Основания и фундаменты опор мостов свайные фундаменты (стр. 1 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 |
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
Методические указания к
для студентов специальности 291000 и 291100
1. Типы свайных фундаментов
и область их применениЯ
Свайные фундаменты в современном мостостроении стали одним из основных типов фундаментов. Условия их применения практически не ограничены в силу возможности использования свай различной конструкции и различных технологических приемов для сооружения фундаментов на сваях.
Свайные фундаменты применяют при наличии в верхней зоне грунтов основания слабых грунтов, когда возникает необходимость передачи нагрузки от сооружения на более плотные слои грунта, залегающие на значительной глубине.
Сваями называют погружаемые в грунт или сформированные в грунте в вертикальном или наклонном положении длинные элементы, передающие нагрузку на нижележащие слои грунта основания.
Свайным фундаментом называют группу свай, объединенных сверху конструкцией в виде плиты, называемой ростверком. Ростверк свайного фундамента предназначен для передачи и равномерного распределения нагрузки на сваи. Ростверк является несущей конструкцией и служит для опирания опоры моста.
Различают свайные фундаменты с низким ростверком, промежуточным и высоким (рис. 1). Подошва высокого ростверка возвышается над поверхностью грунта, низкий ростверк заглублен в грунт, а подошва промежуточного ростверка расположена на поверхности грунта. Отличительной особенностью между этими видами конструкций является то, что при воздействии на них горизонтальной нагрузки в низких свайных ростверках по боковым граням возникает отпор грунта, а в промежуточных и высоких свайных ростверках этот отпор отсутствует.
Фундаменты с низким ростверком применяют на реках с тяжелым ледовым режимом, а также в поймах рек и в пределах мелких водоемов, когда необходимо заглубить обрез фундамента ниже поверхности грунта или самого низкого уровня воды. Кроме того, такие фундаменты применяют при необходимости заглубления свай ниже зоны истирающего воздействия песчаных и галечных наносов.
Плита, погруженная в грунт на достаточную глубину, способна воспринимать внешние горизонтальные силы и изгибающие моменты, передавая их окружающему грунту своими боковыми гранями. Этим она разгружает сваи на действие указанных силовых воздействий и позволяет использовать более тонкие и короткие сваи или уменьшать их число в фундаменте.
Свайные фундаменты с высоким ростверком имеют некоторые преимущества перед фундаментами с заглубленной в грунт плитой. К этим преимуществам относятся следующие: при одинаковых несущих способностях и жесткости на их сооружение затрачивается меньше материалов и трудозатрат; отпадает необходимость в устройстве котлованов; вместо монолитной плиты могут использоваться ростверки из сборного железобетона; с большей эффективностью используются оболочки и буровые столбы; уменьшаются местные размывы дна русла; применением наклонно расположенных элементов можно создать свайные фундаменты по жесткости и несущей способности равноценные фундаментам с низким ростверком.
Рис. 1. Схемы свайных ростверков: а — низкий; б — средний; в — высокий
2. Виды свай и их классификациЯ
Основным конструктивным элементом свайного фундамента являются сваи. Классификация свай приведена в табл. 1.
забивные (железобетонные, стальные, деревянные), погружаемые в грунт (без его выемки) с помощью молотов, вибропогружателей, и вдавливающих устройств (рис. 2, 3, 4)
погружения свай в грунт
сваи-оболочки (железобетонные), погружаемые вибропогружателями с выемкой грунта и заполняемые бетонной смесью (рис. 5)
набивные, устраиваемые путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате обжатия грунта
буровые, устраиваемые путем заполнения пробуренных скважин бетонной смесью или установки в них железобетонных элементов
винтовые, погружаемые в грунт с помощью кабестана
взаимо-действия свай с грунтом
сваи-стойки, к которым относятся сваи всех видов, опирающиеся на скальные грунты, а забивные сваи, кроме того, на малосжимаемые грунты (крупнообломочные грунты и твердые глины с модулем деформации E ³ 50 МПа)
продолжение табл. 1
висячие сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку на основание боковой поверхностью и нижним концом
Забивные железобе-тонные сваи
по способу армирования — с ненапрягаемой продольной арматурой с попе-речным армированием и предварительно напряженные со стержневой или проволочной продольной арматурой с поперечным армированием и без него
по форме поперечного сечения — квадратные, прямоугольные, тавровые и двутаврового сечений, квадратные с круглой полостью и полые круглые
