Как правильно рассчитать осадки свайных фундаментов: методы и подходы

При расчете осадок свайных фундаментов обычно используется метод конечных элементов (МКЭ), который позволяет детально анализировать распределение нагрузок и деформаций в грунте и конструкции. Этот метод учитывает различные параметры, такие как свойства грунта, нагрузку на свай и геометрию фундамента, что обеспечивает более точные результаты в сравнении с более простыми расчетными методами.

Также важным аспектом является применение теоретических подходов, основанных на статической и динамической теории упругости, которые позволяют оценить осадки свая в зависимости от их длины, диаметра и типа соединения со зданием. Комплексное использование этих методов помогает обеспечить надежность и долговечность свайных фундаментов в строительстве.

Осадка свайного фундамента

После возведения здания фундамент начинает оседать под действием нагрузок. Осадка может привести к перекосу конструкции с последующим ее разрушением. Чтобы этого избежать, производится расчет осадки.

Полученный результат сравнивают с допустимой осадкой (СНиП). Если расчетное значение больше, проект фундамента надо корректировать.

Что такое осадка свайного фундамента

Определение осадки – это расчет по деформациям (предельным состояниям) грунта. Оптимум – S ≤ Su, где Su – предельная осадка, S – расчетная.

Если это условие не соблюдается, нужно усиливать фундамент за счет увеличения длины свай таким образом, чтобы их концы опирались на более глубокие и устойчивые слои грунта.

Сваи создают нагрузку на грунт во всех направлениях, своей боковой поверхностью и нижними концами. На расчет нагрузок влияют следующие факторы:

• Свойства грунта, его сжимаемость, степень уплотнения.
• Длина свай.
• Количество.
• Расстояние между сваями.

При определении осадки принимается ряд допущений, облегчающих расчет, но снижающих его точность.

Расчет осадки свайного фундамента методом послойного суммирования

Расчетная осадка получается при суммировании сжатий всех слоев грунта, на которые давит фундамент.

Для этого определяется осадка отдельных слоев:

– Р – среднее уплотняющее давление в слое (берется из графика);

– m – сжимаемость грунта, коэффициент, полученный по результатам компрессионных испытаний;

– h – толщина слоя.

Соответственно, S = ∑ Si.

Или S = ∑ (h * β/E * P),

– E – модуль деформации слоя (если он известен);

– β – коэффициент 0,8 (СНиП).

Перед Вами расчетная схема для определения осадки фундамента методом послойного суммирования, где: DL — отметка планировки; NL — отметка поверхности естественного рельефа; FL — метка подошвы фундамента; ВС — нижняя граница сдавливаемой толщи; Нс — сжимаемая (сдавливаемая) толща.

Изображение схемы распределения вертикальных давлений и напряжений в линейно-деформируемом полупространстве расчета осадок основания с использованием метода послойного суммирования.

Определение осадки свайного фундамента

Расчет производится по аналогии с массивным фундаментом, т.е. принимается, что нагрузка равномерно распределена по всей площади фундамента, условно принятого за монолитный блок.

• Верхняя поверхность условного монолита проходит через оголовки свай.
• Нижняя – через их наконечники.
• Боковые — по крайним рядам свай.

По составленному разрезу фундамента выстраивается график Р (уплотняющих напряжений слоев).

Допустимая осадка свайного фундамента

Допустимые (предельные) значения осадки фундаментов приведены в СНиП 2.02.01-83, приложение 4. Они зависят от типа здания:

• Сооружения с железобетонным каркасом – 8 см
• Со стальным каркасом – 12 см
• Панельные и блочные бескаркасные – 10 см, и т.д.

Наши услуги

Наша компания "Богатырь" базируется исключительно на услугах: забивка свай, лидерное бурение, забивка шпунта, а так же статических и динамических испытаниях свай. В нашем распоряжении собственный автопарк бурильно-сваебойной техники и мы готовы поставлять сваи на объект с дальнейшим их погружением на строительной площадке. Цены на забивку свай представлены на странице: цены на забивку свай. Для заказа работ по забивке железобетонных свай, оставьте заявочку.

Расчёт осадки свай с учётом взаимовлияния

В рамках данной статьи рассмотрим Пример №2 Методических указаний по расчёту осадок вертикально нагруженных свай групп с учётом их взаимного влияния.

