Выбор типа свайного фундамента

 

Тип сваи для свайного фундамента выбирается в зависимости от грунтовых условий, величины передаваемой нагрузки и исходя из конструктивных особенностей сооружения, также в некоторых случаях на тип свай влияют особенности производства работ.

Забивные сваи применяются в различных грунтовых условиях с опиранием нижних концов на любые грунты, за исключением торфов, илов, глинистых грунтов текучей консистенции и других видов сильносжимаемых грунтов.

Буронабивные сваи применяются при больших сосредоточенных нагрузках, на площадках со сложными геологическими и стесненными условиями строительства, где невозможно производить забивку или вибропогружение свай.

Армированные или неармированные сваи сооружаются с диаметром ствола 400–1700 мм. Для повышения несущей способности сваи в ее нижней части устраивается уширенная пята. Отношение диаметра пяты D к диаметру ствола d должно удовлетворять условию

2 ≤ D/d ≤ 3,5.

 

 

3. В ыбор предварительных размеров сваи и оценка условий ее работы в грунтовом массиве

 

Длина и сечение свай назначаются в зависимости от грунтовых условий и величины нагрузок, передаваемых на основание.

Поперечное сечение сваи принимается в зависимости от ее длины, большая гибкость сваи может привести к искривлению ствола сваи по мере погружения.

Длина сваи ℓ назначается исходя из инженерно-геологических условий, от подошвы ростверка до начала заострения, т.е. без учета длины острия ℓ_остр»d (где d – сторона сечения сваи).

Сваи должны прорезать слабые грунты и заглубляться в малосжимаемые грунты на величину:

- в крупнообломочные грунты, крупные и средней крупности пески, а также глинистые грунты с показателем текучести (консистенции) I_L ≤0,1 – не менее 0,5м;

- в прочие виды нескальных грунтов – не менее 1м.

При наличие слоя погребенного торфа нижний конец сваи должен быть заглублен не менее чем на 2м ниже этого слоя.

Сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты, называются висячими. Предварительная длина висячей сваи назначается, исходя из указанных выше требований, в пределах 6–10м, сечение 30´30см (диаметр 30 см) и затем уточняется после расчета ее несущей способности и определения количества свай в ростверке.

Практически выбор длины сваи осуществляется следующим образом. На геологическом разрезе от планировочной отметки откладывается глубина заложения ростверка, а затем, исходя из грунтовой обстановки и указанных выше требований, выбирается стандартная длина сваи и учитывается, что голова сваи заделывается в ростверк при шарнирном соединении на величину 5 см, а при жестком соединении на 30 см (из них на 25см оголяется арматура).

 

Определение несущей способности сваи

 

Несущая способность свай определяется в соответствии с требованиями СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03–85».

 

Сваи стойки

Несущую способность F_d, кН, забивной сваи, сваи-оболочки, набивной и буровой свай, опирающихся на скальный грунт, а также забивной сваи, опирающейся на малосжимаемый грунт, следует определять по формуле

(3)

где γ_c – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый γ_c=1,0;

A – площадь опирания на грунт сваи, м², принимаемая для свай сплошного сечения равной площади поперечного сечения, а для свай полых круглого сечения и свай-оболочек – равной площади поперечного сечения нетто при отсутствии заполнения их полости бетоном и равной площади поперечного сечения брутто при заполнении этой полости бетоном на высоту не менее трех ее диаметров.

Расчетное сопротивление грунта R под нижним концом сваи-стойки, кПа, следует принимать:

а) для всех видов забивных свай, опирающихся на скальные и малосжимаемые грунты, R = 20 000 кПа;

б) для набивных и буровых свай и свай-оболочек, заполняемых бетоном и заделанных в невыветрелый скальный грунт (без слабых прослоек), не менее чем на 0,5 м, по формуле

 

(4)

 

 

где R_c,n – нормативное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта в водонасыщенном состоянии, кПа.

γ_g – коэффициент надежности по грунту, принимаемый γ_g=1,4;

ℓ_d – расчетная глубина заделки набивной и буровой свай и сваи оболочки в скальный грунт, м;

– наружный диаметр заделанной в скальный грунт части набивной и буровой свай и сваи-оболочки, м.

 

ПРИМЕР 4.1. Определить несущую способность забивной квадратной сваи-стойки длиной 5м, сечением 35х35 см, опирающейся на скальный грунт.

Решение. Несущая способность сваи-стойки по грунту F_d определяется по формуле (3). Для забивной сваи-стойки γ_С =1,0, R = 20000 кПа, A= 0,35·0,35 = 0,1225 м², F_d= 1·20000·0,1225= 2450 кН.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю с коэффициентом надежностиγ_k = 1,4, будет

N ≤ F_d / γ_k = 2450/1,4 = 1750кН.

