Проектирование свайного фундамента

 

4.1 ГЛУБИНА ЗАЛОЖЕНИЯ И РАЗМЕРЫ РОСТВЕРКА. ДЛИНА И ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ СВАЙ

 

4.1.1 Определение глубины заложения и предварительного назначения размеров ростверка

 

 

На суходоле и в водотоке при глубине воды менее 3 м следует проекти-ровать свайные фундаменты с низким ростверком.

 

Подошва низкого ростверка располагается ниже дна акватории или по-верхности грунта при условии обеспечения расчетной несущей способности и долговечности фундаментов исходя из местных климатических условий, осо-бенностей конструкций фундаментов, обеспечения требований судоходства и лесосплава, надежности подлежащих осуществлению мер по эффективной за-

 

щите свай от неблагоприятного воздействия знакопеременных температур сре-ды, ледохода и других факторов [5, п. 7.11]

 

Сваи должны быть заделаны в ростверк (выше слоя бетона, уложенного подводным способом) на длину, определяемую расчетом и принимаемую не менее половины периметра призматических свай, и 1,2 м – для свай диаметром 0,6 м и более.

 

Допускается заделка свай в ростверке с помощью выпусков стержней продольной арматуры (длина заделки должна быть не менее 30 диаметров ар-матуры при арматуре свай периодического профиля и не менее 40 диаметров – при арматуре гладкого профиля). При этом сваи должны быть заведены в рост-верк не менее чем на 10 см [2, п.7.22*].

 

С учетом вышесказанного назначается высота ростверка и, следователь-но, его обрез.

 

Размеры ростверка по верху определяются размерами надфундаментной конструкции (нормы уширения по обрезу – такие же, как для фундамента на ес-тественном основании); по низу – площадью для размещения свай. При необ-ходимости развития подошвы ростверка (по сравнению с площадью по обрезу) оно осуществляется уступами высотой h_y = 0,7 – 2,0 м и шириной не более 0,5h_y. В настоящих методических указаниях рассматривается ход проектирова-ния свайных фундаментов применительно к низкому ростверку.

 

Сборные железобетонные ростверки фундаментов мостов проектируются из бетона класса не ниже В25, монолитные - не ниже В15.

 

 

4.1.2 Назначение длины и поперечного сечения свай

 

 

Если в курсовой работе принят вариант свайного фундамента на забив-ных призматических сваях, то рекомендуется применять забивные железобе-тонные сваи сплошного квадратного сечения (сеч. 30´30, 35´35, 40´40 см), по-лые круглые или буронабивные сваи (см. приложение Б, таблица Б.1).

 

Длина сваи определяется положением подошвы ростверка и кровли прочного грунта, в который целесообразно заделывать сваю. Слабые грунты должны прорезаться сваями.

 

Заглубление свай в грунты, принятые за основание, должно быть:

 

- при крупнообломочных грунтах, гравелистых, крупных и средней крупности песках, а также глинистых грунтах с показателем текучести J_L < 0,1 – не ме-нее 0,5 м;

 

- при прочих нескальных грунтах – не менее 1,0 м.

 

Глубина погружения сваи от поверхности грунта (в русле реки – с уч том размыва) не должна быть менее 4 м.

 

4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАИ

 

 

При небольших горизонтальных нагрузках и низких ростверках сваи, как правило, размещаются вертикально.

 

Расчет свай по первому предельному состоянию заключается в определе-нии несущей способности свай (допускаемая нагрузка на сваю) по грунту и по материалу. Для дальнейших расч тов принимается меньшее полученное значе-ние. Несущая способность сваи по материалу равна прочности материала сваи на сжатие и определяется по [4]. Расчет несущей способности всех типов свай по грунту производится согласно [5, глава 4] и зависит от типа свай, их конст-рукции и условий взаимодействия свай с грунтом.

