Примеры проектирования свайных фундаментов

Проектирование свайных фундаментов часто основывается на условиях грунта и нагрузках, действующих на сооружение. Например, в случае построения высотного здания на слабо несущем грунте могут использоваться забивные сваи, которые обеспечивают необходимую устойчивость и равномерное распределение нагрузки на глубинные слои. Так же распространены буронабивные сваи, которые позволяют создавать фундаменты в сложных геологических условиях и менее подвержены влиянию сезонных изменений грунта.

Другим примером является проектирование свайных фундаментов для мостов, где используются длинные забивные сваи для достижения высокой прочности и устойчивости. Такие конструкции требуют тщательного расчета, включая анализ динамических нагрузок от транспортных средств и влияния погодных условий, что позволяет обеспечить долговечность и безопасность сооружения на протяжении многих лет.

Проектирование свайных фундаментов в сложных грунтовых условиях Санкт-Петербурга Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Кожедуб В. И., Дьяконов И. П

Несмотря на развитие методов и технологий проектирования сваи ̆ных фундаментов , этот процесс все еще заключает в себе определенные трудности. К ним относятся различные погрешности и неточности применяемых формул и используемого оборудования, возникающие из-за огромного разнообразия геологических условий. В данной статье рассмотрен процесс проектирования сваи ̆ного фундамента в условиях Санкт-Петербурга и предложено дальнейшее проектное решение для анализируемого здания. Выводы, приведенный в этой работе, могут помочь проектировщикам, работающим в данном районе, более качественно и профессионально выполнить расчет здания с точки зрения фундамента .

PILE FOUNDATIONS DESIGN ON THE SAINT-PETERSBURG’S SOFT SOIL

Despite the development of methods and technologies in design of pile foundations, this process still involves certain difficulties. They are the various errors and inaccuracies of the applied formulas and the used equipment arising because of a huge variety of geological conditions. In this article I have considered the design process of the pile foundation in the conditions of St.Petersburg and proposed a further design solution for the analyzed building. The conclusions made on the basis of this work can help the designers in this area to carry out the calculation of the building in terms of the foundation more efficiently and professionally.

Текст научной работы на тему «Проектирование свайных фундаментов в сложных грунтовых условиях Санкт-Петербурга»

Кожедуб В.И., Дьяконов И.П.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

DOI: 10.24411/2520-6990-2019-10369 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ В СЛОЖНЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ

Kozhedub V.I., D ‘yakonov I.P.

Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering PILE FOUNDATIONS DESIGN ON THE SAINT-PETERSBURG’S SOFT SOIL

Несмотря на развитие методов и технологий проектирования свайных фундаментов, этот процесс все еще заключает в себе определенные трудности. К ним относятся различные погрешности и неточности применяемых формул и используемого оборудования, возникающие из-за огромного разнообразия геологических условий. В данной статье рассмотрен процесс проектирования свайного фундамента в условиях Санкт-Петербурга и предложено дальнейшее проектное решение для анализируемого здания. Выводы, приведенный в этой работе, могут помочь проектировщикам, работающим в данном районе, более качественно и профессионально выполнить расчет здания с точки зрения фундамента.

Ключевые слова: сваи, несущая способность, статическое зондирование, фундамент, расчет, здание.

Key words: piles, bearing capacity, static probing, foundation, calculation, a building

Целью данной статьи является рассмотрение условий проектирования свайных фундаментов на примере апарт-отеля "Корабли", сравнение результатов определения несущей способности свай различными способами и выбор дальнейшего проектного решения.

Выбранный для строительства район является сложным с точки зрения геологии, так как здесь

наблюдается множественное напластование слабых водонасыщенных и тиксотропных грунтов общей мощностью около 40м [1].

Данные территории начали осваивать еще во времена СССР. Это доказывают построенные в 1980-х годах четыре "дома на курьих ножках", в проекте которых были реализованы практические идеи французского архитектора Ле Корбюзье [2].

