КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ОСНОВАНИЯМ И ФУНДАМЕНТАМ 1.1. Основные сведения. 7

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ОСНОВАНИЯМ И ФУНДАМЕНТАМ

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ. 4

Порядок проектирования ОиФ.. 6

§1. ФУНДАМЕНТЫ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ.. 7

1.1. Основные сведения. 7

1.2. Конструкции фундаментов мелкого заложения. 9

1.2. а. Отдельные фундаменты.. 9

1.2. б. Ленточные фундаменты.. 11

1.2. в. Сплошные фундаменты.. 13

1.2. г. Массивные фундаменты.. 14

1.3. Расчет фундаментов мелкого заложения. 15

1.3.а. Определение глубины заложения фундамента. 15

1.3.б Форма и размер подошвы фундамента. 20

1.3.д. Проверка давления на слабый подстилающий слой грунта (проверка подстилающего слоя). 26

1.3.е. Расчет фундаментов на грунтовых (песчаных) подушках. 28

1.3.ж. Последовательность расчета фундамента на песчаной подушке. 29

1.4 Защита фундаментов и заглубленных помещений от подземных вод и сырости. 30

1.4.а Отвод дождевых и талых вод. 31

1.4.б. Дренаж.. 31

§2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОТЛОВАНОВ.. 37

2.1 Общие положения. 37

2.2. Обеспечение устойчивости стенок котлованов. 39

2.2.а Котлованы с естественными откосами. 39

2.2.б Котлованы с вертикальными стенками. 39

2.2.в. Закладные крепления. 40

2.2.г. Анкерные и подкосные крепления. 41

2.2.д. Шпунтовые ограждения. 41

2.2.е. Расчет шпунтовых ограждений. 44

2.3 Защита котлованов от подтопления. 49

§3 ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ОСНОВАНИЙ (ГРУНТОВ) 54

3.1 Общие положения. 54

3.2 Конструктивные мероприятия. 57

3.2.а. Грунтовые подушки. 57

3.2.б. Шпунтовые конструкции. 57

3.2.в. Армирование грунта. 58

3.2.г. Боковые пригрузки. 58

3.3. Уплотнение грунтов. 59

3.3.а. Укатка и вибрирование. 60

3.3.б. Трамбовка. 61

3.3.в. Подводные взрывы.. 64

3.3.г. Вытрамбовывание котлованов. 64

3.3.д. Песчаные сваи. 66

3.3.д. Глубинное виброуплотнение. 69

3.3.е. Предварительное уплотнение оснований статической нагрузкой. 71

3.3.ж. Уплотнение грунта водопонижением.. 73

3.4. Закрепление грунтов. 73

3.4.а Цементация. 74

3.4.б Силикатизация. 74

3.4.в Смолизация. 76

3.4.г Глинизация и битумизация. 77

3.4.д Термическое закрепление грунтов (обжиг) 77

§4 ФУНДАМЕНТЫ ГЛУБИННОГО ЗАЛОЖЕНИЯ (ФГЗ) 79

4.1 Введение. 79

4.2 Опускные колодцы.. 79

4.3 Кессоны.. 90

4.4 Тонкостенные оболочки и буровые опоры.. 92

4.4 Буровые опоры.. 95

4.5 Стена в грунте. 95

4.5.а. Грунтовые анкера. 98

§5 СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ.. 103

5.1. Основные положения и классификация. 103

5.2. Способы погружения готовых свай в грунт. 111

5.2.а Забивные сваи. 111

5.2.б Вибропогружение. 112

5.2.в Вдавливание. 113

5.2.г Ввинчивание. 113

5.3 Сваи, изготовляемые в грунте (на месте): буровые, набивные, буронабивные сваи. 113

5.3.а. Сваи без оболочки. 113

5.3.б. Сваи с извлекаемой оболочкой. 116

5.3.в. Сваи с не извлекаемой оболочкой. 117

5.4. Взаимодействие свай с окружающим грунтом.. 118

5.5. Определение несущей способности одиночной сваи при действии вертикальной нагрузки 123

5.5.а. Сваи-стойки. 123

5.5.б. Висячие сваи. 125

5.6. Расчет НС свай при действии горизонтальных нагрузок. 131

5.6.а. Метод испытания сваи пробной статической нагрузкой. 132

5.6.б. Математические методы расчета свай на горизонтальную нагрузку. 132

5.7. Проектирование и расчет свайных фундаментов. 133

5.7.а Основные положения расчета. 134

5.7.б Определение числа свай в фундаменте и размещение их в плане. 134

5.7.в. Расчет осадки свайного фундамента. 137

§ 6. ФУНДАМЕНТЫ НА СТРУКТУРНО-НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТАХ.. 139

6.1. Общие положения. 139

6.2. Фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов. 140

6.2.а. Механические свойства мерзлых грунтов. 140

Из каждого опыта определяется коэффициент Просадочности. 141

6.2.б. Принципы строительства на вечномерзлых грунтах. 141

6.2. Фундаменты на лессовых и просадочных фундаментах. 145

6.2.а. Принципы строительства на просадочных грунтах. 148

6.2.б. Улучшение строительных свойств просадочных грунтов. 149

6.3 Фундаменты на набухающих грунтах. 150

6.3.а. Водозащитные мероприятия. 151

6.3.б. Улучшение свойств оснований. 151

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Фундамент – это подземная часть сооружений, которая воспринимает нагрузку от его надземной части и передает ее на основание.

