Методы расчета осадки свайного фундамента: практическое руководство

Для расчета осадки свайного фундамента необходимо определить нагрузки, действующие на сваи, а также характеристики грунта. Сначала вычисляют величину вертикальных и горизонтальных нагрузок от конструкции на сваи, а затем, используя параметры грунта (модуль деформации, вес, глубина заложения), применяют теоретические методы расчета, такие как метод группы свай или метод конечных элементов.

После этого нужно рассчитать осадку для каждой отдельной сваи, анализируя её влияние на общую осадку фундамента. Важно учитывать как прямую осадку (в следствие нагрузки), так и потенциальные осадки, вызванные деформацией грунта. В завершение суммируются все осадки, что помогает оценить итоговую осадку всего свайного фундамента.

Определение осадки свайного фундамента, расчет осадки свайного фундамента

Статья расскажет о том, что такое осадка свайного фундамента, какие факторы на нее влияют, а также о том, как выполняется расчет осадки свайного фундамента.

Осадка свайного фундамента – это перемещение свай под действием нагрузок и изменение их высотного уровня, возникающее в процессе их эксплуатации.

Как правило, причиной осадки становятся ошибки в расчетах восприимчивости фундамента к нагрузкам, допущенные на стадии проектирования. В результате в основании используются сваи с некорректными конструктивными параметрами: недостаточной длины или сечения (если речь идет о железобетонных конструкциях), с недостаточным диаметром или количеством лопастей (в случае с винтовыми конструкциями) и т.п.

Осадка может возникать под действием следующих факторов:

• недостаточная несущая способность грунта;
• значительные нагрузки на фундамент от массы здания, снегового и ветрового давления, эксплуатационных воздействий.

Расчет осадки свайно-винтового фундамента

Расчеты по деформациям свайного фундамента сводятся к определению осадки всего фундамента или отдельной сваи.

При расчете осадок группы свай необходимо учитывать их взаимное влияние. Данный расчет является весьма сложным, и задача решается с помощью трехмерного численного моделирования условного фундамента как анизотропного массива с учетом его конечной жесткости на сдвиг по вертикальным плоскостям.

Расчет осадки одиночных свай, прорезающих слой грунта, рассматривают как линейно-деформируемое полупространство, характеризуемое модулем сдвига G2 и коэффициентом Пуассона ν2. При выполнении условия l/d > G1l/G2d > 1 (где l – длина сваи, м; d – наружный диаметр поперечного сечения ствола, м) осадку для винтовой сваи считают как для одиночной сваи с уширением пяты или сваи-стойки.

Расчет осадки одиночной сваи

Согласно СП 24.13330 «Свайные фундаменты» расчет осадки одиночных свай, прорезающих слой грунта с модулем сдвига G1, МПа, коэффициентом Пуассона ν1 и опирающихся на грунт, рассматриваемый как линейно-деформируемое полупространство, характеризуемое модулем сдвига G2 и коэффициентом Пуассона ν1, допускается производить при выполнении требований подраздела 7.2 и при условии l/d > 5; G1l/G2d > 1 (где l – длина сваи, м; d – наружный диаметр поперечного сечения ствола, м) по формуле:

• db – диаметр уширения сваи;
• N – вертикальная нагрузка, передаваемая на сваю, МН;
• EA – жесткость ствола сваи на сжатие, МН;
• A – площадь поперечного сечения сваи;
• ν – коэффициент Пуассона.

Коэффициент Пуассона для грунта (коэффициент поперечного расширения или коэффициент поперечной деформации или Poisson’s ratio) – это показатель деформируемости грунта, характеризующий отношение поперечных и продольных деформаций грунта (то есть отношение относительных поперечных деформаций к относительным продольным деформациям грунта).

При отсутствии экспериментальных данных, значения коэффициента Пуассона можно принять по п.5.4.7.5 ГОСТ 12248 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости»:

• для крупнообломочных грунтов – 0,27;
• для песка – от 0,30 до 0,35 (в зависимости от плотности);
• для супеси – от 0,30 до 0,35 (в зависимости от плотности);
• для суглинков – от 0,35 до 0,37 (в зависимости от плотности);
• для твердой глины (при показателе текучести IL = 0) – от 0,20 до 0,30 (в зависимости от плотности);
• для полутвердой глины (при показателе текучести IL от 0 до 0,25) – от 0,30 до 0,38 (в зависимости от плотности);
• для тугопластичной глины (при показателе текучести IL от 0,25 до 0,5) – от 0,38 до 0,45 (в зависимости от плотности);
• для мягкопластичной глины (при показателе текучести IL от 0,5 до 0,75) – от 0,38 до 0,45 (в зависимости от плотности);
• для текучепластичной глины (при показателе текучести IL от 0,75 до 1) – от 0,38 до 0,45 (в зависимости от плотности).

Меньшие значения коэффициента Пуассона необходимо применять при большей плотности грунта.

G – модуль сдвига, Мпа. Модулем сдвига называется характеристика деформируемости, определяемая отношением приложенного к грунту касательного напряжения к углу сдвига. Этот показатель используется при расчете устойчивости сооружений и массивов грунтов, давления грунтов на ограждения и подземные сооружения, при расчете осадок под свайными фундаментами.

Характеристики G1 и ν1 принимаются осредненными для всех слоев грунта в пределах глубины погружения сваи, a G2 и ν2 – в пределах 0,5 l, т.е. на глубинах от l до 1,5l от верха свай, при условии, что под нижними концами свай отсутствуют глинистые грунты текучей консистенции, органоминеральные и органические грунты.

Модуль сдвига грунта G = E0 / 2(1+ν) допускается принимать равным 0,4 E0, а коэффициент kv равным 2,0 (где E0 – модуль общей деформации).

Таким образом, расчет осадки свайного фундамента – достаточно сложная процедура, которая требует применения специальных знаний. Пренебрежение же данными расчетами может привести к негативным последствиям в процессе эксплуатации здания/сооружения.

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: