Расчет осадки свайного фундамента: методы и особенности

Вопрос от клиента: “Добрый день. Планирую возводить двухэтажный коттедж на свайном фундаменте в Подмосковье.

В процессе проектирования основания столкнулся с проблемой осадки – большинство соседей говорят, что из-за осадки им приходилось неоднократно усиливать фундаменты своих домов. Подскажите пожалуйста, как правильно рассчитать устойчивость фундамента к осадке на стадии проектирования, чтобы избежать проблем в дальнейшем. Заранее спасибо”.

На данной странице представлена информация об осадке свайного фундамента. Вы узнаете, что это за процесс и какие факторы на него влияют. Мы рассмотрим методы расчетов осадки, способы ее фактического определения и технологии предотвращения осадки железобетонных свай. Осадка свайного фундамента – это изменение уровня размещения свай в грунте, возникающие в процессе их эксплуатации. Основная причина осадки – неправильные расчеты устойчивости фундамента к нагрузкам на стадии его проектирования, которые приводят к использованию опор недостаточной длины либо меньшего, чем того требуют фактические условия, сечения. Проседания свай возникают под воздействием следующих факторов:

Недостаточной несущей способности почвы, в которой размещена опорная подошва свай;Нагрузок, передающихся на фундамент в процессе работы в грунте, исходящих от массы здания, давления снега и эксплуатационных воздействий.

Важно: несущая способность почвы увеличивается пропорционально уровню ее расположения – чем глубже находится пласт, тем большей плотностью и силой сопротивления он обладает, тогда как поверхностные слои почвы, как правило, представлены низкоплотными породами, неспособными выдержать исходящую от фундамента нагрузку.

Рис.

1.1: Схема осадки свайных фундаментовГрузонесущуя способность железобетонной опоры по материалу будет всегда больше, чем аналогичная характеристика грунта. Если в расчетах фундамента допущены ошибки, то пласт грунта в котором расположена опорная часть свай, под весом здания будет уплотняться и проседать, что приведет к уменьшению нулевого уровня фундамента (его осадке).

Рис.

1.2: Схема работы свай в грунте – а) сваи-стойки; б) висячие сваи.Данная проблема особенно характерна для висячих свай, которые получают устойчивость за счет трения почвы с боковыми стенками опоры. Сваи стойки, опирающиеся на глубинные, несжимаемые пласты грунта, ввиду высокой плотности породы практически не подвергаются осадке. Специалисты, занимающиеся проектированием фундаментов, определяют расчетную осадку свай исходя из второй группы предельных состояний железобетонных опор, для чего используется два метода:Способ послойного суммирования;Способ эквивалентного слоя.Рассмотрим каждый из них подробнее.

Данный метод рекомендован к применению действующим СНиП, он является наиболее часто используемым способом вычислением осадок свайных оснований. При использовании способа послойного суммирования свайное основание принимается за условную монолитную конструкцию, размеры которой считаются по контуру крайних точек свайного поля. На нижеприведенной схеме размеры свайного основания представлены границами АВДС.

Рис. 1.3: График работы свай в грунте при реализации метода послойного суммированияПервоначально составляется габаритная схема основания АБСД, при расчетах используется величина уклона “а”, выводящаяся из следующих формул:φcp- усредненный угол внутреннего трения контактирующих со сваей слоев почвы, определяемый посредством геодезических изысканий;а- эпюра рассеивания нагрузок по высоте свайной опоры.После определения величины “а” производится расчет длины и ширины основания AБCД по формуле: Полученные габаритные характеристики применяются в формуле расчета давления на опорную часть фундамента (Р усп). Давление сопоставляется с удельным сопротивлением контактирующих со сваями пластов грунта (R усл.

фун). Удельное сопротивление почвы, в свою очередь, выводится по формуле:Если в результате сопоставления нагрузок и сопротивления грунта получается соблюдение условий, составляются эпюры нагрузок на сваи “σ0z”и “σбz” (приведены на схеме), и по формуле S выводится величина осадки основания.Важно: если полученная в результате расчетов величина осадки превышает предельный допустимый показатель,  в проект свайного фундамента вносятся коррективы, направленные на увеличения длины применяемых опор (что приводит к передаче нагрузки от здания на более плотные, глубинные пласты почвы) и расчеты выполняются повторно.Альтернативный способ эквивалентного слоя подразумевает расчет осадки исходя из контролируемого бокового расширения почвы. В данном случае за эквивалентный слой принимается пласт почвы (hэ), который при невозможности пространственного расширения дает удельную осадку, аналогичную общей осадке равномерно нагруженного фундамента.

По простому – вместо послойного суммирования слоев используется одномерный коэффициент, совокупный для всех контактирующих со сваей пластов грунта. Мощность условного эквивалентного слоя высчитывается на основе коэфф. Пуансона, коэффициента жесткости фундамента (w) и его габаритной ширины (b) по формуле:При этом за Апринимается коэффициент, индивидуальный для каждого типа грунта: Аравно  .Используемое при расчетах соотношение Aw(коэффициента грунта и жесткости фундамента) именуется величиной эквивалентного пласта, нормативные данные которого представлены в нижеприведенной таблице:

Рис.