Пример 2

Исходные данные

Свайный фундамент состоит из девяти свай расположенных регулярно, по квадратной сетке с шагом 4d (2.4 м), длиной 18 м, диаметром 0.6 м. Расчётная схема инженерно-геологических условий представляет собой двухслойное основание, характеризуемое модулями сдвига G1 и G2 равными 5 и 10 (см. примечание) МПа соответственно, коэффициентом Пуассона v=0.25. Нагрузка на все сваи одинаковая и составляет 2 МН.

Важно! В ходе расчётов, в методических указаниях, для грунта под нижними концами свай применяется модуль сдвига G2=15 МПа, вместо G2=10 МПа, указанного в исходных данных. При моделировании этой задачи в ЛИРА САПР, также принимаем G2=15 МПа.

План и разрез по свайной группе показаны на рисунке.

План и разрез рассматриваемой свайной группы

Проанализировав схему взаимодействия, можно отметить, что влияние, создаваемое сваями 1, 3, 7 и 9 на остальные одинаково. Также одинаково влияние, создаваемое сваями 2, 4, 6 и 8. Указанная особенность позволяет рассматривать три расчётных случая: осадка свай 1, 2 и 5.

Схема влияния сваи №1 на остальные. Аналогично для свай 3, 7, 9

Схема влияния сваи №2 на остальные. Аналогично для свай 4, 6, 8

Схема влияния сваи №5 на остальные

Расчёт осадки свай 1, 3, 7, 9

Расчёт осадки для одиночной висячей сваи без уширения пяты выполняют по формуле:

где N=2 МН – вертикальная нагрузка, передаваемая на сваю; Betta – коэффициент, определяемый по формуле:

здесь Betta’ – коэффициент соответствующий абсолютно жёсткой свае;

alpha’ – тот же коэффициент (Betta’) для случая однородного основания с характеристиками G1, v1;

α’ = 0,17ln(kv1l/d) = 0,17ln(2,011*18/0,6) = 0,697;

Х – относительная жёсткость сваи;

χ = EA/G1l 2 = 8478/5*18 2 = 5,23;

ЕА – жёсткость ствола сваи на сжатие, МН;

A = 0,3*0,3*3,14 = 0,2826м 2 ;

EA = 30000*0.2826 = 8478МН;

Lyambda1 – параметр, характеризующий увеличение осадки за счёт сжатия ствола и определяемый по формуле:

kv, kv1 – коэффициенты, определяемые по формуле:

kν = 2,82 — 3,78ν + 2,18 ν 2

kν = 2,82 — 3,78*0,25 + 2,18*0,25 2 = 2,011

kν1 = 2,82 — 3,78*0,25 + 2,18*0,25 2 = 2,011

При расчёте осадок группы свай необходимо учитывать их взаимное влияние. Дополнительная осадка сваи 1, находящейся на расстоянии а1=2.4 м (свая 2 и 4), а2=3.39 м (свая 5), а3 = 4.8 м (свая 3 и 7), а4=5.36 м (свая 6 и 8), а5=6.79 м (свая 9) (расстояние измеряется между осями свай) от сваи, к которым приложена нагрузка равна:

Дополнительная осадка на сваю 1 от сваи 2 и 4 равна:

Дополнительная осадка на сваю 1 от сваи 5 равна:

Дополнительная осадка на сваю 1 от сваи 3 и 7 равна:

Дополнительная осадка на сваю 1 от сваи 6 и 8 равна:

Дополнительная осадка на сваю 1 от сваи 9 равна:

Sad9 = 0 Sобщ = Sод + Sad12 + Sad13 + Sad14 + Sad15 + Sad16 + Sad17 + Sad18 + Sad19 = = 0,0134 + 0,0035 + 0,00083 + 0,0035 + 0,00219 + 0,00045 + 0,00083 + 0,00045 + 0 = 0,025 м

Расчёт осадки свай 2, 4, 6, 8

При расчёте осадок группы свай необходимо учитывать их взаимное влияние. Дополнительная осадка сваи 2, находящейся на расстоянии а1=2.4 м (свая 1, 3, 5), а2=3.39 м (свая 4, 6), а3=5.36 м (свая 7 и 9), а4=4.8 м (свая 8) (расстояние измеряется между осями свай) от свай, к которым приложена нагрузка равна:

Дополнительная осадка на сваю 2 от свай 1, 3, 5 равна:

Дополнительная осадка на сваю 2 от свай 4, 6 равна:

Дополнительная осадка на сваю 2 от свай 7 и 9 равна:

Дополнительная осадка на сваю 2 от сваи 8 равна:

Sобщ = Sод + Sad21 + Sad23 + Sad24 + Sad25 + Sad26 + Sad27 + Sad28 + Sad29 = = 0,0134 + 0,0035 + 0,00219 + 0,0035 + 0,00219 + 0,00035 + 0,00045 + 0,00045 + 0,00083 + 0,00045 = 0,03 м

Расчёт осадки сваи 5

При расчёте осадок группы свай необходимо учитывать их взаимное влияние. Дополнительная осадка сваи 5, находящейся на расстоянии а1=2.4 м (сваи 2, 4, 6, 8), а2=3.39 м (сваи 1, 3, 7, 9), (расстояние измеряется между осями свай) от сваи, к которой приложена нагрузка N, равна:

Дополнительная осадка на сваю 5 от свай 2, 4, 6, 8 равна:

Дополнительная осадка на сваю 5 от свай 1, 3, 7, 9 равна:

Sобщ = Sод + Sad51 + Sad52 + Sad53 + Sad54 + Sad55 + Sad56 + Sad57 + Sad58 + Sad59 = = 0,0134 + 0,0035 + 0,00219 + 0,0035 + 0,00219 + 0,00035 + 0,00219 + 0,00035 + 0,00219 = 0,036 м

Расчёт осадки свайного фундамента в ЛИРА САПР

1 Напластование грунтов

2 Характеристики грунтов

Определение модуля деформаций грунтов.

В рамках данной задачи, выразим модуль деформации грунта из формулы в п.7.4.3 СП 24.13330.2011:

Определим модуль деформации для каждого слоя:

Слой 1 E0=G1*2*(1+v)=5*2*(1+0.25)=12.5 МПа=1274.65 тс/м 2 ;

Слой 2 E0=G2*2*(1+v)=15*2*(1+0.25)=37.5 МПа= 3823.94 тс/м 2 ;

3 Высотные отметки

Отметка рельефа по скважине 1 = 0 м, отметка головы сваи = 0 м в абсолютных координатах модели грунта.

Длину сваи принимаем 18 м.

Свая целиком находится в слое G1.

На отметке -18 м находится граница грунтов G1 и G2, т.е. нижний конец сваи упирается в слой G2.

Скриншот окна системы ГРУНТ с изображением инженерно-геологического разреза с посадкой свай

4 Коэффициенты при расчётах

Скриншот окна Параметров определения теоретической несущей способности свайного основания СП 24.13330.2011

В рамках данного примера определяется только осадка сваи, которая не зависит от параметров определения несущей способности, поэтому параметры могут быть любыми.

При расчёте осадок, учитывается взаимное влияние свай.

Результаты расчёта ЛИРА САПР

Результат определения осадок свай с учётом взаимного влияния представлены на рисунке:

Мозаика перемещений по Z(G)

Сравнение с результатами расчёта в Примере 2:

Осадка свайного фундамента

Вопрос от клиента: "Добрый день. Планирую возводить двухэтажный коттедж на свайном фундаменте в Подмосковье. В процессе проектирования основания столкнулся с проблемой осадки — большинство соседей говорят, что из-за осадки им приходилось неоднократно усиливать фундаменты своих домов. Подскажите пожалуйста, как правильно рассчитать устойчивость фундамента к осадке на стадии проектирования, чтобы избежать проблем в дальнейшем. Заранее спасибо".

Оглавление:

• Что такое осадка фундамента и что на неё влияет
• Расчёт осадки — методы

• Способ эквивалентного слоя

На данной странице представлена информация об осадке свайного фундамента. Вы узнаете, что это за процесс и какие факторы на него влияют. Мы рассмотрим методы расчетов осадки, способы ее фактического определения и технологии предотвращения осадки железобетонных свай.

Что такое осадка фундамента и что на неё влияет

Осадка свайного фундамента — это изменение уровня размещения свай в грунте, возникающие в процессе их эксплуатации. Основная причина осадки — неправильные расчеты устойчивости фундамента к нагрузкам на стадии его проектирования, которые приводят к использованию опор недостаточной длины либо меньшего, чем того требуют фактические условия, сечения.

