«Г.Г. Болдырев М.В. Малышев МЕХАНИКА ГРУНТОВ. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ (В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ) Издание 4 е, переработанное и дополненное Пенза 2009 УДК 624.15.04(075.8) ББК 38.58я73 Б79 Рецензент – доктор технических наук, ...»

В прил. Д СП [21] приведены значения расчетного сопротивления грунта, которые определяются только по классификационным пока зателям грунта и не зависят, в отличие от выражения для R (Ф.10.19), непосредственно от прочностных характеристик грунтов. Эти услов ные значения расчетного сопротивления, часто обозначаемые R0, раз решается применять для определения предварительных размеров фун даментов или для фундаментов малоэтажных зданий при согласном напластовании грунтов основания.

Ф.10.21. Почему расчетное сопротивление грунта основания для пре рывистых фундаментов больше, чем для ленточных?

Расчетное сопротивление грунта основания при прерывистых фундаментах определяется по формуле где R расчетное сопротивление основания обычного ленточного фундамента, вычисляемое по формуле, приведенной в Ф.10.19; kd коэффициент, который зависит от вида фундаментных плит (сплошные или с вырезом), вида грунта и изменяется от 1 до 1,3. Это делается потому, что расстояние между плитами небольшое, а уже на относительно малой глубине от подошвы давление выравнивается и влияние щели исчезает.

Ф.10.22. В каких случаях допускается увеличение расчетного сопро тивления грунта?

Расчетное значение R допускается увеличивать в следующих случаях:

для фундаментных плит с угловыми вырезами на 15 %;

для прерывистых фундаментов на 15 30 %;

если конструкция фундамента улучшает условия его совместной работы с основанием;

на 20 %, если расчетные деформации основания при давлении, равном R, не превосходят 40 % от предельных значений;

для внецентренно нагруженных фундаментов на 20 % (макси мальное краевое значение).

Ф.10.23. Какие расчеты необходимо выполнить при проектировании оснований по деформациям?

Расчет оснований по деформациям включает следующие этапы:

определение нормативных и расчетных нагрузок на фундаменты;

оценку инженерно геологических и гидрогеологических условий площадки строительства;

выбор глубины заложения фундамента;

назначение предварительных размеров подошвы с использо ванием условного расчетного сопротивления грунта R0;

вычисление расчетного сопротивления R и уточнение принятого размера подошвы фундамента;

проверку прочности слабого подстилающего слоя при его наличии;

определение деформаций основания и сравнение их значений с предельными значениями.

Ф.10.24. Как определить ширину подошвы центрально нагруженного фундамента?

Для определения ширины подошвы центрально нагруженного фундамента необходимо предварительно собрать нагрузки на фун дамент и задаться глубиной его заложения.

Если нагрузка от веса надземных конструкций NII, приложенная на обрезе фундамента (рис.Ф.10.24,а), известна, то давление на основание под подошвой фундамента будет:

где G гр вес грунта обратной засыпки на обрезах фундамента; G- вес фундамента; А площадь подошвы фундамента (см.Ф.9.26).

Рис.Ф.10.24. Расчетные схемы к определению ширины подошвы фундаментов:

а – центрально нагруженный фундамент;

б – внецентренно нагруженный фундамент В практических расчетах, усредняя вес грунта и вес фундамента в объеме призмы АБВГ, давление определяют по формуле где среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его обрезах, принимаемое равным 20 кН/м3; d глубина заложения и A площадь подошвы фундамента.

Так как давление под подошвой фундамента не должно превышать расчетного сопротивления грунта, то, если принять p=R, получим формулу для определения площади подошвы фундамента:

С целью ускорения расчетов в поcледнем выражении можно предварительно заменить R на R0, определив его по таблице СП, т.е. не выполнять сначала расчетов по определению R, но после подбора A по R0 эти расчеты для R необходимо произвести повторно.

Для ленточного фундамента расчет выполняется на 1 пог.м. длины фундамента; поэтому ширину подошвы находят по формуле b=A/l.

Для фундаментов с квадратной подошвой b = A, с круглой – Ф.10.25. Как определить ширину подошвы внецентренно нагруженного фундамента?

Размеры подошвы внецентренно нагруженных фундаментов опре деляют исходя из условий:

где p среднее давление под подошвой фундамента, определяемое как ; pmax максимальное краевое давление под подошвой p = min фундамента; pmax то же, в угловой точке при действии моментов в двух направлениях; R расчетное сопротивление грунта основания.

Максимальное и минимальное давления под подошвой вне центренно нагруженного фундамента вычисляются по формуле где N суммарная вертикальная нагрузка на основание включая вес фундамента и грунта на его обрезах; А площадь подошвы фундамента;

W момент сопротивления площади подошвы фундамента.

В некоторых случаях вертикальная нагрузка может быть приложена с эксцентриситетами относительно обеих главных осей подошвы фундамента (рис.Ф.10.25). В этом случае краевые давления в угловых точках подошвы определяются из выражения где Nex и Ne y моменты сил относительно главных осей; Wx и Wy моменты сопротивления относительно главных осей.

Рис.Ф.10.25. Внецентренное нагружение фундамента В формулах для pmax, pmax расчетное сопротивление увеличено соответственно на 20 и 50 %. Это объясняется тем, что под подошвой внецентренно нагруженного фундамента давление распределяется не равномерно, а вследствие большой жесткости фундамента и податли вости грунта основания напряжения под более нагруженной частью перераспределяются.

Ф.10.26. Влияет ли наличие нагрузки на полах промышленных зданий или пригрузки вблизи сооружения на давление под подошвой фундамента?

Наличие нагрузки на полах или пригрузки на поверхности грунта (например, собственный вес складируемых строительных конструкций или вес грунтовой насыпи) учитывается следующим образом.

При наличии на полах, устраиваемых по грунту, сплошной равно мерно распределенной нагрузки интенсивностью q краевые и средние значения давлений по подошве увеличиваются на величи ну q (рис.Ф.10.26,а).

При действии местной (полосовой) равномерно распределенной нагрузки интенсивностью q в виде полосы (рис.Ф.10.26,б) средние давления на грунт под подошвой фундамента, а также краевые дав ления увеличиваются на величину kgq, где kg коэффициент изменения в толще грунта давления от нагрузки, который зависит от глубины и расстояния до рассматриваемой точки на подошве фундамента.

Рис.Ф.10.26. Учет влияния сплошной и местной пригрузки Ф.10.27. На что влияет наличие в основании слабого слоя грунта?

Существование в основании слабого слоя грунта оказывает прямое влияние на ширину подошвы фундамента и может повлиять также на выбор типа фундамента. За слабый принято считать грунт с модулем деформации E 5 МПа.

Если в пределах сжимаемой толщи основания (рис.Ф.10.27) на глубине z от подошвы фундамента залегает слой грунта меньшей прочности (2), чем прочность (1) вышележащих слоев, то размеры подошвы фундаментов должны назначаться такими, чтобы обеспечивалось условие где zp и zg вертикальные напряжения в грунте на глубине z от подошвы фундамента соответственно дополнительное от нагрузки на фундамент и от собственного веса грунта; Rz расчетное сопро тивление грунта на глубине z, определенное по формуле, приведенной в п.Ф.10.19 для условного фундамента шириной bz, равной:

где Az = фундамента; l и b длина и ширина фундамента соответственно.

Для ленточного фундамента bz = том случае, если условие п.Ф.10.27 не удовлетворяется, необходимо увеличить принятую ширину фундамента. Если условие будет выполняться при ширине фундамента более 3 м, следует рассмотреть другой вариант фундамента, например, приняв свайный с прорезкой слабого слоя грунта сваями.

Рис.Ф.10.27. Проверка прочности слабого слоя грунта Ф.10.28. Какие основные конструктивные мероприятия уменьшают влияние неравномерных осадок сооружения?

Если при проектировании не удается устранить неравномерные деформации, то их возможное возникновение может быть значительно снижено введением специальных конструктивных мероприятий:

1. Строительный подъем сооружения. При больших ожидаемых осадках сооружения его фундаменты устраивают выше на расчетную величину осадки (рис.Ф.10.28,а).

2. Увеличение гибкости сооружения. Если здание протяженное в пла не или сложное по конфигурации, то, разрезав его на отдельные пря моугольные секции с помощью осадочных швов, можно добиться почти равномерной осадки отдельных секций здания (рис.Ф.10.28,б,в,г).

Рис.Ф.10.28. Мероприятия, уменьшающие неравномерность осадок:

а – устройство строительного подъема; б,в,г – введение осадочных швов;

д – конструкция осадочного шва; е – перекрытия подвески в каркасном здании:

1 – деформационный шов; 2 – участок здания первого года возведения;

3 – участок здания второго года возведения; 4 – упругая прокладка;

5 – перекрытия подвески.

Размещение поясов армирования:

ж – по высоте стены; з – деталь железобетонного пояса; и – деталь армированного шва; к – армирование сборного фундамента:

1 – пояса в стене; 2 – пояса в фундаменте Осадочные швы разрезают здание по высоте снизу доверху, при необходимости с их помощью можно разрезать и фундаменты. В кир пичных стенах осадочные швы заполняются легкосжимаемым мате риалом. Ширина шва определяется расчетом в зависимости от ожи даемого крена соседних фундаментов.

В зданиях каркасного типа осадочный шов устраивают с помощью шарнирных "подвесок" (рис.Ф.10.28,е), которые допускают вертикаль ное и горизонтальное смещения одного отсека относительно другого.

Таким образом, роль осадочного шва выполняет целый пролет здания.

В местах устройства осадочных швов обычно делаются парные стены или колонны.

Расстояние между осадочными швами назначается по расчету конструкции на изгиб и ориентировочно принимается равным для жилых, гражданских и промышленных многоэтажных зданий 20 40 м, а для промышленных одноэтажных зданий 40 80 м.

3. Повышение прочности и пространственной жесткости зданий и сооружений. При возникновении неравномерных осадок в надземных конструкциях возникают дополнительные усилия растяжения, что приводит к образованию трещин не только в кирпичных стенах, но и в железобетонных элементах.

С целью увеличения прочности стен к растягивающим усилиям и общей жесткости зданий устраиваются железобетонные пояса и армированные швы (рис.Ф.10.28, ж к). В кирпичных стенах пояса армирования устраивают по верху фундаментных подушек, а также верхнему обрезу фундаментов и в уровне перекрытий. Над оконными и дверными проемами вводятся армированные швы из арматуры диаметром 8 10 мм. Пояса должны быть непрерывными по всем несущим стенам в пределах здания или секции, отрезанной оса дочными швами. Пояса армируются изгибаемой в нижней и верхней зонах арматурой диаметром 16 18 мм. Толщина пояса назначается конструктивно 200 300 мм.

4. Применение фундаментов, выравнивающих неравномерные осадки основания. Если расчетная разность осадок соседних фун даментов оказывается недопустимой и введение поясов армирования не увеличивает прочности здания, то в качестве фундаментов при меняются сплошные железобетонные плиты или фундаменты из пе рекрестных лент. Эти фундаменты перераспределяют контактные давления на грунт основания и, вследствие большой жесткости, "гасят" растягивающие усилия в своей конструкции. В некоторых случаях даже при равномерной осадке, вызванной прогибом железобетонной плиты, в кирпичных стенах возникают растягивающие усилия. В этом случае в несущих стенах также устраиваются пояса армирования.

