Вычисление нормативных и расчетных значений, представленных одной величиной по ГОСТ 20522.

Нормативное значение X_n принимают равным среднему арифметическому значению и вычисляют по формуле

,

(34)

где n - число определений характеристики;

X_i - частные значения характеристики, получаемые по результатам отдельных i опытов.

Для исключения возможных ошибок выполняется статистическая проверка опытных данных. Из опытных данных исключается то частное (максимальное или минимальное) значение X_i, для которого выполняется условие

,

(35)

где v - статистический критерий, принимаемый в зависимости от числа определений n характеристики по таблице 21;

S - среднее квадратическое отклонение характеристики, вычисляемое по формуле

.

(36)

Если какое-либо значение характеристики исключено, следует для оставшихся опытных данных заново вычислить X_n по формуле (34) и S по формуле (36).

Коэффициент вариации V характеристики и показатель точности ее среднего значения r_a вычисляются по формулам:

,	(37)
,	(38)

где t_a - коэффициент, принимаемый по таблице 22 в зависимости от заданной односторонней доверительной вероятности a (для определения несущей способности сваи a = 0,95) и числа степеней свободы К = n – 1.

Коэффициент надежности по грунту g_g вычисляется по формуле

.

(39)

Знак перед величиной r_a принимается таким, чтобы обеспечивалась большая надежность основания или сооружения.

Расчетное значение X характеристики вычисляется по формуле

.

(40)

Если коэффициент вариации V характеристики превышает 0,4, ее нормативное и расчетное значение может быть вычислено с использованием логарифмически нормального закона распределения по ГОСТ 20522.

Таблица 21 Значения критерия v при двусторонней доверительной вероятности a = 0,95

Таблица 22 Значения коэффициента t_a

Пример 16.Требуется определить несущую способность F_d сваи на вдавливающую нагрузку по частным значениям ее предельного сопротивления F_ui, определенным по результатам динамических испытаний грунта в шести точках, а именно:

490 кН, 510 кН, 480 кН, 485 кН, 470 кН и 500 кН.

Решение. Среднее арифметическое значение

489 кН.

Среднее квадратическое отклонение

14,3 кН.

Коэффициент вариации V равен

0,029.

Выполняем статистическую проверку опытных данных при v = 2,07 (из таблицы 21 при n = 6)

= 2,07×14,3 = 29,6 кН;

;

;

;

;

;

.

Условие (35) ни для одного частного определения F_ui не выполняется. Поэтому из опытных данных частные значения F_ui не исключается.

Для односторонней доверительной вероятности a = 0,95 и числа степеней свободы К = n – 1 = 6 – 1 = 5 по таблице 22

t_a = 2,01.

Точность среднего значения несущей способности

0,024.

Коэффициент надежности по грунту

1,02.

Несущая способность свай по формуле (21) при g_c = 1 равна

479 кН.

Контрольные вопросы для самоподготовки.

1. Как определяется расчетная длина сваи в расчетах свайных фундаментов?

2. Что такое коэффициент пропорциональности?

3. Как определяется несущая способность по материалу стальной сваи (деревянной сваи)?

4. Методы определения несущей способности сваи по грунту основания.

5. Из каких факторов складывается несущая способность висячей сваи?

6. Что такое отрицательные силы трения и как они учитываются при определении несущей способности сваи?

7. В каких случаях необходимо производить испытания свай на действия горизонтальных нагрузок? Как проводятся испытания на действие горизонтальных нагрузок?

8. Для чего нужен отдых сваям при проведении полевых испытаний свай?

9. Что такое отказ сваи? Чем отличается проектный (расчетный) отказ от фактического отказа?

4. Проектирование свайных фундаментов

4.1. Последовательность проектирования свайных фундаментов

Проектирование свайных фундаментов производится в следующей последовательности:

- оценка грунтовых условий [14, 18, 27];

- выбор отметки обреза ростверка;

- определение нагрузок действующих на обрез ростверка (рассматривается в дисциплинах железобетонные, металлические и деревянные конструкции);

- определение глубины заложения подошвы ростверка;

- выбор типа, способа погружения и предварительных размеров (длина, габариты поперечного сечения) сваи;

- определение несущей способности сваи;

- вычисление требуемого количества свай в свайном фундаменте расчетом по первой группе предельных состояний;

- конструирование свайного куста (свайной ленты или свайного поля);

- конструирование тела ростверка;

- проверка выполнения условий расчета свайного основания по первой группе предельных состояний;

- определение размеров условного фундамента;

- проверка выполнения условий расчета свайного основания по второй группе предельных состояний;

- расчет тела ростверка и сваи (рассматривается специальными разделами норм проектирования, например, для железобетонных свай и ростверков – нормами проектирования железобетонных конструкций).

