Проектирование свайного фундамента

Проектирование свайного фундамента

Свайные фундаменты применяют в тех случаях, когда необходимо нагрузку от сооружения передать на глубоко залегающие плотные грунты. Мы обопрём проектируемые сваи-оболочки на слой суглинка, залегающего на глубине 14 метров.

Так как глубина воды в месте строительства всего 1 метр, то можно применить низкий ростверк. Под водой распологается слой ил мощностью также – 1 метр. Исходя из этого, примем минимальную высоту ростверка – 2 метра; она складывается из величины, необходимой для заделки голов свай-оболочек в плиту ростверка, принимаемой равной

1,2 метра и минимальной толщины слоя бетона над головами свай, гарантирующей невозможность продавливания этого слоя сваями.

Минимальная площадь ростверка определяется размерами опоры в плоскости обрезов:

A=(A₀+2c)*(B₀+2c)=a*b,

где c – обрез ростверка, принимаемый равным с =0,5м

A=(10+2*0,5)*(4+2*0,5)=11*5=55 м²

Рассмотрим и сравним два типа свай-оболочек: оболочки, заполняемые бетоном и оболочки с грунтовым ядром.

Расчёт  сваи-оболочки, заполняемой бетоном

Несущая способность зависит от размера свай, наличия уширения в основании, свойства грунтов, в которых работает свая, технология погружения свай и особенности их изготовления. В соответствии со СНиП 2.02.03-85 ”Свайные фундаменты” определяем тип её работы в грунте. Мы имеем дело с висячей сваей, так как свая передает нагрузку на грунт своим основанием и боковой поверхностью.

            Сваи применяются одного типа, поэтому достаточно определить несущую способность только одной сваи, она будет одинакова у всех. Свая может невыдержать в двух случаях: если недостаточным будет сопротивление материала сваи, и если недостаточным будет взаимодействие сваи с грунтом.

            Несущая способность сваи по грунту определяется по формуле:

F_d=γ_c*(γ_cr*R*A+u*Sγ_cf*f_i*h_i),

где     γ_с=1 – коэффицент надёжности

R – расчётное сопротивление грунта под концом сваи, кПа

A – площадь поперечного сечения сваи, брутто, м²

u - периметр поперечного сечения сваи, м             

f_i – расчётное сопротивление i-ого слоя грунта по боковой поверхности              

      свай, кПа

h_i – толщина i-ого слоя грунта, м

γ_cr, γ_cf – коэффиценты условий работы соответственно под концом и на       

             боковой поверхности сваи, учитывающие способ погружения

F_d= 1*[1*2100*2,01+ +5,03*1*(35*2+48*2+56*2+60*2+63,5*2+67*2,5+37*3+40*1)] =8499,8 кН

            Необходимое число свай рассчитывается через величину p:

p=F_d/γ_к,

где γ_к =1,75 – коэффициент надёжности.

p= 8499,8/1,75= 4857,03 кН

            Ориентировочное количество свай определится из формулы:

n_св=P_I*β/p,

где       P_I – суммарная вертикальная расчётная нагрузка, кН

            β=1,1-:-1,5

            Определим расчётные нагрузки в уровне подошвы плиты ростверка:

                        вес ростверка:

                                    G_P= A_min*h_P*γ_б=55*2*24=2640 кН

                        вес воды на обрезах фундамента:

                                    G_B= 10*(2*11*0,5+2*0,5*4)=150 кН

                        Вертикальная расчётная нагрузка:

P_I= γ_k(SP₀+G_P+G_B)=1,2*(25000+2640+150)=33348 кН

                        Горизонтальная расчётная нагрузка:

H_I= γ_k*SH₀=1,2*1200=1440 кН

                        Расчётный момент:

M_I= γ_k(SP₀*e+SH₀*h_P)=1,2*(25000*0,25+1200*2,0)=10380 кНм

            Итак, количество свай:

                                    n_св=33348*1,3/4857,03=8,9шт

По конструктивным соображениям принимаем количество свай-оболочек – 10шт

Расположим сваи как показано на рисунке, пусть будет 5 рядов по 2 свай в каждом ряду. Для удобства вычислений расчёт ведём применительно к одному ряду свай; такой подход возможен только при одинаковом расположении свай во всех рядах.

