УДК 004

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДИК РАСЧЕТА ОСАДКИ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

Мельников Виктор Алексеевич1, Алексеев Николай Сергеевич2, Ионов Константин Игоревич3
1ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, к.т.н., доцент
2ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, магистрант
3ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, магистрант

Аннотация
В статье рассматриваются различные методики расчета осадок свайных фундаментов описанные в нормативных документах - СНиП 2.02.03.-85 «Свайные фундаменты» и его актуализированной редакции СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты». Произведен расчет для висячих железобетонных свай, призматической формы, квадратного поперечного сечения с заостренным концом. В качестве нагрузки принято центральное воздействие без изгибающих моментом. Рассмотрен новый метод расчета осадки свайного фундамента состоящего из групп свай. Полученные результаты проанализированы и на их основании сделаны выводы.

Ключевые слова: методика расчета, несущая способность сваи, осадка, передаваемая на сваю, расчетная нагрузка, свайный фундамент


A COMPARATIVE ANALYSIS OF METHODOLOGIES FOR CALCULATING PRECIPITATION PILE FOUNDATIONS

Melnikov Victor Alekseevich1, Alekseev Nikolai Sergeyevich2, Ionov Konstantin Igorevich3
1VPO St. Petersburg State Polytechnic University, Ph.D., Associate Professor
2VPO St. Petersburg State Polytechnic University, undergraduate
3VPO St. Petersburg State Polytechnic University, undergraduate

Abstract
The article discusses different methods of calculating the sediment pile foundations described in the regulations - SNIP 2.02.03.-85 "Pile foundations" and the updated version of its SP 24.13330.2011 "Pile foundations." The calculation for hanging concrete piles, a prismatic shape, a square cross-section with a pointed end. The load taken a central impact without bending moments. A new method for calculating the rainfall pile foundation consisting of a group of piles. The results are analyzed on the basis of their conclusions.

Keywords: load-bearing capacity of the pile, method of calculation, pile foundation, settlement, the estimated load transmitted to the pile


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Мельников В.А., Алексеев Н.С., Ионов К.И. Сравнительный анализ методик расчета осадки свайных фундаментов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/09/57462 (дата обращения: 19.11.2016).

1. Введение

На современном этапе развития фундаментов одной из главных задач является повышение эффективности проектировочных решений, разработка экономически обоснованных и конкурентоспособных решений

В настоящее время большой размах приобретает строительство на слабых водонасыщенных грунтах, когда строители используют под объекты площадки, которые ранее признавались геологами невыгодными для возведения сооружений.

В сложных инженерно-геологических условиях свайный вариант зачастую оказывается единственно возможным видом фундаментов. Свайные фундаменты применятся в тех случаях, когда грунты основания представлены насыпью большой мощности, илистыми отложениями, связными грунтами в текучем и текуче-пластичном состоянии и т.п. [13, 15].

Так как затраты на устройство подземной части здания составляют до 25% от общей стоимости, снизить эти показатели позволяет применение более экономичных и индустриальных свайных фундаментов.

Важнейшим резервом повышения эффективности свайных фундаментов является совершенствование определения их осадок на стадии проектирования.

Сложность работы сваи в грунте делает невозможным создание математически строгой теории надежности расчета. Поэтому используются различные инженерные методики расчета. Используемая в настоящее время нормативная литература в области проектирования свайных фундаментов содержит недостаточно информации и позволяет получать неоднозначные результаты.

Целью данной работы является сравнение результатов расчета осадок свайных фундаментов здания каркасного типа в заданных геологических условиях. Параметры здания и геологический разрез приняты одинаковыми для того, чтобы выявить влияние различных теоретических подходов к расчету осадок в СНиП 2.02.03.-85 «Свайные фундаменты» и СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» (актуализированная редакция).