4.2. Выбор отметки обреза ростверка

Выбор отметки обреза ростверка свайных фундаментов ничем не отличается от подобной процедуры для фундаментов мелкого заложения.

Обрез ростверка – это верхняя плоскость ростверка, на которой располагаются надземные части здания, т.е., в некотором смысле, граница между конструкцией фундамента и надфундаментной конструкцией. У многих фундаментов, например, у отдельно стоящих железобетонных фундаментов под металлические или сборные железобетонные колонны, положение обреза ростверка очевидно – обрезом ростверка является верх подколонника. Для некоторых фундаментов обрез ростверка не имеет четко выраженного расположения. Например, ленточные свайные фундаменты для кирпичных стен здания. В этих случаях проектировщик на время выполнения всех расчетов, и фундаментов и надфундаментных конструкций, сам назначает положение обреза и выполняет расчеты в соответствие с принятой расчетной схемой. Так для фундамента под кирпичные стены здания можно за обрез принять отметку размещения слоя горизонтальной гидроизоляции, также можно за обрез принять границу между монолитной конструкцией ростверка и бетонными блоками или отметку опирания на стены подвала перекрытия подвала и т.п.

Обрезы монолитных железобетонных ростверков сборных железобетонных колонн промышленных зданий следует принимать, как правило, на отметке -0,150 для обеспечения условий выполнения работ нулевого цикла. Обрез ростверка для монолитных железобетонных колонн рекомендуется принимать в уровне верха фундаментной балки, а при ее отсутствии – на отметке -0,050.

Отметка обреза ростверка стальных колонн определяется размером базы колонны, принятого способа опирания башмака и метода монтажа стальных колонн. Например, при безвыверочном монтаже стальных колонн, имеющих фрезерованный торец и строганную плиту башмака, требуется устройство подливки под плитой башмака толщиной 50-100 мм, что и определяет отметку верха фундамента. На рисунке 31 показаны два варианта опирания стальных колонн на железобетонные ро
стверки.

4.3. Определение глубины заложения подошвы ростверка и способа заделки сваи в ростверк. Указание по размещению свай в свайном кусте

Глубина заложения подошвы свайного ростверка назначается в зависимости от конструктивных решений подземной части здания или сооружения (наличия подвала, технического подполья) и проекта планировки территории (срезкой или подсыпкой), а также высоты ростверка.

Глубину заложения подошвы ростверков зданий и сооружений (кроме мостов) необходимо назначать с учетом следующих положений:

а) в жилых и общественных каменных зданиях при отсутствии подполья, а также при наличии двухтраншейного подполья подошва ростверка должна быть на 0,1-0,15 м ниже планировочных отметок. При глинистых грунтах под ростверком наружных стен следует предусматривать укладку слоя щебня, шлака или крупнозернистого песка толщиной не менее 0,2 м, а под внутренними стенами - слоя щебня, шлака или тощего бетона толщиной не менее 0,1 м. При песчаных грунтах ростверк под наружные и внутренние стены нужно укладывать по слою щебня, шлака или тощего бетона толщиной не менее 0,1 м;

б) в жилых и общественных зданиях при наличии подвала или технического подполья под всем зданием ростверки под наружные стены закладываются с отметкой подошвы, равной отметке пола подвала; а под внутренние стены - с отметкой верха, равной отметке пола подвала;

в) в крупнопанельных жилых и общественных зданиях с техническим подпольем отметки подошвы ростверка под наружными стенами должны назначаться с учетом высоты цокольных панелей и необходимости обеспечения технического подполья от промерзания; ростверки под внутренние стены, как правило, рекомендуется закладывать выше пола технического подполья, доведя отметку верха ростверка до уровня низа перекрытия над подпольем;

г) в производственных зданиях глубина заложения подошвы ростверка при наличии подвала и примыкающих к ростверку технологических каналов или приямков назначается с таким расчетом, чтобы отметка верха ростверка соответствовала отметке пола подвала или примыкающих заглубленных помещений, а при отсутствии вблизи ростверков заглубленных помещений верх ростверка назначается от уровня планировочных отметок;

д) если свайный фундамент проектируется на сильнопучинистых грунтах, то между грунтом и подошвой ростверков, под которыми грунт в процессе эксплуатации здания или сооружения может промерзнуть, необходимо предусмотреть воздушный зазор не менее 0,2 м, причем сохранность этого зазора должна быть предусмотрена на все время эксплуатации здания.