Ф.10.29. Какие особые конструктивные решения могут быть приняты при строительстве разноэтажных зданий с пристройками?

Необходимость особых конструктивных решений вызываются тем, что при строительстве разноэтажных зданий с малоэтажными при стройками вследствие различных нагрузок на основание под фунда ментами высокой и низкой частей зданий возникают неравномерные осадки (рис.Ф.10.29,а).

Введение осадочного шва (рис.Ф.10.29,б) не дает ожидаемого эффекта вследствие крена в сторону более тяжелой части здания.

Наиболее эффективным решением является введение шпунта между частями здания (рис.Ф.10.29,в). Шпунт служит "экраном" и не до пускает наложения напряжений в основании от соседних фундаментов.

В некоторых случаях торцевые стены пристроек возводят на консолях, выпущенных из несущих конструкций и фундаментов при стройки (рис.Ф.10.29,г).

Рис.Ф.10.29. Схемы деформаций основания и конструкция осадочного шва (начало):

а – без осадочного шва; б – с осадочным швом;

Рис.Ф.10.29. Схемы деформаций основания и конструкция осадочного шва (окончание):

г – с устройством консолей:

1 – фундаментная плита тяжелой части здания; 2 – фундамент примыкающей стены; 3 – консоли; 4 – воздушные зазоры;

5 – осадочный шов Ф.11. РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ

ПО НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Ф.11.1. Для чего выполняется расчет по несущей способности?

Расчет оснований по несущей способности выполняется с целью проверки прочности и устойчивости основания от действия расчетных нагрузок. Потеря устойчивости основания может сопровождаться как поворотом фундамента, так и сдвигом по подошве и даже его опрокидыванием (рис.Ф.11.1,а,б,в), что недопустимо из условий работы надземных конструкций.

Рис.Ф.11.1. Возможные схемы потери устойчивости а – осадка фундамента с поворотом; б – осадка фундамента с поворотом и смещением; в – сдвиг фундамента по подошве Ф.11.2. Какие причины вызывают потерю основанием устойчивости?

Потеря основанием устойчивости наступает при исчерпании проч ности грунта основания в массиве, окружающем фундамент. Матема тически это характеризуется выполнением условия прочности Мо ра – Кулона, а физически выпором грунта на поверхность основания.

Ф.11.3. В чем сущность расчета по несущей способности?

Расчет оснований по несущей способности заключается в огра ничении величины внешней нагрузки согласно условию где F расчетная нагрузка на основание; Fu предельное сопро тивление основания; c коэффициент условий работы, который в зависимости от вида грунта изменяется от 0,8 до 1,0; n коэффициент надежности, зависящий от вида здания или сооружения. Силы F и Fu имеют одинаковое направление действия.

Ф.11.4. Как определяется предельное сопротивление скального основания?

Вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания, сложенного скальными грунтами, вычисляется по формуле где Rc расчетное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта; b и l соответственно приведенные ширина и длина фундамента (см.Ф.10.14).

Основания ленточных фундаментов проверяются на устойчивость только в направлении короткой стороны (ширины) фундамента, а прямоугольного, квадратного и круглого в направлении действия момента.

Приведенные размеры подошвы фундамента при внецентренном нагружении определяются из условия, что равнодействующая давлений по подошве приложена в центре тяжести площади подошвы. Подошва фундамента сложного очертания должна при этом приводиться к эквивалентной по площади подошве фундамента прямоугольной формы. Для круглого фундамента эквивалентной формой будет квадрат, а приведенной прямоугольник (рис.Ф.11.4).

Рис.Ф.11.4. Схемы для определения приведенных размеров подошвы фундамента:

а – прямоугольного; б – круглого Ф.11.5. Как определяется сила предельного сопротивления не скальных оснований?

Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания, сложенного нескальными грунтами в стабилизированном состоянии Nu, определяют, если фундамент имеет плоскую подошву и грунты основания ниже подошвы однородны до глубины не менее ее ширины, а в случае различной вертикальной пригрузки с разных сторон фундамента (рис.Ф.11.5) интенсивность большей из них не превышает 0,5R, по формуле где b и l приведенные ширина и длина фундамента (см. рис.Ф.11.5);

N, Nq, Nc безразмерные коэффициенты несущей способности, опре деляемые в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта и угла наклона к вертикали равнодействующей внешней нагрузки на основание в уровне подошвы фундамента; I и I расчетные значения удельного веса грунтов, находящихся в пределах возможной призмы выпирания соответственно ниже и выше подошвы фундамента; cI расчетное значение удельного сцепления грунта; d глубина заложения фундамента (в случае неодинаковой вертикальной пригрузки с разных сторон фундамента принимается значение d, соответствующее наименьшей пригрузке);, q, c коэффициенты формы фундамента, определяемые по формулам:

здесь = ; l и b соответственно длина и ширина подошвы фунда мента, принимаемые в случае внецентренного приложения равно действующей нагрузки равными приведенным значениям l и b.

Рис.Ф.11.5. Определение предельного сопротивления грунта основания:

а – схема нагружения фундамента; б – расчетная схема Ф.11.6. Влияет ли угол наклона внешней нагрузки на выбор метода расчета несущей способности основания?

Угол наклона к вертикали равнодействующей внешней нагрузки на основание определяется из условия где Fh и Fv соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие внешней нагрузки на основание F в уровне подошвы фундамента.

Расчет основания по несущей способности по формуле, приведен ной в Ф.11.5 допускается производить, если соблюдается условие Если это условие не соблюдается, то расчет следует выполнять с учетом сдвига фундамента по подошве, т.е. использовать иное решение.

Ф.11.7. Как производится расчет фундамента на сдвиг по его подошве?

Расчет фундамента на сдвиг по подошве производится исходя из условия где F.a и Fs.r суммы проекций на плоскость скольжения со ответственно расчетных сдвигающих и удерживающих сил, опре деляемых с учетом активного и пассивного давления грунта на боковые грани фундамента; c и n то же, что и в формуле (Ф.11.3).

Сумма удерживающих сил определяется из выражения а сумма сдвигающихся сил равна:

где Fv нормальная к плоскости скольжения составляющая расчетной нагрузки на фундамент (рис.Ф.11.7); U гидростатическое противо давление (при уровне грунтовых вод выше подошвы фундамента); A площадь подошвы фундамента; Fh касательная к плоскости скольжения составляющая нагрузки на фундамент; Ep и Ea равно действующие пассивного и активного давлений грунта.

Рис.Ф.11.7. Схема к расчету фундамента на сдвиг по подошве:

1 – поверхность сдвига; 2 – направление выпора грунта Равнодействующая пассивного давления грунта на вертикальную грань фундамента составляет:

Равнодействующая активного давления где d2 глубина заложения фундамента со стороны возможного выпора грунта; p коэффициент пассивного давления грунта, d1 глубина заложения фундамента со стороны, противоположной возможному выпору грунта вверх; a коэффициент активного давления грунта, Величины приведенных высот за счет влияния сцепления в грунте В ряде случаев для большей безопасности в формуле для пассивного давления hcp не учитывается, т.е. считается, что hcp =0.

Ф.11.8*. Имеются ли различия в расчете несущей способности ос нований фундаментов с горизонтальной и наклонной подошвами?

Фундаменты с наклонной подошвой применяются вместо фун даментов с горизонтальной подошвой в тех случаях, когда для последних не выполняется второе условие, приведенное в Ф.11.6.

При определении предельного сопротивления основания фунда ментов с наклонной подошвой используется формула (Ф.11.5), но вхо дящие в формулу коэффициенты N, Nq, Nc определяются с учетом угла наклона подошвы фундамента к горизонту.

Ф.11.9. В каких случаях применяются графоаналитические методы расчета несущей способности основания?

Графоаналитические методы расчета несущей способности при меняются в тех случаях, когда отсутствуют аналитические решения.

Одним из таких методов является метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

Этот метод используется в случаях, если:

основание сложено неоднородными грунтами;

пригрузка со стороны, противоположной возможному выпору грунта основания, больше 0,5R;

фундаменты расположены на откосе, вблизи откоса или под откосом.

Ф.11.10. В чем различие методов расчета несущей способности одно родного и многослойного оснований?

Расчет несущей способности однородных оснований выполняется с использованием аналитических решений по формуле, приведенной в п.Ф.11.5. Во всех других случаях, в том числе и для многослойных оснований, используются инженерные методы расчета, одним из ко торых является метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

Метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения при меняется только для случаев наклонной равнодействующей нагрузки на фундаменты или при центральной нагрузке, но с расположением фундамента на откосе.

Ф.11.11*. Как определить несущую способность двухслойного осно вания?

Если на фундамент действует вертикальная нагрузка, а основание сложено двумя слоями с согласным напластованием, то определять несущую способность рекомендуется следующим образом.

При расчете двухслойного основания (рис.Ф.11.11) сила пре дельного сопротивления основания ленточного фундамента опре деляется по формуле где N1,2 коэффициент несущей способности, зависящий от H/b и I.

Рис.Ф.11.11. К расчету несущей способности двухслойного основания

Ф.12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБКИХ ФУНДАМЕНТОВ

Ф.12.1. Как можно подразделить сооружения по жесткости?

Условно здания и сооружения подразделяются на абсолютно жесткие, конечной жесткости и гибкие. Гибкие сооружения, передавая нагрузку на основания, следуют за осадкой, которая может быть различной в разных точках основания. При таком деформировании в них не возникает практически никаких дополнительных усилий и разрушений. Как правило, конструкции таких зданий имеют стати чески определимую схему. Подавляющее число зданий обладает конеч ной жесткостью. Для них приходится регламентировать не только величины осадок, но и их неравномерность, потому что неравномер ность осадок вызывает появление дополнительных усилий в конструк циях, которые могут нарушить прочность последних. Абсолютно жесткие сооружения при деформациях здания не изгибаются, а дают осадку как единый массив, и плоская подошва сооружения после деформации основания остается плоской, но возможны лишь верти кальные оседания и наклон сооружений.

Ф.12.2. Каким образом можно учесть совместную работу сооружения и его основания?

Совместную работу основания и сооружения, обладающего конеч ной жесткостью, можно учесть, используя схему с упругооседающими опорами. В "абсолютно" гибких сооружениях нагрузки, передающиеся основанию, считаются неизменными при деформировании основания, и совместная работа основания и сооружения оценивается лишь предельными значениями средних осадок и их неравномерности (относительной разности). Для абсолютно жестких сооружений регламентируются их осадка и крен.

При расчете сооружений конечной жесткости учитывается не только жесткость фундамента, но и всего сооружения в целом.

Ф.12.3. В чем отличие гибких фундаментов от жестких?

К категории жестких относятся фундаменты, которые вследствие своих конструктивных особенностей практически не изгибаются под действием внешних нагрузок. Принимается, что реактивное давление по подошве жестких фундаментов определяется без учета их изгиба и изменяется по линейному закону (рис.Ф.12.3,а) как по длине, так и по ширине фундамента.

Гибкие фундаменты обладают способностью изгибаться в одном или обоих направлениях подошвы. Реактивные давления по подошве определяются исходя из совместной работы фундамента и основания и зависят от прогиба фундамента (рис.Ф.12.3,б).

Рис.Ф.12.3. Распределение реактивных давлений по подошве фундаментов:

а – жесткие фундаменты; б – гибкие фундаменты Ф.12.4. Какие типы фундаментов относятся к категории гибких?