2. Расчет несущей способности свай
Характеристики грунтов и мощности слоев, слагающих грунтовое основание заданного сооружения, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Наименование грунта

Толщина слоя

W

C

E

G

ν

м

т/м3

-

-

град

МПа

-

1

Суглинок

5

2,74

1,80

0,20

0,6

14

0,01

6

2,22

0,35

2

Супесь

6

2,71

1,94

0,19

0,4

20

0,005

15

5,77

0,3

3

Глина

2

2,70

2,01

0,14

0,2

19

0,05

24

8,45

0,42

Расчеты проводятся по двум группам предельных состояний [2]:Будем рассматривать висячие железобетонные сваи, призматической формы, квадратного поперечного сечения с заостренным концом. При этом размеры поперечного сечения принимаем 40 х 40 см, длину сваи 13 м.

1) по несущей способности – по прочности материала свай и материала ростверка (ведется на основное сочетание расчетных нагрузок);
2) по деформациям – по осадкам оснований свай и свайных фундаментов от вертикальных нагрузок (на основное сочетание нормативных нагрузок).

Сваю в составе фундамента и вне его по несущей способности грунтов основания следует рассчитывать исходя из условия [6]:

                                                                                                                                                                                                                                            , (1)

где N — расчетная нагрузка, передаваемая на сваю (продольное усилие, возникающее в ней от расчетных нагрузок, действующих на фундамент при наиболее невыгодном их сочетании);

Fd — расчетная несущая способность грунта основания одиночной сваи, называемая в дальнейшем несущей способностью сваи;
— коэффициент условий работы, учитывающий повышение однородности грунтовых условий при применении свайных фундаментов, принимаемый равным 1,15 при кустовом расположении свай;
— коэффициент надежности по назначению (ответственности) сооружения, принимаемый равным 1,15;
— коэффициент надежности примем равным 1,4, т. к. несущая способность сваи определена расчетом.
Несущую способность Fd, висячей забивной сваи, погружаемой без выемки грунта, работающей на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле [6]:

                                                                                                                                                                                                                (2)

где c — коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый c = 1;
R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое по таблице (табл. 7.2 [4]): R =5360 кПа;
A — площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая равной площади поперечного сечения сваи: A=0,16 м2;
u — наружный периметр поперечного сечения сваи, м: u=1,6 м;
fi — удельное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, принимаемое по таблице (табл. 7.3, [4]) в зависимости от глубины Hи вида грунта на этой глубине;
Hi — глубина погружения средней точки i-го однородного участка грунта;
hi — толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м; 
cR ,cf — коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта (табл. 7.4, [4]): .
Определим fi и  и результаты сведём в таблицу 2:
Таблица 2

hi, м
Hi, м
fi, кПа
1
1,0
0,5
4
2
2,0
3,0
14
3
2,0
4,0
16
4
2,0
6,0
31
5
2,0
8,0
33
6
2,0
10,0
34
7
1,0
11,5
67,1
8
1,0
12,5
68,5

По формуле (2.2): 
У нас отсутствуют изгибающие моменты, т.е. свайный фундамент работает в условиях центрального нагружения. Тогда нагрузка, передаваемая на одну сваю, будет определяться по формуле:

 (3)

где - суммарная нагрузка на свайный куст;
- расчетная нагрузка, передаваемая на сваю.
Подставляя N в формулу 1, получаем:


Принимаем количество свай – 6.

Расстановка свай проводится с учетом их взаимного влияния по условию [4]:
расстояние между осями двух соседних свай:          


где d – линейный размер поперечного сечения сваи;
расстояние от оси крайней сваи до обреза ростверка:

 
Тогда окончательные размеры ростверка:

3. Расчет осадки свайного фундамента.

Расчет свай и свайных фундаментов по деформациям следует производить исходя из условия, что осадки здания не должны превышать предельных допустимых значений [4, 7, 8, 9, 11]:

s ≤ su                                                                                                                                                                                                                                                                            , (4)

где s — совместная деформация сваи, свайного фундамента и сооружения (осадка, перемещение, относительная разность осадок свай, свайных фундаментов и т.п.), определяемая расчетом;
su — предельное значение совместной деформации основания сваи, свайного фундамента и сооружения, устанавливаемое по указаниям СНиП [3].Осадка свайного фундамента как условного фундаментаРасчет осадки фундамента как условного является единственным методом для определения осадки в СНиП 2.02.03-85. Метод послойного суммирования заключается в том, что осадку грунта под действием нагрузки от сооружения определяют как сумму осадок элементарных слоев грунта такой толщины, для которых можно без большой погрешности принимать при расчетах средние значения действующих напряжений и средние значения характеризующих грунты коэффициентов [7, 12].

