Методики и варианты расчета свайного фундамента

Выбор оптимального шага свай. Оценка чувствительности модели к различным расчетным факторам.

Процесс проектирования

Процесс проектирования свайного основания высотного здания во многом является итерационным. Многие расчетные параметры свайного основания, такие как распределение нагрузок на индивидуальные сваи, распределение нагрузки от верхнего строения на подземную часть здания, осадки фундамента в плане и по глубине, распределение усилий в сваях по глубине взаимосвязаны и сильно влияют друг на друга. При изменении одного параметра фундамента неизбежно изменятся и другие, при этом результат этих изменений известен лишь приблизительно и должен быть уточнен трудоемким пространственным расчетом. Как правило изменяется не один параметр фундамента, а несколько сразу, что еще более затрудняет анализ произошедших в характере работы фундамента изменений.

Широко известным и распространенным методом расчета свайных фундаментов является модель ячейки бесконечного в плане свайного основания. Расчеты по схеме свайной ячейки более детально описывают работу центральных свай в фундаментах большого размера в плане за счет меньшего размера конечных элементов и в тоже время существенно менее трудоемки. Меньшая трудоемкость позволяет изменять один параметр в одном расчете и тем самым изолировать влияние одного фактора от других.

Целью выполнения расчетов по схеме свайной ячейки было определение расчетной характеристики нагрузка-осадка для шага свай 1,5; 2,0; 2,5; 3; 4 и 5 диаметров. Кроме того, в настоящей работе были проведены расчеты, рассматривающие влияние следующих факторов на характеристику нагрузка-осадка свайной ячейки:

Все расчеты выполнялись для свай диаметром 2,0 м. Абсолютные величины осадок приведены условно, т.к. расчет выполнялся в предпосылке свайной цилиндрической ячейки, т.е. бесконечного свайного поля.

• влияние изменения прочностных характеристик в диапазоне 70…130% от фактических;

• влияние прочности контакта свая-грунт (в расчете моделировалось изменением прочности интерфейсных элементов);

• влияние модуля деформации бетона с учетом ползучести;

• влияние неоднородности деформационных характеристик основания.

На рисунке 4.5.2 приведена характеристика нагрузка-осадка для свайных ячеек с шагом свай 3…10м, в диапазоне давления на ростверк 200…1500 кПа. По горизонтальной оси отложено давление, по вертикальной осадка, а шаг свай обозначен различными цветами. В дальнейшем, результаты приведенные на рис 4.5.1 будут рассматриваться как базовые при сравнении с остальными.

Следует отметить, что значения осадок, представленные на рис.4.5.2…4.5.7 следует анализировать с учетом того факта, что расчеты выполнялись в предпосылке свайной цилиндрической ячейки, т.е. бесконечного свайного поля. Другими словами, по результатам представленных расчетов следует оценивать качественные изменения в характере работы ячейки.

В таблице 4.5.1 приведены отношения осадки свайной ячейки к значению осадки при шаге свай 3м. Из таблицы можно оценить, как изменяется осадка при увеличении расстояния между сваями. Видно, что при увеличении шага свай с 3 до 5 м, осадка ячейки изменяется всего на 10…12%, при увеличении шага с 5 до 6 м еще на 14…19%. Дальнейшее увеличение шага приводит к нелинейному возрастанию осадки, что говорит о переходе значительного объема грунта в область пластических деформаций. Кроме того, об этом свидетельствует и отношение осадки при максимальной нагрузке к осадке при минимальной нагрузке, при заданном шаге свай. В диапазоне шага свай 3…5м (1,5…2,5d) отношение осадок не превышает 1%, а при шагах от 6 до 10 м нелинейно увеличивается и составляет 4…20%.

• Назад

• Вперёд

Варианты

Выбор варианта со сваями или бареттами целесообразно производить на основе технико-экономического сравнения. С технической точки зрения сваи и баретты обладают некоторыми преимуществами и недостатками, не являющимися определяющими в выборе варианта.

В инженерно-геологическом разрезе до глубины порядка 29м залегают слабые для восприятия нагрузок от .и грунты – слои моренных (ИГЭ-6) отложений и дислоцированных вендских глин. Залегающие ниже вендские отложения (ИГЭ-8…10), обладают лучшими, в сравнении с вышележащими грунтами, характеристиками. Имеющийся в кровле вендских глин слой ИГЭ-7 (дислоцированные глины), обладает характеристиками, сопоставимыми с грунтами морены, что также делает невозможным передачу нагрузок от здания на указанный слой.

Вендские отложения ИГЭ-9 и ИГЭ-10 обладают лучшими в инженерно- геологическом разрезе деформационными свойствами (Е=100…550 МПа). В тоже время применение Вендских глин в качестве основания высотного здания осложнено тем, что они обладают выраженной механической анизотропией и реологическими свойствами, а также тем, что опыт строительства на вендских глинах практически отсутствует.

В случае принятия в качестве основания свайного фундамента вендских глин ИГЭ-8….9, требуемая длина свай может составить 65…75м от дна котлована (75…85м от поверхности). Учитывая значительные нагрузки, передаваемые на каждую сваю, следует применять сваи с отношением длины к диаметру не более 30…35. В рассматриваемом случае этому отношению соответствуют сваи диаметром 2м.

Основной целью при выборе длины и положения свай в плане является обеспечение несущей способности фундамента и получение оптимальной податливости (или жесткости) свайного основания. Для снижения неравномерной осадки в плане требуется под более нагруженными частями фундамента запроектировать основание более жестким. Увеличить жесткость основания можно несколькими путями, например, снижением податливости несущих элементов (свай или баретт). Понизить податливость свай можно, увеличив длину сваи или размер её поперечного сечения. Помимо изменения длины и сечения сваи их податливость можно изменить путем сгущения или разрежения шага свай.

На рассматриваемой площадке .и  возможно применение как свайного фундамента с отметок, принятых архитекторами с учетом архитектурно-планировочных решений, так и устройство плитно-свайного фундамента (ПСФ) с устройством плиты на отметке кровли вендских или моренных отложений с устройством дополнительных подземных этажей, которые можно выполнить как эксплуатируемыми так и неэксплуатируемыми.

Определение среднего вертикального давления р под подошвой условного фундамента и проверка выполнения условия р

Для вычисления р необходимо определить площадь подошвы условного
ленточного фундамента Аусл и нагрузки, передающиеся на эту площадь от
собственного веса всех элементов, входящих в объем условного фундамента, а
также и от сооружения.

а) Площадь условного ленточного фундамента:

 –
среднее значение угла внутреннего трения грунтов, залегающих в пределах рабочей
длины сваи .

 = 1,01

б)
Объемы условного фундамента, всех входящих в него конструктивных элементов и
грунта:

условного
фундамента:

ростверка:

части
стены подвала, расположенной ниже верха условного фундамента (ниже отметки пола
подвала):

части
пола подвала (справа и слева от стены подвала):

грунта:

Объем
свай не вычитается из объема . При
подсчете веса грунта в условном фундаменте . не
учитывается увеличение его удельного веса за счет уплотнения при забивке свай.

Принимается,
чт

в)
Нагрузки от собственного веса всех составных частей условного фундамента и от
сооружения:

ростверка
и всей надростверковой конструкции, то есть всей стены подвала, включая ее
часть, расположенную выше отметки DL:

Q
= QP + Qнк = 45,6 кН;

части
пола подвала ;

свай
(1,03 сваи с рабочей длиной lсв = 3,9 м, из которых 0,1 м – в водонасыщенном
грунте):

грунта
в объеме условного фундамента:

Среднее
давление р под подошвой условного фундамента:

Вычисление
расчетного сопротивления R по формуле (7) СНиП для песка мелкой крупности,
(IV слой), залегающего под подошвой условного
фундамента.

где

;

 = 1,0
;=1

 , , ;

=1

;

м3,

.

Условие
р ≤ R выполняется: 315,74 < 967,66. Расчет осадки методами,
основанными на теории линейного деформирования грунта, правомерен, поэтому
далее производится расчет осадки методом послойного суммирования.

. Расчет конечной
(стабилизированной) осадки свайного фундамента методом послойного суммирования
для внутренней стены

Определение необходимого числа свай п в свайном фундаменте, размещение их в плане, определение ширины bp и высоты hp ростверка.

Необходимое число свай n на
один погонный метр длины ленточного фундамента определяем по формуле:

d2 –
осредненная грузовая площадь вокруг сваи, с которой передается нагрузка от
собственного веса ростверка, надростверковой конструкции и грунтовой пригрузки
на ростверке.

d = 0,35м
– сторона сваи;

h = 3,2 м –
высота ростверка и надростверковой конструкции, нагрузка от которых не вошла в
расчет при определении ;

γср = 20 кН/м3 – средний удельный вес грунта и бетона над подошвой
ростверка.

Определение
расстояния а между осями свай:

Сваи в составе фундамента должны размещаться на расстоянии, равном (3… 6)
d между их осями. Очевидно, что наиболее экономичным был бы ростверк с
однорядным расположением свай при расстоянии а между их осями, равном 3d=0,9 м.
Но, так как полученное значение а=0,45 м < 0,9 м, приходится принимать
двухрядное расположение свай, с тем, чтобы расстояние между соседними сваями
одного и другого рядов составляло 3d=0,9 м, а по длине ростверка 0,45 м. При
этом расстояние СР между рядами свай определяется из треугольника abc

Расстояние от внешней грани вертикально нагруженной сваи до края

ростверка принимается равным 0,2d + 5 см при двух рядном (d – в см), но
не менее 10 см. Исходя из этого, получаем ширину ростверка

,2d + 5см = 0,2·35 + 5 =
12см.=1,01+2·0,15+2*0,12=1,55 м.

Ширина стены подвала составляет 40 см поэтому окончательно принимается
ширина ростверка1,6м, высота 0,5 м.

Высота ростверка ленточного фундамента должна определяться из условия
продавливания его сваей. Но т.к. свая полностью расположена под стеной подвала,
то продавливание ростверка сваей исключается. Поэтому из конструктивных
соображений и практики строительства оставляем hр = 0,5м.

Полученные размеры ростверка составляют: ширина 1,6 м, высота 0,5 м.

Расчет свайного фундамента.

Расчет несущей способности свай в соответствии с нормативными документами.

Площадь сечения сваи и его форма имеет значительное влияние на несущую способность сваи. Логично предположить, что существует оптимальное сечение сваи, обладающее наибольшей несущей способностью и, в то же время, удовлетворяющее конструктивным требованиям. Общепринятым конструктивным параметром сваи является отношение её длины к диаметру. При высотном строительстве, особенно в тех случаях когда верхняя часть геологического разреза представлена слабыми грунтами отношение длины сваи к диаметру (l/d) должно составлять не менее 30.

Для анализа возможных конструкций фундамента были произведены расчеты несущей способности свай различной длины и диаметров. Были рассмотрены диаметры свай 1,8; 2,0; 2,2; 2,5 и 3,0м. Рассматривались длины свай, соответствующие заглублению нижних концов свай в слой недислоцированных вендских глин на 10…90 м (что соответствует отметкам от -40…-120 м абс.).

Расчет несущей способности сваи по существующим нормативным документам имеет ограничение, существенно влияющее на расчет в рассматриваемых инженерно-геологических условиях. Принятая в СНиП методика расчета несущей способности сваи была разработана для относительно неглубоких свай (до 30…45м от поверхности земли), что не позволяет учитывать повышение сопротивления по пяте и боковой поверхности сваи на больших глубинах. Указанная особенность видна на рис.4.1.1 –сопротивление сваи в однородном грунте с увеличением её длины не возрастает, что противоречит основополагающим законам механики грунтов.

Рассмотрев характер изменения предельного сопротивления на боковой поверхности сваи в зависимости от глубины можно отметить, в грунтах с показателем текучести равным 0,2 сопротивление линейно возрастает с глубиной, что позволяет применить линейную экстраполяцию. При этом такое допущение добавляет некоторый запас надежности – на рассматриваемой площадке механические свойства грунта с глубиной возрастают нелинейно.

Таким образом, расчет несущей способности свай путем экстраполяции приведенных в таблицах СНиП значений по глубине является теоретически обоснованным и близким к нормативной методике. С увеличением глубины заложения свай в грунте растут вертикальные и горизонтальные напряжения, что в свою очередь вызывает увеличение предельных значений трения по боковой поверхности сваи и сопротивления по пяте.

Сопоставление расчетных значений сопротивления свай по пяте с экспериментальными, полученными на площадке ОДЦ «.», показало, что экспериментальные значения близки к расчетным, полученным путем экстраполяции таблиц СНиП.

В мировой практике существует общепризнанный, однако, не вошедший в действующие нормативные документы РФ (однако отражен в рекомендациях ) способ расчета по прочностным характеристикам грунта. Его суть заключается в разбиении сваи на элементарные слои по длине, определение действующего горизонтального напряжения в каждом из элементарных слоев и последующем определении предельного сопротивления по боковой поверхности по теории Кулона-Мора. При этом к значению предельного сопротивления вводится коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности, учитывающий влияние способа производства работ.

Проектирование

Проектирование оснований и фундаментов, согласно российским нормативным документам , включает обоснованный расчетом выбор типа основания (естественное или искусственное), конструкции и размеров фундамента (мелкого или глубокого заложения). Большинство современных высотных зданий, за редким исключением, возведено на глубоких опорах, таких как сваи или баретты (сваи прямоугольного сечения). Это обусловлено тем, что применение плитного фундамента для высотного здания возможно лишь в том случае, когда прочные скальные грунты находятся на поверхности или относительно неглубоко от неё (до 20 м).

Назначение фундамента глубокого заложения в том, чтобы передавать нагрузку от верхнего строения на более плотные и малодеформируемые грунты, которые, как правило, залегают на относительно большой глубине

Важной задачей при расчете и проектировании фундаментов высотных зданий является ог­раничение величин осадки, крена и прогибов до допустимого уровня. При этом, в отсутствие нормативных предельных значений для высотных зданий, допустимый уровень указанных величин определяется в результате совместного расче­та основания, фундамента и надземной части, а также исходя из технологических требований применяемого оборудования (лифтового оборудования и др.)

Вычисление ординат эпюры дополнительного давления σzp,i

Сначала вычисляется верхняя ордината эпюры σzp,о непосредственно под подошвой
фундамента при z = 0:

кПа