Рис. 1. а — Дом на Новосмоленской набережной; б — фрагмент чертежа

Согласно проектировочным чертежам, под каждым из этих зданий находится по меньшей мере 380 свай длинной 32 м и несущей способностью 120 тонн. Такое количество свай — довольно внушительно, несмотря на небольшую площадь здания в

плане. Конечно, это отчасти объясняется высокой этажностью дома, но также причиной этому являются сложные геологические условия данного района, усложняющие процесс проектирования здания с точки зрения фундамента.

Данное утверждение относится и к рассматриваемому в данной статье зданию, внешний вид которого должен быть таким:

Рис. 2. Внешний вид апарт-отеля.

В рамках выполнения анализа инженерно-геологических условий площадки строительства были рассмотрены имеющиеся данные и было принято предварительное решения относительно следующего проектного действия. При изысканиях было выполнено 24 скважины глубиной 70м. Первым

шагом, необходимым для расчета несущей способности сваи, был анализ всех скважин и выявление наихудшей по условиям для работы сваи [3]. Ей оказалась скважина под номером 14. Фрагмент ли-тологического разреза скважины и графика статического зондирования представлен на рисунке 3.

Рис. 3. Фрагмент литологического разреза скважины №14 и графика статического зондирования данной скважины

Задачей моей работы был анализ имеющихся данных и принятие предварительного решения относительно следующего проектного действия. При изысканиях было выполнено 24 скважины глубиной 70м. Первым шагом, необходимым для расчета несущей способности сваи, был анализ всех скважин и выявление наихудшей по условиям для работы сваи [3]. Ей оказалась скважина под номером 14.

Выявив нужную скважину, я приступил к расчету несущей способности сваи. Расчет велся по пункту 7.6.6. СП 24.13330.2011 для набивных свай. Конфигурация сваи была выбрана следующая: длина 54м, сечение круглое, диаметр 88см. Такие параметры были выбраны для того, чтобы сравнить значение с результатами статического зондирования. Ниже представлен расчет согласно нормативной документации:

Ра=Ус(гся^^Л + усГи^ГгИ), (1)

А = пг2 = 3,14 • 0,442 = 0,608 м2 и — периметр поперечного сечения ствола сваи, м

Результаты определения несущей длинной 54м и

= 0,8(1 • 3700 • 0,608 + 0,8 • 2,76 • 1849,94) = 5067,41 кН = 516,73 тс

Так же для определения несущей способности свай был использован метод статического зондирования. Его суть заключается во вдавливании зонда в грунт. Специальные датчики, установленные в различных частях зонда, позволяют определить сопротивление грунта под конусом и силу трения по его боковой поверхности. Далее происходит перерасчет полученных данных в несущую способность свай различных конфигураций с помощью специализированных формул.

Для свай с указанной выше конфигурацией наименьшая несущая способность составляет 275 тс.

Данные для сравнения расчета и результатов статического зондирования представлены в таблице 1.

способности сваи круглого сечения,

Метод определения несущей способности Несущая способность, т. сваи сечением, 88 см*см

Статическое зондирование 275

Расчет по СП 517

По таблице можно заметить, что разница между значениями, полученными в результате расчета по нормативной документации и методом статического зондирования, велика. По этой причине были проведены испытания свай на площадке строительства статической нагрузкой. Ввиду дороговизны испытаний таких свай были испытаны сваи меньшей длины.

Испытания были проведены в соответствии со следующими нормативными документами: ГОСТ 5686-2012 Грунты. Методы полевых испытаний; СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты; СП 50102-2003 Проектирование и устройство свайных фундаментов; ТСН 50-302-2004 Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге; ВСН 490-87 Проектирование и устройство свайных фундаментов и шпунтовых ограждений в условиях реконструкции промышленных предприятий и городской застройки.

Нагрузка на сваи передаётся при помощи домкрата, который устанавливается на оголовок опытной сваи и создает вдавливающее усилие не менее 600 тонн.

В ходе испытаний следует учитывать, что при расчётах несущей способности свай по методике СП трение по боковой поверхности с отметки планировки до отметки дна котлована отсутствует. Для учёта нулевого трения по боковой поверхности следует вести наблюдения за перемещениями анкерных свай для дальнейшего расчёта сил трения или использовать два диаметра обсадных труб — меньший для устройства свай (по всей длине) и больший для создания экрана между сваей и грунтом (от планировки до дна котлована).

Результаты испытаний представлены на рисунке 4:

Корпус № сван по просюу Марка сван X X и i 1 •-V Абсолютная отметка низа сна и, фактом., м Усилие вдавливания на последних 10 см. Характеристики несущего слоя Результаты испытаний

i Наименование Е, МПа Ц. е Дата испытания X а. is « = а ш х Е — К i 1 s и X а 2 tz i 3 ¡i ¡| 1 í g Несундо способность сван по грунту, по результатам испытания (ТСН 50-3022004 табл. 4.1 и СП 24.13330.2011 п. 7.3.5), тони

— 1 С320.40-Са 09.10.2018 -30,00 168,30 18 Супмоая легкие пылеяятые полутвердые серые с гравием, галькой до 54 14.00 0,14 — 05.11.2018 225,00 10,23 225,00

— 2 С320.40-Св 08.10.2018 -30,00 129,40 11 Суглинки легкие кылеитые текучеолястячныс серые слоистые 8,00 0,83 — 01.11.2018 225,00 13,82 225,00

Рис. 4. Результаты испытаний свай статической нагрузкой.

Как видно из документа, были испытаны 2 сваи квадратного сечения со стороной 40см и длиной 32м, каждая из них понесла нагрузку в 225

тонн, получив при этом осадку в размере 10 и 13 мм соответственно. Графики испытаний свай представлены на рисунке 5:

График зависимости осадки S от нагрузки Р

0 20 40 60 50 100 120 140 160 180 200 220 240

0 5 в — -4 J- F ■ . — н S- — — _ — _ — L — — — — — — —

25 10 — = — Е Г — — = — — — — I h — Е

35 — — _ — = г . — — У — — — — =1 — — — — — —

График зависимости осадки S от нагрузки Р

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Рис. 5. а — график испытания сваи №1; б — график испытания сваи №2

Как и для сваи длиной 54 метра, был произведен расчет несущей способности сваи .№2, получившей наибольшую осадку. Он велся по пункту 7.6.2 СП 24.13330.2011 как для забивной сваи, потому

что именно этим способом были погружены сваи на площадке.

Результат расчет оказался следующим:

Ра=Ус(Уся^^А + усГи^Г1^1), (2) где Ус — коэффициент условий работы сваи; ус = 1; Уси — коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи; уся = 1; И — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа И = 8660 кПа; А — площадь опирания сваи, м2

А = г2 =0,4 • 0,4 = 0,16 м2 и — периметр поперечного сечения ствола сваи, м

сопротивление ьго слоя грунта на боковой поверхности ствола сваи, кПа; И.^ —толщина ьго слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м; = 0,5м

= 1(1 • 8660 • 0,16 + 1 • 1,6 •263,2) = 189,36 тс Результаты определения несущей способности сваи различными способами представлены в таблице 2.

Результаты определения несущей способности сваи квадратного сечения, _длинной 32м и стороной 40см_

Метод определения несущей способности Несущая способность, т. сваи сечением, 40х40 см*см

Статическое зондирование (для квадратной сваи 40х40см) 123

Расчет по СП 24.13330.2016 190

Испытания статической нагрузкой 225

Легко можно заметить, что результаты расчета по СП и данные испытания статической нагрузкой оказались близки, чего нельзя сказать о статическом зондировании. Как и в случае с круглой буро-набивной сваей длиной 54м, результаты статического зондирования сильно занижены.

Несмотря на то, что сваи понесли нагрузку 225т и получили очень маленькую осадку, осадка

условного фундамента здания будет иметь значительно большее значение, потому что принципиальная схема взаимодействия с грунтом одиночной сваи отличается от схемы взаимодействия грунта и целого свайного фундамента. Объясняющий рисунок представлен ниже [4].

