Расчет осадки свайного фундамента

При разработке проекта дома одним из важнейших этапов работ является проведение геологических изысканий, позволяющих определить состав залегающих грунтов, на основе чего проводятся расчеты всех конструктивных элементов сооружения. Определение размеров, структуры, формы как подземных, так и находящихся на поверхности частей здания тесно связано со способностью грунтов воспринимать определенные виды нагрузок. При возведении основания на слабых почвах может произойти осадка свайного фундамента, во избежание чего необходимо выполнение вычислений, определяющих предельные состояния грунтов.

Нормативные документы

Основным документом, описывающим конструкцию и типы фундаментов на свайных опорах, а также регламентирующий их конструирование и расчет считается СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».

Более современным документом, разработанным не так давно, является СП 24.13330.2011. В современной редакции СНиП каких-либо значительных изменений не добавлено, хотя некоторые замены и уточнения после появления новых технологий и материалов были внесены. При сомнениях и существенных разногласиях ориентироваться, все же, следует на СП, в которых приведены конкретные примеры.

В Правилах озвучиваются основные запросы, предъявляемые к разработке конкретного типа основания – свайного.

В СП описываются различные типы опор, инженерно-геологические характеристики, рассматриваются нюансы и частные примеры расчетов вновь возводимых зданий, реконструируемых построек. Положения СП 24.13330.2011, равно как и СНиП 2.02.03-85 не применяются к свайным основаниям, строящимся:

• для сооружений, находящихся под нагружением динамического характера;
• в вечной мерзлоте;
• на заглублении, превышающем 35 м;
• для сооружений, относящихся к предприятиям нефтепереработки.

Основные положения

Разработка проектов и расчет фундаментов на свайных опорах основаны на:

• данных инженерно-геологической разведки;
• сейсмической категорийности области проектирования;
• конструктивных, технологических, эксплуатационных характеристиках сооружения;
• значении и направленности приложения постоянных и кратковременных нагрузок;
• ТЭР при сопоставлении с конкурирующими вариантами.

Виды свайных опор

Согласно СНиП 2.02.03-85 и более современному СП 24.13330.2011 сваи разделаются на следующие виды:

• По способу заглубления – винтовые, забивные, вибропогружаемые и вдавливаемые, буровые и набивные;
• По виду давления на грунт – висячие и стоячие;
• По форме поперечного и продольного сечений;
• По типу “пятки”;
• По материалам изготовления – металлические, деревянные, железобетонные и бетонные;
• По наличию и способу армирования.

Виды расчетов

СП 24.13330.2011 указывает, что расчет фундаментных оснований выполняется по критическим состояниям, разделяемым на две группы.

По предельным состояниям первой группы высчитываются и устойчивость, и несущая способность, учитываются прочностные характеристики материалов. Вторая группа касается осадки свай под воздействием вертикально приложенных нагрузок, различным сдвигам основания в горизонтальной плоскости совместно с пластами грунта, образования трещин значительной глубины в теле конструкции оснований из железобетона.

Допустимую осадку подземного основания здания, согласно СНиП 2.02.03-85, необходимо рассчитывать по второй группе состояний.

Важнейший нюанс расчетов – обязательное принятие запаса надежности. Итоговое значение принимается по расчету по различным альтернативным вариантам и сопоставления полученных данных.

В СП 24.13330.2011 представлены требующиеся расчетные значения и постоянные, уточнены нагрузки на основание и их возможные сочетания.

Выполнение вычислений

Выполнение полного расчета свайного основания – процедура достаточно длительная и сложная. Эта работа может выполняться проектной организацией на протяжении нескольких дней с использованием соответствующего программного обеспечения, такое же время обычному человеку потребуется только на изучение теоретической информации и методических рекомендаций.

Для расчета фундамента частного дома можно воспользоваться несколько упрощенным методом, разобраться с которым без труда сможет каждый.

