Последовательность проектирования и расчета свайных фундаментов.

Проектирование и расчет свайных фундаментов рекомендуется выполнять, придерживаясь следующей последовательности [1]:

1)  Анализируются инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки строительства. Выявляются конструктивные особенности проектируемого здания или сооружения и определяются предельные деформации оснований и надземных конструкций.

2)  Определяются нагрузки, приложенные к свайному фундаменту, в уровне верхнего обреза ростверка и составляются их сочетания.

3)  Назначается глубина заложения подошвы ростверка.

4)  Выбирается вид свай, назначаются размеры поперечного сечения, длина сваи и способ погружения ее в грунт.

5)  Назначается расчетная схема сваи (свая-стойка или свая висячая), определяется ее несущая способность по грунту и по материалу.

6)  Определяется количество свай в кусте свайного фундамента под колонну каркасного или количество рядов и расстояние между сваями в ленточном свайном фундаменте под стену здания.

7)  Конструируется ростверк, и назначаются его основные размеры.

8)  Уточняется нагрузка, передающаяся на сваи, с учетом собственного веса ростверка и грунта на его уступах, моментов и горизонтальных нагрузок. Проверяется выполнение условия несущей способности сваи.

9)  Рассчитывается осадка свайного фундамента и проверяется выполнение условия расчета по деформациям.

10)  Производится подбор сваебойного оборудования, определяется проектный отказ сваи и назначаются сваи, подлежащие испытанию динамической нагрузкой, с целью контролирования фактической несущей способности сваи при производстве работ.

11)  Определяются технико-экономические показатели варианта свайного фундамента.

В силу ограниченности, в данном документе разбираются только пункты 5 и 9. Также предполагается, что вид свай и их расположение, а также конструкция фундаментной плиты уже известны. Следует заметить, что все выкладки и расчеты в данном документе сделаны для висячих свай.

Для составления, несмотря на наличие большого числа литературы, упор делался именно на актуализированные версии СНиПов.

Определение несущей висячей способности сваи.

Определение несущей способности висячей сваи на основе анализа литературы [1], [2] рекомендуется начинать с составления расчетной схемы, на основе геологического разреза. Схема должна содержать высоту каждого слоя , а также значения таких параметров, как:

– расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое по табл. 1;

– расчетное сопротивление -того слоя на боковой поверхности сваи, по табл. 2;

– коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи, согласно [2] для сплошной сваи, погружаемой механическими, паровоздушными и дизельными молотами равен 1;

– коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи, аналогично с принимаемый равным 1.

В соответствии с [2] несущая способность забивной сваи определяется как сумма расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле

где

– коэффициент условий работы сваи в грунте, согласно [2] равный 1;

– периметр сечения сваи;

– площадь сечения сваи.

Таблица 1

Таблица 2

Расчет осадки одиночной сваи.

Согласно [2] для расчета осадки одиночной сваи, длиной , прорезающей слой грунта с модулем сдвига и коэффициентом Пуассона , опирающейся на грунт, рассматриваемый как линейно-деформируемое полупространство с параметрами и , при выполнении условия

допускается производить по формуле

где – вертикальная нагрузка, передаваемая на сваю;

– коэффициент, определяемый по формуле

Коэффициенты, входящие в формулу определяют выражениями:

коэффициент, соответствующий осадке абсолютно жесткой сваи

коэффициент, соответствующий осадке абсолютно жесткой сваи в перерезаемом слое

относительная жесткость сваи

– модуль упругости сваи, – площадь сечения сваи;

параметр, характеризующий увеличение осадки за счет сжатия ствола сваи

расчетный диаметр сваи

где площадь сечения сваи.

Расчет осадки одиночной сваи рекомендуется выполнять в следующей последовательности:

1)  На основе модуля деформаций и коэффициента Пуассона вычисляются модули сдвига каждого из слоев по формуле:

2)  На основе расчетной схемы определить значения и путем осреднения для всех слоев грунта в пределах глубины погружения сваи:

где – толщина слоя.

3)  Далее вычисляются приведенные характеристики линейно-деформируемого полупространства, аналогично перерезаемым слоям, причем осреднение производят в пределах .

4)  После этого по формулам вычисляются коэффициенты и .

5)  Для вычисления расчетного диаметра используется формула.

6)  Затем по формулам и вычисляются коэффициенты для абсолютно жесткой сваи.

7)  Далее вычисляется относительная жесткость сваи.

8)  После этого подсчитывается осадка, за счет сжатия ствола сваи.

9)  Затем вычисляем по формуле.

10) Полученное выражение подставляем в и вычисляем осадку сваи.

Следует отметить, что из выражения можно получить выражение для жесткости одиночной сваи :

Выражение можно свести к коэффициенту постели «размазав» жесткость одиночной сваи по ее площади.

Пример расчета осадки одиночной сваи

1)  В силу того, что данные геологического исследования не содержат информации о коэффициенте Пуассона грунтов, допускается определять по формуле .

Соответственно

;

;

2)  Отсюда находим

;

3)  В пределах имеем однородный слой, для которого , , ;

4)  ;

5)  ;

6)  ;;

7)  ;

8)  ;

9)  ;

10)  .