Зона взаимодействия с грунтом одиночной сваи под нагрузкой

Зона взаимодействия с грунтом свайного фундамента под нагрузкой

Рис. 6. Принципиальная разница во взаимодействии с грунтом одиночной сваи и целого свайного

Согласно СП 22.13330.2016 предельная осадка фундамента равно 18см. Осадка, рассчитанная методом послойного суммирования согласно СП 22.13330.2016 оказалась равной 22,9 см, что превышает максимально допустимое значение. Это говорит о том, что сваи длиной 32м нельзя использовать для устройства фундамента данного здания.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На основе полученных результатов можно сделать несколько выводов:

1) Метод статического зондирования дал большую погрешность при определении несущей способности свай. Наиболее вероятная причина -наличие сложного напластования слабых водона-сыщенных и тиксотропных грунтов в районе строительства, повлиявшего на результаты зондирования и сильно занизившего их.

2) Расчет по нормативной документации позволил более точно предсказать несущую способность этих свай.

3) Наиболее оптимальным проектным решением будет рассмотрение в качестве основного варианта свай круглого сечения с диаметром 88см для обеспечения опирания всех свай в один ИГЭ на абсолютной отметке -51.7м и проведение дополнительных статических испытаний этих свай.

1. Акт министерств и ведомств "Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием" от 18.12.2012 № 19912-2012 // Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. — 27.12.2012 г. — № 2005-ст.

2. Галкина, Юлия. Я живу в доме «на курьих ножках» на «Приморской» (Петербург) // The Village URL: https://www.the-village.ru/village/city/where/226119-chicken-legs (дата обращения: 01.06.2019).

3. Мангушев Р.А. . Ершов А.В. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ Методические указания. -СПб.: СПбГАСУ, 2014. — 90 с.

4. Основания и фундаменты / Мангушев, Карлов, Сахаров, Осокин, Под ред. Мангушева Р.А. -СПб.: АСВ, 2011. — 394 с. — С. 107-108.

5. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г Гид по геотехнике. СПб.: ПИ «Геореконструкция», 2012. 284 с.

6. Мангушев Р.А., Ершов А.В., Ершов С.В. Экспериментальная оценка изменения состояния грунтового массива при изготовлении набивной сваи // Научно-практические и теоретические проблемы геотехники: межвузовский тематический сборник трудов. 2009 Т. 1.

7. Ершов А.В., Нутрихин В.В. Оценка несущей способности набивных свай с использованием данных статического зондирования // Инженерные изыскания. 2011. #7.

8. Fleming K., Weltman A., Randolph M., Elson K. Piling Engineering. NY:Third Edition, 2009, pp. 127, 271-280

9. Mangushev R.A. // Pile Construction Technology. Monograph. ASV Construction, Stockholm, Sweden. 2015. — 228 p.

Проектирование свайных фундаментов

Мы расскажем Вам о проектировании свайных фундаментов на железобетонных забивных сваях. Этапы проектирования опишем и расскажем подробно.

Оглавление:

Что нужно учесть при проектировании
Исходные данные
Порядок проектирования свайных фундаментов
Особенности проектирования
Обязательное при проектировании
Оставить заявку

Согласно своду правил по проектированию и устройству свайных фундаментов СП 50-102-2003, свайные фундаменты проектируются с обязательным учетом

сведений о сейсмической активности в районе строительного участка
данных инженерно-геологической разведки грунтов
расчетных нагрузок на фундамент
данных об особенностях конструкции сооружения и назначения
наличия в непосредственной близости от строительства других зданий и сооружений
требований по экологии

Загрузить на компьютер СП Свайные фундаменты: скачать.

Что нужно учесть при проектировании

1) При проектировании предусматриваются наилучшие, с точки зрения долговечности, надежности и экономичности конструкций, решения.

2) Обязательно учитываются все местные инженерно-геологические и экологические условия, плюс опыт возведения фундаментов в аналогичных условиях.