 

ПРИМЕР 4.2. Определить несущую способность набивной сваи диаметром d_f = 0,6 м, заделанной в скальный грунт на глубину ℓ_d = 0,7 м, R_c,n =3500 кПа.

Решение. Расчетное сопротивление грунта R под нижним концом сваи стойки определяем по формуле (4)

R= (3500/ 1,4)·(0,7/ 0,6+1,5)= 7325 кПа.

Площадь опирания сваи на грунт при d=0,5, A=0,2827 м².

F_d=γ_c^.R^.A= 1·5983·0,2827= 2070,8 кН.

Расчетная нагрузка, допускаемая на одиночную сваю, определяется по формуле (1)

N ≤ F_d / γ_k = 1691/1,4 = 1479,1 кН.

 

Висячие забивные сваи

Несущую способность F_d [кН] висячей забивной сваи, погружаемой без выемки грунта, работающей на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи на ее боковой поверхности по формуле

, (5)

где g_с – коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый g_с=1,0;

R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.2 [5], табл. Б.1, прил. Б;

А – площадь опирания на грунт сваи, м², принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто или по площади поперечного сечения камуфлетного уширения по его наибольшему диаметру, м²;

u – наружный периметр поперечного сечения сваи, u= 1,2 м;

f_i – расчетное сопротивление i–го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.3[5], табл. Б.3, прил. Б;

h_i – толщина i–го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м. При определении расчетных сопротивлений грунтов на боковой поверхности свай f_i пласты грунтов необходимо расчленять на однородные слои толщиной не более 2 м;

γ_cr,γ_cf – коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи, зависящие от способа ее погружения, определяемые по таблице 7.4 [4], табл. Б.2, прил. Б.

 

ПРИМЕР 4.3. Определить длину и рассчитать несущую способность забивной призматической сваи для геологических условий, приведенных на рис.1.

Решение. По грунтовым условиям сваю целесообразно заглубить в третий слой (песок средней крупности), т. к. вышележащие слои (супесь пластичная и суглинок текучепластичный) характеризуются низким сопротивлением грунта.

Минимальная длина сваи ℓ должна быть

ℓ= 0,1+0,3+2,0+4,0+1,0=7,4 м,

где 0,1 – заделка сваи в ростверк, м;

0,3, 2,0 и 1,0 – толщины грунтовых слоев, м;

1,0 – минимальное заглубление сваи в несущий слой, м.

 

Рис.1 к примеру 4.3

Принимаем сваю С8–30 (длина сваи 8 м, сечение 30´30 см), длина острия 0,25м.

Несущая способность забивной висячей сваи определяется по формуле (5). Расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи для песков средней плотности определяется по табл.7.2 [5], табл. Б.1, прил. Б, при расчетной глубине погружения нижнего конца сваи ℓ= 8,45м. Интерполируя между значениями R при глубине погружения 7 м и 10 м, получим R=3845 кПа.

Коэффициенты γ_c=1,0, γ_cr=1,0, γ_cf=1,0 (при погружении сваи дизель-молотом по табл. 7.4 [5]), табл. Б.2, прил. Б.

Площадь опирания сваи на грунт A=0,3·0,3=0,09 м².Наружний периметр поперечного сечения свай u=0,3·4=1,2 м.

Расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи f_i определяется в зависимости от средней глубины расположения слоя z и консистенции грунта (показателя текучести) I_L по табл. 7.3 [5], табл. Б.3, прил. Б.

Для этого каждый слой (пласт) грунта делим на слои высотой не более 2 м и определяем расстояние от природного рельефа NL до середины рассматриваемого слоя.

Под подошвой ростверка залегает супесь пластичная мощностью 2м.

Следующий пласт–суглинок текучепластичный мощностью 4 м. Согласно вышеизложенному, разбиваем этот пласт на два слоя по 2 м.

При определении расчетного сопротивления на боковой поверхности забивных свай по табл. 7,3 [5], табл. Б.3, прил. Б необходимо обращать внимание на примечания к этой таблице.

Сопротивление трению по боковой поверхности сваи f₁ в пластичной супеси (I_L=0,5) на глубине

z₁=0,6+2/2=1,6 м f₁=15 кПа.

Сопротивление трению f₂ в суглинке текучепластичном на глубине

z₂=0,6+2+2/2=3,6 м f₂=7 кПа,

а на глубине

z₃=0,6+2+2+ 2/2 =5,6 м f₃=7 кПа.

