плиты в пределах граней пирамиды продавливания устанавливают вертикальные каркасы с поперечной расчётной арматурой. Армируют плоские фундаментные плиты сварными или вязаными сетками: верхними С-2 и нижними С-1. Верхние сетки укладывают на специальные каркасы-подставки или фиксаторы, расположенные с шагом 50…60 см. Нижние сетки также укладывают на фиксаторы, обеспечивая необходимый защитный слой бетона.

Рис. 34. Конструктивные решения сплошных фундаментов: а – под сетку колонн, б – под несущие стены, в, г – плоские под монолитные железобетонные колонны, д, е – плоские под сборные железобетонные колонны, ж – плитно-балочные (ребристые), з – коробчатые

Плитно-балочные (ребристые) фундаментные плиты (рис. 35, б) рекомендуется применять при нагрузках на колонны свыше 10 000 кН и расстояниях между ними от 9 м и более. Толщину плиты принимают равной 1/8∙l … 1/10∙l. Рёбра устраивают только по осям рядов колонн. Ширину и высоту ребра назначают из тех же условий, что и в ленточных фундаментах под ряды колонн. Плиты армируют верхними С-2 и нижними С-1 сварными или вязаными сетками. В рёбрах устанавливают каркасы К-1 по аналогии с ленточными фундаментами под ряды колонн.

Рис. 35. Армирование сплошных фундаментов: а – плоские, б – плитно-балочные, в – коробчатые

Полые коробчатые фундаменты (рис 35, в) также армируют сетками и каркасами. Они обладают высокой жёсткостью, но требуют гораздо большего расхода бетона и арматуры (почти в два раза по сравнению с плоскими фундаментными плитами). Кроме этого, такие фундаменты сложны в изготовлении и поэтому их применяют в особых случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании. При высоте подземного пространства фундаментов более двух метров оно используется в качестве технического этажа.

При проектировании фундаментных плит применяют бетон класса не менее В20 и рабочую арматуру класса А400 (А-III). В качестве монтажной и конструктивной используют арматуру класса А240 (А-I). Коэффициент армирования фундаментной плиты должен быть не менее 0,3 % от рассчитываемой площади её поперечного сечения. Толщину фундаментных плит принимают не менее 50 см и не более 200 см.

Размеры фундаментной плиты в плане (l_1f , l_2f)предварительно назначают исходя из размеров в плане самого здания. При этом консольные выступы от наружных граней стен или рядов колонн рекомендуется принимать не менее предварительно назначенной толщины плиты с целью последующего обеспечения её прочности на продавливание. Затем размеры плиты в плане уточняют расчётом на суммарное действие нормативных вертикальных нагрузок с учётом собственного веса плиты и грунта на её уступах:

,

где — сумма всех нормативных вертикальных нагрузок на фундаментную плиту;

h_gf — глубина заложения фундаментной плиты;

R₀ — условное расчётное сопротивление несущего слоя грунта.

Если А_f > l_1f ∙ l_2f , то ранее принятые размеры плиты в планеуточняют в большую сторону кратно 100 мм. Далее проверяют среднее давление на грунт от нормативных вертикальных нагрузок:

.

При невыполнении указанной проверки размеры плиты в плане вновь увеличивают.

В том случае, если равнодействующая основных вертикальных нагрузок от сооружения приложена примерно в центре тяжести всей плиты, а толщина плиты принята равной или более 1/6 шага колонн или несущих стен, расчёт сплошной фундаментной плиты выполняют приближённым способом. Плиту рассматривают как перевёрнутое железобетонное перекрытие: безбалочное (при плоских фундаментных плитах) или ребристое (при ребристых фундаментных плитах). В последнем случае при соотношении сторон опорного контура l₁/l₂ > 2 выполняют расчёт плиты балочного типа (рис. 36, е), а при отношении указанных сторон l₁/l₂ ≤ 2 — плиты с опиранием по четырём сторонам (рис. 36, д).

Рис. 36. Расчётные схемы к определению отпора грунта в сплошных фундаментах высотных зданий: а – характер действия вертикальных и горизонтальных нагрузок, б – расчётная схема высотного здания, в, г – эпюры отпора грунта по подошве сплошного фундамента и в пределах его отсека, д, е – эпюры изгибающих моментов в отсеке сплошного фундамента при его опирании по контуру и по двум сторонам

Такое перекрытие считают нагруженным равномерно распределённым реактивным давлением грунта р. Его определяют от расчётных нагрузок без учёта веса фундамента и грунта на его уступах:

.

