Расчет осадки свайного фундамента правильно

Расчет осадки свайного фундамента

Осадка свайного фундамента определяется одним из методов ме­ханики грунтов как для условного фундамента на естественном осно­вании. Границы условного фундамента определяются следующим об­разом (рис. 3.2):

– сверху – поверхностью планировки грунта;

– снизу – плоскостью на уровне нижних концов свай;

– с боков – вертикальными плоскостями, отстоящими от наруж­ных граней крайних свай на величину .

Величина определяется как средневзвешенное значение уг­ла внутреннего трения грунтов, прорезаемых сваями

, (3.13)

где и – соответственно углы внутреннего трения (для рас­четов по второму предельному состоянию) и толщины слоев грунта, пройденных сваями от подошвы ростверка.

В собственный вес условного фундамента при определении осадки включаются вес свай N_CB и ростверка ,а также вес грунта в объеме условного фундамента.

Размеры подошвы условного фундамента определяют по выра­жениям

(3.14)

(3.15)

где b, а – размеры в пределах внешних граней крайних свай, м;

l – глубина погружения сваи в грунт от низа ростверка, м.

Определяется площадь подошвы условного фундамента

Производится проверка условия

, (3.17)

где -расчетная нагрузка по обрезу фундамента, кН;

– вес ростверка и свай;

– вес грунта в пределах условного фундамента АВСД;

– расчетное сопротивление грунта на уровне подошвы ус­ловного фундамента АВСД, определяемого по формуле СНиП 5.01.-01- 2002 [3, с.50] для размеров .

Если условие (3.17) не соблюдается, то можно увеличить расстояние между сваями или применить сваи большей длины.

Рис. 3.2 – Схема к расчету осадки свайного фундамента

4. Расчет фундамента с применением пэвм

Для второго сечения, указанного в задании, также необхо­димо определить размеры подошвы фундамента. Это можно осуществить по методике, изложенной в п.2.3, либо расчетом с использованием ПЭВМ.

На ПЭВМ расчеты можно выполнить используя программные продукты «Фундамент 10.1» либо «Мономах 4».

Пример результатов расчета

с использованием программы «Фундамент 10.1».

Cтолбчатый на естественном основании

1. – Исходные данные:

Тип грунта в основании фундамента:

Пылевато-глинистые, крупнообломочные с пылевато-глинистым заполнителем 0.25&ltIL&lt0.5

Расчет осадок свайного фундамента

Расчет осадок фундаментов на сваях-стойках не производится, так как они передают нагрузку на практически несжимаемое или малосжимаемое основание. Величина осадки свайного фундамента из свай, защемленных в грунте, определяется расчетом по предельным состояниям второй группы.

Фундаменты из свайных полей размером более 10´10 м рекомендуется рассчитывать по схеме линейно деформируемого слоя. При этом размеры условного фундамента принимают равными размеру ростверка в плане, а расчет производят по среднему давлению на основание в плоскости подошвы плитного ростверка, увеличив расчетную толщину слоя на величину, равную глубине погружения свай, и приняв модуль деформации слоя, прорезаемого сваями, равным бесконечности или модулю упругости материала свай.

Расчет осадки в прочих случаях рекомендуется выполнять с использованием метода послойного суммирования. Границы условного фундамента показаны на рисунке 2.4. Вертикальные грани условного фундамента отстоят от наружных граней крайних рядов свай на расстоянии

,

где h – длина части сваи, соприкасающейся с грунтом; φ_II,m – средневзве-шенное значение угла внутреннего трения грунтов, прорезаемых сваями;

j_II,i – расчетные значения угла внутреннего трения для отдельных слоев грунта, прорезаемых сваей, толщиной h_i.

Это вызвано тем, что за счет трения по боковой поверхности между стволом сваи и грунтом часть грунта также вовлекается в совместную работу и может рассматриваться как часть фундамента.

Таким образом, размеры условного фундамента определятся по формулам:

,

где b и l – расстояния между наружными гранями крайних рядов свай по ширине и длине фундамента, м.

