Основания фундаментов

51. Расчет балок и плит на упругом линейно деформируемом полупространстве.

Метод упругого полупространства базируется на решениях классической теории упругости, которые в известных пределах считают приемлемыми и для грунтовых оснований. Согласно этому методу, фундаментная балка принимается лежащей на однородном линейно деформируемом полупространстве, деформационные свойства которого характеризуются модулем деформации Е и кэфом Пуассона v. Метод разработан для условий плоской и пространственной задач. По условиям плоской задачи ведётся расчёт ленточных фундаментов под стены, а по условиям пространственной задачи – под колонны.

В случае плоской задачи за исходной уравнение деформации поверхности основания принято уравнение Фламана

а в случае пространственной задачи – уравнение Буссинеска

где х –координата точки поверхности, в которой определена осадка, м; эпселонт – координата приложения силы Р, м; D – постоянная интегрирования, кПа; - кэф жёсткости основания, кПа; R – расстояние от точки приложения силы Р до точки, в которой определена осадка , м.

При определении осадок поверхности основания от действия равномерно распределённых нагрузок эти уравнения интегрируются по площади загружения.

Решая дифференциальное уравнение изогнутой оси балки совместно с одним из этих уравнений, находят реактивный отпор грунта по подошве гибкого фундамента, изгибающие моменты и поперечные силы, действующие в его сечениях.

Относительная гибкость фундаментной балки, работающей в условиях плоской задачи, характеризуется показателем гибкости t:

Если фундаментная балка работает в условиях пространственной задачи, показатель гибкости определяется по формуле , Е – модуль деформации грунта, v – кэф Пуассона, Ек – модуль упругости материала балки, l b – полудлина и полуширина фундаментной балки, h – высота балки.

При t<1 в случае плоской задачи и t<0,5 – пространственной задачи балки рассматриваются как абсолютно жёсткие, деформациями изгиба при их расчёте пренебрегают. В остальных случаях балки рассчитываются как гибкие.

52. Расчет гибких фундаментов на упругом слое конечной толщины, подстилаемом несжимаемым основанием.

Наличие несжимаемых (скальных) пород, находящихся в пределах сжимаемой зоны основания, приводит к осадкам, значения которых будут значительно меньше, чем в случае толщи однородных грунтов, залегающих на большую глубину. Кроме того, присутствие несжимаемого слоя скажется на распределении реактивных давлений по подошве гибкого фундамента, а следовательно и на значениях изгибающих моментов и поперечных сил.

Как показали многочисленные исследования, моделирование основания слоем конечной толщины, подстилаемого несжимаемым основанием, дает существенный экономический эффект по сравнению с методом упругого полупространства, так как дает меньшее значение расчетных усилий.

В основу данного метода положены следующие исходные предпосылки.

1. Толща сжимаемого слоя принимается однородной и линейно деформируемой. При слоистой структуре сжимаемого слоя деформативные характеристики осредняются.

2. Подстилающий слой принимается несжимаемым.

3. Расчетная схема аналогична методу Б. Н. Жемочкина, однако реакция грунтового основания определяется на базе решения плоской задачи о деформировании упругого слоя грунта, подстилаемого несжимаемым основанием, под действием равномерно распределенной единичной нагрузки.

Расчетная схема показана на рис. 7.4. Последовательность решения задачи точно такая же, как и в методе Б. Н. Жемочкина.

Значения функции Ры, вычисленные по методике С. С. Давыдова, приведены в специальных таблицах в зависимости от соотношения х/с (х— расстояние от точки расположения внешней нагрузки до точки, где определяется осадка), мощности обжимаемого слоя Н, коэффициента Пуассона грунта v, расстояния между стержнями с.

Согласно инженерной практике и опыту проектирования, решения задачи о плоской деформации можно использовать без больших погрешностей лишь для средних продольных сечений гибких фундаментов при длине их не менее чем в 3...5 раз большей ширины или для любых поперечных сечений, удаленных от концов балки не менее чем на полторы ее ширины.

Расчетная глубина сжимаемого слоя грунта определяется фактической глубиной залегания несжимаемых пород или назначается на основании приближенного допущения о том, что ниже активной зоны для данного гибкого фундамента грунты основания несжимаемы.

53. Виды свай и их классификация: по материалу; по форме поперечного сечения; по форме продольного сечения.

Свая – погруженный в готовом виде или изготовленный в грунте стержень, предназначенный для передачи нагрузки от сооружения на грунт основания. В настоящее время в строительстве применяется более 150 типов свай и их конструктивных видов.

По характеру передачи нагрузки на грунт сваи делятся на сваи стойки и висячие сваи.

По условиям изготовления сваи делятся на изготовленные на заводе или изготовляемые на месте, в грунте.

В зависимости от материала, из которого они изготовляются готовые сваи делятся на жб, деревянные, стальные и комбинированные.

