Односвайный фундамент — это вид фундамента, который состоит из одной сваи, установленной в грунт для передачи нагрузки от здания или конструкции. Этот тип фундамента применяется в случае, когда необходимо обеспечить стабильность на слабых или непостоянных грунтах, а также в ситуациях с ограниченным пространством для устройства фундамента.
Односвайные фундаменты могут быть выполнены из различных материалов, включая бетон и металл, и часто используются в легких сооружениях, таких как дачи и модули. Их основное преимущество заключается в быстроте монтажа и сниженной стоимости по сравнению с более массивными фундаментами.
Обзор и анализ методов расчета односвайных фундаментов на вертикальную нагрузку
Односвайные фундаменты под колонны каркасных зданий и сооружений характеризуются развитым поперечным сечением и различием формы ствола сваи. Они могут быть полыми и сплошного сечения, постоянного или переменного по длине сечения, устраиваемые забивкой или вытрамбованными в грунте. Все эти конструктивные и технологические особенности предопределяют и их различную работу в грунте.
Полые круглые сваи и сваи-оболочки по условиям своей работы в грунте отличаются от сплошных, так как в передаче нагрузки на основание принимает участие грунт, вошедший в полость сваи при ее забивке.
Работа фундаментов в вытрамбованных котлованах отличается от других типов свай тем, что благодаря наклонным боковым граням формируется дополнительное сопротивление за счет нормального к боковым граням сопротивления грунта.
Подавляющее большинство методов расчета несущей способности свай в мировой практике базируется на теории предельного равновесия, в соответствии с которой грунт в некоторой области на боковой поверхности и под острием сваи находится в предельном состоянии. При этом сопротивление сваи по грунту, как правило, определяется двумя компонентами: сопротивлением трения на боковой поверхности и сопротивлением грунта под острием сваи. Однако методы определения расчетных характеристик грунта отличаются разнообразностью и основаны на большом количестве отличающихся друг от друга физических моделей системы "свая — грунтовое основание".
Броме Б.Б. в 1965 г. [268] на основании экспериментальных исследований Плантемы И.Ж. [289], Нишиды Ж. [287], Кезди [281], Керизеля [280] и др. предложил для определения расчетных характеристик грунта использовать результаты лабораторных испытаний грунта на сдвиг. Для несвязных грунтов трение на боковой поверхности сваи определяется, исходя из расчетной схемы на рис.
1.2 по формуле где Фи — коэффициент трения для поверхности сваи; К0 — коэффициент давления грунта, который зависит от объема на единицу длины сваи в грунте и от относительной плотности грунта; L — длина сваи, м; / — удельный вес грунта, т/м3. Сопротивление под острием определяется, исходя из схемы на рис.
1.3, по общему уравнению Терцаги [296], где Кс, КуиК — коэффициенты формы; Nc, Ny и N — коэффициенты несущей способности, зависящие от угла внутреннего трения окружающего грунта; D — поперечный размер сечения сваи, м; С — сцепление, т/м ; у,Ь-то же, что и в (1.1). Учитывая, что для несвязных грунтов С = 0, а также, что в соответствие с экспериментальными исследованиями коэффициенты Кс,Куи Kq равны 1,3; 0,6 и 1,0 соответственно, уравнение (1.2) упрощается и принимает вид Для связных грунтов трение на боковой поверхности определяется недренированнои прочностью грунта на сдвиг Си , а сопротивление под острием по формуле где Nc — коэффициент, рассчитываемый по теории пластичности.
Подробно различные схемы разрушения грунта под острием сваи анализирует Хираяма X. [277]. Со ссылкой на Весича Л.С. он показывает три возможных вида разрушения грунта в области нижнего конца сваи (см.рис.1.4): а) разрушение в результате общего сдвига по определенным поверхностям скольжения; б) разрушение в результате локальных сдвиговых деформаций; в) разрушение в результате сдвига при продавливании сваей грунта. Идея разрушения от общего сдвига реализована в расчетной схеме Меергофа Г.Г. [285], (рис. 1.5), в которой сдвиг происходит по непрерывной поверхности скольжения, начиная от острия сваи до поверхности грунта, описываемой логарифмической спиралью. Исходя из этой схемы, предлагается формула для определения сопротивления под острием сваи где JV — давление вышележащего пласта грунта; 0S — угол сдвига, определяемый по формуле ц, 0 — показаны на расчетной схеме.
Привести конструктивное решение свайных фундаментов: односвайных, свайных ленточных, свайных от-дельных (кустовых), свайного поля
Фундаментом называют нижнюю (подземную или подводную) конструкцию здания или сооружения, которая предназначена для передачи нагрузки на здания или сооружения на основание [4].
По конструкции фундаменты бывают свайные, ленточные, столбчатые и плитные сплошные.