Для высотных зданий учитывают не только вертикальные, но и ветровые горизонтальные нагрузки. В этом случае в пределах габаритов фундамента в зависимости от направления ветровой нагрузки определяют максимальное и минимальное значения реактивного давления грунта (рис. 36, в):

, ,

где М_w — момент от ветровой нагрузки в уровне подошвы фундамента. Его определяют как в консольном вертикальном стержне с жёстким защемлением в уровне подошвы фундаментной плиты (рис. 36 а, б). В дальнейшем при расчёте тех или иных отсеков фундаментной плиты давление грунта усредняют (рис. 36, г).

В случае назначения толщины плоской фундаментной плиты менее 1/6 шага колонн или несущих стен, а толщины ребристой фундаментной плиты менее 1/8 этого шага, расчёт сплошных фундаментных плит следует производить с учётом их совместной работы с основанием. При этом, если расположение нагрузки на фундаментной плите имеет регулярный характер (сетка колонн с шагом l₁× l₂ или система несущих стен с шагом l₁), то возможным является выделение полосы шириной один метр (для несущих стен) или шириной, равной шагу колонн, и расчёт этой полосы по методу местных или общих упругих деформаций в зависимости от характера напластования грунтов. При редком и неравномерном расположении нагрузок на сплошном фундаменте его следует рассчитывать методом конечных элементов. При этом связь фундамента с основанием заменяют пространственной системой жёстких стерженьков по аналогии с методом Жемочкина-Синицина. Расчёт выполняют на ЭВМ с применением программных комплексов Lira, SCAD, MicroFe, MONOMAX и других.

В случае состава основания из нескольких слоёв грунта различного качества расчёт ленточных и сплошных фундаментов выполняют как плиты на обжимаемом слое ограниченной глубины. При этом последовательно производят следующие вычисления:

1) методом послойного суммирования определяют глубину сжимаемой толщи Н_с — уровень от подошвы фундамента, на котором напряжение в грунте от вертикальных нагрузок σ_zp составляет не более 20 % от природного давления грунта σ_zg:

, , ,

, ,

где

g_gr — объёмный вес грунта обратной засыпки;

h_gf — глубина заложения фундаментной плиты;

α — коэффициент рассеивания, зависящий от соотношения размеров фундамента в плане;

2) уточняют величину Н_с в случае расположения в её пределах слоя грунта с модулем деформации E_gr ≥ 100 МПа или при залегании ниже Н_с слабого грунта с E_gr ≤ 5 МПа; в последнем случае слабый грунт включают в глубину сжимаемой толщи и её величину определяют соотношением

;

3) принимают основание двухслойным: сжимаемый слой высотой Н_с с осреднёнными по вертикали модулем деформации грунта E_gr и коэффициентом Пуасона μ_gr и скала.

В остальном полностью сохраняется последовательность расчёта по методу Жемочкина-Синицина, однако функцию осадки поверхности основания F_kj определяют с помощью таблиц, составленных автором этой методики – профессором С.С. Давыдовым, а не по таблицам Жемочкина-Синицина (В.Н. Байков, Э.Е. Сигалов. «Железобетонные конструкции. Общий курс»).

ЛЕКЦИЯ 12

Область применения и основные конструктивные элементы свайных фундаментов. Шарнирное и жёсткое сопряжение свай с ростверком. Виды свайных фундаментов, классификация свай, конструктивные решения и область применения свай из дерева, металла и железобетона

Необходимость устройства свайных фундаментов возникает, если верхние слои грунта являются слабыми, малопрочными и сильносжимаемыми, то есть малопригодными для устройства на них фундаментов мелкого заложения без улучшения свойств грунтов. Сваи передают нагрузку от сооружения на нижние более уплотнённые и более прочные слои грунта. При этом они способны воспринять и передать гораздо большие нагрузки по сравнению с фундаментами мелкого заложения, а иногда являются и более экономичными, так как при их возведении уменьшается объём трудоёмких земляных работ. В настоящее время свайные фундаменты применяют для зданий высотой девять этажей и более.

Свайным фундаментом называют группу свай, объединённую поверху специальными плитами или балками, именуемыми ростверком. Под сваей понимают относительно длинный стержень, погружаемый в грунт в готовом виде или изготавливаемый в грунте в вертикальном или наклонном положении. Ростверк служит для распределения нагрузки, передаваемой сооружением на отдельные сваи. Нижнюю поверхность ростверка называют его подошвой, верхнюю часть сваи — головой, а её нижний конец — остриём или пятой (уширением). Глубина заложения свайного фундамента определяется расстоянием от уровня планировки грунта до плоскости, проведённой через остриё или пяту сваи. Голову сваи, испытывающей только сжимающие усилия (центрально нагруженный фундамент), заделывают в ростверк на величину 5-10 см. Такую заделку считают шарнирной. Для свай, работающих на выдёргивание (внецентренно нагруженный фундамент), осуществляют жёсткуюзаделку головы сваи в ростверк на величину не менее 30 см и не менее длины анкеровки продольной арматуры сваи.

В практике современного строительства в зависимости от конструктивных особенностей здания, интенсивности и характера внешней нагрузки используют следующие виды свайных фундаментов (рис. 37):

1) одиночные сваи, применяемые для лёгких сооружений, когда нагрузку от колонны здания воспринимает одна свая; такая колонна может являться монолитным продолжением самой сваи; возможен также вариант, когда на голову сваи одевают специальный оголовник, а уже на него устанавливают сборный подколонник или стеновые панели (рис. 37, а, б);

2) ленточные свайные фундаменты, используемые под стены зданий; различают однорядное и многорядное расположение свай в ленте; они могут располагаться правильными рядами (рис. 37, в) или в шахматном порядке (рис. 37, г);

3) свайные кусты, возводимые под отдельными конструкциями (обычно под колоннами каркасных зданий); минимальное количество свай в кусте равно трём (рис. 37, д);

4) сплошное свайное поле под тяжёлыми сооружениями (многоэтажные здания, башенные сооружения, дымовые трубы), когда сваи располагают по некоторой сетке под всем сооружением; по свайному полю устраивают сплошную железобетонную плиту (ростверк), на которую и опираются все надземные конструкции (стены, колонны, оборудование) (рис. 37, ж).

По способу передачи давления от сооружения на основание различают сваи-стойки и сваи трения (висячие сваи). Сваи-стойки (рис. 38, а) прорезают толщу сжимаемых грунтов и своим нижним концом (остриём или пятой) опираются на малосжимаемые грунты. К таким грунтам относятся скальные, полускальные, крупнообломочные с песчаным заполнителем средней плотности и плотные, плотные песчаные грунты, глины твёрдой консистенции в водонасыщенном состоянии с модулем деформации грунта E_gr ≥ 50 МПа. Остриё (пяту) сваи в этом случае заглубляют в прочный грунт не менее, чем на 0,5…1,5 м в зависимости от конструкции сваи, и не менее троекратного размера её поперечного сечения (диаметра). Перемещение сваи-стойки под нагрузкой практически отсутствует и мобилизация сил трения по её боковой поверхности не происходит. Несущая способность такой сваи определяется прочностью её материала на сжатие и сопротивлением грунта под нижним концом (остриём или пятой).

Рис. 37. Виды свайных фундаментов: а, б – одиночные сваи, в, г – ленточные свайные фундаменты, д, е – свайные кусты, ж – сплошное свайное поле

Висячие сваи (сваи трения) со всех сторон окружены сжимаемыми грунтами. Под действием вертикальной нагрузки такие сваи получают перемещение и на их боковой поверхности возникают силы трения, препятствующие внедрению свай в грунт. Поэтому несущая способность сваи трения определяется не только прочностью её материала на сжатие и сопротивлением грунта под нижним концом, но и сопротивлением грунта по боковой поверхности сваи (рис. 38, б).

Существует несколько способов погружения готовых свай в грунт:

1) забивка механическими, паровоздушными, дизельными или электрическими молотами;

2) погружение с помощью вибраторов (вибромолотов) для прохождения насыщенных водой песков;

3) вдавливание статической нагрузкой в случае невозможности использования динамических воздействий при устройстве свайных фундаментов вблизи существующей застройки;

4) ввинчивание с помощью специального механизма, называемого кабестаном; используется для устройства свайных фундаментов, работающих на выдёргивание; при этом ствол сваи соединяется внизу со специальным башмаком с винтовой лопастью при помощи закладных деталей.

