§ 5. Свайные фундаменты, их расчет и особенности возведения, учитываемые при проектировании

Фундаменты свайного типа, наиболее экономичные, нашли широкое применение при проектировании зданий по методу сохранения основания в мерзлом состоянии.

При заглублении свай с предварительным пропариванием в процессе разрыхления грунта паром и последующего его замерзания вокруг свай распределение влаги резко отличается от распределения ее в окружающем массиве; при промерзании пропаренной зоны влага мигрирует к фронту промерзания, накапливаясь в виде ледяных прослоек к периферийной ее части. В песчаных непылеватых грунтах эффект миграции влаги выражен слабее. Преимущественное применение этот способ нашел в песчаных и глинистых грунтах с содержанием гравия и гальки до 30% при t₀<-1,5-2,0°С.

Для оттаивания глинистых грунтов рекомендуется применение пара с давлением у распределительной гребенки от 3 до 4 ат при отсутствии в грунте крупнообломочных включении и 4-6 ат - при наличии этих включений в количестве до 30%. Для песчаных грунтов рекомендуемое давление соответственно 4-6 и 6-8 ат. Протаивание производится на глубину догружения свай, а при наличии крупнообломочных включении - на 0,5-1,0 м ниже.

Скорость оттаивания песчаных и глинистых грунтов при температуре от -4 до -10 °С составляет 2-3 ^м/_ч. При наличии крупнообломочных включений скорость оттаивания снижается

При погружении свай в пробуренные скважины могут иметь место два случая:

1. погружение в скважины, диаметр которых превышает диаметр свай В месте установки сваи при помощи ударно-бурового станка пробуривают скважину диаметром,превышающим не менее чем на 5 см диаметр сваи, и глубиной, равной полной; глубине погружения сваи. Затем скважину на одну треть заполняют глинистым (песчаным, песчано-глинистым, песчано-известковым) раствором, подогретым в зимнее время до температуры 35÷40°С. Железобетонную или деревянную сваю опускают в скважину при этом глинистый раствор плотно заполняет полость между сваей и грунтом, обеспечивая надежное их взаимодействие после смерзания. Преимущественное распространение этот способ находит в песчаных и глинистых грунтах при t₀<- 0,5°С. Весьма важно, что сваи, устанавливаемые в пробуренные скважины, позволяют осуществить более точное центрирование. Это имеет особое значение при применении сборных элементов. Для бурения скважин применяются станки ударно-канатного бурения (БУ-2, БС-1, БУ20-2М) и вращательного (ШАК-2, БТС-2);
2. забивка свай в мерзлые грунты с проходкой пионерной скважины малого диаметра (или без нее). Применяется в песчаных при t₀≥-0,5 °С и глинистых грунтах при t₀≥ -10°C с содержанием гравия и гальки не более 30%. Забивка, как правило, производится в осенний период, когда температура грунта достигает максимальных значений. Диаметр скважины выбирается в зависимости от мощности свайного оборудования опытной забивкой; он может быть увеличен при промывке скважин водой.

При размещении свай в плане рекомедуется под несущими стенами применять однорядное расположение, а пересечение главных осей свайного фундамента совмещать с центром приложения равнодействующей постоянных нагрузок.

Расстояния между осями свай, погружаемых в пробуренные скважины, принимается не менее d + 50 (в см), а при других способах погружения - не менее 3d.

Допускаемые отклонения головы сваи приведены в табл. III-19.

Таблица III-19. Допуски проектного положения сваи

Забивные и бурозабивные сваи проектируются предварительно напряженными крестового или двутаврового сечения; сечения свай могут быть также квадратными, прямоугольными, круглыми и кольцевыми.

Сваи могут быть сплошного или трубчатого сечения; в последнем случае полость сваи в пределах заглубления в вечно-мерзлый грунт заполняется песком или крупнообломочным грунтом, а в деятельном слое - бетоном М-100. Если сваи погружаются в пробуренные скважины, то они выполняются без заостренных концов.

В работе установленной в грунт сваи принимает участие деятельный слой, если он сложен фильтрующими непучинистыми грунтами, обжимающимися при оттаивании.

При пучинистых грунтах работа деятельного слоя не учитывается, поскольку миграция влаги не будет успевать за ходом протаивания и в процессе осадки вышележащих переувлажненных слоев грунта на сваю передастся дополнительная нагрузка.

В условиях сливающегося деятельного слоя расчет свай производится по предельному состоянию, когда касательные напряжения превышают предельно длительную прочность по всей глубине смерзания.

При заглублении свай с пропариванием в зимнее время верхняя часть оттаявшей зоны промерзает интенсивнее нижней; создаются условия для выпучивания сваи, под острием которой может образоваться полость, заполненная льдом.