Расчет производится в той же последовательности, что и для фундамента на естественном основании. Напряжения в основании условного массивного фундамента определяются так же, как и для фундамента на естественном основании под действием N_о1 и собственного веса условного фундамента, в который входит вес ростверка, вес свай и вес грунта в пределах объема abcd (см. рисунок 2.4).

Полученное расчетом значение осадки не должно превышать предельное значение, определяемое по таблице 1.16 или по таблице Б.1 [1].

Расчеты свайного фундамента завершаются подбором сваебойного оборудования. Можно использовать методику, описанную в справочной литературе [2, с. 207-210].

Пример. Выполняем проверку давления на грунт от условного фундамента ABCD (рисунок 2.5). Определим средневзвешенное значение угла внутреннего трения j_II,m и размеры подошвы условного фундамента l_y и b_y, учитывая, что расстояние между наружными гранями крайних рядов свай b₀ = 2,3 м и l₀ = 3,5 м:

Вес условного массива

Полное давление под подошвой условного фундамента

Расчетное сопротивление грунта R под подошвой условного фундамента определим по формуле (В.1) [1], принимая d = d_y и b = b_y и учитывая, что g_с1 = 1,25; g_с2 = 1; k = 1; k_z = 1; M_y = 0,43; M_q = 2,73; M_c = 5,31 (для j_II = 18° несущего слоя); b = 3,85 м; g_II = 18 кН/м 3 – удельный вес грунта, расположенного под подошвой условного фундамента; d = 17 м; с_II = 30 кПа – сцепление несущего слоя грунта; = (16×1,2+19×4,8+19×8+18×3)/(1,2+4,8+8+3)= = 18,6 кН/м 3 – средневзвешенное значение удельного веса грунта в пределах глубины заложения условного фундамента;

Проверяем давление на грунт по подошве фундамента

р = 643 кПа 0,6 м), заключающийся в сопоставлении расчетного давления s с несущей способностью грунта;

в) проверку прочности свай как внецентренно сжатых элементов, сопротивления материала по предельным состояниям первой и второй групп.

Свайные фундаменты с наклонными сваями рассматриваются как пространственные статически неопределимые рамные конструкции, взаимодействующие с упругим (винклеровским) основанием. Стойками этой рамы являются сваи, а ригелем – ростверк. Взаимодействие грунта и свай может быть учтено двумя способами: как жесткая условная заделка свай в грунте или как деформация гибкого стержня в упругой среде. В любом случае расчет ведется методом перемещений.

Кроме того, для низких ростверков дополнительно учитывается сопротивление грунта по его боковым поверхностям.

Расчетные схемы для высокого и низкого ростверков приведены на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Расчетные схемы свайных фундаментов: а – с высоким ростверком; б – с низким ростверком

Для упрощения расчета вводятся «характерные центры» стержневой системы: С – упругий центр (если сила приложена в этой точке, то она вызывает только поступательное движение всей системы); Q – центр нулевых перемещений (сила, проходящая через него перпендикулярно оси OZ, вызывает поворот ростверка вокруг точки О).

Расчет усилий и перемещений выполняют в следующем порядке:

1 Определяют усилия, передающиеся на плоскую расчетную схему (расчетный ряд свай), по формулам:

,

где– расчетная нормальная сила в уровне подошвы ростверка, кН; Т – расчетная горизонтальная нагрузка, действующая на расстоянии h₀ от точки О; h₀ =M/F; k_р – количество расчетных рядов; М – суммарный момент от всех сил относительно точки О, действующий в расчетной плоскости.

2 Вычисляют относительные значения единичных реакций системы по формулам:

;

;

;

,

где a_i – проекции углов наклона свай на расчетную плоскость (положительные при отклонении свай от вертикальной оси влево); п – число свай в расчетном ряду; п_ф – число фиктивных свай (при расчете низкого ростверка); х_i – расстояния от оси, проходящей через центр тяжести свайного поля в уровне подошвы фундамента, до осей свай (положительные – влево от точки О); l_n – расчетная длина сжатия свай, м; l_м – расчетная длина изгиба свай, приближенно принимаемая ; l₀ – свободная длина сваи (для низкого ростверка l₀ =0).

3 Для низкого ростверка находят количество фиктивных горизонтальных свай по формуле

,

где F_p – реактивный отпор грунта при единичном горизонтальном перемещении ростверка; А_св – площадь сечения сваи, м 2 ; Е_b – модуль упругости бетона сваи, кПа.

Значение F_p можно определить по формуле

где b – ширина боковой грани ростверка, перпендикулярной к плоскости расчетной схемы, м; Е_г – модуль деформации грунта, расположенного у боковой грани ростверка, кПа.

4 Определяют положение характерных центров С и Q по формулам:

При этом должно выполняться условие c₀

Расчет осадки свайного фундамента – нормативные документы, требования, формулы

В процесс проектирования дома входит проведение инженерных изысканий грунтов, залегающих на выделенной под строительство площадке, и расчеты конструктивных элементов строения. Определение формы, структуры и габаритов наземных и подземных частей здания сопряжено с направлением, величиной и видами принимаемых нагрузок. Кроме того, учитывается специфика грунтов и детальные особенности дома, указанные в задании на проектные работы. Все эти факторы ведут к разным вариантам и алгоритмам вычислений. В частности, возведение объекта на слабых почвах влечет за собой расчет осадки свайного фундамента, что является одним из способов определения предельных состояний грунтового основания.

Нормативные документы

В настоящее время более поздней, актуализированной версией СНиП 2.02.03-85, распространяющейся на сферу проектирования свайных фундаментов, являются СП 24.13330.2011. В строительные правила внесены определенные замены и поправки, но в целом нормы СНиП особых усовершенствований не претерпели. Тем не менее, при существенных разногласиях, предпочтение следует отдавать СП, а не полагаться на СНиП.

Рассматриваемый свод правил озвучивает требования к проектированию определенного вида фундамента – свайного. В них указываются разные типы свай, геологические и инженерные условия, принимаются во внимание вновь строящиеся и находящиеся в стадии реконструкции сооружения. Но данные СП, как, впрочем, и СНиП, не имеют отношения к свайным опорам, возводимым:

• под объектами с динамическими нагрузками;
• в условиях вечной мерзлоты;
• для нефтепромысловых сооружений;
• на глубину более 35 метров.

Общие требования и виды свай

При проектировании свайных фундаментов основываются на:

• инженерно-геологических изысканиях;
• особенностях сооружения – конструктивных, эксплуатационных, технологических;
• сейсмичности региона;
• величине и направлении полезных, а также временных нагрузок;
• технико-экономических обоснованиях и сравнениях с другими вариантами.

В СП и СНиП производится определение вида свай:

• по варианту заглубления – забивные и винтовые, вдавливаемые и вибропогружаемые, набивные и буровые;
• по способу опирания на грунт – стоячие и висячие;
• по материалу – деревянные, металлические, бетонные и железобетонные;
• по форме поперечного и продольного сечения;
• по наличию армирования;
• по типу пяты и т.д.

В СНиП указывается, что расчеты свайных фундаментов должны производиться по предельным состояниям, разделенным на две группы. Первая относится к прочности материала, а также к несущей способности и устойчивости оснований. Вторая имеет отношение к осадкам свай в результате воздействия вертикальных нагрузок, к различным перемещениям в горизонтальном направлении подземных опор вместе с грунтовыми слоями и, кроме того, к образованию глубоких трещин в железобетонных фундаментных конструкциях.

Допустимая осадка фундамента, согласно требованиям СНиП, рассчитывается по второй группе предельных состояний.

Существенным моментом при проведении любых расчетов является необходимость закладки в результат вычислений плюсовых коэффициентов запаса надежности. Определение окончательных показателей производится по вариантным расчетам, после сопоставления альтернативных решений. В определенных СП даются расчетные значения и необходимые для вычислений коэффициенты, а также уточняются действующие нагрузки на фундамент, а также их сочетания. Какие именно строительные правила устанавливают те или иные характерные показатели, указывается в СНиП.