Рис. 38. Характер работы свай в грунте: а – сваи-стойки, б – сваи трения (висячие сваи)

Сваи, изготавливаемые в грунте, подразделяют на набивные и буронабивные в зависимости от способа устройства скважины и бетонирования сваи. Набивные сваи устраивают с помощью предварительной забивки в грунт полой инвентарной трубы с нижним концом в виде железобетонного башмака-наконечника, который остаётся в грунте после извлечения трубы по мере заполнения скважины бетоном. Такие сваи используют при необходимости передачи на грунт больших сосредоточенных нагрузок. Буронабивные сваи применяют в сложных инженерно-геологических условиях для проходки грунтов, содержащих включения валунов, гальки, гравия, а также при реконструкции зданий и усилении фундаментов. Пробуренные скважины заполняют бетоном по специальной технологии.

В практике современного строительства применяют сваи из различных материалов: деревянные, металлические, бетонные и железобетонные. Деревянные сваи ранее широко применялись в строительстве. В качестве материала использовались хвойные смолистые породы дерева – лиственница, сосна, ель. Они пропитывались антисептическими материалами для предотвращения загнивания, что особенно важно для зоны переменного уровня грунтовых вод. В настоящее время деревянные сваи применяют редко, в основном в богатых лесом местностях, когда отсутствуют заводы железобетонных изделий. Деревянные сваи изготавливают из брёвен со снятой корой длиной до 6,5 м и заострённым нижним концом. Если длины одной сваи или сечения одного бревна оказывается недостаточным, то сваи наращивают и объединяют в пакет из двух-трёх брёвен, соединённых параллельно. Такие пакеты имеют одно остриё, на которое одевают металлический башмак. На верхний конец сваи или пакета свай одевают специальное металлическое кольцо (бугель), предохраняющее древесину от размочаливания во время забивки.

Металлические сваи из-за высокой стоимости металла и подверженности его коррозии для капитальных зданий и сооружений используют редко. Их применяют в аварийных ситуациях для обеспечения устойчивости основания и устройства временных опор несущих конструкций. В качестве свай используют стальные трубы диаметром 20…80 см с открытым или закрытым нижним концом, а иногда – широкополочные двутавры и швеллеры. Трубчатая свая после забивки или ввинчивания (в этом случае на конце сваи расположена винтовая лопасть размером до трёх диаметров трубы) может быть заполнена бетоном. Забивные сваи выполняют с конусом, приваренным снизу. По длине сваи могут состоять из секций, которые между собой сваривают или соединяют с помощью навинчивающегося кольца. Обязательным для металлических свай является использование антикоррозионного покрытия.

Железобетонные сваи более универсальны и получили наибольшее распространение в строительстве. Они могут иметь квадратное сечение, в том числе и с круглой полостью, а также полое круглое сечение (рис. 39). В зависимости от грунтовых условий и характера действующих на них нагрузок железобетонные сваи могут изготавливать с поперечной арматурой или без неё, а также с ненапрягаемой или предварительно напряжённой продольной арматурой. По длине свай их поперечное сечение (профиль) может изменяться. По продольному профилю различают сваи призматические (рис. 39, а), цилиндрические (рис. 39, б), пирамидальные (рис. 39, в), ромбовидные (рис. 39, г), трапецеидальные (рис. 39, д), булавовидные (рис. 39, е), камуфлетные (рис. 39, ж) и лопастные (рис. 39, з).

Наиболее распространены призматические сваи с квадратным поперечным сечением. Их размеры варьируются от 20×20 см до 40×40 см с шагом 5 см, а длина составляет 3…20 м. При необходимости получения свай большей длины их стыкуют из нескольких элементов. Стык выполняют на болтах или сварным, для чего по торцам свай устраивают специальные закладные детали. В слабых грунтах с целью экономии бетона используют пустотелые квадратные (с размерами от 25×25 см до 40×40 см и длиной 3…12 м) или круглые сваи (диаметром 40…80 см, с толщиной стенок 8…10 см и длиной 4…12 м). При низкой несущей способности грунта прочность сваи, ослабленной внутренней полостью, оказывается достаточной.

Рис. 39. Железобетонные сваи различного профиля: а – призматические, б – цилиндрические, в – пирамидальные, г – ромбовидные, д – трапецеидальные, е – булавовидные, ж – камуфлетные, з – лопастные

Сваи-оболочки диаметром более 80 см выпускаются с толщиной стенок 12 см и длиной секции 6…12 м. У таких свай нижний конец является открытым. Сваи-оболочки наиболее целесообразно применять при необходимости прорезки слабых грунтов большой мощности, а также при значительных сосредоточенных нагрузках и изгибающих моментах.