по форме продольного сечения — призматические, цилиндрические и с наклонными гранями (пирамидальные, трапецеидальные, ромбовидные)
по конструктивным особенностям — целые и составные из отдельных секций
по конструкции нижнего конца — с заостренным или плоским нижним концом, с уширением и полые с закрытым или открытым нижним концом
Набивные сваи по способу
устраиваемые путем погружения инвентарных труб, нижний конец которых закрыт башмаком, оставляемым в грунте, с последующим извлечением труб по мере заполнения скважин бетонной смесью
виброштампованные, устраиваемые в пробитых скважинах путем их заполнения жесткой бетонной смесью, уплотняемой виброштампом в виде трубы с закрепленным на ней вибропогружателем
виброштампованные, устраиваемые путем выштамповки в грунте скважин пирамидальной или конической формы с заполнением их бетонной смесью
Буровые сваи по способу
буронабивные сплошного сечения, бетонируемые в пробуренных скважинах без крепления или с закреплением стенок извлекаемыми обсадными трубами
буронабивные полые круглого сечения, устраиваемые с применением многосекционного сердечника
буронабивные, устраиваемые путем втрамбовывания в скважину щебня
буронабивные с камуфлетной пятой, устраиваемые путем бурения скважин с образованием уширения взрывом и заполнения скважин бетонной смесью
сваи-столбы, устраиваемые путем бурения скважин, укладки в них цементно-песчаного раствора и опускания в скважины свайных элементов
буроопускные сваи с камуфлетной пятой
1
Рис. 2. Конструкции забивной непреднапряженной железобетонной сваи
Рис. 3. Конструкция преднапряженной железобетонной сваи
Рис. 4. Конструкция преднапряженной сваи с проволочной арматурой
Рис. 5. Железобетонная оболочка: 1 — секции оболочки; 2 — спиральная арматура; 3 — нож; 4 — продольная арматура; 5 — коротышы из арматуры; 6 — фланцевый стык; 7 — монтажная гайка; 8 — диафрагма; 9 — упорное кольцо; 10 — обечайка; 11 — торцевые кольца
3. Определение несущей способности свай
Несущая способность одиночной сваи определяется из условий работы материала, из которого она изготавливается, и грунта, в который она погружается. Сопротивление сваи действию вертикальной нагрузки определяется как наименьшее из величин, вычисляемых из условий прочности материала сваи и грунта, удерживающего сваю. Несущую способность свай по грунту и материалу рассчитывают по первой группе предельных состояний.
3.1. Определение несущей способности
железобетонной сваи по материалу
Несущая способность железобетонной сваи по материалу Fd, кН,
Fd = gc×j×(gb×Rb×Ab + Rs×As), (1)
где gc — коэффициент условий работы (gc = 0,6 — для набивных свай и 0,9 — для сборных железобетонных свай при размере поперечного сечения b £ 200 мм и gc = 1 при b ³ 200 мм); j — коэффициент продольного изгиба, учитываемый лишь для достаточно мощных слоев слабых грунтов, в остальных случаях j = 1; gb — коэффициент условий работы бетона; Rb — призменная прочность бетона, определяемая по /7/; Ab — площадь поперечного сечения бетона сваи; Rs — расчетное сопротивление арматуры сжатию, определяемое по /7/; As — площадь поперечного сечения продольной арматуры.
Одиночную сваю по несущей способности грунтов основания рассчитывают, исходя из условия: N £ Fd/gk, (2)
где N — расчетная нагрузка, передаваемая на сваю; Fd — расчетная несущая способность сваи по грунту; gk — коэффициент надежности (если несущая способность определена расчетом или по результатам динамических испытаний без учета упругих деформаций грунта, gk = 1,4; если несущая способность определена по результатам полевых испытаний грунтов эталонной сваей или сваей-зондом и статического зондирования, или по результатам динамических испытаний с учетом упругих деформаций грунта, gk = 1,25; если несущая способ-ность сваи определена по результатам испытаний статической нагрузкой, gk = 1,2).
3.2. Определение несущей способности
свай-стоек по грунту
В связи с тем, что грунт под нижним концом сваи-стойки значительно прочнее, чем грунт, который окружает ее боковую поверхность, несущая способность будет зависеть только от прочности грунта под нижним концом сваи.
Несущую способность Fd, кН, забивной сваи, сваи-оболочки, набивной и буровой свай, опирающихся на скальный грунт, а также буровой сваи, опирающейся на малосжимаемый грунт (E ³ 50 МПа) следует определять по формуле: Fd = gc×R×A, (3)
где gc — коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1; А — площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая для свай сплошного сечения равной площади поперечного сечения, а для полых свай круглого поперечного сечения и свай-оболочек — равной площади поперечного сечения нетто при отсутствии заполнения их полости бетоном и равной площади поперечного сечения брутто при заполнении этой полости бетоном на высоту не менее ее трех диаметров.
