5 Расчет и проектирование свайного фундамента

Рассмотрим вариант свайного фундамента из забивных свай сечением 300x300 мм, погружаемых дизельным молотом.

5.1 Глубина заложения подошвы ростверка

Назначаем глубину заложения подошвы ростверка:

Расчетная глубина промерзания грунта от поверхности планировки DL равна d_f = 1,71 м.

По конструктивным требованиям, также как и для фундамента на естественном основании верх ростверка должен быть на отметке – 0,700. Минимальная высота ростверка должна быть h_r = 1500 мм = 1,5 м.

Для дальнейших расчетов принимаем большую высоту из двух значений, т.е. h_r = 1,5 м (кратно 150 мм), что соответствует глубине заложения – 2,20 м (абс. отм. 85,10).

5.2 Необходимая длина свай

В качестве несущего слоя висячей сваи принимаем глину (слой 4), тогда необходимая длина сваи должна быть не менее:

Принимаем типовую железобетонную сваю С-8-30 (ГОСТ 19804.1-79*) квадратного сечения 300 х 300 мм, длиной L = 8 м. Класс бетона сваи В20. Арматура из стали класса А-III 4 12, объем бетона 0,73 м³, масса сваи 1,83 т, толщина защитного слоя а_в = 20 мм.

5.3 Несущая способность одиночной сваи

Определяем несущую способность одиночной сваи из условия сопротивления грунта основания по формуле (8) СНиП 2.02.03-85:

В соответствии с расчетной схемой сваи (рис.7) устанавливаем из табл.1 СНиП 2.02.03-85 для глины при z = 8,63 м расчетное сопротивление R = 4271,7 кПа. Для определения f_i расчленяем каждый однородный пласт грунта (инженерно-геологический элемент) на слои L_i  2 м и устанавливаем среднюю глубину расположения z_i каждого слоя, считая от уровня природного рельефа. Затем по табл.2 СНиП 2.02.03.-85, используя в необходимых случаях интерполяцию, устанавливаем:

для суглинка при J_L = 0,65 и z₁ = 1,68 м  f₁ = 8,4 кПа;

для суглинка при J_L = 0,65 и z₂ = 3,68 м  f₂ = 12,0 кПа;

для суглинка при J_L = 0,65 и z₃ = 5,26 м  f₃ = 13,0 кПа;

для суглинка при J_L = 0,65 и z₃ = 6,61 м  f₄ = 14,2 кПа;

для глины при J_L = 0,65 и z₄ = 8,01 м  f₅ = 53,0 кПа.

Площадь опирания сваи на грунт , периметр . Для сваи сплошного сечения, погружаемой забивкой дизельным молотом, по табл. 3 СНиП 2.02.03-85 _cr = _cf =1, _c = 1. Тогда:

Рис. 7 Расчетная схема к определению несущей способности сваи по грунту

6.4 Требуемое число свай

Определяем требуемое число свай в фундаменте в первом приближении при N_{col I} = 2591,3 кН:

Принимаем n = 11.

5.5 Размещение свай в кусте

Размещаем сваи в кусте по типовой схеме. Окончательно размеры подошвы ростверка назначаем, придерживаясь унифицированных размеров в плане, кратных 0,3 м, и по высоте, кратных 0,15 м (рис.8).

Рис.8 Размещение свай в плане

5.6 Вес ростверка и грунта на его уступах

Определим вес ростверка и грунта на его уступах.

Объем ростверка: ;

Объем грунта:

Вес ростверка и грунта:

5.7 Определение окончательных нагрузок

Все действующие нагрузки приводим к центру тяжести подошвы ростверка:

5.8 Проверка нагрузок на крайние сваи

Определяем расчетные нагрузки, передаваемые на крайние сваи в плоскости подошвы ростверка по формуле (3) СНиП 2.02.03-85:

N_{I max} = 449,58 кН; N_{I min} = 76,78 кН.

