ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА
4.1 ГЛУБИНА ЗАЛОЖЕНИЯ И РАЗМЕРЫ РОСТВЕРКА. ДЛИНА И ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ СВАЙ
4.1.1 Определение глубины заложения и предварительного назначения размеров ростверка
На суходоле и в водотоке при глубине воды менее 3 м следует проекти-ровать свайные фундаменты с низким ростверком.
Подошва низкого ростверка располагается ниже дна акватории или по-верхности грунта при условии обеспечения расчетной несущей способности и долговечности фундаментов исходя из местных климатических условий, осо-бенностей конструкций фундаментов, обеспечения требований судоходства и лесосплава, надежности подлежащих осуществлению мер по эффективной за-
щите свай от неблагоприятного воздействия знакопеременных температур сре-ды, ледохода и других факторов [5, п. 7.11]
Сваи должны быть заделаны в ростверк (выше слоя бетона, уложенного подводным способом) на длину, определяемую расчетом и принимаемую не менее половины периметра призматических свай, и 1,2 м – для свай диаметром 0,6 м и более.
Допускается заделка свай в ростверке с помощью выпусков стержней продольной арматуры (длина заделки должна быть не менее 30 диаметров ар-матуры при арматуре свай периодического профиля и не менее 40 диаметров – при арматуре гладкого профиля). При этом сваи должны быть заведены в рост-верк не менее чем на 10 см [2, п.7.22*].
С учетом вышесказанного назначается высота ростверка и, следователь-но, его обрез.
Размеры ростверка по верху определяются размерами надфундаментной конструкции (нормы уширения по обрезу – такие же, как для фундамента на ес-тественном основании); по низу – площадью для размещения свай. При необ-ходимости развития подошвы ростверка (по сравнению с площадью по обрезу) оно осуществляется уступами высотой hy = 0,7 – 2,0 м и шириной не более 0,5hy. В настоящих методических указаниях рассматривается ход проектирова-ния свайных фундаментов применительно к низкому ростверку.
Сборные железобетонные ростверки фундаментов мостов проектируются из бетона класса не ниже В25, монолитные - не ниже В15.
4.1.2 Назначение длины и поперечного сечения свай
Если в курсовой работе принят вариант свайного фундамента на забив-ных призматических сваях, то рекомендуется применять забивные железобе-тонные сваи сплошного квадратного сечения (сеч. 30´30, 35´35, 40´40 см), по-лые круглые или буронабивные сваи (см. приложение Б, таблица Б.1).
Длина сваи определяется положением подошвы ростверка и кровли прочного грунта, в который целесообразно заделывать сваю. Слабые грунты должны прорезаться сваями.
Заглубление свай в грунты, принятые за основание, должно быть:
- при крупнообломочных грунтах, гравелистых, крупных и средней крупности песках, а также глинистых грунтах с показателем текучести JL < 0,1 – не ме-нее 0,5 м;
- при прочих нескальных грунтах – не менее 1,0 м.
Глубина погружения сваи от поверхности грунта (в русле реки – с уч том размыва) не должна быть менее 4 м.
4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАИ
При небольших горизонтальных нагрузках и низких ростверках сваи, как правило, размещаются вертикально.
Расчет свай по первому предельному состоянию заключается в определе-нии несущей способности свай (допускаемая нагрузка на сваю) по грунту и по материалу. Для дальнейших расч тов принимается меньшее полученное значе-ние. Несущая способность сваи по материалу равна прочности материала сваи на сжатие и определяется по [4]. Расчет несущей способности всех типов свай по грунту производится согласно [5, глава 4] и зависит от типа свай, их конст-рукции и условий взаимодействия свай с грунтом.