Сопротивление трению f₄ в песке средней крупности и плотности на глубине

z₄=0,6+2+2+2+ 1,85/2 =7,525 м f₄=61 кПа.

Несущая способность сваи

F_d=1·[1·3845·0,09+1,2·Σ(15·2+7·2+7·2+61·1,85)]=346,05+205,02=551,1кПа.

 

Висячие набивные сваи

Несущая способность F_d, кН, набивной и буровой свай с уширением и без уширения, работающих на сжимающую нагрузку, следует определять в соответствии с п.7.2 [5] по формуле

, (6)

где γ_c – коэффициент условий работы сваи, принимаемый при опирании сваи на глинистые грунты со степенью влажности S_r<0,8 и лессовидные грунты γ_c=0,8, в остальных случаях γ_c=1;

γ_cr – коэффициент условий работы грунта под нижним концом набивной сваи, равный γ_cr=1,0; для сваи с уширенной пятой, бетонируемой подводным способом, γ_cr=0,9;

R– расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое в соответствии с указанием п. 7.2 [5];

A – площадь опирания сваи, м²;

u – периметр ствола сваи, м;

γ_cf – коэффициент условий работы грунта, принимаемый по таблице 7.6 [5] в зависимости от способа изготовления ствола и скважины и вида грунта;

f_i – расчетное сопротивление i–го слоя грунта по боковой поверхности набивной сваи, кПа, принимаемое по табл. 7.3 [5];

h_i – толщина i–го слоя грунта, соприкасающегося со сваей, м.

 

ПРИМЕР 4.4. Определить несущую способность буронабивной сваи длиной 7 м; диаметром 1 м. Геологические условия приведены на рис.2.

Рис.2 к примеру 4.4

 

Несущая способность буронабивной сваи по грунту определяется по формуле (6). Коэффициенты γ_c=γ_cr=1,0. Свая нижним концом опирается на песок средней крупности и плотности, поэтому в соответствии с п.7.2.7 [5] расчетное сопротивление R определяется по формуле

(7)

где – безразмерные коэффициенты, принимаемые по табл.7.7 [5], в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта основания α₁=71,3 при φ=35°,

α₂=127; при h/d=8/1=8 (h – глубина заложения, м, нижнего конца сваи или ее уширения, отсчитываемое от природного рельефа или уровня планировки (при планировке срезкой),d – диаметр сваи);

α₃=0,764; при d=1;

α₄=0,237;

γ´_I – расчетное значение удельного веса грунта, кН/м³, в основании сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды) γ´_I=16,0 кН/м³;

γ_I – осредненное (по слоям) расчетное значение удельного веса грунтов, кН/м³, расположенных выше нижнего конца сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды)

γ_I = (19·3+18·4+16·1)/(3+4+1)=18,1 кН/м³;

d – диаметр, м, набивной и буровой свай, диаметр уширения (для сваи с уширением), сваи-оболочки или диаметр скважины для сваи-столба, омоноличенного в грунте цементно-песчаным раствором;

h – глубина заложения, м, нижнего конца сваи или ее уширения, отсчитываемая от природного рельефа или уровня планировки (при планировке срезкой).

По формуле (7)

R= 0,75·0,237·(71,3·16,8·1+127·0,764·18,1·8)= 2404,75 кН/м².

Площадь опирания сваи на грунт

A=π·d² /4 = 3,14·1² /4 = 0,785 м².

Периметр сваи u=2·π·r =2·3,14·0,5= 3,14 м.

Коэффициент γ_cf определяется по табл. 5[4]:

для глины – γ_cf =0,6;

для суглинка – γ_cf =0,7;

для песка – γ_cf =0,7.

Разбиваем пласты грунта на однородные слои мощностью не более 2 м и определяем соответствующие значения f_i:

для глины (I_L=0,4) при z₁=2,1 м f₁=21,4 кПа;

для суглинка (I_L=0,4) при z₂=4 м f₂=27 кПа;

при z₃=6 м f₃=31 кПа;

для песка средней крупности при z₄=7,5 м f₄=61 кПа.

Определяем несущую способность сваи по формуле (6).

F= 1·[1·2404,75·0,785+3,14·(0,6·21,4·1,8+0,7·27·2+0,7·31.2+

+0,7·61·1)]= 2349,3 кН.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю, определяется по формуле (1)

N ≤ F_d / γ_k = 2349,3 /1,4 = 1678,1 кН.

 

ПРИМЕР 4.5. Определить несущую способность буронабивной сваи с уширенной пятой. Длина сваи 9 м, диаметр ствола 0,8 м, диаметр уширения 1,5 м. Грунтовые условия приведены на рис.3.