Проверяем выполнение условий:

Коэффициент надежности по назначению здания _n = 0,95 принят в соответствии со СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия.

5.9 Предварительная проверка все сваи по прочности материала

Выполним предварительную проверку сваи по прочности материала по графикам и указаниям учебного пособия.

Определяем коэффициент деформации  _ :

Начальный модуль упругости бетона класса В15, подвергнутого тепловой обработке при атмосферном давлении, по табл.18 СНиП 2.03.01-84, . Момент инерции поперечного сечения сваи:

Условная ширина сечения сваи .

Коэффициент пропорциональности К по табл.1 прил.1 к СНиП 2.02.03-85 для суглинка (J_L = 0,6), принимаем К = 8 МН/м⁴. Коэффициент условий работы _с = 1.

Глубина расположения условной заделки сваи от подошвы ростверка:

В заделке действуют усилия: продольная сила N_{I max} = 449,58 кН; изгибающий момент:

Точка, соответствующая значениям указанных усилий, лежит на графике ниже кривой для принятой сваи (сечение 300х300, бетон класса В20, продольное армирование А-III 4Ø 12), следовательно, предварительная проверка показывает, что прочность сваи по материалу обеспечена.

5.10 Расчет ростверка на продавливание колонной

Класс бетона ростверка принимаем В20, тогда R_bt = 0,9 МПа (табл.5.2 СП 52-101-2003). Рабочую высоту сечения принимаем h₀ = 1,5 м.

Расчетное условие имеет следующий вид:

Размеры b_col = 500 мм, h_col = 1250 мм, h_g = 1500 мм, c₁ = 125 мм и c₂ = 350 мм, коэффициент надежности по назначению _n = 0,95.

Определяем коэффициент , учитывающий частичную передачу продольной силы на плитную часть ростверка через стенки стакана, для чего предварительно определяем площадь боковой поверхности заделанной в стакан части колонны А_f (по наружному обводу обоих ветвей).

Принимаем  = 0,85.

Значения реакций по верхней горизонтальной грани:

а) в первом ряду от края ростверка со стороны наиболее нагруженной его части:

б) во втором ряду от края ростверка:

в) в третьем ряду от края ростверка:

Величина продавливающей силы определяется по формуле:

Предельная величина продавливающей силы, которую может воспринять ростверк с принятой толщиной дна стакана:

,

т.е. прочность ростверка на продавливание колонной обеспечена.

5.11 Расчет свайного фундамента по деформациям

Выполним расчет свайного фундамента по деформациям на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок и момента по формуле 14 прил.1 к СНиП 2.02.03-85:

проверяем выполнение условия:

Горизонтальная нагрузка на голову сваи равна:

Коэффициент деформации _ = 0,836 м^-1 (п. 6.9. настоящего расчета). Условная ширина сечения сваи b_p = 0,95 м. Прочностной коэффициент пропорциональности, для суглинка пластичной (J_L = 0,6), по табл.1 прил.1 СНиП 2.02.03-85 равен: a = 53,6 кН/м³.

Приведенное значение продольной силы для приведенной глубины погружения сваи в грунт определяем по табл.2 прил.1 к СНиП 2.02.03-85 (шарнирное сопряжение сваи с ростверком) при l = 4 и z_i = 0. Получаем = 0,409, тогда:

Так как сила H_el = 29,8 кН > , то расчет ведем по первой (упругой) стадии работы системы свая - грунт.

При шарнирном опирании низкого ростверка на сваи М₀ = 0 и l = 0, следовательно, формулы (30) и (31) по п.12 прил.1 к СНиП 2.02.03-85 примут вид:

Определяем перемещение в уровне подошвы ростверка от единичной горизонтальной силы Н_II =1:

где безразмерные коэффициенты А₀ = 2,441 и В₀ = 1,621 приняты по табл.5 прил.1 к СНиП 2.02.03-85 для приведенной глубины погружения сваи = 4 м.

