Расчет и проектирование свайного фундамента. 1 страница

Этот расчет сводится к следующему:

- выбирают тип ростверка и глубину заложения его подошвы;

- определяют тип свай (форма сечения, способ заделки в ростверк);

- находят несущую способность и расчетную нагрузку, допускаемую на сваю;

- определяют необходимое число свай в фундаменте, размещают их в плане и конструируют ростверк;

- выполняют проверки свайного фундамента на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок;

- рассчитывают осадку свайного фундамента (при необходимости).

Основным нормативным документом при работу над этим разделом служит СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты /10/ и «Пособие…» к нему (на момент написания Руководства не выпущено).

При проектировании стремятся достигнуть наиболее рационального и экономичного решения. Например, во всех случаях нижние концы свай следует заглублять в более прочный и относительно менее сжимаемый слой грунта, т.к. почти всегда экономически более выгодным оказывается фундамент с меньшим число более длинных свай, чем фундамент с большим числом коротких.

В курсовом проекте в учебных целях следует рассмотреть устройство свайного фундамента из забивных призматических свай с низким ростверком. Длина и сечение свай, расположение их в плане могут варьироваться с целью поиска оптимального решения.

Возможность применения в данных грунтовых условиях свай других типов (буронабивные, буро-опускные, рациональной формы и т.п.) представляет предмет УИРС и согласовывается с руководителем проекта.

4.4.1. Выбор глубины заложения ростверка и длины свай.

Глубина заложения подошвы ростверка выбирается в зависимости от конструктивного решения подземной части здания (наличие подвалов, приямков и т.п.) и проекта планировки территории (срезкой или подсыпкой).

Высота подколонной части ростверка должна быть достаточной для заделки железобетонных колонн или анкерных болтов при металлическом каркасе (см. рис. 4.9). В пучинистых грунтах необходимо предусмотреть мероприятия, предотвращающие негативное влияние сил морозного пучения на свайный ростверк:

- заглублением подошвы ниже расчетной глубины промерзания грунта (см. п.4.2.1.);

- в слабо- и среднепучинистых грунтах при заложении ростверка в слое сезонного промерзания под ростверком предусматривается устройство подсыпки из крупнозернистого песка или шлака толщиной 30 см (см. рис.4.9), а в сильно- и чрезмернопучинистых – незаполняемого воздушного зазора не менее 20 см.

Для дальнейших расчетов принимают наибольшую из необходимых глубин заложения ростверка. При определении несущей способности свай по сопротивлению грунта основания и осадки свайного фундамента толщина подсыпки или воздушного зазора под подошвой ростверка исключается из расчетной длины висячей сваи.

Длина сваи выбирается таким образом, чтобы были прорезаны слабые слои грунтов. Нижние концы свай следует заглублять (h₃ на рис.4.9) не менее, чем:

- 0,5 м – в малосжимаемые крупнообломочные, гравелистые, крупные и средней крупности песчаные грунты, а также глинистые при J_L ≤ 0,1;

- 1,0 м – в прочные песчаные грунты плотные и средней плотности и глинистые грунты при 0,1 < J_L ≤ 0,6.

Заделывать концы сваи в глинистые грунты, характеризуемые показателем текучести J_L > 0,6, и песчаные рыхлые грунты не рекомендуется. Эти грунты следует прорезать сваями. С целью исключения возможности продавливания несущего слоя под нижним концом сваи его мощность должна быть не менее 5,0d (d – сторона или диаметр свай).

Глубину заделки сваи в ростверк рекомендуется предварительно принять h₁ = 5 см, что соответствует шарнирному закреплению головы сваи в ростверке. Если при дальнейшем расчете выявится необходимость жесткого сопряжения сваи и ростверка, назначают h₁ ≥ d.

Длина l_св= h₁ + h₂ + h₃ (см. рис.4.9) является минимальной необходимой. Окончательная длина сваи принимается равной ближайшему стандартному размеру (см. ГОСТ 19804, 1/6 – 79/83; или приложение 1 к настоящему пособию) с округлением в сторону большего размера. Сечение свай принимается минимальным для принятой длины.

