Расчет и проектирование свайных фундаментов под опору

4
РОСЖЕЛДОР
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения»
(РГУПС)
В.В. Свиридов, Л.А. Петренко, А.В. Гаврилов
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ПОД ОПОРУ МОСТА
Методические указания
Ростов-на-Дону
2006
УДК 624.154.001.2/075.8/
Свиридов, В.В.
Расчет и проектирование свайных фундаментов под опору моста : методические указания к выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Основания и фундаменты» / В.В. Свиридов, Л.А. Петренко, А.В. Гаврилов; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2006. – 25 с. : ил. Библиогр. : 9 назв.
Методические указания служат руководством при выполнении расчетно-графической работы на тему: «Расчет и проектирование свайных фундаментов под опору моста». В указаниях изложены основные положения по расчету и проектированию свайных фундаментов и приведены необходимые для
расчетов справочные данные.
Рецензент: канд. техн. наук, доц. Е.Н. Зубков (РГУПС)
Учебное издание
Свиридов Виталий Васильевич
Петренко Людмила Анатольевна
Гаврилов Александр Витальевич
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ПОД
ОПОРУ МОСТА
Методические указания
Редактор Т.М. Чеснокова
Корректор Т.М. Чеснокова
Подписано в печать 28.12.2006. Формат 60х84/16.
Бумага газетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,4.
Уч.-изд. л. 1,4. Тираж 100. Изд. № 134. Заказ №
5
Ростовский государственный университет путей сообщения.
Ризография РГУПС.
Адрес университета: 344038, Ростов н/Д, пл. Ростовского Стрелкового
Полка Народного Ополчения, 2.
 Ростовский государственный университет путей сообщения, 2006
СОДЕРЖАНИЕ
1 Общие положения
1.1 Типы свай
1.2 Типы свайных фундаментов
2 Проектирование свайных фундаментов. Основные положения
2.1 Определение размеров ростверка и выбор типа свайного фундамента
2.2 Выбор типа свай и назначение их размеров
2.3 Определение несущей способности свай
2.4 Определение количества свай и размещение их в ростверке
2.5 Расчет свайного фундамента как статически неопределимой
стержневой системы
2.6 Проверка свайного фундамента как условного массивного фундамента
2.7 Расчет основания свайного фундамента по деформациям
3 Проектирование свайных фундаментов в особых условиях
3.1 Вечномерзлые грунты
3.2 Просадочные грунты
3.3 Сейсмические районы
Приложение А
Приложение Б
Библиографический список
1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
6
Свайные фундаменты в настоящее время нашли самое широкое применение во всех видах строительства, в том числе и в транспортном строительстве
при сооружении опор мостов. Однако не во всех случаях свайные фундаменты
являются наиболее экономичными. Вопросы, связанные с выбором типов фундамента свай, должны решаться на основе технико-экономического сравнения
различных вариантов фундамента.
Транспортные строители располагают большим количеством типоразмеров свай применительно к любым условиям стройки [3]. В зависимости от
условий строительства могут быть применены различные типы свайных фундаментов с теми или иными сваями.
В указаниях наиболее подробно рассмотрены вопросы проектирования
фундаментов с призматическими железобетонными забивными сваями. Это,
однако, не исключает применение в расчетной работе других типов свай.
1.1 Типы свай
В строительстве находят применение забивные, набивные и винтовые
сваи. Забивные сваи могут быть выполнены из дерева, железобетона или металла. Изготавливают их в заводских условиях, а затем с помощью механизмов
погружают в грунт.
Наиболее широко распространены железобетонные сваи: призматические
с обычной или преднапряженной стержневой арматурой; преднапряженные,
армированные высокопрочной проволокой или прядями; сваи-оболочки с закрытым и открытым нижним концом.
В последнее время в строительстве находят применение преднапряженные сваи без поперечного армирования. Из-за ограниченной длины их применяют, главным образом, в промышленном и гражданском строительстве.
На железобетонные сваи широкого применения разработаны нормали
(прил. А).
7
Область применения забивных свай весьма обширна. Это промышленное,
гражданское, сельскохозяйственное и транспортное строительство. При возведении мостов для небольших глубин заложения и небольших нагрузок чаще
применяют призматические сваи, а для больших глубин заложения и значительных по величине нагрузок – преимущественно сваи-оболочки, погружаемые с закрытым или открытым нижним концом.
Набивные сваи изготавливают непосредственно в грунте, в котором они
будут работать. Полость, в которой бетонируют сваи, может быть выполнена
различными способами: забивкой и последующим извлечением инвентарной
сваи, забивкой извлекаемой или неизвлекаемой оболочки, бурением. В последнем случае сваи называют буровыми. Иногда для повышения несущей способности сваи в нижней ее части делают уширение. Оно может быть выполнено
либо путем разбуривания полости специальной фрезой (сваи ЦНИИ транспортного строительства), либо взрывным способом (камуфлетные сваи).
Винтовые сваи, в отличие от забивных, погружают в грунт путем завинчивания, для чего они снабжены винтовыми наконечниками. Диаметр наконечника больше диаметра ствола сваи, поэтому такая свая имеет большую грузоподъемность. Винтовые сваи применяют в мостостроении, а также в тех случаях, когда необходимо передать на сваи значительные выдергивающие усилия
при устройстве различного рода анкеров.