Расчет количества и величины осадки свай

Сваи необходимо размещать в наиболее нагружаемых точках фундамента, а именно:

• По углам наружного периметра;
• В точках пересечения внутренних стен;
• В точках пересечения внутренних и наружных стен.

Проще всего расположение свай определить, вычертив на бумаге в определенном масштабе план фундамента. Расстояние между сваями следует принимать не более 3 м, в противном случае следует устанавливать дополнительные опоры.

Затем следует определить, способно ли получившееся по расчету количество свай и находящийся под ними грунт выдержать вес здания.

В СП 24.13330.2011 приведено несколько примеров схем взаимного расположения свай, базирующихся на линейно-деформируемой теории грунтов, однако, при должном обосновании могут быть применены иные варианты.

При определении осадки свайных фундаментов любого типа основой можно назвать вычисление величины суммарной осадки S, которая не должна превысить предельно допустимой деформации Su. То есть, должно соблюдаться неравенство:

Если это условие не соблюдается, то необходимо сделать перерасчет с большим погружением свай до той глубины, при которой будет достигнуто требуемое значение.

По СНиП осадка висячих свай определяется как условный фундамент, границы которого на линии пяты покидают суммарную площадь реальных лент либо “кустов” свай. В актуальной версии СП 24.13330.2011 допустимая осадка определяется несколько иным методом.

Одиночные сваи

Для расчета свайного фундамента СП с различными видами свай используются разные формулы.

Для свай, висячих без расширения в зоне пяты, справедлив следующее выражение:

где N – вертикально направленная нагрузка, принимаемая сваей, МН;

G1 – модуль сдвига;

l – длина сваи, м;

β – коэффициент, равный:

В этой формуле значения α и ß определаются из выражений:

здесь, d – диаметр сваи по наружному контуру, м.

Если поперечное сечение сваи имеет прямоугольную, квадратную, тавровую либо двутавровую форму, то диаметр d определяется из тождества:

В этой формуле А – площадь поперечного сечения, принимаемая из таблиц СП, м2.

Затем:

где υ – коэффициент Пуассона;

Относительная жесткость сваи определяется из выражения:

В этой формуле индексом ЕА обозначается жесткость ствола на сжатие.

Параметр, определяющий увеличение полученной по расчету осадки из-за сжатия ствола может быть определен из соотношения:

Для стоячих и висячих свай с уширением в зоне пяты общая осадка определяется по формуле:

В которой db означает диаметр свайного расширения внизу.

Значения коэффициента Пуассона и модуля сдвига находятся в зависимости от свойств пластов грунта и принимаются по методу послойного суммирования и получения среднего значения при делении полученной величины на число слоев грунта в пределах заглубления сваи.

Расчет осадки свайного “куста”

Расчет осадки группы свай основан на их взаимодействии между собой. При этом необходимо определить дополнительную деформацию сваи, размещенную на расстоянии а от сваи, работающей под нагрузкой.

Для этого применяется следующее выражение:

где:

При известном распределении нагрузок между сваями, значение величины осадки любой из них может быть вычислено из равенства:

в котором s(N) – осадка, высчитываемая из выражения для одиночной сваи.

При неопределенном распределении расчет выполняется по той же формуле, но при этом необходимо учитывать некоторые нюансы и обладать определенными знаниями в области строительной механики.

Расчет свайного поля

В таком случае вычисления производятся иным методом, отличающимся от уже рассмотренных вариантов, по формуле:

где sef – оседание условного основания;

∆sp – величина дополнительной осадки, возникающей при продавливании свай на уровне подошвы условного основания;

∆sc – значение дополнительной осадки, возникающей при сжатии ствола свай.

Осадка свайного поля также определяется способом послойного суммирования. При этом в области условного фундамента весом грунта можно пренебречь, а за нагрузку принимается только непосредственное влияние расчетных усилий на свайное основание.

Для выполнения расчетов способом послойного суммирования необходимо принять, что общее значение величины осадки зависит от интервала между свайными опорами в свету в границах площади свайного поля.

