Расчет осадки свайного фундамента как условно массивного

Расчет осадки свайного фундамента как условно массивного

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: https://web.snauka.ru/issues/2015/09/57462 (дата обращения: 17.08.2021).

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

Источник

Расчет осадки свайного фундамента

Для фундаментов из висячих забивных свай и свай, которые погружаются без изъятия грунта в песчаные и глинистые грунты с показателем текучести I_L≤0,5, расчет по деформациям оснований допускается выполнять как для условного фундамента на естественном основании. При этом свайный фундамент рассматривают как условный фундамент.

5.5.1. Границы условного фундамента определяют следующим образом (см. рис. 5.5). Снизу он ограничен плоскостью АБ, проходящей через нижние концы свай; сверху – поверхностью планировки грунта ВГ; с боков – вертикальными плоскостями АВ и БГ, отстоящими от наружных граней крайних рядов свай на расстоянии а_у.ф., которое определяется по формуле:

где: h – глубина погружения сваи в грунт основания, м;

j_{II, mt} – осредненное значение угла внутреннего трения определяется по формуле:

где: j_{II, i} – характеристическое значение угла внутреннего трения для пройденных сваями ИГЭ;

Расстояние а _у.ф. принимают не более 2d, если под нижним концом залегают глинистые грунты с I_L>0,6.

5.5.2.Определяют размеры условного фундамента в плане (см. рис.5.2):

— для свайного фундамента под колонну:

— для ленточного свайного фундамента:

где b_р — ширина ростверка.

Рис.5.2. Условный свайный фундамент

5.5.3.Определяют площадь условного фундамента:

Условный свайный фундамент под колонну В, L -расстояние между осями крайних свай; Ву.ф., Lу.ф. — соответственно ширина и длина условного фундамента в зависимости от расположения свай.

Условный ленточный свайный фундамент Ву.ф., Lу.ф. – ширина условного фундамента в зависимости от расположения свай; bр – ширина ростверка

Рис.5.3. Примеры определения размеров условного фундамента

5.5.4. Определяют собственный вес условного фундамента:

G_у.ф.= · Н_у.ф. · А_у.ф , (5.17)

где: Н_у.ф – высота условного фундамента, м;

=20 кН/м 2 – среднее значение удельного веса бетона и грунта.

5.5.5. Определяют среднее давление под подошвой условного фундамента:

— для свайного фундамента:

р = , (5.18)

— для ленточного свайного фундамента:

р = (5.19)

5.5.6. Расчет осадки фундаментавыполняют методом послойного суммирования по формуле 4.17. Однако, в соответствии с примечанием к п. П.2.6 [2], из этой формулы следует исключать алгебраическое суммирование вычитаемых величин при вычислении первой составляющей в этой формуле. Таким образом, формула для расчета осадок (при глубине котлована до 5,0м) приобретает следующий вид:

(5.20)

5.5.7. Определяют вертикальные напряжения от собственного веса грунтов s_zgот дневной поверхности (поверхности планировки), напряжения от собственного веса грунта, извлеченного из котлована s_zγи напряжения от собственного веса грунтов s_zu,l,на участке от подошвы ростверка до пяты свай, где проходит нижняя граница условного фундамента. На расчетной схеме строятся эпюры s_zg, s_zγ и s_zu,l (масштабы: вертикальный 1:100; напряжений 1 см = 50 кПа), см. рис. 5.3.

Рис.5.3. Расчетная схема к определению осадки свайного фундамента

5.5.8. Вертикальное напряжение на отметке подошвы условного фундамента принимают равным среднему давлению:s_zро = р

5.5.9. Затем определяют:

— толщину элементарного слоя грунта:

— соотношения сторон условного фундамента h = L_у.ф./В_у.ф (для отдельно-стоящих свайных фундаментов).

— дополнительные напряжения на границах элементарных слоев s_zр:

(5.22)

где — коэффициент рассеивания напряжений по глубине, определяется по табл.4.10.

На расчетной схеме строится эпюраs_zр.

