Расчет и проектирование свайного фундамента

Рассмотрим вариант свайного фундамента из забивных висячих свай сечением 300х300 мм, погружаемых дизельным молотом.

5.1. Назначаем глубину заложения подошвы ростверка с учетом

указаний пп. 2.1.1 и 2.3.2. Расчетная глубина промерзания грунта от поверхности планировки DL равна

По конструктивным требованиям, так же как и для фундамента на естественном основании, верх ростверка должен быть на отметке -0,150, размеры подколонника (стакана) в плане глубина стакана Если принять в первом приближении толщину дна стакана (в последующем она должна быть уточнена проверкой на продавливание колонной) равной то минимальная высота ростверка должна быть

Для дальнейших расчетов принимаем большее из двух значений (1,62 и 1,75 м), т.е (кратно 150 мм), что соответствует глубине заложения – 1,950 м (абс. Отм.89,00).

5.2. В качестве несущего слоя висячей сваи принимаем песок средн.

зерн. (слой 4), тогда необходимая длина сваи , назначенная с учетом указаний п 2.3.4, должна быть не менее

Выбираем типовую железобетонную сваю С 5,5.30 (ГОСТ 19804-91) квадратного сечения 300 300 мм, длиной Класс бетона сваи В15, арматура из стали класса , объем бетона 0,51 м³, масса сваи 1,28 т, толщина защитного слоя

5.3. Определяем несущую способность одиночной сваи из условия

сопротивления грунта основания по формуле 7.8 (СП 24.13330.2011):

Где коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1;

расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по табл. 7.2.

площадь опирания на грунт сваи, м², принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто или по площади поперечного сечения камуфлетного уширения по его наибольшему диаметру, или по площади сваи-оболочки нетто;

наружный периметр поперечного сечения ствола сваи, м;

расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи кПа, принимаемое по табл. 7.3;

толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

и коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта и принимаемые по табл 7.4.

В соответствии с расчетной схемой сваи устанавливаем для песка средн. зерн. из табл. 7.2 (СП 24.13330.2011) расчетное сопротивление

Для определения расчленяем каждый однородный пласт грунта (инженерно-геологический элемент) на слой толщиной и устанавливаем среднюю глубину расположения каждого слоя, считая от уровня природного рельефа. Затем по табл. 7.3 (СП 24.13330.2011), используя в необходимых случаях интерполяцию, устанавливаем в зависимости от и вида грунта.

Таблица 8

Вид грунта
Супесь мягкопластичная при	3,350	18,9
4,740	21,5
Суглинок тягучепластичный при	5,820	7,0
Песок средн.зерн.	7,037	60,1

5.4. Определяем требуемое число свай в фундаменте в первом

приближении по формуле (2.13) при

Где

коэффициент надежности по нагрузке;

коэффициент надежности по грунту (по п. 7.1.11 СП 24.13330.2011);

среднее значение удельного веса материала ростверка и грунта на его уступах, кН/м³;

площадь подошвы ростверка, приходящаяся на одну сваю, при минимальном расстоянии между сваями , м (п 8.13 СП 24.13330.2011);

глубина заложения подошвы ростверка от поверхности планировки, м;

коэффициент увеличения числа свай, учитывающий влияние момента и поперечности силы. Рекомендуется принимать равным 1,2….1,3;

коэффициент надежности по назначению здания или сооружения, равный1; 0,95 и 0,9 соответственно для зданий и сооружений I, II и III классов;

коэффициент условий работы, учитывающий повышение однородности грунтовых условий при применении свайных фундаментов, принимаемый равным 1,15 при кустовом расположении свай;

коэффициент надежности по грунту.

Принимаем .

5.5. Размещаем сваи в кусте по типовой схеме руководствуясь

указаниями п. 2.3.7. Окончательно размеры подошвы ростверка назначаем, придерживаясь размеров в плане кратных 0,3 м и по высоте – кратных 0,15 м.

5.6. Определяем вес ростверка и грунта на его уступах.