Несущая способность сваи определяется расчетом. При этом по заданным нагрузкам устанавливается полная длина сваи или, наоборот, задается длина сваи h_св, по которой находят расчетную нагрузку.

Рис. III-33. Расчетные схемы свай

Расчетные схемы по определению несущей способности сваи приведены на рис. III-33.

Расчетная нагрузка на сваю по условиям прочности основания в т

где km - произведение коэффициентов однородности и условий работы, принимаемое равным 0,7, а для свай забивных, бурозабивных и устанавливаемых в скважины с уплотнением грунтового раствора вибрированием - равным 0,8;

h_i - толщина i-го слоя в м;

U - периметр сечения сваи в м;

Н - расчетная глубина сезонного оттаивания в м;

R^н_сд.i - среднее для i-го слоя нормативное сопротивление сдвигу грунта, смерзшегося с боковой поверхностью сваи, определяемое в зависимости от температуры, устанавливаемой наблюдениями или расчетом в ^т/_м²;

f^н - нормативное сопротивление талого грунта на боковой поверхности сваи (СНиП II-Б. 5-62, т. 2) в ^т/_м²;

F - площадь поперечного сечения сваи на глубине h_M в м²;

h_м - глубина погружения сваи в вечномерзлый грунт, назначаемая таким образом,чтобы прочность основания была бы равна прочности сваи; принимается не менее 2 м; может быть приближенно определена по формулам (III-41,42);

R^н_с - нормативное сопротивление мерзлых грунтов в ^т/_м² на глубине h_,м принимаемое по табл. III-20 при температуре, вычисляемой по формуле III-31 и графику (рис. III-24).

Таблица III-20. Нормативные сопротивления мерзлых грунтов в плоскости нижних концов свай

Примечания:

1. Для льда R^н_с = 0.
2. Табличные значения R^н_с приведены для грунтов, засоленность которых менее 0,1%.

Для бурозабивных и забивных свай значения R^н_сд.i (и им эквивалентные) снижаются вдвое, если в пределах h_м суммарная толщина прослоек льда толщиной более 2 см превышает 0,5 h_м.

В формуле (III-46) величины R^н_сд.i могут быть заменены эквивалентным значением нормативного сопротивления сдвигу, при котором площади эпюры фактического изменения R^н_сд по глубине и заменяющей ее прямоугольной эпюры будут равны.

В этом случае

(III-46a)

где R^н_сд.э - эквивалентное сопротивление сдвигу в ^т/_м², определяемое по формуле (III-37) или по графику (рис. III-31) при t_э = α_сt_c²; α_с устанавливается из графика (рис. III-24).

При внецентренной нагрузке прочность сваи проверяется на действие изгибающего момента M_макс и поперечной силы Q_макс:

(III-47)

(III-48)

где M - момент от расчетной нагрузки, приведенный к поверхности грунта в ^кг/_м;

H_н - горизонтальная проекция расчетной нагрузки на сваю в кг;

M_мā, M_нā - безразмерные коэффициенты, определяемые по графикам (рис. III-34) в зависимости от α_с, равной отношению расчетной длины сваи к приведенной длине ее.

Рис. III-34. Графики и схемы для расчета свай на горизонтальную нагрузку

Для схем 1 и 2 (рис. III-34) М_макс принимается не менее М. Величина

(III-49)

где H - расчетная мощность деятельного слоя в см;

d - диаметр или сторона сечения сваи, параллельная плоскости действия нагрузки и увеличенная на 25% в см;

k_e - коэффициент, равный 1 для песчаных и 1,5 для глинистых грунтов;

B - приведенная жесткость сваи в ^кг/_см²; для железобетонных свай определяется по СНиП II-В. 1-62 (5.2); для деревянных и металлических - B-EI;

μ - коэффициент Пуассона талых грунтов (СНиП II-Б. 1-62, табл. 9);

E₀ - модуль общей деформации грунтов, принимаемый для талых по табл. 13 СНиП II-Б. 1-62, для мерзлых - на основании опытных данных или из табл. III-6; в последнем случае Е₀ определяется при t≈α_tt₀, где значения α_t находятся из графика (рис. III-24) при h_M = 1,5d.

Если α_с менее 0,5, то сопротивлением грунтов деятельного слоя можно пренебречь. В этом случае внешние силы приводятся к поверхности ВГВМ и расчет производится по схеме 1 (рис. III-34).

Горизонтальный прогиб

(III-50)

где yā_м, yā_н - безразмерные коэффициенты, определяемые по графикам в зависимости от расчетной схемы и значения α_c (III-34).

В формуле (III-50) приняты нормативные значения нагрузок. Давление на грунт в ^г/_см²

(III-51)

где b_c - сторона прямоугольного сечения сваи, перпендикулярная к вертикальной плоскости действия нагрузки, в см.