Расчет осадки свай

В СП предусматривается несколько расчетных схем, учитывающих размещение свай относительно друг друга. При этом все они основываются на линейно-деформируемой модели грунта, но при надлежащем обосновании могут применяться и другие варианты. Основным условием расчета на осадки любого типа свайных фундаментов является определение значения его возможных деформаций, не превышающих предельных показателей.

где S– общая осадка;

Su – предельная деформация.

При несоблюдении условия производят перерасчет с увеличением заглубления свайных опор до тех пор, пока не будет достигнуто необходимого результата.

По СНиП висячие сваи рассчитываются на осадки как условный фундамент, границы которого на уровне пяты выходят за пределы общей площади реально расположенных лент или кустов свай. В актуализированной версии СП предусмотрен несколько иной алгоритм расчета.

Одиночные сваи

Существует ряд формул, определяющих осадку:

• висячие сваи, не имеющие уширения в зоне пяты

где N – принимаемая сваей вертикально направленная нагрузка, МН;

l – линейный размер сваи, а именно – ее длина, м;

здесь, d – наружный диаметр сваи, м.

Если поперечное сечение является не круглым, а квадратным, прямоугольным, тавровым или двутавровым, то для определения условного диаметра применяется формула:

здесь А – соответствует табличному значению площади поперечного сечения.

υ – коэффициент Пуассона;

параметр, учитывающий увеличение расчетной осадки, возникающее по причине сжатия ствола –

.

• стоячие сваи и висячие с уширением в зоне пяты

Значения модуля сдвига и коэффициента Пуассона зависят от характеристик грунтовых пластов. Они принимаются путем послойного суммирования и осреднения в результате деления полученной цифры на количество присутствующих слоев в пределах глубины погружения сваи.

Свайный куст

Расчет свайной группы на осадки основывается на взаимодействии подземных опор между собой. В этом случае определяется дополнительная деформация сваи, расположенной на определенном расстоянии (ɑ) от нагружаемой сваи.

Если распределение нагрузок между сваями в одном кусте известно, то при вычислении осадки каждой из них используется формула:

где s(N) – определяемая по вышеприведенной формуле осадка (для одиночно расположенной сваи);

Если же распределение неизвестно, то расчет производится по той же формуле, но с учетом дополнительных нюансов и использованием знаний по строительной механике.

Свайное поле

Расчет, в данном случае, рекомендуется выполнять иначе, нежели в двух предыдущих вариантах. Для этого существует формула:

На размещенном ниже рисунке показано, что такое границы условного фундамента относительно крайних рядов свай:

а) вертикально расположенных;

б) наклонно расположенных.

Осадка свайного поля вычисляется методом послойного суммирования. В этом случае в зоне условного фундамента масса грунта в учет не принимается, а в качестве нагрузки учитывается лишь прямое воздействие расчетных усилий на свайный фундамент.

При расчетах методом послойного суммирования для свайного поля, берут во внимание то, что общая величина осадки находится в зависимости от шага свайных опор в пределах площади поля. Но здесь возникает определенная сложность, так как шаг может иметь переменную величину. В этом случае вариант послойного суммирования усложняют методом ячейки, используя при расчетах другие схемы и формулы, детально указанные в СП.

Принцип метода послойного суммирования

Его суть описана в СП 22.13330.2011, являющихся актуализированной редакцией СНиП 2.02.01-83*. Она состоит в следующем. Вертикальные усилия на фундамент расчленяют на несколько участков, соответствующих толщине грунтовых слоев, которые характеризуются однородным составом и свойствами. На расчетной схеме криволинейная эпюра изменяется на ступенчатую. В каждом слое определяют работу на сжатие без бокового расширения. При этом общую осадку вычисляют методом послойного суммирования.

В процессе расчета строят схему распределения напряжений, а при расчетах пользуются специальными формулами, указанными в СП, и размещенными там же таблицами. Пример схемы показан на рисунке ниже.