Объем ростверка:

Объем грунта:

Вес ростверка и грунта на его уступах:

5.7. Все действующие нагрузки приводим к центру тяжести подошвы

ростверка:

5.8. Определяем расчетные нагрузки на крайние сваи в плоскости

подошвы ростверка по формуле:

Проверяем выполнение условий, указанных в п. 2.3.9:

Условие не выполняется. Увеличим число свай до .

Определяем вес ростверка и грунта на его уступах.

Объем ростверка:

Объем грунта:

Вес ростверка и грунта на его уступах:

Все действующие нагрузки приводим к центру тяжести подошвы

ростверка:

Определяем расчетные нагрузки на крайние сваи в плоскости

подошвы ростверка по формуле:

Проверяем выполнение условий, указанных в п. 2.3.9:

Условие не выполняется. Увеличим число свай до .

Определяем вес ростверка и грунта на его уступах.

Объем ростверка:

Объем грунта:

Вес ростверка и грунта на его уступах:

Все действующие нагрузки приводим к центру тяжести подошвы

ростверка:

Определяем расчетные нагрузки на крайние сваи в плоскости

подошвы ростверка по формуле:

Проверяем выполнение условий, указанных в п. 2.3.9:

Теперь условие проверки выполняются. Принимаем число свай .

5.9. Выполним предварительную проверку свай по прочности

материала по графикам рис. 2.3 и указаниям п. 2.3.10. Определяем коэффициент деформации по формуле В.4 (СП 24.13330.2011):

Начальный модуль упругости бетона сваи класса В 15, подвергнутого тепловой обработке при атмосферном давлении по табл. 18 (СНиП 2.03.01-84*), Е_b = 20,5×10³ МПа

Момент инерции поперечного сечения сваи:

Условная ширина сечения сваи:

Коэффициент пропорциональности К по табл. В.1 прил.В (СП 24.13330.2011) для супеси мягкопластичной с ) принимаем равным К=10,53 МН/м⁴. Коэффициент условий работы .

Глубина расположения условной заделки сваи от подошвы ростверка:

В условной заделке возникают реакции:

Точка, соответствующая значениям указанных усилий, лежит на графике рис. 2.3 ниже кривой для принятой сваи (сечение 300 300, бетон класса В15, продольное армирование стали класса ), следовательно, предварительная проверка показывает, что прочность сваи по материалу обеспечена.

5.10. Расчет ростверка на продавливание колонной выполним в

соответствии с (пособие к СНиП 2.03.01-84 и СНиП 2.03.01-84*). Класс бетона ростверка принимаем В15, тогда . Рабочую высоту сечения принимаем . Расчетное условие имеет следующий вид:

Значения , , и приведены на рисунке. Определим коэффициент , учитывающий частичную передачу продольной силы на плитную часть ростверка через стенки стакана, для чего предварительно определяем площадь боковой поверхности заделанной в стакан колонны (по наружному обводу обеих ветвей):

Принимаем

Величины реакции сваи от нагрузок колонны на ростверк на уровне верхней горизонтальной грани ростверка определяются по формулам:

1) В первом ряду свай от края ростверка со стороны наиболее нагруженной его части:

Величина продавливающей силы определяется по формуле:

Предельная величина продавливающей силы, которую может воспринять ростверк с принятой толщиной дна стакана:

Прочность ростверка на продавливание колонной обеспечена.

5.11. Выполним расчет свайного фундамента по деформациям на

совместное действие вертикальной и горизонтальной сил и момента по прил. В (СП 24.13330.2011) и прил. 1 (СНиП 2.02.03-85).

Определяем значение горизонтальной силы , кН, соответствующей границе упругой работы системы «свая-грунт», по формуле (14) прил.1 (СНиП 2.02.03-85):

И проверяем выполнение условия:

Горизонтальная нагрузка, действующая на сваю в уровне подошвы ростверка, равна:

Условная ширина сечения сваи Коэффициент деформации Прочностный коэффициент пропорциональности для грунта, представленного супесь мягкопластичная (, по табл. 1 прил.1 (СНиП 2.02.03-85) равен (по интерполяции) .

Приведенное расчетное значение поперечной силы для приведенной глубины погружения сваи в грунт

Определяем по табл. 2 (шарнирное сопряжение сваи с ростверком) прил 1. (СНиП 2.02.03-85) при и (уровень подошвы). Получаем тогда:

Так как:

То расчет ведем по первой (упругой) стадии работы системы «свая-грунт».