Высота ростверка, обусловленная конструктивными особенностями сопряжения его со сваями (способ заделки сваи в ростверк), особенностями сопряжения с надфундаментными конструкциями, определяется расчетом.

Сопряжение свайного ростверка со сваями допускается предусматривать как свободно опирающимся, так и жестким (рисунок 32).

Свободное опирание ростверка на сваи учитывается в расчетах условно как шарнирное сопряжение и при монолитных ростверках должно выполняться путем заделки головы сваи в ростверк на глубину 5-10 см.

Жесткое сопряжение свайного ростверка со сваями следует предусматривать в случае, когда:

а) стволы свай располагаются в слабых грунтах (рыхлых песках, глинистых грунтах текучей консистенции, илах, торфах и т.п.);

б) в месте сопряжения сжимающая нагрузка, передаваемая на сваю, приложена к ней с эксцентриситетом, выходящим за пределы ее ядра сечения;

в) на сваю действуют горизонтальные нагрузки, значения перемещений от которых при свободном опирании оказываются более предельных для проектируемого здания или сооружения;

г) в фундаменте имеются наклонные или составные вертикальные сваи;

д) сваи работают на выдергивающие нагрузки.

Жесткое сопряжение железобетонных свай с монолитным железобетонным ростверком следует предусматривать с заделкой головы сваи в ростверк на глубину, соответствующую длине анкеровки арматуры, или с заделкой в ростверк выпусков арматуры на длину их анкеровки в соответствии с требованиями СНиП 52-01 [12] и СП 52-101 [8]. В последнем случае в голове предварительно напряженных свай должен быть предусмотрен ненапрягаемый арматурный каркас, используемый в дальнейшем в качестве анкерной арматуры. При устройстве арматурных выпусков сваи должны быть заведены в ростверк на 5-10 см.

Допускается также жесткое сопряжение с помощью сварки закладных стальных элементов при условии обеспечения требуемой прочности.

Анкеровка ростверка и свай, работающих на выдергивающие нагрузки, должна предусматриваться с заделкой арматуры свай в ростверк на глубину, определяемую расчетом на выдергивание.

При усилении оснований существующих фундаментов с помощью буроинъекционных свай длина заделки свай в фундамент должна приниматься по расчету или назначаться конструктивно равной пяти диаметрам сваи; при невозможности выполнения этого условия следует предусматривать создание уширения ствола сваи в месте ее примыкания к ростверку.

Жесткое соединение свай со сборным ростверком должно обеспечиваться колоколообразными оголовками (рисунок 33). При сборном ростверке допускается также замоноличивание свай в специально предусмотренные в ростверке отверстия.

Для ленточных и плитных ростверков под стены зданий минимальная высота ростверка 600 мм.

Ростверки под колонны состоят из плитной части и подколонной части (рисунок 34). В некоторых случаях, подтвержденных расчетом, для стальных и монолитных железобетонных колонн, а также для кирпичных столбов ростверки могут состоять только из плитной части (рисунок 34, б).

При назначении высоты ростверка под колонны следует руководствоваться следующими соображениями.

Размеры ростверков рекомендуется принимать:

- по высоте ростверка - кратными 300 мм (по согласованию с заказчиком, допускается принимать кратными 100 мм);

- в плане подошвы, ступеней - кратными 300 мм, подколонника - кратными 150 мм;

- по высоте плитной части, ступеней и подколонника - кратными 150 мм.

Высота нижней ступени железобетонного ростверка принимается по расчету по СНиП 52-01 [12] и СП 52-101 [8], но не менее:

- 300 мм для шарнирного сопряжения ростверка со сваей;

- 450 мм для жесткого сопряжения ростверка со сваей.

