Тема: Сваи и свайные фундаменты и фундаменты

Лекция № 12.

Ключевые слова: Фундаменты в вытрамбованных котлованах, фундаменты на набухающих грунтах.

Массовое строительство промышленных и гражданских зданий вызвало необходимость поиска новых рациональных ре­шений по устройству фундаментов. При определенных инже­нерно-геологических условиях таковыми оказываются свайные фундаменты.

В районах с большой мощностью слабых, водонасыщенных грунтов, подстилаемых плотными грунтами, и особенно при высоком стоянии подземных вод фундаменты мелкого заложе­ния оказываются нерациональными, а применение свайных фундаментов, как правило, дает значительный экономический эффект.

Виды свай и свайных фундаментов. Сваями называются погруженные в грунт или изготовлен­ные в нем жесткие стержни, предназначенные для передачи давления от сооружения на основание.

По условиям работы в грунте сваи подразделяются на сваи-стойки и висячие (сваи трения). К сваям-стойкам отно­сятся сваи, которые опираются на практически несжимаемый грунт.

По СНиП 2.02.03—85 к таким грунтам относятся скаль­ные, крупнообломочные с песчаным заполнителем плотным и средней плотности и глины твердой консистенции в водонасыщенном состоянии с модулем деформации E≥50 МПа. Сваи-стойки передают давление через пяту, по их боковой поверхно­сти силы трения не возникают. К висячим относятся такие сваи, которые окружены сжимаемыми грунтами. Несущая способ­ность таких свай складывается из сопротивления грунта под нижним концом сваи и по ее боковой поверхности.

В зависимости от способа изготовления, погружения и ма­териала сваи подразделяются на забивные (железобетонные и деревянные), набивные, буроопускные и винтовые.

Забивные железобетонные сваи изготовляют самых различ­ных сечений и размеров. По форме поперечного сечения они подразделяются на квадратные, прямоугольные, квадратные с круглой полостью, полые круглые диаметром до 800 мм (рис. 12.l).

Рис. 12.1. Форма сечения железобетонных свай:

а — квадратная; б — круглая пустотела»; в — квадрат­ная с круглой полостью;

г — квадратная без поперечного армирования

На каждый вид свай устанавливается стандарт, который приводится в справочной литературе. Например, сваи квадратные имеют размеры сечений от 0,2X0,2 до 0,4X0,4 м и длиной от 3 до 20 м. Полые круглые сваи имеют длину от 4 до 12 м и диаметр 0,4; 0,5; 0,6 и 0,8 м. Они изготовляются с открытым и закрытым нижним концом и в случае необходи­мости стыкуются по длине. По форме продольного сечения за­бивные железобетонные сваи подразделяются на призматиче­ские и с наклонными боковыми гранями — пирамидальные, трапецеидальные и ромбовидные (рис. 12.2).

Разновидностью забивных железобетонных свай являются: сваи-колонны, надземная часть которых используется в каче­стве колонны; сваи, погружаемые в лидерные скважины, уст­раиваемые диаметром несколько меньшим, чем диаметр свай; такой способ устройства свай предусматривается в случае про­ходки глинистых грунтов твердой, полутвердой консистенции и в других аналогичных случаях; сваи, погружаемые с помощью подмыва грунта (этот способ рекомендуется при проходке больших толщ песчаных грунтов).

Рис. 12.2. Профили забив­ных железобетонных свай:

а — пирамидальные; б — плос­копрофилированные; в, г — про­дольно-расчлененные;

д — сваи с забивными оголовками; е — ввинчиваемые

По способу армирования забивные железобетонные сваи из­готовляют с ненапрягаемой продольной арматурой и попереч­ным армированием; предварительно напряженные со стержне­вой или проволочной продольной арматурой и поперечным ар­мированием или без него (сваи небольшой длины).

Деревянные сваи применяются в настоящее время очень редко в связи с трудностями обеспечения строительства дре­весиной и ввиду загнивания голов свай, расположенных выше уровня подземных вод. Изготовляются деревянные сваи из бревен хвойной породы (сосна, ель, лиственница, пихта) диа­метром 22... 34 см, длиной 6,5 и 8,0 м. В случаях применения деревянных свай большей длины их стыкуют из двух-трех бревен.