При шарнирном опирании низкого ростверка на сваи получаем Следовательно, формулы (30) и (31) п.12 прил. 1 (СНиП 2.02.03-85) примут вид:

Определяем перемещение в уровне подошвы ростверка от единичной горизонтальной силы:

Где безразмерные коэффициенты и приняты по табл.5 прил.1 (СНиП 2.02.03-85) для приведенной глубины погружения сваи

Тогда:

Так как

Условие ограничения горизонтального перемещения сваи выполнено.

5.12. Выполним расчет устойчивости основания, окружающего сваю, по

условию п. В.7 (СП 24.13330.2011), ограничивающему расчетное давление передаваемое на грунт боковыми поверхностями сваи:

Здесь расчетный удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды (для слоя 2), равный 9,1 кН/м³;

угол внутреннего трения, 18 ;

удельное сцепление, 10 кПа;

коэффициент, для забивных свай равный 0,6;

коэффициент для фундаментов распорных сооружений, 0,7.

Значение коэффициента определяем по формуле (В.8) прил. В (СП 24.13330.2011), используя данные табл. 5.5 из которой следует, что момент от внешних постоянных нагрузок в сечении на уровне нижних концов свай составит для оси Л:

Момент от временных нагрузок в том же сечении составит:

Тогда

Где коэффициент, принимаемый равным 2,5, за исключением особо ответственных сооружений и фундаментов с однорядным расположением свай (см. пояснения к формуле (В.8) прил. В (СП 24.13330.2011).

Расчетное давление на грунт кПа, определяем по формуле (36) и указаниям п.13 прил. 1 (СНиП 2.02.03-85) для глубины z:

Так как

Для приведенной глубины по табл. 4 прил.1 (СНиП 2.02.03-85) имеем:

Как видно ,

Т.е. устойчивость грунта, окружающего сваю, обеспечена.

5.13. Определим несущую способность сваи по прочности материала.

Расчетное сопротивление ствола сваи сжатию , растяжению ширина сечения , защитный слой высота сечения площадь

Из формулы (37) прил. 1 (СНиП 2.02.03-85) для указанных характеристик сваи получаем следующее выражение для определения моментов в сечениях сваи на разных глубинах z от подошвы ростверка:

Результаты дальнейших вычислений определения сводим в таблицу, причем при назначении z используем соотношение , в котором значение принимаем по табл.4 прил.1 (СНиП 2.02.03-85)

Таблица 9

0,376	0,4	-0,011	-0,002	0,400	2,54
0,752	0,8	-0,085	-0,034	0,799	4,39
1,128	1,2	-0,287	-0,173	1,183	5,28
1,504	1,6	-0,676	-0,543	1,507	5,37
1,880	2,0	-1,295	-1,314	1,646	4,88
2,256	2,4	-2,141	-2,663	1,352	4,17

Как видно из таблицы, действует на глубине z=1,504 м. Эпюра моментов показана на рисунке.

Эксцентриситеты продольной силы для наиболее и наименее нагруженных свай составляют соответственно:

Определим значения случайных эксцентриситетов для расчетной длины и поперечного размера сваи по п. 7.1.7 (СП 63.13330.2011):

Так как полученные значения эксцентриситетов и больше , оставляем эти значения для дальнейшего расчета несущей способности сваи по п. 8.1.14 (СП 63.13330.2011).

Определяем относительные значения эксцентриситетов:

Принимаем равные значения:

Модули упругости бетона и арматуры соответственно . Моменты инерции площадей бетона и всей продольной арматуры относительно центра тяжести поперечного сечения .

Коэффициент, учитывающий влияние длительности действия нагрузки, принимаем (в запас) . Вычисляем

Жесткость железобетонного элемента в предельной стадии по прочности:

Условная критическая сила:

Коэффициенты, учитывающие влияние продольного изгиба элемента на его несущую способность, вычисляем, руководствуясь п. 8.1.15 (СП 63.13330.2012):

Находим расстояние от точек приложения продольных сил до центра тяжести сечения растянутой или наименее сжатой арматуры по формуле:

Определим высоту сжатой зоны по формуле (8.12) (СП 63.13330.2012):

Расчет по прочности нормальных сечений следует производить в зависимости от соотношения между значением относительной высоты сжатой зоны бетона , определяемым из соответствующих условий равновесия, и значением граничной относительной высоты сжатой зоны , при котором предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в растянутой арматуре напряжения, равного расчетному сопротивлению .

