12.2.6. Сейсмостойкость свайных фундаментов (ч.2)

А. РАСЧЕТ ЗАБИВНЫХ И НАБИВНЫХ СВАЙ (ч.2)

Влияние эксцентриситета вертикальной нагрузки на усилия в свае в зависимости от условий сопряжения свай с ростверком учитывается следующим образом:

а) для свай, защемленных в низкий ростверк, исключающий возможность поворота головы сваи, расчетные значения изгибающего момента и поперечной силы умножаются на коэффициент η_i, определяемый по формуле

где A₀, В₀, и С₀ — коэффициенты, принимаемые по табл. 2 приложения к СНиII II-17-77;

б) для свай, защемленных в высокий ростверк, конструкция которого исключает возможность поворота головы сваи, расчетные значения изгибающего момента и поперечной силы умножаются на коэффициент η_h, вычисляемый по зависимости

где

a₁ = a₃ – a₂a₄; ;

a₃ = A₀/α³_d + 2B₀l₀/α²_d + C₀l₀/α_d + l³₀/3;

a₄ = B₀/α²_d + C₀l₀/α_d + l²₀/2;

в) для свай, защемленных в низкий ростверк, конструкция которого не исключает возможности поворота головы сваи, расчетные значения изгибающего момента и поперечной силы, действующие на глубине z в сечении сваи, определяются по формулам:

где

у₀ — горизонтальное перемещение спаи на уровне поверхности грунта, соответствующее нагрузке F_h0; σ_z — боковое давление па грунт ни глубине z;

г) для свай, защемленных в высокий ростверк, конструкция которого не исключает возможности поворота головы сваи, расчетные значения изгибающих моментов и поперечной силы, действующие на глубине в сечениях сваи ниже поверхности грунта, вычисляются по формулам (12.81) и (12.82), где внешние воздействия принимаются равными внутренним усилиям в свае на уровне поверхности грунта M'₀ и F'_h0:

где u_r — горизонтальнее перемещение сваи на уровне подошвы ростверка;

Для наиболее распространенной конструкции свайного фундамента в сейсмических районах, когда сваи защемлены в низкий ростверк и возможность поворота головы сваи исключена, максимальные значения изгибающего момента M^b_max поперечной силы Q_max в сечении сваи на уровне подошвы находящегося на грунте ростверка можно определять по формулам:

где

Для забивных призматических свай, имеющих наибольшее распространение в промышленном и гражданском строительстве, эти вычисления были выполнены, и здесь приведены значения коэффициентов a_m и a_l для двух значений приведенной глубины. Для промежуточных значений d_p коэффициенты можно определять по интерполяции.

Коэффициенты a_m и a_l в формулах (12.89) и (12.79) зависят от приведенной глубины погружения сваи: a_m = 1,06 и a_l = 1,04 при d'_p = 2; a_m = 0,93 и a_l = 1,01 при d'_p = 4.

Испытания одиночной сваи горизонтальной статической нагрузкой для определения коэффициента деформации α_d производится без условной стабилизации перемещения на каждой ступени нагрузки, т.е. форсированным методом при постоянной скорости возрастания нагрузки с интервалом ее действия на каждой ступени 5 мин. Ступень нагрузки принимается равной 1/10–1/12 предполагаемой предельной нагрузки в испытаниях, при достижении которой горизонтальное перемещение сваи начинает непрерывно возрастать без увеличения нагрузки.

Коэффициент деформации α_d, м^–1, по результатам испытаний горизонтальной статической нагрузкой, приложенной на уровне поверхности грунта к одиночной свае, нижний конец которой не заделан в скалу, определяется по формуле

где

F_h0 — нагрузка, меньшая на одну ступень, чем предельная при испытаниях; E_bt — начальный модуль упругости бетона сваи при сжатии и растяжении, принимаемый в соответствии с главой СНиП II-21-75; А, В — коэффициенты, значения которых зависят от величины β: A = 1,34 и В = 0 при β ≥ 3; A = 1,14 и В = 0,67 при β < 3.

Проверка условий ограничения давления, передаваемого поверхностями сваи на грунт при особом сочетании нагрузок с учетом сейсмических воздействий, выполняется по следующей формуле:

где σ_p и σ_a — пассивное и активное давление грунта.

Для наиболее распространенной конструкции свайного фундамента в сейсмических районах, когда сваи с приведенной глубиной погружения d'_p ≥ 2 защемлены в низкий ростверк, исключающий возможность поворота головы сваи, давление, оказываемое боковыми поверхностями сваи на грунт, достигает максимального значения на глубине z = 1,2/α_d и определяется по уравнению

Несущая способность сван Φ_eq, работающей на сжимающую нагрузку, по результатам полевых испытаний должна определяться с учетом сейсмических воздействий по формуле

где Ф — несущая способность сваи, определенная по результатам статических или динамических испытаний либо по данным статического зондирования грунта (без учета сейсмических воздействий); k_c — коэффициент, равный отношению значений несущей способности сваи Ф, полученных вычислениями с учетом сейсмических воздействий и без их учета.