Так как u_p = 0,238 см < u_u = 1см, условие ограничения горизонтального перемещения головы сваи выполнено.

5.12 Расчет устойчивости основания

Выполним расчет устойчивости основания, окружающего сваю по условию (25) прил.1 к СНиП 2.02.03-85, ограничивающему расчетное давление σ_z, передаваемое на грунт боковыми поверхностями сваи:

Здесь расчетный удельный вес грунта с учетом взвешивания в воде (для слоя 2) _I = _sb = 8,7 кН/м³; φ_I = 16⁰; c_I = 15,0 кПа; коэффициент  = 0,6 (для забивных свай); коэффициент η₁ = 0,7. При установлении значения коэффициента η₂ по формуле (26) прил.1 к СНиП 2.02.03-85, используем данные табл.5, из которой следует, что момент от внешних постоянных нагрузок в сечении на уровне нижних концов свай составит для оси А:

Момент от временных нагрузок в том же сечении составит:

Расчетное давление на грунт σ_z, кПа, определяем по формуле (36) и указаниям п.13 прил.1 к СНиП 2.02.03-85:

для глубины , так как > 2,5; откуда , а

Для этой приведенной глубины по табл. 4 прил. 1 СНиП 2.02.03-85 имеем:

А₁ = 0,996; В₁ = 0,849; С₁ = 0,363; D₁ = 0,103.

Как видно,

т. е. устойчивость грунта, окружающего сваю, обеспечена.

5.13 Несущая способность сваи по прочности материала

Определим несущую способность сваи по прочности материала. Характеристики сваи: R_b = 11,5 МПа; R_sc = R_s = 270 МПа; b = d_св = 30 см; а = а` = 3 см; h<sub>0</sub> = d<sub>св</sub> – а` = 30 – 3 = 27 см; А_s = А_s’ = 4,52/2 = 2,26 см².

Из формулы (37) прил.1 к СНиП 2.02.03-85 для указанных характеристик сваи получаем следующее выражение для определения моментов М_z в сечениях сваи на разных глубинах z от подошвы ростверка:

Результаты дальнейших вычислений, имеющих целью определение М_{z max}, сводим в табл.9, причем при назначении Z используем соотношение , в котором значения Z принимаем по табл.4. прил.1 к СНиП 2.02.03-85.

Результаты вычислений изгибающих моментов

Таблица 9

Zi, м		A3	B3	D3	Mz, кН·м
0,334	0,4	- 0,011	- 0,002	0,400	5,711
0,669	0,8	- 0,085	- 0,034	0,799	9,823
0,836	1,0	- 0,167	- 0,083	0,994	10,950
1,003	1,2	- 0,287	- 0,173	1,183	11,586
1,087	1,3	- 0,365	- 0,238	1,273	11,660
1,170	1,4	- 0,455	- 0,319	1,358	11,607
1,338	1,6	- 0,676	- 0,543	1,507	11,185
1,672	2,0	- 1,295	- 1,314	1,646	9,308

Как видно из таблицы, М_{z max I} = 11,66 кНм действует на глубине z =1,087 м.

Эксцентриситеты продольной силы для наиболее и наименее нагруженных свай составляют соответственно:

Определим значения случайных эксцентриситетов по п.1.21. СНиП 2.03-01-84 для расчетной длины и поперечного размера сваи d_св = 30 см:

Так как полученные значения эксцентриситетов е₀₁ и е₀₂ больше е_ai, оставляем эти значения для дальнейшего расчета свай по п.3.20 СНиП 2.03.01-84.

Находим расстояния от точек приложения продольных сил N_{max I} и N_{min I} до равнодействующей усилий в арматуре S:

Определим высоту сжатой зоны бетона по формуле (37) СНиП 2.03.01-84:

Граничное значение относительной высоты сжатой зоны по табл.2.2 п.2.3.12, учебного пособия, составляет для стали А-III и бетона В20

следовательно принимаем значение x₁ = 14,6 см для дальнейшего расчета.

