Расчёт забивной сваи при транспортировании и складировании. Расчёт железобетонного ростверка свайного куста на продавливание

Шестой этап. Забивные сваи рассчитывают не только на нагрузки, передаваемые от зданий и сооружений, но и на усилия, возникающие в них от собственного веса при транспортировании, складировании и подъёме на копёр за одну точку, удалённую от головы сваи на 0,3∙L_s (в этом месте расположены подъёмные петли). Усилия в свае определяют как в балке на двух опорах с учётом коэффициента динамичности: k_d = 1,5 — при расчётах на прочность по нормальным и наклонным сечениям, k_d = 1,25 — при расчётах по образованию и раскрытию трещин. В этих расчётах коэффициент надёжности по нагрузке к собственному весу сваи γ_ƒ принимают равным единице.

Расчётная схема, действующие нагрузки и внутренние усилия (М и Q) в забивной свае при ее транспортировании и складировании приведены на рис. 45, а, а при подъёме на копёр за одну точку – на рис. 45, б. После определения внутренних усилий проверки сваи на прочность по нормальным и наклонным сечениям, а также на трещиностойкость производят по общим правилам расчёта элементов железобетонных конструкций.

Ранее уже отмечалось, что сваи изготавливают как с напрягаемой продольной арматурой, так и с ненапрягаемой. Предварительное напряжение используют для свай, работающих на выдёргивающие нагрузки. Передаточная прочность бетона к моменту отпуска натяжения арматуры должна составлять на менее 70% его класса по прочности на сжатие: R_bр ≥ 0,7∙В. Концы напрягаемой арматуры после отпуска натяжения срезают заподлицо с торцевой поверхностью сваи. Натяжение арматуры осуществляют механическим или электротермическим способом.

Рис. 45. Расчётные схемы и эпюры внутренних усилий в забивной свае: а – при транспортировании и складировании, б ­– при подъёме на копёр

В забивных сваях часто в качестве поперечной используют спиральную арматуру (рис. 46, поз. 2) диаметром 5 мм класса В500 (Вр-I) или диаметром 6 мм класса А240 (А-I). Такую арматуру приваривают к продольной ненапрягаемой арматуре в каждой точке контактной сваркой. Это конструктивное решение применяют при диаметре продольной рабочей арматуры d_s ≤ 22 мм (рис. 46, поз. 1). При d_s ≥ 25 мм устанавливают сварные или вязаные каркасы, где в качестве поперечной используют арматуру класса А240 (А-I) диаметром не менее 8 мм. Подъёмные петли (рис. 46, поз. 4) выполняют из арматуры класса А240 (A-I) диаметром 8…12 мм. Голову сваи усиливают сетками косвенного армирования (рис. 46, поз. 3), а остриё — специальной спиралью (рис. 46, поз. 5). Последнее решение принимают в сваях с одним центральным стержнем без поперечного армирования (рис. 46, б).

Седьмым этапом расчёта свайного фундамента являются следующие проверки прочности ростверка:

· на продавливание колонной или подколонником;

· на продавливание угловой сваей;

· нормальных и наклонных сечений плитной части;

· нормальных и наклонных сечений подколонника;

· на местное смятие (сжатие) под торцом колонны.

Рис. 46. Армирование железобетонной призматической сваи: а – с поперечным армированием ствола, б – без поперечного армирования ствола, в – с круглой полостью

Основное отличие в расчётах свайных ростверков от фундаментов мелкого заложения заключается в том, что пирамиду продавливания строят от наружных граней сечения подколонника или дна стакана до внутренних граней поперечного сечения свай, обращённых к колонне (подколоннику) и выходящих за пределы её (его) сечения (рис. 47). При этом грани пирамиды продавливания необязательно будут направлены под углом 45° к горизонтали, а могут быть направлены и под более острым углом вплоть до 68°. В качестве продавливающей силы F_pr принимают сумму расчётных усилий в сваях, расположенных за пределами нижнего основания пирамиды продавливания.

Как уже отмечалось, продавливание происходит по боковой поверхности пирамиды, верхним основанием которой может являться:

1) поперечное сечение монолитной колонны;

2) поперечное сечение подколонника при высоком сопряжении сборной железобетонной колонны с ростверком (рис. 47, а), что соответствует выполнению условия

h_сf – h_st ≥ 0,5∙(l_cf – l_st);

3) поперечное сечение дна стакана при низком сопряжении сборной железобетонной колонны с ростверком (рис. 47, б), что соответствует выполнению условия

h_сf – h_st < 0,5∙(l_cf – l_st).

Рис. 47. Схемы образования пирамиды продавливания ростверка при стаканном сопряжении сборной железобетонной колонны с высоким (а) и низким (б) подколонником

В случае низких и повышенных ростверков наиболее часто встречается низкое сопряжение колонны с ростверком. При этом, как и в случае отдельных фундаментов под колонны, в расчётные формулы вводят поправочный коэффициент a, учитывающий частичную передачу продольной силы на плитную часть ростверка через стенки стакана:

,

где

R′_bt — расчётное сопротивление бетона замоноличивания стакана растяжению с учётом коэффициента условия работы γ_b1 (используют бетон класса не менее В15);

А_с — площадь боковой поверхности колонны, заделанной в стакан,

;

N — усилие от расчётных нагрузок в уровне обреза свайного ростверка.