Расчет осадки свайного куста.

При расчете осадки группы свай необходимо учитывать их взаимное влияние. Для этого, к выражению осадки одиночной сваи добавляется дополнительная осадка от воздействия осадки соседней сваи.

Согласно [2] расчет осадки -той сваи в группе из свай определяется выражением

Для вычисления коэффициента влияния используется формула:

где – расстояние между осями -той и -той сваи, – символ Кронекера.

Ввиду высокой жесткости рассматриваемой фундаментной плиты

Подставляя и в, получим

Полученные из выражения осадки для каждой сваи свайного куста будут иметь различное значение. Как говорилось ранее, такое деформированное состояние является некорректным ввиду высокой жесткости фундаментной плиты. Более логично предположить, что все сваи в свайном «кусте» в данном случае должны иметь одинаковую осадку равную средней осадке. Для вычисления средней осадки будем использовать следующее выражение

Так же, как и в случае одиночной сваи из выражения аналогично получим жесткость свайного «куста» :

Расчет осадки свайного фундамента как условного фундамента.

Осадка свайного поля подсчитывается по формуле:

где – осадка условного фундамента;

– дополнительная осадка за счет продавливания свай на уровне подошвы условного фундамента

– дополнительная осадка за счет сжатия ствола сваи.

Условным фундаментом называют грунт, находящийся ниже грунта, перерезываемого сваями. Размеры условного фундамента определяются в соответствии с [2], то есть это размер площади расположения свай дополненный с каждой стороны расстоянием , где – расстояние между осями свай. В дальнейшем будем использовать такие обозначения, как – ширина условного фундамента и – длина условного фундамента. При этом за принимают наибольший из размеров условного фундамента. При этом среднее напряжение, действующее на грунт под условным фундаментом, определяют без учета веса грунта в пределах условного фундамента.

Расчет осадки условного фундамента производят методом послойного суммирования деформаций линейно-деформируемого основания с условным ограничением сжимаемой толщи.

При расчете осадки условного фундамента среднее давление под подошвой фундамента не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания, определяемого по формуле

Обозначения в формуле соответствуют [3].

Среднее давление под условным фундаментом определяется как среднее давление, действующее на фундаментную плиту деленое на площадь условного фундамента.

Коэффициенты, входящие в выражение определяются для грунта под условным фундаментом при доверительной вероятности 0.85. При этом расчётные значения , и находятся как усредненные, для слоя грунта толщиной ниже подошвы условного фундамента. При ширине условного фундамента , , при большей ширине фундамента , где . Усреднение производят аналогично формулам.

Для удобства стоит привести выражения для функций , и

где

Для определения осадки условного фундамента используют формулу

где – среднее напряжение в -том слое грунта;

­– толщина слоя;

– модуль деформаций слоя;

– коэффициент принимаемый равным 0.8;

– число элементарных слоев, на которые разбита сжимаемая толща.

Вертикальные напряжения затухают с глубиной по закону

в котором коэффициент определяется по [3, таблица 5.8] в зависимости от относительной глубины и характерного размера фундамента .

Также значение коэффициента можно получить из формулы

Подставляя в, получим

или же в интегральной форме+

Множитель используется для перехода от переменной к переменной . Параметр используется для определения глубины сжимаемой толщи и вычисляется из выражения

в котором – напряжения в грунте от собственного веса, вычисляемые по формуле [3]

– удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента;

– глубина заложения фундамента.

– удельный вес грунта, расположенного ниже подошвы фундамента;

– поровое давление.

– в зависимости от грунтов, расположенных ниже подошвы условного фундамента, может принимать значения 0.5 или 0.2.

Согласно [2] собственный вес грунта в пределах условного фундамента учитывать не нужно. Следовательно – равно нулю.

Выражение для жесткости условного фундамента можно получить из

Далее определим осадку продавливания . Согласно [2]

где – осадка продавливания в однородном основании. При этом в расчет берется условная ячейка вокруг одиночной сваи с размерами . Как и ранее, – расстояние между осями свай в свайном поле.

– осадка продавливания условной ячейки, опирающейся через сваю на грунт под подошвой условного фундамента.

Подставляя выражения и в, получим

Из полученного выражения можно определить жесткость ячейки на продавливание. Жесткость поля в целом будет определяться как жесткость одной ячейки умноженная на количество данных ячеек.

Из следует

Осадка за счет сжатия ствола сваи вычисляется по формуле

откуда с учетом следует

Жесткость свайного поля за счет сжатия ствола сваи можно получить из

В итоге, выражение для жесткости свайного поля, при рассмотрении его как условного фундамента, имеет вид

Выражение имеет размерность . Для сведения ее к коэффициенту постели необходимо «размазать жесткость по площади условного фундамента.

Пример расчета осадки свайного фундамента как условного фундамента

Расчетная схема имеет вид:

Список используемой литературы.

1)  , . Примеры проектирования свайных фундаментов. Методические указания. Издание второе, стереотипное. Томск 2004.

2)  Свод правил СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. Москва 2011.

3)  Свод правил СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. Москва 2011.