книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

Если осадка, определенная по формуле (11.11), оказыва­ ется более 40 мм, то за зна­ чение предельного сопротивле­ ния сваи принимают нагрузку, соответствующую осадке, рав­ ной 40 мм.

Расчет предельного сопро­ тивления сваи по средней осад­ ке здания или сооружения мо­ жет привести к определенным противоречиям. Так, на одной и той же строительной пло­ щадке для одних и тех же грун­ товых условий, но для разных по конструкции сооружений, предельное сопротивление сваи получается различным.

В настоящее время развива­ ется один из перспективных ме­ тодов расчета несущей способ-

ности свай по графикам s=f(F), но полученным не эксперименталь­ ным, а аналитическим путем на основе деформационной теории пластичности (А. А. Бартоломей, И. П. Бойко и др.). Развитие вычислительной техники сделало возможным численную реализа­ цию этих решений. Практический метод построения таких графи­ ков с учетом нелинейности деформируемости грунтов разработан на кафедре механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ (М. В. Малышев, Н. М. Дорошкевич).

Метод статического зондирования грунтов. В настоящее время все большее распространение получает метод статического зонди­ рования, как более дешевый и быстрый по сравнению с методом испытания свай статическими нагрузками.

Статическое зондирование заключается во вдавливании в грунт стандартного зонда, состоящего из штанги с конусом на конце >(диаметр основания конуса 36 мм, площадь 10 см2, угол заострения 60°). Конструкция зонда позволяет измерять не только общее со­ противление его погружению, но и величину лобового сопротивле­ ния конуса. Учитывая, что характер деформации грунтов при вдав­ ливании свай и при погружении конического зонда статической нагрузкой аналогичен, полученные данные о сопротивлении грунта вдавливанию зонда можно использовать для определения предель­ ных сопротивлений свай.

В отечественной практике для зондирования грунтов приме­ няют, в основном, две установки: установка, у которой зондиро-

331

вочный стандартный конус переходит в штангу, по всей длине которой развивается трение по грунту (зонд I типа); установ­ ка, у которой штанга имеет меньший диаметр, чем зондировочний конус, в результате чего трение по грунту развивается толь­ ко по его боковой поверхности на участке длиной 40 см (зонд П типа).

Предельное сопротивление грунта под нижним концом забивной сваи Rs, кПа, по данным зондирования в рассматриваемой точке определяется по формуле

(И-12)

где р1 — коэффициент перехода от сопротивления грунта под нижним концом зонда к сопротивлению грунта под острием сваи, принимаемый по табл. 11.4; qs — среднее значение сопро­ тивления грунта, кПа, под наконечником зонда, полученное на участке, расположенном в пределах одного диаметра d выше и че­ тырех d ниже отметки острия проектируемой сваи (d — диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи).

Среднее значение предельного сопротивления грунта по боковой поверхности забивной сваи /, кПа, по данным зондирования грунта определяется:

где р2, Pi — переходные коэффициенты, принимаемые по табл. 11.4; f„ — среднее значение сопротивления грунта по боковой поверх­ ности зонда, кПа, определяемое как частное от деления измерен­ ного общего сопротивления грунта на боковой поверхности зонда на площадь его погруженной в грунт боковой поверхности в пре­ делах от поверхности грунта в точке зондирования до уровня расположения нижнего конца сваи в выбранном несущем слое; f A— среднее сопротивление i-ro слоя грунта по боковой поверхности зонда, кПа;' Л, — толщина г-го слоя, м; h — глубина погружения зонда, м.

По известным значениям Л, и/предельное сопротивление забив­ ной сваи в точке зондирования F„ кН, определяют по формле

332

испытания грунтов статической нагрузкой с помощью металличес­ кой сваи-зонда, конструкция которой обеспечивает раздельное из­ мерение сопротивления грунта под нижним концом и по боковой поверхности сваи.

Методика определения несущей способности свай по резуль­ татам испытаний эталонных свай и свай-зондов изложена в СНиП

2.02.03— 85.

11.4.Расчет несущей способности свай при действии горизонтальных нагрузок

Причиной значительных горизонтальных нагрузок на фундамен­ ты могут быть тормозные нагрузки от кранов в цехах с тяжелым крановым оборудованием, температурные расширения технологи­ ческих трубопроводов предприятий нефтехимической и нефтегазо­ вой промышленности, односторонний обрыв проводов у ЛЭП, волновые воздействия и навал судов у причальных сооружений и т. д. Очевидно., что во всех этих ,случаях оценка несущей способ­ ности свай на горизонтальную нагрузку имеет весьма существенное значение.