Проседания свай возникают под воздействием следующих факторов:

• Недостаточной несущей способности почвы, в которой размещена опорная подошва свай;
• Нагрузок, передающихся на фундамент в процессе работы в грунте, исходящих от массы здания, давления снега и эксплуатационных воздействий.

Важно: несущая способность почвы увеличивается пропорционально уровню ее расположения — чем глубже находится пласт, тем большей плотностью и силой сопротивления он обладает, тогда как поверхностные слои почвы, как правило, представлены низкоплотными породами, неспособными выдержать исходящую от фундамента нагрузку.

Рис. 1.1: Схема осадки свайных фундаментов

Грузонесущуя способность железобетонной опоры по материалу будет всегда больше, чем аналогичная характеристика грунта. Если в расчетах фундамента допущены ошибки, то пласт грунта в котором расположена опорная часть свай, под весом здания будет уплотняться и проседать, что приведет к уменьшению нулевого уровня фундамента (его осадке).

Рис. 1.2: Схема работы свай в грунте — а) сваи-стойки; б) висячие сваи.

Данная проблема особенно характерна для висячих свай, которые получают устойчивость за счет трения почвы с боковыми стенками опоры. Сваи стойки, опирающиеся на глубинные, несжимаемые пласты грунта, ввиду высокой плотности породы практически не подвергаются осадке.

Расчёт осадки — методы

Специалисты, занимающиеся проектированием фундаментов, определяют расчетную осадку свай исходя из второй группы предельных состояний железобетонных опор, для чего используется два метода:

• Способ послойного суммирования;
• Способ эквивалентного слоя.

Рассмотрим каждый из них подробнее.

Способ послойного суммирования

Данный метод рекомендован к применению действующим СНиП, он является наиболее часто используемым способом вычислением осадок свайных оснований.

При использовании способа послойного суммирования свайное основание принимается за условную монолитную конструкцию, размеры которой считаются по контуру крайних точек свайного поля. На нижеприведенной схеме размеры свайного основания представлены границами АВДС.

Рис. 1.3: График работы свай в грунте при реализации метода послойного суммирования

Первоначально составляется габаритная схема основания АБСД, при расчетах используется величина уклона "а", выводящаяся из следующих формул:

• φcp — усредненный угол внутреннего трения контактирующих со сваей слоев почвы, определяемый посредством геодезических изысканий;
• а — эпюра рассеивания нагрузок по высоте свайной опоры.

После определения величины "а" производится расчет длины и ширины основания AБCД по формуле:

Полученные габаритные характеристики применяются в формуле расчета давления на опорную часть фундамента (Р усп). Давление сопоставляется с удельным сопротивлением контактирующих со сваями пластов грунта (R усл. фун).

Удельное сопротивление почвы, в свою очередь, выводится по формуле:

Если в результате сопоставления нагрузок и сопротивления грунта получается соблюдение условий, составляются эпюры нагрузок на сваи "σ0z" и "σбz" (приведены на схеме), и по формуле S выводится величина осадки основания.

Важно: если полученная в результате расчетов величина осадки превышает предельный допустимый показатель, в проект свайного фундамента вносятся коррективы, направленные на увеличения длины применяемых опор (что приводит к передаче нагрузки от здания на более плотные, глубинные пласты почвы) и расчеты выполняются повторно.

Способ эквивалентного слоя

Альтернативный способ эквивалентного слоя подразумевает расчет осадки исходя из контролируемого бокового расширения почвы. В данном случае за эквивалентный слой принимается пласт почвы (hэ), который при невозможности пространственного расширения дает удельную осадку, аналогичную общей осадке равномерно нагруженного фундамента. По простому — вместо послойного суммирования слоев используется одномерный коэффициент, совокупный для всех контактирующих со сваей пластов грунта.

Мощность условного эквивалентного слоя высчитывается на основе коэфф. Пуансона, коэффициента жесткости фундамента (w) и его габаритной ширины (b) по формуле:

При этом за А принимается коэффициент, индивидуальный для каждого типа грунта: А равно .