 

4.2.1 Несущая способность сваи по прочности материала

 

Расч т висячих свай по материалу, как правило, не требуется, т.к. несу-щая способность сваи по материалу обычно больше, чем по грунту. В общем случае, несущая способность по материалу железобетонных свай определяется выражением

Fdm=j(gc gmRbA+ gaRsAa),	(4.1)
где j=1 – коэффициент продольного изгиба для низкого ростверка; gс -	коэф-
фициент условий работы, принимаемый 0,85 для свай сечением менее	30´30

см и 1 – для свай большего сечения; g_m =1 – коэффициент условий работы бе-тона для всех видов свай кроме буронабивных, для буронабивных при бетони-ровании под водой g_m =0,8; R_b – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа; А – площадь поперечного сечения сваи, м; g_a = 1 - коэффициент условий работы арматуры, МПа; R_s – расчетное сопротивление сжатию ар-матуры, МПа; A_a – площадь сечения рабочей арматуры, м.

 

 

4.2.2 Несущая способность сваи-стойки

 

Несущую способность свай, опирающихся на малосжимаемый грунт (Е ³ 50 МПа) определяется по формуле

F_d=g_c RA, (4.2)

где g_с = 1 –коэффициент условий работы сваи в грунте [5]; R - расчетное со-

 

противление грунта под нижним концом сваи; А - площадь опирания сваи на грунт, м².

 

4.2.3 Несущая способность висячей сваи, погружаемой без выемки грунта

 

Несущая способность висячей забивной и вдавливаемой сваи всех видов

 

определяется по формуле
Fd=gc (gcR RA + u S gcf fi hi),	(4.3)

 

где g_с; g_cR; g_cf = 1 – соответственно коэффициенты условий работы сваи в грунте, работы грунта под острием сваи и по боковой поверхности для забив-ных призматических свай [5, таблица 3]; R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по таблице [ 5, таблица 1 ]; А - площадь опирания сваи на грунт, м²; u - наружный периметр поперечного се-чения сваи, м²; f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на бо-

 

ковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице [ 5, таблица 2 ]; h_i - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

 

Для выполнения расчета необходимо вычертить расчетную схему (см. рисунок 4.1), которая показывает расположение сваи в грунтовом массиве. В формуле (4.3) суммировать сопротивления грунта следует по всем слоям грун-та, пройденным сваей, при этом пласты грунтов под подошвой ростверка сле-дует делить на однородные слои с h_i £ 2 м.

 

Рисунок 4.1 – - Расчетная схема определения несущей способности висячей сваи

 

4.2.4 Несущая способность висячей набивной и буровой сваи

 

Несущая способность набивной и буровой сваи, а также сваи-оболочки, по-гружаемой с выемкой грунта и заполняемой бетоном, определяется по формуле

 

(7.11) [6] или по формуле (11) [5]
Fd=gc (gcR RA + uSgcf fi hi),	(4.4)

 

где g_с; g_cR = 1 – соответственно коэффициенты условий работы сваи в грунте и работы грунта под острием сваи;; g_cf – коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности сваи [ 5, таблица 5 ]; R - расчетное сопротив-ление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по пп. 4.6, 4.7 [ 5 ]; А -

 

площадь опирания сваи на грунт, м²; u - наружный периметр поперечного се-чения сваи, м²; f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на бо-ковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице [ 5, таблица 2 ]; h_i - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.

 

 

4.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ НАГРУЗКИ НА СВАЮ

 

4.3.1 Определение количества свай и расчетной нагрузки на сваю

 

Количество свай в фундаменте определяется по формуле

 

n=	h×N
		(4.5)
F	расч.
	d

 

где N– расч тная нагрузка, передаваемая на свайный фундамент, определяе-мая в общем случае по формуле

 

N = 1,2 (P0+PП+Pp+Pв+Рг) + 1,13Ртр,

(4.6)

где Р_р – вес ростверка и свай, МН; остальные обозначения те же, что и в формуле (3.10); F_d^{расч .} – расч тное сопротивление одиночной сваи, МН; h - ко-

 

эффициент, учитывающий перегрузку отдельных свай от действующего мо-мента, равный 1,2.