Несущая способность буронабивной сваи с уширением по грунту определяется по формуле (6).

γ_c– коэффициент условий работы сваи равен, I_c= 1,0;

γ_cr – коэффициент условий работы для сваи с уширением, бетонируемым подводным способом, равен γ_cr= 0,9;

R– расчетное сопротивление под нижним концом сваи принимаем в глинистых грунтах согласно п.4.7б по табл.7[4] при h=10 м и I_L=0,5 R=700 кПа;

Рис.3 к примеру 5.5

 

A– площадь опирания при d _у = 1,5 м,

A= 3,14·1,5² /4 = 1,77 м²;

u – периметр ствола сваи при d= 0,8 м,

u= 2·π·r= 2·3,14·0,4= 2,51 м;

γ_cf – коэфициент условий работы грунта по боковой поверхности свай, принимаем по табл.5[4]:

для суглинка – γ_cf = 0,7;

для супеси:

выше WL – γ_cf = 0,7; ниже WL – γ_cf = 0,6.

Для определения сопротивления грунта по боковой поверхности разбиваем ствол сваи по длине на слои (в пределах однородного слоя грунта) мощностью 2 м (Рис.3).

при z₁=2,2 м, I_L=0,7, f₁=7,2 кПа;

при z₂=4,1 м, I_L=0,7, f₂=9,1 кПа;

при z₃=5,75м, I_L=0,5, f₃=24,7кПа;

при z₄=7,5 м, I_L=0,5, f₄=25,7кПа.

Несущая способность сваи

F_d= 1[0,9·700·1,77+2,51·(0,7·7,2·2+0,7·9,1·1,8+0,7·24,7·1,5+0,6·25,7·2)]= 1311,98 кН.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю

N ≤ F_d / γ_k = 1311,98 /1,4 = 937,1 кН.

5. Определение числа свай и размещение их в плане ростверка

 

Ориентировочно количество свай в кусте определяется по формуле

, (8)

где γ_k– коэффициент надежности, γ_k= 0,8÷1,4 (при определении несущей способности сваи расчетом γ_k= 1,4 [5]);

N_0I – расчетная нагрузка, передаваемая на фундамент, кН;

F_d – несущая способность сваи, кН;

А´– площадь ростверка, приходящаяся на одну сваю, принимаемая равной 0,9÷1,2 м²;

γ_k– усредненный удельный вес ростверка и грунта на его уступах, принимаемый равным 20 кН/м³.

Если количество свай в кусте n, рассчитанное по формуле (8), не превышает 8–10 шт., то проектируют ростверк. Если же n больше 10, то необходимо увеличить сечение сваи или их длину. При этом длину забивных свай не рекомендуется принимать более 10–12 м в связи со сложностью забивки их на большую глубину.

Минимальное расстояние а между осями висячих свай должно быть a ≥3d, где d – диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи. Для свай стоек а ≥1,5d.

Расстояние в свету между стволами буровых, набивных свай и свай столбов должно быть не менее 1 м.

Расстояние в свету между уширениями при устройстве их в твердых и полутвердых пылевато-глинистых грунтах –0,5 м, в других нескальных грунтах –1 м.

Ориентировочно расстояние от края ростверка до внешней стороны вертикально нагруженной сваи при свободной заделке ее в ростверк принимается при размещении свай: однорядном – не менее 0,2d+5 см; двух– и трехрядном 0,3d+5 см и при большем количестве рядов 0,4d+5 см (d – диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи, см). По конструктивным соображениям высота ростверка должна быть равна h_o+0,25 м, но не менее 0,3 м (h_o– величина заделки сваи, м).

Количество свай на погонный метр ленточного фундамента определяется по формуле

, (9)

где γ_k– коэффициент надежности, γ_k= 0,8÷1,4 (при определении несущей способности сваи расчетом γ_k= 1,4 [5];

N_0I – расчетная нагрузка на 1 м погонный стены, кН;

F_d– несущая способность сваи, кН;

А´– площадь ростверка, приходящаяся на одну сваю, принимаемая равной 0,9÷1,2 м²;

γ_k – усредненный удельный вес ростверка и грунта на его уступах, принимаемый равным 20 кН/м³.

Шаг свай в ленточном ростверке определяется по формуле

.

После определения размеров ростверка уточняют фактическую нагрузку на сваю и при необходимости корректируют параметры свайного фундамента.

