Расчет свайного фундамента: слои грунта и степень осадки

Чтобы фундамент полностью выполнял все свои функции, необходимо еще перед началом строительства произвести расчеты, касающиеся выбора материала, сравнения нормативных и реальных нагрузок на основание грунта и отдельные его слои. Одним из простых и надежных оснований считается опорный фундамент, но перед сооружением придется правильно выполнить расчет сваи.

Схема армирования свайно-ростверкового фундамента.

Выполняются вычисления прочности, несущей способности, которыми отличается свайный фундамент. Учитываются следующие значения:

основание свай, оболочки, их характеристики;
значение горизонтальной нагрузки при сочетании ее с откосами конструкции;
конструктивные особенности самих опор, ростверка фундамента.

Схема размеров свайного фундамента.

Расчет сваи не обходится без вычисления нагрузок:

Вес снегового покрова (для северных частей страны - 190 кг/м , для южных регионов - 50 кг/м , для средней полосы - 100 кг/м ).
Нагрузка от конструкции крыши здания (керамическая черепица - 60-80 кг/м , асбоцементный материал - 40-50 кг/м , рубероид - 30-50 кг/м , листовая сталь - 20-30 кг/м ). Учитывается нагрузка не только от кровельного покрытия, но и от веса стропил, обрешетки, утеплителя и других материалов.
Нагрузка от перекрытия определяется с учетом веса утеплителя.
Эксплуатационные нагрузки. Учитывается наличие в доме бытовой техники, различного оборудования, мебели, приблизительное количество проживающих человек.
Общий вес от стен строения.
Нагрузки от фасадного утепления и отделки.

Выбор типа основания

От того, какими будут фундаментные сваи, расчет сильно различается. В данном случае будет рассмотрен буро-набивной свайный фундамент, который способен выдержать сильные нагрузки даже на очень сложных и текучих грунтах.

Для таких свай снизу у основания делается специальная расширенная пята, которая во много раз увеличивает устойчивость и прочность фундамента, при этом нагрузки на грунт увеличиваются.

Схема залегания сваи.

Это необходимо учитывать при выполнении всех проводимых расчетов.

Для свайного фундамента важно выбрать необходимый размер опор, так как именно это позволяет обеспечить надежность не только основания, но и всего строения в целом. Допустим, что будет использован свайный буро-набивной фундамент, для которого расчетная нагрузка равна 1,09 МН при нормативной в 0,96 НМ. На участке строительства наблюдаются сложные почвы с признаками текучести. Тогда у подошвы сваи необходимо устраивать уширенную пяту с диаметром в 1,4 м при диаметре ствола в 0,4 м, что полностью удовлетворяет такому условию 2 D/d 3,5. Если глубина заложения свай составляет 1,1 м, они будут опираться на второй слой грунта из полутвердой глины, то длина каждой сваи должна быть 3,4 м.

Выбор размера свай

Схема системы отлива свайного фундамента.

Несущая способность свайного фундамента определяется с использованием таких данных:

gc = 1 - это коэффициент условий для работы каждой сваи;
gcR = 1 - коэффициент условий под нижним концом для опорной сваи;
R - сопротивление грунтов, которое равно 700 кПа для данного случая (необходимо пользоваться специальной таблицей по характеристикам почвы);
А = 1,54 м - площадь опирания каждой сваи;
u = 2,51 м - значение периметра для поперечного сечения ствола опоры;
gcf = 0,7 - коэффициент для боковой поверхности опоры, который необходим для определения нагрузки на сваю;
fi: fi1=16 кПа, fi2 = 39 кПа - расчетное сопротивление для слоя почвы;
hi - толщина слоя почвы. Hi1 = 1.4 м, hi2=1.7 м.

Нагрузка на свайный фундамент определяется на основании полученных данных таким образом:

N= Fd/gк=1233.85/1,4=880.71 кН.

Количество свай для основания определяется по формуле: n= gк*N/Fd. Тут gk - коэффициент надежности, он равен 0,4, N - нагрузка на грунт, Fd - несущая способность для одной сваи.

Шаг между опорами буро-набивной конструкции должен быть не меньше 1 м, расстояние между расширениями подошвы - 0,5 м. Чтобы запроектировать ростверк основания, надо учесть высоту конструкции в 0,6 м и расчетную нагрузку на фундамент NР = 1,09МН, МР = 105 кН*м.

Число свай для ростверка составляет примерно по 2 штуки: п= (1,4*1090)/1233.85= 1,237 2. Расстояние между осями свайного фундамента равно 1,9 м при свесе ростверка в 5 см.

Теперь можно узнать суммарную нагрузку на свайный фундамент: Nd =1090+(3,14*0,4*0,4/4)*21*1,4 + 2*2*0,6*21*1,4 = 1164.3 кН. Для вычисления расчетной нагрузки применяются такие формулы: N= 1164.3/2 ± 105*1,05/22 =609.71 кН, то есть N= Nd/n ± MX*y/ yi2 ± MY*x/ xi2 < Fd. Разница между значениями составляет 2,3%, перегрузки нет.

Давление свайного массива

Схема свайного монолитного фундамента.

Расчет свайных фундаментов не обходится без вычислений давления для всего массива. Такие расчеты зависят от следующих параметров:

поверхность планировки строения;
плоскость, которая проходит через концы свай основания;
вертикальные боковые плоскости, которые находятся на расстоянии, вычисляемом по формуле: К= h*tg( ,mt/4).