Жб сваи, получившие наибольшее распространение подразделяются:

- по форме поперечного сечения – на квадратные, квадратные с круглой полостью, полые круглого сечения, прямоугольные, тавровые и двутавровые;

- по форме продольного сечения – на призматические, цилиндрические, с наклонными боковыми гранями (пирамидальные, трапецеидальные, ромбовидные), сваи, с уширенной пятой.

Простейшая конструкция деревянных свай – бревно, заостренное снизу, защищённое сверху стальным кольцом – бугелем.

Стальные сваи делят на трубчатые, изготовляемые из стандартного трубного проката, и шпунтовые, различного профиля. Также используют двутавровые балки, швеллеры и др прокатные профили.

Комбинированные сваи представляют собой сваи, составленные по длине из двух видов материалов. Чаще всего дерево ниже у.г.в и верхней бетонной или жб частью.

Сваи, изготовляемые в грунте – их изготавливают из бетона, жб или цементно-песчаного раствора. Конструкция набивных свай, которые имеют чаще всего цилиндрическую форму, может предусматривать уширение нижнего конца.

54. Виды свай и их классификация: по способу изготовления и устройства; по характеру передачи нагрузки на грунт.

По характеру передачи нагрузки на грунт сваи делятся на сваи стойки и висячие сваи.

К сваям-стойкам относятся сваи, прорезающие толщу слабых грунтов и опирающиеся на практически несжимаемые или малосжимаемые грунты (крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, глины твёрдой консистенции). Почти вся нагрузка передаётся через нижний конец сваи.

К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты. Под действием продольного усилия N висячая свая получает вертикальные перемещения, достаточные для возникновения сил трения между сваей и грунтом. В результате нагрузка передаётся как боковой поверхность, так и нижним концом.

По условиям изготовления сваи делятся на изготовленные на заводе или изготовляемые на месте, в грунте.

Набивные сваи по способу изготовления могут быть без оболочки, с извлекаемой оболочкой и с не извлекаемой оболочкой.

55. Типы свайных ростверков. Виды свайных фундаментов.

Распределительные плиты и балки, выполненные из монолитного или сборного жб, называют ростверками. Они воспринимают, распределяют и передают на сваи нагрузку от распопложенного на фундаменте сооружения. Если ростверк заглублен в грунт или его подошва расположена непосредственно на поверхности грунта, то его называют низким ростверком, если подошва расположена выше поверхности грунта – высоким ростверком.

Если сваи в фундаменте расположены в один или несколько рядов, то такой фундамент называют ленточным свайным фундаментом. Ленточные свайные фундаменты устраивают под стены зданий и другие протяжённые конструкции.

Если фундамент состоит из свай, расположенных в определённом порядке под всем сооружением, его называют сплошным свайным полем. Сплошные свайные поля устраивают под тяжёлые сооружения башенного типа, имеющие ограниченные размеры в плане.

56. Конструирование свайных фундаментов. Основные положения.

Выбор конструкции свайного фундамента производится исходя из конкретных условий площадки, характеризуемых материалами инженерных изысканий, конструктивными и технологическими особенностями проектируемых зданий и сооружений, расчётных нагрузок, действующих на фундамент, а также на основе результатов сравнения возможных вариантов проектных решений.

Длина свай выбирается в зависимости от грунтовых условий площадки и уровня расположения подошвы ростверка.

Тип свайного ростверка выбирается в зависимости от назначения и конструкции сооружения. Чаще устраиваются фундаменты с низким ростверком.

Глубину заложения подошвы низкого ростверка назначают в зависимости от конструктивных решений подземной части сооружения. Чаще всего ростверк располагают ниже пола подвала. Если подвала нет ростверки можно закладывать практически на поверхности грунта. В пучинистых грунтах ростверк закладывается ниже расчётной глубины промерзания. В противном случае предусматриваются меры, предотвращающие или уменьшающие влияние на него сил морозного пучения грунта.

Где это возможно, применяют безростверковое решение свайных фундаментов, совмещая сваю и колонну или используя конструкции, состоящие из одиночных свай, насадок и колонн и т.п.

Количество свай назначают с учётом несущей способности одной сваи и грунта основания.

57. Расчет свай и свайных фундаментов по предельным состояниям. Общие положения.

Расчёт свайных фундаментов и их оснований производят по двум группам предельных состояний:

по первой группе – по несущей способности грунта основания, по устойчивости грунтового массива со свайным фундаментом, по прочности материала свай и ростверков;

по второй группе – по осадкам свайных фундаментов от вертикальных нагрузок, по перемещениям свай совместно с грунтом оснований от действия горизонтальных нагрузок и моментов, по образованию и раскрытию трещин в элементах жб конструкций свайных фундаментов.