Значение определяют по формуле (3.15) (пособие к СП 52-101-2003):

Проверяем:

Условие выполняется следовательно принимаем значение для дальнейшего расчета.

Условие прочности прямоугольного внецентренно сжатого элемента:

Несущая способность обеих свай по прочности материала в наиболее нагруженных сечениях обеспечена.

5.14. Расчет осадки свайного фундамента производится по алгоритму,

приведенному в п.п. 7.4.2-7.4.4 (СНиП 2.02.03-85) с учетом взаимного влияния группы свай в кусте. Определим модуль сдвига и коэффициент Пуассона для слоев грунта как усредненный в пределах глубины погружения сваи. Для этого сначала определим модуль общей деформации грунта:

Модуль сдвига грунта допускается определять по формуле

А коэффициенты принимать равными 2. Слой, на который опирается свая, рассматривается как линейно-деформируемое пространство. Модуль сдвига для этого слоя

Проверяем условия применимости формул для линейно-деформируемого пространства:

Где расчетный диаметр свай некруглого сечения, вычисляемый по формуле:

Коэффициент, соответствующий абсолютно жесткой свае:

Тот же коэффициент для случая однородного основания с характеристиками :

Относительная жесткость сваи

Параметр, характеризующий увеличение осадки за счет деформации сжатия ствола сваи:

Еще один коэффициент в формуле для определения осадки одиночной сваи:

Определим усилия, действующие в центре тяжести подошвы ростверка для расчетов по второй группе предельных состояний (по деформациям):

На рис. Показана нумерация свай и расстояния от наиболее нагруженной первой сваи, осадку которой будем определять, до всех остальных свай, оказывающих влияние на первую сваю. Найдем силы, приходящиеся на каждую сваю по формуле (7.3) (СП 24.13330.2011):

Вертикальная сила, приходящаяся на первую сваю:

Аналогично ищем усилия в остальных сваях. В результате получаем, что

Находим коэффициенты , рассчитываемые в зависимости от расстояния до первой сваи по формуле (7.39) (СП 24.13330.2011):

Аналогично находим

Тогда осадка первой сваи (максимальная) равна:

Условие расчета по деформации:

Условие выполняется.

Библиографический список

1. ГОСТ 19804-91. Сваи железобетонные. Технические условия. – Взамен ГОСТ 19804.0-78; ВВЕД. 01.07.92. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1992.

2. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. Взамен ГОСТ 25100-95; введ. 01.01.2013. – М.: Международ. Науч.-техн. Комиссия по стандартизации, техн. Нормированию и сертификации в строительстве (МНТКС), 2012.

3. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84)/ЦНИИпромзданий Госстроя СССР, НИИЖБ Госстроя СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989.

4. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.

5. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989.

6. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. – Введ.20.05.2011. – М.: Минрегион России, 2010.

7. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. – Введ. 20.05.2011. – М.: Минрегион России, 2010.

8. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. – Введ. 20.05.2011. – М.: Минрегион России, 2012.

9. Спиридонов В.М., Ильин В.Т., Приходько И.С. Типовые железобетонные конструкции зданий и сооружений для промышленного строительства: справ. Проектировщика/ под ред. Г.И. Бердичевского. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Стройиздат, 1981.

10. СНиП 4.05-91. Приложение. Сборники единых районных единичных расценок на строительные конструкции и работы. Сб. 1,3,4,5,6,7,13,14,27,30 / Госстрой СССР. М.:Стройиздат, 1983, 1984.

11. Расчет и проектирование оснований и фундаментов промышленных зданий: учебное пособие/ Букша В.В., Аверьянова Л.Н., Пыхтеева Н.Ф.; М-во образования и науки Рос.Федерации, Урал. Фудер. Ун-т. – Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2014. – 110 с.