Осадка свайного фундамента

Определение осадки – это расчет по деформациям (предельным состояниям) грунта. Оптимум – S ≤ Su, где Su – предельная осадка, S – расчетная.

Если это условие не соблюдается, нужно усиливать фундамент за счет увеличения длины свай таким образом, чтобы их концы опирались на более глубокие и устойчивые слои грунта.

Сваи создают нагрузку на грунт во всех направлениях, своей боковой поверхностью и нижними концами. На расчет нагрузок влияют следующие факторы:

• Свойства грунта, его сжимаемость, степень уплотнения.
• Длина свай.
• Количество.
• Расстояние между сваями.

При определении осадки принимается ряд допущений, облегчающих расчет, но снижающих его точность.

Осадка свайного фундамента

Избежать осадки основания на сваях, как и любого другого фундамента, крайне сложно. Это естественный процесс, связанный с продольными сжатиями почвы, а также горизонтальными сдвигами грунтов.

Если при строительстве были допущены оплошности и степень осадки больше допустимой, капитального ремонта основания просто не избежать.

Факторы, которые влияют на осадку фундамента, – это конструкция самой постройки и состав самой почвы. Хотя свайные основания отличаются повышенной стабильностью в любых грунтах, при повышенном содержании глины в них они становятся более пластичными и подвижными. Поэтому в этом случае необходимо тщательно рассчитывать длину свай.

На осадку фундамента влияет масса и размеры несущих стен и внутренних перегородок, наличие арок и т. д. Поэтому она может быть неравномерной с различных сторон строения, но тщательный подбор винтовых свай в соответствии с необходимой в каждом случае несущей способностью позволит избежать проседания конструкции.

При определении осадки считается, что нагрузка равномерно распределена по всему периметру основания, который считают монолитным блоком. Верхняя граница такого условного монолита проходит по оголовкам свайных изделий, нижняя – сквозь их наконечники, а боковые – по крайним рядам винтовых свай. Составленный таким образом разрез фундамента позволяет начертить график уплотняющих напряжений, которые способны выдержать слои грунта.

Допустимые осадки свайно-винтового фундамента приводятся в СНиП 2.02.1-83 и они определяются типом постройки:

• для панельных и блочных бескаркасных домов осадка максимальная осадка не должна превышать 10 см;
• для сооружений со стальным каркасом допускается максимальная осадка 12 см;
• для зданий из железобетона значение предельно допустимой осадки равно 8 см и т.д.

Расчет осадки методом послойного суммирования

Чаще всего осадку фундамента рассчитывают методом послойного суммирования. Он предполагает определение осадки отдельных слоев грунта, на которые давит фундамент.

Для этого используют формулу Si = h*m*P, где h – толщина слоя почвы, m – коэффициент сжимаемости почвы, который определяют в результате компрессионных экспериментов, P – среднестатистическое уплотняющее давление для каждого слоя. Затем полученные величины для каждого слоя Si складывают и получают общее значение осадки.

Более подробный алгоритм расчета по методу послойного суммирования выглядит таким образом (рисунок ):

1. Строят эпюру (график) P_zp, на которую наносят дополнительные напряжения (уплотняющие давления) на фундамент.
2. Строят график природных давлений P_ϫz, предварительно разделив чертеж графика на слои, при этом h_i должно быть меньше 0,4b.
3. Определяют осадку S_i отдельных слоев почвы, складывают эти величины и получают окончательную осадку фундамента по формулам:

Величина m_vi вычисляется в соответствии с данными компрессионных испытаний, а P_zi – по соответствующей эпюре как среднестатистическое дополнительное давление в i-м слое почвы.

Если мы знаем модуль общей деформации каждого слоя почвы E_i, то осадку можно рассчитать по формуле S = Σh_i*β/ E_i*P_zi, где коэффициент β согласно СНиП равен 0,8.

При использовании этого метода предусмотрена линейная зависимость между деформациями и напряжениями. Слои рассматривают непосредственно под центром фундамента, исходя из графика максимальных уплотняющих давлений. При построении зависимости P_zp не учитывается слоистость напластований, боковые расширения почвы, а напряжения принимаются во внимание только по вертикали. Выбираем уровень глубины, ниже которого деформации грунта по нашему предположению отсутствуют, исходя из соотношения P_zp меньше или равно 0,2P_ϫz (при E_i больше 5 МПа). При этой характеристике меньше 5 МПа P_zp меньше или равно 0,1P_ϫz.

