Расчет осадки свайного фундамента: методы и особенности

Оглавление:

Основания зданий и сооружений
- О свайных фундаментах подробнее
- Как правильно сделать свайный фундамент?
- Расчет осадки: метод послойного суммирования

Грунты, как основания, для всех видов фундаментов, кроме свайных, делят на естественные и уплотненные, то есть, такие, которые искусственно закреплены. Для свайных основания делят на однослойные и двухслойные, разделяя их на слабые, средней прочности и прочные грунты. При этом для двухслойных оснований исключено сочетание слабых со средней прочности, а в других сочетаниях вторым слоем должен быть прочный грунт.

При закладке фундамента стоить брать во внимание не только землю на которой будет стоять фундамент, а так же и прилегающие территории.

Расчет оснований по деформациям относится к определению предельных состояний первой группы. Расчет осадки свайного фундамента относится к расчету предельных состояний второй группы.

Основания зданий и сооружений

Рисунок 1. Схема размещения лент. 1. Грунт в межсвайном пространстве. 2. Контур свайного фундамента.

Основанием называют не только площадь под строением, но и грунт вблизи него, который под действием силы тяжести создаваемой сооружением также уплотняется через фундамент. Его слой, расположенный непосредственно под подошвой фундамента, называют несущим. Он расположен над подстилающим слоем.

В зависимости от размеров твердых частиц грунты бывают галечные, гравелистые, песчаные, пылеватые и глинистые. Глинистые по процентному содержанию глины делят на супесь (от 3 до 10 %), суглинки (от 10 до 30 %) и грунты, содержащие свыше30 % глины. Их и называют глинами. Физические свойства во многом определяются содержащейся в них воды.

В зависимости от прочности на сжатие грунты делят на:

прочные (от 50 до 120 МПа);
средней прочности (от 15 до 50 МПа);
слабые (от 5 до 15 МПа).

Для определения осадки свайного фундамента, необходимо знать такие характеристики грунта, как коэффициент сжимаемости и модуль общей деформации.

У малосжимаемых грунтов коэффициент сжимаемости меньше 0,005. У средне сжимаемых видов он изменяется от 0,005 до 0,05. У сильно сжимаемых оснований этот показатель превышает 0,05. Единицей измерения коэффициента сжимаемости является 1/МПа.

Расчет оснований свайных фундаментов необходимо выполнять по предельным состояниям первой и второй группы с учетом влияний, которые оказывают такие факторы, как подземные воды, промерзание грунта и др. Необходимо также учитывать взаимодействие сооружения и основания.

К первой группе относятся расчеты по несущей способности грунтов, под которой понимают определение его сопротивления нагрузке и сравнение этой величины с допустимой величиной для конкретного вида грунта.

Расчет осадки основания относится ко второй группе. Его можно выполнять для отдельной сваи, группе свай и всего фундамента.

О свайных фундаментах подробнее

В плане свайный фундамент представляет ленты из свай, на которых размещают ростверк.

Неверный расчет опорной площади может привести к обрушению дома.

Ленты обычно имеют не более 3-х рядов, относительно которых опоры размещают, так как показано внизу на изображении 1 или в шахматном порядке. Расстояние между рядами должно быть не более (3?4)d (d – диаметр сваи). Возможен вариант, когда все сваи объединяют одним ростверком-плитой. Это может быть при их большом количестве, размещаемых как под наружными, так и под внутренними стенами.

Если расстояние между рядами, равно 3d, то груз, передаваемый на них через ростверк, приводит к перемещению и свай, и грунта, находящегося между ними. То есть такую конструкцию правомерно считать единым целым или эквивалентом ленточного фундамента, имеющим сплошную подошву. Поэтому расчет осадки свайного варианта конструкции можно выполнять, как и вычисление осадки обычного ленточного фундамента.

После заглубления концы свай могут опираться на малосжимаемые грунты (модуль деформации, превышающим 50 МПа), и их называют стойками. Такой слой называют несущим. Обычно он находится глубже, чем верхние слабые слои. В прочный грунт свая должна входить не менее чем на 0,5 м. В этом случае осадка свайного варианта фундамента будет меньше. Расстояние между рядами стоек может составлять 1,5 d.

Если же конец сваи оказывается в сжимаемом грунте, то их называют висячими. Для несущей способности висячих свай большое значение имеет уплотненная зона, образующаяся по их периметру в процессе забивки. Сжимающие напряжения, максимальные вблизи корпуса, постепенно уменьшаясь, на расстоянии 3d уже не оказывают влияние на стоящую вблизи, такую же висячую сваю. Поэтому и важно, чтобы расстояние между ними было не меньше чем 3d.

Для расчета осадки свайного фундамента вводят такое понятие, как условный фундамент. Сделать фундамент условным можно, если нижнюю границу (подошву) его определить по нижним концам свай, верхнюю – по планировке поверхности. Боковые поверхности определить по крайним рядам свай, отступив от их центра на величину, равную половине шага между ними. По этим размерам определяют поперечное сечение. Погонную нагрузку на основание определяют, как сумму веса свай и грунта, находящегося в объеме, определяемом указанным поперечным сечением на длине фундамента, равной 1 м.