К гибким могут быть отнесены фундаменты, у которых отношение высоты к их длине составляет менее 1/3. Такими фундаментами являются:

ленточные фундаменты под колонны гражданских и промыш ленных зданий (см.рис.Ф.9.12,е);

сплошные железобетонные плиты высотных зданий, элеваторов, градирен, атомных и тепловых электростанций (рис.Ф.9.12,о,р);

фундаменты из перекрестных лент (рис.Ф.9.12,ж);

коробчатые фундаменты (рис.Ф.9.12,н);

кольцевые фундаменты дымовых труб (рис.Ф.9.12,п).

Ф.12.5. Как определяются предварительные размеры гибких фунда ментов?

Предварительные размеры фундаментов в плане и по высоте находят как для жесткой фундаментной балки шириной b = 1 м и дли ной 2l исходя из линейного распределения реактивных давлений по подошве фундамента (рис.Ф.12.5).

где N сумма всех вертикальных нагрузок на фундамент; A площадь подошвы фундамента; M момент всех сил относительно центра тяжести подошвы фундамента.

Рис.Ф.12.5. Схема для определения изгибающих При расчете гибких фундаментов теория местных упругих деформаций, основанная на гипотезе Винклера – Циммермана;

теория общих упругих деформаций, основанная на гипотезе упругого полупространства.

Теория местных упругих деформаций основана на гипотезе прямой пропорциональности между давлением и местной осадкой:

где s упругая осадка грунта в месте приложения давления интенсивностью p в рассматриваемой точке; ks коэффициент упру гости основания, именуемый "коэффициентом постели".

Из приведенного выражения следует, что осадка поверхности основания возникает только в месте приложения давления p; и поэтому модель грунта можно представить в виде совокупности отдельно стоящих пружин (рис.Ф.12.6,а).

В действительности на реальном грунтовом основании поверхность понижается и за пределами нагруженного участка (рис.Ф.12.6,б), образуя упругую лунку. Кроме того, коэффициент постели не учитывает размеров подошвы фундамента и не является постоянной величиной для данного грунта. Как показали исследования, данная гипотеза дает достаточно достоверные результаты для слабых грунтовых оснований.

Рис.Ф.12.6. Деформация поверхности грунта основания:

а – по теории местных упругих деформаций;

б – по теории общих упругих деформаций Теория общих упругих деформаций основана на гипотезе упругого полупространства, согласно которой основание работает как сплошная однородная упругая среда, ограниченная сверху плоскостью и бес конечно простирающаяся вниз и в стороны. Деформационные свойст ва упругой среды характеризуются величиной модуля деформации, который не зависит от величины нагрузки под подошвой фундамента, в отличие от коэффициента постели. При нагружении такого упругого основания деформации имеют место не только в месте приложения нагрузки, но и за ее пределами (рис.Ф.12.6,б), что и наблюдается под реальными фундаментами.

Деформация упругого основания по теории общих упругих деформаций определяется с использованием решений теории упругости.

Ф.12.7. Влияет ли конструкция фундамента на использование име ющихся решений теории упругости для определения деформации поверх ности основания?

Все конструкции фундаментов условно можно разделить на три группы по характеру напряженно деформированного состояния грунта в их основании:

1. Фундаментные балки, имеющие достаточно большую длину и нагрузку, которая не изменяется от сечения к сечению. Основание под такими фундаментами находится в условиях плоской деформации, так как если вырезать полосу шириной b (рис.Ф.12.7,а) в поперечном направлении, то грунт основания будет находится в аналогичных условиях с любой соседней подобной полосой. Все деформации грунта основания возникают только в плоскости приведенной схемы.

2. Фундаменты дымовых труб, газгольдеров, градирен, имеющие круглое очертание в плане, передают на основание нагрузки, которые вызывают осесимметричное напряженно деформированное состояние в грунте основания (рис.Ф.12.7,б).

Рис.Ф.12.7. Условия работы грунта основания:

а – плоская деформация; б – осесимметричная деформация;

в,г – пространственная деформация 3. Конструкции фундаментов, в основании которых грунт нахо дится в условиях пространственного напряженно деформированного состояния. Такие фундаменты применяются в большинстве случаев в конструкциях элеваторов, атомных и тепловых электростанций и представляют собой прямоугольные или квадратные плиты. Деформа ции грунта основания различны по всем трем направлениям (рис.Ф.12.7,в,г).

Исходными уравнениями деформаций основания в теории общих упругих деформаций являются:

– для случая плоской деформации решение Фламана – для случая пространственной и осесимметричной деформации ре шение Буссинеска где s осадка упругой полуплоскости или упругого полупространства;

P сосредоточенная сила для случая пространственной деформации;

p погонная полосовая нагрузка для условий плоской деформации;

коэффициент деформируемости полупространства; R, x расстояния до рассматриваемой точки ограничивающей плоскости;

D постоянная интегрирования.

Ф.12.8. Какую последовательность имеют расчеты фундаментов на основе теории местных упругих деформаций?

При расчете фундамента, выполняемом исходя из его совместной работы с упругим основанием, фундамент рассматривается как балка на упругом основании, изгибающаяся под действием приложенных внешних нагрузок. При расчете ленточных фундаментов ширина балки принимается равной ширине фундамента. При расчете плитных фундаментов обычно используют приближенный прием, который основан на замене плиты рядом как бы перекрещивающихся балок шириной b = 1 м.

Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки имеет вид где EI жесткость балки; s прогиб балки в точке с координа той х; px реактивное давление в той же точке.

Учитывая то, что, по гипотезе местных упругих деформа ций, p = ks s, получают:

Это и есть известное дифференциальное уравнение изгиба балок на упругом основании по теории местных упругих деформаций. Решение этого уравнения имеет вид где х координата по длине балки; s прогиб балки в точке с координатой х;

здесь b ширина фундаментной балки.

Для каждого вида нагрузки определяют значения постоянных интегрирования C1 – C4. После этого, имея эпюру реактивных давлений px(x), находят эпюры изгибающих моментов M и поперечных сил Q.

Если полученные значения M и Q потребуют существенного изменения жесткости, расчет повторяют.

Расчеты фундаментных балок выполняют вручную по таблицам или с использованием персональных ЭВМ. Можно выбрать коэффициент постели ks изменяющимся по длине балки, то есть считать ks = ks(x).

Ф.12.9. Как рассчитываются гибкие фундаменты с использованием теории общих упругих деформаций?

В этом случае также используется дифференциальное уравнение изогнутой оси балки, но прогиб балки определяется с использованием выражений из Ф.12.7 как для упругого полупространства. При этом упругое полупространство заменяется линейно деформируемым полу пространством, деформационные свойства которого характеризуются модулем общей деформации и коэффициентом Пуассона.

Решения уравнения для линейно деформируемого полупростран ства приводятся у Б.Н.Жемочкина, М.И.Горбунова Посадова [25] и др.

Имеются детальные таблицы [13].

Решая дифференциальное уравнение изогнутой оси балки для ленточных фундаментов и для плитных фундаментов, находят реак тивное давление грунта под подошвой фундаментов, а по нему – изгибающие моменты и поперечные силы. После этого по известным значениям M и Q уточняют сечение фундамента и проектируют его армирование.

Ф.12.10. Как конструируются гибкие фундаменты?

Выбор конструкции фундамента производится с учетом кон структивной схемы здания, величины и характера распределения нагрузок в плане, несущей способности и деформативности основания, технико экономического сравнения возможных вариантов проектного решения.

Ленточные фундаменты под колонны устраиваются в виде оди нарных или перекрестных лент. Плитные фундаменты выполняются под всем сооружением.

Основными конструктивными типами являются безбалочная плита с опиранием колонн на сборные стаканы (см. рис.Ф.9.22,а), без балочная плита с монолитным стаканом (см. рис.Ф.9.22,б), ребристая плита (см. рис.Ф.9.22,в), плита коробчатого сечения (см. рис.Ф.9.22,г).

Рис.Ф.12.10. Плитные фундаменты – план фундаментной плиты жилого дома:

а – план плиты; б – план раскладки сеток первого слоя нижней зоны и второго слоя верхней зоны; в – план раскладки сеток второго слоя нижней зоны и первого слоя верхней зоны; г – сечение:

1 – унифицированные сетки вдоль буквенных осей; 2 – унифицированные сетки вдоль цифровых осей; 3 – унифицированные сетки укороченные Фундаменты выполняются из монолитного железобетона класса не ниже В15 с обязательным устройством бетонной подготовки толщиной не менее 100 мм. При глинистом основании необходимо делать песчаную или гравийно песчаную подсыпку под бетонную подготовку.

Армирование фундаментов производится в двух зонах: нижней и верхней (рис.Ф.12.10,а г). Каждая зона должна иметь рабочую арма туру в двух направлениях. Рабочую арматуру применяют класса А III, монтажную – класса А 1.

Расположение арматуры в плане фундамента назначается в соот ветствии с огибающими эпюрами изгибающих моментов, построен ными в направлении по длине и ширине фундамента по результатам статических расчетов.

На рис.Ф.12.10,а г приведен также фрагмент рабочего чертежа безбалочной плиты с опиранием колонн на сборные стаканы.

Ф 12.11. Какие программы можно использовать для расчета гибких фундаментов на основе теории местных упругих деформаций?

В первую очередь это российские программы ЛИРА (www.rflira.ru) и SCAD Structure (www.scadgroup.com), а также программные пакеты зарубежного производства ADAPT (www.adaptsoft.com), Mat3d (www.Dimsoln.com), GGU SLAB (www.ggusoftware.com) и др.

Ф 12.12. Какие программы можно использовать для расчета осадки оснований на основе теории общих упругих деформаций?

Большинство известных программ, использующих для расчетов метод конечных элементов, позволяет выполнить расчет деформации основания, представляя его в виде линейно деформируемого полупро странства. Решения в линейно упругой и нелинейной постановке дают следуюшие программы:

(www.ansys.com), Plaxis (www.plaxis.com), CivilFEM (www.civilfem.com), Crisp (www.sage usa.com), Flac (www.flac.sourceforge.net), Z Soil (www.zace.com) и др.

Ф.13. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ

ОСНОВАНИЙ АНКЕРНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

Ф.13.1. В каких случаях применяются анкерные фундаменты?

Анкерные фундаменты применяются в тех случаях, когда су ществует необходимость закрепления в грунтовом массиве соору жений, подверженных выдергивающим усилиям.

Подобные условия возникают при строительстве линий электропе редачи (рис.Ф.13.1,а), радиорелейных мачт (рис.Ф.13.1,б), спортивных со оружений или ангаров с консольным покрытием (рис.Ф.13.1,в), подпорных стен и причальных стенок (рис.Ф.13.1,г), подземных гаражей (рис.Ф.13.1,д), тоннелей (рис.Ф.13.1,е), креплении свободностоящих откосов грунта (рис.Ф.13.1,ж), закреплении сооружений от всплытия (рис.Ф.13.1,з), дымо вых труб (рис.Ф.13.1,к), устройстве подпорных армированных стен (рис.Ф.13.1,л) и др.

Рис.Ф.13.1. Примеры применения анкерных фундаментов (начало):

Рис.Ф.13.1. Примеры применения анкерных фундаментов (окончание):

г,д,е,ж – инъекционные анкеры; з,к – цилиндрические анкеры или винтовые сваи; л – подпорная стена Ф.13.2. Какие конструкции анкерных фундаментов применяются в строительстве?