4.4.2. Определяют несущую способность одиночной сваи F_d по условиям сопротивления грунта основания:

для свай-стоек по п.4.1., для висячих свай по п.4.2. СНиП /10/. При этом необходимо составить в масштабе расчетную схему с наложением инженерно-геологического разреза (см. рис.4.10). По п.3.10 СНиП /10/ вычисляется расчетная нагрузка

, допускаемая на сваю по сопротивлению грунта основания.

Определяется расчетное сопротивление на сжатие по материалу сваи. Для этого сваю рассматривают как центрально сжатый стержень (рис.4.11), жестко защемленный в грунте, в сечении, расположенном от подошвы ростверка на расстоянии

. (4.13.)

L₀ - длина участка сваи, м, от подошвы ростверка до уровня поверхности грунта (при низком ростверке L₀ = 0);

α_Е - коэффициент деформации, 1/м, определяемый по формуле (11) рекомендуемого приложения 1 к СНиП /10/.

Несущая способность по материалу железобетонной сваи определяется по формуле

, (4.14.)

где φ – коэффициент продольного изгиба, вычисляемый по формуле (21) СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции (в курсовом проекте при низком ростверке допускается принимать φ = 1);

γ_с – коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,85 для свай сечением менее (30×30) см и γ_с = 1 для свай большего сечения;

γ_св – коэффициент условий работы бетона, принимаемый γ_св = 1 для всех видов свай, кроме буронабивных;

γ_св = 0,7 – 1,0 – для буронабивных свай а зависимости от способа их устройства (принимается в соответствии с п.3.8 СНиП /10/);

R_в – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, зависящее от его класса и принимаемое по таблице 13 СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции»:

В15 R_в = 8,5 МПа; В20 R_в = 11,5 МПа; В25 R_в = 14,5 МПа; В30 R_в = 15,5 МПа;

А и А_а – площадь поперечного сечения соответственно сваи и арматуры;

R_s – расчетное сопротивление смятию арматуры, принимаемое по таблице 22 СНиП 2.03.01-84.: А-I R_s = 225 МПа; А-II R_s = 220 МПа; А-III R_s = 355МПа.

Сечение свай необходимо подбирать таким образом, чтобы расчетные нагрузки, допускаемые на сваю по сопротивлению грунта основания, и несущая способность по материалу сваи примерно равны, т.е. F_v ≈ F_dm, а коэффициент использования прочности материала сваи и грунтов основания . К дальнейшему расчету принимается меньшее из указанных сопротивлений. Для облегчения подбора рекомендуется воспользоваться ориентировочными данными из таблицы 8.11 /15/.

4.4.3. Требуемое количество свай в фундаменте в первом приближении определяется по формуле

(4.15.)

где N_I^надз – расчетная вертикальная нагрузка на обрез фундамента для расчета по первой группе предельных состояний (γ_f ≈ 1,2);

d – глубина заложения подошвы ростверка от поверхности планировки;

γ_mt ≈ 20 кН/м³ – среднее значение удельного веса бетона ростверка и грунта на его уступах;

a – минимальное расстояние между сваями в плоскости их нижних концов, принимаемое в соответствии с п.7.9 СНиП /10/;

k = 1,2 – коэффициент, косвенно учитывающий влияние на сваю момента и горизонтальной нагрузки.

Размещают сваи в плане и конструируют ростверк. Размеры плитной части и подколонника, в целях унификации опалубки, следует принять как для фундамента на естественном основании (см./5;8;15;/). Возможное размещение свай в плане показано на рис.4.12. Максимальное расстояние между осями свай – 6d. Остальные конструктивные требования показаны на рис.4.12.

4.4.4. Расчет свайного фундамента по первой и второй группам предельных состояний заключается в определении расчетных усилий и перемещений одиночной сваи, расчета свайного фундамента как условного массивного.

Расчетную нагрузку на сваю определяют, рассматривая фундамент как рамную конструкцию, воспринимающую вертикальные нагрузки и изгибающие моменты от горизонтальных нагрузок, действующих в разных плоскостях, например, в плоскости и из плоскости рамы здания, по п.3.11 /10/. При этом учитывается собственный вес свай, ростверка и грунта на его уступах. Для наиболее нагруженных свай в ростверке расчетную нагрузку допускается повышать в промышленных и гражданских зданиях на 20%, т.е. в соответствии с п.3.10 СНиП /10/

N_max ≤ 1,2 F_d/γ_k; N_min > 0 (4.16.)