1.2 Типы свайных фундаментов
В зависимости от размещения свай в ростверке свайные фундаменты могут быть выполнены в виде:
– одиночных свай – под отдельно стоящие опоры;
– лент – под стены зданий и сооружений при передаче на фундамент
распределенных по длине нагрузок с расположением свай в один, два и более
рядов;
8
– кустов – под колонны и столбы, с расположением свай в плане на
участке квадратной, прямоугольной или иной формы;
– свайного поля – под тяжелые сооружения с распределенными по всей
площади нагрузками и расположением свай под всем сооружением.
В зависимости от положения низа ростверка по отношению к поверхности грунта различают свайные фундаменты с низким ростверком – низ ростверка заглублен в грунт, и с высоким ростверком – низ ростверка поднят над поверхностью грунта (в некоторых случаях заглублен на небольшую глубину).
Высокие ростверки более экономичны по сравнению с низким. Как те, так
и другие, находят широкое применение в мостостроении. Фундаменты с высоким ростверком являются основным типом фундаментов для строительства в
условиях вечной мерзлоты.
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Основным нормативным документом при проектировании свайных фундаментов является СНиП [4]. Помимо этого следует руководствоваться работой
[1].
Проектирование свайных фундаментов мостов в общих чертах сводится к
следующему:
1 Определяют нагрузки, передаваемые на свайный фундамент.
2 Выбирают тип ростверка и определяют его размеры.
3 Выбирают тип сваи и определяют ее параметры (длину, сечение, несущую способность).
4 Определяют количество свай и размещают их в плане.
5 Выполняют проверки свайного фундамента на действие горизонтальных и вертикальных нагрузок.
6 Рассчитывают осадку основания свайного фундамента.
При проектировании свайных фундаментов учитывают расчетные
нагрузки. При расчете осадок принимают коэффициент перегрузки n=1.
9
2.1 Определение размеров ростверка и выбор типа свайного фундамента
Высота ростверка. Положение обреза обычно задано или назначается
0,5 – 1,0 м ниже межени или поверхности грунта.
Подошву ростверка в пучинистых грунтах закладывают ниже уровня
промерзания на 0,25 м. В непучинистых грунтах высоту ростверка назначают
конструктивно. Если в первом случае высота ростверка получилась незначительной, она также может быть назначена конструктивно.
В русле водоема, если возможен размыв дна, подошва низкого ростверка
должна быть заглублена в грунт ниже уровня размыва не менее чем на величину
 T
1 1
h = tg (45 - 2 )
b , (1)
0
где φ – угол внутреннего трения грунта, град;
Т – горизонтальная нагрузка, действующая вдоль или поперек оси моста,
кН;
γ1 – средний объемный вес грунта, расположенного выше уровня подошвы плиты ростверка (с учетом взвешивания его в воде), кН/м3;
b1 – ширина грани ростверка, перпендикулярной направлению действия
силы Т, м.
Высота ростверка – это расстояние между обрезом и подошвой плиты.
Если она получается значительной, то целесообразно применить высокий ростверк. В этом случае высоту его назначают конструктивно, учитывая, однако,
что она должна быть не менее 1,5 – 2 м, и подошву ростверка располагают не
менее чем на 25 см глубже нижней кромки льда при низком ледоставе.
Размеры ростверка в плане. Размеры ростверка в уровне обреза зависят
от размеров опоры, а в уровне подошвы – от количества свай и расстояний
между ними. Если количество свай невелико, то боковые грани ростверка могут
10
быть вертикальными, в противном случае делается развитие ростверка под углом не более 30 градусов. Угол отсчитывают от грани опоры, при этом ростверк делают ступенчатым.
Минимальные размеры ростверка (без развития) можно найти по формулам
Ар = a + 2c0 ; Bр = b + 2c0 ,
(2)
где Ар и Вр – размеры ростверка в плане, м;
a и b – размеры опоры в плане, м;
c0 – обрезы, принимаемые по 0,3 – 0,5 м.
2.2 Выбор типа свай и назначение их размеров
При сооружении опор мостов свайные фундаменты применяют в тех случаях, когда грунты, имеющие достаточную несущую способность, залегают на
большой глубине. При этом, если нижняя часть сваи – острие – опирается на
грунт, обладающий очень большой несущей способностью (крупнообломочный
или связный твердой консистенции), свая работает как стойка. В противном
случае она будет висячей.
В свайных фундаментах опор мостов применяют различные типы свай:
забивные, завинчивающиеся, буровые, сваи-оболочки и т.д.[2]. Целесообразность применения того или иного решения должны быть обоснованы расчётом:
путём сравнения различных вариантов фундаментов. В курсовом проекте тип
свай может быть выбран ориентировочно, исходя из нагрузки, передаваемой на
свайный фундамент. Так, при нагрузках в несколько десятков или сотен тысяч
килоньютонов, предпочтение следует отдать сваям большой грузоподъёмности
– винтовым, буровым с уширенной пятой, сваям – оболочкам. При меньших
нагрузках целесообразнее применять призматические железобетонные сваи.
Для фундаментов опор мостов глубина погружения свай в грунт должна
быть не менее 4 м. В фундаментах с низким ростверком предпочтительно иметь
11
вертикальные сваи. При значительных горизонтальных нагрузках, а также, когда число свай в ростверке велико и условия их размещения стеснены, можно
проектировать наклонные сваи.
Длина свай назначается таким образом, чтобы были прорезаны слабые
слои грунта. Нижние концы свай следует заглублять в малосжимаемые крупнообломочные, гравелистые, крупные и средней крупности песчаные грунты, а
также в глинистые грунты с консистенцией 1L ≤ 0,1 не менее чем на 0,5 м, в
прочие виды нескальных грунтов – на 1,0 м.
