Несущая способность сваи по грунту. Конструирование свайного фундамента. Проверка усилий, передаваемых на сваи

Несущую способность сваи по грунтуF_s определяют либо расчётным методом, основанным на использовании табличных значений расчётных сопротивлений грунта, либо экспериментальным методом, основанным на прямых испытаниях сваи. Расчётный метод используют на стадии технико-экономического обоснования проекта, а также для зданий и сооружений пониженного уровня ответственности. Экспериментальный метод используют для зданий и сооружений нормального и повышенного уровня ответственности. В качестве экспериментального применяют статический метод, динамический метод или метод зондирования. Формулы для определения несущей способности сваи по грунту расчётным и экспериментальным методами приведены в СНиП 2.02.03-85, СП 50-102-2003 и СП 50-102-2010 «Свайные фундаменты». В последующих расчётах в качестве несущей способности сваи используют меньшее из двух значений: F = min{F_m , F_s}.

Третьим этапом расчёта свайного фундамента является определение площади подошвы ростверка и назначение количества свай в ростверке. При этом, в отличие от фундаментов мелкого заложения, площадь подошвы ростверка определяют от расчётных нагрузок, учитывая вес ростверка и грунта на его уступах, так как эти нагрузки создают дополнительные усилия в сваях. Кроме этого, вместо условного расчётного сопротивления несущего слоя грунта R₀ используют условное расчётное давление под подошвой ростверка p, считая, что вся нагрузка, воспринимаемая сваями, передаётся на основание в этом уровне:

— для низких ростверков,

— для повышенных ростверков,

где

N — усилие от вертикальных расчётных нагрузок в уровне обреза ростверка;

p — условное расчётное давление под подошвой ростверка,

,

здесь l_s = 3∙d … 6∙d —расстояние между осями свай; первоначально принимают l_s = 3∙d;

γ_ƒ = 1,15 — коэффициент надёжности по нагрузке для грунта обратной засыпки;

γ_ƒ = 1,1 — коэффициент надёжности по нагрузке для железобетонных ростверков;

γ_m — средний удельный вес ростверка и грунта на его уступах (при наличии подвала принимают γ_m = 17 кН/м³, при его отсутствии — γ_m = 20 кН/м³);

ρ_ж/б = 25 кН/м³ — удельный вес (плотность) железобетона;

h_gr — глубина заложения подошвы ростверка от уровня планировки грунта;

h_r — высота ростверка.

Размеры ростверка по подошве определяют следующим образом:

· для центрально нагруженных свайных кустов под колонны ростверки принимают квадратными в плане и тогда ;

· для внецентренно нагруженных свайных кустов ростверки принимают прямоугольными в плане с соотношением сторон η = b_r / l_r = 0,6…0,85; если эксцентриситет внешней нагрузки в уровне обреза ростверка e₀ ≤ l_с / 6, то η= 0,85, а если e₀ ≥ l_с / 2, то η= 0,6, где l_с — больший размер поперечного сечения колонны; в этом случае

· для ленточных свайных фундаментов под несущие стены усилие от вертикальных расчётных нагрузок в уровне обреза ростверка N вычисляют на один погонный метр его длины и тогда при l_r = 1 м .

Полученные размеры ростверка в плане уточняют в большую сторону кратно 100 или 300 мм в зависимости от применяемой опалубки (индивидуальной или инвентарной). После этого определяют приближённый вес ростверка и грунта на его уступах:

G_r + G_gr = l_r ∙ b_r ∙ h_gr ∙ γ_m ∙ γ_ƒ — для пониженного ростверка,

G_r + G_gr = l_r ∙ b_r ∙ h_r ∙ ρ_ж/б ∙ γ_ƒ — для повышенного ростверка.

Число свай в ростверке под колонну вычисляют по следующей формуле:

,

где

η_м — коэффициент, учитывающий схему размещения свай;

F — несущая способность сваи.

Для центрально нагруженных фундаментов сваи размещают симметрично относительно осей поперечного сечения колонны. В этом случае η_м = 1.

Для внецентренно нагруженных свайных кустов возможны три схемы размещения свай:

1. Сваи размещают симметрично относительно центра колонны, но число их увеличивают для восприятия момента введением коэффициента η_м >1 (рис. 43, а). При этом сваи нагружены неравномерно. Наиболее нагружены сваи, максимально удалённые от центра колонны в направлении действия момента.