Проверяем прочность сечения сваи по формуле (36) СНиП 2.03.01-84:

Несущая способность свай по прочности материала в наиболее нагруженных сечениях обеспечена.

5.14 Расчет осадки основания свайного фундамента

Определяем размеры и вес условного фундамента (по указаниям п. 7.1. СНиП 2.02.03-85). Расчетная схема показана на рис.9.

Размеры свайного поля по наружному обводу:

Размеры площади подошвы условного массива:

Площадь подошвы условного массива .

Объём условного массива .

Вычислим средневзвешенное значение удельного веса грунта выше подошвы условного фундамента:

Вес грунта в объёме условного фундамента

.

Вес ростверка .

Вес свай

Расчетная нагрузка по подошве условного фундамента от веса грунта, ростверка и свай:

Проверяем напряжения в плоскости подошвы условного фундамента.

Расчетное сопротивление грунта основания условного фундамента в уровне его подошвы определим по формуле (7) СНиП 2.02.01-83:

Принимаем: _c1 = 1,2 для глины _c2 = 1; k = 1; _{II 4} = 16; c_{II 4} = 41,0 кПа;

M_ = 0,36; M_q = 2,43; M_c = 4,99; _{II mt} = 11,63 кН/м³; _{sb 4} = 8,7 кН/м³

Среднее давление P_{II mt} по подошве условного фундамента:

Максимальное краевое давление P_{II max} :

Для расчета осадки методом послойного суммирования вычислим напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы условного фундамента:

Дополнительное вертикальное давление на основание от внешней нагрузки на уровне подошвы условного фундамента:

Соотношение сторон подошвы фундамента: .

Значения коэффициента  устанавливаем по табл.1 прил.2 СНиП 2.02.01-83.

Для удобства пользования указанной таблицей из условия

принимаем толщину элемента слоя грунта

Дальнейшие вычисления сводим в таблицу 10.

Рис. 9 Расчетная схема распределения напряжений в основании свайного фундамента по оси А-5

Определение осадки

Таблица 10

zi, м		zi + d, м		zp = P0, кПа	zɣ = zg,0, кПа	zg = zg,0 + + sb,i  ziт, кПа	0,5zg, кПа	Е, кПа
0	0	10,0	1,000	180,13	116,32	116,32	58,16	14000
0,6	0,4	10,6	0,973	175,27	113,18	121,54	60,77	14000
1,2	0,8	11,2	0,853	153,65	99,22	126,76	63,38	14000
1,8	1,2	11,8	0,691	124,47	80,38	131,98	65,99	14000
2,4	1,6	12,4	0,544	97,99	63,28	137,20	68,60	14000
3,0	2,0	13,0	0,426	76,74	49,55	142,42	71,21	14000
3,6	2,4	13,6	0,337	60,70	39,20	147,64	73,82	14000
4,2	2,8	14,2	0,271	48,82	31,52	152,86	76,43	14000

На глубине H_c = м от подошвы условного фундамента выполняется условие СНиП 2.02.01-83 (прил.2, п.6) ограничения глубины сжимаемой толщи основания (ГСТ):

поэтому послойное суммирование деформаций основания производим в пределах от подошвы фундамента до ГСТ

Осадку основания определяем по формуле:

Условие S = 0,8 см < S_u = 12,0 см выполняется (значение S_u = 12,0 см принято по таблице прил.4 СНиП 2.02.01-83).

6 Определение степени агрессивного воздействия подземных вод и разработка рекомендаций по антикоррозионной защите подземных конструкций.

Для железобетонных фундаментов на естественном основании серии 1.412-2/77, принятых на основе технико-экономического сравнения вариантов, и технологического приямка установим наличие и степень агрессивного воздействия подземных вод по данным химического анализа, для соответственных грунтовых условий.