В ростверк голову сваи заделывают на две толщины сваи при ее толщине
до 60 см и на 1,2 м – при толщине более 60 см. Зная заделку сваи в ростверк и в
несущий слой грунта, а также мощность пройденных сваей слоев, можно найти
длину сваи. Толщину сваи (или так называемый диаметр) d выбирают в зависимости от длины. Размеры железобетонных свай сплошного сечения серии 1011-6 регламентированы ГОСТ 10628-63, а с преднапряженной арматурой –
ГОСТ 1587-67. В приложении 1 приведены основные параметры различных типов свай, рекомендуемых для применения при выполнении курсового проекта.
2.3 Определение несущей способности свай
Сваи-стойки
Несущая способность Ф, кН, сваи-стройки забивной (квадратной, прямоугольной, круглой, диаметром до 0,8 м), а также сваи-оболочки и набивной
сваи, опирающейся на практически несжимаемый грунт, определяется по формуле
Ф = mRA, (3)
где m – коэффициент условий работы сваи в грунте (m = 1)
R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи- стойки,
кПа, принимаемое для всех видов забивных свай, опирающихся нижним концом на скальные и крупнообломочные грунты с песчаным заполнением, и в
12
случае опирания на глинистые грунты твердой консистенции (кроме покровных
со степенью влажности G < 0,85, а также лессов, лессовидных и набухающих )
R=200000 кПа; для набивных свай, свай-оболочек, заполняемых бетоном, R
определяют согласно формуле [4];
А – площадь опирания на грунт сваи, сваи-оболочки и сваи- столба, м2,
принимаемая для свай сплошного сечения и свай-оболочек с полостью, заполненной бетоном на высоту не менее трех ее диаметров, равной площади их сечения брутто, а для свай с грунтовым ядром – площади сечения нетто.
Забивные висячие сваи
Несущая способность Ф, кН, забивной висячей сваи (квадратной, прямоугольной и полой круглой диаметром до 0,8), работающей на сжимающую
нагрузку, определяется по формуле
Ф = m (mR R A + u Σ mf fi li), (4)
где
m – коэффициент условий работы сваи в грунте (m = 1);
mR и mf – коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения свай на расчетные сопротивления грунта, определяемые по табл. 3
приложения 2 и принимаемые независимо друг от друга;
R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, определяемое по табл. 1 приложения 2;
A – площадь опирания сваи на грунт, м2, принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто или площади камуфлетного уширения по его
наибольшему диаметру;
u – наружный периметр поперечного сечения сваи, м;
fi – расчетное сопротивление i-го грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, определяемое по табл. 2 приложения 2;
13
li – толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью,
м.
Несущая способность ФВ, кН, сваи, работающей на выдергивание, определяется по формуле
Фв = m u Σ mf fi li (5)
где m – коэффициент условий работы, принимаемый для свай, погруженных в грунт на глубину 4 м и более, m = 0,8 ;
u, mf, fi, li – обозначения те же, что и в формуле (4).
При определении несущей способности сваи по грунту следует составить
в масштабе расчетную схему с изображением геологического разреза и наложенного на свайного фундамента (рис. 1).
Несущую способность по грунту свай-оболочек, свай-столбов, винтовых
и других типов свай, применяемых в строительстве мостов, следует определять
в соответствии с указаниями СНиП [4].
Рис. 1. Схема к определению несущей способности свай по грунту
Несущая способность сваи по материалу
14
Несущая способность сваи определяется в зависимости от рода материала, из которого она изготовлена. При этом следует руководствоваться указаниями норм при проектировании железобетонных и других свай [1,6].
Несущая способность сплошной железобетонной сваи
Ф = m (Rпр Aб + RаAа), (6)
где
m – имеет значение m = 1;
Rпр – расчетное сопротивление бетона сжатию, принимаемое по [6], кПа;
Aб – площадь бетона, м2;
Rа – расчетное сопротивление арматуры сжатию, принимаемое по [6],
кПа;
Aа – площадь сечения арматуры, м2.
2.4 Определение количества свай и размещение их в ростверке
Количество свай зависит от величины нагрузки, передаваемой ростверком на сваи, и от несущей способности одиночной сваи по грунту и материалу;
при этом, как правило, в расчет принимается меньшая несущая способность.
Нагрузки
Проектирование свайных фундаментов ведется по расчетным нагрузкам с
учетом различных их сочетаний. Нагрузки, приведенные в различных сочетаниях к уровню обреза фундамента, следует принять из варианта 1 (расчет фундамента на естественном основании).
Все нагрузки каждого сочетания следует привести к уровню подошвы ростверка, учитывая при этом его вес. Нагрузки в уровне подошвы ростверка могут быть определены по формулам (7). Нагрузки, приведенные к уровню подошвы ростверка, рекомендуется свести в таблицу [5,9].
После приведения нагрузок к уровню подошвы ростверка необходимое
количество свай определяют по формуле
15

nc = 1,2 KH N   /Ф, (7)
где
KH – коэффициент надежности, равный 1,4 для всех случаев, кроме
фундаментов с высоким ростверком, для которых KH принимается в соответствии с [4]. При расчете несущей способности свай по материалу KH = 1;

N   – расчетная нормальная сила, кН, в уровне подошвы ростверка;
Ф – наименьшая несущая способность сваи или сваи-оболочки, кН.
Размещение свай и свай-оболочек в ростверке
Сваи и сваи-оболочки в ростверке могут быть размещены равномерно или
неравномерно, в рядовом или шахматном порядке. При этом должны выполняться следующие требования:
1) расстояние от грани ростверка до грани сваи или сваи-оболочки должно быть не менее 25 см (обычно увеличивать это расстояние нецелесообразно);
2) расстояние между осями забивных свай должно быть не менее трех
толщин (диаметров) свай в уровне острия и не менее 1,5 толщин свай – в
уровне подошвы плиты ростверка, а для свай-оболочек – не менее 1 м в свету в
плоскости подошвы плиты ростверка.
Во всех случаях следует стремиться к применению вертикальных свай,
за исключением фундаментов с высоким ростверком, в которых применение
наклонных свай обусловлено расчетом.
Равномерное распределение свай применяют в тех случаях, когда на фундамент передаются только вертикальные силы или вертикальные силы и знакопеременные моменты, но эксцентриситеты равнодействующей при одном и
другом знаке приблизительно равны и сравнительно невелики. Количество свай
подбирают таким образом, чтобы усилие в свае крайнего ряда не превышало
несущую способность сваи. В этом случае средние сваи оказываются недогруженными.
Неравномерное распределение свай применяют в случае действия на
фундамент одностороннего момента (устои мостов), знакопеременных момен-
16
тов, когда эксцентриситеты равнодействующей велики, и, наконец, при значительном количестве свай в ростверке в связи с другой.
В случае неравномерного размещения свай строят эпюру напряжений по
подошве ростверка, делят на равновеликие площади и в центре тяжести каждой
площади помещают сваю. При этом должны соблюдаться приведенные выше
минимальные расстояния между осями свай.
В результате размещения свай по ростверку может быть уточнено количество свай и размеры ростверка в плане (обычно в сторону увеличения).
2.5 Расчет свайного фундамента как статически
неопределимой стержневой системы
Общие положения расчета
Нормы проектирования [4,7] требуют выполнять расчет свайных фундаментов мостов с учетом совместной работы ростверка, свай и окружающего
грунта.
Свайный фундамент с низким или высоким ростверком может рассматриваться как рамная конструкция, ригель которой находится над поверхностью
грунта (высокий ростверк) либо заглублен в грунт (низкий ростверк).
Условия работы таких конструкций существенно различны, однако в
настоящее время существует обобщенная методика расчета свайных фундаментов, одинаково пригодная и для высоких, и для низких ростверков. Это единство достигается путем введения фиктивных горизонтальных связей, заменяющих отпор грунта по граням низкого ростверка.
Расчеты ведут с расчленением фундамента на плоские расчетные схемы
(рис. 2), с использованием для расчетов методов строительной механики.
17
Рис. 2. Плоские расчетные схемы свайных фундаментов
Определение усилий в сваях
Расчет ведется методом перемещений в предложении, что фундамент
имеет две плоскости симметрии. Тогда можно составить две плоские расчетные
схемы (рис. 3), для каждой из которых выполняется расчет усилий и перемещений.
Расчет может быть существенно упрощен путем введения понятия «характерных центров» стержневой системы. На рис. 3 эти центры обозначены:
С – упругий центр (если сила приложена в этой точке, то она вызывает только
поступательное перемещение всей системы); О – центр нулевых перемещений
(сила, проходящая через него перпендикулярно оси OZ, вызывает поворот ростверка вокруг центра его подошвы – точки 0). По принципу взаимности перемещений сила, приложенная в точке 0, вызывает поворот вокруг точки 0.
Расчет усилий и перемещений выполняют для каждой плоскости расчетной схемы (вдоль и поперек оси моста) в следующем порядке:
1 Определяют усилия, передающиеся на плоскую расчетную схему (расчетный ряд свай), по формулам
18
Ni = N / кр ; Т1 = Т / кр , (8)
где
N – расчетная нормальная сила в уровне подошвы ростверка, кН;
кр – количество расчетных рядов свай;
Т – расчетная горизонтальная нагрузка, действующая на расстоянии h0 от
точки 0;
h0 = М / Т , (9)
М – суммарный момент от всех сил относительно точки 0, действующий в
расчетной плоскости.
2 Вычисляют относительные значения единичных реакций системы по
формулам:
1
n

r uu = m1 ( i =1 sin2  i cos  i + nф) + n m2 ; (10)
n
1

r u = m1 i =1 xi sin  i cos2  i - n m3 ; (11)
n
1

r  = m1 i =1 x i cos3  i + n m4 ; (12)
1
2
n

r  = m1 i =1 cos3  i ; (13)
где
i
- проекции углов наклона свай на расчетную плоскость (положи-
тельные при отклонении свай от вертикальной оси влево);
n – число свай в расчетном ряду (рис. 3);
nф – число фиктивных свай при расчете низкого ростверка;
19
xi – расстояния от оси, проходящей через центр тяжести свайного поля в
уровне подошвы фундамента, до осей свай (положительные – влево от точки);
ln – расчетная длина сжатия свай, м, (для свай - строек равна расстоянию
от подошвы ростверка до острия сваи; в курсовом проекте эта же длина приближенно может быть принята и для висячих свай);
lм – расчетная длина изгиба свай; приближенно принимают
lм = l0 + 6d ;
l0 – свободная длина сваи (см. рис.3) для низкого ростверка; l0= 0.
3
2
m1 = t / ln ; t = Fсв / Iсв ; m2 = 12 / l  ; m3 = 6 / l  ; m4 = 4 / lм
20
Рис. 3. Расчетная схема свайного фундамента
3 Для низкого ростверка находят количество фиктивных горизонтальных
свай по формуле
nф = Tp ln / Aсв Eб кр ,
где
(14)
Tp – реактивный отпор грунта при единичном горизонтальном пе-
ремещении ростверка, кН/м;
Асв – площадь сечения сваи, м2;
Еб – модуль упругости сваи, кПа.
Значение Тр можно определить по формуле
Тр = b Ег , (15)
где
b – ширина боковой грани ростверка, перпендикулярной к плоско-
сти расчетной схемы, м;
Ег – модуль деформации грунта, расположенного у боковой грани ростверка, кПа.
4 Определяют положение характерных центров С и θ по формулам
ru1
с0 =
1
ruu
1
r
;=
ru1
; j =  –c0 ; bc = h0 – c0 ; bθ =  – h0 . (16)
При этом должно удовлетворятся условие с0 < h0 <  . Величины с0 ,  , j,
bθ могут иметь как положительные, так и отрицательные значения.
5 Вычисляют относительные и абсолютные перемещения ростверка:
Поворот
21
1
 = bc T1 / j r u ;  = 1 / Eб Iсв ; (17)
1
горизонтальное перемещение
1
1
u = - bθ T1/ j r uu ; u = u1 / Eб Iсв ; (18)
вертикальное перемещение
1
1
v = N1/ r  ;
v = v1/ Eб Iсв. (19)
6 Находят горизонтальное смещение верха опоры и сопоставляют с предельно допустимым:
 =
где
u 1 + 1 H
 I
 c
L
;  пр = 0,5 min , (20)
Lmin – длина меньшего пролета, примыкающего к опоре, но не менее
25 м.
7 Определяют продольные усилия и моменты в сваях по формулам
1
Ni = m1 cos2  i (v1 +  xi + u1 tg  i ); (21)
Mi = m3cos3  i ( u1-  xi tg  i - v1 tg  i ) – m4  cos  i . (22)
1
1
8 Проверяют несущую способность свай по грунту
N ≤ Ф / Кн , (23)
где
Ф – несущая способность сваи по грунту или материалу (меньшая).
22
9 Определяют рациональность запроектированного фундамента.
Положение центров С и θ зависит от размещения свай и их наклона.
В курсовом проекте следует найти такое размещение и наклоны свай, при
которых изгибающие моменты в сваях будут минимальными.
10 Проверяют прочность свай по материалу.
Сваю, на которую действуют нормальная сила Ni и изгибающий момент
Mi, рассчитывают как внецентренно сжатый элемент [6].
Для фундаментов с низким ростверком и вертикальными сваями (  i =0)
выражения (10) – (13) существенно упрощаются. Продольные усилия и моменты в этом случае могут быть найдены по приближенным формулам
1 (h 0 + nm 3 /( m1 n  + nm 2 ) x i )
N1
n
 x i2
Ni = n +
; (24)
i =1
Mi = Т1m3 / (m1nФ + nm2). (25)
Для высокого свайного ростверка, содержащего только вертикальные
сваи
(nф =0),
N1
n
Ni =
+
)
(
T1 h 0 + l M / 2 x i
n
x i
;
2
i =1
(26)
Mi = T1 lм /2 n. (27)
2.6 Проверка свайного фундамента как условного массивного фундамента
23
Свайный фундамент с висячими сваями передаёт все нагрузки на основание, расположенное в уровне острия свай. За счёт сил трения между боковой
поверхностью сваи и грунтом в передаче нагрузок на основание участвует
грунт, окружающий сваи. При этом сваи вместе с окружающим грунтом образуют условный сплошной фундамент.
Границы условного массивного фундамента (рис. 4) определяются: снизу
– плоскостью АБ, проходящей через концы свай или свай-оболочек; с боков –
вертикальными плоскостями АБ и БГ, отстоящими от граней свай на расстоянии l tg φΙ ср /4, а при наличии наклонных свай – проходящими через нижние
концы этих свай; сверху – поверхностью планировки грунта ВГ или дном водоёма.
Рис. 4. Размеры условного фундамента
Значение φ1 ср определяют по формуле
φ1 ср =( φI.1 l1 + φI.2 l2 + … + φI .n ln )/ l ,(28)
24
где φI.1 ,φI.2 ,φI.n – расчётное значение углов внутреннего трения грунта для
расчётов на прочность отдельных пройденных сваями слоёв грунта толщиной
соответственно l1, l2, … ,ln, град;
l – глубина погружения свай в грунт. Считая от подошвы ростверка (для
фундаментов с высоким ростверком – от дна водоёма), l = l1+l2+…+ln,м.
Проверка давления на основание условного фундамента выполняется по
формуле
σ = ( N + Gусл )/ А усл ± М / Wусл ≤ R , (29)
где N – расчётная вертикальная нагрузка с учётом массы ростверка, Кн;
Gусл – расчётная масса свайно-грунтового массива, Кн;
М – момент расчётных нагрузок относительно осей, проходящих через
цент тяжести подошвы ростверка, Кн;
А
усл
иW
усл
– соответственно площадь подошвы, м2, и момент сопротив-
ления площади подошвы условного фундамента, м3;
R – расчётное сопротивление грунта в уровне концов свай, определённое для
условного массивного фундамента в соответствии с указаниями СН-200-62, кПа.
2.7 Расчёт основания свайного фундамента по деформациям
Деформации основания свайных фундаментов с висячими сваями определяют для условного массивного фундамента, образованного сваями и окружающим их грунтом (см. п.2.6 данного пособия).
