12.2.6. Сейсмостойкость свайных фундаментов (ч.4)

В. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ПОДУШКОЙ

Свайные фундаменты с промежуточной подушкой применяются в сейсмических районах в тех же грунтовых условиях, в каких применяются обычные свайные фундаменты. Следует отметить, что оба эти типа фундаментов конкурентоспособны между собой и должны применяться на основании технико-экономического обоснования.

Свайные фундаменты с промежуточной подушкой часто могут оказаться экономически более целесообразными, чем традиционные свайные фундаменты. Для того чтобы свайные фундаменты с промежуточной подушкой обеспечивали восприятие и распределение сейсмических нагрузок требуемым образом, необходимы определенные соотношения между размерами свай, оголовков и промежуточной подушки. В связи с этим толщина промежуточной подушки над оголовками свай назначается в зависимости от расчетной нагрузки, приходящейся на одну сваю, и составляет 40 см при нагрузках до 600 кН и 60 см при нагрузках более 600 кН. Размеры промежуточной подушки в плане должны быть больше размеров фундаментного блока не менее чем на 30 см в каждую сторону. Размеры фундаментного блока в плане, должны быть не менее размеров свайного куста по наружным граням оголовков. Независимо от формы поперечного сечения сваи оголовки могут приниматься квадратной формы в плане, при этом длина стороны оголовка должна находиться в пределах

где а — длина стороны оголовка, см; b_p — диаметр круглого, или длина стороны квадратного, или длина большей стороны прямоугольного поперечного сечения ствола сваи, см; l_i — расстояние между осями свай, см.

Толщина железобетонного оголовка над плоскостью торца сваи должна быть не менее a – b_p.

Порядок устройства этих фундаментов может быть принят следующим: сначала разрабатывают котлован (приямки, траншеи), в который погружают забивные сваи или в котором изготовляют набивные сваи. Затем бетонируют оголовки. После того, как бетон оголовков наберет достаточную прочность, отсыпают промежуточную подушку с послойным уплотнением: первый слой отсыпают таким образом, чтобы его толщина над оголовками составляла 20 см, толщина следующих слоев должна быть не более 10–15 см. Когда подушка отсыпана до проектной отметки, на ней устраивается монолитный или сборный фундаментный блок.

Требования по контролю плотности промежуточной подушки являются важными и следует подчеркнуть, что их необходимо строго выдерживать. Промежуточная подушка является существенным элементом рассматриваемой конструкции свайного фундамента, она воспринимает и передает значительные нагрузки и в процессе эксплуатации может подвергаться действию разнообразных факторов (например, динамические нагрузки, подземные воды и пр.). Следовательно, прочность подушки должна быть достаточно высокой, в связи с чем ее необходимо уплотнять до максимально возможного значения плотности для принятого материала подушки. При расчете по первому предельному состоянию следует выполнять обычное условие, в соответствии с которым несущая способность фундамента должна быть не меньше действующей на него нагрузки (как при основном, так и при особом сочетании нагрузок).

Поскольку значительные горизонтальные сейсмические нагрузки на сваи не передаются, то и расчет сваи на воздействие горизонтальных сил не производится. Расчет рассматриваемых фундаментов на сейсмические нагрузки сводится к проверке здания на сдвиг по подошве фундаментного блока, при этом коэффициент трения бетона по поверхности промежуточной подушки принимается равным 0,4, а коэффициент запаса на сдвиг — не менее 1,2. Кроме того, необходимо произвести проверку общей устойчивости на опрокидывание относительно фундаментного блока. При воздействии моментных нагрузок на фундамент необходимо, чтобы расстояние от края подошвы блока до нулевой ординаты треугольной эпюры давления сжатия не превышало 1/3 ширины подошвы в направлении действия момента. При расчете свайных фундаментов с промежуточной подушкой рекомендуется среднее давление на контакте промежуточной подушки и сваи (отношение расчетной нагрузки, приходящейся на одну сваю, к площади ее контакта с промежуточной подушкой) назначать таким, чтобы оно не превосходило 2,5 МПа. В необходимых случаях для увеличения площади контакта, т.е. уменьшения среднего давления, следует устраивать на сваях железобетонные оголовки. Расчет оголовков выполняется на действие равномерно распределенной нагрузки, равной среднему давлению на контакте с промежуточной подушкой.

Фундаментный блок рассчитывается как ростверк свайного фундамента, при этом предполагается, что подошва блока опирается непосредственно на сваи.