4.2.1 Несущая способность сваи по прочности материала
Расч т висячих свай по материалу, как правило, не требуется, т.к. несу-щая способность сваи по материалу обычно больше, чем по грунту. В общем случае, несущая способность по материалу железобетонных свай определяется выражением
| Fdm=j(gc gmRbA+ gaRsAa), | (4.1) |
| где j=1 – коэффициент продольного изгиба для низкого ростверка; gс - | коэф- |
| фициент условий работы, принимаемый 0,85 для свай сечением менее | 30´30 |
см и 1 – для свай большего сечения; gm =1 – коэффициент условий работы бе-тона для всех видов свай кроме буронабивных, для буронабивных при бетони-ровании под водой gm =0,8; Rb – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа; А – площадь поперечного сечения сваи, м; ga = 1 - коэффициент условий работы арматуры, МПа; Rs – расчетное сопротивление сжатию ар-матуры, МПа; Aa – площадь сечения рабочей арматуры, м.
4.2.2 Несущая способность сваи-стойки
Несущую способность свай, опирающихся на малосжимаемый грунт (Е ³ 50 МПа) определяется по формуле
Fd=gc RA, (4.2)
где gс = 1 –коэффициент условий работы сваи в грунте [5]; R - расчетное со-
противление грунта под нижним концом сваи; А - площадь опирания сваи на грунт, м2.
4.2.3 Несущая способность висячей сваи, погружаемой без выемки грунта
Несущая способность висячей забивной и вдавливаемой сваи всех видов
| определяется по формуле | |
| Fd=gc (gcR RA + u S gcf fi hi), | (4.3) |
где gс; gcR; gcf = 1 – соответственно коэффициенты условий работы сваи в грунте, работы грунта под острием сваи и по боковой поверхности для забив-ных призматических свай [5, таблица 3]; R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по таблице [5, таблица 1]; А - площадь опирания сваи на грунт, м2; u - наружный периметр поперечного се-чения сваи, м2; fi - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на бо-
ковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице [5, таблица 2]; hi - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.
Для выполнения расчета необходимо вычертить расчетную схему (см. рисунок 4.1), которая показывает расположение сваи в грунтовом массиве. В формуле (4.3) суммировать сопротивления грунта следует по всем слоям грун-та, пройденным сваей, при этом пласты грунтов под подошвой ростверка сле-дует делить на однородные слои с hi £ 2 м.
Рисунок 4.1 –- Расчетная схема определения несущей способности висячей сваи
4.2.4 Несущая способность висячей набивной и буровой сваи
Несущая способность набивной и буровой сваи, а также сваи-оболочки, по-гружаемой с выемкой грунта и заполняемой бетоном, определяется по формуле
| (7.11) [6] или по формуле (11) [5] | |
| Fd=gc (gcR RA + uSgcf fi hi), | (4.4) |
где gс; gcR = 1 – соответственно коэффициенты условий работы сваи в грунте и работы грунта под острием сваи; ; gcf – коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности сваи [5, таблица 5]; R - расчетное сопротив-ление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по пп. 4.6, 4.7 [5]; А -
площадь опирания сваи на грунт, м2; u - наружный периметр поперечного се-чения сваи, м2; fi - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на бо-ковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице [5, таблица 2]; hi - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.
4.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ НАГРУЗКИ НА СВАЮ
4.3.1 Определение количества свай и расчетной нагрузки на сваю
Количество свай в фундаменте определяется по формуле
| n= | h×N | |
| (4.5) | ||
| F | расч. | |
| d |
где N– расч тная нагрузка, передаваемая на свайный фундамент, определяе-мая в общем случае по формуле
| N = 1,2 (P0+PП+Pp+Pв+Рг) + 1,13Ртр, | (4.6) |
где Рр – вес ростверка и свай, МН; остальные обозначения те же, что и в формуле (3.10); Fdрасч. – расч тное сопротивление одиночной сваи, МН; h - ко-
эффициент, учитывающий перегрузку отдельных свай от действующего мо-мента, равный 1,2.
Расч тное сопротивление одиночной сваи, определяемое как наименьшее
| из двух | ||||
| F расч.=min(F , F )/g | n | , | (4.7) | |
| d | dmd |
где gn=1,4 – коэффициент надежности.