Комбинированный фундамент

Свайно-плитная конструкция подземной части дома применяется в целях снижения осадок и более равномерного распределения нагрузок. Такой фундамент эффективно работает в сложных грунтовых условиях, сочетая сопротивление нагрузкам как свай, так и плиты. Расчет осадки, в данном случае, включает в себя определение:

• усилий в сваях и плите;
• деформаций и перемещений комбинированного фундамента в целом, а также его отдельных составляющих;
• нагрузок в процентном отношении на каждую из свай и определенные участки плиты.

После выполнения расчетов с учетом запаса надежности, определяется длина и шаг свайных опор.

Правильные вычисления и выбор конструктивных элементов комбинированного фундамента обеспечит отсутствие существенных осадок, перекосов и кренов строения в период его эксплуатации. Дополнительные условия расчета приведены в СП 24.13330.2011.

Осадка свайного фундамента

На данной странице представлена информация об осадке свайного фундамента. Вы узнаете, что это за процесс и какие факторы на него влияют. Мы рассмотрим методы расчетов осадки, способы ее фактического определения и технологии предотвращения осадки железобетонных свай.

Что такое осадка фундамента и что на неё влияет

Осадка свайного фундамента – это изменение уровня размещения свай в грунте, возникающие в процессе их эксплуатации. Основная причина осадки – неправильные расчеты устойчивости фундамента к нагрузкам на стадии его проектирования, которые приводят к использованию опор недостаточной длины либо меньшего, чем того требуют фактические условия, сечения.

Проседания свай возникают под воздействием следующих факторов:

• Недостаточной несущей способности почвы, в которой размещена опорная подошва свай;
• Нагрузок, передающихся на фундамент в процессе работы в грунте, исходящих от массы здания, давления снега и эксплуатационных воздействий.

Грузонесущуя способность железобетонной опоры по материалу будет всегда больше, чем аналогичная характеристика грунта. Если в расчетах фундамента допущены ошибки, то пласт грунта в котором расположена опорная часть свай, под весом здания будет уплотняться и проседать, что приведет к уменьшению нулевого уровня фундамента (его осадке).

Данная проблема особенно характерна для висячих свай, которые получают устойчивость за счет трения почвы с боковыми стенками опоры. Сваи стойки, опирающиеся на глубинные, несжимаемые пласты грунта, ввиду высокой плотности породы практически не подвергаются осадке.

Расчёт осадки – методы

Специалисты, занимающиеся проектированием фундаментов, определяют расчетную осадку свай исходя из второй группы предельных состояний железобетонных опор, для чего используется два метода:

• Способ послойного суммирования;
• Способ эквивалентного слоя.

Рассмотрим каждый из них подробнее.

Способ послойного суммирования

Данный метод рекомендован к применению действующим СНиП, он является наиболее часто используемым способом вычислением осадок свайных оснований.

При использовании способа послойного суммирования свайное основание принимается за условную монолитную конструкцию, размеры которой считаются по контуру крайних точек свайного поля. На нижеприведенной схеме размеры свайного основания представлены границами АВДС.

Первоначально составляется габаритная схема основания АБСД, при расчетах используется величина уклона “а”, выводящаяся из следующих формул:

• φcp – усредненный угол внутреннего трения контактирующих со сваей слоев почвы, определяемый посредством геодезических изысканий;
• а – эпюра рассеивания нагрузок по высоте свайной опоры.

После определения величины “а” производится расчет длины и ширины основания AБCД по формуле:

Полученные габаритные характеристики применяются в формуле расчета давления на опорную часть фундамента (Р усп). Давление сопоставляется с удельным сопротивлением контактирующих со сваями пластов грунта (R усл. фун).

Удельное сопротивление почвы, в свою очередь, выводится по формуле:

Если в результате сопоставления нагрузок и сопротивления грунта получается соблюдение условий, составляются эпюры нагрузок на сваи “σ0z” и “σбz” (приведены на схеме), и по формуле S выводится величина осадки основания.