Пример расчета свайного поля

Чтобы правильно рассчитать количество необходимых свай для строительства двухэтажного дома размером 6х12 из бруса размером 200х200, необходимо провести следующие расчеты:

1. Если для строительства необходимо 51,9 м 3 бруса, масса одного кубометра которого составляет 800 кг, получаем общий вес бруса: 51,9*800 = 41520 кг.
2. Нагрузка, которая приходится от одного этажа строения на фундамент (при расчетной полезной нагрузке, зависящей от количества проживающих в доме людей, составляет по нормативам 150 кг/м 2 ), составляет: 6*12*150 = 10800 кг. В случае двухэтажного дома эту нагрузку увеличивают вдвое и получают 21600 кг.
3. Примерная снеговая нагрузка (при значении норматива 180 кг/м 2 ) составит 6*12*180 = 12960 кг.
4. Складываем все массы: 41520 + 21600 + 12960 = 83 680 кг.
5. Если предельная допустимая нагрузка на сваю составляет 2500 кг, делим 83680 кг на 2500 кг и получаем необходимое количество свай – 34 штуки.

Расчет нагрузки и осадки свайно-винтового фундамента не требует специализированных инженерных знаний и доступен любому владельцу дома, который хочет сэкономить на услугах специализированных проектировочных фирм.

Как определить осадку свайного фундамента

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.

Для 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).

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)

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/см 2 =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.

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

Схема видов свай.

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

где h – расстояние от верхней до нижней границы условного фундамента. Если В_пр=2, а Н_{с пр}=0,3, то:

1. В левом графике рис. 1 проводим прямую параллельную оси абсцисс на уровне Н_с/h=2 до пересечения с линией В/h=0,3.
2. 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.
3. 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.
4. Проводим через точку пересечения прямую, параллельную оси абсцисс и получаем значение δ≈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/м 3 .

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 Н_С. 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 Н_С определяют из условия:

где σ_zp – дополнительное напряжение, возникающее в грунте от веса сооружения (с учетом веса условного фундамента);
σ_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 Н_С определяют из условия:

На рис. 2 показаны:

• эпюра изменение напряжения от собственного веса грунта σ_zg ;
• дополнительная прямая 0,2 σ_zg;
• эпюра изменения напряжения от веса сооружения σ_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 0,2σ_zg. Далее:

• на уровне NL σ_zg=0;
• на уровне FL σ_zg= γ₁d (γ₁ – удельный вес первого слоя, d – расстояние между уровнями NL и FL);
• на границе между 1 и 2 слоями σ_{zg 1} = σ_{zg 0}+ (h₁-d) γ₁ (h₁ – толщина первого слоя);
• на границе между 2 и 3 слоем σ_{zg 2} = σ_{zg 1} + γ₂h₂;
• на подошве 3 слоя σ_{zg 2} = σ_{zg 2} + γ₃h_3.

После по формуле:

где E_i – модуль деформации i-го слоя;
σ_{zр срi} – среднее напряжение, определяемое по формуле:

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.

Определение осадки свайного фундамента, расчет осадки свайного фундамента

Статья расскажет о том, что такое осадка свайного фундамента, какие факторы на нее влияют, а также о том, как выполняется расчет осадки свайного фундамента.

Содержание статьи:

Осадка свайного фундамента – это изменение уровня размещения свай в грунте, возникающее в процессе их эксплуатации.

Как правило, причиной осадки становятся ошибки в расчетах устойчивости фундамента к нагрузкам, допущенные на стадии проектирования. В результате в основании используются сваи с некорректными конструктивными параметрами: недостаточной длины или сечения (если речь идет о железобетонных конструкциях), с недостаточным диаметром или количеством лопастей (в случае с винтовыми конструкциями) и т.п.

Осадка может возникать под действием следующих факторов:

недостаточная несущая способность грунта;

излишние нагрузки на фундамент от массы здания, снегового и ветрового давления, эксплуатационных воздействий.

1. Расчет осадки свайно-винтового фундамента

Расчеты по деформациям свайного фундамента сводятся к определению осадки всего фундамента и отдельной сваи.

При расчете осадок группы свай необходимо учитывать их взаимное влияние. Данный расчет является весьма сложным, и задача решается с помощью трехмерного численного моделирования условного фундамента как анизотропного массива с учетом его конечной жесткости на сдвиг по вертикальным плоскостям.

Расчет осадки одиночных свай, прорезающих слой грунта, рассматривают как линейно-деформируемое полупространство, характеризуемое модулем сдвига G₂ и коэффициентом Пуассона v₂. При выполнении условии l/d > G₁l/G₂d > 1 (где l – длина сваи, м, d – наружный диаметр поперечного сечения ствола, м) осадку для винтовой сваи считают как для одиночной сваи с уширением пяты или сваи-стойки.