При определении размеров условного фундамента принимают расчётное
значение угла внутреннего трения грунта для расчётов по деформациям – φII.
При расчёте осадок свайных фундаментов опор мостов учитывают постоянные расчётные нагрузки с коэффициентом перегрузки n = I.Величину возможной осадки свай-стоек определяют по результатам испытания их статическими нагрузками.
25
Порядок расчёта осадок свайных фундаментов аналогичен расчёту осадок
фундаментов на естественном основании с той лишь разницей, что вместо фундамента на естественном основании берётся условный фундамент. Рассчитанная осадка должна удовлетворять условию
S ≤ Sпр , (30)
где S – осадка условного массивного фундамента, см;
S – предельная величина осадки, см.
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ
3.1 Вечномёрзлые грунты
Согласно [3,8] различают два принципа использования вечномерзлотных
грунтов в качестве оснований:
1 Вечномерзлотные грунты сохраняются в мёрзлом состоянии в течение
всего срока эксплуатации сооружения.
2 Вечномерзлотные грунты оттаивают в предпостроечный или послепостроечный период.
Второй принцип находит применение в южной зоне распространения
вечномерзлотных грунтов, когда приходиться иметь дело с исчезающей мерзлотой, а также в тех случаях, когда по условиям эксплуатации сооружения невозможно сохранить грунт в мёрзлом состоянии.
Во всех остальных случаях предпочтение следует отдавать первому
принципу.
При проектировании свайных фундаментов в условиях вечной мерзлоты
необходимо учитывать следующие особенности:
1 Выбор глубины погружения свай. Глубина погружения свай в вечномерзлые грунты должна обеспечить их устойчивость против сил морозного пу-
26
чения, для чего сваи должны быть заделаны ниже расчётной глубины сезонного
оттаивания. В этом случае глубина погружения свай определяется по формуле
Hmin = HT + 4 , (31)
где Hmin- расчётная глубина сезонного оттаивания, м.
2 Минимальные расстояния между осями свай определяют в зависимости
от способа их погружения в грунт.
3 Несущую способность свай по грунту находят по формуле
n
R
Ф = m ( i =1
/
C I
A
/
C I
+ RA
) , (32)
где m - коэффициент условий работы;
RCM I – расчётное сопротивление мёрзлого грунта сдвигу по поверхности
смерзания для i-го слоя при расчётной температуре t Z;
ACM
T
– площадь смерзания боковой поверхности сваи в пределах i-го
слоя, м2;
R-расчётное сопротивление мёрзлого грунта нормальному давлению при
расчётной температуре tZ, кПа;
F – площадь поперечного сечения сваи у её нижнего конца, м2.
4 Свайный фундамент должен быть проверен на действие сил морозного
пучения по формуле
TВЫП A – N ≤ ( m / KH ) Q , (33)
где TВЫП – расчётное значение удельной касательной силы, выпучивающей фундамент, кПа;
27
A – площадь боковой поверхности фундамента в пределах сезонного протаивания (промерзания), м2;
N – расчётная постоянная нагрузка, включающая вес фундамента и грунта
на его уступах, учитываемая с коэффициентом перегрузки n = 0,9, Кн ;
m – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,2 при заанкерировании фундамента в мёрзлый грунт; KH – коэффициент надёжности, равный 1,1;
Q – расчётное значение силы, удерживающей фундамент вследствие
смерзания его с вечномерзлым грунтом; принимается равной несущей способности только боковой поверхности сваи без учёта работы её торца, Кн;
5 Усилия в сваях определяют по методике, изложенной в п.2.5
6 Осадки основания, сложенного твердомерзлыми грунтами, не рассчитывают. В случае необходимости такой расчёт может быть выполнен в соответствии с указаниями, изложенными в [1,7].
3.2 Просадочные грунты
Свайные фундаменты мостов в зоне распространения просадочных грунтов следует проектировать с учетом возможности появления просадок.
Для устранения влияния просадок на устойчивость сооружения при проектировании свайных фундаментов мостов необходимо предусматривать полную прорезку сваями или сваями-оболочками просадочной толщи грунта и заделку их концов в непросадочные грунты.
Несущую способность свай по грунту определяют в соответствии с [1,4].
Все остальные расчеты выполняют по обычной, изложенной выше методике.
3.3 Сейсмические районы
28
В расчетах при проектировании свайных фундаментов в сейсмических
районах помимо основного и дополнительного сочетаний нужно учитывать
особое сочетание нагрузок, в которое входит дополнительная нагрузка от сейсмического воздействия. Она определяется в долях от вертикальной нагрузки с
учетом коэффициента сейсмичности в соответствии с [1,7]. При расчетах мостов сейсмические нагрузки прикладываются в горизонтальном направлении.
С учетом сейсмического воздействия свайные фундаменты рассчитывают
по предельным состояниям первой группы.
При этом предусматривают:
а) определение несущей способности свай на сжимающую и выдергивающую нагрузки с учетом влияния на величины R и f сейсмических воздействий
[4];
б) проверку прочности сечения свай на действие расчетных усилий, определяемых по формулам [4];
в) проверку устойчивости грунта по условию ограничения давления, передаваемого на грунт боковыми поверхностями свай.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Таблица 1
Характеристики свай сплошных квадратного сечения с ненапрягаемой
стержневой арматурой серии 1-011-6
Марка
сваи
Основные размеры, мм
длина
С-5-20
С-5,520
С-6-20
С-5-25
С-5,525
С-6-25
С-6-30
С-7-30
С-8-30
5000
5500
6000
5000
5500
6000
6000
7000
8000
сторона продольная арматура
квадрата диаметр количество
d
стержней
200
10
4-А1
200
“
“
200
“
“
250
“
“
250
“
“
250
12
4-А1
300
300
300
12
“
“
“
“
Расход на одну
сваю
бетона, арматуры,
м3
кг
Масса
сваи, т
Марка
бетона
0,21
0,23
0,25
0,32
0,35
0,38
19,26
21,28
22,89
21,62
23,16
31,47
0,53
0,58
0,63
0,8
0,88
0,95
200
200
200
200
200
200
0,55
0,64
0,73
33,96
37,76
42,08
1,38
1,60
1,83
200
200
250
29
С-9-30
С-1030
С-1130
С-1230
С-8-35
С-9-35
С-1035
С-1135
С-1235
С-1335
С-1435
С-1535
С-1635
С-1340
С-1440
С-1540
С-1640
9000
10000
300
300
“
14
“
4-А2
0,82
0,91
46,40
64,68
2,05
2,28
250
250
11000
12000
8000
9000
10000
11000
12000
13000
14000
15000
16000
300
300
350
350
350
350
350
350
350
350
350
16
“
12
“
“
16
“
16
18
“
20
4 –А2
“
4-А2
“
“
4-А2
“
4-А3
4-А3
“
4-А3
1,0
1,09
1,0
1,12
1,24
1,37
1,49
1,61
1,73
1,86
1,98
86,96
94,04
45,13
49,81
68,59
91,09
98,33
106,81
138,05
146,98
186,48
2,50
2,73
2,50
2,8
3,1
3,43
3,73
4,03
4,33
4,65
4,95
250
250
250
250
250
250
250
300
300
300
300
13000
14000
15000
16000
400
400
400
400
12
14
16
18
8-А3
8-А3
8-А3
8-А3
2,1
2,26
2,42
2,58
121,69
166,26
221,73
223,3
5,25
5,62
6,05
6,45
300
300
300
300
Примечания:
1 Марка свай сплошных с поперечным армированием ствола расшифровывается следующим образом: С – с ненапрягаемой стержневой арматурой;
первая цифра означает длину призматической сваи L, м; вторая – размер стороны поперечного сечения сваи, см.
2 Длина острия сваи А в зависимости от величины d:
d, см 20 25 30 35 40
А, см 15 15 25 30 35
Таблица 2
Железобетонные составные полые круглые сваи-оболочки
с болтовым стыком (серии 1.011-5)
30
Марка секции составной сваиоболочки
Армирование
СО 6-100 б
СО 8-100 б
СО 10-100 б
СО 12-100 б
СО 6-120 б
СО 8-120 б
СО 10-120 б
СО 12-120 б
27 Ø12 А3
СО 6-160 б
СО 8-160 б
СО 10-160 б
СО 12-160 б
27 Ø12 А3
Расход на сваю
бетона марарматуры,
ки 400, м3
кг
27 Ø12 А3
Справочная
масса сваиоболочки, т
1.88
2.54
3.20
3.86
2.33
3.15
3.96
4.80
301.4
358.0
414.8
471.4
334.8
393.3
452.0
510.5
9.70
6.35
8.00
9.65
5.83
7.88
9.90
12.00
3.18
4.30
5.42
6.54
409.9
474.1
538.4
602.6
7.95
10.75
13.55
16.35
Марка
укрупненной
составной
сваиоболочки
СО 14 – 100
б
СО 48 – 100
б
СО 14 - 120
б
СО 48 - 120
б
СО 14 – 160
б
СО 48 – 160
б
Примечания:1 Марки свай расшифрованы следующим образом: СО –
свая-оболочка; первая цифра означает длину секции сваи L, м; вторая – наружный диаметр d, см. Буквенный индекс в конце марки означает стыковой элемент, которым снабжены оба конца секции: б – болтовой стык.
2 Секции свай-оболочек поднимают за концы.
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Таблицы расчётных сопротивлений грунта под нижним концом, по боковой поверхности свай и коэффициентов условий работы
Таблица 1
Расчётные сопротивления R под нижним концом забивных свай
и свай-оболочек, не заполняемых бетоном, МПа
Глубина
погружения
нижнего
конца
сваи, м
Песчаные грунты средней плотности
гравелистые
0
крупные
средней
крупности
мелкие
пылеватые
Глинистые грунты при показателе консистенции IL, равном
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
31
7.50
6.60
4.00
3.00
3.10
2.00
2.00
1.20
8.30
3.80
3.20
2.50
2.10
1.60
1.25
0.70
4
6.80
5.10
5
7.00
6.20
4.00
3.40
2.80
2.20
2.00
1.30
0.80
4.30
3.70
3.30
2.40
2.20
1.40
0.85
5.00
4.00
3.50
2.60
2.40
1.50
0.90
2.90
5.60
4.40
4.00
1.65
1.00
1.80
1.10
3
8.80
7
9.70
10
15
10.50
11.70
7.30
6.90
7.70
7.30
8.20
7.50
4.80
4.50
8.50
20
12.60
0.60
3.20
6.20
9.00
1.10
5.20
3.50
25
13.40
9.50
6.80
5.60
3.80
1.95
1.20
30
14.20
10.00
7.40
6.00
4.10
2.10
1.30
35
15.00
2.25
1.40
8.00
Примечание: 1 В значениях R, указанных дробью, числитель – для песков, знаменатель – для глин.