3) Проектировочные работы проводятся в соответствии с техническим заданием и должны учитывать уровень ответственности здания (ГОСТ 27751).

4) Инженерно-геологические изыскания могут проводить только организации с соответствующими лицензиями и с учетом возможного влияния строительства на соседние здания.

5) Также предусматривается контроль и учет всех натурных изменений (деформации оснований и фундаментов) на весь период проведения работ.

6) Все применяемые в строительстве строительные материалы, конструкции, изделия и грунты должны соответствовать требованиям проекта, действующим стандартам, а также техническим условиям. Замена их может быть произведена только по согласованию с проектной организацией и непосредственным заказчиком.

7) Если устройство свайных фундаментов производится в условиях агрессивной внешней среды, учитываются требования СНиП 2.03.11.

Исходные данные

Проектирование фундаментов свайного типа выполняется на основании положений СНиП 2.02.03-85 "Свайные фундаменты" и "Инструкции по проектированию и устройству свайных фундаментов зданий и сооружений" от 30.11.2011 года.

Согласно данным нормативным документам проектировочные расчеты должны выполнятся на основании следующих исходных данных.

Информация о геологических и гидрогеологических свойствах грунтов на строительной площадке;

Данную информацию получают в результате проведения геодезических исследований, которые предполагают бурение пробной скважины в месте обустройства свайного фундамента и последующее изучение характеристик грунта.

Глубина пробной скважины может варьироваться в зависимости от типа грунта (в слабой и неустойчивой почве скважина бурится до достижения нижних плотных слоев грунта). Если возводимое здание будет иметь большую площадь производится бурение нескольких скважин в крайних точках свайного поля.

Рис. 1.1: Исследования грунта на участке, отведенном под строительство свайного фундамента

По завершению бурения определяется уровень расположения грунтовых вод и выполняется передача образца почвы в лабораторию для определения химического состава грунтовой влаги.

На основании нормативных данных определяется глубина промерзания почвы в холодное время года.

Данные о механических и физических характеристиках почвы;

Информация о механических характеристиках грунта собирается прямо в полевых условиях с помощью специального оборудования. Определяются следующие характеристики грунта:

Модуль деформации;
Удельное сцепление;
Угол внутреннего трения.

Далее выполняется забор образцов почвы на анализ и их передача на исследования в строительную лабораторию, где определяется:

Плотность;
Влажность;
Удельный вес;
Пористость грунта.

Рис. 1.2: Анализ характеристик грунта в строительной лаборатории

Чтобы получить данную информацию необходимо потратить достаточно большое количество времени и финансовых средств, однако она крайне необходима, поскольку итоговая несущая способность свайного фундамента непосредственно зависит от характеристик грунта, которые обязательно нужно учитывать при проектировании.

Данные о возводимой постройке;

Следующим этапом подготовки к проектированию является сбор данных о характеристиках возводимого здания, к которым относится:

Количество этажей;
Материалы, используемые для строительства стен, кровли и перекрытий;
Расположение внутренних стен здания;
Класс ответственности постройки;

На основании этой информации выполняется расчет массы возводимого строения.

Рис. 1.3: Нормативный вес стен и перекрытий из разных материалов

Данные о нагрузках, оказываемых на свайных фундамент;

Все внешние нагрузки, которые испытывает свайный фундамент, делятся на две основные группы — постоянные и периодические.

К постоянным нагрузкам относится вес самого здания и воздействие массива грунта, тогда как периодические нагрузки классифицируются на три вида:

Длительной продолжительности — вес мебели/производственного оборудования, людей;
Кратковременной продолжительности — снеговые и ветровые нагрузки;
Нагрузки особого типа — сейсмические нагрузки и воздействия на фундамент здания потенциально возможной взрывной волны.

Порядок проектирования свайных фундаментов

Проектирование свайных фундаментов согласно требованиям СНиП № 2.02.3.87 должно выполняться в следующей последовательности:

Производится анализ и оценка информации о геологических условиях на строительной площадке, исходя из которых определяется несущие характеристики почвы и глубина, на которую должны быть погружены свайные опоры.