Пирамидальные, ромбовидные и трапецеидальные сваи применяют только как висячие с целью более полного использования несущей способности грунта. Так, ромбовидные сваи позволяют уменьшить величину касательных сил морозного пучения грунта при его промерзании. При забивке пирамидальных и трапецеидальных свай происходит уплотнение окружающего грунта с уменьшением его пористости на 15…40 % на расстоянии до трёх диаметров сваи.

Камуфлетные и булавовидные сваи применяют в слабых грунтах, подстилаемых более прочными, для того, чтобы увеличить их несущую способность при работе в качестве свай-стоек.

ЛЕКЦИЯ 13

Минимально допустимые расстояния между сваями в ростверке. Типы свайных ростверков и их предварительное конструирование. Определение несущей способности одиночной железобетонной сваи по материалу

При забивке сваи в грунт происходит его уплотнение в границах цилиндрического тела диаметром 3∙d … 6∙d в зависимости от вида грунта. Особенно неблагоприятными с этой точки зрения являются водонасыщенные глинистые грунты, где процесс погружения сваи сопровождается разрушением структурных связей и возникновением избыточного давления в поровой воде. Таким образом, вокруг сваи возникает напряжённо-деформированная зона. На расстоянии 3∙d от оси сваи величина сжимающих напряжений в грунте уже незначительна, что особенно важнодлявисячих свай. Поэтому для того, чтобы не происходило наложение напряжений от соседних свай, их рекомендуется располагать на расстоянии l_s ≥ 6∙d друг от друга, где d — сторона квадратной сваи или диаметр круглой сваи (рис. 40, б). При 3∙d < l_s < 6∙d (рис. 40, в) увеличивается осадка свайного фундамента, а при l_s ≤ 3∙d (рис. 40, г), кроме этого, снижается его несущая способность.

Рис. 40. Схемы работы свай в грунте: а – одиночной, б, в, г – в составе свайного куста

Для свай-стоек, опирающихся на прочные грунты, указанные выше обстоятельства не так существенны и расстояние между осями свай в уровне их острия (пяты) принимают l_s ≥ 1,5∙d. Расстояние в свету между стволами свай-оболочек, набивных и буронабивных свай принимают не менее одного метра. Расстояние от наружной грани внешней сваи до края ростверка должно составлять не менее 10 см и не менее (0,2∙d + 5 см) при однорядном расположении свай, (0,3∙d + 5 см) – при двух- и трёхрядном расположении свай, (0,4∙d + 5 см) – при большем количестве рядов, где 0,2∙d, 0,3∙d, 0,4∙d – возможные отклонения головы свай от проектного положения при их забивке.

Ростверки под свайные фундаменты проектируют в большинстве своём из монолитного железобетона. Бетон принимают класса не ниже В15. Под стены ростверки проектируют в виде лент как одного направления, так и перекрёстных. Ростверки под отдельные конструкции (колонны) имеют квадратное (при центральном нагружении) или прямоугольное очертание (при внецентренном нагружении). Треугольное очертание ростверка используют редко. Круглые в плане сооружения имеют обычно круглые или кольцеобразные ростверки. Сваи в этом случае размещают по концентрическим окружностям.

Типы свайных ростверковклассифицируют в зависимости от их расположения относительно поверхности грунта (рис. 41). Низкий ростверк (рис. 41, а) устраивают ниже поверхности грунта. Такой ростверк может передавать часть вертикальной нагрузки от сооружения своей подошвой и воспринимать боковой поверхностью горизонтальные нагрузки. При этом сваи полностью находятся в грунте и их продольный изгиб от вертикальной нагрузки учитывают только в очень слабых грунтах, к которым относят ил, торф, рыхлый песок и глины с текучей консистенцией. Глубина заложения ростверка h_gr зависит от тех же факторов, что и у фундаментов мелкого заложения на естественном основании. В пучинистых грунтах, к которым относят пылевато-глинистые, пески пылеватые и мелкие, крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем, имеющие к началу промерзания влажность более определённого уровня, значение h_gr должно быть не менее расчётной глубины промерзания грунта. При наличии подвала ростверк располагают ниже пола подвала. В бесподвальных зданиях верхний обрез ростверка устраивают ниже уровня планировки грунта на 150 мм при железобетонных колоннах или на 500…1000 мм при металлических колоннах для размещения их опорного башмака (базы). Кроме этого, для удобства производства работ ростверк стремятся по возможности располагать выше уровня горизонта грунтовых вод.