При невыполнении хотя бы одного из условий 4.16. следует увеличить количество свай или глубину их погружения и повторить расчеты в соответствии с п.4.32 и 4.33. Уменьшение неравномерности загружения свай в кусте может быть достигнуто смещением оси фундамента с оси колонны (см. п.4.2.3.), либо неравномерным размещением свай.

В случае совместного действия на фундамент вертикальных нагрузок, моментов и горизонтальных сил выполняется расчет свай по деформациям по рекомендуемому приложению 1 к СНиП /10/.

При этом в курсовом проекте достаточно определить расчетные значения горизонтального перемещения головы сваи U_р и угол ее поворота ψ_р и проверить их допустимость из условия перемещения верха ростверка, вычисляемого по формуле

ψ₀ × d_ф, (4.17.)

где d_ф – высота ростверка, т.е. расстояние от его подошвы до обреза.

Предельные значения горизонтального перемещения головы сваи и угла ее поворота ψ_u устанавливаются в задании на проектирование в зависимости от сложности здания или сооружения. Величина предельно допустимого горизонтального смещения обреза фундамента S_u для большинства промышленных и гражданских зданий не должна превышать 1 см. Если полученное значение S_в > S_u, следует увеличить количество свай или ввести в фундамент наклонные сваи.

В случае применения висячих свай производится расчет осадки условного фундамента в соответствии с требованиями п.6.1. СНиП /10/ как фундамента на естественном основании (см. п.4.2.2. и 4.2.3.) с учетом требований п.2.56 СНиП /9/.

4.4.5. Выполняется проверка на продавливание плиты ростверка угловой сваей в соответствии с п.3.42 СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции» (см. пример к настоящему параграфу).

На этом этапе заканчивается конструктивный расчет свайного фундамента.

Пример 4. Запроектировать свайный фундамент под колонну промышленного здания при нагрузках и инженерно-геологических условиях примеров №1 и №2.

Решение. Назначаем глубину заложения ростверка с учетом указаний п.4.4.1.

Расчетная глубина промерзания от поверхности планировки d_f = 2,44 м, супесь является среднепучинистым грунтом (см. пример №2). Низ ростверка необходимо располагать ниже глубины d_f, либо устраивать подсыпку из крупнозернистого песка толщиной 30 см. По конструктивным соображениям обрез ростверка должен быть на отметке -0,70 (0,55 м от поверхности планировки), высота 1,78 м по условиям заделки анкерных болтов, т.е. d_min = 1,78 + 0,55 = 2,33 м. Принимаем глубину заложения ростверка из условия недопущения морозного пучения d = 2,5 м (абс. отметка 74,55).

В качестве несущего слоя висячей сваи принимаем песок средней крупности и плотности. Необходимая длина сваи должна быть не менее l_св (рис.4.13.)

l_св = h₁ + h₂ + h₃ = 0,05 + 7,15 + 2,8 = 10 м.

Заделка сваи в ростверк 5 см, т.е. соединение шарнирное. По каталогу (см. приложение 1) принимаем железобетонную призматическую сваю С-10-30 (серии 1-011-6) длиной 10 м, сечением (0,3 ×0,3) м. Класс бетона сваи В20; арматура 4ǿ14 А-II; объем бетона 0,91 м³, масса сваи 2,28т.

Определяем несущую способность одиночной сваи по сопротивлению грунта основания по формуле (8) СНиП /10/:

,

Расчетную схему см. рис.4.13.

По таблице 1 /10/ для песков средней крупности и плотности при z = 10,4 м расчетное сопротивление под нижним концом забивных свай R = 4112 кПа. Для определения f_i каждую литологическую разновидность грунта расчленяем на слои мощностью l_i ≤ 2 м и устанавливаем среднюю глубину расположения z_i слоя от уровня природного рельефа. По таблице 2 /10/, интерполируя в необходимых случаях, получим:

для супесей J_L = 0,74 z₁ = 2,025 м f₁ = 4,2 кПа

- “ – “ – “ – “ – “- “ - z₂ = 3,6 м f₂ = 8,2 кПа

- “ – “ – “ – “ – “- “ - z₃ = 5,6 м f₃ = 9,2 кПа

для суглинка J_L = 0,4 z₄ = 7,6 м f₄ = 31,8 кПа

для песка средней

крупности z₅ = 9,6 м f₅ = 64,4 кПа

- “ – “ – “ – “ – “- “ - z₆ =11,0 м f₆ = 66,4 кПа.