Как известно, продавливание отдельных фундаментов или свайных ростверков под колонны происходит при образовании наклонных трещин, по границам которых бетон испытывает разрыв. При расчёте отдельных фундаментов отмечалось, что при угле наклона такой трещины к горизонтали, равном 45°, на её границе действуют главные растягивающие напряжения, а касательные напряжения отсутствуют. При достижении первыми предела прочности бетона на растяжение образуются трещины, поэтому условие прочности на продавливание имеет вид:

,

,

где

u_m — среднее арифметическое значение периметров верхнего и нижнего оснований пирамиды продавливания, образующейся в пределах высоты h₀ .

При продавливании ростверка от низа подколонника h₀ = h_0,r (рис. 47, а), а при продавливании ростверка от дна стакана h₀ = h_0,st (рис. 47, б).

При наклоне боковых граней пирамиды продавливания под углом более 45° к горизонтали на их границах начинают действовать не только растягивающие напряжения, но и касательные. И несмотря на то, что площадь боковой поверхности пирамиды продавливания уменьшается, суммарное действие вертикальных проекций нормальных и касательных напряжений увеличивает несущую способность ростверка на продавливание. Опыты показывают, что для каждой грани пирамиды продавливания это увеличение пропорционально тангенсу угла её наклона к горизонтали, но не более, чем в 2,5 раза:

,

где

R_bt — расчётное сопротивление бетона ростверка растяжению с учётом коэффициента условия работы γ_b1;

с_i — расстояние от грани дна стакана до боковой грани сваи, расположенной за пределами пирамиды продавливания, 0,4∙h₀ ≤ c_i < h₀ ,

что соответствует изменению угла θ в диапазоне 68°³ θ > 45°;

h₀ — рабочая высота сечения, равная расстоянию от рабочей арматуры плитной части ростверка до дна стакана;

u_i — полусумма оснований i-ой боковой грани пирамиды продавливания;

F_pr — расчётная продавливающая сила.

Для центрально нагруженных ростверков F_pr равна сумме реакций всех свай, расположенных за пределами нижнего основания пирамиды продавливания:

,

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

n — число свай в ростверке;

n₁ — число свай в ростверке за пределами нижнего основания пирамиды продавливания.

Для внецентренно нагруженных ростверков (рис. 48) расчёт выполняют с запасом прочности и продавливающую силу принимают равной

,

где ΣN_sj — сумма реакций всех свай, расположенных с одной стороны от оси колонны в наиболее нагруженной части ростверка за пределами нижнего основания пирамиды продавливания.

Реакции свай рассчитывают от продольной силы и изгибающего момента, действующих в уровне обреза ростверка. При моментах, действующих в двух направлениях, ΣN_sj вычисляют для каждого направления в отдельности и в расчёт принимают большую из этих величин:

ΣN_sj = max {ΣN_sj,x , ΣN_sj,y},

, .

При шарнирной заделке свай в ростверк на глубину 5 см арматурную сетку С-1 укладывают сверху на оголовки свай. В этом случае защитный слой бетона составляет также 5 см. При жёсткой заделке свай в ростверк на глубину до 30 см стержни сеток, попадающие на сваи, вырезают и сетки всё равно укладывают с защитным слоем бетона 5 см на специальные фиксаторы. Вместо вырезанных стержней по контуру свай укладывают дополнительные стержни, привязанные к основной сетке. В результате при любом характере сопряжения сваи с ростверком первоначально в расчёте на продавливание принимают а_s = 6 см.

ЛЕКЦИЯ 16

Особенности расчёта ростверка на продавливание сборной железобетонной двухветвевой колонной и при многорядном расположении свай. Расчёты на раскалывание, продавливание угловой сваей и прочность по наклонным сечениям

Присборных железобетонных двухветвевых колоннах, имеющих общий стакан (рис. 49), расчёт ростверка на продавливание выполняют как для колонны со сплошным прямоугольным сечением l_c × b_c , соответствующим внешним габаритам двухветвевой колонны:

.

Рис. 49. Схема образования пирамиды продавливания под сборной железобетонной двухветвевой колонной

При многорядном расположении свай (рис. 50) помимо расчёта на продавливание ростверка колонной по пирамиде, боковые грани которой проходят от наружных граней дна стакана до ближайших граней свай, должна быть проведена проверка на продавливание ростверка в предположении, что оно происходит по пирамиде, у которой две или все четыре боковые грани наклонены под углом 45° к горизонтали. При этом реакции свай, находящихся в пределах нижнего основания пирамиды продавливания, при вычислении значения F_pr не учитывают.