2 В табл. 1 и 2 глубину погружения нижнего конца сваи или сваиоболочки и среднюю глубину расположения слоя грунта при планировке территории срезкой, подсыпкой, намывом до 3 м следует принимать от уровня природного рельефа, а при срезке, подсыпке, намыве от 3 до 10 м – от условной
отметки, расположенной на 3 м выше уровня срезки или на 3 м ниже уровня
подсыпки.
Глубину погружения нижнего конца сваи или сваи-оболочки и среднюю
глубину расположения слоя грунта в акватории следует принимать с учётом
возможного общего размыва грунта дна водотока при расчётном паводке.
32
3 Для промежуточных глубин погружения свай и свай-оболочек и промежуточных значений показателя консистенции IL глинистых грунтов значения R
и f определяются интерполяцией соответственно по табл. 1 и 2.
4 Для плотных песчаных грунтов значения R по табл. 1 следует увеличить
на 60 %, но не более чем до 20.00 МПа.
Таблица 2
Расчётные сопротивления на боковой поверхности свай
и свай-оболочек f, МПа
Средняя глубина расположения слоя, м
1
2
3
4
5
6
8
10
15
20
25
30
35
Песчаные грунты средней плотности
крупные и пылевасредней
тые
крупности
Глинистые грунты при показателе консистенции IL, равном
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.35
0.23
0.15 0.12 0.08
0.04 0.04
0.42
0.30
0.21 0.17 0.12
0.07 0.05
0.48
0.35
0.25 0.20 0.14
0.08 0.07
0.53
0.38
0.27 0.22 0.16
0.09 0.08
0.56
0.40
0.29 0.24 0.17
0.10 0.08
0.58
0.42
0.31 0.25 0.18
0.10 0.08
0.62
0.44
0.33 0.26 0.19
0.10 0.08
0.65
0.46
0.34 0.27 0.19
0.10 0.08
0.72
0.51
0.38 0.28 0.20
0.11 0.08
0.79
0.56
0.41 0.30 0.20
0.12 0.08
0.86
0.61
0.44 0.32 0.20
0.12 0.08
0.93
0.66
0.47 0.34 0.21
0.12 0.09
1.00
0.70
0.50 0.36 0.22
0.13 0.09
0.9
0.03
0.04
0.06
0.07
0.07
0.07
0.07
0.07
0.07
0.07
0.07
0.08
0.08
1.0
0.02
0.04
0.05
0.05
0.05
0.06
0.06
0.06
0.06
0.06
0.06
0.07
0.07
Примечания: 1 При определении по табл. 2 расчётного сопротивления f
грунта по боковой поверхности свай и свай-оболочек нужно обязательно учитывать требования, изложенные в примечаниях 2 и 3 к табл. 1.
2 При определении по табл. 2 расчётных сопротивлений f грунтов по боковой поверхности свай и свай-оболочек пласты грунтов следует расчленять на
однородные слои толщиной не более 2 м.
3 Величины расчётного сопротивления f плотных песчаных грунтов по
боковой поверхности свай и свай-оболочек следует увеличивать на 30 % против
значений, приведённых в табл. 2.
33
Таблица 3
Значения коэффициентов условий работы
Способы погружения свай и виды грунтов
Погружение забивных сплошных и полых с
закрытым нижним концом свай механическими подвесными, паровоздушными и дизельными молотами.
2 Погружение с подмывом в песчаные грунты при условии добивки свай на последнем
метре погружения без подмыва.
3 Вибропогружение и вибровдавливание в
грунты:
а) песчаные средней плотности:
пески крупные и средней крупности;
пески мелкие;
пески пылеватые;
б) глинистые с показателем
консистенции IL = 0.5:
супеси
суглинки
глины
в) глинистые с показателем консистенции IL ≤0
1
Коэффициенты условий работы грунта,
учитываемые независимо друг от друга
при расчёте несущей способности забивных свай
под нижним концом по боковой поверхсваи mR
ности сваи m
1.0
1.0
1.0
0.9
1.2
1.1
1.0
1.0
1.0
1.0
0.9
0.8
0.7
1.0
0.9
0.9
0.9
1.0
Примечания: 1 Коэффициенты mR и mf по поз. 3 табл. 3 для глинистых
грунтов с показателем консистенции 0.5 >IL>0 определяются интерполяцией.
2 Примечание к табл. 1–3 даны в объёме, соответствующем типам свай,
рассматриваемым в методических указаниях. В случае применения других типов свай, надлежит руководствоваться табл. 1–3 [1].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
Руководство по проектированию свайных фундаментов. – М. :
Стройиздат, 1980.
34
2.
Рекомендации по рациональной области применения в строитель-
стве свай. – М. : Стройиздат, 1978.
3.
Свайные работы. Справочник строителя / под ред. М.И. Смороди-
нова. – М. : Стройиздат, 1978.
4.
СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. – М. : ЦИТП Госстроя
СССР, 1986.
5.
СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. – М. : Стройиздат, 1986.
6.
СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. Мин-
строй России. – М. : ГП ЦПП, 1996.
7.
СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. – М. : ГУПЦ ПП, 1996.
8.
Свиридов, В.В. Сооружение фундаментов из забивных свай в раз-
ных инженерно-геологических условиях : методические указания к проведению
деловой игры / В.В. Свиридов. – Ростов н/Д : РИИЖТ, 1990.
9.
Свиридов, В.В. Проектирование фундаментов из свай-оболочек :
методические указания к курсовому и дипломному проектированию / В.В.
Свиридов. – Ростов н/Д : РГУПС, 2000.