В данном случае можно столкнуться со значительными трудностями, потому как расстояние между сваями может быть различным. Тогда способ послойного суммирования приходится усложнить до метода ячейки, применяя при выполнении расчетов иные формулы и схемы, также имеющиеся в СП 24.13330.2011.

Общие принципы послойного суммирования

Способ подробно изложен в Строительных Правилах 2011 года. Вкратце его можно изложить так.

Вертикальные нагрузки на основание разделаются на более мелкие участки, совпадающими по толщине со слоями грунта, характеризующимися одинаковым составом и идентичным свойствами по всему объему. В схеме расчета криволинейная эпюра заменяется ступенчатой. Работа на сжатие каждого слоя определяется без учета бокового расширения грунтов. Значение общей осадки высчитывается способом послойного сложения.

Параллельно расчетам вычерчивается эпюра распределения напряжений, а для расчетов применяются указанные в СП специальные выражения и табличные значения некоторых показателей. Также в СП присутствует и пример схемы расчета.

Расчет комбинированного фундамента

Конструкция свайно-плитная подземной части сооружения используется зачастую и для снижения осадок, и для равномерного приложения действующих нагрузок. Основания такого типа достаточно эффективно использовать для сложных грунтов, предполагающих одновременное сочетание сопротивления нагрузкам и плиты, и свай.

Для выполнения расчета необходимо определить:

• Нагружение в плите и сваях;
• Процентное соотношение нагрузок, передающихся на каждую из свай и каждую из зон плиты;
• Деформирование и сдвиги комбинированного основания и отдельных его элементов.

По завершении расчетов высчитывается шаг и длина свайных опор с обязательным применением коэффициента надежности, величина которого принимается по СП 24.13330.2011 в зависимости от принятого количества свай.

Точность расчетов и правильный подбор элементов конструкции комбинированного основания позволяют гарантировать отсутствие существенной осадки, а также крены, перекосы, появление трещин на поверхности стен сооружения.

Как не ошибиться при отсутствии опыта

С группой грунта

Основой в расчете и определении целесообразности возведения свайного, как, впрочем, и любого другого основания, считается выявление вида грунта.

Грунты условно можно разделить на несколько групп:

• Каменистый (скалистый) грунт сам по себе может представлять надежное основание для строительства дома, потому свайный фундамент на нем возводить нет никакого смысла;
• На песчаных грунтах (также как и на “хрящеватых” – смеси песка, гравия, глины) также нет особой необходимости в установке свай – на них лучше всего устраивать мелкозаглубленные ленточные фундаменты, естественно, ниже глубины промерзания;

Для глинистых грунтов, обладающими диаметрально противоположными характеристиками (пучинистостью, пластичностью) свайные фундаменты – идеальное и, зачастую, единственно верное решение.

• На суглинках и супесях, равномерно сложенных, вполне можно построить дом и на ленточном фундаменте;
• Торфяники позволяют возводить лишь легкие строения на плитном основании. Посмотрите видео, как не ошибиться с типом фундамента.

С количеством свай

Чтобы пользоваться достаточно сложными вычислениями, описанными выше, разработаны простые правила подбора количества свай в соответствии с распределением опорных точек по периметру строения:

• Под каркасно-щитовыми и деревянными домами интервал между сваями не должен превышать 3 м;
• Для легкобетонных конструкций расстояние между заглубленными опорами следует принимать не более 2м.

Наиболее простым и понятным является следующий пример.

На листе бумаги в масштабе рисуется план дома. По углам и пересечениям стен намечаются точки, в которых сваи следует устанавливать прежде всего. Далее, применяются описанные чуть выше правила расстановки опор в зависимости от материала, из которого возводится постройка. Посмотрите видео, как рассчитать количество свай.

Под печи и массивные камины следует предусмотреть установку двух свай, а также учесть наличие веранды и прочих пристроек.

Из каких бы материалов ни строился бы дом, каких бы размеров и конструктивных особенностей он ни имел – расчет свайного основания в качестве несущей конструкции всего строения можно назвать главнейшим нюансом успешного строительства.