Расчёт по несущей способности грунтов основания заключается в выполнении условия

, где N – расчётная нагрузка, передаваемая на сваю, Fd – несущая способность сваи, гамма к – кэф надёжности, принимаемый равным: 1.2 – если несущая способность сваи определена по результатам её испытания статической нагрузкой, 1.25 – по результатам динамических испытаний, выполненных с учётом упругих деформаций грунта, а также по результатам статического зондирования грунта или его испытания эталонной сваей или сваей-зондом; 1.4 – по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учёта упругих деформаций грунта, или расчётом практическим методом.

Проверку устойчивости свайного фундамента совместно с грунтовым массивом производят только в случае передачи на свайные фундаменты больших горизонтальных нагрузок, а также если фундамент расположен на косогоре или его основание имеет откосный профиль. Проверку производят по расчётной схеме сдвига грунта на круглоцилиндрической поверхности скольжения.

Расчёт свайных фундаментов по предельному состоянию второй расчётной группы при действии вертикальных нагрузок производят исходя из условия , где s – деформация свайного фундамента (осадка и относительная разность осадок), определяемая расчётом, Su – предельно допустимое значение деформации свайного фундамента, устанавливаемое заданием на проектирование или определяемой по СНиП 2.02.01-83

Фундаменты из свай, работающих как сваи-стойки, рассчитывать по деформациям от вертикальных нагрузок не требуется.

Расчёт по перемещениям свайных фундаментов от действия горизонтальных нагрузок и моментов заключается в выполнении условий , где Up и пси р – расчётные значения соответственно горизонтального перемещения головы сваи, м, и угла её поворота, радиан; Uu и пси u – их предельные значения, устанавливаемые в задании на проектирование.

Расчёт свай и ростверков по прочности материала производится в зависимости от применяемых материалов по соответствующим СНиПам и инструкциям.

58. Расчет свай по прочности материала, по несущей способности грунта основания.

Сваи-стойки – поскольку потеря несущей способности сваей-стойкой может произойти било в результате разрушения грунта под её нижним концом, либо в результате разрушения самой сваи, её расчёт на вертикальную нагрузку проводится по двум условиям: по условию прочности материала ствола сваи и по условию прочности грунта под нижним концом сваи.

По прочности материала сваи рассчитываются как центрально сжатые стержни. При низком ростверке расчёт ведётся без учёта продольного изгиба сваи, за исключением случаев залегания с поверхности мощных слоёв очень слабых грунтов (торф, ил) а при высоком ростверке – с учётом продольного изгиба на участке сваи, не окружённом грунтом.

Несущая способность по материалу наиболее широко применяемых в строительстве жб призматических свай рассчитывается по формуле , где фи – кэф продольного изгиба; гамма с – кэф условий работы равный 0.85 для свай, сечением менее 0.3х0.3 и 1 для свай большего сечения; гамма м – кэф условий работы бетона равный 1 для всех свай, кроме буронабивных, для которых он равен 0.7-0.9; Rb – расчётное сопротивление бетона осевому сжатию; А – площадь поперечного сечения, гамма а – кэф условий работы арматуры; Аа – площадь сечения арматуры.

По прочности грунта под нижним концом сваи несущая способность Fd сваи-стойки определяется , гамма с – кэф условий работы сваи в грунте, R – расчётное сопротивление грунта под нижним концом сваи, А – площадь опирания сваи на грунт.

Расчёт несущей способности вертикально нагруженных висячих свай производится только по прочности грунта, так как по прочности материала сваи всегда заведомо выше.

Сопротивление висячей сваи по грунту принято определять либо расчётом по таблицам СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты», либо по результатам полевых исследований.

Расчёт по таблицам СНиП – практический метод – позволяет определять несущую способность сваи по данным геологических изысканий. Несущая способность сваи определяется по формуле , гамма с – кэф условий работы сваи в грунте, гамма сR b гамма сf – кэф условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчётные сопротивления грунта; R – расчётное сопротивление под нижним концом сваи, А – площадь поперечного сечения сваи; u – периметр поперечного сечения сваи, f итое – расчётное сопротивление итого слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, h итое – толщина итого слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи.

59. Определение несущей способности грунта основания одиночной сваи по результатам испытаний свай динамической нагрузкой.

Динамический метод заключается в определении несущей способности сваи по величине её отказа на отметке, близкой к проектной.

Впервые теоретическую зависимость между скоростью погружения сваи в грунт при забивке, характеризуемой величиной отказа, и её сопротивлением была установлена в 1917г. Н.М. Герсевановым. В общем виде эта зависимость записывается так:

, где GH – вес и высота падения молота, кэф альфа характеризует энергию, которая переходит в тепловую и идёт на разрушение головы сваи, Fu – предельное сопротивление сваи вертикальной нагрузке, sa – отказ сваи. После допущения упрощающих допущений и преобразований

, где этта – кэф, зависящий от упругих свойств материала сваи, для жб свай 1500 кПа, для дерева – 1000кПа; А – площадь поперечного сечения сваи; М – кэф, учитывающий способ погружения сваи, для забивных свай М=1; Ed – расчётная энергия удара молота, для молотов одиночного действия Ed=GH, для дизель-молотов – 0.4-0.9GH; Gп – полный вес молота или вибропогружателя; эпселонт – кэф восстановления удара, зависящий от материала соударяющихся тел, q1 – вес сваи с наголовником, q2 – вес подбабка.

