Расчет и конструирование свайных фундаментов из забивных и вдавливаемых свай

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Томский государственный архитектурно-строительный университет»



Серия «Учебники ТГАСУ»



С.В. Ющубе, А.А. Тарасов



РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ ЗАБИВНЫХ И ВДАВЛИВАЕМЫХ СВАЙ



Рекомендовано Учебно-методическим советом ТГАСУ в качестве учебного пособия для студентов очной и заочной форм обучения, бакалавров по направлению «Строительство»










Томск Издательство ТГАСУ 2022

УДК 624.15(075.8)
ББК 38.57я73
     Ю997

Серия «Учебники ТГАСУ» основана в 2013 году

       Ющубе, С.В.
Ю997         Расчет и конструирование свайных фундаментов из
       забивных и вдавливаемых свай : учебное пособие / С.В. Ющубе, А.А. Тарасов. - Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2022. - 123 с. - Текст : электронный.
             ISBN 978-5-6048769-0-9

             В пособии рассмотрены основные этапы расчета и конструирования свайных фундаментов из забивных и вдавливаемых свай. Приведена последовательность подбора механизмов для погружения свай, а также порядок определения эффективности выбранного варианта фундаментов. Для лучшего понимания материала теоретическая часть чередуется с конкретными примерами, позволяющими студенту лучше усвоить предлагаемый материал.
             Учебное пособие соответствует государственному образовательному стандарту дисциплин «Основания и фундаменты» бакалавриата по направлению подготовки 08.03.01 - Строительство, очной и заочной формы обучения. Оно может быть полезно для студентов специальности 08.05.01 - Строительство уникальных зданий и сооружений.

                                                 УДК 624.15(075.8)
                                                 ББК 38.57я73



      Рецензенты:
      А.И. Полищук, докт. техн. наук, профессор кафедры «Основания и фундаменты» КубГАУ, г. Краснодар;
      В.А. Юдин, канд. техн. наук, доцент, директор ООО «ФОБУС-5», г. Томск.





ISBN 978-5-6048769-0-9

      © Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2022
                                      © Ющубе С.В., Тарасов А.А., 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение.................................................. 5
1. Общие положения........................................ 6
2. Требования к инженерно-геологическим изысканиям ....... 9
3. Основные указания по расчету ......................... 11
4. Определение несущей способности свай ................. 16
  4.1. Расчет несущей способности свай-стоек по грунту и материалу ........................................... 16
  4.2. Расчет несущей способности висячих свай .......... 19
  4.3. Определение несущей способности забивных свай по результатам полевых испытаний....................... 23
5. Расчет свайных фундаментов по первой группе предельных состояний ................................ 42
  5.1. Определение количества свай в свайном фундаменте и конструирование ростверка ....................... 42
  5.2. Проверка общей устойчивости свайного фундамента
  на совместное действие вертикальных, горизонтальных нагрузок и момента..................................... 50
6. Расчет осадок свайных фундаментов .................... 65
  6.1. Расчет осадки одиночной сваи ..................... 65
  6.2. Расчет осадки малой группы висячих свай .......... 72
  6.3. Расчет осадки большой группы висячих свай ........ 78
    6.3.1. Осадка грунта в основании условного фундамента ... 79
    6.3.2. Расчет осадки фундамента за счет продавливания свай в уровне его подошвы ...................... 83
    6.3.3. Осадка за счет сжатия ствола сваи............. 86
7. Расчет технологических параметров установок для погружения свай ..................................... 95
  7.1. Подбор параметров сваевдавливающей установки ..... 95
  7.2. Подбор параметров дизель-молота для забивки свай . 96
  7.3. Расчет проектного отказа свай ................ 97
8. Технико-экономическое обоснование принятого решения фундаментов ................................. 99