Площадь опирания сваи на грунт А = 0,3 ×0,3 = 0,09 м², периметр U = 0,3 × 4 = 1,2 м. По таблице 3 СНиП /10/ для свай сплошного сечения, погружаемых забивкой молотом, коэффициенты условий работы: γ_CR = γ_cf =1; γ_с = 1;

В соответствии с п.3.10 расчетная нагрузка, допускаемая на сваю,

.

Несущая способность по материалу сваи в соответствии с формулой (4.14.)

= 1188 кН.

Коэффициент использования прочности материала сваи и грунтов основания

Определяем требуемое количество свай по формуле 4.15.

Здесь N_I^надз = N_II^надз × 1,2 = 3119 × 1,2 = 3743 кН.

Принимаем 10 свай. Конструируем ростверк (рис.4.14.): размер подколонника, как и для фундамента на естественном основании – 2,1×1,2×1,5 м; размещаем сваи в плане на расстоянии а ≥ 3d = 0,9 м (см. п.4.4.3. и рис.4.12). Назначаем размеры подошвы ростверка (3,2×2,4) м, т.е. кратно 0,3 м. Высота плитной части 0,45 м (кратно 0,15 м).

Вычисляем собственный вес ростверка и грунта на его уступах.

Объем ростверка: V_р = 3,3×2,4×0,45 + 2,1×1,2×(1,5+0,55) = 8,73 м³.

Объем грунта: V_гр = 3,3×2,4×2,5 – 8,73 = 11,07 м³.

Вес ростверка и грунта: G_рII + G_грII = 8,73×25 + 11,07×20,5×0,95 = 433,8 кН.

Все действующие усилия приводим к центру тяжести подошвы ростверка:

3119 + 433,8 = 3553 кН;

= 90,6 кН;

743,9 + 90,6 × 1,95 = 920,6 кНм.

Расчетные усилия для расчета по первой группе предельных состояний равны:

= 3553 × 1,2 = 4264 кН;

= 920,0 × 1,2 = 1105 кНм;

= 90,6 × 1,2 = 109 кН.

По формуле (3) СНиП /10/ определяем фактические расчетные нагрузки на крайние сваи

N_max = 426,4 + 126,7 = 553 кН < 1,2 F_v = 611 кН;

N_min = 426,4 - 126,7 = 299,7 кН > 0;

Условия 4.16. соблюдены

Определяем расчетные значения горизонтальных перемещений и угол поворота головы сваи ψ_р при действии поперечной силы и момента в плоскости рамы здания по рекомендуемому приложению 1 к СНиП /10/. В связи с тем, что ростверк низкий, сваи погружены в относительно прочные и плотные грунты на глубину более 10d, зоны предельного равновесия (пластической) в верхней части грунта, окружающей сваю, не образуется.

Поэтому выполняется одностадийный расчет свай по п.12 приложения 1 к СНиП /10/:

- поперечная сила Н и изгибающий момент М, действующие на голову сваи в уровне подошвы ростверка, определяется от горизонтальных нагрузок при

γ_f = 1 и допущении равномерного распределения между всеми сваями

- так как ростверк низкий, принимаем Н = Н₀; М = М₀; U_р = U₀; ψ_р = ψ₀.

Определяем члены уравнений (30) и (31) п.12 /10/:

Коэффициент деформации по формуле (11) приложения 1 к СНиП /10/

где Е – модуль упругости бетона, принимаемый по таблице 18 СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции»;

- момент инерции поперечного сечения.

k = 3150 кН/м⁴ – коэффициент пропорциональности, принятый для грунта, расположенного на глубине от подошвы ростверка;

l_k = 3,5d + 1,5 = 3,5 × 0,3 + 1,5 = 2,55 м,

т.е. супеси пластичной, по таблице 1 приложения к СНиП /10/;

γ_с = 3 – коэффициент условий работы по п.1 приложения 1 к СНиП /10/;

b_р = 1,5d + 0,5 м = 1,5 × 0,3 + 0,5 = 0,95 м по п.4 приложения 1 к СНиП /10/.