При этом должны соблюдаться условия:

– при центральном загружении и (10)

(11)

– при внецентренном загружении,

где N_d – суммарная расчетная нагрузка на уровне низа фундамента, кН,

N_d=N_p+G_p+G_г; (12)

N_d – нагрузка на уровне обреза фундамента, кН;

G_p – вес ростверка, кН;

G_г – вес грунта на уступах ростверка, кН;

n – количество свай;

F_d – несущая способность сваи, кН;

M_x,M_y – моменты относительно осей X и Y плана свай в плоскости подошвы свайного ростверка;

x_i,y_i – расстояние от осей ростверка до оси каждой сваи, м;

x,y – расстояние от осей ростверка до оси сваи, для которой вычисляется расчетная нагрузка, м.

При действии момента только в одном направлении формула прев­ращается в двухчленную, и зависит от расположения эскиза.

 

 

 

 

 

 

 

При проектировании ростверков необходимо стремиться к тому, чтобы нагрузка F, допускаемая на сваю, была равна расчетной нагрузке на сваю или недогрузка не превышала на 5–10%. При внецентренном загружении допускается, чтобы расчетная нагрузка на сваю, определяемая по формуле (11), превышала нагрузку, допускаемую на сваю F, на 20%.

 

ПРИМЕР 5.1. Определить число свай сечением 30´30 см.

Несущая способность сваи F_d= 880 кН. Расчетная нагрузка на фундамент: N=2400 кН. Высота ростверка 1,3 м.

Решение. Число свай равно

n= 2400/(880/1,4-1,0∙1,3∙20) = 3,98.

Принимаем 4 шт., округляя в большую сторону.

Размер ростверка определяется из следующих условий: расстояние между осями свай 3d=3·0,3=0,9 м, свес ростверка 14 см, принимаем 15 см (рис.4).

 

Рис.4 к примеру 5.1

 

Суммарную нагрузку N_d на уровне низа фундамента, от веса ростверка и грунта над ним и с усредненным удельным весом железобетона и грунта γ_ср=20 кН/м³, определяем по формуле (12)

N_d=2400+1,5·1,5·1,3·20=2458,5 кН.

Нагрузка на одну сваю

N_Ф=2458,5 /4 = 614,6 кН.

F= 880/1,4 =628,6 кН.

Сравнивая N_Ф=614,9 кН и F=628 кН, видим, что недогрузка сваи 2,2% в допустимых пределах, т.е. меньше 10%.

ПРИМЕР 5.2. Определить число свай сечением 40´40 см под ленточный ростверк.

Нагрузка на 1 м погонный стены N=356 кН/м.

Несущая способность одной сваи F_d=350 кН.

Решение. Число свай

n= 356/(350/1,4-0,9∙1,3∙20)=1,57≈1,6 свай (две сваи на 1м пог. метр принимать нерационально).

Шаг свай ℓ_ш= = (350/1,4-0,9∙1,3∙20) /356=0,63 м.

Принимая расстояние между осями свай не менее 3d = 3·0,4 = 1,2 м, сваи расставляем в шахматном порядке, как показано на рис.5.

 

Рис.5 к примеру 5.2

 

ℓ= = 1,0 м.

Ширина ростверка ℓ_p=ℓ+2·0,2= 1,0+0,4= 1,4 м.

 

Пример 5.3. Запроектировать ростверк под колонну.

Несущая способность сваи сечением 40´40, длиной 6 м – F_d=440 кН. Высота ростверка 1,4 м. Расчетная нагрузка на фундамент N_0I=4100 кН. M_X0I=700 кН∙м.

Решение. Число свай в ростверке определяется по формуле (8)

n= 4100/(440/1,4-1,0∙1,4∙20)= 14,3.

С целью уменьшения числа свай в ростверке увеличим их длину до 11 м. Несущая способность таких свай F_d=1260 кН.

n= 4100/(1260/1,4-1,0∙1,4∙20) = 4,7≈5 свай.

Размеры ростверка определяются из следующих условий: минимальное расстояние между осями свай 3d=3∙0,4=1,2 м, свес ростверка 20 см (Рис.6).

ℓ= = 1,7 м

 

Рис.6 к примеру 5.3

 

Суммарная нагрузка в уровне подошвы ростверка N_d=4100+2,5·2,5·1,4·20=4275,0 кН.

Расчетная фактическая нагрузка на сваю определяется по формуле (10)

N_Ф= 4275,0/5 ± (700·0,85)/(0,85²·4) =867,3±137,2=1060,9 кН.

N_Ф=1060,9 кН. = 1,2∙1260/1,4=1080 кН.

Недогрузка крайних свай 1,8% в допустимых пределах, т. е. меньше 10%.