1. Определение требуемого количества свай для отдельно стоящего свайного фундамента

Для отдельно стоящего свайного фундамента вычисление требуемого количества свай можно выполнять в следующей очередности.

После определения несущей способности F_d (п. 3) находится условное среднее давление по подошве ростверка по формуле

,

(44)

где _k – коэффициент надежности (п. 4.5);

k_s – коэффициент, зависящий от условий взаимодействия сваи с грунтом, для висячих свай k_s = 3, для свай-стоек k_s = 1,5;

d – размер поперечного сечения сваи, м.

Далее вычисляется ориентировочная площадь подошвы ростверка

,

(45)

где N_oI – расчетная, по первой группе предельных состояний, вертикальная нагрузка по обрезу ростверка, кН;

– осредненный удельный вес ростверка и грунта на его уступах, кН/м³, принимаемый равным 22-23 кН/м³;

d_p – глубина заложения ростверка, м;

_f – коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 1,1.

Предварительный вес ростверка с грунтом на его уступах вычисляется согласно выражения

.

(46)

Необходимое число свай в фундаменте определяется по формуле

,

(47)

где _m - коэффициент, принимаемый равным 1,2-1,3 для внецентренно и 1,1 для центрально нагруженных фундаментов.

После размещения свай в плане и конструирования ростверка вычисляются, с соответствующими коэффициентами надежности по нагрузке, фактический вес ростверка (N_p), вес грунта на его уступах (N_g), суммарный вес свай (N_s), подсчитывается расчетная нагрузка на сваю по формуле (43) и проверяется выполнение условия (42). Расчетная сжимающая сила N_d при этом определяется выражением

Nd = NoI + Np + Ng + Ns + Nс+ Nпроч,

(48)

где N_с – нагрузка, передаваемая на ростверк фундаментными балками;

N_проч – сумма прочих вертикальных нагрузок, не учтенных статическим расчетом.

Расчетный момент M_x(у) относительно главной оси x(y) плана свай, действующий в плоскости подошвы ростверка, если отсутствуют N_с и N_проч, определяется по формуле

,

(49)

где М_ox(y)I – расчетный момент относительно главной оси x(y) сечения конструкции, опирающейся на ростверк, действующий по обрезу ростверка, кНм;

Q_оy(x)I – расчетное значение горизонтальной силы на обрезе ростверка по направлению оси y(x), кН;

h_p – высота ростверка, м;

N_oI – расчетная, по первой группе предельных состояний, нагрузка по обрезу ростверка, кН, проходящая через центр тяжести сечения конструкции, опирающейся на ростверк;

е_у(х) – эксцентриситет силы N_oI относительно главной оси x(y) плана свай;

N_p – вес ростверка, кН, представленный в виде сосредоточенной силы, направленной вертикально вниз, проходящей через центр тяжести ростверка;

е_ру(х) – эксцентриситет силы N_p относительно главной оси x(y) плана свай;

N_g – вес грунта на уступах ростверка, кН, представленный в виде сосредоточенной силы, направленной вертикально вниз, проходящей через центр тяжести грунта, расположенного на уступах ростверка;

е_gу(х) – эксцентриситет силы N_g относительно главной оси x(y) плана свай.

На рисунке 35 показано, как определяются эксцентриситеты силовых факторов N_oI, N_p и N_g относительно главной оси x плана свай при смещенном подколоннике относительно подошвы ростверка вдоль оси у.

Е сли на фундамент опираются фундаментные балки или другие конструкции, не показанные на рисунке 35, то необходимо соответствующим образом учитывать и моменты, возникающие в уровне подошвы ростверка, и от этих конструкций.

В случае действия в пределах габаритов подошвы ростверка нагрузки на полы около фундамента, эту нагрузку с соответствующим коэффициентом надежности следует добавлять в выражения (48) и (49).

Если условие (42) не выполняется, то необходимо, либо увеличить количество свай или расстояние между ними, либо изменить длину сваи или ее сечение и повторить расчет.