- Мировой опыт строительства показывает, что большинство аварий построенных зданий и сооружений вызвано ошибками, связанными с возведением фундаментов и устройством оснований, что проявляется в накоплении грунтами основания достаточных деформаций, т.е. как правило в период эксплуатации.

- Стоимость фундаментов составляет в среднем 12% от стоимости строительства, а в сложных ИГУ может достигать 20-30 % и более. Поэтому необходимо уметь принимать (проектировать) абсолютно обоснованные и экономически выгодные конструктивные решения фундаментов.

Основанием называют толщу грунтов, на которых возводится сооружение и в которых возникают напряжения и деформации от передаваемых на них нагрузок.

 

Рис Основание и фундамент

Таким образом, проектирование оснований и фундаментов должно включать в себя обоснованный расчетом выбор типа основания (естественное или искусственное); типа конструкции, материала и размеров фундаментов (глубина заложения, размеры, площади подошвы и т.д.), а так же мероприятий, применяемых при необходимости уменьшения влияния деформаций основания на эксплуатационную пригодность и долговечность сооружения.

- Конструирование фундаментов (класс бетона, выбор арматуры, определение размеров отдельных его частей и т.п.) относится к курсу железобетонных конструкций.

Основания:

I. Скальные.

Массивная горная порода, обладающая большой прочностью и малой сжимаемостью.

Изучением свойств скальных оснований и их поведением под нагрузкой занимается наука «Механика скальных грунтов».

II. Грунтовые.

Раздробленная горная порода (минерально-дисперстное образование) – результат физического и химического выветривания массивных горных пород.

Грунтовое основание обладает большой сжимаемость и малой прочностью, что необходимо учитывать при проектировании.

- Проектирование ОиФ производится в соответствии с нормативными документами.

При этом необходимо:

1) Обеспечить прочность и эксплуатационную надежность сооружения (абсолютные осадки, а также их разность, не должны превышать допускаемые для данных сооружений), т.е. S≤S_u.

2) Максимально использовать прочностные свойства грунтов, а также материалов фундаментов.

3) Минимальная стоимость фундамента, сокращение трудоемкости и сроков производства работ.

 

Порядок проектирования ОиФ

2. Произвести анализ проектируемого здания с точки зрения оценки его чувствительности к неравномерным осадкам. 3. Определить нагрузки на фундаменты. 4. Выбрать несущий слой грунта.

ФУНДАМЕНТЫ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

 

Основные сведения

ФМЗ ФМЗ возводятся в открытых котлованах или в специальных выемках, устраиваемых в…  

Конструкции фундаментов мелкого заложения

А. Отдельные фундаменты

- Фундаменты имеют наклонную боковую грань или, что чаще, уширяются к подошве уступами, размеры которых определяются углом жесткости α…    

Б. Ленточные фундаменты

     

В. Сплошные фундаменты

Выполняются, как правило, из монолитного железобетона. - По конструктивным особенностям различают: · Плитные (гладкие, ребристые);

Г. Массивные фундаменты

Выполняются в монолитном варианте. С целью сокращения объема бетона в тело массивного фундамента закладывают… При передаче на такой фундамент больших моментов (мачты, дымовые трубы и т.п.) целесообразно его усиление анкерами,…

Расчет фундаментов мелкого заложения

Далее производят расчет по двум предельным состояниям: I – Расчет по прочности (устойчивость) II – Расчет по деформациям, которые являются основным и обязательным для всех ФМЗ.

А. Определение глубины заложения фундамента

Очевидно, что чем меньше глубина заложения фундамента, тем меньше объем затрачиваемого материала и ниже стоимость его возведения. Однако при выборе… - Геологическое строение участка и его гидрогеология (наличие воды); - Глубина сезонного промерзания грунта;

Б Форма и размер подошвы фундамента

Форма бывает любая (круглая, кольцевая, многоугольная, квадратная, прямоугольная, ленточная, табровая, крестообразная и более сложная форма), но,… Площадь подошвы предварительно может быть определена из условия: PII ≤ R, где

В. Внецентренно нагруженные фундаменты

Это такие фундаменты, у которых равнодействующая внешних нагрузок (сил) не проходит через центр тяжести его подошвы. Давление на грунт по подошве внецентренно нагруженного фундамента принимается…  

Г. Порядок расчета внеценренно нагруженного фундамента

1. Определяют размеры подошвы как для ценрально нагруженного фундамента.