Конструктивно анкерные фундаменты подразделяются на массивные столбчатые фундаменты (рис.Ф.13.2,а), грибовидные фундаменты (рис.Ф.13.2,б), анкерные плиты (рис.Ф.13.2,в), инъекционные анкеры (рис.Ф.13.2,г,д,е,ж,з), винтовые сваи (рис.Ф.13.2,и), забивные железобе тонные или металлические сваи, фундаменты в виде закладных плит.

Массивные фундаменты применяются в качестве фундаментов под газоотводящие дымовые трубы и не получили широкого распро странения в строительной практике. Фундаменты выполняются ступен чатыми с массой до 3 т из монолитного железобетона непосредственно на строительной площадке.

Грибовидные фундаменты представляют собой горизонтальные плиты с вертикальной или наклонной стойкой и служат фундаментами под опоры воздушных линий электропередач. Фундаментами свободно стоящих опор являются грибовидные подножники, а фундаментами опор на оттяжках грибовидные подножники и анкерные плиты.

Рис.Ф.13.2. Конструкции анкерных фундаментов:

а – массивный фундамент; б – грибовидный фундамент; в – анкер ная плита; г,д,е,ж,з – инъекционные анкеры; и – винтовая свая:

1 – теряемый башмак; 2 – цементно песчаная заделка; 3 – металли ческая тяга; 4 – изолирующая оболочка; 5 – оголовок; 6 – замок;

7 – инъекционная труба; 8 – обойма; 9 – фиксатор; 10 – манжетная Ф.13.3. Каким образом анкерные плиты передают на грунт основания выдергивающие нагрузки?

В зависимости от конструкции опоры анкерные плиты воспри нимают и передают на грунт основания как вертикальные, так и наклонные выдергивающие нагрузки (см.рис.Ф.13.2,а,б).

При строительстве причальных стенок анкерные плиты закла дываются в грунт вертикально, а при сооружении линий электро передачи горизонтально или наклонно к поверхности основания.

Нагрузка прикладывается перпендикулярно или наклонно по отношению к плоскости анкерной плиты. Обычно угол наклона тяжа к вертикали изменяется в пределах от 0 до 60°.

Инъекционный анкер представляет собой предварительно напря женную конструкцию в виде металлической тяги, выполненной из высокопрочной стали, и зоны заделки из цементно песчаного рас твора. По способу взаимодействия с грунтом различают два типа предварительно напряженных анкеров: первый анкеры, у которых после установки обсадной трубы диаметром 8 14 см и введения ан керной тяги осуществляется заполнение обсадной трубы цементной суспензией (см.рис.Ф.13.2, а,ж,з), в то время как обсадная труба из влекается по участкам; второй анкеры, у которых только часть скважины заполняется цементным раствором (см. рис.Ф.13.2, г,е), в то время как буровая скважина на свободной длине тяги не заполняется вовсе или заполняется нетвердеющей массой.

Для создания высококачественной зоны заделки в анкерах приме няют цементный раствор, приготовленный из портландцемента марки М400 и выше, воды и пластифицирующих добавок. В качестве напря гаемого элемента (тяги) используют одиночные арматурные стержни классов Ат IV, А IV и пучки отдельных проволок классов В II, Вр II или прядей.

Внешняя нагрузка передается на голову (верхнюю часть) анкера и далее через стальной тяж на заполненную цементным раствором зону, которая называется рабочим телом анкера.

Предварительно напряженные анкеры с углом наклона к вертикали от 0 до 60° можно применять в различных грунтах, за исключением торфа, ила, глин текучей консистенции, набухающих и просадочных грунтов. В песчаных грунтах иногда используются анкеры, погружа емые в грунт вибрацией. Конструктивно анкер представляет собой тягу из стержневой арматуры с уширенным башмаком на нижнем конце.

Практика применения показывает, что инъекционные анкеры целесообразно использовать для восприятия динамических нагрузок от действия ветра, так как они имеют более устойчивый характер работы.

Однако, если анкеры подвержены знакопеременным нагрузкам, лучше использовать цилиндрические анкеры или винтовые сваи. Например, анкеры применяются для закрепления от всплытия нефтяных резервуаров (см.рис.Ф.13.1,а), погруженных в грунт при высоком уровне грунтовой воды. Когда резервуар пустой, анкеры должны воспринимать выдергивающие нагрузки, соответствующие выталки вающим усилиям. С другой стороны, когда резервуар загружен, такие анкеры воспринимают сжимающие нагрузки, которые невозможно передать на более прочный грунт, применяя инъекционные анкеры со свободной длиной.

Ф.13.4.* Как влияет глубина заложения анкерных плит на характер деформации основания?

Характер деформации основания анкерных плит зависит не только от глубины их заложения, но и от наклона анкерной плиты к го ризонту, а также вида грунта основания.

В зависимости от относительной глубины заложения d/b различают анкерные плиты мелкого, глубокого и промежуточного заложения.

При 1< d/b < 3 анкерные плиты относятся к категории мелкого зало жения. При d/b>6 мы имеем анкерные плиты глубокого заложения, а при 3 d/b 6 промежуточного заложения.

Приведенная классификация основана на выявленном экспери ментально различном характере деформирования песчаного и глинис того оснований.

На рис.Ф.13.4 показаны основные случаи предельно напряженного состояния песчаного основания, которые в зависимости от относи тельной глубины заложения подразделяются следующим образом:

Случай а. Характерен для анкерных плит и вырываемых гри бовидных фундаментов мелкого заложения при 1< d/b 6; в отличие от фундаментов мелкого заложения в данном случае разрушение основания не связано с выпиранием грунта на поверхность основания, а характеризуется внутренним выпором.

Случай г (рис.Ф.13.4,г) является переходным от анкерных фун даментов мелкого заложения к анкерным фундаментам глубокого заложения; разрушение песчаного основания сопровождается выпором грунта на поверхность и в область под фундаментом.

Рис.Ф.13.4. Характер деформации плотного песка в момент выпора грунта основания анкерами:

а – горизонтальными мелкого заложения; б – наклонными мелкого заложения; в – глубокого заложения; г – при пе реходе от мелкого заложения к глубокому:

1 – уплотненная область грунта; 2 – упругое грунтовое ядро;

3 – область предельно напряженного состояния грунта;

4 – линия скольжения В глинистых грунтах характер деформации основания практически не зависит от относительной глубины заложения, угла наклона опор ной плиты и совпадает со случаем а.

Характер деформации основания инъекционных анкеров не зави сит от относительной глубины заложения и похож на случай а с тем лишь различием, что линии скольжения не доходят до поверхности основания.

Ф.13.5. Как рассчитываются основания анкерных фундаментов по деформациям?

В отличие от обычных фундаментов, передающих на основание сжимающие нагрузки, расчет оснований анкерных фундаментов по деформациям заключается не в определении расчетной осадки, а в ограничении давления на грунт обратной засыпки. Это объясняется отсутствием аналитических решений по определению деформаций от нагрузки, приложенной внутри линейно деформируемого полупро странства, что связано со сложностью решения задачи.

Поэтому в СП [22] расчет деформаций оснований грибовидных фундаментов и анкерных плит рекомендуется не выполнять, если соблюдается условие где Fn нормативное значение выдергивающей силы; Gn нормативное значение веса фундамента; угол наклона выдергивающей силы к вертикали; c коэффициент условий работы; R0 расчетное сопротивление грунта обратной засыпки; A0 площадь проекции верхней поверхности фундамента на плоскость, перпендикулярную линии действия выдергивающей нагрузки.

Расчет деформаций оснований инъекционных анкеров выпол няется с использованием численных методов расчета на ЭВМ, позволяющих также определить перемещение грибовидных анкеров и анкерных плит.

Ф.13.6.* Как определить несущую способность анкерных плит и грибовидных фундаментов?

Анкерные плиты и грибовидные фундаменты относятся к кате гории анкерных фундаментов мелкого заложения. Поэтому расчет оснований данных анкерных фундаментов производится исходя из предположения выпора грунта на поверхность основания.

Расчет оснований по несущей способности при действии на фун дамент линий электропередачи выдергивающей нагрузки производится исходя из условия где F расчетное значение выдергивающей силы; f коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 0,9; Gn нормативное значение веса фундамента; угол наклона выдергивающей силы к вертикали (рис.Ф.13.6); c коэффициент условий работы, принимаемый равным единице; Fn.q сила предельного сопротивления основания выдергиваемого фундамента; n коэффициент надежности по назначению, который зависит от типа опор воздушных линий электропередачи.

Силу предельного сопротивления основания выдергиваемого фун дамента определяют по формуле где bf расчетное значение удельного веса грунта обратной засыпки;

Vbf объем тела выпирания в форме усеченной пирамиды, образуемой плоскостями, проходящими через кромки верхней поверхности фунда мента (плиты) и наклоненными к вертикали под углами, равными: у нижней кромки 1 = I + ; у верхней кромки 2 = I ; у боковых кромок 3 = 4 = I ; Vf объем части фун дамента, находящейся в пределах тела выпирания; для анкерных плит при Рис.Ф.13.6. Схема для расчета нимается Vf=0; A1, A2, A3, площади плит по устойчивости граней призмы выпирания, имеющих в основании соответственно нижнюю, верхнюю и боковые кромки верхней поверхности фундамента (плиты); cI и I расчетные значения удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта обратной засыпки.

Ф.13.7.* Как определить несущую способность анкерных фунда ментов глубокого заложения?

К анкерным фундаментам глубокого заложения относятся вин товые сваи и инъекционные анкеры. Расчет оснований этих анкерных фундаментов по несущей способности производится исходя из различных предположений.

Предельное сопротивление грунта основания винтовых свай определяется суммой сил сопротивления грунта над лопастью и сил сдвига по боковой поверхности ствола сваи (рис.Ф.13.7).

В отличие от винтовых свай предельное сопротивление грунта основания инъекционного анкера определяется суммой сил сопротив ления сдвигу по боковой поверхности рабочего тела анкера и сил сопротивления по его торцевой части (рис.Ф.13.7,б). При этом решающее влияние на сопротивление выдергивания инъекционных анкеров оказывает сопротивление по боковой поверхности заделки анкера, а у винтовых свай сопротивление выдергиванию лопасти.

Сила предельного сопротивления грунта основания винтового анкера определяется по формуле Л.Г.Мариупольского где G1 собственный вес анкера; k отношение предельного давления анкерной плиты на грунт к напряжениям от собственного веса грунта;

d глубина заложения анкера; удельный вес грунта; R радиус лопасти анкера; r радиус ствола анкера; f расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности ствола анкера; l длина ствола анкера.

Рис.Ф.13.7. Схемы к расчету фундаментов глубокого заложения:

а – винтовая свая; б – инъекционный анкер Сила предельного сопротивления инъекционного анкера опреде ляется по формуле где c коэффициент условий работы грунта; 0 коэффициент условий работы анкера в грунте; R радиус зоны заделки анкера;

r радиус скважины при устройстве анкера; f расчетное со противление грунта основания на боковой поверхности заделки анкера; l длина зоны заделки анкера; Mc, Mq – безразмерные ко эффициенты, зависящие от угла внутреннего трения грунта;

c удельное сцепление грунта; удельный вес грунта; d глубина заложения центра заделки анкера от поверхности основания.

Ф.13.8. Как определить несущую способность забивной сваи, работающей как анкер на выдергивание?

