Минимально допустимые расстояния между сваями в ростверке. Типы свайных ростверков и их предварительное конструирование. Определение несущей способности одиночной железобетонной сваи по материалу

При забивке сваи в грунт происходит его уплотнение в границах цилиндрического тела диаметром 3∙d … 6∙d в зависимости от вида грунта. Особенно неблагоприятными с этой точки зрения являются водонасыщенные глинистые грунты, где процесс погружения сваи сопровождается разрушением структурных связей и возникновением избыточного давления в поровой воде. Таким образом, вокруг сваи возникает напряжённо-деформированная зона. На расстоянии 3∙d от оси сваи величина сжимающих напряжений в грунте уже незначительна, что особенно важно для висячих свай. Поэтому для того, чтобы не происходило наложение напряжений от соседних свай, их рекомендуется располагать на расстоянии l_s ≥ 6∙d друг от друга, где d — сторона квадратной сваи или диаметр круглой сваи (рис. 40, б). При 3∙d < l_s < 6∙d (рис. 40, в) увеличивается осадка свайного фундамента, а при l_s ≤ 3∙d (рис. 40, г), кроме этого, снижается его несущая способность.

Рис. 40. Схемы работы свай в грунте: а – одиночной, б, в, г – в составе свайного куста

Для свай-стоек, опирающихся на прочные грунты, указанные выше обстоятельства не так существенны и расстояние между осями свай в уровне их острия (пяты) принимают l_s ≥ 1,5∙d. Расстояние в свету между стволами свай-оболочек, набивных и буронабивных свай принимают не менее одного метра. Расстояние от наружной грани внешней сваи до края ростверка должно составлять не менее 10 см и не менее (0,2∙d + 5 см) при однорядном расположении свай, (0,3∙d + 5 см) – при двух- и трёхрядном расположении свай, (0,4∙d + 5 см) – при большем количестве рядов, где 0,2∙d, 0,3∙d, 0,4∙d – возможные отклонения головы свай от проектного положения при их забивке.

Ростверки под свайные фундаменты проектируют в большинстве своём из монолитного железобетона. Бетон принимают класса не ниже В15. Под стены ростверки проектируют в виде лент как одного направления, так и перекрёстных. Ростверки под отдельные конструкции (колонны) имеют квадратное (при центральном нагружении) или прямоугольное очертание (при внецентренном нагружении). Треугольное очертание ростверка используют редко. Круглые в плане сооружения имеют обычно круглые или кольцеобразные ростверки. Сваи в этом случае размещают по концентрическим окружностям.

Типы свайных ростверков классифицируют в зависимости от их расположения относительно поверхности грунта (рис. 41). Низкий ростверк (рис. 41, а) устраивают ниже поверхности грунта. Такой ростверк может передавать часть вертикальной нагрузки от сооружения своей подошвой и воспринимать боковой поверхностью горизонтальные нагрузки. При этом сваи полностью находятся в грунте и их продольный изгиб от вертикальной нагрузки учитывают только в очень слабых грунтах, к которым относят ил, торф, рыхлый песок и глины с текучей консистенцией. Глубина заложения ростверка h_gr зависит от тех же факторов, что и у фундаментов мелкого заложения на естественном основании. В пучинистых грунтах, к которым относят пылевато-глинистые, пески пылеватые и мелкие, крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем, имеющие к началу промерзания влажность более определённого уровня, значение h_gr должно быть не менее расчётной глубины промерзания грунта. При наличии подвала ростверк располагают ниже пола подвала. В бесподвальных зданиях верхний обрез ростверка устраивают ниже уровня планировки грунта на 150 мм при железобетонных колоннах или на 500…1000 мм при металлических колоннах для размещения их опорного башмака (базы). Кроме этого, для удобства производства работ ростверк стремятся по возможности располагать выше уровня горизонта грунтовых вод.

В непучинистых грунтах и при отсутствии подвала ростверк располагают непосредственно на поверхности грунта. Такой ростверк называют повышенным (рис. 41, б). Поскольку верхние слои обычно сложены насыпными неуплотнёнными грунтами, имеющими низкую несущую способность, повышенные ростверки не могут передать часть вертикальной нагрузки от сооружения своей подошвой. Продольный изгиб свай учитывают только в очень слабых грунтах (ил, торф, рыхлый песок, глины с текучей консистенцией).