;

2. Для принятых размеров подошвы определяют краевые напряжения при внецентренном приложении нагрузки

 

3. Проверяется условие

4. Если равнодействующая сил смещена относительно обеих осей, тогда еще определяют краевые напряжения в угловых точках фундамента

 

5. Проверяют условие

 

Д. Проверка давления на слабый подстилающий слой грунта (проверка подстилающего слоя).

  Рис. Необходимо, чтобы полное давление на кровлю подстилающего слоя не превышало его расчетного сопротивления, т.е.

Защита фундаментов и заглубленных помещений от подземных вод и сырости

Необходимость защиты фундаментов от подземных вод и сырости вызвана тем негативным воздействием, которое они оказывают на состояние строительных… Три основные группы способов защиты заглубления помещений от вредного… - Отвод дождевых и талых вод;

Б. Дренаж

Дренажи могут устраиваться как для одного здания (кольцевой дренаж), так и для комплекса зданий (систематической дренаж), что более экономично, за… Виды дренажей: - Траншейные;

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОТЛОВАНОВ

 

Общие положения

· Выемки, имеющие малую ширину и большую длину, называют траншеями, а имеющие малые размеры в плане и большую глубину – шахтами. - Проект котлована является составной частью общего проекта здания или… - чертеж котлована;

Обеспечение устойчивости стенок котлованов

В зависимости от глубины котлована, грунтовых условий и УГВ, котлованы устраивают либо с естественными откосами либо применяют те или иные методы их крепления.

 

А Котлованы с естественными откосами

Устраивают в сухих и маловлажных устойчивых грунтах. Если высота котлована hк≤5 м, то заложение откоса (отношение hк/b)… Если высота hк>5 м, то необходим расчет крутизны откоса.

Б Котлованы с вертикальными стенками

могут быть: - с креплением - без крепления Без крепления допускается только в сухих и маловлажных устойчивых грунтах на непродолжительный срок. Глубина таких…

В. Закладные крепления

Устраивают при глубине котлована до 2…4 м в сухих и маловлажных грунтах (рис. 14.2 а, б). Закладное крепление состоит из стоек, распорок и… Рис. 14.2. Крепление вертикальных стенок выемок:

Г. Анкерные и подкосные крепления

Устраивают в тех случаях когда исключается возможность установки распорок (широкий котлован, так же если распорки мешают возведению фундамента). Для устройства анкерных (рис. 14.2 в) креплений вдоль стенки котлована… В подкосном креплении (рис. 14.2 г) стенки удерживаются подкосами передающими сдвигающие усилия на упор, забиваемый у…

Д. Шпунтовые ограждения

Служат для крепления вертикальных стен котлована при глубине более 4-х метров, а также при любой глубине, но при уровне подземных вод выше дна… Шпунтовые ограждения состоят из отдельных элементов (шпунтин), которые…

Е. Расчет шпунтовых ограждений

- Подавляющее большинство методов основано на классической теории предельного равновесия грунтов (Ea, Eп, Eо) Рис. 14.6. Работа безанкерной шпунтовой стенки:

Защита котлованов от подтопления

· Для защиты котлованов от подтопления используют следующие группы методов: - водопонижение; - противофильтрационные завесы;

ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ОСНОВАНИЙ (ГРУНТОВ)

Общие положения

За последние годы наблюдается неуклонное увеличение объема строительства в сложных ИГУ. Все чаще для строительства используются площадки, сложенные… Особую проблему составляют т.н. региональные грунты, обладающие специфическими… - вечномерзлые грунты;

Конструктивные мероприятия

· Замена грунта основания (грунтовые подушки)

· Шпунтовые ограждения

· Армирование грунтов

· Боковые пригрузки

А. Грунтовые подушки

 

Если в основании залегают слабые грунты и их использование оказывается невозможным или нецелесообразным, то возможно экономичной может оказаться замена слабого грунта другим, т.е. применяют т.н. грунтовые подушки.

Все основные выкладки, расчеты и замечания касательно применения и проектирования грунтовых (песчаных) подушек см. ранее стр.24

Б. Шпунтовые конструкции

используются для улучшения условий работы грунтов как ограждающие элементы в основания сооружений Шпунт погружают через толщу слабых грунтов в относительно плотный грунт. И на… Такое технической решение исключает возможность выпирания грунта в сторону из-под фундамента, т.е. увеличивает его…

В. Армирование грунта

Метод армирования грунта заключается в введении в него специальных, армирующих элементов, уменьшающих его сжимаемость и увеличивающих его прочность.…  

Г. Боковые пригрузки

 

Устройством пригрузок основания и низовой части откосов можно повысить устойчивость откосов, а также основание грунта под ее подошвой. Пригрузки выполняются из крупнообломочных или песчаных грунтов

Рис. 12.4. Увеличение устойчивости насыпи на слабых грунтах методом боковой пригрузки:

1 – слабый грунт; 2 – боковая пригрузка; 3 – насыпь.

Уплотнение грунтов

Методы уплотнения грунтов подразделяют на: - поверхностные, когда уплотняющие воздействия прикладываются на поверхности и… - глубинные, когда уплотняющие воздействия передаются значительные по глубине участки грунтового массива.

А. Укатка и вибрирование

Уплотнение укаткой производится самоходными и прицепными катками на пневматическом ходу, гружеными скреперами, автомашинами, тракторами. Помимо… За уплотненную зону hсom принимают толщу грунта, в пределах которой плотность…  

Б. Трамбовка

-Ручные легкие трамбовки (при ограниченном фронте работ) -Тяжелые трамбовки  

В. Подводные взрывы

    Рис. Схема уплотнения рыхлых песчаных грунтов подводными взрывами

Г. Вытрамбовывание котлованов

Метод заключается в образовании в грунтовом массиве полости путем сбрасывания в одно и то же место трамбовки, имеющей форму будущего фундамента.… Метод эффективен тем, что во время вытрамбовывания, грунт вокруг образуемой…  

Д. Песчаные сваи

применяются для уплотнения сильно сжимаемых пылевато-глинистых грунтов, рыхлых песков, заторфованных грунтов на глубину до 18…20(м). (см. рис.…  

Грунтовые сваи

Суть метода: устраивается вертикальная скважина (полость) путем погружения металлической трубы (пробойника) d≈40(см), которая затем засыпается… В результате образуется массив уплотненного грунта, характеризующийся…  

Д. Глубинное виброуплотнение

Применяют для уплотнения рыхлых песчаных грунтов естественного залегания, а также при укладке насыпных несвязных грунтов, устройстве обратных…  

Е. Предварительное уплотнение оснований статической нагрузкой

Используют для уплотнения (улучшения строительных свойств) слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов и торфов, но на небольших площадках. … Рис. Схема уплотнения статической нагрузкой

Ж. Уплотнение грунта водопонижением

Метод эффективен при уплотнении водонасыщенных грунтов (лучше мелкие или пылеватые пески) на больших площадях.    

Закрепление грунтов

Базируется на искусственном преобразовании строительных свойств грунтов (создание более прочных связей между частицами) в условиях их естественного залегания разнообразными физико-химическими методами.

Это достигается за счет инъецирования в грунт и последующего твердения определенных реагентов. Важным условием применимости инъекционных методов закрепления является достаточно высокая проницаемость грунтов.

 

А Цементация

Метод служит для закрепления (упрочнения) насыпных грунтов, галечниковых отложений, средних и крупнозернистых песков (сухих и влажных при Кф>80…    

Б Силикатизация

Применяется для химического закрепления песков с Кф=0,5…80 м/сут, макропористых глинистых просадочных грунтов с Кф=0,2…2 м/сут (лессы), и отдельных…  

В Смолизация

– закрепление грунтов смолами.Сущность метода заключатся во введении в грунт высокомолекулярных органических соединений типа карбамидных,… Через определенное время в результате взаимодействия с отвердителями смола… Время гелеобразования 1,5…2,5 часа, полное упрочнение происходит после двух суток. Смолизация эффективна в сухих и…

Г Глинизация и битумизация

Глинизацию применяют для уменьшения водопроницаемости песков. Через инъекторы в песок нагнетается водная суспензия бетонитовой глины с содержанием… Битумизацию применяют в основном для уменьшения водопроницаемости, закрепления… Через скважины в скальный массив нагнетается расплавленный битум (или специальные его эмульсии). Происходит заполнение…

Д Термическое закрепление грунтов (обжиг)

 

Применяют для упрочнения сухих макропористых пылевато-глинистых грунтов, обладающих газопроницаемостью (лессы).

Сущность: через грунт в течение нескольких суток (5…12 суток) пропускают раскаленный воздух или газы. Под действием высокой температуры (t≈800˚C) отдельные минералы, входящие в состав скелета, оплавляются. В результате этого образуются прочные водостойкие структурные связи между частицами.

При обжиге грунты теряют большую часть химически связанной воды, что уменьшает просадочность, размокаемость, способность к набуханию. В результате термической обработки получается упрочненный конусообразный массив грунта d поверху 1,5…2,5м понизу 0,2…0,4м глубина 8…10м.

 

 

Рис.12.15. Схемы термического закрепления грунтов при сжигании топлива в устье скважины (а) и при передвижении камеры сгорания вдоль скважины (б):

1 – трубопровод для жидкого топлива; 2 – то же, для воздуха; 3 – форсунка; 4 – затвор с камерой сгорания; 5 – скважина; 6 – просадочный лессовый грунт; 7 – зона термического закрепления; 8 – гибкий шланг; 9 – натяжное устройство; 10 – жароизолирующий материал

Применяется и другая технология, позволяющая сжигать топливо в любой по глубине части скважин. В результате образуются грунтовые массивы (термосваи) постоянного сечения. Сроки обжига в этом случае несколько сокращаются, упрощается технология работ.

Прочность обожженного массива R≈100 кг/см

 

ФУНДАМЕНТЫ ГЛУБИННОГО ЗАЛОЖЕНИЯ (ФГЗ)

Введение.

При больших сосредоточенных нагрузках, когда устройство ФМЗ в котловане невыполнимо или невыгодно, а сваи не обеспечивают необходимой НС, а также при строительстве тяжелых и чувствительных к неравномерным осадкам сооружений (массивные кузнечные молоты, крупные прессы, зданий и насосных станций и водозаборов, опоры мостов, заглубленные и подземные сооружения – гаражи, склады, емкости, глубокие колодцы и т.п.) стремятся передавать нагрузки на скальные или полускальные основания, т.е. малосжимаемые грунты. В ряде случаев при этом приходится прорезать значительную (несколько десятков метров) толщу слабых водонасыщенных грунтов.

Для этого прибегают к устройству ФГЗ. Их разделяют на следующие виды:

- Опускные колодцы;

- Кессоны;

- Тонкостенные оболочки;

- Буровые опоры и фундаменты, возводимые методом «Стена в грунте»

 

Опускные колодцы

Представляют собой замкнутую в плане и открытую сверху и снизу полую конструкцию, бетонируемую или собираемую из сборных элементов на поверхности…    

Погружение опускных колодцев в тиксотропных рубашках

· Для уменьшения сил трения был предложен (Озеров А.В. 1945 инж.). Метод погружения колодцев в тиксотропной рубашке. · Суть метода: благодаря уступу, устраиваемому в ножевой части снаружи…  

Расчет опускных колодцев

· Расчет на строительные нагрузки включает: - расчет на погружение; - расчет стен на разрыв;

Расчет на погружение и разрыв

  Где T – полная расчетная сила трения грунта по боковой поверхности колодца; … F – сила расчетного сопротивления грунта под ножом колодца;

Расчет на всплытие

- Колодец не всплывет, если будет выполняться условие:   Где - площадь колодца по внешнему периметру ножа;

Кессоны

В сильно обводненных грунтах, содержащих прослойки скальных пород или твердых включений (валуны, погребенную древесину и т.д.) погружение опускных… В этом случае используется кессонный метод устройства фундаментов глубокого… Кессон схематически представляет собой опрокинутый вверх днищем ящик, образующий рабочую камеру, в которую под…

Тонкостенные оболочки и буровые опоры

Тонкостенная оболочка представляет собой пустотелый цилиндр из обычного или предварительно напряженного ж/б. Они начали широко применяться только с…    

Буровые опоры

Технология устройства буровых опор та же, что и буронабивных свай. По существу, они представляют собой буронабивные сваи большого сечения (d… Нижние концы буронабивных опор обязательно доводят до плотных грунтов, поэтому… Буровые опоры обладают значительной несущей способностью (≥1000т) и рассчитываются как сваи-стойки.

Стена в грунте

Рис.13.13. Конструкции, сооружаемые способом «стена в грунте»: а – котлованы в городских условиях; б – подпорные…

А. Грунтовые анкера

Рис.13.15. Применение анкерных устройств: а – крепление котлована; б – крепление днища и стенок дока или шлюза; в, г – восприятие выдергивающих сил в…

СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

 

Основные положения и классификация

В тех случаях, когда с поверхности залегают слои слабых грунтов, которые не могут служить основанием для фундаментов мелкого заложения проектируемого сооружения, возникает необходимость передачи нагрузки на более плотные слои, расположенные на глубине. В подобных ситуациях чаще всего прибегают к устройству свайного фундамента.

Сваей называют погруженный в готовом виде или изготовленный в грунте стержень, предназначенный для передачи нагрузки от сооружения на грунт основания.

Отдельные сваи или группы свай, объединенные поверх распределительной плитой или балкой, образуют свайный фундамент.

Распределительные плиты или балки, объединяющие головы свай, выполняются, как правило, из железобетона и называются ростверками. Ростверк воспринимает, распределяет и передает на сваи нагрузку от расположенного выше сооружения.

Если ростверк заглублен в грунт или его подошва расположена непосредственно на поверхности грунта, то его называют низким ростверком, если подошва ростверка расположена выше поверхности грунта – это высокий свайный ростверк (рис. 11.1). Наиболее часто применяют низкий ростверк, высокий ростверк устраивают в опорах мостов, набережных, пирсов и т.п.

Рис.11.1. Типы свайных ростверков:

а, б – низкий; в – высокий

Свая, находящаяся в грунте, может передавать нагрузку от сооружения либо через нижний конец (пята), либо совместно с боковой поверхностью сваи за счет трения последней об грунт.

В зависимости от этого, по характеру передачи нагрузки на грунт сваи подразделяются на

а) сваи-стойки

б) висячие сваи (сваи трения)

Рис.11.2. Схемы передачи нагрузки сваями на грунты основания:

а – сваи-стойки ; б – висячие сваи

К сваям-стойкам относятся сваи, прорезающие толщу слабых грунтов и опирающиеся на практически несжимаемые или малосжимаемые грунты (крупнообломочные грунты с песчаным наполнителем, глины твердой консистенции). Такие сваи практически всю нагрузку передают через нижний конец, т.к. при их малых вертикальных перемещениях не возникают условия для возникновения сил трения на ее боковой поверхности.

Свая-стойка работает как сжатый стержень в упругой среде, ее несущая способность определяется или прочностью материала сваи, или сопротивлением грунта под ее нижним концом:

 

К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты. Под действием продольной силы (N) свая получает перемещение (дает осадку), достаточное для возникновения сил трения между боковой поверхностью сваи и грунтом. В результате нагрузка на основание передается как боковой поверхностью, так и нижним концом сваи. Несущая способность такой сваи определяется суммой сопротивления сил трения по ее боковой поверхности и грунта под острием:

 

По условиям изготовления сваи делятся на две группы:

· сваи, изготовляемые заранее на заводах или полигоне (предварительно изготовляемые) и затем погружаемые в грунт;

· сваи, изготовляемые на месте, в грунте.

По расположению свай в плане различают следующие виды свайных фундаментов:

1) одиночные сваи применяют под легкие сооружения в качестве опор (теплицы, склады), когда несущей способности одной сваи достаточно для передачи нагрузки на грунт.

Рис.Схемы одиночной сваи и сваи-колонны

Сложность: необходимо точно забить (погрузить), отклонение от оси в плане у одиночных свай ±5 см, от вертикальной оси не более 5º.

 

 

Рис .Схема максимальных допустимых горизонтальных и вертикальных отклонений при погружении одиночной сваи

 

2) группы свай (свайный куст), устраивают под колонны или отдельные опоры конструкций, передающие значительные вертикальные нагрузки (рис. 11.3а).

Рис.11.3. Виды свайных фундаментов:

а – свайный куст; б – ленточный; в – сплошное свайное поле

3) ленточные свайные фундаменты устраивают под стены зданий и другие протяженные конструкции. Сваи в таком фундаменте располагаются в один или несколько слоев (рис. 11.3 б).

4) сплошные свайные поля устраивают под тяжелые сооружения башенного типа, имеющие ограниченные размеры в плане. Сваи располагаются в определенном порядке под всем сооружением (рис. 11.3 в).

В зависимости от материала предварительно изготовленные сваи подразделяются на:

· деревянные (условия эксплуатации – ниже уровня подземных вод). Простейшая деревянная свая представляет собой бревно с заостренным нижним концом. На верхний конец бревна надевают бугель (стальное кольцо), который защищает сваю от размочаливания оголовка во время забивки. На заостренном конце при погружении сваи в грунты с твердыми включениями закрепляют стальной башмак. Достоинства этого вида свай – простота изготовления и небольшой вес. Недостатки – малая несущая способность, трудность погружения в плотные грунты, опасность гниения в условиях переменной влажности. Деревянные сваи имеют ограниченное применение.

Рис.схема деревянной сваи

· стальные изготавливают из стандартных стальных труб d=0,2…0,8 м, используют также двутавровые балки, швеллеры и другие прокатные профили.

Рис.поперечные сечения стальных свай

Если после погружения в грунт стальная трубчатая свая заполняется

бетоном, ее называют трубобетонной. Достоинство этого вида свай –

возможность наращивания сваркой по мере погружения в грунт. Недостатки – подверженность коррозии (для защиты поверхность труб покрывают битумом или эпоксидными смолами).

Стальные сваи рекомендуется применять в сложных для забивки грунтовых условиях (включения валунов, гальки и т.п.), часть их применяют в качестве ограждения котлованов.

· железобетонные сваи (получили наибольшее распространение в практике строительства). Их подразделяют:

- по форме поперечного сечения – рис 11.4 (а, б, в – типовые)

- по форме продольного сечения – рис 11.5

- по способу армирования на сваи:

1) с ненапрягаемой арматурой и с предварительно напряженной продольной арматурой

2) с поперечным армированием и без него

- по конструктивным особенностям – на сваи цельные и составные.

Рис.11.4. Сечения железобетонных свай:

а – квадратной; б – квадратной с круглой полостью; в – полое цилиндрическое сечение; г – прямоугольной; д – тавровой; е – двутавровой; ж – швеллерной

Рис.11.5. Железобетонные сваи различного профиля:

а – призматические; б – цилиндрические; в ­– пирамидальные; г – трапецеидальные; д – ромбовидные; е – с уширенной пятой (булавовидные)

 

Рис.11.6. Конструкция железобетонных свай:

а – призматическая с поперечным армированием ствола; б – то же, без поперечного армирования ствола; в – то же, с круглой полостью; г – полая круглая; 1 – строповочная петля; 2 – арматурные сетки головы; 3 – продольная арматура; 4 – спираль острия; 5 – поперечная спиральная арматура

· комбинированные сваи – составные по длине из двух различных материалов. Чаще всего это комбинация деревянной части, которая помещается ниже уровня подземных вод, с бетонной или железобетонной частью.