1.1. Расчет осадки одиночной сваи

Согласно СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» расчет осадки одиночных свай, прорезающих слой грунта с модулем сдвига G₁, МПа, коэффициентом Пуассона v₁ и опирающихся на грунт, рассматриваемый как линейно-деформируемое полупространство, характеризуемое модулем сдвига G₂ и коэффициентом Пуассона v₂, допускается производить при выполнении требований подраздела 7.2 и при условии l/d>5; G₁l/G₂d>1 (где l – длина сваи, м, d – наружный диаметр поперечного сечения ствола, м) по формуле:

, (7.36)

d_b – диаметр уширения сваи;

N – вертикальная нагрузка, передаваемая на сваю, МН;

EA – жесткость ствола сваи на сжатие, МН;

A – площадь поперечного сечения сваи;

v – коэффициент Пуассона.

Коэффициент Пуассона для грунта (коэффициент поперечного расширения или коэффициент поперечной деформации или Poisson’s ratio) – это показатель деформируемости грунта, характеризующий отношение поперечных и продольных деформаций грунта (то есть отношение относительных поперечных деформаций к относительным продольным деформациям грунта).

При отсутствии экспериментальных данных, значения коэффициента Пуассона можно принять по п.5.4.7.5 ГОСТ 12248-96:

для крупнообломочных грунтов равен 0,27;

для песка составляет от 0,30 до 0,35 (в зависимости от плотности);

для супеси составляет от 0,30 до 0,35 (в зависимости от плотности);

для суглинков составляет от 0,35 до 0,37 (в зависимости от плотности);

для твердой глины (при показателе текучести IL =0) составляет от 0,20 до 0,30 (в зависимости от плотности);

для полутвердой глины (при показателе текучести IL от 0 до 0,25) составляет от 0,30 до 0,38 (в зависимости от плотности);

для тугопластичной глины (при показателе текучести IL от 0,25 до 0,5) составляет от 0,38 до 0,45 (в зависимости от плотности);

для мягкопластичной глины (при показателе текучести IL от 0,5 до 0,75) составляет от 0,38 до 0,45 (в зависимости от плотности);

для текучепластичной глины (при показателе текучести IL от 0,75 до 1) составляет от 0,38 до 0,45 (в зависимости от плотности).

Меньшие значения коэффициента Пуассона необходимо применять при большей плотности грунта.

G – модуль сдвига, Мпа. Модулем сдвига называется характеристика деформируемости, определяемая отношением приложенного к грунту касательного напряжения к углу сдвига. Этот показатель используется при расчете устойчивости сооружений и массивов грунтов, давления грунтов на ограждения и подземные сооружения, при расчете осадок под свайными фундаментами.

Характеристики G₁ и v₁ принимаются осредненными для всех слоев грунта в пределах глубины погружения сваи, a G₂ и v₂ – в пределах 0,5 l, т.е. на глубинах от l до 1,5l от верха свай, при условии, что под нижними концами свай отсутствуют глинистые грунты текучей консистенции, органоминеральные и органические грунты.

Модуль сдвига грунта G = E / 2(1+v) допускается принимать равным 0,4E, а коэффициент k_v равным 2,0 (где E – модуль общей деформации).

Таким образом, расчет осадки свайного фундамента – достаточно сложная процедура, которая требует применения специальных знаний. Пренебрежение же данными расчетами может привести к негативным последствиям в процессе эксплуатации здания/сооружения.

Выполнение подробного расчета свайного фундамента на примере несущего ростверка

Отличительной особенностью выполнения расчета осадки свайного фундамента с несущим ростверком является обязательный учет уровня рассеивания вертикальных напряжений, которые возникают при контакте основания с ростверком в границах межсвайной площади.

Осадка фундамента измеряется не от полного наружного давления N, а от его доли, которая воспринимается группой плит основания как Ppf. В ситуации, когда глубина сжимаемой толщи грунта, расположенного глубоко под плоскостью ростверка, не превышает длину свай, напряжения, возникающие под его подошвой, рассеиваются, находясь в границах межсвайной площади. При этом они никак не влияют на напряженное состояние грунта на уровне нижних областей конструкции свай.

Анализирование инженерно-геологических условий строительных площадок в городе показывает, что, включая ростверк в работу, в большинстве случаев переход на более короткие сваи в сравнении со стандартными проектными решениями вполне возможен. При этом сжимаемая толща грунта в фундаменте превышает длину его плит Hc > L (рис. 1). На уровне нижних концов плит могут формироваться вспомогательные вертикальные напряжения ввиду взаимодействия ростверка с фундаментом Sдоп. Данные напряжения становятся причиной дополнительной осадки основания Sдоп. Осадка свайного фундамента наряду с несущим ростверком может быть определена по формуле 1: Sp = Kg х Sдоп.

Здесь Sp — осадка группы плит основания от нагрузки Ppf в соответствии с измерением согласно действующим ТНПА;

Sдоп — это вспомогательная осадка конструкции свай от напряжений, возникающих под подошвой ростверка в межсвайной площади.

Расчеты обусловлены тем условием, что Hc L), обязательно должна быть учтена вспомогательная осадка плиты по формуле 1.