Рис. 41. Типы свайных ростверков: а – низкий, б – повышенный, в – высокий

При строительстве надземных трубопроводов, надземных пешеходных переходов и мостов применяют высокий ростверк (рис. 41, в). В этом случае проверку прочности вертикальных свай выполняют с учётом их продольного изгиба. Для снижения изгибающих моментов, возникающих в верхней части свай от горизонтальных нагрузок, устраивают наклонные сваи.

На рис. 41 , 1/м,

где

J – момент инерции поперечного сечения сваи, м⁴;

k = 4 000…10 000 кН/м⁴ – коэффициент пропорциональности, зависящий от грунтов, окружающих сваи, и их характеристик;

b_p – условная ширина сваи,

b_p = d + 1 м при d  0,8 м, b_p = 1,5d + 0,5 м при d < 0,8 м;

Е – модуль упругости материала сваи, кПа;

_с – коэффициент условий работы, _с = 3 при высоком ростверке или сейсмической нагрузке, _с = 1 во всех остальных случаях.

Размеры подошвы ростверков, ступеней их плитной части и подколонника принимают в плане кратно 100 мм или 300 мм в зависимости от используемой индивидуальной или инвентарной опалубок, а по высоте – кратно 150 мм. При стаканном сопряжении сборных железобетонных колонн с ростверками толщину дна стакана принимают исходя из расчёта ростверка на продавливание колонной, но не менее 250 мм. Глубину заделки колонны в стакан, глубину стакана, зазоры между стенками колонны и стакана, толщину стенок стакана в уровне обреза свайного фундамента принимают по аналогии с фундаментами мелкого заложения на естественном основании (см. лекцию 2). У повышенных ростверков плитную часть обычно выполняют из одной ступени высотой 300, 450 или 600 мм. У низких ростверков количество ступеней зависит от глубины заложения ростверка h_gr , но также возможен вариант использования одной ступени плитной части высотой до 600 мм и высокого подколонника или фундаментных блоков под несущие стены. При низких и повышенных ростверках под ними устраивают подготовку из втрамбованного в грунт щебня или бетона класса В10 толщиной 100 мм.

На первом этапе расчёта свайного фундамента определяют его основные параметры: 1) длину свай; 2) предварительные размеры их поперечного сечения исходя из принятой длины и в соответствии с ГОСТ; 3) сопряжение свай с ростверком (жёсткое или шарнирное); 4) глубину заложения ростверка; 5) вид свай по условию взаимодействия с грунтом (сваи-стойки или сваи трения) и по способу заглубления свай в грунт (забивные, сваи-оболочки, набивные или буронабивные). Основанием для соответствующих решений являются инженерно-геологические условия площадки строительства, физико-механические свойства грунтов основания, тип здания или сооружения, нагрузки, действующие на фундамент, условия строительной площадки (свободная застройка или стеснённые условия). Забивные сваи рекомендуется применять при любых сжимаемых грунтах, подлежащих прорезке, за исключением насыпи с твёрдыми включениями, прослоек или линз твёрдого глинистого грунта или плотного песка, а также других видов грунтов с включениями валунов. Жёсткую заделку свай в ростверк предусматривают не только для внецентренно нагруженных фундаментов и работе свай на выдёргивание, но и при действии на свайный фундамент значительных горизонтальных нагрузок (таким образом ограничивают перемещение головы сваи), а также расположении свай в слабых грунтах (ил, торф, рыхлый песок, глины с текучей консистенцией).