Рис. 50. Схема образования пирамид продавливания под сборной железобетонной колонной при многорядном расположении свай

При расчёте свайных ростверков, состоящих из одной ступени плитной части, и заглублении в неё сборной железобетонной колонны не менее, чем на треть высоты ростверка, выполняют не только расчёт ростверка на продавливание, но и на раскалывание (рис. 51, а). Проверку прочности на раскалывание производят по формуле

,

где

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

R_bt — расчётное сопротивление бетона ростверка растяжению с учётом коэффициента условия работы γ_b1 ;

μ_b — коэффициент трения бетона по бетону, μ_b = 0,75;

А^* = min {А_l , А_b} — наименьшая площадь вертикального сечения ростверка по оси колонны за вычетом вертикальной площади сечения стакана и площади трапеции, расположенной под колонной, с наклонёнными под углом 45° к горизонтали сторонами.

В плитных ростверках такого типа несущую способность по раскалыванию (правую часть вышеприведенного неравенства) принимают не более несущей способности на продавливание колонной, рассчитанной по общим правилам, но от уровня верха ростверка с рабочей высотой h_0,r и понижающим коэффициентом, равным 0,75 (рис. 51, б). Фактически это приводит к необходимости выполнения следующего неравенства:

.

Рис. 51. Схемы расчёта плитного ростверка: а – на раскалывание, б – на продавливание

Расчёт ростверка на продавливание угловой сваейпроизводят из условия

,

где

N^*_sj — расчётная нагрузка на угловую сваю с учётом моментов в двух направлениях в уровне подошвы ростверка;

h₀₁ — рабочая высота сечения, равная расстоянию от верха свай до верхней горизонтальной грани плиты ростверка или его нижней ступени (рис. 52);

u_i — полусумма оснований i-ой боковой грани фигуры продавливания высотой h₀₁ , образующейся при продавливании ростверка угловой сваей;

b_i — коэффициент, вычисляемый по формуле

,

здесь k_i — коэффициент, учитывающий снижение несущей способности плиты ростверка в угловой зоне: k_i = 0,6 при h₀₁/c_0i = 1, k_i = 0,4 при h₀₁/c_0i = 2,5; при промежуточных значениях h₀₁/c_0i коэффициент k_i определяют по линейной интерполяции; в случае, если h₀₁/c_0i < 1, при вычислении b_i принимают h₀₁/c_0i = 1 и k_i = 0,6; в случае, если h₀₁/c_0i > 2,5, при вычислении b_i принимают h₀₁/c_0i = 2,5 и k_i = 0,4.

В преобразованном виде условие прочности на продавливание может быть представлено следующим образом:

,

, ,

где

с₀₁ , с₀₂ — расстояния от внутренних граней угловых свай до ближайших граней следующей ступени плитной части или подколонника;

b₀₁ , b₀₂ — расстояния от внутренних граней угловых свай до наружных граней ростверка.

В тех случаях, когда угловая свая в ростверках по проекту заходит в плане за наружные грани следующей ступени или подколонника, проверка на продавливание плиты ростверка угловой сваей не производится.

Расчёт ростверка на прочность по наклонным сечениям на действие поперечной силы производят из условия, чтобы поперечная сила от внешней нагрузки Q воспринималась только бетоном без установки в плитной части ростверка каркасов с поперечной арматурой. В результате условие прочности Q ≤ Q_b может быть представлено в следующем виде:

,

где

Q = ΣN^*_sj — сумма реакций всех свай, находящихся за пределами наклонного сечения со стороны наиболее нагруженной части ростверка; реакции свай определяют на уровне подошвы ростверка (рис. 53);

b_r — ширина ростверка;

h_0,r — рабочая высота сечения плитной части ростверка;

c — длина проекции наклонного сечения, принимаемая равной расстоянию от внутренних граней свай до ближайшей грани подколонника (рис. 53, а) или до ближайшей грани колонны (рис. 53, б) при плитных ростверках.

Рис. 53. Схемы расчёта прочности наклонных сечений ростверка по поперечной силе: а – ростверк с подколонником, б – плитный ростверк

Поперечную силу, воспринимаемую бетоном и представленную в правой части неравенства, принимают не менее Q_b,min = 0,5∙R_bt∙ γ_b1∙ b_r∙ h_0,r и не более Q_b,max = 2,5∙R_bt∙ γ_b1∙ b_r∙ h_0,r .

В ступенчатых ростверках (см. рис. 55, а) при проверке прочности наклонного сечения, пересекающего две ступени, вместо ширины ростверка b_r в указанных формулах принимают приведенную ширину поперечного сечения b_red :

.

В этом случае проверки прочности по двум наклонным сечениям выполняют следующим образом:

· сечение 1-1: ,

· сечение 2-2: ,

где

h_0,1 — рабочая высота нижней ступени ростверка;

h_0,2 = h_0,1+ h₂ — рабочая высота двухступенчатого ростверка;

b_r — ширина нижней ступени ростверка;

b₂, h₂— ширина и высота второй ступени ростверка.

При многорядном расположении свай (рис. 54) проверку прочности наклонных сечений на действие поперечной силы производят по сечениям, проходящим через внутренние грани каждого ряда свай:

,

.

Рис. 54. Схема расчёта прочности наклонных сечений ростверка по поперечной силе при многорядном расположении свай

ЛЕКЦИЯ 17