Максимальная осадка сваи. Сравнительный анализ методик расчета осадки свайных фундаментов

n=1157,2/228,67=5,1

принимаем n=6.

Рис.8 Компоновка свайных кустов

Проверка свайных кустов на внецентренное загружение ведется по формулам:

Nmax =(NI+Gр.гр/n)+ (Mx·ymax/y2i)+ (My·xmax/x2i);

Nmin =(NI+Gр.гр/n) - (Mx·ymax/y2i) - (My·xmax/x2i);

где Gр.гр – осредненный вес ростверка и грунта;

ymax, xmax – расстояние от главной оси ростверка до оси рассчитываемых свай, м;

yi,xi – расстояние от главной оси до оси каждой сваи, м;

Mx,My – расчетные моменты относительно осей х,у, кНм;

n – количество свай в кусте;

Gр.гр=bP·LP·dP·CP;

где bP,LP,dP – соответственно ширина, длина, глубина заложения ростверка, м;

Ростверк 4:

Gр.гр=1,5*1,8*2,4*19,33=104,34(кН)

Nmax=(1157,2+104,34)/6+869,67*0,9/3,6^2=225,7 (кН)228,67(кН)

Nmin=(4413,3+205,35)/8-1033,51*1,45/7,62= 165,4 (кН)> 0

4.2.6. Расчет осадки свайного фундамента.

Расчет осадки i-й сваи в группе из n-свай при известном распределении нагрузок между сваями производится по формуле из :

где s(N) - осадка одиночной сваи, МН, определяемая по формуле

δij – коэффициенты, рассчитываемые по формуле в зависимости от расстояния между i-й и j-й сваями; Nj - нагрузка на j-ю сваю.

Расчет осадки одиночных свай, прорезающих слой грунта с модулем сдвига, G 1 МПа, коэффициентом Пуассона ν 1 и опирающихся на грунт, рассматриваемый как линейно-деформируемое полупространство, характеризуемое модулем сдвига G 2, и коэффициентом Пуассона ν 2 , допускается производить при выполнении требований и при условии 1 (где l- длина сваи, м, d- наружный диаметр поперечного сечения ствола сваи, м).

Согласно п.7.4.3 характеристики G 1, и ν 1 принимаются осредненными для всех слоев грунта в пределах глубины погружения сваи, a G 2, и ν 2 - в

пределах 0,5l. Модуль сдвига грунта допускается принимать равным 0,4E 0 , а коэффициент k ν равным 2,0 (где E 0 - модуль общей деформации). Расчетный диаметр d для свай некруглого сечения, вычисляется по формуле

где A - площадь поперечного сечения сваи, м 2 .

β- коэффициент, определяемый по формуле 7.33

Коэффициент, соответствующий абсолютно жесткой свае ();

- тот же коэффициент для случая однородного основания с характеристиками G i и ν i ; - относительная жесткость сваи; EA - жесткость ствола сваи на сжатие, МН; λ 1 - параметр, характеризующий увеличение осадки за счет сжатия ствола и определяемый по формуле

;

k ν , k ν 1 - коэффициенты, определяемые по формуле

соответственно при и при ;

Рассчитываем свайный фундамент №1, с характеристиками:

==

Eо1=21*1,17+6,4*2+6,4*1,99/1,17+2+1,99=9,71 МПа

G1=0.4*=0,4*9,71=3,884МПа;

G2=0.4*=0,4*25=1,6 МПа;

коэффициент Пуассона:

Для грунтов крупнообломочных =0,27

Для песков и супесей =0,30

Для суглинков =0,35

Для глин =0,42

=

v1=0,3*1,17+0,3*2+0,3*1,99/1,17+2+1,99= 0,3

2,82-3,78*0,3+2,18*0,3^2=1,88;

β’=0,17*ln(2*3,884*7/1,6*0,339=0,78;

α=0,17*ln(2*7/0,339)=0,63;

Принимаем бетон класса В20 с начальным модулем упругости при растяжении Еb=27*10^3МПа.

ЕА=27*10^3*0,09=2430

χ=2430/3,884*7^2=12,768;

λ1=(2,12*12,76^3/4)/1+2,12*12,76^3/4=14,31/15,31=0,93;

β=(0,78/0,93)+(1-0,78/0,63)/3,884=0,928;

Вычисляем осадку одиночной сваи:

s=(0,928*0,228)/3,884*7=0,00778м;

Вычисляем дополнительную осадку сваи, находящейся на расстояние а=0,9 м от сваи, к которой приложена нагрузка N Следовательно:

4,5>1, следовательно:

а=0,9 м Δ1,2=0,17*ln()=0,17*ln(2*3,884*7)/2*1,6*0,9)=0,49;

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;

G 1 – модуль сдвига;

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

β – коэффициент

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);

i и j – i -тая и j -тая свая;

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

Свайное поле

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.

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.

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. 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 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.

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:

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

Свайный фундамент – удачный выбор для глинистых грунтов

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.