Вопрос 3 – Расчет и проектирование свайных фундаментов

Основные положения расчета. Расчет свайных фундаментов и их оснований ведут по двум группам предельных состояний:

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

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

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

N ≤ F_d / γ _k , (8.12)

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

F_d - несущая способность сваи, определяемая любым из известных методов;

γ _k - коэффициент надежности, принимаемый равным:

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

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

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

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

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

S < S _u , (8.1)

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

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

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

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

N = N_d / n +(-) M_x y / ∑y²_i +(-) M_y x / ∑ x²_i, (8.13)

где N_{d ,} M_x , M_y - расчетные усилия (вертикальная нагрузка, изгибающие моменты) в плоскости подошвы ростверка фундамента относительно главных центральных осей (Рисунок 21);

n – количество свай в фундаменте;

x _i , y _i - расстояния от главных осей до оси каждой сваи;

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

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

под подошвой фундамента устоя

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

Рисунок 31 – Размещение свай под промежуточной опорой с разбиением

эпюры давлений на участки равновеликой площади (объема)

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

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

N = N_d / n +(-) M_x y_max / 2m₁ ∑y²_i +(-) M_y x_max / 2m₂ ∑ x²_i , (8.14)

где N_{d ,} M_x , M_y - расчетные усилия (вертикальная нагрузка, изгибающие моменты) в плоскости подошвы ростверка фундамента относительно главных центральных осей (Рисунок 30);

n – количество свай в фундаменте;

x _i , y _i - расстояния от главных осей до оси каждой сваи;

∑y²_i и ∑ x²_i - подсчитывают для половины количества свай в ряду и половины рядов свай;

y_max и x_max - максимальные расстояния от главных осей до оси наиболее удаленной сваи, для которой вычисляется расчетная нагрузка.

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

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

F = N + G , (8.15)

Для свай, работающих на выдергивание, полная нагрузка:

F = N - G , (8.16)

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

F ≤ F_d или F ≤ F_du , (8.17)

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

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

φ _m = (φ ₁ h₁ + φ ₂ h₂ + … + φ _n h_n ) / d = ∑ φ _i h _i / d , (8.18)

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

h _i - толщина i – го слоя грунта, м;

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

Рисунок 32 – Схема проверки несущей способности основания

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

Р = N_с / а_с b_с ≤ R/ γ _n , (8.19)

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

γ _n - коэффициент надежности;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи.

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

F_du = γ _с u ∑ γ _{c f} f _i h _i , (8.20)

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

γ _{c f} - коэффициенты условий работы грунта на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта;

u – периметр поперечного сечения сваи, м;

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

h _i - толщина слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

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

N_пр = F_d / γ _g , (8.21)

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

Таблица 8.3 - Коэффициент надежности по грунту для опор мостов

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

L _расч = (N - γ _CR R A) / u γ _{c f} f _{c р} , (8.22)

где f _{c р} - среднее расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи, кПа. Оно определяется по формуле (8.23):

f _{c р} = ∑ f _i h _i / ∑ h _i , (8.23)

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

h _i - толщина слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.