Способы погружения готовых свай в грунт

Рис. Способы погружения свай:

а – забивка; б – вибропогружение; в – задавливание; г – завинчивание; д – погружение в лидер (в очень плотных грунтах, промерзших грунтах); 1 – молот; 2 – металлический оголовок; 3 – деревянная или резиновая прокладка(для смягчения удара)

А Забивные сваи

 

При забивке свай в обезвоженные плотные песчаные и супесчаные грунты для повышения производительности забивки осуществляется подмыв. За счет подачи воды (под большим напором) под нижний конец сваи, грунт размывается, что значительно уменьшает сопротивление погружению.

 

Рис.11.7. Забивка сваи механическим молотом:

1 – мачта копра; 2 – подвесной молот; 3 – металлический наголовник; 4 – свая

Б Вибропогружение

сваи наиболее эффективно при насыщенных водой песках. В этом случае вертикальные колебания, создаваемые вибратором, передаются сваей грунту, который разжижается, что приводит к резкому уменьшению сил трения по боковой поверхности и она легко погружается в грунт. После прекращения вибрирования структура грунта быстро восстанавливается и трение по боковой поверхности сваи увеличивается.

В Вдавливание

свай осуществляется с помощью мощных гидродомкратов и применяется тогда, когда нельзя использовать забивку или вибропогружение (вблизи существующих зданий), также применяется при усилении существующих фундаментов.

Г Ввинчивание

  5.3 Сваи, изготовляемые в грунте (на месте): буровые, набивные, буронабивные… Такие сваи изготавливают из бетона, железобетона (с армокаркасом) или из цементно-песчаного раствора.

А. Сваи без оболочки

применяют в связных сухих и маловлажных грунтах, где можно осуществлять бурение без крепления стенок скважин. В водонасыщенных глинистых грунтах проходку скважин производят под защитой… Набивную сваю, скважина которой получена бурением, принято называть буронабивной.

Б. Сваи с извлекаемой оболочкой

можно применять практически в любых геологических и гидрогеологических условиях, поскольку используемые для их изготовления инвентарные обсадные… Рис.Схема сваи Страуса  

В. Сваи с не извлекаемой оболочкой

применяют при отсутствии возможности качественного изготовления свай с извлекаемой оболочкой (в водонасыщенных глинистых грунтах текучей… Недостатки набивных и буронабивных свай. Если изготавливать без обсадной трубы…  

Взаимодействие свай с окружающим грунтом

Процессы, происходящие в грунте при устройстве свайных фундаментов зависят от типа свай, грунтовых условий, технологии погружения или изготовления… Так при погружении забивной сваи (сплошной сваи) объем грунта равный объему…  

Определение несущей способности одиночной сваи при действии вертикальной нагрузки

А. Сваи-стойки

могут потерять несущую способность либо в результате разрушения грунта под ее нижним концом, либо в результате разрушения самой сваи, т.е. такую… По прочности материала свая-стойка рассчитывается как центрально нагруженный… Для железобетонных свай формула расчета несущей способности по материалу выглядит следующим образом:

Б. Висячие сваи

Их расчет производится, как правило, только по прочности грунта, т.к. по прочности материала она всегда заведомо выше. Существуют следующие методы расчета: · Динамический метод;

Понятие о негативном трении

Обычно отрицательное трение возникает при загружении поверхности грунта около сваи (планировка территории подсыпкой м т.п.). Вероятность возникновения отрицательного трения значительно возрастает если в… НС сваи в этом случае определяется по той же формуле, но fi для слоев выше торфа берется со знаком «-«, а для торфа…

Метод статического зондирования грунтов

Заключается во вдавливании в грунт стандартного зонда, состоящего из штанги с конусом на конце (dкон = 36 мм, F = 10 см2, < заострения 60º).…   Так как характер деформации грунтов при вдавливании свай и зонда аналогичен, полученные данные можно использовать для…

Теоретические методы

В силу своей сложности и многочисленных допущений, снижающих их точность, широкого применения на практике не нашли.

 

Расчет НС свай при действии горизонтальных нагрузок

Причиной значительных горизонтальных нагрузок на фундаменты могут быть горизонтальные нагрузки от кранов в цехах, температурные расширения технологических трубопроводов предприятий, односторонний обрыв проводов ЛЭП, волновые воздействия и т.д.