2. Сваи размещают неравномерно (рис. 43, б), но так, чтобы равнодействующая всех сил проходила через центр тяжести свайного поля. При этом все сваи нагружены равномерно, а η_м = 1.

3. Сваи размещают равномерно, но центр тяжести подошвы ростверка смещают в направлении действия момента относительно центра поперечного сечения колонны на среднюю величину эксцентриситета e₀= M / N. При этом все сваи оказываются загруженными равномерно, а η_м = 1 (рис. 43, в).

Рис. 43. Схемы размещения свай во внецентренно нагруженных фундаментах: а – симметричная, б – несимметричная, в – со смещением осей

Схемы 2 и 3 применяют, если изгибающий момент действующих на фундамент сил постоянен как по величине, так и по направлению.

Для схемы 1 значение η_м принимают в зависимости от величины эксцентриситета е₀: при e₀ ≤ l_с / 6 η_м = 1; при e₀ ≥ l_с / 2 η_м = 1,6; при l_с / 6 < e₀ < l_с / 2 значение η_м определяют по линейной интерполяции.

Для ленточных ростверков под стены здания число свай на один погонный метр длины вычисляют по формуле

,

где

k_s — принятое число рядов свай в свайном ростверке;

N — усилие от вертикальных расчётных нагрузок на один погонный метр длины ростверка.

Расстояние между осями свай в каждом их ряду (шаг свай) может быть определено следующим образом: l_s ≤ l_r /n, где l_r = 1 м. Это расстояние принимают кратно 50 мм.

Четвёртым этапом расчёта является размещение требуемого числа свай в плане и конструирование ростверка. При этом характер размещения свай (правильными рядами или в шахматном порядке) зависит от числа свай. В ленточных свайных фундаментах при размещении свай в один ряд их наличие в углах здания и в местах пересечения стен является обязательным.

Пятым этапом расчёта является проверка усилий, передаваемых на сваи. Для свайных кустов с симметрично расположенными вертикальными сваями расчётное усилие в последних определяют по формуле

,

где

G_sj — вес сваи, определяемый умножением её объема V_s на удельный вес (плотность) железобетона ρ_ж/б;

γ_ƒ — коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса сваи; при действии сжимающих нагрузок γ_ƒ = 1,1, а при работе сваи на выдёргивание (растяжение) γ_ƒ = 0,9;

N — усилие от вертикальных расчётных нагрузок в уровне обреза ростверка;

G_r — вес ростверка, определяемый умножением его объёма V_r на ρ_ж/б и γ_ƒ = 1,1;

G_gr — вес грунта на уступах ростверка,

,

здесь γ_ƒ = 1,15; γ_gr — объёмный вес грунта обратной засыпки;

, — расчётные изгибающие моменты относительно главных (центральных) осей х и y плана свай в плоскости подошвы ростверка,

,

,

M_x , M_y , Q_x , Q_y — расчётные изгибающие моменты и поперечные силы в уровне обреза свайного фундамента;

x_j , y_j — расстояния от главных осей плана свай до оси j-ой сваи (рис. 44).

Рис. 44. Схема к определению усилий в сваях внецентренно нагруженного фундамента

Для нахождения максимальных значений выбирают крайние сваи в ростверке, у которых y_j = y_max и x_j = x_max, и перед последними двумя слагаемыми в формуле принимают знак «+».

Условием обеспечения несущей способности сваи будет выполнение неравенства , где F = min{F_m , F_s}. Если расчёт свайного фундамента производят на сочетание нагрузок, включающих в себя крановые, ветровые или сейсмические, то несущую способность сваи по грунту принимают увеличенной на 20%, и тогда приведенное выше неравенство будет иметь следующий вид: , где F = min{F_m , 1,2∙F_s}. Если эти условия не выполняются, то корректируют размеры ростверка, количество и расположение свай.

При вычитании составляющих усилий от и получают минимальное расчётное усилие в свае . Если оно окажется отрицательным, то свая работает на выдёргивание и требуется выполнить проверку несущей способности такой сваи как по её материалу, так и по грунту: , где F = min{F_m , F_s}.

ЛЕКЦИЯ 15