Расчетное сопротивление грунта R, кПа, под нижним концом сваи-стойки следует принимать:
а) для всех видов свай, опирающихся на скальные и малосжимаемые грунты, R = 20000 кПа;
б) для набивных и буровых свай и свай-оболочек, заполняемых бетоном и заделанных в невыветрелый скальный грунт (без слабых прослоек) не менее чем на 0,5 м, — по формуле:
R = (Rc, n/gg)×[(ld/df) + 1,5], (4)
где Rc, n — нормативное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта в водонасыщенном состоянии, кПа; gg = 1,4 — коэффициент надежности по грунту; ld — расчетная глубина заделки набивной и буровой свай и сваи-оболочки в скальный грунт, м; df — наружный диаметр заделанной в скальный грунт части набивной и буровой сваи и сваи-оболочки, м;
в) для свай-оболочек, равномерно опираемых на поверхность невыветрелого грунта, прикрытого слоем нескальных неразмываемых грунтов толщиной не менее трех диаметров сваи-оболочки, — по формуле: R = (Rc, n/gg), (5)
где Rc, n,gg — то же, что в формуле (4).
При наличии в основании набивных, буровых свай и свай-оболочек выветрелых, а также размягченных скальных грунтов, их предел прочности на одноосное сжатие следует принимать по результатам испытаний штампами или по результатам испытания свай и свай-оболочек статической нагрузкой.
3.3. Определение несущей способности
по грунту свай трениЯ
Несущая способность свай трения по грунту зависит от его сопротивления погружению сваи, которое развивается как под нижним концом сваи, так и по ее боковой поверхности.
Широкое распространение получили методы определения несущей способности: практический, основывающийся на табличных данных /9/, динамический, метод статического зондирования и испытание свай статической нагрузкой.
Несущую способность Fd, кН, висячей забивной сваи и сваи-оболочки, погружаемой без выемки грунта, работающих на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле: n
Fd = gc×(gcR×R×A + u×ågcf×fi×hi), (6)
где gc = 1 — коэффициент условий работы сваи в грунте; R — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое согласно /9/ по табл.1 (см. табл. 2) ; A — площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая по площади сечения сваи брутто или по площади поперечного сечения камуфлетного уширения по его наибольшему диаметру, или по площади сваи-оболочки нетто; u — наружный периметр поперечного сечения сваи, м2; fi — расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое согласно /9/ по табл. 2 (см. табл. 3); hi — толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м, причем hi £ 2,0 м; gcR, gcf — коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта и принимаемые согласно /9/ по табл. 3 (см. табл. 4).
В формуле (6) суммируют сопротивления грунта по всем слоям, пройденным сваей, за исключением случаев, когда проектом предусматривается планировка территории срезкой или возможен размыв грунта. В этих случаях суммируют сопротивления всех слоев грунта, расположенных соответственно ниже уровня планировки (срезки) и дна водоема после его местного размыва при расчетном паводке. Для забивных свай, опирающихся нижним концом на рыхлые песчаные грунты или на пылевато-глинистые грунты с показателем текучести IL > 0,6, несущую способность следует определять по результатам статических испытаний свай.
Несущую способность пирамидальной, трапецеидальной и ромбовидной свай, прорезающих песчаные и пылевато-глинистые грунты Fd, кН, с наклоном боковых граней ip £ 0,025 определяют по формуле: n
Fd = gc×[R×A + å hi×(ui×fi + uo, i×ip×Ei×ki×xr)], (7)
где gc, R, A, Fd, hi, fi — то же, что в формуле (6); ui — наружный периметр i-го сечения сваи, м; uo, i — сумма размеров сторон i-го поперечного сечения сваи, м, которые имеют наклон к оси сваи; ip — наклон боковых граней сваи в долях единицы; Ei — модуль деформации i-го слоя грунта, окружающего боковую поверхность сваи, кПа, определяемый по результатам компрессионных испытаний; ki — коэффициент, зависящий от вида грунта и принимаемый cогласно /9/ по табл. 4 (см. табл. 5); xr = 0,8 — реологический коэффициент.
Несущую способность Fdu, кН, висячей забивной сваи и сваи-оболочки, погружаемых без выемки грунта, работающих на выдергивание, определяют по формуле:
Fdu = gc×u×ågcf×fi×hi, (8)
где u, gcf, fi, hi — то же, что в формуле (6); gc — коэффициент условий работы; для свай, погружаемых в грунт на глубину менее 4 м, gc = 0,6, то же на глубину 4 м и более gc = 0,8 — для всех зданий и сооружений, кроме опор воздушных линий электропередачи, для которых коэффициент gc принимается согласно /9/.
В фундаментах опор мостов не допускается работа свай на выдергивание при действии одних только постоянных нагрузок.
Несущую способность Fd, кН набивной и буровой свай с уширениями и без уширения, а также сваи-оболочки, погружаемой с выемкой грунта и заполняемой бетоном, работающих на сжимающую нагрузку, определяют по формуле: n
Источник