В настоящее время несущая способность сваи на горизонталь­ ную нагрузку определяется либо методом испытания пробной на­ грузкой, либо одним из математических методов расчета.

Метод испытания свай пробной статической нагрузкой позволяет наиболее точно установить действительное сопротивление сваи дей­ ствию горизонтального усилия. При проведении испытаний горизо­ нтальные усилия на сваю создаются, как правило, гидравлическими домкратами, установленными либо между двумя забитыми сваями, либо между опытной сваей и упором из статического груза, чаще всего из железобетонных блоков (рис. 11.14, а). Нагрузка на сваю увеличивается ступенями, горизонтальные перемещения сваи на каждой ступени нагрузки фиксируются прогибомерами. Каждая ступень нагрузки выдерживается до условной стабилизации горизо­ нтальных перемещений.

По результатам испытаний строятся графики зависимости гори­ зонтальных перемещений сваи от нагрузок (рис. 11.14, б), по кото­ рым и определяется предельное сопротивление сваи.

За предельное сопротивление сваи Fu принимается нагрузка на одну ступень менее той, без увеличения которой перемещения сваи непрерывно возрастают. Несущую способность горизонтально на­ груженных свай по результатам испытаний определяют по формуле (11.7) при коэффициенте условий работы ус= 1.

Математические методы расчета свай на горизонтальные нагруз­ ки можно разделить на две группы в зависимости от характера деформаций свай в грунте.

334

Горизонтапчные перемещения, мм

Рис. 11.14. Испытания свай горизонтальной нагрузкой:

1 — опытная свая; 2 — гидравлический домкрат; 3 — прогибомер; 4 — упор ш статического груза

Первая группа методов разработана для коротких жестких свай, которые под дейстием горизонтальной нагрузки поворачиваются в грунте без изгиба, как это показано на рис. 11.15, а. Разрушение системы «свая — грунт» происходит за счет потери устойчивости грунтом основания. Расчет базируется на положениях теории пре­ дельного равновесия грунтов. За предельную принимается такая горизонтальная нагрузка, при которой реактивный отпор грунта у нижнего конца сваи достигнет предельного значения.

Вторая группа методов разработана для свай, которые под действием горизонтальных нагрузок изгибаются в грунте (рис. 11.15, б). Сопротивление таких свай, называемых длинными гиб­ кими, определяется прочностью материала сваи на изгиб. Методы расчета второй группы, как правило, основаны на использовании модели местных упругих деформаций (см. § 5.2).

Математические методы второй группы весьма многочисленны. Из них наиболее широко используется на практике инженерный метод расчета, изложенный в СНиП 2.02.03 — 85. По этому методу вертикальная свая рассматривается как балка на упругом основа­ нии, загруженная на одном конце. Грунт представлен линейно деформируемой средой, характеризуемой коэффициентом постели, увеличивающимся пропорционально глубине.- При этих условиях на основании решений строительной механики получены формулы для определения горизонтальных перемещений сваи и угла ее поворота на уровне поверхности грунта (Ир и \j/v), а также для определения изгибающих моментов и поперечных сил в любом сечении по ее длине. Решения получены как для свай со свободной головой, так и для свай, защемленных в ростверк.

При отнесении свай к той или иной категории жесткости следует учитывать не только длину сваи и жесткость ее поперечного

335

сечения, но и деформативные свойства грунта, поскольку одна и та же свая, работающая в слабом грунте как ко­ роткая жесткая, в прочном грунте будет вести себя как длинная гибкая.

В настоящее время общепринято де­ ление свай на гибкие и жесткие произ­ водить по так называемой приведен­

ной глубине погружения сваи в грунт 7, которая определяется по формуле

где / — фактическая глубина погруже­ ния сваи в грунт, м; К — коэффициент пропорциональности, кН/м4-, принима­

емый в зависимости от вида грунта по табл. 1 Приложения 1 СНиП 2.02.03 — 85; bv — условная ширина сваи, м, которая учитывает пространственный характер ее работы и принимается равной Ь?= 1,5<Й-0,5 м, где d — диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи, м; уе— коэффициент условий работы; Е1 — жесткость

поперечного сечения сваи на изгиб, кН ' м2.

При /^1 сваи рассматриваются как короткие жесткие, при 7> 1 — как длинные гибкие.

Что касается гибкости свайного фундамента, состоящего из нескольких свай, жестко заделанных в ростверк (куста свай), то, как показали опыты в МГСУ, она не может быть правильно оценена по приведенной глубине погружения в грунт одиночной сваи, посколь­ ку при этом не учитывается пространственная работа всей свайной конструкции. Гибкость куста свай Fx с учетом совместной работы

где / — фактическая глубина погружения сваи в грунт, м; Е и v — соответственно модуль деформации, кПа, и коэффициент Пуассона грунта (при слоистом напластовании грунтов принимаются средне­ взвешенные значения этих характеристик в пределах длины сваи); (Е61)ж— жесткость группы с учетом совместной работы всех свай, кН • м2, которая определяется по формуле

оси плана ростверка, кН м2; £ б — модуль упругости бетона, кПа;

336

/, — момент инерции z-й сваи относительно главной оси фундамен­ та, м4, определяемый по формуле

где /св — собственный момент инерции поперечного сечения сваи, м4; со— площадь поперечного сечения сваи, м2; х, — расстояние от оси z-й сваи до главной оси фундамента, м.

При Fx< 0,5 свайный куст классифицируется как жесткий, пово­ рачивающийся в грунте без изгиба, при 0,5^РЖ<1,0 — как свайный куст средней жесткости, поворот которого в грунте сопровождается его изгибом, и при Fx> 1,0 — как. гибкий свайный куст, изгиба­ ющийся в грунте без горизонтального смещения нижних концов свай.

Несущую способность горизонтально нагруженного куста свай по нормативным документам допускается определять как сумму сопротивлений одиночных свай. При этом допущении не учитывает­ ся снижение сопротивления сваи куста по сравнению с одиночной за счет совместной работы свай в фундаменте (см. «кустовой эффект» § 11.2). Точность решения может быть повышена при введении в расчет коэффициента взаимовлияния свай ЙГ„<1. Значения этого коэффициента, полученные на основании обработки большого чис­ ла опытов В. В. Знаменским и А. .В. Конновым, приведены в табл. 11.5.

Если имеются данные полевых испытаний горизонтальной на­ грузкой одиночных свай со свободной головой, то несущая способ­ ность куста свай на горизонтальную нагрузку Рп определется по формуле

где Рго — несущая способность, кН, одиночной сваи со свободной головой, определенная по данным полевых испытаний; К, —

337

коэффициент защемления, учитывающий жесткую заделку головы сваи в ростверк и принимаемый в зависимости от приведенной

глубины погружения сваи в грунт 7 по табл. 11.6; п — число свай

вкусте.

Таблица И.б. Коэффициенты эащемлешш К3голов сван в ростверк

11.5. Расчет и проектирование свайных фундаментов

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

по первой группе — по несущей способности грунта основания свай; по устойчивости грунтового массива со свайным фундамен­ том; по прочности материала свай и ростверков;

по второй группе — по осадкам свайных фундаментов от вер­ тикальных 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

где N — расчетная нагрузка, передаваемая на сваю, кН; Fd— несу­ щая способность сваи, определяемая любым из методов, изло­ женных в § 11.3; ук — коэффициент надежности, принимаемый равным: 1,2 — если несущая способность сваи определена по ре­ зультатам ее испытания статической нагрузкой; 1,25 — по резуль­ татам динамических испытаний, выполненных с учетом упругих деформаций грунта, а также по результатам статического зондиро­ вания грунта или его испытания эталонной сваей или сваей-зондом; 1,4 —- по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учета упругих деформаций грунта, или расчетом практическим методом.

Проверку устойчивости свайного фндамента совместно с грун­ товым массивом производят только в случае передачи на свай­ ные фундаменты больших горизонтальных нагрузок, а- также если фундамент расположен на косогоре или его основание имеет откос­ ный профиль. Проверку производят по расчетной схеме сдвига

338

грунта по круглоцилиндрической поверхности скольжения (см. § 6.3, 6.4). .

Расчет свайных фундаментов по предельному состоянию второй группы (по деформациям) при действии вертикальных нагрузок производят исходя из условия

(11.23)

где s — деформация свайного фундамента (осадка и относительная разность осадок), определяемая расчетом; su— предельно допусти­ мое значение деформации свайного фундамента, устанавливаемое заданием на проектирование или определяемое по СНиЛ 2.02.01 — 83* (см. табл. 9.2).

Фундаменты из свай, работающих как сваи-сгойки, рассчиты­ вать по деформациям от вертикальных нагрузок не требуется.

Расчет по перемещениям свайных фундаментов от действия го­ ризонтальных нагрузок и моментов заключается в выполнении условий

где Up и фр — расчетные значения соответственно горизонтального перемещения, м, и угла поворота, рад, свайного фундамента; Uy и фи— их предельные значения, устанавливаемые в задании на проектирование.

Расчет свай и ростверков по прочности материала производится в зависимости от применяемых материалов по соответствующим СНиПам и инструкциям.

Выбор конструкции свайного фундамента. Выбор конструкции свайного фундамента (вид свай, тип свайного фундамента и ро­ стверка) производится исходя из конкретных условий строительной площадки, характеризуемых материалами инженерных изысканий, конструктивными и технологическими особенностями проектиру­ емых зданий и сооружений, расчетных нагрузок, действующих на фундамент, а также на основе результатов сравнения возможных вариантов проектных решений.

Тип и вид свай выбираются в зависимости от инженерно-геоло­ гических условий строительной площадки и имеющегося оборудо­ вания для устройства свайных фундаментов.

Длина свай выбирается в зависимости от грунтовых условий строительной площадки и уровня расположения подошвы роствер­ ка. Нижние концы свай, как правило, заглубляют в плотные грунты с высокими расчетными характеристиками, прорезая напластования слабых грунтов. Заглубление забивных свай в грунт, принятый за основание под их нижние концы, должно быть не менее 1 м. Исключение составляют твердые глинистые грунты, гравелистые,

339

крупные и средней крупности пески, в которых допускается иметь заглубление 0,5 м.

Тип свайного ростверка выбирается в зависимости от назначе­ ния и конструкции сооружения. Чаще устраиваются фундаменты с низким ростверком, высокие ростверки применяют в основном в опорах мостов и в портовых гидротехнических сооружениях (на­ бережные, пирсы и т. д.).

Глубину заложения подошвы низкого ростверка назначают в за­ висимости от конструктивных решений подземной части здания или сооружения. Чаще всего ростверк располагают ниже пола под­ вала. В случае бесподвальных помещений ростверки могут заклады­ ваться практически на поверхности грунта. В пучинистых грунтах ростверк закладывается ниже расчетной глубины промерзания. В противном случае предусматриваются меры, предотвращающие или уменьшающие влияние на него сил морозного пучения грунта. К таким мерам относится, например, создание воздушного зазора между подошвой ростверка и поверхностью грунта, а для роствер­ ков под наружные стены — подсыпка под подошвой ростверка слоя шлака толщиной не менее 0,3 м или песка толщиной не менее 0,5 м.

Там, где это возможно и целесообразно, прибегают к безростверковому решению свайных фундаментов, совмещая сваю и колон­ ну или используя конструкции, состоящие из одиночных свай, наса­ док и колонн, и другие, подобные им.

Определение числа сван в фундаменте и размещение их в плане. Ц ентрально нагруженный свайный фундамент. Зная несу­ щую способность сваи Fd и принимая, что ростверк обеспечивает равномерную передачу нагрузки на все сваи фундамента, необ­ ходимое число свай п в кусте или на 1 м длины ленточного фун­ дамента определяют по формуле

(11.25)

где ук — то же, что и в формуле (11.22), N<n — расчетная нагрузка на куст, кН, или на 1 м длины ленточного фундамента, кН/м.

Для отдельно стоящего фундамента (куста свай) полученное по формуле (11.25) число свай округляется в сторону увеличения до целого числа.

Сваи в кусте надо разместить таким образом, чтобы ростверк получился наиболее компактным, при этом сваи можно располагать по прямоугольной сетке или в шахматном порядке. Обычно рассто­ яние между осями свай принимается a=3d (при меньшем расстоя­ нии между осями сваи трудно, а иногда и просто невозможно забить из-за чрезмерного уплотнения грунта межсвайного простра­ нства, а при большем — значительно увеличиваются размеры ро­ стверка), а расстояние от крайнего ряда свай до края ростверка —

340