4.3.2 Определение размеров ростверка
В курсовой работе применяют вертикальные сваи, размещая их равно-мерно в рядовом или шахматном порядке. Расстояние от края подошвы рост-
верка до наружного края сваи должно быть: r ³ 0,25 м, а между осями свай 3d £а£(5…6) d – для висячих свай и а ³ 1,5d – для свай-стоек, где d – размер поперечного сечения сваи. После размещения свай в плане окончательно опре-деляют длину и ширину ростверка:
| (lp)bp =a(n - 1) + 2r + d, | (4.8) |
где n – число рядов свай в ростверке.
4.3.3 Проверочный расч т свайного фундамента по несущей способно-сти
Обычно проверяют крайнюю, наиболее удаленную сваю, на расч тную нагрузку N со стороны наибольшего сжимающего напряжения. При этом рас-пределение вертикальных нагрузок между сваями фундаментов мостов опреде-
ляется расч том их как рамной конструкции. В курсовой работе допускается проверить усилие в свае с уч том действия одной горизонтальной силы Т (в плоскости вдоль моста) по следующей формуле:
| N | + | M I Ymax | £ Fd , | (4.9) |
| n | åY 2i |
где МI – расч тный момент в плоскости подошвы ростверка от сил тормо-жения, определяемый по формуле (3.11), в которой вместо hф принимается высота hр ростверка; Ymax – расстояние от главной центральной оси подошвы фундамента до оси крайнего ряда свай в направлении действия момента МI (в плоскости вдоль моста); Yi – расстояние от той же оси до оси каждой сваи; Fd – расч тное сопротивление одиночной сваи; n – число свай; N – полная рас-ч тная вертикальная нагрузка с уч том веса свай, определяемая по формуле
(4.6).
Если условие (4.9) не удовлетворяется, т.е. не выполняется расч т на оп-рокидывание, то необходимо изменить конструкцию свайного фундамента: увеличением шага свай или их количества. Если эти меры не приводят к поло-жительному результату (выполнению условия 4.9), то увеличивают длину или поперечное сечение сваи и заново выполняют все расчеты.
4.4 РАСЧЁТ ДЕФОРМАЦИИ ОСНОВАНИЯ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА
Расчет фундамента из висячих свай и его основания по деформациям производят как для условного фундамента на естественном основании [5, глава
6; 2, п. 7.17].
4.4.2 Определение границ условного массивного фундамента
Для перехода от свайного фундамента к условному массивному фунда-менту определяются границы условного массивного фундамента в соответст-вии с [2, приложение 25]. Для этого находят средневзвешенное значение угла внутреннего трения грунтов, пройденных сваями
| j m | = | åji | × hi | , | (4.11) |
| 1p | |||||
где ji – расч тное значение углов внутреннего трения отдельных пройденных сваями сло в грунта; hi – толщина сло в грунта, пройденных сваями; lp = Shi – расч тная глубина погружения свай (м) от подошвы ростверка или от уровня размыва, если подошва ростверка расположена выше уровня.
Построение свайно-грунтового массива УСГМ (см.рисунок4.1):Ниж-
няя граница условного массивного фундамента проходит на отметке торцов свай. Из точки пересечения крайней сваи и подошвы ростверка откладываем
Рисунок 4.2 – Расчетная схема определения деформаций основания свайно-го фундамента методом послойного суммирования с использованием расчетной схемы основания в виде линейно-деформируемого слоя.
угол jm/4 до пересечения с нижней границей условного массивного фундамента и поднимаем вертикали до верхнего уровня грунта.
Ширина условного массивного фундамента
byсгм = d + a×(t – 1) + 2tg(jm/4)lp, (4.12)
где d – поперечный размер сваи, м; a – расстояние между сваями, м; t – коли-чество рядов свай, шт., lp – длина сваи, м.
Аналогично ширине byсгм определяется и длина lyсгм подошвы условного массивного фундамента.