Используемое при расчетах соотношение Aw (коэффициента грунта и жесткости фундамента) именуется величиной эквивалентного пласта, нормативные данные которого представлены в нижеприведенной таблице:

Рис. 1.4: Таблица коэффициента эквивалентного пласта

Осадка фундамента рассчитывается по формуле: , в которой:

• Ро — эксплуатационное давление на опорную часть свайного фундамента (от массы здания, снеговых и полезных нагрузок);
• mv — нормативный коэфф. сжимаемости почвы.

Важно: при определении осадки посредством способа эквивалентного слоя значительно упрощается технология проведения расчетов. Также тут учитывается коэфф. линейного расширения грунта (коэфф. Пуансона), который не используется в методе послойного суммирования, что дает более точные итоговые результаты.

Как определить осадку свайного фундамента

Фактическая осадка свай определяется посредством их статических испытаний. В процессе испытаний на опору гидравлическими домкратами оказывается давление и с помощью прогибомера измеряется величина осадки сваи от полученной нагрузки.

Технология статических испытаний предназначена для определения критических и предельных нагрузок, которые может выдержать свайный фундамент. Под критической нагрузкой подразумевается давление, которое приводит к резкой осадке (проваливанию) сваи в грунт, величина которой в 5 и более раз превышает осадку от ранее полученного сваей давления. Осадка предельного типа определяется по нагрузке, на 1 ступень меньшей, чем нагрузка приводящая к критической осадке.

Рис. 1.5: Процесс статического испытания свай

Для проведения испытаний используются гидравлические домкраты с усилием давления от 50 до 200 тонн, измерения ведутся с точностью до 0.1 мм. Прогибомер фиксируется на высотных реперах, которые представлены стойками, удаленными от сваи на 1-2 метра, и закрепленными на них ригелями (на ригелях посредством ступицы фиксируется измерительный прибор).

Важно: на основании информации о фактической осадке и приводящих к ней нагрузкам вносятся коррективы в проект свайного фундамента.

Допустимые нормы осадки

Действующие строительные нормативы не разделяют осадку фундамента на первоначальную — полученную в процессе возведения, и эксплуатационную — возникшую при работе свай в грунте. Согласно положениям СНиП № 2.02.01 — "Деформации зданий и сооружений", величина допустимой осадки составляет:

• Для железобетонных зданий — 8 см;
• Для панельных зданий со стальным несущим каркасом — 12 см;
• Для кирпичных и блочных сооружений безкаркасного типа — 10 см.

Важно: осадка свайного фундамента, возникшая в процессе его строительства, отличается равномерностью — она происходит по всему пятну основания, что не приводит к деструктивным нагрузкам на возводимое сооружение.

На практике кирпичные здания, фундамент которых подвергся неравномерной усадке более чем на 12 см, получают серьезные деформации, вплоть до появления на стенах и перекрытиях сквозных трещин.

Как избежать осадки

Предотвратить осадку фундамента можно еще на стадии проектирования основания. Если расчеты показывают, что величина осадки превышает допустимою норму, нужно заменить висячие сваи на сваи-стойки — использовать опоры большей длины, которые работают в грунте не за счет сопротивления почвы боковым стенкам конструкции, а за счет опирания на глубинный пласт несжимаемого грунта.

Рис. 1.6: Процесс укрепления грунтов цементацией

Снизить риск осадки фундамента можно и посредством увеличения сопротивления грунтов, что достигается за счет их цементации. Данный метод особенно эффективен в условиях почвы, обладающей низкой плотностью. Его суть заключается в нагнетании в толщу грунта бетонной смеси либо силикатного раствора с помощью специальных инъекторов.

Инъектор представляет собой перфорированную стальную трубу, которая погружается в почву и подключается к бетононасосу. Подача смеси ведется в пласты грунта, в которых расположена опорная часть сваи. В результате вокруг опорной подошвы сваи, после отвердевания смеси, образуется монолитная бетонная подушка, которая предотвращает осадку фундамента под внешними нагрузками.

Полезные материалы

Свайный фундамент своими руками — пошаговая инструкция

СК "Установка Свай" занимается возведением фундаментов на железобетонных сваях.

Как рассчитать свайный фундамент

В местностях с зыбкими, слабыми грунтами предпочтительные виды фундаментов под дома и сооружения – свайный и свайно-ростверковый.

Как закрыть свайный фундамент

Свайный фундамент, особенно высокий фундамент с ростверком на сваях , обычно стараются закрыть.