Приведенная длина сваи по формуле (7) приложения 1 к СНиП /10/

По формулам (32, 33, 34) приложения 1 к СНиП /10/ определяем горизонтальное перемещение сечения от действия силы Н = 1, приложенной в уровне поверхности грунта:

где А₀, В₀, С₀ – коэффициенты, принимаемые по таблице 5 приложения 1 к СНиП /10/.

По формулам (30) и (31) приложения 1 к СНиП /10/ определяем горизонтальное смещение и угол поворота свай в уровне подошвы ростверка

U_p = U₀ = H₀ × ε_нн + М₀ × ε_нм = 9,06 × 0,000483 + 92,1 × 0,000231 = 0,025 м;

Ψ_p = Ψ₀ = H₀ × ε_мн + М₀ × ε_мм = 9,06 × 0,000231 + 92,1 × 0,00018 = 0,019 рад.

Условие (4.17) ограничения горизонтального смещения обреза ростверка не выполняется, т.к. U_p =2,5 см > 1 см.

Переходим на жесткое сопряжение головы сваи с ростверком, заделывая сваю в ростверк на глубину d = 30 см, тогда поворот головы сваи невозможен Ψ₀ = 0, и на голову сваи со стороны заделки передается момент, определяемый по формуле (40) приложения 1 к СНиП /10/

Горизонтальное перемещение головы сваи по формуле (30) приложения 1 к СНиП /10/ будет иметь вид:

U_p = U₀ = H₀ × ε_нн + М_f × ε_нм = 9,06 × 0,000483 - 11,63 × 0,000231 = 0,0017 м = 0,17 см.

Здесь знак «минус» означает, что при горизонтальной силе Н, направленной слева направо, момент M_f направлен против часовой стрелки.

Горизонтальное смещение обреза ростверка по формуле (4.17)

S_b = U_p + d Ψ_p = 0,17 см < 1 см.

Условие ограничения горизонтального смещения и угла поворота сваи выполняется.

Выполняем расчет осадки свайного фундамента как условного массивного (см. § 6 СНиП /10/). Расчетная схема представлена на рис.4.14.

Размеры свайного поля по наружному обводу:

В = 2 × 0,9 + 0,3 = 2,1 м; L = 2 ×,9 + 2 × 0,45 + 0,3 = 3,0 м.

Размеры площади условного фундамента (см. рис.4.13):

Площадь условного фундамента:

А_усл = l_усл × b_усл = 5,3 ×4,4 = 23,31 м².

Объем грунта в общем объему условного фундамента:

V_гр = А_усл × d_усл – V_св – V_рост = 23,32 × 12,2 – 0,873 ×10 – 8,73 = 267 м³.

Средневзвешенное значение удельного веса грунта в пределах условного фундамента до отметки -12,30 м с учетом взвешивающего действия воды:

Вес грунта в объему условного фундамента:

G_грII = V_гр × = 267 × 11,8 = 3151 кН.

Вес ростверка: G_рII = 8,73 × 25 = 218 кН.

Вес свай: G_свII = 0,873 × 10 × 25 = 218 кН.

Определяем давление на грунт основания в плоскости подошвы условного фундамента. Расчетные нагрузки, приведенные к центру тяжести подошвы фундамента:

3119 + 218 +218+3151 = 6706 кН;

743,9 + 90,6 × 1,95 = 911,6 кНм.

Расчетное сопротивление грунта в основании условного фундамента (песок среднезернистый φ_II = 36^о) определяем по формуле (7) СНиП /9/:

Условия (4.8-4.10) соблюдены. В основании условного фундамента залегают пески средней крупности и плотности, характеризующиеся коэффициентом пористости е = 0,60 < 0,65, поэтому согласно п.2.56 СНиП /9/, расчет осадки условного фундамента можно не выполнять, т.к. грунтовые условия площадки и сооружение удовлетворяют перечню, приведенному в таблице 6 СНиП /9/.