1.4: Таблица коэффициента эквивалентного пластаОсадка фундамента рассчитывается по формуле:  , в которой:Ро- эксплуатационное давление на опорную часть свайного фундамента (от массы здания, снеговых и полезных нагрузок);mv- нормативный коэфф. сжимаемости почвы.Важно: при определении осадки посредством способа эквивалентного слоя значительно упрощается технология проведения расчетов.Также тут учитывается коэфф. линейного расширения грунта (коэфф.

Пуансона), который не используется в методе послойного суммирования, что дает более точные итоговые результаты.Фактическая осадка свай определяется посредством их статических испытаний. В процессе испытаний на опору гидравлическими домкратами оказывается давление и с помощью прогибомера измеряется величина осадки сваи от полученной нагрузки. Технология статических испытаний предназначена для определения критических и предельных нагрузок, которые может выдержать свайный фундамент.

Под критической нагрузкой подразумевается давление, которое приводит к резкой осадке (проваливанию) сваи в грунт, величина которой в 5 и более раз превышает осадку от ранее полученного сваей давления. Осадка предельного типа определяется по нагрузке, на 1 ступень меньшей, чем нагрузка приводящая к критической осадке.

Рис. 1.5: Процесс статического испытания свайДля проведения испытаний используются гидравлические домкраты с усилием давления от 50 до 200 тонн, измерения ведутся с точностью до 0.1 мм.

Прогибомер фиксируется на высотных реперах, которые представлены стойками, удаленными от сваи на 1-2 метра, и закрепленными на них ригелями (на ригелях посредством ступицы фиксируется измерительный прибор). Важно: на основании информации о фактической осадке и приводящих к ней нагрузкам вносятся коррективы в проект свайного фундамента.Действующие строительные нормативы не разделяют осадку фундамента на первоначальную – полученную в процессе возведения, и эксплуатационную – возникшую при работе свай в грунте. Согласно положениям СНиП № 2.02.01 – “Деформации зданий и сооружений”, величина допустимой осадки составляет:Для железобетонных зданий – 8 см;Для панельных зданий со стальным несущим каркасом – 12 см;Для кирпичныхи блочных сооружений безкаркасного типа – 10 см.Важно: осадка свайного фундамента, возникшая в процессе его строительства, отличается равномерностью – она происходит по всему пятну основания, что не приводит к деструктивным нагрузкам на возводимое сооружение.На практике кирпичные здания, фундамент которых подвергся неравномерной усадке более чем на 12 см, получают серьезные деформации, вплоть до появления на стенах и перекрытиях сквозных трещин.

Предотвратить осадку фундамента можно еще на стадии проектирования основания. Если расчеты показывают, что величина осадки превышает допустимою норму, нужно заменить висячие сваи на сваи-стойки – использовать опоры большей длины, которые работают в грунте не за счет сопротивления почвы боковым стенкам конструкции, а за счет опирания на глубинный пласт несжимаемого грунта.

Рис. 1.6: Процесс укрепления грунтов цементациейСнизить риск осадки фундамента можно и посредством увеличения сопротивления грунтов, что достигается за счет их цементации. Данный метод особенно эффективен в условиях почвы, обладающей низкой плотностью.

Его суть заключается в нагнетании в толщу грунта бетонной смеси либо силикатного раствора с помощью специальных инъекторов. Инъектор представляет собой перфорированную стальную трубу, которая погружается в почву и подключается к бетононасосу. Подача смеси ведется в пласты грунта, в которых расположена опорная часть сваи.

В результате вокруг опорной подошвы сваи, после отвердевания смеси, образуется монолитная бетонная подушка, которая предотвращает осадку фундамента под внешними нагрузками. СК “Установка Свай” занимается возведением фундаментов на железобетонных сваях.В местностях с зыбкими, слабыми грунтами предпочтительные виды фундаментов под дома и сооружения – свайный и свайно-ростверковый.Осадкасвайного фундамента определяется однимиз методов ме­ханики грунтов как дляусловного фундамента на естественномосно­вании. Границы условного фундаментаопределяются следующим об­разом (рис.3.2):- сверху – поверхностьюпланировки грунта;- снизу – плоскостьюна уровне нижних концов свай;- сбоков – вертикальными плоскостями,отстоящими от наруж­ных граней крайнихсвай на величину .Величина определяетсякак средневзвешенное значение уг­лавнутреннего трения грунтов, прорезаемыхсваями, (3.13)где и-соответственно углы внутреннего трения(для рас­четов по второму предельномусостоянию) и толщины слоев грунта,пройденных сваями от подошвы ростверка.Всобственный вес условного фундаментапри определении осадки включаются вессвай NCBиростверка ,атакже вес грунта вобъеме условного фундамента.Размерыподошвы условного фундамента определяютпо выра­жениям(3.14)(3.15)гдеb,а -размеры в пределах внешних гранейкрайних свай, м;l- глубина погружения сваи в грунт отниза ростверка, м.Определяетсяплощадь подошвы условного фундаментаАу=bуау,(3.16)18Производитсяпроверка условия, (3.17)где -расчетнаянагрузка по обрезу фундамента, кН;- вес ростверкаи свай;-весгрунта в пределах условного фундаментаАВСД;-расчетное сопротивление грунта науровне подошвы ус­ловного фундаментаАВСД, определяемого по формуле СНиП5.01.-01- 2002 [3, с.50] для размеров .Если условие(3.17) не соблюдается, то можно увеличитьрасстояние между сваями или применитьсваи большей длины.

