Как определить число свай у свайном фундаменте

При горизонтальной нагрузке на свайный фундамент, а также при воздействии на него центрально приложенной вертикальной нагрузки ростверк распределяет ее равномерно между всеми сваями. В указанных случаях количество свай в фундаменте п определяется по формуле

(46)

где N — расчетная сжимающая (или горизонтальная) сила в г;
Р — несущая способность сваи в т.

Величина п округляется в сторону увеличения до целого числа.
Этой же формулой можно пользоваться, когда усилие прило­жено к фундаменту с постоянным эксцентриситетом е, если сила N проходит через центр тяжести плана свай фундамента.
При внецентренном приложении усилия N к фундаменту с вертикальными сваями нагрузка на сваю Р_ф определяется по формуле

(47)

где: N, Р, п — имеют те же обозначения, что и в форму­ле (46);
М_х, М_у — расчетные моменты в тм относительно главных центральных осей х и у плана свай в плоскости подошвы свайного ростверка;
x_i, у_i — расстояния в м от главных осей до оси каждой сваи; х, у — расстояния в м от главных осей до оси каждой сваи, для которой вычисляется нормальная на­грузка.

Принято рассматривать низкий ростверк свайного фундамента как жесткую конструкцию, в связи с чем считают, что при внецентренном приложении усилия нагрузка на сваи распределяется по линейному закону.

При кратковременно действующих нагрузках (например, кра­новых, ветровых) допускается перегрузка крайних свай фунда­мента в пределах до 20% их несущей способности. При действии изгибающего момента от кратковременных нагрузок только в од­ной плоскости к крайним сваям относятся сваи, размещенные в поперечных к ней наружных рядах, а при действии изгибающего момента в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, край­ними являются угловые сваи.

Размещение свай под зданием или сооружением определяется конфигурацией его фундамента в плане и зависит от характера и величин, действующих нагрузок, грунтовых условий и характе­ра работы свай в грунте (висячие или сваи-стойки) и др.

Сваи следует размещать так, чтобы по возможности обеспечи­валась их равномерная загрузка. Кроме того, для удобства про­изводства работ сваи в фундаменте рекомендуется размещать правильными рядами. Выбор схемы размещения сваи в отдель­ном ростверке определяется также числом свай в кусте. Продоль­ная ось подошвы ростверка размещается в направлении дей­ствия эксцентриситета.

При большом изгибающем моменте ось колонны целесообразно смещать по отношению к центру подошвы ростверка. Если на­грузка, вызывающая изгибающий момент, носит постоянный ха­рактер, ось колонны смещают на величину эксцентриситета, бла­годаря чему достигается более равномерное распределение дав­ления на сваи.

Сваи размещаются по подошве ростверка рядами, параллель­ными его боковым граням, либо в шахматном порядке. В послед­нем случае желательно, чтобы под углами прямоугольного рост­верка имелись сваи.

Под ленточным ростверком сваи размещаются рядами или в шахматном порядке. В последнем случае шаг сваи измеряется по диагонали между смежными сваями. Короткие сваи можно размещать в 1 ряд. При сваях длиной более 6-7 м однорядное размещение не рекомендуется, так как из-за неизбежных переко­сов свай при их забивке длинные сваи могут получить опасную дополнительную нагрузку в виде значительного изгибающего мо­мента, вызванного внецентренным приложением реактивного дав­ления грунта к нижнему концу сваи.
Расстояние между осями висячих свай должно быть не менее 3 d, но не менее 70 см для деревянных свай и 90 см для железо­бетонных. В случае забивки наклонных свай расстояние в осях между их верхними концами в плоскости подошвы ростверка мо­жет быть уменьшено до 1,5 d. При погружении свай в песчаные грунты вибропогружателями минимальное расстояние между нижними концами свай — 4 d, так как при меньшем расстоянии в связи с переуплотнением грунта забивка сильно затрудня­ется.

Размещать висячие сваи, опирающиеся на сравнительно проч­ные грунты, так, чтобы расстояние между ними превышало 4 d, не рекомендуется, поскольку таким путем, как правило, не удает­ся повысить их несущую способность, а размеры ростверка при этом увеличиваются. Исключение может быть сделано для фун­даментов с ростверком в виде ленты или сплошной плиты, а так­же при действии больших изгибающих моментов. При внецентренных нагрузках, передаваемых на фундаменты с шагом свай меньше 6 d, последние размещаются равномерно по всей площа­ди ростверка, а при больших эксцентриситетах — равномерно в каждом ряду, но с неодинаковым шагом между рядами в направ­лении действия изгибающего момента.

При забивке свай в илистые или в мягкие глинистые грунты, несущая способность свай определяется, главным образом, соп­ротивлением грунта на их боковой поверхности, которое состав­ляет до 90% и более. В таких грунтах несущая способность свай­ного фундамента, состоящего из группы свай, близко расположен­ных друг от друга, может оказаться меньшей, чем сумма несущих способностей свай, образующих куст, так как возможно продавливание всего куста вследствие среза грунта по его периметру.

Несущая способность свай будет полностью использована только в том случае, если площадь боковой поверхности куста будет равна или превысит площадь боковой поверхности сваи, умноженной на их число в кусте. Если это условие не соблюда­ется, то, увеличивая расстояние между сваями, можно добиться повышения несущей способности свайного фундамента. Поэтому в слабых грунтах расстояние между сваями рекомендуется уве­личивать до 3,5-4 d, а иногда и более.

Однако при большом числе свай в кусте возникает необходи­мость их раздвижки на 5-6 d и более, что является неэкономич­ным, так как приводит к значительному увеличению размеров ростверка. В связи с этим более целесообразным представляется идти по пути повышения несущей способности свайного фунда­мента за счет удлинения свай, а не увеличивая их числа, особен­но, если их более 9 шт. в кусте.

Изложенные соображения подтверждаются данными табл. 25, в которой приведены значения коэффициента (п — число свай в кусте; u — периметр поперечного сечения квадратной сваи; u₁ — периметр свайного куста).

Таблица 25. Зависимость коэффициента от числа свай (квадратного
сечения) в кусте при различных расстояниях между осями свай

Примечание: Несущая способность свай определяется только сопротивлением грунта на их боковой поверхности.

При свайных фундаментах из большого числа свай, опираю­щихся своими концами на сильно сжимаемое основание, всегда рекомендуется проверить, достаточно ли сопротивление грунта на боковой поверхности фундамента (по его периметру), чтобы воспринять ту часть нагрузки, которая передается всеми сваями куста посредством трения на их боковой поверхности.
Принимать расстояние между осями свай более 6-8 d не реко­мендуется.

При внецентренном нагружении фундаментов на сваях-стойках последние рекомендуется размещать так, чтобы все сваи были нагружены равномерно. Расстояние между осями свай-стоек при­нимают минимальное, исходя из условий забивки свай и уплот­нения грунта между ними, чаще всего 2,5 d, но не менее 2 d.

При расположении свай в шахматном порядке, расстояние между осями свай соседних рядов не должно быть меньше, чем принятое минимальное расстояние между сваями с₁. Если сваи располагаются в шахматном порядке (рис. 52) с расстоянием между осями

Рис. 52. Схема раз­мещения свай в шахматном поряд­ке

соседних рядов то должно соблюдаться рас­стояние между сваями одного ряда

(48)

Так, например, при с₁ = 3dи c₂ — 2d,

Если расстояние между осями свай в ряду c = 3d, то при раз­мещении в шахматном порядке минимальное расстояние между осями рядов с₂ можно найти по формуле

(49)

Пример. Найдем минимальное расстояние между рядами свай ленточного ростверка при шаге свай c₁ = 3d и их расположе­нии в шахматном порядке в 2 ряда, если несущая способность сваи 30х30 см Р = 32 т, а расчетная нагрузка N = 45 т/м.
Требуемое количество свай на 1 м ростверка

Расстояние между сваями в ряду

Минимальное расстояние между осями рядов свай

При расчете свайного фундамента с внецентренным приложени­ем нагрузки, если возникающий при этом изгибающий момент определяется в основном действием кратковре­менной нагрузки, рекомендуется сначала опре­делить требуемое количество свай без учета кратковременной нагрузки. Затем, приняв определенное размещение свай в ростверке, надо найти нагрузку на сваи крайних рядов от действия кратковременной нагрузки, в пред­положении, что сваи остальных рядов при этом не работают. Если при этом суммарная нагруз­ка на крайние сваи не превысит их несущей спо­собности, увеличенной на 20%, то можно оста­вить принятое размещение свай. В противном случае необходимо увеличить расстояние меж­ду сваями в направлении действия изгибаю­щего момента или увеличить количество рядов свай в фундаменте.

При значительных эксцентриситетах сваи располагают по центрам тяжести участков трапециевидной эпюры напряжений. Если разность усилий в сваях при эпюрах с переменным эксцентриситетом не превышает 40%, то вполне допустимо равномерное расположение свай в плане, что упрощает производство работ.

Если предусматривается фундамент в виде свайного поля под всем зданием, то при больших горизонтальных нагрузках (напри­мер, при действии ветровой нагрузки на высокое здание или со­оружение) приходится их учитывать в расчете свай.

Определение максимальной и минимальной нагрузок на сваи по формуле (47) при большом числе рядов свай связано с весь­ма громоздкими вычислениями. С целью упрощения расчетов можно принимать, что весь изгибающий момент от ветровой нагрузки на прямоугольное в плане здание воспринимается только двумя краевыми полосами свайного фундамента, состоящим из свай нескольких крайних рядов (например, по 3 продольных ря­да с каждой стороны свайного поля). В этом случае плечо пары равно расстоянию между центрами краевых полос, а нагрузка на все сваи каждой полосы принимается распределенной равно­мерно.

Такой прием был, в частности, применен по рекомендации ав­тора при расчете свайного поля под 17-этажным административ­ным зданием в Киеве. Из 33 рядов свай в расчете на ветровую нагрузку учитывали только по 3 ряда с каждой стороны.
Расчетная нагрузка на сваи определялась следующим образом

(50)

где N и М — имеют те же обозначения, что и в формуле (47);
п — число свай в ряду;
т — число рядов свай в краевой полосе;
у — плечо пары (при 3 рядах свай в краевой полосе принимается равным расстоянию между осями второго и предроследнего рядов свай).

Круглые в плане сооружения обычно имеют фундаменты в виде круга или кольца. Сваи в таких фундаментах размещают по кон центрическим окружностям на равных расстояниях.
В узких кольцевых ростверках при расположении свай в 2-3-ряда иногда целесообразно размещать их по радиусам (приняв одинаковое число свай в каждом ряду).

Для круглых или кольцевых ростверков со сваями, располо­женными по концентрическим окружностям, нагрузки в т на сваи определяются по формуле

(51)

где r_i — расстояния в м от центра ростверка до центра каждой сваи;
r — расстояние в м от центра ростверка до центра сваи, для которой вычисляется нормальная нагрузка; остальные обозначения те же, что и в формуле (47).
При проектировании прямоугольных ростверков при централь­ной нагрузке и нагрузке, приложенной с небольшим эксцентриситетом (, где b — ширина ростверка), рекомендуется принимать ростверки квадратной формы. При значительных эксцентриситетах принимают прямоугольные ростверки. Больший раз­мер (длина) ростверка берется в направлении плоскости действия максимального момента.

Рис. 53. Схемы свайных кустов из 3, 5, 8, 14 и 25 свай.

Длина ростверка не должна превы­шать его ширину более чем в 2 раза.
Минимальное число свай в фундаменте колонны — три, макси­мальное — не ограничивается. Однако при размерах ростверка, близких к шагу колонн, целесообразно переходить на свайные фундаменты с ростверком в виде сплошной ребристой плиты или в виде перекрестных лент.
На рис. 53 приведены некоторые схемы размещения свай пря­моугольных ростверков, разработанные «Фундаментпроектом» для фундаментов под типовые колонны крановых и бескрановых цехов.

Источник