В условиях, когда с поверхности залегают слои слабых грунтов, не способных служить основанием для фундаментов мелкого заложения, чаще всего прибегают к устройству фундаментов из свай. Сваю можно представить как стержень, погруженный в грунт или изготовленный непосредственно в грунте. Группу таких свай, объединенных поверху распределительной плитой или балкой, называют свайным фундаментом.
По расположению свай в плане различают следующие виды свайных фундаментов:
ленточные свайные фундаменты;
сплошные свайные поля.
Одиночные сваи применяют под отдельно стоящие опоры. Разновидность таких свай, служащих одновременно фундаментом и колонной надземной конструкции, называют сваей — колонной (рис. 1). Одиночные сваи широко применяют при строительстве легких сельскохозяйственных сооружений.
Рис. 1. Схема одиночной сваи и сваи-колонны
Сложность: необходимо точно забить (погрузить), отклонение от оси в плане у одиночных свай ±5 см, от вертикальной оси не более 5є.
Свайный куст это фундамент, состоящий из группы свай. Свайные кусты устраивают под колонны сооружений, передающие значительные вертикальные нагрузки. Если сваи в фундаменте расположены в один или несколько рядов, то такой фундамент называют ленточным свайным фундаментом. Ленточные свайные фундаменты устраивают под стены зданий или протяженные конструкции.
В случае, когда фундамент состоит из свай, расположенных в определенном порядке под всем сооружением, его называют сплошным свайным полем. Такие фундаменты устраивают под тяжелые сооружения башенного типа (рис.2).
Рис. 2 Виды свайных фундаментов
По расположению ростверка свайные фундаменты бывают:
с низким ростверком: когда ростверк заглублен в грунт или его подошва расположена непосредственно на поверхности грунта;
с высоким ростверком: когда подошва ростверка расположена выше поверхности грунта.
Наиболее часто применяют низкий ростверк, высокий ростверк устраивают в опорах мостов, набережных, пирсов и т.п.
Свая, находящаяся в грунте, может передавать нагрузку от сооружения либо через нижний конец (пята), либо совместно с боковой поверхностью сваи за счет трения последней об грунт.
В зависимости от этого, по характеру передачи нагрузки на грунт сваи бывают:
висячие сваи (сваи трения).
К сваям-стойкам относятся сваи, прорезающие толщу слабых грунтов и опирающиеся на практически несжимаемые или малосжимаемые грунты (крупнообломочные грунты с песчаным наполнителем, глины твердой консистенции). Такие сваи практически всю нагрузку передают через нижний конец, т.к. при их малых вертикальных перемещениях не возникают условия для возникновения сил трения на ее боковой поверхности.
К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты. Под действием продольной силы свая получает перемещение (дает осадку), достаточное для возникновения сил трения между боковой поверхностью сваи и грунтом. В результате нагрузка на основание передается как боковой поверхностью, так и нижним концом сваи.
По условиям изготовления сваи делятся на две группы:
сваи, изготовляемые заранее на заводах или полигоне (предварительно изготовляемые) и затем погружаемые в грунт. В зависимости от материала предварительно изготовленные сваи подразделяются на:
деревянные (условия эксплуатации — ниже уровня подземных вод). Простейшая деревянная свая представляет собой бревно с заостренным нижним концом. На верхний конец бревна надевают бугель (стальное кольцо), который защищает сваю от размочаливания оголовка во время забивки. На заостренном конце при погружении сваи в грунты с твердыми включениями закрепляют стальной башмак.
Достоинства этого вида свай — простота изготовления и небольшой вес. Недостатки — малая несущая способность, трудность погружения в плотные грунты, опасность гниения в условиях переменной влажности. Деревянные сваи имеют ограниченное применение (рис. 3);
стальные изготавливают из стандартных стальных труб d=0,2-0,8м, используют также двутавровые балки, швеллеры и другие прокатные профили. Достоинство этого вида свай — возможность наращивания сваркой по мере погружения в грунт. Недостатки — подверженность коррозии (для защиты поверхность труб покрывают битумом или эпоксидными смолами). Стальные сваи рекомендуется применять в сложных для забивки грунтовых условиях (включения валунов, гальки и т.п.), часть их применяют в качестве ограждения котлованов;
железобетонные сваи (получили наибольшее распространение в практике строительства). В зависимости от формы поперечного сечения сваи бывают квадратного сечения, квадратного сечения с круглой полостью, полого цилиндрического сечение, прямоугольного сечения, таврового сечения, двутаврового сечения, швеллерного сечения. В зависимости от формы продольного сечения сваи бывают призматические, цилиндрические, пирамидальные, трапециидальные, ромбовидные, с уширенной пятой (булавовидные). По способу армирования сваи бывают с ненапрягаемой арматурой и с предварительно напряженной продольной арматурой, а также с поперечным армированием и без него. По конструктивным особенностям сваи бывают цельные и составные;
комбинированные сваи — составные по длине из двух различных материалов. Чаще всего это комбинация деревянной части, которая помещается ниже уровня подземных вод, с бетонной или железобетонной частью.