Несущую способность забивной и буронабивной свай, работающих на выдергивающие нагрузки, определяют по формуле где c коэффициент условий работы; u наружный периметр поперечного сечения сваи; fi расчетное сопротивление i го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи; hi толщина i го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи; cf коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи, учитывающий влияние способа погружения сваи на расчетное сопротивление fi на боковой поверхности сваи.

Ф.13.9.* В чем состоит технология устройства инъекционных анкеров?

Существует несколько способов устройства инъекционных ан керов, которые определяются их конструкцией.

1. Технология устройства анкера с теряемым башмаком (рис.Ф.13.9.А) включает:

бурение скважины с забивкой обсадной трубы и теряемым башмаком;

установку тяги с изолирующей оболочкой внутрь обсадных труб и высаживание теряемого ею башмака в грунт;

поинтервальное, начиная с забоя, нагнетание цементного раствора через обсадные трубы по мере их извлечения под давлением до 1 МПа;

полное извлечение обсадных труб с заполнением скважины цементным раствором;

натяжение анкера после набора цементным раствором проектной прочности;

блокировку анкера на строительной конструкции.

2. Технология устройства анкера с манжетной трубой при внутреннем расположении тяги (рис.Ф.13.9.Б) включает:

бурение скважины(рис.Ф.13.9.Б,а);

погружение манжетной трубы в скважину (рис.Ф.13.9.Б,б);

установку инъектора с двойным тампоном в манжетную трубу против нижних выпускных отверстий и замещение бурового раствора на обойменный;

установку инъектора с двойным тампоном против манжеты па кера и нагнетание обойменного раствора в пакер под давлением 0,2 0,5 МПа (рис.Ф.13.9.Б, в);

Рис.Ф.13.9.А. Технология устройства анкера с теряемым башмаком:

а – бурение скважины; б – погружение анкера; в – нагнетание цементного раствора в скважину; г – натяжение анкера и блокировка его на конструкции поинтервальную, начиная с нижней манжеты, инъекцию цементного раствора на каждой манжете;

заполнение нижней части манжетной трубы цементным раствором, установку тяги с изолирующей оболочкой внутрь манжетной трубы;

натяжение анкера после набора цементным раствором проектной прочности;

блокировку анкера на строительной конструкции (рис.Ф.13.9.Б,ж).

Рис.Ф.13.9.Б. Технология устройства анкера с инъекционной трубой Ф.14. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ Ф.14.1. Когда возникает необходимость устройства свайных фундаментов?

Необходимость устройства свайных фундаментов возникает, если верхние слои грунтов являются слабыми, малопрочными и сильносжи маемыми, то есть они являются малопригодными для устройства на них фундаментов мелкого заложения без улучшения свойств грунтов.

Сваи передают нагрузки от сооружения на нижние, как правило, более уплотненные и прочные слои грунта. Свайные фундаменты применяются, если они являются в рассматриваемых условиях более экономичными и индустриальными.

Ф.14.2. Что называется сваей?

Сваей называется стержень, погружаемый в готовом виде в грунт или изготовленный непосредственно в скважине в грунтовом массиве.

Свая передает нагрузку на основание как нижним торцом, так и трением, возникающим по ее боковой поверхности при перемещении.

Верхняя часть сваи называется головой, нижний конец ее огра ничивается острием. Между ними находится тело сваи, ограни чиваемое ее боковой поверхностью.

Ф.14.3. Из чего состоит свайный фундамент?

Свайный фундамент состоит из свай, объединенных в верхней части балкой или плитой, именуемой ростверком. Ростверк служит для распределения нагрузки, передаваемой сооружением на сваи. Головы свай обычно заделывают в ростверк. Однако свайный фундамент может состоять и только из одной сваи, которая будет являться продолжением колонны наземной конструкции. Нижняя поверхность ростверка называется его подошвой. Глубиной заложения свайного фундамента называется расстояние от поверхности грунта до плоскости, проведенной через острие свай.

Рис.Ф.14.3. Свайные фундаменты с низким и высоким ростверками:

а,б – свайный фундамент с низким роствером; в – свайный фундамент с высоким ростверком Ф.14.4. Как выбрать вид свай и вид свайного фундамента?

При строительстве зданий и сооружений применяются два вида свайных фундаментов: безростверковые и с ростверками.

К безростверковым относятся конструкции со сваями колоннами, состоящие из одиночных свай, насадок и колонн.

В конструкциях безростверковых свайных фундаментов использу ются сваи колонны или иные виды свай с применением оголовков, насадок, монолитных стаканов и опорных балок (рис.Ф.14.4).

К конструкциям с ростверками относятся фундаменты под колонны, включающие более двух свай (свайный куст), и фундаменты под несущие стены в виде ленточных ростверков с однорядным, двухрядным и более расположением свай.

Рис.Ф.14.4. Свая колонна применяются буронабивные сваи с Ф.14.5. Как выбрать несущий слой грунта?

Под несущим слоем грунта понимается слой, который обладает прочностью, достаточной для восприятия нагрузок от веса сооружения. Как правило, такой слой залегает в глубине грунтовой толщи, а выше располагаются более слабые слои грунтов. Поэтому длина сваи принимается такой, чтобы свая могла прорезать слабые слои грунтов (насыпных, рыхлых песков, илов, текучих глин и т.п.), и ее острие заглубилось по крайней мере на 0,5 1 м в прочный грунт.

Ф.14.6. Каким образом устраиваются свайные фундаменты без ростверков?

Безростверковые свайные фундаменты состоят из одной сваи, на которую непосредственно передается нагрузка от здания или соору жения. Данные фундаменты рекомендуется применять при нагрузках до 1000 кН на сваю квадратного сечения, до 3000 кН на полую круглую сваю и больших нагрузках на сваи оболочки и буронабивные сваи.

Безростверковые свайные фундаменты используются при проек тировании жилых зданий с несущими стенами (рис.Ф.14.6,а), одноэтажных и многоэтажных каркасных зданий (рис.Ф.14.6,б), эстакад, галерей (рис.Ф.14.6,в), линий электропередачи (рис.Ф.14.6,г) и т.д.

Рис.Ф.14.6. Безростверковые свайные фундаменты Для легких сельскохозяйственных зданий домов усадебного типа, животноводческих и птицеводческих ферм, складов сельскохозяйст венной продукции, навесов применяются сваи колонны. Сваей колонной является забивная свая квадратного или круглого сечения, надземная часть которой служит колонной здания или сооружения.

Сваи колонны позволяют устраивать свайные фундаменты без ростверков.

Ф.14.7. Какие бывают виды забивных свай?

Забивные железобетонные сваи размером поперечного сечения до 0,8 м включительно и сваи оболочки диаметром 1 м и более подраз деляются:

а) по форме поперечного сечения на сваи квадратные, пря моугольные, таврового и двутаврового сечений, квадратные с круглой полостью, полые круглого сечения (рис.Ф.14.7.А,а);

б) по форме продольного сечения на призматические, цилинд рические и с наклонными боковыми гранями (пирамидальные, трапе цеидальные, ромбовидные, с уширенной пятой (рис.Ф.14.7.А,б);

в) по способу армирования на сваи и сваи оболочки с нена прягаемой продольной арматурой с поперечным армированием и на предварительно напряженные сваи со стержневой или проволочной продольной арматурой с поперечным армированием и без него (рис.Ф.14.7.Б,в);

г) по конструктивным особенностям – на цельные и составные из отдельных секций (рис.Ф.14.7.Г);

Рис.Ф.14.7.А. Формы сечения железобетонных свай:

1 – квадратная; 2 – квадратная с круглой полостью; 3 – круглая пустотелая; 4 – прямоугольная; 5 – швеллерная; 6 – двутавровая;

7 – призматическая; 8 – цилиндрическая; 9 – пирамидальная;

10 – трапецеидальная; 11 – ромбовидная; 12 – с уширенной пятой Рис.Ф.14.7.Б. Конструкция железобетонных свай:

а – призматическая с поперечным армированием ствола;

б – то же без поперечного армирования ствола; в – то же с круглой полостью; г – полая круглая:

1 – строповочная петля; 2 – арматурные сетки головы;

3 – продольная арматура; 4 – спираль острия; 5 – поперечная спиральная арматура Рис.Ф.14.7.В. Составная свая:

а – верхнее звено; б – нижнее звено д) по конструкции нижнего конца – на сваи с заостренным или плоским нижним концом, с плоским или объемным уширением и на полые сваи с закрытым или открытым нижним концом или с камуфлетной пятой (рис.Ф.14.7.Д).

Составные сваи применяются в слабых грунтах мощностью более 12 м и состоят из двух звеньев с различными стыками: стаканным, коробчатым, сварным, болтовым, клеевым.

Использование свай квадратного сечения с круглой полостью позво ляет снизить расход цемента на 15 25 % по сравнению со сваями сплошного квадратного сечения.

Забивные сваи применяются для всех типов зданий и сооружений в любых грунтах (за исключением грунтов с непробиваемыми включе флетным уширением ниями) для восприятия вдавливаю щих, выдергивающих и горизон тальных нагрузок.

Ф.14.8. По каким признакам классифицируются сваи?

Все известные сваи классифицируются по трем признакам:

1) по материалу: железобетонные, бетонные, металлические, дере вянные;

2) по способу заглубления в грунт:

а) забивные железобетонные, деревянные и стальные, погружаемые в грунт без его выемки с помощью молотов, вибропогружателей, вибровдавливающих и вдавливающих устройств, а также железобетонные сваи оболочки;

б) сваи оболочки железобетонные, заглубляемые вибропогружа телями с выемкой грунта и заполняемые частично или полностью бетонной смесью;

в) набивные бетонные и железобетонные, устраиваемые в грунте путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате принудительного вытеснения грунта;

г) буровые железобетонные, устраиваемые в грунте путем за полнения пробуренных скважин бетонной смесью или установки в них железобетонных элементов;

д) винтовые;

3) по условиям взаимодействия с грунтом:

а) сваи стойки, передающие нагрузку на грунт нижним концом и опирающиеся на скальные или малосжимаемые прочные грунты. К малосжимаемым грунтам относятся крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем средней плотности и плотные, а также глины твердой консистенции в водонасыщенном состоянии с модулем деформации E 50 МПа (рис.Ф.14.8,а);

б) висячие сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку на грунты основания боковой поверхностью и нижним концом (рис.Ф.14.8,б).

Рис.Ф.14.8. Схемы передачи нагрузки на основание Ф.14.9. Как различают сваи по характеру работы в грунте?

Сваи по характеру передачи нагрузки на грунт подразделяются на сваи стойки и висячие сваи (см.рис.Ф.14.8). Сваи стойки прорезают толщу слабых или недостаточно прочных грунтов и опираются на прочные грунты – скальные, полускальные, крупнообломочные, плот ные песчаные, глинистые твердой консистенции.

Свая стойка всю свою нагрузку передает через нижний конец, так как при малых ее перемещениях осадках – не происходит мо билизации сил трения по боковой поверхности. Свая стойка работает как сжатый стержень в упругой среде. Ее несущая способность определяется прочностью самого материала на сжатие и сопро тивлением грунта под нижним концом острием.

К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты. Они имеют перемещения под воздействием нагрузок, зна чительно большие, чем сваи стойки; при этом в работу включаются силы трения, возникающие по боковой поверхности. У висячих свай нагрузка передается основанию не только через нижний конец, но и боковой поверхностью. Нагрузка на такую сваю определяется суммой двух этих воздействий. Таким образом, висячая свая отличается от сваи стойки тем, что передает нагрузку от веса сооружения не только своим нижним концом, но и боковой поверхностью.