Отказ сваи в этой формуле определяется либо по одному удару, либо, что чаще, вычисляется как среднее арифметическое значение погружения сваи от серии ударов, называемое залогом - 4-5 ударов.

Если остаточный отказ sa превышает 0.002 м, то расчёт предельного сопротивления сваи ведётся без учёта упругого отказа, если же остаточный отказ меньше – необходимо учитывать.

Динамический метод на практике часто применяется для контроля за сопротивлением свай при из забивке или контрольной добивке после отдыха. Используя связь между сопротивлением сваи и величиной отказа, можно, зная несущую способность сваи Fd и характеристики сваебойного оборудования, вычислить соответствующий проектный отказ, обозначив его как . Определяемая по этой формуле величина проектного отказа sp является контрольной цифрой: фактический отказ, по данным динамических испытаний, должен быть равен проектному или меньше его. В противном случае свая будет иметь недостаточную несущую способность, что потребует внесения соответствующих исправлений в проект.

Контрольной добивке после отдыха подвергается 2% от общего числа свай на площадке.

60. Определение несущей способности грунта основания одиночной сваи по результатам испытаний свай статическими нагрузками (вдавливающей, выдергивающей, горизонтальной).

Метод испытания свай вертикальной статической нагрузкой, несмотря на сложность, длительность и значительную стоимость, позволяет наиболее точно установить предельное сопротивление сваи с учётом всех геологических и гидрогеологических условий площадки. Метод используется либо с целью установления предельного сопротивления сваи, необходимого для последующего расчёта фундамента, либо с целью проверки на месте несущей способности сваи, определённой каким-либо другим методом, например практическим. По ГОСТ 568-78 проверке подвергается до 1 % общего числа свай, но не менее двух.

Для проведения испытаний оборудуется специальная площадка

1 – испытываемая свая, 2 – анкерные сваи, 3 – реперная система, 4 – прогибомеры, 5 – домкрат, 6 – упорная балка.

Вертикальная нагрузка создаётся гидродомкратом, упором для которого служит мощная сварная металлическая балка, соединённая с анкерными сваями, забитыми в грунт на расстоянии достаточном, чтобы быть вне напряженной зоны, образующейся при загрузке испытуемой сваи. Осадка сваи измеряется прогибомером.

При испытании нагрузку увеличивают ступенями, равными 1/5-1/10 от ожидаемого предельного сопротивления сваи. Каждая последующая ступень прикладывается после условной стабилизации сваи на предыдущей ступени. Осадка считается условно стабилизировавшейся, если её приращение не превышает 0.1 мм за час для песков и за два часа для глинистых грунтов.

По данным испытания вычерчивается график зависимости осадки от нагрузки, по которому определяется предельное сопротивление испытываемой сваи.

Практика показала, что графики испытаний свай делятся на два типа. Для графиков первого типа характерен резкий перелом, после которого осадка непрерывно возрастает без увеличения нагрузки. За предельную нагрузку в этом случае принимают ту, которая вызвала срыв сваи. Для графиков второго типа характерно плавное очертание без резких переломов, что затрудняет определение предельной нагрузки. Предельной в этом случае считается такая нагрузка, под воздействием которой испытываемая свая получила осадку s: , эпселонт – переходный кэф, Sumt – предельное значение средней осадки фундамента проетируемого здания или сооружения, устанавливаемой по СНиП 2.02.01-83, в настоящее время

Метод испытания свай статической нагрузкой позволяет наиболее точно установаить действительное сопротивление сваи действию горизонтального усилия. При проведении испытаний горизонтальные усилия на сваю создаются гидродомкратами, установленными либо между двумя забитыми сваями, либо между опытной сваей и упором из статического груза, чаще всего жб блоков. Нагрузка на сваю увеличивается ступенями, горизонтальные перемещения сваи на каждой ступени нагрузки фиксируются прогибомерами. Каждая ступень нагрузки выдерживается до условной стабилизации горизонтальных перемещений.

По результатам испытаний – графики зависимости горизонтальных перемещений сваи от нагрузок, по которым определяется предельное сопротивление сваи.

За предельное сопротивление сваи Fu принимается нагрузка на одну ступень менее той, без увеличения которой перемещения сваи непрерывно возрастают. Несущую способность горизонтально нагруженных свай определяют по формуле , при гамма с =1