Набивные сваи в отличие от забивных изготовляются непо­средственно на строительной площадке. В строительной прак­тике применяются следующие разновидности набивных свай (по Б. И. Далматову):

1) безоболочковые — изготовляются в скважинах без крепления ее стенок. Скважины заполняются бетонной смесью с тщательным трамбованием или вибрированием, что позво­ляет получить сваю со значительной несущей способностью. Для ее увеличения устраивают уширенную часть путем разбуривания. Так, например, изготовляют буронабивные сваи диаметром ствола 40... 170 см и длиной 40... 50 м. При зале­гании подземных вод в пределах ствола сваи изготовление таких свай производится с предварительным заполнением тиксотропным раствором тонкодисперсной глины (рис. 12.3);

Рис. 12.3. Изготовление буронабивных свай с уширенным нижним концом

(по Б. И. Далматову):

а — бурение скважины под защи­той глинистого раствора;

б — бето­нирование ствола сваи; в — изго­товленная свая

2) с извлекаемой оболочкой — изготовляются путем погружения в грунт оболочки с наконечником на нижнем кон­це. Выполняются забивкой, вибрированием или реже бурением с последующим заполнением бетонной смесью и тщательным уплотнением; 3) с не извлекаемой оболочкой — устраиваются в условиях напорных грунтовых вод, так как в этих условиях бетонная пробка в нижней части оболочки может быть нарушена и поэтому трудно обеспечить сплошность ствола сваи. Сваи с металлическими оболочками весьма дороги, поэтому их устраивают с повышенной несущей способно­стью, для чего в нижней части выполняется уширение с по­мощью камуфлетного взрыва (рис. 12.4).

Буроопускные сваи формируются из готовых железобетон­ных элементов, опускаемых в заранее пробуренные скважины с заполнением раствором зазора толщиной 5... 10 см между стеной скважины и железобетонным элементом.

Винтовые сваи представляют собой ствол в виде стальной или железобетонной оболочки с уширенной пятой, который слу­жит как винтовая лопасть и наконечник. Погружаются в грунт с помощью специальных механизмов (кабестанов) очень плав­но и без сотрясений. Такие сваи применяются в мостостроении, а также в качестве анкерных свай.

В последнее время все большее применение находит так называемая струйная технология для изготовления несущих конструкций в грунте и противофильтрационных завес. Основой-этой технологии является использование энергии водяной струи для прорезания в грунте полостей с последующим заполнением их твердеющим или противофильтрационным материалом. В НИИ оснований разработана струйная технология для уст­ройства свай круглого сечения, трех- и четырехлопастных, вин­товых, корневидных и др. Полость свай заполняется грунто­бетоном или бетоном. За счет развитой боковой поверхности удельная несущая способность таких свай (к единице расхо­да материалов) в 1,5... 1,8 раза больше, чем у свай круглого сечения.

Свайные фундаменты устраиваются, как правило, из не­скольких свай в связи с тем, что несущая способность оди­ночной сваи обычно значительно меньше передаваемой внеш­ней нагрузки.

Рис. 12.4. Изготовление камуфлетных свай в не извлекаемой оболочке:

а— установка заряда взрывчатого веще­ства; б — заполнение бетонной смесью;

в — образование после взрыва камуфлетной полости и заполнение ее бетоном;

г — изготовленная свая

В зависимости от условий работы конструкции и направления действующих нагрузок сваи располагаются вертикально, наклонно или комбинированным способом. Они объ­единяются ростверком, который распределяет нагрузку на сваи, обеспечивает их одновременную работу и равномерность осад­ки или осадки с креном без изгиба. Различают свайные фунда­менты с высоким и низким свайным ростверком. У низкого свайного ростверка подошва располагается ниже отметки спла­нированного грунта (рис. 12.5).

В пучинистых грунтах на него могут воздействовать силы морозного пучения. Высокий свай­ный ростверк располагается выше поверхности грунта и приме­няется в основном при строительстве мостов и гидротехниче­ских сооружений.