17. Определить требуемое количество свай С60.30-2 (масса 1,38 т) в свайном фундаменте под колонну крайнего ряда производственного корпуса. Размеры подколонника в плане 1,21,2 м, высота ростверка принята 2,1 м. Для опирания фундаментных балок у ростверка предусматриваем две столбчатые набетонки. На каждую набетонку действует вертикальная нагрузка 16 кН (с учетом собственного веса фундаментных балок), вычисленная для расчета по первой группе предельных состояний. Эксцентриситет данной нагрузки относительно центра тяжести сечения подколонника е_с = 0,45 м (рисунок 36).

Н есущая способность сваи на сжимающую нагрузку определена расчетом в примере 3 и равна F_d = 377,5 кН, на выдергивающую нагрузку – в примере 9 и равна F_d = 130,6 кН. Грунтовые условия по примеру 3.

По обрезу фундамента действуют нагрузки, вычисленные с учетом ветровых и крановых нагрузок:

1 комбинация – N_оI = 1200 кН, М_оI = 140 кНм, Q_оI = 6 кН;

2 комбинация – N_оI = 550 кН, М_оI = -340 кНм, Q_оI = -24 кН.

Принимаем положительные направления для момента и горизонтальной силы такими, как это показано на рисунке 37.

На пол в I^-м и II^-м квадрантах действует нагрузка q = 15 кПа.

Решение. Так как несущая способность сваи по грунту найдена расчетом _k =1,4.

Для висячих свай k_s = 3.

Размер поперечного сечения сваи d = 0,3 м.

Находим условное среднее давление по подошве ростверка

333 кПа.

Максимальный размер вертикальной расчетной силы по обрезу ростверка соответствует первой комбинации нагрузок, поэтому, вначале произведем расчет для этой комбинации, а затем произведем проверку и, в случае необходимости, корректировку по второй комбинации нагрузок.

N_oI = 1200 кН;

принимаем среднее значение веса ростверка и грунта на его уступах кН/м³;

глубина заложения ростверка d_p =2,2 м (см. пример 3);

коэффициент надежности по нагрузке_f =1,1.

Ориентировочная площадь подошвы ростверка

4,3 м².

Ориентировочный вес ростверка и грунта на его уступах

= 1,1·4,3·22·2,2 = 229 кН.

Принимаем _m = 1,3.

Вычисляем требуемое количество свай в свайном кусте

= 6,9.

Принимаем количество свай n = 7.

Размещаем сваи в кусте так, чтобы расстояние между осями свай было не меньше 3d = 3·300 = 900 мм и конструируем ростверк (рисунок 38).

Вычисляем объем и вес ростверка, принимая удельный вес железобетона равным 25 кН/м³ и коэффициент надежности по нагрузке для собственного веса железобетона _f  = 1,1

V_f = 1,21,21,5 + 2,12,40,6 + 20,30,31,2 = 5,4 м³ (последнее слагаемое – объем двух набетонок),

N_p = _f 25V_f = 1,1255,4 = 148,5 кН.

Вычисляем объем и вес грунта на уступах фундамента c коэффициентом надежности по нагрузке для грунта засыпки _f  = 1,1 и принятым удельным весом грунта засыпки 18 кН/м³

V_g = b_p l_pd – V_f = 2,12,42,2 – 5,4 = 5,7 м³,

N_g = _f 18 V_g = 1,1185,7 = 112,6 кН.

Вес семи свай за вычетом веса голов, заделанных в ростверк,

N_s = (1,38-0,50,30,32,5)101,17 = 97,6 кН.

Нагрузка от фундаментных балок

N_с = 216 = 32 кН.

Суммарную прочую нагрузку находим от нагрузки на пол, принимая, что она для колонны крайнего ряда воздействует на ростверк на грузовой площади равной половине подошвы ростверка,

N_проч = _f 15 b_p (l_p/2) = 1,2152,12,4/2 = 45,4 кН.

Эксцентриситет этой нагрузки

е_проч = l / 4 = 2,4/4 = 0,6 м.

Вычисляем расчетную сжимающую силу (суммарную вертикальную силу на свайное основание)

N_d = N_oI + N_p + N_g + N_s + N_проч + N_с =

= 1200 + 148,5 + 112,6 + 97,6 + 45,4 + 32= 1636,1 кН.