Для забивных призматических свай и свай-оболочек, а также для набивных свай, применяемых в грунтовых условиях, для которых значения коэффициента γ_eq приведены в табл. 12.9, коэффициент k_c, характеризующий снижение несущей способности сваи при сейсмических воздействиях, можно определить по выражению

где Ф^p_eq и Ф — несущая способность сваи на вертикальную сжимающую нагрузку, определяемая вычислениями с учетом и без учета сейсмических воздействий.

В случае применения набивных свай, забивных призматических свай и свай-оболочек в грунтовых условиях, не указанных в табл. 12.9, а также в случае применения других свай, коэффициент k_c следует определять по результатам полевых испытаний свай имитированными сейсмическими воздействиями по формуле

где γ₁, γ₂ — коэффициенты, учитывающие снижение несущей способности свои на вертикальную нагрузку при изменении напряженного состояния грунта в процессе прохождения сейсмических соля и при горизонтальных динамических воздействиях от раскачивания сооружения.

Коэффициент γ₁ определяется по результатам испытаний на сейсмовзрывные воздействия свай, загруженных вертикальной статической нагрузкой; коэффициент γ₂ — по результатам испытаний на горизонтальные динамические воздействия свай, загруженных вертикальной статической нагрузкой. Испытания свай и определение коэффициентов γ₁ и γ₂ производятся по специальной методике.

Расчеты свайных фундаментов с учетом сейсмических воздействий в просадочных грунтах, когда возможен подъем уровня природных вод в процессе эксплуатации зданий и сооружений, а также неизбежно по технологическим или другим условиям замачивание основания, должны проводиться применительно к полностью замоченному просадочному грунту в пределах прогнозируемого уровня подъема вод, а в случае возможности только местного аварийного замачивания части грунта просадочной толщи — применительно к состоянию просадочных грунтов природной влажности (без учета возможности их аварийного замачивания).

Пример 12.8. Требуется рассчитать на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических воздействий свайный фундамент секции крупнопанельного здания при расчетной сейсмичности 8 баллов. Сваи длиной 10 м и площадью сечения 30×30 см из бетона марки М300 с ненапрягаемой арматурой забиты дизель-молотом на глубину 9,5 м. Верхние концы свай жестко заделаны в ростверк, исключающий возможность поворота голов свай. Вертикальная и горизонтальная нагрузка на уровне поверхности грунта па спаю при особом сочетании нагрузок составляет соответственно N = 540 кН и Q = 45 кН, изгибающий момент M = 260 кН·м.

С поверхности на глубину 4 м залегает слой мягкопластичного суглинка (γ_I = 1,8 т/м³; (φ_I = 14°; с_I = 16 кН/м²; e = 0,85; I_L = 0,55),затем на глубину 4,5 м — тугопластичная глина (γ_I = 1,9 т/м³; φ_I = 22°; с_I = 57 кН/м²; e = 0,65; I_L = 0,30) и ниже — крупный песок (γ_I = 2 т/м³; φ_I = 31°; с_I = 1,5 кН/м²; e = 0,55), разведанный до глубины 7 м.

Решение. Определяем коэффициент деформации α_d по формуле (12.75) при следующих данных: начальный модуль упругости бетона Е = 2,6·10⁷ кH/м², момент инерции сечения I = 0,3⁴/12 = 6,75·10^–4 м⁴, условная рабочая ширина сваи b'_p = 1,5·0,3 + 0,5 = 0,95 м, коэффициент пропорциональности для верхнего слоя грунта (мягкопластичного суглинка) K = 4500 кН/м⁴. Тогда, подставив в формулу (12.75) численные значения, получим: α_d = 0,76 м^–1.

Длину верхнего участки сваи, вдоль которого сопротивление грунта на боковой поверхности не учитывается, находим по формуле (12.72):

h_p = 4/0,76 = 5,3 м.

Учитывать боковое сопротивление начинаем с глубины 5,3 м.

Несущую способность свай на осевую сжимающую нагрузку с учетом сейсмических воздействий вычисляем по формуле (12.71):

Φ_eq = 1,0(0,85 · 1,0 · 724 · 0,09 + 1,2 · 1,0)(0,9 · 4,2 · 2,0 + 0,9 · 4,4 · 1,2 + 0,85 · 6,34 · 1,0) = 765 кН.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю, 765/1,4 = 547 > 540 кН, что удовлетворяет требованиям расчета.

Усилия в свае определяем по формулам (12.87) и (12.88):

кН·м;

кН.

Проверку сечений железобетонной сваи по сопротивлению материала необходимо выполнить как для внецентренного сжатого элемента.

Проверяем условие ограничения давления, передаваемого на грунт боковыми поверхностями сваи. Максимальное значение давления определяем но формуле (12.93) (приведенная глубина погружения сваи d'_p > 4, коэффициент a_p = 0,05):

кН/м².

Максимального значения давление достигает на глубине z = 1,2/0,76 = 1,59 м. При проверке условии ограничения давления по формуле (12.92) воспользуемся выражением (14) приложения к СНиП II-17-77. Для верхнего слоя грунта (мягкопластичного суглинка) с учетом указаний п. 12.0 СНиП II-17-77 об уменьшении φ на 4° при сейсмичности 8 баллов принимаем φ = 14–4 = 10°. Тогда

24,7 кН/м² < (1,8 · 1,59 · 0,18 + 0,3 · 1,6)10 = 42 кН/м².

что удовлетворяет требованиям расчета.