4.4.3 Проверка напряжений по подошве условного фундамента
Проверка напряжений по подошве условного фундамента производится по формулам
| p = | Nc | £ | g c R | , | (4.13) | |||||||||||||||
| lycгc byссг | g n | |||||||||||||||||||
| p = | Nc | +6lyссг | (3M c | + 2Thp ) | £ | g c R | ||||||||||||||
| l | b | b | æ | k h4 | + 3l 3 | ö | g | , | (4.14) | |||||||||||
| yссг | yссг | ç | ÷ | n | ||||||||||||||||
| yссг | ç | c | p | yссг | ÷ | |||||||||||||||
| è | ø | |||||||||||||||||||
| b |
где Nс – расч тная нормальная нагрузка в основании условного массивного фундамента, кН; определяется как сумма нагрузки на обрезе фундамента N и массы свайно-грунтового массива Gуcгм; MC – расч тный момент по подошве ростверка, кН×м; (за плечо принять высоту ростверка hp);lyсгм и byсгм – соот-ветственно длина и ширина условного массивного фундамента, м; R – расч т-ное сопротивление грунта в уровне подошвы условного массивного фундамен-
та, МПа, определяемое по формуле (3.4), при b = byсгм и d = dyсгм; hp – глубина заложения условного фундамента, определяемое от подошвы ростверка до
нижних торцов свай, м; k – коэффициент пропорциональности, определяющий нарастание с глубиной коэффициента постели грунта, расположенного выше подошвы фундамента (см. таблицу 4.1); сb – коэффициент постели грунта в уровне подошвы условного фундамента, kН/м3,определяемый по формулам при hp £ 10 м, сb = 10k; при hp > 10 м, сb = k× hp; Т – горизонтальная составляю-щая внешней нагрузки (тормозная сила), кН .
4.4.4 Расч т деформации основания свайного фундамента
Расч т деформации основания свайного фундамента сводится к опреде-лению е для условного массивного фундамента площадью подошвы на естест-венном основании с использованием расч тной схемы (см. рисунок 4.2). При этом равнодействующая всех вертикальных сил складывается из вертикальных сил (по заданию), действующих на обрезе фундамента, и массы свайно-грунтового массива.
Таблица 4.1 – Коэффициент пропорциональности k [2, приложение 25*]
| Показатель текучести | |||
| Грунт | IL / | Коэффициент k, | |
| коэффициент порис- | кН/м4 | ||
| тости е | |||
| Текучепластичные глины и суглинки | 0,75 < IL £ 1 | 490…1960 | |
| Мягкопластичные глины и суглинки | 0,5 < IL £ 0,75 | ||
| Пластичные супеси | 0 £ IL £ 1 | 1961…3920 | |
| Пылеватые пески | 0,6 £ е £ 0,8 | ||
| Тугопластичные и полутвердые гли- | 0 < IL £ 0,5 | ||
| ны и суглинки | |||
| Твердые супеси | IL £ 0 | 3921…5880 | |
| Пески мелкие | 0,6 £ е £ 0,75 | ||
| Пески средней крупности | 0,55 £ е £ 0,7 | ||
| Твердые глины и суглинки | IL £ 0 | 5881…9800 | |
| Пески крупные | 0,55 £ е £ 0,7 | ||
| Пески гравелистые | 0,55 £ е £ 0,7 | 9801…19600 | |
| Галька с песчаным заполнителем | |||
Выполняется построение эпюр бытовых и дополнительных давлений, опреде-ляется нижняя граница сжимаемой толщи В.С (порядок работы см. выше п.3.4.1). Рассчитывается осадка условного свайного фундамента (формула
(3.12)).
Для свайного фундамента должно выполняться следующее условие: раз-личные по величине осадки соседних опор не должны вызывать появления в продольном профиле дополнительных углов перелома, превышающих для ав-тодорожных и городских мостов 2 %о [2, п.1.47].