Способ эквивалентного слоя

Альтернативный способ эквивалентного слоя подразумевает расчет осадки исходя из контролируемого бокового расширения почвы. В данном случае за эквивалентный слой принимается пласт почвы (hэ), который при невозможности пространственного расширения дает удельную осадку, аналогичную общей осадке равномерно нагруженного фундамента. По простому – вместо послойного суммирования слоев используется одномерный коэффициент, совокупный для всех контактирующих со сваей пластов грунта.

Мощность условного эквивалентного слоя высчитывается на основе коэфф. Пуансона, коэффициента жесткости фундамента (w) и его габаритной ширины (b) по формуле:

При этом за А принимается коэффициент, индивидуальный для каждого типа грунта: А равно .

Используемое при расчетах соотношение Aw (коэффициента грунта и жесткости фундамента) именуется величиной эквивалентного пласта, нормативные данные которого представлены в нижеприведенной таблице:

Осадка фундамента рассчитывается по формуле: , в которой:

• Ро – эксплуатационное давление на опорную часть свайного фундамента (от массы здания, снеговых и полезных нагрузок);
• mv – нормативный коэфф. сжимаемости почвы.

Как определить осадку свайного фундамента

Фактическая осадка свай определяется посредством их статических испытаний. В процессе испытаний на опору гидравлическими домкратами оказывается давление и с помощью прогибомера измеряется величина осадки сваи от полученной нагрузки.

Технология статических испытаний предназначена для определения критических и предельных нагрузок, которые может выдержать свайный фундамент. Под критической нагрузкой подразумевается давление, которое приводит к резкой осадке (проваливанию) сваи в грунт, величина которой в 5 и более раз превышает осадку от ранее полученного сваей давления. Осадка предельного типа определяется по нагрузке, на 1 ступень меньшей, чем нагрузка приводящая к критической осадке.

Для проведения испытаний используются гидравлические домкраты с усилием давления от 50 до 200 тонн, измерения ведутся с точностью до 0.1 мм. Прогибомер фиксируется на высотных реперах, которые представлены стойками, удаленными от сваи на 1-2 метра, и закрепленными на них ригелями (на ригелях посредством ступицы фиксируется измерительный прибор).

Допустимые нормы осадки

На практике кирпичные здания, фундамент которых подвергся неравномерной усадке более чем на 12 см, получают серьезные деформации, вплоть до появления на стенах и перекрытиях сквозных трещин.

Как избежать осадки

Предотвратить осадку фундамента можно еще на стадии проектирования основания. Если расчеты показывают, что величина осадки превышает допустимою норму, нужно заменить висячие сваи на сваи-стойки – использовать опоры большей длины, которые работают в грунте не за счет сопротивления почвы боковым стенкам конструкции, а за счет опирания на глубинный пласт несжимаемого грунта.

Снизить риск осадки фундамента можно и посредством увеличения сопротивления грунтов, что достигается за счет их цементации. Данный метод особенно эффективен в условиях почвы, обладающей низкой плотностью. Его суть заключается в нагнетании в толщу грунта бетонной смеси либо силикатного раствора с помощью специальных инъекторов.

Инъектор представляет собой перфорированную стальную трубу, которая погружается в почву и подключается к бетононасосу. Подача смеси ведется в пласты грунта, в которых расположена опорная часть сваи. В результате вокруг опорной подошвы сваи, после отвердевания смеси, образуется монолитная бетонная подушка, которая предотвращает осадку фундамента под внешними нагрузками.

Полезные материалы

Свайный фундамент своими руками – пошаговая инструкция

СК “Установка Свай” занимается возведением фундаментов на железобетонных сваях.

Как рассчитать свайный фундамент

В местностях с зыбкими, слабыми грунтами предпочтительные виды фундаментов под дома и сооружения – свайный и свайно-ростверковый.

Как закрыть свайный фундамент

Свайный фундамент, особенно высокий фундамент с ростверком на сваях , обычно стараются закрыть.

Расчет осадки свайного фундамента правильно

Библиографическая ссылка на статью:
Мельников В.А., Алексеев Н.С., Ионов К.И. Сравнительный анализ методик расчета осадки свайных фундаментов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 9. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/09/57462 (дата обращения: 02.02.2020).