сваи, изготовляемые на месте, в грунте.
По способу погружения готовых свай в грунт:
забивные сваи. При забивке свай в обезвоженные плотные песчаные и супесчаные грунты для повышения производительности забивки осуществляется подмыв. За счет подачи воды (под большим напором) под нижний конец сваи, грунт размывается, что значительно уменьшает сопротивление погружению;
вибропогружаемые сваи. Применение свай наиболее эффективно при насыщенных водой песках. В этом случае вертикальные колебания, создаваемые вибратором, передаются сваей грунту, который разжижается, что приводит к резкому уменьшению сил трения по боковой поверхности, и она легко погружается в грунт. После прекращения вибрирования структура грунта быстро восстанавливается и трение по боковой поверхности сваи увеличивается;
вдавливаемые сваи. Осуществляется с помощью мощных гидродомкратов и применяется тогда, когда нельзя использовать забивку или вибропогружение (вблизи существующих зданий), также применяется при усилении существующих фундаментов;
ввинчиваемые сваи. Такие сваи снабженных на конце винтовыми лопастями, осуществляется особыми механизмами, называемыми кабестанами.
По способу изготовления в грунте (на месте):
Такие сваи изготавливают из бетона, железобетона (с арматурным каркасом) или из цементно-песчаного раствора.
По способу изготовления подразделяются на
сваи без оболочки;
сваи с оболочкой, извлекаемой из грунта;
сваи с неизвлекаемой оболочкой.
Сваи без оболочки применяют в связных сухих и маловлажных грунтах, где можно осуществлять бурение без крепления стенок скважин.
В водонасыщенных глинистых грунтах проходку скважин производят под защитой глинистого раствора, который, создавая избыточное давление в скважине, препятствуют обрушению ее стенок. После выполнения буровых работ в забой скважины через бетонолитную трубу подается бетонная смесь, которая вытесняет раствор глины.
Набивную сваю, скважина которой получена бурением, принято называть буронабивной.
Чтобы не использовать глинистый раствор при бурении используют полый шнек. Во время бурения стенки скважины удерживаются лопастями, а при поднятии шнека по полой трубе подается бетон.
Армирование сваи в зависимости от проектируемого сооружения, внешних нагрузок и инженерно — геологических условий производится на полную длину, на часть длины или только в верхней части с ростверком.
Разновидностью буронабивных свай являются буроинъекционные сваи, которые устраивают путем заполнения вертикальных или наклонных скважин цементно-песчаным раствором под давлением, в результате чего получается очень неровная поверхность, обеспечивая хорошее сцепление свай с окружающим грунтом.
Такая технология при малых диаметрах свай (от 60…80 до 180…200 мм) и большой их длине (до 30м) в сочетании с неровной поверхностью придают этим сваям сходство с корнями деревьев, поэтому их еще называют корневидными сваями.
Сваи с извлекаемой оболочкой можно применять практически в любых геологических и гидрогеологических условиях, поскольку используемые для их изготовления инвентарные обсадные трубы защищают стенки пройденной скважины от обрушения. Простейшим видом свай с извлекаемой оболочкой является свая, предложенная еще в 1899 году инженером А. Э. Страусом (рис. 3).
Рис. 3. Схема сваи Страуса
Сваи с не извлекаемой оболочкой применяют при отсутствии возможности качественного изготовления свай с извлекаемой оболочкой (в водонасыщенных глинистых грунтах текучей консистенции с прослойками песков и супесей), где под напором подземных вод ствол сваи на отдельных участках может быть разрушен во время твердения бетонной смеси. Это дорогие сваи и используются в основном в гидротехническом и транспортном строительстве.
Недостатки набивных и буронабивных свай. Если изготавливать без обсадной трубы — это может повлечь обрушение стенок скважины, как при бурении, так и в процессе твердения бетона (хуже всего, т.к. не поддается проверке).
Существует проблема удаления шлама, который препятствует погружению каркаса, при бетонировании шлам может всплывать и создавать грунтовые пробки, тем самым ослаблять сечение сваи. Трудность контроля качества. Подверженность действию агрессивных вод, во избежание этого также применяют оболочки (неизвлекаемые). Порционность подачи бетонной смеси при уплотнении трамбовкой, что значительно удлиняет и усложняет процесс изготовлений таких свай. Большой состав рабочей бригады.
Достоинства набивных и буронабивных свай: экономичность (малый расход арматуры). Большая несущая способность — главный фактор.
Свайные фундаменты не требуют больших объемов земляных работ, при их устройстве отпадает надобность в водоотливе; они экономичны по расходу бетона, индустриальны и значительно снижают трудозатраты и стоимость строительства.