 

А. Метод испытания сваи пробной статической нагрузкой

Проводятся испытания следующим образом (рис. 11.14). Нагрузка на сваю увеличивается ступенями, горизонтальные перемещения на каждой ступени… Каждая ступень нагрузки выдерживается до условной стабилизации горизонтальных…

Б. Математические методы расчета свай на горизонтальную нагрузку

- Первая группа – для коротких жестких свай, поворачивающихся в грунте без изгиба (рис. 11.15 а). Разрушение системы «свая-грунт» происходит за счет потери устойчивости грунтом… - Вторая группа – для свай, изгибающихся в грунте (рис. 11.15 б).

Проектирование и расчет свайных фундаментов

Выполняется в следующем порядке: 1. Оценка ИГУ (определяется слой грунта, в который наиболее рационально… 2. Определяется тип и размер сваи

А Основные положения расчета

Расчет свайных фундаментов и их оснований производят по двум группам предельных состояний: - По первой группе – по НС грунта основания свай; по устойчивости грунтового… - По второй группе – по осадкам свайного фундамента от вертикальных нагрузок; по перемещениям свай совместно с грунтом…

Б Определение числа свай в фундаменте и размещение их в плане

· Зная Fd – несущую способность сваи и принимая, что ростверк обеспечивает равномерную передачу нагрузки на все сваи фундамента, необходимое число…   – то же

В. Расчет осадки свайного фундамента

- числа свай в фундаменте - их длины - расстояния между сваями

ФУНДАМЕНТЫ НА СТРУКТУРНО-НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТАХ

Общие положения

Структурно-неустойчивые грунты часто называют региональными, т.к. эти грунты группируются преимущественно в определенных географо-климатических… При строительстве на таких грунтах кроме общепринятых для обычных условий… Эти мероприятия разделяются на четыре группы:

Фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов

 

А. Механические свойства мерзлых грунтов

Характерной особенностью вечномерзлых грунтов является то, что их свойства существенно зависят не только от вещественного состава и влажности , но и… В таком случае, прогноз температурного режима оснований в условиях вечной… Изучение сжимаемости мерзлых грунтов при оттаивании обычно производится в одометрах, оборудованных нагревательной…

Из каждого опыта определяется коэффициент Просадочности

    После чего строится график зависимости этого коэффициента от внешней нагрузки (p). Зависимость .

Б. Принципы строительства на вечномерзлых грунтах

Существует два принципа строительства на вечномерзлых грунтах:   I принцип – вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраненном в процессе строительства и в…

Конструкции и методы устройства фундаментов, возводимых по принципу I.

Наибольшее распространение получили свайные фундаменты, при условии специальных способов их устройства. - Буроопускные сваи (рис. а) применяют во всех грунтовых условиях при… - Бурозабивные сваи (рис. б) устраивают забивкой свай в предварительно пробуренные лидерные скважины, имеющие d…

Фундаменты на лессовых и просадочных фундаментах

· Трудность строительства сооружений на лессовых просадочных грунтах состоит в том, что при обводнении грунтов в основании сооружений происходят… В результате сооружения разрушаются и становятся непригодными для дальнейшей… · Просадки лессовых грунтов возникают при одновременном воздействии двух факторов:

Характеристики просадочных свойств.

· Относительная просадочность определяется по результатам испытаний грунтов в компрессионных приборах с замачиванием образцов. Она представляет собой относительное сжатие грунта при заданых давлениях и…  

А. Принципы строительства на просадочных грунтах

Надежность и нормальная эксплуотация зданий достигается применением одного из следующих принципов: · Осуществление комплекса мероприятий, включающего подготовку основания, (в… Конструктивные мероприятия объединяют в группы по составу и способам осуществления традиционных, для строительства, в…

Б. Улучшение строительных свойств просадочных грунтов

достигается их уплотнением или закреплением, устройством грунтовых подушек. - Эффективным способом является уплотнение тяжелыми трамбовками. Но следует… - Устройство грунтовых подушек обеспечивает создание в основании фундаментов слоя непросадочного грунта.

Фундаменты на набухающих грунтах

· Для набухающих грунтов, кроме обычных физико-механических характеристик, определяют и специальные характеристики набухания и осадки. - Относительное набухание исследуется в компресионных приборах по похожей… Относительное набухание определяют при различных уплотняющих давлениях p и вычисляют по формуле:

А. Водозащитные мероприятия

- устраивают отмостки вокруг зданий шириной 2…3 м

- применяют водонепроницаемые экраны над всем сооружением из полимерных материалов, либо из асфальта

- Заключают водопроводные иканализационные трубы в железобетонные лотки и т.п.

 

Б. Улучшение свойств оснований

- При небольших толщах набухающих грунтов применяют предварительное замачивание и строительство ведется как на водонасыщенных ненабухающих грунтах… - Компенсирующие подушки применяются для уменьшения неравномерности подъема… Принцип работы компенсирующей подушки состоит в следующем. Так как ширина песчанной подушки превышает ширину…