В непучинистых грунтах и при отсутствии подвала ростверк располагают непосредственно на поверхности грунта. Такой ростверк называют повышенным (рис. 41, б). Поскольку верхние слои обычно сложены насыпными неуплотнёнными грунтами, имеющими низкую несущую способность, повышенные ростверки не могут передать часть вертикальной нагрузки от сооружения своей подошвой. Продольный изгиб свай учитывают только в очень слабых грунтах (ил, торф, рыхлый песок, глины с текучей консистенцией).

Рис. 41. Типы свайных ростверков: а – низкий, б – повышенный, в – высокий

При строительстве надземных трубопроводов, надземных пешеходных переходов и мостов применяют высокий ростверк (рис. 41, в). В этом случае проверку прочности вертикальных свай выполняют с учётом их продольного изгиба. Для снижения изгибающих моментов, возникающих в верхней части свай от горизонтальных нагрузок, устраивают наклонные сваи.

На рис. 41 , 1/м,

где

J – момент инерции поперечного сечения сваи, м⁴;

k = 4 000…10 000 кН/м⁴ – коэффициент пропорциональности, зависящий от грунтов, окружающих сваи, и их характеристик;

b_p – условная ширина сваи,

b_p = d + 1 м при d ³ 0,8 м, b_p = 1,5×d + 0,5 м при d < 0,8 м;

Е – модуль упругости материала сваи, кПа;

g_с – коэффициент условий работы, g_с = 3 при высоком ростверке или сейсмической нагрузке, g_с = 1 во всех остальных случаях.

Размеры подошвыростверков, ступеней их плитной части и подколонника принимают в плане кратно 100 мм или 300 мм в зависимости от используемой индивидуальной или инвентарной опалубок, а по высоте – кратно 150 мм. При стаканном сопряжении сборных железобетонных колонн с ростверками толщину дна стакана принимают исходя из расчёта ростверка на продавливание колонной, но не менее 250 мм. Глубину заделки колонны в стакан, глубину стакана, зазоры между стенками колонны и стакана, толщину стенок стакана в уровне обреза свайного фундамента принимают по аналогии с фундаментами мелкого заложения на естественном основании (см. лекцию 2). У повышенных ростверков плитную часть обычно выполняют из одной ступени высотой 300, 450 или 600 мм. У низких ростверков количество ступеней зависит от глубины заложения ростверка h_gr , но также возможен вариант использования одной ступени плитной части высотой до 600 мм и высокого подколонника или фундаментных блоков под несущие стены. При низких и повышенных ростверках под ними устраивают подготовку из втрамбованного в грунт щебня или бетона класса В10 толщиной 100 мм.

На первом этапе расчёта свайного фундамента определяют его основные параметры: 1) длину свай; 2) предварительные размеры их поперечного сечения исходя из принятой длины и в соответствии с ГОСТ; 3) сопряжение свай с ростверком (жёсткое или шарнирное); 4) глубину заложения ростверка; 5) вид свай по условию взаимодействия с грунтом (сваи-стойки или сваи трения) и по способу заглубления свай в грунт (забивные, сваи-оболочки, набивные или буронабивные). Основанием для соответствующих решений являются инженерно-геологические условия площадки строительства, физико-механические свойства грунтов основания, тип здания или сооружения, нагрузки, действующие на фундамент, условия строительной площадки (свободная застройка или стеснённые условия). Забивные сваи рекомендуется применять при любых сжимаемых грунтах, подлежащих прорезке, за исключением насыпи с твёрдыми включениями, прослоек или линз твёрдого глинистого грунта или плотного песка, а также других видов грунтов с включениями валунов. Жёсткую заделку свай в ростверк предусматривают не только для внецентренно нагруженных фундаментов и работе свай на выдёргивание, но и при действии на свайный фундамент значительных горизонтальных нагрузок (таким образом ограничивают перемещение головы сваи), а также расположении свай в слабых грунтах (ил, торф, рыхлый песок, глины с текучей консистенцией).