Свая стойка подобна колонне, которая опирается на несжимаемый грунт, и поэтому ее несущая способность определяется только раз мером ее поперечного сечения. Висячая свая под действием нагрузки перемещается относительно окружающего сжимаемого грунта; при этом на ее боковой поверхности возникает трение, которое оказывает сопротивление внедрению сваи в грунт. Поэтому несущая способность висячей сваи зависит как от площади поперечного сечения, так и от площади боковой поверхности сваи.

Ф.14.10. Как подразделяются сваи по условиям их изготовления?

По условиям изготовления сваи подразделяются на:

1) предварительно изготовленные на заводе или полигоне и затем погружаемые в грунт;

2) сваи, изготовляемые непосредственно в грунте.

Ф.14.11. Какие материалы используются для изготовления свай?

Основными материалами являются бетон и железобетон. Сваи изготавливаются также из дерева, металла, асбоцемента. Возможно комбинирование из этих материалов по длине сваи. Например, при менение дерева для части сваи, располагающейся ниже уровня грунтовой воды, и бетона в зоне переменного увлажнения.

Ф.14.12. Как изготавливаются набивные сваи?

Набивные сваи изготавливаются из бетона и железобетона. При изготовлении набивных свай в выштампованном ложе используют щебень, который втрамбовывается в массив грунта основания в нижней части сваи.

Набивные сваи изготавливают диаметром поперечного сечения до 0,8 м и длиной до 50 м следующим образом. В грунт погружается инвентарная труба с нижним концом, закрытым теряемым башмаком (рис.Ф.14.12). После забивки трубы в грунт в нее подается бетон, и молот производит частые удары вверх и вниз; при этом от каждого удара труба поднимается на 3 4 см и вновь погружается на 1 2 см.

Таким образом бетон трамбуется, а труба извлекается из грунта. Сваи, изготовленные подобным способом, называются частотрамбованными.

Рис.Ф.14.12. Изготовление частотрамбованных и виброштампованных свай К набивным сваям относятся также вибронабивные сваи, которые изготавливают в скважине, образованной путем погружения вибра тором инвентарной трубы, закрытой также теряемым затем железобе тонным башмаком. Бетонная смесь уплотняется вибрированием. Уши ренная пята в основании вибронабивной сваи образуется путем выдавливания из обсадной трубы башмака и одновременно порции бетона, равной по высоте 3 4 диаметрам сваи, и втрамбовывания их в грунт.

Виброштампованные сваи изготавливают, заполняя скважину бе тоном с уплотнением его виброштампом. Такой способ уплотнения бетона в скважине обеспечивает вдавливание бетона в грунт и ушире ние пяты ствола сваи с уплотнением грунта вокруг сваи.

При необходимости армирования сваи в обсадную трубу устанав ливают арматурный каркас из четырех шести стержней диаметром 14 20 мм и спирали из проволоки диаметром 6 мм с шагом 150 мм.

Ф.14.13. Какое поперечнее сечение имеют сваи?

Поперечное сечение свай квадратное, прямоугольное, круглое, квадратное с круглой полостью, трубчатое открытого профиля, в виде швеллера или двутавра. Последние два вида поперечного сечения (см.рис.Ф.14.7.А,а) применяются, когда при одной и той же площади поперечного сечения нужно развить боковую поверхность (например для свай, смерзающихся с окружающим грунтом).

Ф.14.14. Какой продольный профиль имеют сваи?

Сваи делаются призматическими, цилиндрическими, пирамидаль ными, трапецеидальными, ромбовидными с уширенной пятой, цилиндрическими с несколькими уширениями по высоте (см.рис.Ф.14.7.А,б).

Ф.14.15. Какой длины и какого поперечного размера изготавливаются сваи?

Сваи сплошного квадратного сечения выпускаются сечени ем 2020 см, длиной 3 6 м (через 0,5 м); сечением 2525 см, длиной 4, 6 м (через 0,5 м); сечением 3030 см длиной 3 12 м (до 6 м через 0,5 м, более 6 м через 1 м); сечением 3535 см, длиной 8 16 м (через 1 м);

сечением 4040 см, длиной 13 16 м (через 1 м). Длина острия этих свай – соответственно 15, 25, 30 и 35 см. Сваи квадратные с круглой полостью изготавливаются сечением от 2525 см до 4040 см длиной 8 м. Полые круглые сваи имеют диаметр 0,4 0,8 м, а при их диаметре более 0,8 м именуются сваями оболочками. Длина их секции 4 8 м.

Длина составной сваи до 40 м. Сваи диаметром до 0,6 м выпускаются с закрытым нижним концом.

Сваи с прямоугольным сечением 3535 см выпускаются длиной до 16 м.

Ф.14.16. Когда рекомендуется применение пирамидальных, трапе цеидальных, ромбовидных свай и свай с уширенной пятой?

Они применяются только как висячие сваи, когда необходимо более полно использовать несущую способность однородного грунта.

Ромбовидные сваи рекомендуются для уменьшения величины каса тельных сил морозного пучения грунта при промерзании. Сваи с уширенной пятой применяются в слабых грунтах, подстилаемых более прочными с тем, чтобы они работали как сваи стойки.

Ф.14.17. Имеется ли преимущество у пирамидальных свай?

Пирамидальные сваи наиболее эффективны в недоуплотненных однородных грунтах. При забивке этих свай происходит уплотнение окружающего грунта в большей степени, чем при использовании обычных призматических или цилиндрических свай. Опыты показывают, что в просадочных грунтах в процессе забивки наблю дается уменьшение пористости на 15 40 % на расстоянии до трех диаметров сваи.

Пирамидальные сваи выпускаются с углом наклона боковых граней от 1 до 15°. Голова сваи имеет размеры до 8080 см и острия до см. Длина этих свай от 4 до 6 м.

Пирамидальные сваи изготавливаются ненапрягаемыми с по перечным армированием ствола или с напрягаемым центральным стержнем без поперечного армирования.

Рис.Ф.14.17. Пирамидальные сваи:

а – с поперечным армированием ствола;

б – с продольной напрягаемой арматурой Ф.14.18. Что такое сваи колонны?

Сваи колонны (см.рис.Ф.14.4) применяются при устройстве свайных фундаментов взамен столбчатых и ленточных при строительстве малоэтажных производственных зданий, как правило сельскохозяйственного назначения. Свая колонна выполняет одновре менно функцию сваи (погружаемая в грунт – нижняя часть) и колонны (надземная часть).

Сваи колонны применяются сечением 2020 и 3030 см с двухсто ронними консолями. Консоли колонны погружаются в грунт, что увеличивает ее несущую способность. Консоли служат также для опирания фундаментных балок под наружные стены.

Сваи колонны в надземной части имеют закладные детали для крепления опорных металлических столиков под стеновые панели и балки покрытий.

Применение свай колонн требует повышенной точности разбивки осей, так как сама свая является элементом каркаса здания.

Сваи колонны погружаются в грунт забивным способом с проверкой их вертикального положения.

Ф.14.19. Как изготавливают сваи в выштампованном ложе?

Сущность устройства свай в выштампованном ложе или вы трамбованных котлованах состоит в том, что котлованы под отдельные фундаменты не отрываются, а вытрамбовываются на необходимую глубину с последующим заполнением бетоном враспор. Для повы шения несущей способности в дно котлована втрамбовывается порциями щебень или песчано гравийная смесь.

Вытрамбовывание котлованов производят путем сбрасывания трамбовки с экскаватора по направляющей штанге длиной 4 8 м.

Трамбовки применяют квадратного, прямоугольного, шестигранного или круглого сечения длиной от 1 до 3,5 м.

При устройстве фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием после образования котлована в него подаются щебень или гравий порциями высотой 0,6 1,2 м с уплотнением каждой порции трамбовкой. В результате втрамбовывания жесткого материала в основании котлована создается уширение с увеличением размеров уплотненной зоны грунта.

Фундаменты в вытрамбованных котлованах наиболее эффективны в просадочных лессовых грунтах, так как при вытрамбовании вокруг котлована повышается плотность грунта и устраняются его просадочные свойства (см.рис.Ф.15.14).

Ф.14.20. Какой вид в плане имеют контуры свайных фундаментов?

Свайные фундаменты представляют в плане вид кустов, когда ростверки имеют квадратное, прямоугольное и, реже, треугольное очертания. Фундаменты под стены проектируются в виде лент и пере крестных лент с одно, двух и трехрядным расположением свай, воз можно и в шахматном порядке. При большом числе свай они могут объединяться сплошной плитой ростверком, повторяющим контуры всего здания или сооружения.

Ф.14.21. Какой размер обычно рекомендуется для ростверка?

Ростверк обычно выполняется из бетона или железобетона. Голова сваи заделывается в ростверк на 5 10 см. Толщина ростверка в остальной части определяется сопротивлением материала на продавли вание. При передаче на сваю не только вертикальных, но и сдви гающих сил и моментов заделку следует соответственно рассчитывать на это воздействие. В плане край ростверка должен отстоять от боковой внешней стороны поверхности сваи не менее чем на 5 см и не менее чем на 0,15 размера сваи. Высота ростверка должна быть равна (h0 + 0,25 м), где h0 расчетная рабочая толщина ростверка, которая должна составлять не менее 0,3 м.

Ф.14.22. Чем различаются высокий и низкий ростверки?

Если подошва ростверка уложена непосредственно на грунт, то такой ростверк называется низким. Если подошва находится сущест венно выше поверхности грунта, то такой ростверк называется высоким (см.рис.Ф.14.3). В некоторых случаях, например при пучи нистых грунтах, подошву ростверка устанавливают несколько возвы шающейся над грунтом на величину порядка 20 см. Однако такой ростверк тоже именуется низким. В некоторых случаях, например при устройстве свайных фундаментов в сейсмически опасных районах, головы свай не заводятся в ростверк, а между ними и нижней поверх ностью ростверка устраивается амортизирующая песчаная прослойка.

Ф.14.23. Как можно подразделить буровые сваи?

Буровые сваи по способу устройства подразделяются на:

а) буровые сплошного сечения с уширениями и без них, бетони руемые в скважинах, пробуренных в пылевато глинистых грунтах выше уровня грунтовых вод без крепления стенок скважин, а в любых грунтах ниже уровня грунтовых вод с закреплением стенок скважин глинистым раствором или инвентарными извлекаемыми обсадными трубами;

б) буровые полые круглого сечения, устраиваемые с применением многосекционного вибросердечника;

в) буровые с уплотненным забоем, устраиваемые путем втрамбо вывания в забой скважины щебня;

г) буровые с камуфлетной пятой, устраиваемые путем бурения скважин с последующим образованием уширения взрывом и запол нения скважин бетонной смесью;

д) буроинъекционные диаметром 0,15 0,25 м, устраиваемые путем нагнетания (инъекции) мелкозернистой бетонной смеси или цемент но песчаного раствора в пробуренные скважины;

е) сваи столбы, устраиваемые путем бурения скважин с уширением или без него, укладки в них омоноличивающего цементно песчаного раствора и опускания в скважины цилиндрических или призматичес ких элементов сплошного сечения со сторонами или диаметром 0,8 м и более;

ж) буроопускные сваи с камуфлетной пятой, отличающиеся от буронабивных свай с камуфлетной пятой (см.подп."г") тем, что после образования камуфлетного уширения в скважину опускают железо бетонную сваю.