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ ФУНДАМЕНТОВ
Технико-экономическое сравнение вариантов фундаментов выполняется на основании показателей стоимости прямых затрат на устройство фундаментов (приложение В, таблица В.1) с заполнением таблицы 5.1.
Таблица 5.1 - Технико-экономическое сравнение вариантов
| Сметная | Варианты фундаментов | |||||||
| Обос- | Свайные | |||||||
| Наименование | Ед. | стоимость | ФМЗ | |||||
| нова- | фундаменты | |||||||
| работ | изм. | на ед. изм., | ||||||
| ние | Объ- | Стои- | Объ- | Стои- | ||||
| руб. | ||||||||
| ем | мость | ем | мость | |||||
Для заполнения таблицы 5.1 необходимо определить состав и объ мы работ при устройстве каждого варианта фундаментов:
1 Земляные работы (объ м разработки и обратной засыпки котлована; объ- м водоотлива (если требуется)).
2 Монолитное бетонирование (объ м песчаной (бетонной) подготовки, площадь опалубки и объ м монолитного бетона при устройстве фундаментов мелкого заложения или ростверка).
3 Свайные работы (объ м свай фундамента).
4 Другие.
В пояснительной записке требуется дать перечень работ по устройству каж-дого варианта фундамента, а затем согласно этому перечню рассчитать объ мы работ и заполнить таблицу 5.1.
5.1 Определение объема котлована
Размеры котлована определяются исходя из полученных размеров по-дошвы и глубины заложения фундамента (ростверка). Размеры дна котлована фундамента промежуточной опоры моста в плане определяются размерами по-дошвы фундамента и минимальной шириной зазора между фундаментом и стенкой котлована, позволяющей выполнять работы в котловане (в курсовом проекте принимаем 1 м). Размеры котлована поверху складываются из размеров дна котлована и ширины откосов или конструкций крепления его стенок. Глу-бина котлована определяется отметкой заложения фундамента и дополнитель-ного устройства (песчаной подушки, пластового дренажа и т.п.). Для более глу-боких котлованов в грунтах естественной влажности стенки могут выполняться без крепления, но с уклоном и крутизной откосов, которые указаны в таблице 5.2. (рисунке 5.1.). Крутизна откосов котлованов глубиной более 5 м назначает-ся расчетом.
Устойчивость стенок котлована обеспечивается различными видами кре-плений или приданием им соответствующих уклонов. Способ крепления зави-сит от глубины котлована, свойств и напластования грунтов, уровня подземных вод, условий производства работ, расстояния до существующих строений. В неустойчивых грунтах при отсутствии подземных вод, когда невозможно уст-ройство откосов, стенки крепят досками или инвентарными щитами, удержи-ваемыми распорками.
Формула определения объема котлована
| Vк | = | Н к | [ab +(a + c)(b + d )+ cd ], | (5.1) | |
где Нк – глубина разработки котлована, м; a и b – длина и ширина котлована понизу, м; c и d - длина и ширина котлована по верху, м.
Рисунок 5.1 – Схема для определения размеров котлована
Таблица 5.2 – Наибольшая допустимая крутизна откосов котлованов в грунтах естественной влажности
| Глубина выемки, м, | до | ||||||||||
| Грунты | 1,5 | ||||||||||
| α, град | h :m | α, град | h :m | α, град | h :m | ||||||
| Насыпные | 1:0,67 | 1:1 | 1:1,25 | ||||||||
| Песчаные и | гравий- | ||||||||||
| ный влажные | (насы- | 1:0,5 | 1:1 | 1:1 | |||||||
| щенные) | |||||||||||
| Супесь | 1:0,25 | 1:0,67 | 1:0,85 | ||||||||
| Суглинок | 1:0 | 1:0,5 | 1:0,75 | ||||||||
| Глина | 1:0 | 1:0,25 | 1:0,5 |
5.2 Определение объемов фундаментов
Объемы фундамента мелкого заложения, ростверка и свай определяются как объ мы геометрических тел по геометрическим размерам конструкций.