В зависимости от характера расположения свай в плане различают следующие виды свайных фундаментов: ленточные свайные фундаменты — для зданий и сооружений, передающих погонную нагрузку. Размещение свай в плане может быть од­норядным и многорядным (в два ряда и более); свайные ку­сты — группа свай, воспринимающих от конструкции сосредо­точенные нагрузки (колонны, столбы и т. д.); сплошное свай­ное поле — устраивают под сооружения, передающие нагрузки значительной величины (башни, трубы и т. д.).

Рис. 12.5. Типы свайных роствер­ков:

а — высокий; б — низкий

Расчетная схема работы висячей сваи в грунте представ­ляется следующим образом. Силы трения по боковой поверх­ности суммируются по длине сваи и передаются на нижележа­щие грунты (рис. 12.6). В этой же плоскости создается напря­жение в грунте за счет передачи продольного усилия на торец сваи. Таким образом, вокруг сваи образуется напряженный массив грунта, ограниченный с боков пирамидой, а по торцу— выпуклой криволинейной поверхностью. При этом — осредненное значение из величин углов внутреннего трения, который проходит свая.

Рис. 12.6. Схема работы одиночной сваи

(по В. А. Веселову)

Несущая способность одиночной сваи и сваи, входящей в свайный фун­дамент, различна. Это обусловлено тем, что при забивке свай в грунт во­круг нее образуется деформированная зона в размере 5... 6 ее диаметров, поэтому при расстоянии между свая­ми с≥2r эпюры давлений не пересе­каются и свая работает как одиноч­ная (рис. 6.7). С уменьшением с до 2r и менее работу каждой сваи сле­дует рассматривать с учетом работы всех свай.

Опытами проф. В. Н. Голубкова установлено, что несущая способность сваи в кусте больше, чем одиночной, за счет уплотнения грунта в межсвайном пространстве. В свайном фундаменте ростверк, сваи, межсвайный грунт работают и дают осадку как единое целое. При этом осадка свайного куста больше осадки одиночной сваи вследствие большей площадки загружения в плоскости нижних концов свай. С учетом этого, а также необходимости проектирования компактного ростверка и технико-экономических соображений расстояние между осями висячих свай принимается не менее 3d (d — диаметр или сто­рона поперечного сечения сваи). Расчетная нагрузка на сваю по СНиП 2.02.03—85

где F_d — расчетная несущая способность грунта основания оди­ночной сваи; — коэффициент надежности.

Расчетную несущую способность забивных свай всех видов, свай-оболочек и свай-столбов следует определить как наимень­шее из значений, полученных из следующих условий: а) сопро­тивление сваи по грунту; б) сопротивление сваи по материалу.

Рассмотрим методы определения расчетной несущей спо­собности для свай-стоек и висячих свай.

Рис. 12.7. Схема передачи давления на грунт сваями при различном расстоянии между ними:

а — эпюры давлений не пересекаются; б — эпюры давлений накладываются

, (12.1)

1. Сваи-стойки. Несущая способность забивных свай, свай-оболочек, набивных и буровых свай и свай-столбов, опираю­щихся на скальный грунт, а также забивных свай, опирающих­ся на малосжимаемый грунт, определяется по формуле

F_d = RA, (12.2).

где — коэффициент условий работы свай в грунте; А — пло­щадь опирания сваи на грунт; R — расчетное сопротивление под нижним концом сваи; для всех видов забивных свай R = 20 МПа; для набивных свай, свай-оболочек, заполняемых бетоном, и свай-столбов, заделанных в невыветрелый скальный грунт не менее чем на 0,5 м.

, (12.3)

где R_c.п — нормативное временное сопротивление скальной породы одноосному сжатию в водонасыщенном состоянии; g_q— коэффициент безопасности по грунту; l_d — расчетная глубина заделки сваи в скалу; d_f — наружный диаметр части сваи, за­деланный в скалу; для свай-оболочек, опирающихся на по­верхность скального грунта и прикрытых слоем нескальных грунтов толщиной не менее трех диаметров оболочки,

. (12.4)

2. Забивные висячие сваи. Несущая способность всех видов забивных висячих свай рассчитывается по формуле

F_d= g_с(g_сRRA + uSg_сff_ih_i), (12.5)