3

Заключение ....................................... 102
Список литературы ................................ 103
Приложение 1. Параметры некоторых типовых
свайных кустов из забивных свай .................. 105
Приложение 2. Расчетные сопротивления грунта под нижним концом забивных свай .................. 107
Приложение 3. Расчетные сопротивления грунта
по боковой поверхности забивных свай ............. 110
Приложение 4. Коэффициенты перехода
от сопротивления грунта под наконечником
и на боковой поверхности зонда к сопротивлению
грунта под острием и боковой поверхности сваи..... 112
Приложение 5. Значение коэффициента пропорциональности для различных грунтов ......... 113
Приложение 6. Значения безразмерных коэффициентов
A0, B0, C0........................................ 114
Приложение 7. Значения безразмерных коэффициентов
A1, B1, C1, D1, A3, B3, C3, D3, A4, B4, C4, D4 ... 116
Приложение 8. Значения коэффициента поперечной деформации грунта ................................ 118
Приложение 9. Значения коэффициента а..............119
Приложение 10. Техническая характеристика штанговых дизель-молотов.......................... 121
Приложение 11. Техническая характеристика
трубчатых дизель-молотов ......................... 122

4

ВВЕДЕНИЕ


     Учебное пособие по расчету и конструированию свайных фундаментов из забивных и вдавливаемых свай разработано по типу учебного практикума. Пособие разбито на отдельные главы, в которых приведены основные положения по расчету и конструированию свайных фундаментов по предельным состояниям первой и второй группы, а также методики подбора механизмов для погружения свай и оценки эффективности выбранного варианта фундамента.
     Все расчеты приведены согласно методикам, указанным в СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» и СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», действующим на момент написания учебного пособия.
     Расчетно-теоретические обоснования чередуются с конкретными примерами, позволяющими студенту лучше усвоить предлагаемый материал, а также оценить объем курсового проекта и спланировать время для его выполнения. В зависимости от задания на курсовой проект студент должен самостоятельно выбрать необходимые ему примеры расчета. Для облегчения работы над проектом в приложении к пособию приведены справочные материалы и таблицы, необходимые для выполнения расчетов.

5

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ


     В практике отечественного фундаментостроения применяются более 150 видов свай, которые подразделяются: по материалу, конструкции, способу изготовления, виду армирования и характеру работы в грунте. Выбор вида свай и типа свайных фундаментов следует производить на основании технико-экономического сравнения вариантов фундаментов, возможных для данных условий строительства. При этом необходимо учитывать особенности местной материально-технической базы строительных организаций, выполняющих изготовление свай и производство свайных работ.
     Наиболее широко в промышленном и гражданском строительстве используют забивные и вдавливаемые сваи (сваи заводского изготовления). Применение свайных фундаментов из таких свай отвечает требованиям индустриализации строительства, позволяет существенно уменьшить объемы земляных работ и упростить технологию возведения нулевого цикла, особенно в зимнее время, а также упростить контроль качества за производством свайных работ.
     Наиболее целесообразно применять свайные фундаменты на площадках, сложенных с поверхности слабыми водонасыщенными грунтами. В этих условиях применение свай позволяет прорезать слабые напластования и передать нагрузки от здания или сооружения на более плотные и прочные подстилающие слои грунта.
     Проект свайных фундаментов разрабатывается на основе материалов инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, содержащих необходимые данные о грунтах, слагающих площадку, а также сведений о проектируемом объекте - особенности конструктивной схемы, характера и значения нагрузок, передаваемых на фундаменты и др. Особое внимание следует уделять прогнозу возможных изменений гидрогеологических условий в период строительства и эксплуатации здания или 6