Ф.14.24. Как изготавливаются буровые сваи?

В зависимости от грунта основания буровые сваи могут изго тавливаться с применением извлекаемых инвентарных обсадных труб или без них. В маловлажных структурно устойчивых глинистых грунтах бурение скважин можно производить без устройства обсадных труб, так как вследствие структурной прочности грунта стенки сква жины определенное время могут находиться в устойчивом состоянии.

В водонасыщенных глинистых грунтах бурение скважин осуществля ется под защитой глинистого раствора как с использованием обсадных труб, так и без них (рис.Ф.14.24).

Рис.Ф.14.24. Последовательность изготовления буровых свай:

а – бурение скважины; б – устройство уширения механическим способом; в – установка арматурного каркаса; г – опускание в скважину бетонолитной трубы; д – заполнение скважины бетон ной смесью; е – извлечение бетонолитной трубы с вибрацией;

ж – формирование головы сваи в инвентарном кондукторе Буровые сваи без применения обсадных труб изготавливаются в следующей последовательности. В грунте пробивают скважину с использованием установки ударного или вращательного способов бурения. Грунт в забое скважины при ударном способе бурения разрушается ударами долота, присоединенного к бурильным трубам и канатам. Бурение с использованием вращательного способа выпол няется специальной насадкой со сплошным или кольцевым забоем. В процессе бурения применяется глинистый раствор, который оказывает гидростатическое давление на стенки скважины, предохраняя их тем самым от обвала. Кроме того, восходящим потоком глинистого раствора частицы разбуренного грунта выносятся на его поверхность.

После изготовления скважины в нее опускается арматурный кар кас, который в зависимости от вида внешней нагрузки может устанав ливаться по всей длине сваи, на части ее длины или только у верха для связи с ростверком. Затем скважина бетонируется методом вертикаль но перемещающейся трубы. При подъеме бетонолитной трубы в про цессе бетонирования нижний конец ее должен быть всегда заглублен в бетонную смесь не менее чем на 1 м. Поданная бетонная смесь уплот няется с помощью вибратора, закрепленного на бетонолитной трубе.

Ф.14.25. Как устраивается уширенная пята буровой сваи?

Уширение сваи в нижней части выполняется с целью увеличения ее несущей способности. Применяются следующие способы уширения сваи:

1) трамбованием бетона в нижней части сваи;

2) с помощью камуфлетного взрыва;

3) при помощи механического уширителя.

При устройстве уширения первым способом в нижнюю часть обсадной трубы подается порция бетонной смеси, которая затем частично выбивается в грунт, образуя уширенную грушевидную пяту в 1,5 2 диаметра трубы.

Устройство уширения с использованием второго способа осущест вляется за счет энергии взрыва: однго взрыва сосредоточенного заряда, двух последовательных взрывов, взрыва кольцевого заряда и груп пового взрыва нескольких зарядов, расположенных по периметру скважины.

Двойное камуфлетирование применяют при необходимости полу чения большой пяты в неглубокой скважине или в скважине малого диаметра.

Камуфлетирование кольцевыми и групповыми зарядами исполь зуется в основаниях свай и свай оболочек диаметром более 1 м.

Сваи с камуфлетным уширением изготавливается со сборным стволом из железобетонных свай, а также с набивным стволом.

В глинистых грунтах уширение производится механическим спо собом (см.рис.Ф.14.24,а) с использованием ножей, которые раздвига ются с помощью специального механизма. При вращении ножей грунт срезается и падает в стакан, после заполнения которого он извлекается из скважины и ножи очищаются от грунта. Наибольший диаметр уширения, который можно получить, – до 3,5 м.

Рис.Ф.14.25. Сваи с камуфлетным уширением:

а – со сборным стволом; б – с набивным стволом:

1 – забивная свая; 2 – уширенная камуфлетная пята;

3 – уплотненная взрывом грунтовая оболочка; 4 – бе тонный ствол; 5 – арматурный каркас Ф.14.26. Как делаются деревянные сваи?

Деревянная свая представляет собой бревно со снятой корой длиной до 6,5 м и заостренным нижним концом. В верхней части сваи делается металлическое кольцо бугель, предохраняющее ее от повреж дения ее при забивке. В нижней части у острия делается металлический башмак. Деревянные сваи следует пропитывать для предохранения их от загнивания в зоне переменного увлажнения. Если необходимо забить длинные сваи, то их наращивают и делают составными. Стык является сложным местом, так как в стыке должны быть обеспечены центрировка и прочность. Если сечение одного бревна недостаточно, то применяют пакетные сваи из двух трех бревен, соединяемых параллельно. Такие пакетные сваи имеют одно острие.

Ф.14.27. Как устраиваются металлические сваи?

Металлические сваи бывают трубчатыми и открытого профиля.

Диаметр трубчатых свай от 0,2 до 0,8 м. Трубчатая свая может быть после опускания заполнена бетоном. Забивные стальные сваи могут быть также выполнены с конусом, приваренным снизу. Секции по длине могут свариваться или скрепляться навинчивающимся кольцом.

Металлические завинчивающиеся сваи имеют на конце винтовую лопасть размером до трех диаметров трубы. Завинчивающиеся сваи применяются для восприятия вырывающих усилий. Металлические сваи требуют антикоррозийного покрытия.

Ф.14.28. В каких случаях применяются винтовые сваи?

К сваям с уширенной пятой относятся также сваи, имеющие на конце винтовую лопасть (рис.Ф.14.28). Ствол сваи может быть металлическим или железобетонным (сплошным или пустотелым).

Башмак с винтовой лопастью (1,25 витка, диаметр равен 3 3,5 диаметра ствола) соединяют со стволом с помощью закладных деталей.

Рис.Ф.14.28. Винтовая свая:

1 – ствол сваи; 2 – винтовая лопасть; 3 – наконечник;

4 – нож лопасти; 5 – хвост лопасти Винтовые лопасти изготавливают стальными или чугунными.

Основное преимущество винтовых свай в том, что они могут переда вать на грунт выдергивающие нагрузки. Погружаются винтовые сваи завинчиванием с помощью специального механизма, называемого кабестаном.

Винтовые сваи применяют для опор мостов, фундаментов мачт, башен, опор линий электропередачи. Винтовые сваи могут быть зало жены в любые грунты, допускающие завинчивание, за исключением глинистых грунтов текучей консистенции, а также илов и заторфо ванных грунтов.

Ф.14.29. Как устраивают комбинированные сваи и когда их при меняют?

Это сваи, составленные по длине из двух различных материалов.

Примером является конструкция, когда деревянная часть располага ется снизу, ниже уровня воды, а верхняя часть выполняется из бетона или железобетона. Комбинированная свая в нижней части забивная, а в верхней части может быть набивной.

Ф.14.30. Каким образом производится погружение в грунт пред варительно изготовленных свай?

Эти сваи погружаются с помощью забивки, вибропогружения, вдавливания и завинчивания.

Ф.14.31. Как производится забивка свай?

Забивка осуществляется сваебойными молотами. На сваю при забивке надевают металлический наголовник с прокладками, смягча ющими силу удара. Направляющим устройством при забивке свай является копер.

Ф.14.32. Какие бывают молоты для погружения свай?

Молоты бывают механические, паровоздушные, дизельные и ви бромолоты. Наиболее простые механические молоты. Забивка со стоит из подъема молота (тяжелой падающей массы) с помощью прикрепленного троса и опускания его на сваю под действием силы тяжести. Это молот одиночного действия. Паровоздушные и дизельмо лоты могут быть не только одиночного, но и двойного действия, когда к падающему молоту прикладывается посылающая его вниз сила, до полнительная к силе тяжести. Таким образом, ускорение падающего молота двойного действия существенно больше ускорения силы тяжести.

К вибромолотам относятся молоты ударно вибрационного дейст вия, когда одновременно действуют и вибрация, и силы ударов пада ющего молота. Для облегчения погружения свай в песчаные грунты и супеси может быть использован подмыв. Иногда для облегчения погружения свай устраиваются лидерные скважины, размеры которых несколько меньше, чем поперечное сечение сваи.

Ф.14.33. Что такое отказ сваи и чем различаются ложный и истинный отказы сваи?

Перемещение сваи от одного удара молотом называется отказом сваи. Отказ сваи определяется при достижении сваей проектной отметки. Используя величину отказа, можно определить несущую спо собность сваи теоретическим методом.

В маловлажных песчаных грунтах несущая способность свай во времени снижается. Это объясняется тем, что под концом сваи при забивке образуется зона уплотнения (рис.Ф.14.33,а), которая после прекращения процесса забивки сваи уменьшается за счет релаксации напряжений, что и приводит к снижению первоначальной несущей способности сваи. Это явление подтверждается контрольной добивкой сваи после отдыха интервала времени. Отказ до отдыха называется ложным, а отказ после отдыха истинным. Поэтому в песчаных грунтах величина отказа после отдыха будет больше, чем величина отказа без отдыха. В глинистых грунтах отказ после отдыха будет меньше, чем отказ до отдыха, так как при забивке сваи происходят разрушение структурных связей, рост гидродинамического давления воды и ее движение по стволу сваи вверх, что играет роль смазки и уменьшает в совокупности несущую способность сваи. После отдыха сваи происходит засасывание сваи в грунт за счет частичного восстановления структурных связей.

Рис.Ф.14.33. Физические явления, сопровождающие забивку свай:

а – образование уплотненной зоны;

б – смазка ствола сваи выжимаемой водой Ф.14.34. Когда рекомендуется применять вибропогружение и вдавли вание свай?

Вибропогружение эффективно при погружении свай в водонасы щенные песчаные и малосвязные грунты. При этом происходит разжи жение песчаного грунта и резко уменьшаются силы трения по боковой поверхности. После прекращения вибрации эти силы трения вос станавливаются.

Вдавливание применяется для коротких свай, когда нельзя использовать забивку или вибропогружение, чтобы не разрушить находящиеся рядом конструкции.

Ф.14.35. Как устраиваются набивные сваи?

Отличие набивных свай от забивных состоит в том, что набивные сваи изготавливают непосредственно на строительной площадке с применением специальных машин и механизмов.

Набивные сваи по способу устройства подразделяются на:

а) набивные, устраиваемые путем погружения инвентарных труб, нижний конец которых закрыт оставляемым в грунте башмаком или бетонной пробкой, с последующим извлечением этих труб по мере заполнения скважин бетонной смесью;

б) набивные виброштампованные, устраиваемые в пробитых сква жинах путем заполнения скважин жесткой бетонной смесью, уплотняемой виброштампом в виде трубы с заостренным нижним концом и закрепленным на ней вибропогружателем;

в) набивные в выштампованном ложе, устраиваемые путем вы штамповки в грунте скважин пирамидальной или конусной формы с последующим заполнением их бетонной смесью.

Ф.14.36. Имеются ли различия в характере деформации грунта в основании сваи и основании свайного фундамента?

Характер деформации грунта вокруг отдельно стоящей сваи рассмотрен в ответе на вопрос Ф.14.37. Свайный фундамент представ ляет собой группу свай, объединенных поверху ростверком. Наиболее часто на практике применяются ленточные свайные фундаменты и свайные фундаменты под колонны (рис.Ф.14.36,а).

При нагружении свайного фундамента грунт в межсвайном про странстве перемещается вместе с ним как единое целое, и силы трения возникают только по боковой поверхности свай внешнего ряда (рис.Ф.14.36,б). В результате доля несущей способности свайного фун дамента, обусловленная трением, уменьшается. В то же время сопро тивление грунта под концами свай возрастает в результате увеличения площади опирания.