На современном этапе развития фундаментов одной из главных задач является повышение эффективности проектировочных решений, разработка экономически обоснованных и конкурентоспособных решений

В настоящее время большой размах приобретает строительство на слабых водонасыщенных грунтах, когда строители используют под объекты площадки, которые ранее признавались геологами невыгодными для возведения сооружений.

В сложных инженерно-геологических условиях свайный вариант зачастую оказывается единственно возможным видом фундаментов. Свайные фундаменты применятся в тех случаях, когда грунты основания представлены насыпью большой мощности, илистыми отложениями, связными грунтами в текучем и текуче-пластичном состоянии и т.п. [13, 15].

Так как затраты на устройство подземной части здания составляют до 25% от общей стоимости, снизить эти показатели позволяет применение более экономичных и индустриальных свайных фундаментов.

Важнейшим резервом повышения эффективности свайных фундаментов является совершенствование определения их осадок на стадии проектирования.

Сложность работы сваи в грунте делает невозможным создание математически строгой теории надежности расчета. Поэтому используются различные инженерные методики расчета. Используемая в настоящее время нормативная литература в области проектирования свайных фундаментов содержит недостаточно информации и позволяет получать неоднозначные результаты.

Целью данной работы является сравнение результатов расчета осадок свайных фундаментов здания каркасного типа в заданных геологических условиях. Параметры здания и геологический разрез приняты одинаковыми для того, чтобы выявить влияние различных теоретических подходов к расчету осадок в СНиП 2.02.03.-85 «Свайные фундаменты» и СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» (актуализированная редакция).

2. Расчет несущей способности свай
Характеристики грунтов и мощности слоев, слагающих грунтовое основание заданного сооружения, представлены в таблице 1.

Расчеты проводятся по двум группам предельных состояний [2]:Будем рассматривать висячие железобетонные сваи, призматической формы, квадратного поперечного сечения с заостренным концом. При этом размеры поперечного сечения принимаем 40 х 40 см, длину сваи 13 м.

1) по несущей способности – по прочности материала свай и материала ростверка (ведется на основное сочетание расчетных нагрузок);
2) по деформациям – по осадкам оснований свай и свайных фундаментов от вертикальных нагрузок (на основное сочетание нормативных нагрузок).

Сваю в составе фундамента и вне его по несущей способности грунтов основания следует рассчитывать исходя из условия [6]:

, (1)

где N — расчетная нагрузка, передаваемая на сваю (продольное усилие, возникающее в ней от расчетных нагрузок, действующих на фундамент при наиболее невыгодном их сочетании);

F _d — расчетная несущая способность грунта основания одиночной сваи, называемая в дальнейшем несущей способностью сваи;
— коэффициент условий работы, учитывающий повышение однородности грунтовых условий при применении свайных фундаментов, принимаемый равным 1,15 при кустовом расположении свай;
— коэффициент надежности по назначению (ответственности) сооружения, принимаемый равным 1,15;
— коэффициент надежности примем равным 1,4, т. к. несущая способность сваи определена расчетом.
Несущую способность F _d , висячей забивной сваи, погружаемой без выемки грунта, работающей на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле [6]:

где _c — коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый _c = 1;
R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое по таблице (табл. 7.2 [4]): R =5360 кПа;
A — площадь опирания на грунт сваи, м 2 , принимаемая равной площади поперечного сечения сваи: A =0,16 м 2 ;
u — наружный периметр поперечного сечения сваи, м: u =1,6 м;
f _i — удельное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, принимаемое по таблице (табл. 7.3, [4]) в зависимости от глубины H _i и вида грунта на этой глубине;
H _i — глубина погружения средней точки i-го однородного участка грунта;
h _i — толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;
_cR , _cf — коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта (табл. 7.4, [4]): .
Определим f _i и и результаты сведём в таблицу 2:
Таблица 2

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».

Дом на сваях

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.

Процесс монтажа свай

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.

Вариант схемы расположения свай

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:

Конструкция висячей сваи

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.

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:

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:

Свайное поле

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.