 

Расч тное сопротивление одиночной сваи, определяемое как наименьшее

из двух
F расч .=min(F, F)/g	n	,	(4.7)
d	dmd

где g_n=1,4 – коэффициент надежности.

 

 

4.3.2 Определение размеров ростверка

 

 

В курсовой работе применяют вертикальные сваи, размещая их равно-мерно в рядовом или шахматном порядке. Расстояние от края подошвы рост-

 

верка до наружного края сваи должно быть: r ³ 0,25 м, а между осями свай 3d £а£(5…6) d – для висячих свай и а ³ 1,5d – для свай-стоек, где d – размер поперечного сечения сваи. После размещения свай в плане окончательно опре-деляют длину и ширину ростверка:

(lp)bp =a(n - 1) + 2r + d,

(4.8)

где n – число рядов свай в ростверке.

 

4.3.3 Проверочный расч т свайного фундамента по несущей способно-сти

 

Обычно проверяют крайнюю, наиболее удаленную сваю, на расч тную нагрузку N со стороны наибольшего сжимающего напряжения. При этом рас-пределение вертикальных нагрузок между сваями фундаментов мостов опреде-

 

ляется расч том их как рамной конструкции. В курсовой работе допускается проверить усилие в свае с уч том действия одной горизонтальной силы Т (в плоскости вдоль моста) по следующей формуле:

N	+	M I Ymax	£ Fd,	(4.9)
n		å Y 2i

где М_I – расч тный момент в плоскости подошвы ростверка от сил тормо-жения, определяемый по формуле (3.11), в которой вместо h_ф принимается высота h_р ростверка; Y_max – расстояние от главной центральной оси подошвы фундамента до оси крайнего ряда свай в направлении действия момента М_I (в плоскости вдоль моста); Y_i – расстояние от той же оси до оси каждой сваи; F_d – расч тное сопротивление одиночной сваи; n – число свай; N – полная рас-ч тная вертикальная нагрузка с уч том веса свай, определяемая по формуле

 

(4.6).

 

Если условие (4.9) не удовлетворяется, т.е. не выполняется расч т на оп-рокидывание, то необходимо изменить конструкцию свайного фундамента: увеличением шага свай или их количества. Если эти меры не приводят к поло-жительному результату (выполнению условия 4.9), то увеличивают длину или поперечное сечение сваи и заново выполняют все расчеты.

 

4.4 РАСЧЁТ ДЕФОРМАЦИИ ОСНОВАНИЯ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА

 

 

Расчет фундамента из висячих свай и его основания по деформациям производят как для условного фундамента на естественном основании [5, глава

 

6; 2, п. 7.17].

 

4.4.2 Определение границ условного массивного фундамента

 

 

Для перехода от свайного фундамента к условному массивному фунда-менту определяются границы условного массивного фундамента в соответст-вии с [2, приложение 25]. Для этого находят средневзвешенное значение угла внутреннего трения грунтов, пройденных сваями

j m	=	å ji	× hi	,	(4.11)
1 p

где j_i – расч тное значение углов внутреннего трения отдельных пройденных сваями сло в грунта; h_i – толщина сло в грунта, пройденных сваями; l_p = Sh_i – расч тная глубина погружения свай (м) от подошвы ростверка или от уровня размыва, если подошва ростверка расположена выше уровня.

 

Построение свайно-грунтового массива УСГМ (см.рисунок4.1 ):Ниж-

 

няя граница условного массивного фундамента проходит на отметке торцов свай. Из точки пересечения крайней сваи и подошвы ростверка откладываем

 

 

Рисунок 4.2 – Расчетная схема определения деформаций основания свайно-го фундамента методом послойного суммирования с использованием расчетной схемы основания в виде линейно-деформируемого слоя.