При стаканном сопряжении сборных железобетонных колонн с ростверками (рисунок 34, а) толщина дна стакана принимается по расчету ростверка на продавливание колонной, но не менее 400 мм. Глубина стакана d_p принимается на 50 мм больше глубины заделки колонны d_с, которая назначается также, как и для фундаментов мелкого заложения [27].

Значение свеса ростверка от наружной грани свай должно приниматься с учетом допускаемых отклонений свай в плане, но не менее 100 мм.

Предельные отклонения фактического положения свай в плане от проектного при однорядном расположении свай поперек оси свайного ряда составляют ±0,2d (d - диаметр или сторона сечения свай), а вдоль оси ряда ±0,3d; для кустов и лент с расположением в два и три ряда ±0,2d - для крайних свай поперек оси свайного ряда и ±0,3d - для остальных свай и крайних свай вдоль оси свайного ряда; для сплошного свайного поля ±0,2d для крайних свай и ±0,4d - для средних свай.

Расстояние между осями забивных и вдавливаемых висячих свай должно быть не менее 3d (где d - диаметр круглого или сторона квадратного, или большая сторона прямоугольного поперечного сечения ствола сваи), а свай-стоек - не менее 1,5 d.

Расстояние в свету между стволами буровых, набивных и бурозавинчиваемых свай и свай-оболочек, а также скважинами свай-столбов должно быть не менее 1,0 м, а расстояние между буроинъекционными сваями в осях - не менее трех диаметров их поперечного сечения; расстояние в свету между уширениями при устройстве их в твердых и полутвердых глинистых грунтах - 0,5 м, в других дисперсных грунтах - 1,0 м.

Расстояние между наклонными или между наклонными и вертикальными сваями в уровне подошвы ростверка следует принимать исходя из конструктивных особенностей фундаментов и обеспечения их надежности заглубления в грунт, армирования и бетонирования ростверка.

4.4. Выбор типа, способа погружения и предварительных размеров сваи

Тип и вид свай, способ их погружения выбирают на основании анализа инженерно-геологических условий строительной площадки, в зависимости от условий строительства, от характера и размера нагрузок, передаваемых на свайные фундаменты, от имеющегося у строительной организации оборудования и опыта устройства свайных фундаментов.

Так, например, полые круглые сваи и сваи-оболочки следует применять преимущественно при наличии слабых грунтов большой мощности, при необходимости передачи на сваи больших горизонтальных и вертикальных усилий, а также в качестве односвайных фундаментов под колонны.

Забивные сваи выпускаются ограниченной длины, например, забивные призматические сваи по серии 1.011.1-10 длиной до 16 м. Фактически на стройках редко используют цельные сваи длиной более 12 м. Поэтому при залегании несущих слоев грунта на большей глубине применяют либо составные сваи, либо буровые сваи, длина которых может достигать 50 м.

На основе анализа нагрузок можно принять решение, во-первых, о виде сваи, во-вторых, о размере ее сечения. Так, например, несущая способность одной забивной призматической сваи редко превышает 1500 кН, буровая же свая или свая оболочка с большими диаметрами способны воспринимать расчетную нагрузку гораздо большего размера. При действии на свайные фундаменты значительных горизонтальных нагрузок следует ориентироваться на применение свай больших сечений или диаметров. При действии на фундаменты выдергивающих нагрузок, например, фундаменты оттяжек подвесных мостов, вид сваи и ее параметры необходимо подбирать из условия восприятия этих нагрузок. В этом случае могут быть применены винтовые сваи, буронабивные сваи с развитой боковой поверхностью, буровые сваи с уширением в нижней части.

Фундаменты из забивных свай, проектируемые в условиях существующей застройки, должны проверяться на безопасность по условию динамических воздействий на конструкции близко расположенных зданий и сооружений, а также на безопасность по условию смещения грунта вокруг погружаемых свай.

Безопасное по условию динамических воздействий расстояние r, м, от погружаемых свай до зданий или сооружений, как правило, должно назначаться не менее 25 м.

Если расстояние r от ближайших погружаемых свай меньше 25 м, допустимые безопасные расстояния следует устанавливать исходя из условия, чтобы расчетная скорость вертикальных колебаний фундамента V, см/с, на расстоянии r от погружаемой сваи не превышала предельно допустимого значения для данного здания или сооружения, которое должно устанавливаться в зависимости от конструктивных особенностей здания или сооружения и категории их состояния. Допустимые значения скорости колебаний могут быть определены по таблице 23. В необходимых случаях допустимые безопасные расстояния должны уточняться на основе инструментальных измерений параметров колебаний грунта и сооружений при пробном погружении свай.