Проверяем толщину нижней плиты ростверка на продавливание угловой сваей по п.3.42 СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции».

Условие расчета:

F ≤ αR_btU_mh_o, (4.18.)

где F – продавливающая сила;

α – коэффициент, принимаемый дл тяжелого бетона, равны 1,0;

R_bt – сопротивление бетона осевому растяжению, принимаемый по табл. 13 СНиП 2.03.01-84; для бетона ростверка класса В15 R_bt = 0,75 МПа;

h_o – рабочая высота сечения (см. рис.4.15.)

h_o = 45 – 5 = 40 см;

U_m – среднеарифметическое значение периметра верхнего и нижнего оснований пирамиды, образующейся при продавливании в пределах рабочей высоты сечения.

В рассматриваемом примере при угле наклона боковых граней пирамиды продавливания α > 45^о (рисю4.14.)

Правая часть уравнения 4.18:

1 × 750 × 7,2 × 0,4 = 2160 кН.

Продавливающая сила F для внецентренно нагруженных ростверков определяется как сумма

F = 2∑N_i (4.19.)

где N_i – сумма реакций всех свай, расположенных с одной стороны от оси колонны, в наиболее нагруженной части ростверка за пределами пирамиды продавливания за вычетом реакций свай. Расположенных в зоне продавливания с той же стороны от колонны. Реакция свай определяется только от нагрузок, действующих в уровне обреза ростверка. Тогда для свай 2, 3, 7, 9, 10 (см. рис.4.14):

F = 2886 кН > αR_btU_mh_o = 2160 кН.

Условие расчета на продавливание не выполняется, ростверк может быть продавлен сваями. Увеличиваем высоту сечения плитной части до 600 мм, тогда:

αR_btU_mh_o = 1 × 750 × 7,2 × 0,55 = 2970 кН > F = 2886 кН.

Расчет ростверка на продавливание удовлетворен. Конструктивный расчет свайного фундамента окончен.

4.4.6. Выбор механизма для погружения и определение проектного отказа сваи:

Методика выбора механизмов для погружения свай и необходимые справочные данные содержатся в литературе /13, 15, 16/.

Для принятого типа свай необходимо выбрать молот или вибропогружатель, определить проектный отказ висячих свай. Сваи-стойки погружаются до заданной глубины. Эти сведения приводятся в примечании к графической части проекта.

Применение того или иного способа погружения свай зависит от вида грунтов. Так, ударный метод пригоден при любых грунтах, но наиболее эффективен при относительно плотных и маловлажных глинистых и песчаных грунтах. Вибропогружение эффективно при наличии рыхлых песчаных и водонасыщенных супесчаных грунтов; вибровдавливание в лидерные скважины рекомендуется при погружении в мягкопластичные, текучепластичные и текучие суглинки и глины. Молот подбирается, исходя из расчетной нагрузки, допускаемой на сваю F_v, по минимальной энергии удара и коэффициенту применимости по п.8.8 /13/ (см. п.8.5.2. /15/). В первом приближении выбрать дизель-молот или молот одиночного действия можно по отношению массы его ударной части к массе сваи, которое для свай длиной до 12 м должно быть не менее 1, 5 при плотных грунтах, 1,25 – при грунтах средней плотности и 1 – при слабых водонасыщенных грунтах.

Тип вибропогружателя побирается, исходя из расчетной несущей способности сваи F_d и отношения K_o/G_b (где K_o – статический момент дебалансов; G_b – суммарная масса сваи, наголовника и вибропогружателя) – см. п.8.23 /13/.

Проектный отказ S_a, м (величина осадки сваи от одного удара молота в конце забивки или при работе вибропогружателя в течении 1 минуты) определяется по формуле Н.М. Герсеванова (см. п.5.7 СНиП /10/):

где А – площадь поперечного сечения ствола сваи (независимо от наличия или отсутствия у сваи острия), м²;

Е_d – расчетная энергия удара молота, кДж, принимаемая по таблице 12 СНиП /10/или расчетная энергия вибропогружателя – по таблице 13 /10/;

Дата добавления: 2014-11-06