сооружения и их влиянию на прочностные и деформационные характеристики грунтов, слагающих площадку строительства [1, 2].
     Ответственным моментом в проектировании свайных фундаментов является выбор несущего слоя грунта и назначения длины сваи. В зависимости от прочностных и деформационных свойств опорного слоя сваи подразделяются на сваи-стойки и сваи трения (висячие). Так забивные и вдавливаемые сваи являются стойками в случаях, если они опираются на скальные грунты или на малосжимаемые грунты, к которым относятся крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем средней плотности и плотным, а также твердые глины в водонасыщенном состоянии с модулем деформации Е > 50 000 кПа [3]. Сваи-стойки передают нагрузку на скальные или малосжимаемые грунты только через нижний конец. Сваи трения (висячие) передают нагрузку на грунт как через нижний конец, так и по боковой поверхности сваи. Следует отметить, что применение свай-стоек по сравнению со сваями трения в большинстве случаев целесообразнее, так как несущая способность по грунту таких свай близка или даже выше их несущей способности по материалу, что позволяет запроектировать фундаменты с высокими показателями конструктивной и экономической эффективности.
     Длина свай назначается таким образом, чтобы нижний конец сваи заглублялся по возможности в наиболее прочные для данной площадки грунты. Если забивные или вдавливаемые сваи опираются на крупнообломочные, гравелистые, крупные и средней крупности пески или пылевато-глинистые грунты, с показателем текучести Il < 0,1, то они должны быть заглублены в эти грунты не менее 0,5 м, в остальные - не менее 1,0 м.
     Длина свай при действии центральной сжимающей нагрузки должна быть не менее 3,0 м, при дополнительном действии момента и горизонтальной силы не менее 4,0 м.
     Глубина заложения подошвы ростверка назначается в зависимости от конструктивных решений подземной части здания. При строительстве на пучинистых грунтах, для предотвращения

7

влияния сил морозного пучения, подошва ростверка заглубляется ниже расчетной глубины промерзания грунта аналогично заглублению подошвы фундамента на естественном основании. Если заглубление ростверка ниже расчетной глубины промерзания экономически не целесообразно, то уменьшение влияния сил пучения может быть достигнуто путем устройства под подошвой ростверка подушки толщиной 10-20 см из непучинистого и лег-косжимаемого материала или воздушного зазора. Минимальная высота ленточного ростверка принимается не менее 30 см, плитного ростверка под колонну - 40 см.
     Геометрические размеры ростверка в плане зависят от размеров опирающейся на него конструкции (стены или колонны) и от количества свай в свайном фундаменте. Расстояние между осями забивных (вдавливаемых) свай трения в свайном фундаменте (кусте) должно быть не менее 3d (где d - диаметр круглого или сторона квадратного поперечного сечения сваи), а свай-стоек - не менее 1,5d. Расстояние от внешней грани сваи крайнего ряда до грани ростверка следует принимать равным 5-10 см. Параметры некоторых типовых кустов из забивных свай приведены в приложениях (табл. П.1).

8

2. ТРЕБОВАНИЯ
К ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМ ИЗЫСКАНИЯМ

     Объем инженерно-геологических изысканий, в том числе по видам работ, определяется в зависимости от категории сложности грунтовых условий и уровня ответственности здания или сооружения.
     Отчеты по инженерно-геологическим изысканиям должны содержать информацию об инженерно-геологическом строении, гидрогеологии, геоморфологии и сейсмичности будущей площадки строительства.
     Обязательными видами работ при проведении изысканий для проектирования свайных фундаментов независимо от уровня ответственности объектов строительства являются:
     -     бурение скважин с описанием проходимых грунтов и отбором с заданным интервалом монолитов (образцов грунта с ненарушенной структурой);
     -     лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов и подземных вод;
     -     зондирование грунтов (предпочтительно статическое).
     При возведении объектов повышенного и нормального уровней ответственности вышеперечисленные работы должны дополняться испытаниями грунтов прессиометрами и штампами (по ГОСТ 20276-2012 «Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости»); эталонными и (или) натурными сваями (по ГОСТ 5686-2020 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями»). В случае строительства объекта на комбинированном свайно-плитном фундаменте в состав работ по инженерным изысканиям должны быть включены испытания грунтов штампами и статическими нагрузками на сваю.
     Инженерно-геологические выработки (скважины, точки зондирования, места испытаний грунтов штампами и сваями) должны размещаться в пределах контура проектируемого объек