5.5.10. Суммирование осадок элементарных слоев выполняют в диапазоне от подошвы условного фундамента до глубины, где выполняется условие:

, (5.23)

где s_zg – напряжение от собственного веса грунта от поверхности;

s_zu,l – напряжение от собственного веса грунта от подошвы ростверка до подошвы условного фундамента, определяется так же как и s_zg, но без учета веса грунта выше подошвы ростверка;

k – коэффициент, определяемый согласно пункту 7 раздела 4.3.1 (Д.10 [1]).

5.5.11. Результаты расчетов сводят в табл. 5.12.

№

zi , м

x

a

szp кПа

szg , кПа

szu,l, кПа

szγ , кПа

szp,i , кПа

szγ,i , кПа

hi , см

Ei , кПа

si , см

Проверяют условие: Σs_i ≤ s_u

Пример:

Длина призматической сваи равна (см. рис. 5.4):

Принимаем сваю С80.30-8 (длиной 8,0 м, сечением 300х300мм)

Рис. 5.4. Расчетная схема для определения несущей способности сваи

Расчетное сопротивление грунта под подошвой сваи на отметке z_св = 9,2 м при Ι_L = 0 равно:

R = 9700 + = 9700 + 587 = 10287кПа.

Площадь и периметр поперечного сечения сваи:

А = 0,3 2 = 0,09 м 2 ;

Сопротивление на боковой поверхности сваи определяем в табличной форме, табл.5.8.

Так как показатель текучести (ИГЭ-2, 3, 4) Ι_L 3 h_і, м f_i х h_і, кН/м 3 1 2,35 0;

Среднее значение угла внутреннего трения:

j_{II, mt} = °;

Расстояние от грани сваи до границы условного фундамента:

Определяем размеры, площадь и вес условного фундамента:

Lу.ф. = 2·а + 3d + d = 2·0,6 + 0,9 + 0,3=2,4 м; Ву.ф. = 2·а + d= 2·0,6 + 0,3=1,5 м; Ау. ф. = Lу.ф.·Ву.ф= 2,4·1,5=3,6 м 2 ; Gу.ф.= · Ну.ф. · Ау.ф =20· 9,2 · 3,6=662,4кН Среднее давление под подошвой фундамента: р = = = 491 кПа;

Определяем осадку свайного фундамента:

— толщина элементарного слоя: h_i = 0,4 · В_у.ф.. = 0,4 · 1,5 = 0,6 м;

— напряжение от собственного веса грунта s_zg:

— напряжение от собственного веса грунта, извлеченного из котлована: ; Для построения эпюры szγ толщу грунта ниже подошвы фундамента разбиваем на условные слои, см.рис.5.6. Вк=40,0м; Lк=93,0м; z,м x=2z/Вк aк szγ, кПа 0 0 1,00 23,2 1,1 0,06 0,996 23,1 3,6 0,18 0,989 22,9 6,1 0,31 0,981 22,8

Рис.5.6

— напряжение s_zu,l = Σg_і · h_i:s_zu,l1 = 1,3· 15,5 = 20,2 кПа;

s_zu,l2 = 20,2 + 4,7 · 16,5 = 97,8 кПа;

s_zu,l0 = 97,8 + 1,5 · 17,8 = 124,4 кПа.

Расчет осадки для фундамента СФ-1

№	x	zi , м	a	szp кПа	szg , кПа	szu,l, кПа	szγ кПа	szp, i , кПа	szγ кПа	hi , см	Ei , кПа	si , см
0	0	0	1,000	491	151	124,4	23,2	455,9	23,18	60	10000	2,08
1	0,8	0,6	0,857	420,8	161,7	124,4	23,15
346,65	23,12	60	9333	1,66
2	1,6	1,2	0,555	272,5	172,2	-ʹʹ-	23,09
221,95	23,06	60	16000	0,60
3	2,4	1,8	0,349	171,4	183,6	-ʹʹ-	23,04
142,15	23,02	60	0,36
4	3,2	2,4	0,230	112,9	195	-ʹʹ-	23,0
95,75	22,98	60	0,22
5	4,0	3,0	0,160	78,6	206,4	-ʹʹ-	22,95
68,25	22,93	60	0,14
6	4,8	3,6	0,118	57,9	217,8	-ʹʹ-	22,9
50,8	22,89	60	0,08
7	5,6	4,2	0,089	43,7	229,2	-ʹʹ-	22,88
38,8	22,86	60	0,05
8	6,4	4,8	0,069	33,9	240,6	-ʹʹ-	22,85
30,7	22,84	60	0,02
9	7,2	5,4	0,056	27,5	252	-ʹʹ-	22,83
24,9	22,82	60	0,01
10	8,0	6,0	0,046	22,3	263,4	-ʹʹ-	22,8