Так как подошву ростверка в плане относительно сечения подколонника не смещаем ни в одном направлении и центр тяжести плана свай располагаем в центре тяжести подошвы ростверка, эксцентриситеты веса ростверка, веса грунта на его уступах и нагрузки по обрезу ростверка равны нулю

е_у = 0, е_ру = 0, е_gу = 0.

Вычисляем момент в уровне подошвы ростверка

= 140 + 62,1 + 45,40,6 - 320,45 = 165,4 кНм.

Вычисляем

= 0,45²4 + 0,9²2 + 01 = 2,43 м².

Находим сжимающую силу на сваю с координатами х = 0 м и у = 0,9 м

= 295 кН.

Условие (42) не выполняется

N = 295 кН > = 377,5 / 1,4 = 270 кН.

Перегруз сваи составляет (295 – 270)/270100 = 9,4 % < 20 %, что при учете ветровых и крановых нагрузок допускается.

Находим сжимающую силу на сваю с координатами х = 0 м и у = 0,45 м

= 264 кН.

Условие (42) выполняется

N = 264 кН < = 377,5 / 1,4 = 270 кН.

Проверяем – будет ли на сваю с координатами х = 0 м и у = -0,9 м действовать выдергивающая сила

= 173 кН > 0,

следовательно, при первой комбинации нагрузок выдергивающие силы на сваи не действует.

Проверку по второй комбинации нагрузок выполним для двух расчетных ситуаций: с прочими и без прочих нагрузок.

Проверка с прочими нагрузками.

Вычисляем расчетную сжимающую силу (суммарную вертикальную силу на свайное основание)

N_d = N_oI + N_p + N_g + N_s + N_проч + N_с =

= 550 + 148,5 + 112,6 + 97,6 + 45,4 + 32= 986,1 кН.

Вычисляем момент в уровне подошвы ростверка

= -340 – 242,1 + 45,40,6 - 320,45 = -377,6 кНм.

Находим сжимающую силу на сваю с координатами х = 0 м и у = -0,9 м

= 280,7 кН.

Условие (42) не выполняется

N = 280,7 кН > = 377,5 / 1,4 = 270 кН.

Перегруз сваи составляет (280,7 – 270)/270100 = 4,1 % < 20 %, что при учете ветровых и крановых нагрузок допускается.

Находим сжимающую силу на сваю с координатами х = 0,8 м и у = -0,45 м

= 210,8 кН.

Условие (42) выполняется

N = 210,8 кН < = 377,5 / 1,4 = 270 кН.

Проверяем – будет ли на сваю с координатами х = 0 м и у = 0,9 м действовать выдергивающая сила

= 1,03 кН > 0,

следовательно, при второй комбинации нагрузок с нагрузками на полы около фундаментов выдергивающие силы на сваи не действует.

Проверка без прочих нагрузок.

Вычисляем расчетную сжимающую силу (суммарную вертикальную силу на свайное основание)

N_d = N_oI + N_p + N_g + N_s + N_с =

= 550 + 148,5 + 112,6 + 97,6 + 32= 940,7 кН.

Вычисляем момент в уровне подошвы ростверка

= -340 – 242,1 - 320,45 = -404,8 кНм.

Находим сжимающую силу на сваю с координатами х = 0 м и у = -0,9 м

= 284,3 кН.

Условие (42) не выполняется

N = 284,3 кН > = 377,5 / 1,4 = 270 кН.

Перегруз сваи составляет (284,3 – 270)/270100 = 5,4 % < 20 %, что при учете ветровых и крановых нагрузок допускается.

Находим сжимающую силу на сваю с координатами х = 0,8 м и у = -0,45 м

= 209,4 кН.

Условие (42) выполняется

N = 209,4 кН < = 377,5 / 1,4 = 270 кН.

Проверяем – будет ли на сваю с координатами х = 0 м и у = 0,9 м действовать выдергивающая сила

= -15,5 кН > 0,

следовательно, при второй комбинации нагрузок без нагрузок на полы около фундаментов на крайнюю сваи действует выдергивающая сила.

Проверяем выполнение условия (42) по выдергивающей силе

= 15,5 кН < = 130,6 / 1,4 = 93.3 кН,

условие выполняется.