Как правильно сделать свайный фундамент?

Рисунок 2. Схема вычисления коэффициента.

Для определения осадки одно- или двухрядных условных фундаментов можно воспользоваться формулой (СП50-102-2003)

S=n?0(1-?2)/?E, (1)

n – нагрузка на основание от собственного веса фундамента и веса сооружения. Первую величину рассчитывают с учетом веса свай по удельному весу грунта и объему на длине в 1 м.

Е – модуль деформации, Мпа, или кг/см2=10?МПа. Этот коэффициент сложным образом зависит от типа грунта, его пористости, а для глинистых грунтов и от показателя текучести. Значения модуля деформации приведены в приложении 1 СНиП 2.02.01-83. В таблице 1 приведены некоторые значения этого коэффициента.

? – коэффициент Пуассона. В соответствии со СНиП 2.02.01-83: для супесей равен 0,3, суглинков – 0,35, глин – 0,42, крупнообломочных грунтов ?=0,27.

?0 – коэффициент, зависящий от коэффициента Пуассона. Для его определения необходимо воспользоваться номограммами, приведенными на рис. 2.

Схема видов свай.

Поясним выполнение расчета по определению значения ?0 на конкретном примере. Пусть слой грунта супесь с коэффициентом Пуассона ?=0,3. Для расчета необходимо определить приведенные значения ширины фундамента Впр и приведенное значение сжимаемой толщи основания Нс пр. Эти величины определяют по формулам:

Впр=В/h; (2)

Нс пр= Нс/h, (3)

где h – расстояние от верхней до нижней границы условного фундамента. Если Впр=2, а Нс пр=0,3, то:

В левом графике рис. 1 проводим прямую параллельную оси абсцисс на уровне Нс/h=2 до пересечения с линией В/h=0,3.

Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и находим относительное значение коэффициента Пуассона. Поскольку ось абсцисс не оцифрована, то отсчитываем количество делений; получили 10 делений.

Переходим на правый график рис. 1, отсчитываем по оси абсцисс 10 делений и восстанавливаем из этой точки перпендикуляр до пересечения со значением коэффициента Пуассона ?=0,3.

Проводим через точку пересечения прямую, параллельную оси абсцисс и получаем значение ?0?2,05.

Теперь, чтобы рассчитать осадку по формуле (1) необходимо определить нагрузку, приходящуюся на 1 м. Это легко сделать, зная вес сооружения и длину условного фундамента, а также удельный вес грунта. Например, для супеси он составляет примерно 2700 кг/м3.

Расчет осадки: метод послойного суммирования

Рисунок 3. Схема определения осадки основания.

Чтобы сделать свайный фундамент, осадку основания под ним можно определить методом послойного суммирования в соответствии с расчетными эпюрами, представленными на рис. 3. Схема фундамента, как и ранее, будет соответствовать условному.

Метод заключается в том, что основание разделяют на однородные слои, начиная от поверхности до глубины, на которой дополнительные нагрузки на сжимаемость слоя влияния не оказывают. На рис. 1 эта глубина обозначена НС. На изображения показаны уровни: планирования и поверхности природного рельефа – DL и NL,соответственно, FL – уровень подошвы фундамента (для свайного это уровень нижнего конца свай).

Значения НС определяют из условия:

?zp=0,2 ?zg, (4)

где ?zp – дополнительное напряжение, возникающее в грунте от веса сооружения (с учетом веса условного фундамента); ?zg – напряжение в грунте от его собственного веса, естественно, возрастающее с глубиной.

Если ниже границы ВС находится слой модулем деформации Е?5 МПа, то значения НС определяют из условия:

?zp=0,1?zg, (5)

На рис. 2 показаны:

эпюра изменение напряжения от собственного веса грунта ?zg ;
дополнительная прямая 0,2 ?zg;
эпюра изменения напряжения от веса сооружения ?zg.

Алгоритм выполнения расчета, например, для основания, состоящего из 3-х слоев, отличающихся физическими свойствами:

Строим эпюру от действия собственного веса путем последовательного вычисления ее ординат. По ней строим дополнительную прямую, равную 0,2?zg. Далее:

на уровне NL ?zg=0;
на уровне FL ?zg 0= ?1d (?1 – удельный вес первого слоя, d – расстояние между уровнями NL и FL);
на границе между 1 и 2 слоями ?zg 1 = ?zg 0+ (h1-d) ?1 (h1 – толщина первого слоя);
на границе между 2 и 3 слоем ?zg 2 = ?zg 1 + ?2h2;
на подошве 3 слоя ?zg 2 = ?zg 2 + ?3h3.

После по формуле:

Si=0,8 ?z р ср i?hi/Ei, (6)

где Ei – модуль деформации i-го слоя; ?zр ср i – среднее напряжение, определяемое по формуле:

?z р ср i=(?z р i- ?z р i-1)/2

Сдвиги, полученные по всем слоям, суммируем.

В работе приведен простейший вариант расчета. Не были учтены такие факторы, как грунтовые воды, и многие другие, оказывающие существенное влияние на свойства грунтов. Поэтому, прежде чем выбрать вариант фундамента для дома, необходимо выполнить качественный расчет, для этого целесообразно воспользоваться услугами специалиста.