Определение осадки происходит в следующей последовательности:
1. Построение эпюры распределения напряжений от собственного веса здания:

 (5)

где - напряжение в пределах условного фундамента;
 - напряжение за пределами высоты условного фундамента;

2. Построение эпюры дополнительных напряжений.

Используем выражения:

 (6)

где α – коэффициент, зависящий от формы подошвы фундамента и координаты [1].
р – величина среднего давления по подошве фундамента.

3. Графическое определение величины сжимаемой зоны Hсж = 4,84 м (рис.2)

4. Графическое определение значения величины среднего давления на участке -.

5. Определение величины осадки каждого слоя по формуле [3]:

 (6)

где – безразмерный коэффициент, равный 0,8;
 - величина среднего напряжения в i-том слое грунта;
 - толщина i-того слоя;
 - модуль деформации i-того слоя.

Глубина активной зоны сжатия соответствует такой глубине, ниже которой деформациями грунтовой толщи (при расчете осадок фундамента заданных размеров) можно пренебречь [10].


Рисунок 1. Определение глубины сжатой зоны

7. Проверка полученного значения осадки по условию (4):

S=3,7 см Su = 8 см, – условие выполняется.

Основным недостатком данного метода является то, что в нем не учитывается взаимное влияние свай в кусте.

Расчет осадки свайного куста по СП 24.13330.2011
В 2011 году вышла актуализированная и гармонизированная редакция СНиП 2.02.03.-85. В качестве аналога данному нормативному документу был принят Европейский стандарт EN 1997-1:2004 (Е) «Еврокод 7»: Геотехническое проектирование – часть 1: Общие правила».
Одним из дополнений стал новый метод расчета осадок свайных фундаментов. Осадка одиночной сваи определяется с учетом модуля сдвига, как и в приложении к СП 50-102-2003, а для определения осадки группы свай представлены новые методики. Так же введены пределы применимости – осадки малой группы (n≤25) и большого свайного поля определяются по разному.

При расчете осадок малой группы свай необходимо учитывать их взаимное влияние. Расчет осадки i-й сваи в группе из n свай при известном распределении нагрузок между сваями производится по формуле [6]:

                                                                                                                                                                                                                (7)

где (N) — осадка одиночной сваи; 
δij — коэффициенты, рассчитываемые в зависимости от расстояния между i-й и j-й сваями; 
Nj — нагрузка на j-ю сваю.
Осадка одиночной сваи без уширения пяты определяется по формуле:

(8)

где - вертикальная нагрузка, передаваемая на сваю, N = 0,967 МН;
 - коэффициент, определяемый по формуле:

 (9)

здесь = 0,17ln(kνG1l/G2d) - коэффициент, соответствующий абсолютно жесткой свае;
 0,17ln(kν1l/d) - тот же коэффициент для случая однородного основания с характеристиками G1 и ;
 = EA/G1l2 - относительная жесткость сваи;
EA - жесткость ствола сваи на сжатие, МН; 
 - параметр, характеризующий увеличение осадки за счет сжатия ствола и определяемый по формуле:

(10)

где kνkν- коэффициенты, определяемые по формуле:

kν = 2,82 – 3,78ν + 2,18ν2 (11)

соответственно при ν(ν1 + ν2)/2 и при ν = ν1.

Характеристики G1 и ν1 принимаются осредненными для всех слоев грунта в пределах глубины погружения сваи, a G2 и ν2 - в пределах 0,5l, т.е. на глубинах от до 1,5от верха свай.
Осадка одиночной сваи:

м.

Чтобы найти осадку всего свайного куста, необходимо найти коэффициенты δij, учитывающие взаимное влияние свай:

если 
если 

Для свай номер 2, 3 и 5 значение будет одинаково, так как они находятся на одинаковом расстоянии от сваи 1 (рис. 1):


Для свай номер 4 и 6 коэффициент равен:



Рисунок 2. Схема расстановки свай и нумерация

Тогда общая осадка свайного куста равна:
м.