Расчетный усилия, приходящиеся на один ряд свай:

P_I=33348/5=6669,6 кН

H_I=1440/5=288 кН

M_I=10380/5=2076 кНм

Далее определим жёсткость сваи на изгиб:

EI= 0,8*31,5*10⁶*3,14/(1,6²-1,28²)/64+0,8*2,65*10⁷*3,14*1,28⁴/64=29,66*10⁵ кНм²

Расчёт свайных фундаментов по I группе предельных состояний проводится методом перемещений с использованием плоских схем.

Определим глубину h_k, в пределах которой учитывается действие отпора грунта.

                        h_k= 3,5*d+1,5=3,5*0,35+1,5=2,725 м

В этой зоне расположен слой крупного песка (е=0,61). Для него коэффициент пропорциональности  К=7367,6 кН/м⁴

            Вычислим приведённую глубину заложения сваи в грунте:

L=α_e*l=0,332*16,5=5,478м,

Здесь   α_e – коэффициент деформации

            α_e = ⁵√(K*b_P/EI)=⁵√(7367,6*1,62/29,66*10⁵)=0,332

                        b_P=K_ф(d+1)k’=0,9(1,6+1)*0,6923=1,62 м – расчётная ширина сваи

 Вычислим момент и горизонтальную силу, действующие в уровне расчетной поверхности(линии размыва).

H_0I= 288 кН

M_0I= M_i+H_0I*h=2076+288*(-1,3)=1701,6 кНм

Можно вычислить наибольший изгибающий момент, действующий в поперечном сечении оболочки:

M_HI= M_0I+H_0I*K₃/α_e= 1701,6+288*0,75/0,332= 2352,2 кНм

Далее проверяется надёжность заделки оболочек в грунте

            σ_z£η₁*η₂*4/cosφ_I*(γ_I*z*tgφ_I+ξc_I),

где       σ_z- давление на грунт, создаваемое боковой поверхностью

            φ_I, γ_I, c_I- расчётные характеристики грунта

            η₁, η₂- коэффициенты, принимаемые равными 1,0

Давление действующие на глубине z=0,85/ α_e:

σ_z= (4M_0I+10H_0I*z)/(9*b_P*z²)* ξ₁= =(4*1701,6+10*288*2,56)/(9*1,62*2,56²)*0,7=93,87кН/м²

93,87<1*1*(4/cos35⁰(10*2.56*tg35⁰)=97,53 кН/м²

Свая надёжно закреплена в грунте.

            Для нахождения перемещений ростверка найдём единичные перемещения:

E_HH=A₀/α_e³*EI= 2,4406/(0,332)³*29,66*10⁵= 2,26*10⁵ м/кН

E_MH=E_HM=B₀/α_e²*EI= 1,621/(0,332)²*29,66*10⁵= 0,496*10⁵ 1/кН

E_MM=C₀/α_e*EI= 1,75056/0,332*29,66*10⁵= 0,177*10⁵ 1/кНм

По этим значениям найдём горизонтальное смещение и угол поворота поперечного сечения оболочки в уровне подошвы плиты ростверка:

            y₀= H_0II*E_HH+M_0II*E_HM=288*2,26*10^-5+1701,6+0,496*10^-5= 1,495*10^-2 м

w₀= H_0II*E_MH+M_0II*E_MM= 288*0,496*10^-5+1701,6+0,177*10^-5= 0,444*10^-2 рад

Горизонтальное перемещение и угол поворота ростверка вычислятся по формулам:

u= y₀+w₀*l₀+l₀²/(6EI)*(3M_II+2H_II*l₀)= 1,495*10^-2-0,444*10^-2*1,3+

+1,3²/(6*29,66*10⁵)*(3*1701,6-2*288*1,3)= 9,59*10^-3м  

            ψ= w₀+l₀/(2EI)*(2M_II+H_II*l₀)= 0,444*10^-2+1,3/(2*29,6*10⁵)*(2*1701,6-288*1,3)=

  =0,378*10^-2рад

Естественно, необходимо проверить фундамент на горизонтальное смещение верха опоры. Расчёт ведётся на нормативные нагрузки, т.е. коэффициент надёжности принимаем равным γ_n=1,0