Тут ,mt= hi* ,mt/ hi представляют собой средний угол для внутреннего трения грунта при погружении в него свай, ,mt= (1,4*20+1,7*19)/3,4= 19.45 градусов, т. е. расстояние К = 3.4*tg(19.45/4)=0,29 м.

Для ширины подошвы основания: ВУСЛ.= d+2,1+2К = 0,4+1,2+0,1+2*0,29 = 2.28 м. Для площади массива основания: АУСЛ.= ВУСЛ.* ВУСЛ.= 2.28х2.28 = 5.19 м . Весь объем массива на участке составляет: VУСЛ. = АУСЛ.*hУСЛ. =5.19х3.4 = 17.65 м .

Теперь надо проверить насколько соблюдается условие для давления:

R=(1,25*1,1/1)*(0,47*1*2.28*19,95+2,88*4,5*20+(2,88-1)*0*19,036+5,47*30)=611.43 кПа;
PMAX= 295.46 + 105/1.97 = 348.76 кПа < 1,2R = 1,2*611.43 = 643 кПа - данное условие выполнено;
РСР = (1090+72.6+17.96+352.92)/5.19 = 295.46 кПа R=611.43 кПа - данное условие выполнено.

Как рассчитать осадку свайного основания?

Схемы забивки свай: А – рядовая- Б – спиральная- В – секционная.

Для свайного фундамента важно определить осадку. Среднее значение для давления составляет 245,46 кПа, при этом учитывается число слоев для грунта на участке строительстве в пределах определенной глубины, удельный вес для каждого слоя, толщина слоя. Получают такие значения:

на поверхности грунта на участке: zg = 0 и 0,2 zg = 0;
на границе для 1 и 2 слоя грунта: zg - 0,02*2,5, то есть zg 1 сл. = 0,05 Мпа, 0,2 zg1 сл. = 0,01 Мпа;
на границе 2 и 3 слоя: zg2 сл. = 0,05+0,02*3,5, то есть zg 2 сл.= 0,12 Мпа, 0,2 zg 2 сл. = 0,024 Мпа;
на границе грунтовых вод zg 3 сл. = 0,12 Мпа, то есть 0,2 zg 3 сл. = 0,024 Мпа;
аналогичным образом получаются такие значения: zg 4 сл. = 0,2 и 0,2 zg 4 сл. = 0,04 Мпа- zg 5 сл. = 0,2792 Мпа, 0,2 zg 5 сл. = 0,0558 Мпа.

На уровне подошвы свайного фундамента : zg = 0,02*1,7+0,05 = 0,084 Мпа, значит 0,2 zg0 = 0,0168 Мпа. Под подошвой дополнительное давление в таком случае будет равно Р0= РСР - zg0 = 0,246-0,084. Давление составляет 0,162 Мпа. Можно использовать отношение = 0,4, чтобы получить высоту слоя грунта: Zi = * и/2, т. е. 0,4*1,4/2 = 0,28 м.

На основе полученных данных можно проверить условие для осадки, составляющее hi < 0,4b. В данном случае значение соблюдается такое: 0,61< 0,4*0,28=0,112, т. е. наблюдается значительный запас даже при сокращении высоты слоя до 0,28 Zi. Далее необходимо использовать характеристики по отдельным слоям почвы, чтобы вычислить значение осадки свайного фундамента и определить соответствия всем нормам.

Слои грунта и степень осадки

Чтобы провести расчет фундамента и его давления на грунт, степень его осадки, необходимо рассмотреть разрез грунта по слоям. Для принятых условий слои грунта имеют такие характеристики:

Коричневый твердый суглинок, имеются прослойки песка со средней крупностью. Мощность слоя - 1,7-5,3 м, глубина - до 1 м. Характеристики: Е - 5,4 мПа, С - 16,8 мПа, - 17,3 градуса, - 1,99 г/ м .
Коричневые крупные пески, есть включения гравия до 5%. Мощность слоя - 3,7-5,3 м, глубина - 5 м. Характеристики: Е - 30 мПа, С - 1 мПа, - 38 градуса, - 1,98 г/ см .
Гравийный водонасыщенный, есть включения суглинка, мощность - 0,8-1 м, глубина - 6 м. Характеристики: Е - 30 мПа, С - 16,81 мПа, - 40 градуса, - 2 г/ см .
Пестроцветные суглинки с щебнем и дресвой, мощность - до 4,2-9 м, глубина - 15. Характеристики: - 2,10.
Дресвяно-щебенистый грунт с мощностью в 3-10 м, глубиной в 18 м. Характеристики: - 2,1 г/ см .
Скальный с глубиной в 24 м. Характеристики: - 2,5 г/ см .

Исходя из всех полученных данных, вычисляется усадка для конкретного типа грунта:

S=b, S=0.054 м = см, то есть осадка меньше, чем 8 см, а это значение полностью удовлетворяет всем требованиям к свайным грунтам.

Перед тем как начинать строительство, необходимо выполнить работы по расчету основания, выяснении значения его давления на грунт. Это зависит от многих параметров, рекомендуется не выполнять такие расчеты приблизительно и на «пальцах», а применять только специальные программы и формулы. Лучшим выходом является обращение к специалисту, который в точности определит все условия для вашего участка.