4. Выводы

Проведенные расчетные исследования позволяют сделать следующие выводы:

Осадка свайного фундамента, рассчитанного по СП, имеет меньшее значение, чем осадка, рассчитанная по СНиП. Это дает возможность запроектировать здание каркасного типа более надежной конструкции.

Расчет по СП дает также возможность получить экономию, применяя рациональные конструктивные решения.

Вместе с тем следует отметить, что данные сравнительные расчеты справедливы для определенных геологических условий.

5. Заключение

Следует заметить, что полученные результаты относятся к группам оснований, а которых несущая способность обеспечивается как боковой поверхностью так и острием. Характерный график работы сваи в таком основании представлен на рис. 3 (кривая I). 

Рисунок 3. Характерные графики работы свай

В слабых грунтовых основаниях несущая способность сваи определяется работой ее боковой поверхности (кривая II). Точка перелома на графике четко определяет предельную нагрузку на сваю.

В большинстве случаев работа свай характеризуется графиками, располагающимися между кривыми первого и второго типов.

По кривым типа I практически невозможно найти предельные величины сопротивления свай. А вопрос об определении их несущей способности носит чисто теоретический характер, так как эксплуатационная пригодность ограничена деформациями, которые наступают задолго до приложения предельных нагрузок.

С другой стороны известно, что осадки свай под длительной нагрузкой могут в несколько раз превышать осадки от действия той же нагрузки при кратковременных статических испытаниях. Поэтому при расчете конечных осадок в расчетах необходимо использовать модули деформации и прочностные характеристик грунтов, найденные из опытов с длительным действием нагрузок.


Библиографический список
  1. Костерин Э.В. Основания и фундаменты. –М.: Высшая школа, 1990.
  2. НИИОСП им. Герсиванова Госстроя СССР. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП2.02.01.-83.). –М.:Стройиздат., 1986.
  3. СНиП2.02.01.-83. Основания зданий и сооружений Госстрой СССР. –М.: Стройиздат., 1985.
  4. СНиП 2.02.03.-85. Свайные фундаменты. Госстрой СССР. –М.: ЦИТП Госстроя СССР., 1986.
  5. СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов
  6. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85.
  7. Бугров А. К. Механика грунтов. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007
  8. Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии). Учебник и учеб. пособ. д/высшей школы (вузы). Изд. 3-е. Лань: 2012. 415 с.
  9. Ухов С. Б., Семенов В. В., Знаменский В. В. Механика грунтов, основания и фундаменты. 4-е изд. под редакцией Ухова С. Б. 2007, 566 с.
  10. Флорин В. А. Основы механики грунтов. М.-Л.: Стройиздат, Т.1. 1959, Т. 2, 1961.
  11. Цытович Н. А. Механика грунтов (краткий курс). Учебник для вузов. 6-е изд. М.: Высшая школа, 2011. 272 с.
  12. Баданин А.Н., Нурумбаева Л.М. Особенности современного расчета фундаментов по II группе предельных состояний// Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013, №4 (9). C. 36-41.
  13. Крутов В.И. Об особенностях проектирования свайных фундаментов на просадочных грунтах по СП 24.13330.2011.// «ОФМГ». – 2012. – №4.
  14. Мельников  В.А. Основания и фундаменты. Свайные фундаменты: инженерно-геологическое обоснование, определение размеров, расчет осадок: метод.указания /  . – СПб.:Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 20 с.
  15. Берлинов М.В., Ягупов Б.А. Примеры расчета оснований и фундаментов. Учеб. для техникумов. – М.: Стройиздат, 1986. – 173 с.
  16. Ватин Н.И. и др. Устройство свайных фундаментов: Учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та., 2012. – 221 с.
  17. Алексеев С.И. Основания и фундаменты: Учебное пособие. СПб.: Изд-во ПГУПС, 2007. – 111 с.
  18. BALESHWAR SINGH, NINGOMBAM THOIBA SINGH INFLUENCE OF PILES ON LOADSETTLEMENT BEHAVIOUR OF RAFT FOUNDATION, [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: http://www.ijest.info/docs/IJEST11-03-12-171.pdf


Все статьи автора «Алексеев Николай Сергеевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация