Распределение усилий в свайно плитном фундаменте

Обновлено: 28.03.2024

8.1 Свайные фундаменты в зависимости от действующих нагрузок следует проектировать в виде:

а) одиночных свай - под отдельно стоящие опоры;

б) свайных лент - под стены зданий и сооружений при передаче на фундамент распределенных по длине нагрузок с расположением свай в один, два и более рядов;

в) свайных кустов - под колонны с расположением свай в плане на участке квадратной, прямоугольной, трапецеидальной и других форм;

г) сплошного свайного поля - под тяжелые сооружения со сваями, расположенными под всем сооружением и объединенными сплошным ростверком, подошва которого размещена на грунте (бетонной подготовке);

д) свайно-плитного фундамента.

8.2 В зависимости от конструкции здания применяют ленточные ростверки, ростверки стаканного типа и плитные ростверки.

8.3 Ленточные ростверки применяют, как правило, для зданий с несущими стенами. Ширина ростверка зависит от числа свай в поперечном сечении и от ширины несущей стены.

Значение свеса ростверка от грани свай должно приниматься с учетом допускаемых отклонений свай.

Высоту ростверка определяют расчетом в соответствии со СП 63.13330. Ростверк рассчитывают как железобетонную многопролетную балку. Армирование ростверка производится пространственными арматурными каркасами, как правило, из арматуры класса А-III (А400). Для ростверка применяют, как правило, бетон класса по прочности B>15. Ростверк укладывают по бетонной подготовке класса В7,5.

8.4 Ростверки стаканного типа, состоящие из плитной части и подколенника - стаканной части, применяют в зданиях со сборным железобетонным каркасом.

Размеры ростверка в плане должны приниматься кратными 30 см, а по высоте - 15 см. Конструктивную высоту ростверка назначают на 40 см больше глубины стакана. Ростверк рассчитывают на изгиб (плитная часть, стаканная часть) и на продавливание (продавливание колонны и угловой сваи) в соответствии с требованиями СП 63.13330. Армирование ростверка производят плоскими сетками (плитная часть) и пространственными каркасами (стенки стакана).

8.5 Для тяжелых зданий и сооружений применяют, как правило, большеразмерные плитные ростверки. При этом высоту плитного ростверка определяют из расчета возможности восприятия им поперечных сил (по расчету на продавливание).

Плитные ростверки армируют верхними и нижними сетками из арматуры, которые укладывают на поддерживающие каркасы. Большеразмерные плитные ростверки изготавливают из бетона, укладываемого на бетонную подготовку.

8.6 При разработке проекта свайных фундаментов необходимо учитывать следующие данные: конструктивную схему проектируемого здания или сооружения; размеры несущих конструкций и материал, из которого они проектируются; наличие и габариты рядом расположенных заглубленных помещений здания или сооружения и их фундаментов; нагрузки на фундамент от строительных конструкций; размещение технологического оборудования и нагрузки, передаваемые от него на строительные конструкции и полы, а также требования к предельным осадкам и кренам строительных конструкций и фундаментов под оборудование.

8.7 Число свай в фундаменте и их размеры следует назначать из условия максимального использования прочности материала свай и грунтов основания при расчетной нагрузке, допускаемой на сваю, с учетом допустимых перегрузок крайних свай в фундаменте в соответствии с требованиями 7.1.11.

Выбор конструкции и размеров свай должен осуществляться с учетом значений и направления действия нагрузок на фундаменты, а также технологии строительства здания и сооружения.

При размещении свай в плане необходимо стремиться к минимальному числу их в свайных кустах или к максимально возможному шагу свай в лентах, добиваясь наибольшего использования принятой в проекте несущей способности свай. Необходимо рассматривать следующие варианты размещения свай в плане ленточного ростверка: однорядное, многорядное шахматное и многорядное.

8.8 Сопряжение свайного ростверка со сваями допускается предусматривать как свободно опирающимся, так и жестким.

Свободное опирание ростверка на сваи должно учитываться в расчетах условно как шарнирное сопряжение и при монолитных ростверках должно выполняться путем заделки головы сваи в ростверк на глубину 5-10 см.

Жесткое сопряжение свайного ростверка со сваями следует предусматривать в случае, когда:

а) стволы свай располагаются в слабых грунтах (рыхлых песках, глинистых грунтах текучей консистенции, илах, торфах и т.п.);

б) в месте сопряжения сжимающая нагрузка, передаваемая на сваю, приложена к ней с эксцентриситетом, выходящим за пределы ее ядра сечения;

в) на сваю действуют горизонтальные нагрузки, значения перемещений от которых при свободном опирании оказываются более предельных для проектируемого здания или сооружения:

г) в фундаменте имеются наклонные или вертикальные составные сваи;

д) сваи работают на выдергивающие нагрузки.