Вторым этапом расчёта является определение несущей способности одиночной сваи. Она зависит от условий работы и прочности как материала сваи, так и грунта, в который она погружена. Несущую способность сваи по материалуF_m определяют в соответствии с требованиями нормативных документов по железобетонным, металлическим или деревянным конструкциям. Для железобетонных свай, воспринимающих через ростверк сжимающие нагрузки, несущую способность (силу расчётного сопротивления сваи по материалу) определяют по формуле

,

где

φ — коэффициент продольного изгиба сваи, принимаемый по приведенной ниже таблице в зависимости от отношения расчётной длины сваи l₀к её диаметру d (размеру поперечного сечения):

l₀ = l₁ ∙ μ, l₁ = Δl + 2/α_ε, 2/α_ε ≤ Σh_i ,

l₁ — расстояние от подошвы ростверка до уровня жёсткого защемления сваи в грунте;

Δl — длина участка сваи от подошвы высокого ростверка до уровня планировки грунта; для низкого или повышенного ростверка Δl=0;

α_ε — коэффициент деформации (1/м), определяемый по приложению 1 СНиП 2.02.03-85* или СП 50-102-2010 «Свайные фундаменты» и зависящий от материала сваи, её жёсткости и характеристик окружающего сваю грунта; в любом случае значение 2/α_ε принимают не более Σh_i , то есть глубины прорезаемых сваей слоёв грунта от уровня планировки земли (при высоком ростверке) или от уровня подошвы ростверка (при низком или повышенном ростверке) до её острия или пяты;

μ — коэффициент, учитывающий закрепление концов сваи в расчётной схеме; при условно жёстком защемлении сваи в грунте её заделка в ростверк может быть шарнирной (μ = 0,7) или жёсткой (μ = 0,5) (рис. 42);

γ_с — коэффициент условий работы сваи: γ_с = 0,9 при d = 0,2 м, γ_с = 1 при d > 0,2 м;

γ_b1 — коэффициент условий работы бетона, учитывающий длительность действия нагрузки: γ_b1 = 1 при учёте в рассматриваемом сочетании кратковременных нагрузок непродолжительного действия (крановой, ветровой) или сейсмической нагрузки; γ_b1 = 0,9 при учёте в рассматриваемом сочетании постоянных и временных длительных нагрузок, а также особых нагрузок, вызванных деформациями просадочных, набухающих и вечномёрзлых грунтов;

γ_b3— коэффициент условий работы бетона, учитывающий снижение его расчётного сопротивления при бетонировании сваи в вертикальном положении: γ_b3 = 0,85 — для набивных и буронабивных свай, γ_b3 = 1 — для забивных свай, так как их изготавливают в горизонтальном положении;

γ_cb — коэффициент условий работы, учитывающий способ бетонирования свай: γ_cb = 1 — для забивных свай или для изготавливаемых в грунте при бетонировании насухо, то есть выше уровня грунтовых вод; γ_cb = 0,9 — при бетонировании насухо в извлекаемой обсадной трубе; γ_cb = 0,8 — при бетонировании в обводнённой скважине в извлекаемой обсадной трубе; γ_cb = 0,7 — при бетонировании в обводнённой скважине под глинистым раствором или под избыточным давлением воды (без обсадных труб);

R_b — расчётное сопротивление бетона сваи сжатию; для железобетонных свай с ненапрягаемой продольной арматурой используют бетона класса не ниже В15, а для свай с продольной напрягаемой арматурой — не ниже В25;

A_b — площадь поперечного сечения сваи;

R_sc — расчётное сопротивление продольной арматуры сваи сжатию; в качестве ненапрягаемой используют арматуру класса А300 (А-II) или А400 (А-III), а в качестве напрягаемой — класса А600 (А-IV) и выше;

A_s — площадь поперечного сечения продольной рабочей арматуры сваи.

Рис. 42. Расчётные схемы свай при их шарнирном (а) и жёстком (б) соединении с ростверком

В качестве конструктивной арматуры (спирали, сетки) применяют В500 (Вр-I) и А240 (A-I). Подъёмные петли выполняют из арматуры класса А240 (A-I).

Несущую способность железобетонных свай, работающих на выдергивание, определяют по формуле

,

где

R_bt — расчётное сопротивление бетона сваи растяжению;

R_s — расчётное сопротивление растяжению продольной арматуры сваи.

ЛЕКЦИЯ 14