Вторым этапом расчёта является определение несущей способности одиночной сваи. Она зависит от условий работы и прочности как материала сваи, так и грунта, в который она погружена. Несущую способность сваи по материалу F_m определяют в соответствии с требованиями нормативных документов по железобетонным, металлическим или деревянным конструкциям. Для железобетонных свай, воспринимающих через ростверк сжимающие нагрузки, несущую способность (силу расчётного сопротивления сваи по материалу) определяют по формуле

,

где

φ — коэффициент продольного изгиба сваи, принимаемый по приведенной ниже таблице в зависимости от отношения расчётной длины сваи l₀ к её диаметру d (размеру поперечного сечения):

l0/d	< 6	6	10	15	20
φ	1	0,92	0,9	0,83	0,7

l₀ = l₁ ∙ μ, l₁ = Δl + 2/α_ε, 2/α_ε ≤ Σh_i ,

l₁ — расстояние от подошвы ростверка до уровня жёсткого защемления сваи в грунте;

Δl — длина участка сваи от подошвы высокого ростверка до уровня планировки грунта; для низкого или повышенного ростверка Δl=0;

α_ε — коэффициент деформации (1/м), определяемый по приложению 1 СНиП 2.02.03-85* или СП 50-102-2010 «Свайные фундаменты» и зависящий от материала сваи, её жёсткости и характеристик окружающего сваю грунта; в любом случае значение 2/α_ε принимают не более Σh_i , то есть глубины прорезаемых сваей слоёв грунта от уровня планировки земли (при высоком ростверке) или от уровня подошвы ростверка (при низком или повышенном ростверке) до её острия или пяты;

μ — коэффициент, учитывающий закрепление концов сваи в расчётной схеме; при условно жёстком защемлении сваи в грунте её заделка в ростверк может быть шарнирной (μ = 0,7) или жёсткой (μ = 0,5) (рис. 42);

γ_с — коэффициент условий работы сваи: γ_с = 0,9 при d = 0,2 м, γ_с = 1 при d > 0,2 м;

γ_b1 — коэффициент условий работы бетона, учитывающий длительность действия нагрузки: γ_b1 = 1 при учёте в рассматриваемом сочетании кратковременных нагрузок непродолжительного действия (крановой, ветровой) или сейсмической нагрузки; γ_b1 = 0,9 при учёте в рассматриваемом сочетании постоянных и временных длительных нагрузок, а также особых нагрузок, вызванных деформациями просадочных, набухающих и вечномёрзлых грунтов;

γ_b3 — коэффициент условий работы бетона, учитывающий снижение его расчётного сопротивления при бетонировании сваи в вертикальном положении: γ_b3 = 0,85 — для набивных и буронабивных свай, γ_b3 = 1 — для забивных свай, так как их изготавливают в горизонтальном положении;

γ_cb — коэффициент условий работы, учитывающий способ бетонирования свай: γ_cb = 1 — для забивных свай или для изготавливаемых в грунте при бетонировании насухо, то есть выше уровня грунтовых вод; γ_cb = 0,9 — при бетонировании насухо в извлекаемой обсадной трубе; γ_cb = 0,8 — при бетонировании в обводнённой скважине в извлекаемой обсадной трубе; γ_cb = 0,7 — при бетонировании в обводнённой скважине под глинистым раствором или под избыточным давлением воды (без обсадных труб);

R_b — расчётное сопротивление бетона сваи сжатию; для железобетонных свай с ненапрягаемой продольной арматурой используют бетона класса не ниже В15, а для свай с продольной напрягаемой арматурой — не ниже В25;

A_b — площадь поперечного сечения сваи;

R_sc — расчётное сопротивление продольной арматуры сваи сжатию; в качестве ненапрягаемой используют арматуру класса А300 (А-II) или А400 (А-III), а в качестве напрягаемой — класса А600 (А-IV) и выше;

A_s — площадь поперечного сечения продольной рабочей арматуры сваи.

Рис. 42. Расчётные схемы свай при их шарнирном (а) и жёстком (б) соединении с ростверком

В качестве конструктивной арматуры (спирали, сетки) применяют В500 (Вр-I) и А240 (A-I). Подъёмные петли выполняют из арматуры класса А240 (A-I).

Несущую способность железобетонных свай, работающих на выдергивание, определяют по формуле

,

где

R_bt — расчётное сопротивление бетона сваи растяжению;

R_s — расчётное сопротивление растяжению продольной арматуры сваи.

ЛЕКЦИЯ 14