Несущие свойства грунта — это величина внешней нагрузки, которую способна выдержать определенная площадь почвы (см2 / м2). На несущие свойства почвы непосредственно влияет ее уплотненность и степень насыщения грунта влагой.

Нормативные показатели несущих характеристик разных типов почвы можно увидеть на рисунке 1.4

Рис. 1.4: Нормативная несущая способность разных видов грунтов

Несущие свойства грунта, в большинстве случаев, на порядок меньше несущей способности самой свайной конструкции. Виду этого, определение фактических несущих свойств свайного фундамента на конкретном типе грунта требует сопоставления данных показателей (в расчет берется наименьшее значение несущей способности).

Определяется вид (буронабивные, винтовые либо забивные ЖБ конструкции) и типоразмерных свай, которые необходимо использовать для создания фундамента;
Проводится расчет фактических несущих свойств сваи в конкретных геодезических условиях;

После теоретических расчетов несущих свойств свайного основания (где учитываются несущие характеристики почвы и вес постоянных и временных нагрузок, оказываемых на фундамент здания) выполняется проверка полученных результатов практическими исследованиями. Для этого применяются технологии динамической нагрузки либо статического зондирования, которые реализуются непосредственно на строительной площадке в процессе пробного погружения сваи.

Рис. 1.5: Статическое зондирование сваи

Выполняется расчет требуемого количества свай;

Количество опорных свай варьируется в зависимости от массы возводимого здания и несущей способности почвы. Свайные опоры должны обязательно размещаться по углам здания, в местах пересечения внутренних стен и быть равномерно распределены по контуру наружных стен постройки с шагом 1,5-2 метра.

Выполняется сопоставление фактического давления на одну сваю с их нормативными несущими характеристиками;
Создается чертеж расположения свайных опор в фундаменте;

Рис. 1.6: Виды расположения свай в фундаменте

Особенности проектирования фундаментов на железобетонных забивных сваях

При проектировании фундамента на основе железобетонных свай крайне важно правильно рассчитать несущие свойства фундамента по типу грунта, где помимо нормативных характеристик забивных свай необходимо учитывать сопротивление слоев грунта под их опорными подошвами и сопротивление, прилагаемое к вертикальным стенкам свай.

Рис. 1.7: Схема распределения нагрузок оказываемых на забивную ЖБ сваю

Расчет выполняется с использованием формулы: FD = Ycr * (Fdf + Fdr), в которой:

1. Ycr — коэффициент общих условий работы почвы (как правило, равен единице);

2. Fdf — сопротивление слоев грунта под нижней частью свайного столба, рассчитываемое по формуле: Fdf = Ycr * R * A, где:

Ycr — коэфф. работы свайной опоры в почве;
R — сопротивление почвы под опорной поверхностью железобетонной сваи;
А — площадь (см2) опорной поверхности.

3. Fdr -сопротивление почвы к боковым стенкам столба сваи, рассчитываемое по формуле: Fdr = u * Ycr * Fi * Hi, где:

Fi — сопротивление отдельных слоев грунта боковым стенкам свайного столба;
Hi — общая толщина слоев грунта соприкасающихся с боковой поверхностью сваи.

Рис. 1.8: Схема фундамента с ростверком из забивных ЖБ свай

Обязательное при проектировании

Обязательным элементом проектирования является положения о срезке плодородного слоя грунта и дальнейшего его использования для рекультивации малопродуктивных сельскохозяйственных земель или для работ по озеленению района строительства.

Также проектом предусматриваются необходимые меры по изоляции соприкасающихся с грунтом конструкций в районах, где возможно выделение почвенных газов.

Важно! Пример проекта коттеджа с подвалом смотрите по ссылке.

Заказ проектирования фундаментов

Оставьте заявку на исследование грунта под забивку свай, проектирование свайного фундамента под забивку железобетонных свай.

Лучшие примеры проектирования свайных фундаментов: эффективные решения для строительства