9

та, либо при одинаковых грунтовых условиях не далее 5 м от него. Глубина изысканий должна быть не менее чем на 5 м ниже проектируемой глубины заложения нижних концов свай при их рядовом расположении и нагрузках на куст свай до 3 МН и на 10 м ниже - при свайных полях размером до 10*10 м и при нагрузках на куст более 3 МН. При свайных полях размером более 10*10 м и применении свайно-плитных фундаментов глубина выработок должна превышать предполагаемое заглубление свай не менее чем на глубину сжимаемой толщи, но не менее половины ширины свайного поля или плиты, и не менее чем на 15 м.
     В отчетах должны быть приведены характерные инженерно-геологические разрезы с выделением инженерно-геологических элементов (ИГЭ), слагающих площадку строительства, и уровней подземных вод. Для каждого выделенного ИГЭ должны быть определены физические, прочностные и деформационные характеристики. Представляемых данных должно быть достаточно для выбора типа фундамента, вида свай и их размеров, расчетной нагрузки, допускаемой на сваю, и проведения расчетов по предельным состояниям.
     В случае опирания забивных или вдавливаемых свай на рыхлые пески или глинистые грунты с показателем текучести Il < 0,1, их несущую способность следует определять на стадии изысканий по результатам испытаний статическими нагрузками.

10

3. ОСНОВНЫЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ


     Расчет свайных фундаментов и их основания должен быть выполнен по предельным состояниям первой и второй групп.
     Расчет конструкций свай по первой группе предельных состояний должен производиться во всех случаях на вертикальные и горизонтальные нагрузки по прочности материала свай, а также по несущей способности грунта основания.
     Расчет свайных фундаментов по второй группе предельных состояний (по деформациям) следует производить для всех видов свайных фундаментов, за исключением случаев опирания нижних концов свай на крупнообломочные грунты, плотные пески и твердые коренные глины, где расчет осадок фундаментов из-за их незначительности не требуется. Расчет по деформациям следует производить также при передаче на сваи горизонтальных нагрузок, которые могут вызвать существенные горизонтальные смещения фундаментов.
     Основным по первой группе предельных состояний является расчет по несущей способности грунта основания свай. В соответствии с СП 24.13330, пп. 7.1.11 [3] сваю одиночную и в составе свайного фундамента по несущей способности грунта основания следует рассчитывать исходя из условия:

У nN S —,                     (3.1)
У c, q

где N- расчетная нагрузка, передаваемая на сваю (продольное усилие, возникающее в ней от расчетных нагрузок, действующих на фундамент при наиболее невыгодном их сочетании), определяемая по формуле (3.2); Fd- несущая способность (предельное сопротивление) грунта основания одиночной сваи, называемая в дальнейшем несущей способностью сваи и определяемая в соответствии с разд. 4 настоящего пособия или подразд. 7.2 и 7.3 [3]; уₙ - коэффициент надежности по ответственности сооружения, принима

11

емый равным 1,1; 1,0 и 0,9 соответственно для класса сооружений КС-3; КС-2 и КС-1 (повышенного, нормального и пониженного уровней ответственности); уc q - коэффициент надежности по грунту, назначаемый в зависимости от метода определения несущей способности сваи по грунту согласно п. 7.1.11 [3].
     Расчетную нагрузку на сваю N, кН, следует определять, рассматривая фундамент как группу свай, объединенную жестким ростверком, воспринимающим вертикальные и горизонтальные нагрузки и изгибающие моменты.
     Для фундаментов с вертикальными сваями расчетную нагрузку на сваю допускается определять по формуле


N=Nl₊MxyL₊М n I yf   I xf ,


(3.2)

где Nd - расчетная сжимающая сила, кН, передаваемая на свайный ростверк в уровне его подошвы; Mx, My - передаваемые на свайный ростверк в плоскости подошвы расчетные изгибающие моменты, кНм, относительно главных центральных осей x и у плана свай в плоскости подошвы ростверка; n - число свай в фундаменте; xi, yi - расстояния от главных осей свайного куста до оси каждой сваи, м; x, y - расстояния от главных осей свайного куста до оси каждой сваи, для которой вычисляют расчетную нагрузку, м.
     Расчет свай и свайных фундаментов по второй группе предельных состояний (по деформациям) следует производить исходя из условия:

s ± Su,                     (3.3)
где s - совместная деформация сваи, свайного фундамента и сооружения (осадка, перемещение, относительная разность осадок свай, свайных фундаментов и т. п.), определяемая по разд. 6 настоящего пособия, или пп. 7.1.4, 7.1.5, подразд. 7.4 и прил. В [3]; su -предельное значение совместной деформации основания сваи,

12