где g_c— коэффициент условий работы свай в грунте;.R — рас­четное сопротивление грунта под нижним концом сваи, опре­деляемое по СНиПу в зависимости от вида грунта, его со­стояния и глубины погружения сваи; А — площадь попереч­ного сечения сваи; и — периметр поперечного сечения сваи; f_i — расчетное сопротивление i-го слоя грунта по боковой по­верхности сваи, определяется по таблицам СНиПа в зависи­мости от вида грунта, его состояния и средней глубины распо­ложения слоя; g_cR и g_cf — коэффициенты условий работы грун­та соответственно под нижним концом сваи и по ее боковой поверхности, принимаемые по СНиПу в зависимости от способа погружения сваи; h_i — толщина i-го слоя грунта, проходимого сваей. Из формулы (6.5) видно, что несущая способность ви­сячей сваи определяется как сумма сопротивлений грунта под нижним концом и по боковой поверхности сваи.

Несущая способность набивных свай в общем случае опре­деляется по формуле (12.5). Разница лишь в определении ко­эффициентов условий работы g_c, g_cR, g_cf и расчетного сопро­тивления грунта под нижним концом сваи. Значения коэффи­циентов принимаются по СНиПу в зависимости от способа устройства набивной сваи и вида грунта.

Для пылевато-глинистых грунтов R принимается по таблице СНиПа, для песчаных и крупнообломочных грунтов — по формулам СНиПа исходя из предельного равновесия массива грун­та под сваей перед потерей устойчивости.

3. Определение несущей способности свай эксперименталь­ными способами. Для уточнения несущей способности свай, определенной по формуле, на строительной площадке произво­дят опытные испытания. В настоящее время применяют в ос­новном следующие методы испытания свай: динамический, ста­тическое зондирование и испытание статической нагрузкой.

Динамический метод основан на равенстве работ, совершае­мых при ударе свайного молота о голову сваи и по преодоле­нию сопротивления грунта при погружении сваи. Динамические испытания проводятся после забивки испытуемых свай до про­ектного отказа и ее «отдыха», необходимого для восстановле­ния структуры грунта вокруг сваи и получения действительного отказа. По СНиПу величина «отдыха» для свай, забитых в песчаные грунты, составляет трое суток, в глинистых грун­тах — шесть суток.

Исходя из равенства работ проф. Н. М. Герсевановым полу­чена формула для определения предельного сопротивления сваи

(12.6)

где h — коэффициент, зависящий от упругих свойств материа­ла сваи; А — площадь поперечного сечения ствола сваи; М — коэффициент, принимаемый в зависимости от способа погру­жения сваи; Е_d — расчетная энергия удара молота или виб­ропогружателей; s_a— фактический отказ после «отдыха» (определяется как средняя величина из залога — десять уда­ров); m₁ — полный вес молота или вибропогружателя; e — ко­эффициент восстановления удара; m₂ — вес сваи и наголовника; m₃ — вес подбабка.

При малых значениях отказа (<0,002м) учитывают упругие деформации системы «свая — грунт». Для этого с помощью отказомера замеряют упругий и остаточный отказ и по соот­ветствующей формуле определяют F_u. Динамические испыта­ния по трудоемкости и времени проведения являются более приемлемыми по сравнению с другими методами испытаний. Однако достоверность результатов, как правило, оценивается ниже метода испытаний статической нагрузкой.

Метод статического зондирования позволяет оценить со­противление грунта погружению сваи под ее нижним концом и по боковой поверхности. Результаты статического зондиро­вания позволяют наиболее точно определить несущую способ­ность сваи в песчаных грунтах и супесях и менее точно — в водонасыщенных глинистых грунтах. В последнем случае не­обходимо установить корреляционную зависимость между статической нагрузкой, требуемой для погружения зонда, и несу­щей способностью сваи, определенной методом испытания статической нагрузкой. По результатам статического зондиро­вания сопротивление грунта под нижним концом сваи

R_s=b₁q_s, (12.7)

где b₁ — переходный коэффициент от сопротивления грунта под зондом при погружении к сопротивлению грунта под сваей; q_s — среднее значение сопротивления грунта погружению зонда на участке, расположенном на ld выше и 3d ниже острия сваи (d — сторона или диаметр сваи).