Для фундаментов и приямка предусматриваем бетон с маркой по водопроницаемости W4 на портландцементе по ГОСТ 10178-76, арматуру класса А-III. Фундаменты каркаса и приямок расположены ниже УПВ лишь частично, однако за счет возможных изменений УПВ и капиллярного подъема до 1,2 м над УПВ все поверхности фундамента и технологического приямка могут эксплуатироваться под водой, либо в зоне периодического смачивания. Степень агрессивного воздействия вода на подземные конструкции оцениваем в соответствии с табл. 5, 6, 7 СНиП 2.03.11-85.

Коэффициент фильтрации суглинка, в котором расположены подземные конструкции, равен:

поэтому к показателям агрессивности, приведенным в табл.5, 6, 7 СНиП 2.02.11-85, необходимо вводить поправки в соответствии с примечаниями к указанным таблицам.

Определяем суммарное содержание хлоридов в пересчете на ионы Cl ^–, мг/л, в соответствии с прим.2 к табл. 7 СНиП 2.03.11-85:

Дальнейшую оценку ведем в табличной форме (табл. 11).

Анализ агрессивности воды для бетона на портландцементе

Таблица 11

Показатель агрессивности	Номер таблицы СНиП 2.03.11-85	Степень агрессивности среды по отношению к бетону марки W4
Бикарбонатная щелочность	5	отсутствуют - неагрессивная
Водородный показатель	5	- неагрессивные
Содержание агр-ой углекислоты	5	- неагрессивная
Содержание аммонийных солей	5	- неагрессивная
Содержание магнезиальных солей	5	- неагрессивная
Содержание едких щелочей	5	- неагрессивная
Содержание сульфатов	6	- неагрессивная
Содержание хлоридов	7	среднеагрессивная (в зоне капиллярного подсоса и переменного УПВ)

Заключение. При бетоне нормальной (Н) проницаемости (марка по водонепроницаемости W4 по табл.1 СНиП 2.03.11-85) в конструкциях фундаментов и приямка вода среднеагрессивна по содержанию хлоридов, неагрессивна по остальным показателям.

Рассмотрим возможность обеспечения стойкости конструкций фундаментов и приямка в агрессивной среде за счет назначения проектных требований к материалам (первичная защита). Как следует из табл.11 СНиП 2.03.11-85, при среднеагрессивной среде и примененной арматуре классов А-II и А-III (группа 1 по табл. 9 СНиП 2.03.11-85) требуется применение бетона пониженной проницаемости (марки W 6) либо оцинкованной арматуры (см.п.2.21 СНиП 2.03.11-85). Однако оцинкованная арматура дорога и дефицитна, а получение бетона пониженной проницаемости в условиях строительной площадки затруднено, поэтому необходимо выполнить специальную защиту фундаментов и приямка.

Для защиты подошвы фундамента и дна приямка при среднеагрессивной среде предусматриваем в соответствии с п.2.33 СНиП 2.03.11-85 устройство битумобетонной подготовки толщиной не менее 100 мм из втрамбованного в грунт щебня с поливкой битумом до полного насыщения.

Для защиты днища (по бетонной подготовке) и боковых поверхностей и гидроизоляции приямка в целом (в соответствии с указаниями п.2.34 и табл.13, а также рекомендациями прил.5 к СНиП 2.03.11-85) необходимо выполнить покрытие III группы - оклеечную гидроизоляцию из 3 слоев гидроизола на горячей битумной мастике с последующим устройством защитной стенки в 1/4 кирпича, пропитанного битумом.

Для защиты боковых поверхностей фундаментов выполнить полимерное покрытие на основе лака ХII-734 (хлорсульфированный полиэтилен).

Фундаменты и приямок выполнить из бетона нормальной (Н) проницаемости (марка по водонепроницаемости W4; водопоглощение не более 5,7% по массе; водоцементное отношение В/Ц не более 0,6).