Осадка свайного фундамента при равной нагрузке на сваю всегда больше осадки одиночной сваи. Это явление объясняется тем, что на пряжения в грунте ниже концов свай возрастают вследствие суммиро вания напряжений, создаваемых отдельными сваями (см.

рис.Ф.14.36,в).

Рис.Ф.14.36. Распределение напряжений вокруг свай:

а – работа грунта в основании свайного фундамента;

б – одиночной сваи; в – группы свай:

1 – грунт в межсвайном пространстве; 2 – контур свайного фундамента Ф.14.37. Какой характер имеет напряженно деформированное состо яние грунта вокруг сваи?

При забивке сваи в грунт частицы грунта выдавливаются из под ее острия в стороны и вверх. При погружении сваи до глубины менее 4d наблюдается выпор грунта на поверхность основания (рис.Ф.14.37,а).

Подъем поверхности основания происходит на расстоянии (3 4)d во круг сваи. Величина подъема основания зависит от влажности грунта.

При дальнейшем погружении сваи наблюдается только внутренний выпор (рис.Ф.14.37,б), что приводит к уплотнению грунта в пределах цилиндрического тела диаметром до (3 5)d в зависимости от вида грунта. Под нижним концом сваи образуется зона, в пределах которой плотность грунта максимальная. Размер этой зоны зависит от вида грунта и его прочностных свойств. В песчаных грунтах после прекращения забивки сваи в этой перенапряженной зоне начинается процесс релаксации напряжений, происходит разуплотнение грунта, и размер переуплотненной зоны грунта уменьшается.

Рис.Ф.14.37. Деформация грунта вокруг сваи В водонасыщенных глинистых грунтах процесс погружения сваи сопровождается разрушением структурных связей и возникновением избыточного давления в поровой воде, что приводит также к выпиранию грунта на поверхность. Это выпирание сопровождается значительным подъемом поверхности грунта и продолжается несколько дней после прекращения процесса забивки сваи. Вокруг висячей сваи возникает напряженно деформированная зона. Верти кальные сжимающие напряжения имеют максимум непосредственно у сваи и уменьшаются в радиальном направлении. На расстоянии примерно 3d от оси сваи их величина незначительна и не вызывает уплотнения грунта. Поэтому, чтобы не происходило наложения напряжений от соседних свай, рекомендуется располагать их на рас стоянии не менее 3d друг от друга в осях.

Для свай стоек, опирающихся на более прочные грунты, расстоя ние между осями свай в уровне их острия принимается равным 1,5d.

Касательные напряжения на боковой поверхности сваи увели чиваются до определенной глубины, оставаясь затем практически постоянными в пределах всей длины ствола сваи. В ряде опытов было отмечено увеличение сил трения с глубиной.

Ф.14.38. Почему при определении сил трения не учитывается вид материала сваи?

При погружении сваи в грунт на ее боковой поверхности образуется грунтовая "рубашка", которая как бы прилипает к ее боковой поверхности, перемещаясь как единое целое со сваей. Трение воз никает не между телом сваи и грунтом, а между грунтовой "рубашкой" и окружающим грунтом. Поэтому силы трения мало зависят от вида материала сваи.

Ф.14.39. По каким предельным состояниям выполняется расчет свайных фундаментов и их оснований?

Расчет свайных фундаментов и их оснований должен быть выполнен по следующим предельным состояниям:

а) первой группы:

по прочности материала свай и свайных ростверков;

по несущей способности грунта оснований свай;

по несущей способности оснований свайных фундаментов, если на них передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций и др.), а также если основания ограничены откосами или сложены крутопадающими слоями грунта;

б) второй группы:

по осадкам оснований свай и свайных фундаментов от вертикальных нагрузок;

по перемещениям свай (горизонтальным и углом поворота головы сваи) совместно с грунтом оснований от действия горизонтальных нагрузок и моментов;

по образованию или раскрытию трещин в элементах железо бетонных конструкций свайных фундаментов.

Расчет конструкций свай и ростверков по первой группе пре дельных состояний выполняется во всех случаях на вертикальные и горизонтальные нагрузки по прочности материала сваи, а также по несущей способности грунта основания.

Расчет свайных фундаментов по второй группе предельных состояний (по деформациям) выполняется при всех видах грунтов, за исключением тех случаев, когда сваи опираются на крупнообломочные грунты, плотные пески и твердые глины. Расчет по деформациям производится также при действии на фундаменты горизонтальных нагрузок, которые могут вызвать горизонтальные смещения фунда ментов.

По образованию и раскрытию трещин рассчитываются железо бетонные элементы свайного фундамента в соответствии с нормами проектирования железобетонных конструкций.

Ф.14.40. Какие нагрузки и воздействия учитываются при расчете свайных фундаментов?

Нагрузки и воздействия, учитываемые в расчетах свайных фунда ментов, определяются по СНиП [16].

Расчет свай, свайных фундаментов и их оснований по несущей способности выполняется на основные и особые сочетания нагрузок с коэффициентами надежности более единицы, а по деформациям – на основные сочетания расчетных нагрузок с коэффициентом надеж ности, равным единице.

Расчеты свай всех видов производятся на воздействия нагрузок, передаваемых на них от здания или сооружения, а забивных свай, кроме того, на усилия, возникающие в них от собственного веса при изготовлении, складировании, транспортировании свай, а также при подъеме их на копер за одну точку, удаленную от головы сваи на 0,3l, где l длина сваи.

Ф.14.41. В каких случаях необходимо выполнить расчет свай по прочности их материала и по прочности грунта основания?

Расчет по прочности материала свай выполняется во всех случаях для свай стоек.

Расчет по прочности грунта производится как для свай стоек, так и для висячих свай.

Ф.14.42. Сколько времени рекомендуется обычно отводить на "отдых" сваи?

Продолжительность "отдыха" сваи, после которого замеряется истинный или действительный отказ для песчаных грунтов, составляет 3 5 суток. В глинистых грунтах он больше: в супесях 5 10 суток, в суглинках 15 20 суток, в глинах 25 30 суток и более (см.Ф.14.33).

Ф.14.43. Какие расстояния рекомендуются между сваями в свайном фундаменте?

Расстояние между осями забивных висячих свай должно быть не менее 3d, где d диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи. Максимальное расстояние обычно не превосходит 6d. Мини мальное расстояние между сваями стойками 1,5d. При редком распо ложении свай они начинают работать как одиночные, исчезает кустовой эффект. При одинаковой нагрузке осадка сваи в кусте превышает осадку одиночной сваи. В глинистых грунтах несущая способность сваи в кусте получается меньшей, по сравнению с одиночной сваей.

Ф.14.44. Что такое "кустовой эффект" в свайном фундаменте?

Кустовой эффект это взаимное влияние свай при небольшом расстоянии между ними. Работа свай в кусте отличается от работы одиночных свай. Осадка сваи в кусте превышает осадку одиночной сваи, поскольку сопротивляющиеся этому силы бокового трения полностью не мобилизуются.

Ф.14.45. Как определяется несущая способность сваи стойки?

Несущая способность сваи стойки определяется минимальным значением предельной нагрузки, либо по прочности грунта под ее нижним концом, либо разрушением сваи по ее материалу. При низком ростверке сваи рассчитываются без учета их продольного изгиба.

Сопротивление под нижним концом сваи, опирающейся на скальные и малосжимаемые грунты, принимается равным 20 МПа. У песчаных грунтов сопротивление под нижним концом зависит от крупности песчаных грунтов, их плотности, а также от глубины их нахождения. В глинистых грунтах это сопротивление зависит также от глубины и от показателя текучести IL. Величина сопротивления дается на единицу площади поперечного сечения сваи.

Ф.14.46. Как определяется несущая способность висячей сваи?

Несущая способность висячих свай определяется либо расчетным методом, либо путем забивки и испытаний опытных свай, либо применением статического зондирования.

Висячие сваи рассчитываются по грунту. Сопротивление погру жению сваи возникает под ее пятой острием (лобовое сопротивление) и по боковой поверхности (сопротивление благодаря мобилизации сил трения). У висячих свай, как и у свай стоек, лобовое сопротивление зависит от грунтов (плотности и вида песчаных грунтов и показателя текучести глинистых грунтов), а также от глубины погружения нижнего конца. Боковое сопротивление зависит от вида песчаных грунтов, показателя текучести IL глинистых грунтов, от глубины слоя, для которого определяется коэффициент трения. Лобовое сопротивление дается на единицу площади поперечного сечения сваи; поэтому полученная величина R умножается на площадь поперечного сечения A. Боковое сопротивление трению дается на 1 м2 боковой поверхности;

поэтому оно умножается на соответствующую площадь боковой поверхности рассматриваемого"пояса". С глубиной сопротивление трению увеличивается. Сопротивления под острием и по боковой поверхности суммируются. Однако предварительно они умножаются на коэффициент условий работы, который зависит от способа погружения свай.

Ф.14.47. От чего зависит сопротивление выдергиваемой сваи?

Это сопротивление зависит только от сил бокового трения и, естественно, не зависит от лобового сопротивления.

Ф.14.48. Что такое отрицательное трение грунта, окружающего сваю?

Отрицательное трение возникает тогда, когда окружающий сваю грунт вместо того, чтобы сопротивляться вдавливанию сваи в грунт и создавать силы сопротивления, направленные вверх, наоборот, из за оседания грунта вокруг сваи тянет ее вниз. В этих расчетах изменяется знак сил трения.

Ф.14.49. В чем заключается динамический способ определения несущей способности свай?

Динамический способ заключается в нахождении несущей спо собности сваи по величине отказа при забивке ее на глубину, близкую к проектной.

В формулу для расчета несущей способности входят параметры оборудования, используемого для погружения испытываемой сваи, энергия падающего молота, вес наголовника и др. Грунт ха рактеризуется только величиной отказа. Чтобы найти величину пре дельной нагрузки на сваю, рассчитанную по результатам динамических испытаний, ее делят на коэффициент надежности, равный 1,4.

Ф.14.50. На что затрачивается энергия при забивке сваи?

Энергия при забивке сваи затрачивается на преодоление сопро тивления грунта погружению сваи, на упругие деформации соударя емых молота и сваи, на превращение механической энергии в тепловую, на разрушение головы сваи.

Ф.14.51. В чем заключается статический метод испытания свай?

Статический метод испытания сваи заключается в том, что к забитой на заданную глубину свае ступенями прикладывается нагрузка, чаще всего создаваемая домкратом, и выжидается стабилизация осадки при данной ступени нагрузки, после чего прикладывается следующая ступень нагрузки. Ступени составляют обычно 1/10 1/15 ожидаемой величины предельной нагрузки. После этого строится график зависимости осадки от нагрузки, причем за предельную принимается нагрузка, вызывающая 20 % осадки от предельной для проектируемого здания или сооружения. Эта нагрузка делится на коэффициент на дежности, равный 1,2.

Ф.14.52. В чем заключается метод статического зондирования для определения несущей способности свай?

Статическое зондирование представляет собой вдавливание в грунт штанги с конусом стандартного размера (диаметр его основания 36 мм, угол заострения 60°). Измеряется вдавливающее усилие в зависимости от глубины, и с помощью переходных формул находится несущая способность сваи.

Ф.14.53. Как выбирается длина свай?