 

угол j_m/4 до пересечения с нижней границей условного массивного фундамента и поднимаем вертикали до верхнего уровня грунта.

 

Ширина условного массивного фундамента

b_yсгм = d + a×(t – 1) + 2tg(j_m/4)l_p, (4.12)

 

где d – поперечный размер сваи, м; a – расстояние между сваями, м; t – коли-чество рядов свай, шт., l_p – длина сваи, м.

 

Аналогично ширине b_yсгм определяется и длина l_yсгм подошвы условного массивного фундамента.

 

4.4.3 Проверка напряжений по подошве условного фундамента

 

 

Проверка напряжений по подошве условного фундамента производится по формулам

p =

Nc

£

g c R

,

(4.13)

lycгc byссг

g n

p =

Nc

+6 l yссг

(3 M c

+ 2 Thp)

£

g c R

l

b

b

æ

k h 4

+ 3 l 3

ö

g

,

(4.14)

yссг

yссг

ç

÷

n

yссг

ç

c

p

yссг

÷

è

ø

b

где N_с – расч тная нормальная нагрузка в основании условного массивного фундамента, кН; определяется как сумма нагрузки на обрезе фундамента N и массы свайно-грунтового массива G_уcгм; M_C – расч тный момент по подошве ростверка, кН×м; (за плечо принять высоту ростверка h_p);l_yсгм и b_yсгм – соот-ветственно длина и ширина условного массивного фундамента, м; R – расч т-ное сопротивление грунта в уровне подошвы условного массивного фундамен-

 

та, МПа, определяемое по формуле (3.4), при b = b_yсгм и d = d_yсгм; h_p – глубина заложения условного фундамента, определяемое от подошвы ростверка до

 

нижних торцов свай, м; k – коэффициент пропорциональности, определяющий нарастание с глубиной коэффициента постели грунта, расположенного выше подошвы фундамента (см. таблицу 4.1); с_b – коэффициент постели грунта в уровне подошвы условного фундамента, kН/м³,определяемый по формулам при h_p £ 10 м, с_b = 10k; при h_p > 10 м, с_b = k× h_p; Т – горизонтальная составляю-щая внешней нагрузки (тормозная сила), кН.

 

4.4.4 Расч т деформации основания свайного фундамента

 

 

Расч т деформации основания свайного фундамента сводится к опреде-лению е для условного массивного фундамента площадью подошвы на естест-венном основании с использованием расч тной схемы (см. рисунок 4.2). При этом равнодействующая всех вертикальных сил складывается из вертикальных сил (по заданию), действующих на обрезе фундамента, и массы свайно-грунтового массива.

 

Таблица 4.1 – Коэффициент пропорциональности k [2, приложение 25*]

	Показатель текучести
Грунт	IL /	Коэффициент k,
коэффициент порис-	кН/м4
	тости е
Текучепластичные глины и суглинки	0,75 < IL £ 1	490…1960
Мягкопластичные глины и суглинки	0,5 < IL £ 0,75
Пластичные супеси	0 £ IL £ 1	1961…3920
Пылеватые пески	0,6 £ е £ 0,8
Тугопластичные и полутвердые гли-	0 < IL £ 0,5
ны и суглинки
Твердые супеси	IL £ 0	3921…5880
Пески мелкие	0,6 £ е £ 0,75
Пески средней крупности	0,55 £ е £ 0,7
Твердые глины и суглинки	IL £ 0	5881…9800
Пески крупные	0,55 £ е £ 0,7
Пески гравелистые	0,55 £ е £ 0,7	9801…19600
Галька с песчаным заполнителем

 

Выполняется построение эпюр бытовых и дополнительных давлений, опреде-ляется нижняя граница сжимаемой толщи В.С (порядок работы см. выше п.3.4.1). Рассчитывается осадка условного свайного фундамента (формула

(3.12)).

 

Для свайного фундамента должно выполняться следующее условие: раз-личные по величине осадки соседних опор не должны вызывать появления в продольном профиле дополнительных углов перелома, превышающих для ав-тодорожных и городских мостов 2 % о [2, п.1.47].

 

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ ФУНДАМЕНТОВ

 

Технико-экономическое сравнение вариантов фундаментов выполняется на основании показателей стоимости прямых затрат на устройство фундаментов (приложение В, таблица В.1) с заполнением таблицы 5.1.

 

Таблица 5.1 - Технико-экономическое сравнение вариантов

 

			Сметная	Варианты фундаментов
Обос-					Свайные
Наименование	Ед.	стоимость	ФМЗ
нова-	фундаменты
работ	изм.	на ед. изм.,
ние	Объ-	Стои-	Объ-	Стои-
		руб.
			ем	мость	ем	мость

 

Для заполнения таблицы 5.1 необходимо определить состав и объ мы работ при устройстве каждого варианта фундаментов:

 

1 Земляные работы (объ м разработки и обратной засыпки котлована; объ- м водоотлива (если требуется)).

 

2 Монолитное бетонирование (объ м песчаной (бетонной) подготовки, площадь опалубки и объ м монолитного бетона при устройстве фундаментов мелкого заложения или ростверка).

3 Свайные работы (объ м свай фундамента).

4 Другие.

 

В пояснительной записке требуется дать перечень работ по устройству каж-дого варианта фундамента, а затем согласно этому перечню рассчитать объ мы работ и заполнить таблицу 5.1.

 

 

5.1 Определение объема котлована

 

Размеры котлована определяются исходя из полученных размеров по-дошвы и глубины заложения фундамента (ростверка). Размеры дна котлована фундамента промежуточной опоры моста в плане определяются размерами по-дошвы фундамента и минимальной шириной зазора между фундаментом и стенкой котлована, позволяющей выполнять работы в котловане (в курсовом проекте принимаем 1 м). Размеры котлована поверху складываются из размеров дна котлована и ширины откосов или конструкций крепления его стенок. Глу-бина котлована определяется отметкой заложения фундамента и дополнитель-ного устройства (песчаной подушки, пластового дренажа и т.п.). Для более глу-боких котлованов в грунтах естественной влажности стенки могут выполняться без крепления, но с уклоном и крутизной откосов, которые указаны в таблице 5.2. (рисунке 5.1.). Крутизна откосов котлованов глубиной более 5 м назначает-ся расчетом.

 

Устойчивость стенок котлована обеспечивается различными видами кре-плений или приданием им соответствующих уклонов. Способ крепления зави-сит от глубины котлована, свойств и напластования грунтов, уровня подземных вод, условий производства работ, расстояния до существующих строений. В неустойчивых грунтах при отсутствии подземных вод, когда невозможно уст-ройство откосов, стенки крепят досками или инвентарными щитами, удержи-ваемыми распорками.

 

Формула определения объема котлована

Vк	=	Н к	[ ab +(a + c)(b + d)+ cd ],	(5.1)

где Н_к – глубина разработки котлована, м; a и b – длина и ширина котлована понизу, м; c и d - длина и ширина котлована по верху, м.

 

Рисунок 5.1 – Схема для определения размеров котлована

 

Таблица 5.2 – Наибольшая допустимая крутизна откосов котлованов в грунтах естественной влажности

 

				Глубина выемки, м,	до
Грунты		1,5
		α, град		h:m	α, град		h:m		α, град		h:m
Насыпные				1:0,67			1:1				1:1,25
Песчаные и	гравий-
ный влажные	(насы-			1:0,5			1:1				1:1
щенные)
Супесь				1:0,25			1:0,67				1:0,85
Суглинок				1:0			1:0,5				1:0,75
Глина				1:0			1:0,25				1:0,5

 

 

5.2 Определение объемов фундаментов

 

Объемы фундамента мелкого заложения, ростверка и свай определяются как объ мы геометрических тел по геометрическим размерам конструкций.