Свайные фундаменты с промежуточной подушкой, кроме того, должны отвечать требованиям расчета по деформациям при основном сочетании нагрузок. Осадка фундаментного блока под нагрузкой определяется как сумма осадок промежуточной подушки s_t и свайного куста s_p:

при этом осадка свайного куста определяется в соответствии с указаниями гл. 8 Справочника, а осадка промежуточной подушки — по формуле

,

где Nⁿ_p — нормативная вертикальная нагрузка, действующая на фундамент на уровне низа промежуточной подушки при основном сочетании нагрузок; h_t — толщина промежуточной подушки над оголовками свай; ΣA_h — площадь всех оголовков свай; Е — модуль деформации уплотненной промежуточной подушки, в зависимости от материала подушки принимаемый равным: для песка средней крупности 15 МПа, для крупного песка и известкового щебня 20 МПа, для гранитного щебня 40 МПа; и случае применения других материалов значение Е можно принимать равным половине значения модуля деформации, определенного в приборе трехосного сжатия.

Пример 12.9. Требуется рассчитать свайный фундамент с промежуточной подушкой под колонну производственного здания, возводимого на площадке с расчетной сейсмичностью 8 баллов. Расчетные нагрузки, действующие по верхнему обрезу фундамента, составляют: при основном сочетании N = 1900 кН; M = 120 кН·м; F_h = 80 кН; при особом сочетании N = 1600 кН; M = 300 кН·м; F_h = 200 кН. С поверхности до глубины 7 м залегает слой мягкопластичного суглинка (I_L = 0,6), подстилаемый крупными плотными песками.

Сваи забивные железобетонные сечением 30×30 см и длиной 8 м. Несущая способность свай с учетом дополнительного коэффициента условий работы (промежуточная подушки подстилается суглинком с I_L = 0,6 < 0,75), составляет 1050 кН.

Решение. Нагрузка, допускаемая на сваю 1050/1,4 = 750 кН.

Принимаем куст из четырех свай с расстоянием между осями свай 0,9 м. Для вычисления собственного веса фундамента назначаем размер подошвы фундаментного блока 1,5×1,5 м, его высоту 1,2 м, толщину промежуточной подушки 0,6 м. Тогда вертикальная нагрузка на фундамент и момент на уровне подошвы фундаментного блока при особом сочетании соответственно составляют: N = 1703 кН; M = 540 кН·м.

Расчетную нагрузку на сваю определяем но формуле (26) СНиП II-17-77:

;

N'_max = 725 кН; N'_min = 125 кН > 0.

Таким образом, максимальная погрузка на само меньше расчетной допускаемой, а минимальная нагрузка положительна, т.е. отрыва подошвы не происходит.

Площадь оголовка в плане должка быть не менее N'_max/2500 = 725/2500 = 0,29 м² = 2900 см². Принимаем квадратные оголовки с длиной стороны a = 55 см и площадью 3025 см² > 2900 см², в этом случае удовлетворяется условие (12.106). Площадь оголовка на всех четырех сваях составляет ΣA_h = 3025·4 = 12 100 см².

Толщину оголовка над плоскостью торца сваи принимаем равной 30 см, что больше, чем a – b = 55 – 20 = 25 см. Свая заводится в оголовок на 10 см.

Толщину промежуточной подушки оставляем равной 60 см, поскольку вертикальная нагрузка, приходящаяся на сваю, больше 600 кН. Подушка выполняется из известкового щебня фракции 20—40 мм с модулем деформации E = 20 МПа. Конструктивная схема фундамента показана на рис. 12.17.

Проверяем фундамент на сдвиг по подошве фундаментного блока. Сдвигающая нагрузка равна 200 кН. удерживающая сила при коэффициенте трения между фундаментным блоком и подушкой, равном 0,4 составляет 1600·0,4 = 640 кН. Коэффициент запаса на сдвиг определяется как отношение удерживающего и сдвигающего усилий, т.е. 640/200 = 3,2 > 1,2.

Для расчета по деформациям выделяем нормативную вертикальную нагрузку при основном сочетании учетом собственного веса фундамента, равного 103 кН. принимаем осредненный коэффициент перехода к нормативным нагрузкам, равным 1,15:

N_n = (1900 + 103)/1,15 = 1740 кН.

Осадку промежуточной подушки определяем по формуле (12.107):

 = 0,043 м = 4,3 см.

Осадка свайного куста составляет s_p = 2,9 см. Общая осадка фундамента s = 4,3 + 2,9 = 7,2 см, что меньше допустимой для данного типа зданий осадки, равной 8 см.