Осадка фундамента s = 5,22см

Проверяем условие (5.23):

s = 5,22см 2;

G_у.ф.= · Н_у.ф. · А_у.ф =20·9,3·4,5=837 кН;

Среднее давление под подошвой:

р = (341,0·3,0+837)/4,5 = 413 кПа;

Дополнительное напряжение от внешней нагрузки на отметке подошвы фундамента:

Толщина элементарного слоя: h_i = 0,4 · В_i = 0,4 · 1,5 = 0,6 м;

Напряжение от внешней нагрузки на отметке подошвы фундамента:

;

s_zu,l0 = 97,8 + 1,5 · 17,8 = 124,4 кПа.

Напряжение от собственного веса грунта, извлеченного из котлована: ; Для построения эпюры szγ толщу грунта ниже подошвы фундамента разбиваем на условные слои, см.рис.5.8. Вк=15,0м; z,м x=2z/Вк aк szγ, кПа 0 0 1,00 23,2 1,1 0,15 0,991 23,0 5,1 0,68 0,910 21,1 9,1 1,21 0,752 17,4

Рис.5.8.

Схема к определению осадки приведена на рис. 5.9.

Расчет осадки для фундамента СФЛ-1

№	x	zi , м	a	szp, кПа	szg , кПа	szu,l, кПа	szγ, кПа	szp, i , кПа	szp, i , кПа	hi , см	Ei , кПа	si , см
0	0	0	1,000	413	151	124,4	23,2	388,4	365,3	60	10000	1,75
1	0,8	0,6	0,881	363,8	161,7	-ʹʹ-	23,1
314,5	291,5	60	9333	1,5
2	1,6	1,2	0,642	265,2	172,2	-ʹʹ-	22,9
231,1	208,3	60	16000	0,63
3	2,4	1,8	0,477	197,0	183,6	-ʹʹ-	22,7
175,8	153,3	60	0,46
4	3,2	2,4	0,374	154,5	195,0	-ʹʹ-	22,4
140,5	118,3	60	0,36
5	4,0	3,0	0,306	126,4	206,4	-ʹʹ-	22,1
116,5	94,6	60	0,28
6	4,8	3,6	0,258	106,6	217,8	-ʹʹ-	21,8
99,4	77,8	60	0,23
7	5,6	4,2	0,223	92,1	229,2	-ʹʹ-	21,5
86,6	65,2	60	0,20
8	6,4	4,8	0,196	81,0	240,6	-ʹʹ-	21,3
76,6	55,6	60	0,17
9	7,2	5,4	0,175	72,3	252,0	-ʹʹ-	20,8
68,8	48,3	60	0,15
10	8,0	6,0	0,158	65,3	263,4	-ʹʹ-	20,3	62,2	42,2	60	16000	0,13
11	8,0	6,6	0,143	59,1	274,8	-ʹʹ-	19,7
56,8	37,4	60	0,11
12	9,6	7,2	0,132	54,5	286,2	-ʹʹ-	19,2
52,45	33,6	60	0,10
13	10,4	7,8	0,122	50,4	297,6	-ʹʹ-	18,2
48,55	30,2	60	0,09
14	11,2	8,4	0,113	46,7	309,0	-ʹʹ-	18,1
45,25	27,5	60	0,08
15	12,0	9,0	0,106	43,8	320,4	-ʹʹ-	17,5

Осадка фундаментаs = 6,24см

Проверяется выполнение условия 5.23:

Источник