Среднее сопротивление грунта по боковой поверхности f определяется по формуле (6.8) для установки типа С-979:

f = b₂f_s, (12.8)

где b₂ — переходный коэффициент (принимается по СНиПу); f_s — среднее удельное сопротивление грунта по боковой поверх­ности зонда при погружении его на глубину забивки сваи (при­нимается по результатам испытания). Несущая способность сваи

F_u=R_sA+fhu, (12.9)

где А — площадь поперечного сечения сваи; h — длина сваи; u — периметр поперечного сечения.

Следует отметить, что достоверность результатов статиче­ского зондирования не отличается высокой точностью, поэто­му при применении этого метода необходимо учитывать класс сооружения, оборудования для проведения опытов, вид грунта, его состояние и т. д.

Испытание свай статической нагрузкой выполняется по сле­дующей схеме (рис. 12.8). С помощью гидравлического дом­крата ступенями прикладывается статическая нагрузка с дове­дением осадки до условной стабилизации и замеряется ее величина. По результатам испытаний строится график в осях «осадка — нагрузка» (рис. 12.9).

Рис. 12.8. Схема испытания свай статической нагрузкой:

1 и 5—анкерная свая; 2 — упорная балка;

3 —домкрат; 4 — испытуемая свая; 6 — насос

Рис. 12.9. График зависи­мости осадки s от нагрузки Р

В общем случае этот график имеет вид плавной кривой. Кривая 3 характерна для слабых грунтов, 1 — для плотных грунтов. Резкое увеличение кривиз­ны графика s=f(p) свидетельствует о «срыве» сил трения, при этом несущая способность сваи практически исчерпывается. По графику s=f(p) определяют нормативное значение предель­ного сопротивления сваи F_u.n. По СНиПу его находят следующим образом: на графике s=f(p) определяют нагрузку, под воздей­ствием которой свая получает осадку s. Значение s определяют по формуле

s=xs_u.mt, (12.10)

где S_u.mt — предельная величина осадки возводимого здания или сооружения; x — коэффициент перехода от предельной величи­ны осадки здания к осадке сваи с учетом условной стабилиза­ции ее осадки. При условной стабилизации осадки, равной 0,1 мм за 1 ч наблюдения и опирании сваи на песчаные или глинистые грунты от твердой до тугопластичной консистенции, = 0,2.

Несущая способность сваи по результатам статических и ди­намических испытаний

(12.11)

где g_с — коэффициент условий работы; g_q — коэффициент на­дежности по грунту.

Результаты испытаний сваи статической нагрузкой имеют наибольшую достоверность из всех рассмотренных методов, по­этому чаще всего применяется при оценке несущей способно­сти сваи, несмотря на значительную трудоемкость. Изложенные способы нашли широкое применение для оценки несущей спо­собности забивных свай. В связи с этим особое значение при­обретают методы исследований основания набивных свай.

В НИИ оснований созданы комплекты ПИКА (полевой из­мерительный комплект аппаратуры), которые позволяют уве­личить глубину зондирования до 30 м и могут быть использо­ваны на любой установке статического зондирования или на погружающем устройстве с постоянной скоростью вдавливания. Использование комплектов позволяет исследовать свойства грунтов и проконтролировать качество скважин, выполненных под набивные сваи. Одновременно представляется возможность проверить результаты статического зондирования, выполненные на первом этапе для предварительной оценки несущей способ­ности набивных свай.

4. Основные сведения об отрицательном трении и его учете. Если в пределах длины сваи имеется слой слабого сильносжимаемого грунта, то при некото­рой интенсивности внешнего дав­ления (рис. 6.10) грунт, лежа­щий выше слабого грунта, будет давать осадку и перемещаться относительно свай вниз.

Рис. 12.10. Схема развития отри­цательного трения

В ре­зультате по боковой поверхно­сти сваи развивается трение, ко­торое направлено вниз и будет догружать сваю. Это трение на­зывается отрицательным (нега­тивным). Оно может иметь место при загрузке территории полез­ными нагрузками, динамических воздействиях, просадке грунта и т. д. По СНиП 2.02.03—85 в этих случаях уменьшается вели­чина сопротивления грунта по боковой поверхности сваи в зави­симости от толщины грунтовой подсыпки и мощности слоя сла­бого грунта. Имеется и ряд других предложений по учету от­рицательного трения.

Дата добавления: 2015-06-04