Рис.3.2 – Схема к расчету осадки свайногофундамента

19

4. Расчет фундамента с применением пэвм

Длявторого сечения, указанного в задании,также необхо­димо определить размерыподошвы фундамента. Это можно осуществитьпометодике,изложеннойвп.2.3,либо расчетом с использованием ПЭВМ.

НаПЭВМ расчеты можно выполнить используяпрограммные продукты «Фундамент 10.1»либо «Мономах 4».

Примеррезультатов расчета

сиспользованием программы «Фундамент10.1».

Тип фундамента:

Cтолбчатый наестественном основании

1. – Исходные данные:

Тип грунта в основаниифундамента:

Пылевато-глинистые,крупнообломочные с пылевато-глинистымзаполнителем 0.25&ltIL&lt0.5

Тип расчёта:

Проверить заданный

Способ расчёта:

Расчёт основанияпо деформациям

Способ определенияхарактеристик грунта:

Фиксированное R

Конструктивнаясхема здания:

Жёсткая при2.5<(L/H)&lt4

Наличие подвала:

Нет

Исходные данные длярасчёта:

Расчётноесопротивление грунта основания 40 тс/м2

20

Высота фундамента(H) 2.7 м

Размеры подошвыфундамента: b= 1.8 м, a= 2.2 м

Глубина заложенияфундамента от уровня планировки (безподвала) (d) 2.3 м

Усреднённыйкоэффициент надёжности по нагрузке1.15

Расчетные нагрузкина фундамент:

НаименованиеВеличинаЕд. измеренияПримечанияN124.7тсMy3тс*мQx6.3тсMx0тс*мQy0тсq0тс/м2на грунт

Дата: 13-08-2014Просмотров: 1638Рейтинг: 31

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.Вернуться к оглавлениюВ 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 свайбольшое 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.Вернуться к оглавлению

Рисунок 2. Схема вычисления коэффициента.Для определения осадки одно- или двухрядных условных фундаментов можно воспользоваться формулой (СП50-102-2003)S=nδ0(1-ν2)/πE, (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.ν — коэффициент Пуассона. В соответствии со СНиП 2.02.01-83: для супесей равен 0,3, суглинков — 0,35, глин — 0,42, крупнообломочных грунтов ν=0,27.δ0— коэффициент, зависящий от коэффициента Пуассона.

Для его определения необходимо воспользоваться номограммами, приведенными на рис. 2.Схема видов свай.Поясним выполнение расчета по определению значения δ0на конкретном примере.Пусть слой грунта супесь с коэффициентом Пуассона ν=0,3. Для расчета необходимо определить приведенные значения ширины фундамента Впри 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 ν=0,3.Проводим через точку пересечения прямую, параллельную оси абсцисс и получаем значение δ0≈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.Вернуться к оглавлению

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 НСопределяют из условия:σzp=0,2 σzg, (4)где σzp— дополнительное напряжение, возникающее в грунте от веса сооружения (с учетом веса условного фундамента);σzg— напряжение в грунте от его собственного веса, естественно, возрастающее с глубиной.Если ниже границы ВС находится слой модулем деформации Е≤5 МПа, то значения НСопределяют из условия:σzp=0,1σzg, (5)На рис. 2 показаны:эпюра изменение напряжения от собственного веса грунта σzg;дополнительная прямая 0,2 σzg;эпюра изменения напряжения от веса сооружения σzg.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 0,2σzg.

Далее:на уровне NL σzg=0;на уровне FL σzg0= γ1d (γ1— удельный вес первого слоя, d — расстояние между уровнями NL и FL);на границе между 1 и 2 слоями σzg 1= σzg 0+ (h1-d) γ1(h1— толщина первого слоя);на границе между 2 и 3 слоем σzg 2 = σzg 1+ γ2h2;на подошве 3 слоя σzg 2 = σzg 2+ γ3h3.После по формуле:Si=0,8 σzрсрi·hi/Ei, (6)где Ei— модуль деформации i-го слоя;σzр срi— среднее напряжение, определяемое по формуле:σzрсрi=(σzрi— σzрi-1)/2Сдвиги, 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.

Источники:

• ustanovkasvai.ru
• studfiles.net
• moifundament.ru