Таблица 23

Значения скорости колебаний V, см/с, зданий и сооружений вычисляют по формуле

где a и d - соответственно амплитуда и частота колебаний, определяемые экспериментально при пробной забивке свай.

В случаях, когда применение забивных свай вблизи существующих зданий и сооружений оказывается невозможным по условию динамических воздействий, они могут быть заменены на вдавливаемые сваи, погружаемые специальными сваевдавливающими установками или с помощью домкратов.

Выбор длины свай должен производиться в зависимости от грунтовых условий строительной площадки, уровня расположения подошвы ростверка с учетом возможностей имеющегося оборудования для устройства свайных фундаментов. Нижний конец свай, как правило, следует заглублять в прочные грунты, прорезая более слабые напластования грунтов, при этом заглубление забивных свай в грунты, принятые за основание, должно быть: в крупнообломочные, гравелистые, крупные песчаные и глинистые грунты с показателем текучести I_L £ 0,1 - не менее 0,5 м, а в прочие дисперсные грунты - не менее 1,0 м. Залегающие ниже поверхности грунта торфы, илы, глинистые грунты в текучепластичном и текучем состоянии, рыхлые пески, насыпные грунты должны быть прорезаны сваями.

Длину сваи следует подбирать так, чтобы под ее острием мощность «опорного» слоя грунта (или нескольких слоев грунта, близких по своим несущим и деформативным показателям) была достаточной для передачи на него нагрузок.

При выборе размеров свай следует иметь в виду, что экономически почти всегда, за исключением особых случаев, выгоднее применять фундамент с меньшим числом длинных свай, чем фундамент с большим числом коротких свай [26].

4.5. Вычисление требуемого количества свай в свайном фундаменте

Одиночную сваю в составе фундамента и вне его по несущей способности грунтов основания рассчитывают исходя из условия

,

(42)

где N — расчетная нагрузка, передаваемая на сваю (продольное усилие, возникающее в ней от расчетных нагрузок, действующих на фундамент при наиболее невыгодном их сочетании);

F_d – несущая способность грунта основания одиночной сваи, называемая несущей способностью сваи.

Коэффициент надежности g_k принимается равным:

1,2 – если несущая способность свай определена по результатам полевых испытаний статической нагрузкой;

1,25 – если несущая способность сваи определена расчетом по результатам статического зондирования грунта, по результатам динамических испытаний сваи, выполненных с учетом упругих деформаций грунта, а также по результатам полевых испытаний грунтов эталонной сваей или сваей-зондом;

1,4 – если несущая способность сваи определена расчетом, в том числе по результатам динамических испытаний свай, выполненных без учета упругих деформаций грунта;

1,4 – для фундаментов опор мостов при низком ростверке, висячих сваях и сваях-стойках, при высоком ростверке – только при сваях-стойках, воспринимающих сжимающую нагрузку, независимо от числа свай в фундаменте;

при высоком или низком ростверке, подошва которого опирается на сильносжимаемый грунт, и висячих сваях, воспринимающих сжимающую нагрузку, а также при любом виде ростверка и висячих сваях и сваях-стойках, воспринимающих выдергивающую нагрузку, g_k принимается в зависимости от числа свай в фундаменте:

при 21 свае и более ............... 1,4 (1,25)

от 11 до 20 свай .................... 1,55 (1,4)

" 6 " 10 "....................... 1,65 (1,5)

" 1 " 5 "....................... 1,75 (1,6);

g_k = 1 – для сплошных свайных полей жестких сооружений с предельной осадкой 30 см и более (при числе свай более 100), если несущая способность сваи определена по результатам статических испытаний.

В скобках даны значения в случае, когда несущая способность сваи определена по результатам полевых испытаний статической нагрузкой или расчетом по результатам статического зондирования грунтов.

При расчете свай всех видов как на вдавливающие, так и на выдергивающие нагрузки продольное усилие, возникающее в свае от расчетной нагрузки N, определяется с учетом собственного веса сваи, принимаемого с коэффициентом надежности по нагрузке, увеличивающим расчетное усилие.