8.9 Жесткое сопряжение железобетонных свай с монолитным железобетонным ростверком следует предусматривать с заделкой головы сваи в ростверк на глубину, соответствующую длине анкеровки арматуры, или с заделкой в ростверк выпусков арматуры на длину их анкеровки в соответствии с требованиями СП 63.13330. В голове предварительно напряженных свай должен быть предусмотрен ненапрягаемый арматурный каркас, используемый в дальнейшем в качестве анкерной арматуры.

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Смолак В.Я., Кравченко Павел Александрович

Приведены результаты моделирования свайно-плитных фундаментов в лабораторных условиях. Исследования производилось с целью определения закономерностей распределения нагрузок в свайно-плитных фундаментах . Изучено влияние плотности грунта на распределение нагрузок . Кроме того оценено влияние плотности грунта на осадку свайно-плитных фундаментов .

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Смолак В.Я., Кравченко Павел Александрович

Численные исследования напряженно-деформированного состояния и осадок свайных фундаментов с удаленной центральной сваей

Load distribution in pile-raft foundations

The article describes results of modeling of pile-raft foundations in in laboratory conditions. Research was made to determination of regularities load distribution in pile-raft foundations. Agency of density of soil on load distribution was investigated. Besides estimated agency soil density on settlement of pile-raft foundations.

Текст научной работы на тему «Распределение нагрузок в свайно-плитных фундаментах»

- © В.Я. Смолак, П.А. Кравченко, 2014

В.Я. Смолак, П.А. Кравченко

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК В СВАЙНО-ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТАХ

Приведены результаты моделирования свайно-плитных фундаментов в лабораторных условиях. Исследования производилось с целью определения закономерностей распределения нагрузок в свайно-плитных фундаментах. Изучено влияние плотности грунта на распределение нагрузок. Кроме того оценено влияние плотности грунта на осадку свайно-плитных фундаментов.

Ключевые слова: свайно-плитный фундамент, распределение нагрузок, нагрузка на сваи.

В настоящее время на территории Санкт-Петербурга активно ведется уплотнительная застройка, возводится большое количество новых зданий. Грунтовые условия строительных площадок, как правило, представлены слабыми грунтами. Устройство свай-стоек не всегда является рациональным решением проблемы, т.к. наиболее подходящие для заделки острия сваи моренные слои грунта на территории Санкт-Петербурга располагаются на глубине от 25 до 40 м. Зачастую приходится отказываться от использования свай-стоек, заменяя их сваями трения (висячими сваями)

В соответствии существующей нормативной литературой [1] необходимо проектировать свайные фундаменты на сваях трения исходя из условия, что вся нагрузка на основания передается сваями, ростверк в работу не включается. К тому же расчетные методы, приведенные в [1] позволяют определить несущую способность свайного фундамента с большим запасом.

Работа плиты в свайно-плитном фундаменте может быть учтена в соответствии со Сводом Правил по проектированию и строительству [2]. Однако, в этом случае нагрузка, передаваемая на основание плитой со-

ставляет 15%. В случае с относительно короткими сваями подобный подход не отражает реальной картины в распределении нагрузок.

Данный вопрос рассматривался как отечественными, так и иностранными авторами 10. Однако, авторы практически во всех случаях рассматривают случаи с использованием свай длиной более 10 м.

В настоящей статье рассмотрены вопросы распределения нагрузок в свайно-плитных фундаментах на коротких сваях (длиной 3 м).

1. Описание эксперимента

В лаборатории кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС с целью изучения особенности распределения нагрузок в свайно-плитных фундаментах было выполнено несколько серий лотковых экспериментов.

Эксперименты проводились в лоток диаметром 710 мм, высотой 1300 мм. Грунтовые условия моделировались пылеватым песком в рыхлом состоянии, что типично для верхней части геологического разреза центральной части Санкт-Петербурга.

Нагрузка на штамп передавалась через шток, закрепленный на нагрузочной раме. Нагрузка увеличивалась пошагово после стабилизации осадок от предыдущей ступени. За критерий

стабилизации принималась осадка, не превышающая 0,01 мм за интервал времени 15 минут.

С целью измерения нагрузок, передаваемых сваями на основание, был изготовлен специальный штамп размерами в плане 1,5 х 1,5 м с четырьмя сваями длиной 3 м и диаметром 0,16 м в масштабе 1:10. Штамп был изготовлен из оргстекла толщиной 50 мм. Сваи были выполнены из алюминиевых трубок диаметром 16 мм с толщиной стенки 1,5 мм. На штампе закреплялся измерительный механизм (см. рис. 1).

Принцип работы такой измерительной системы заключался в следующем: в отверстиях для установки свай (1) в штамп (8) были закреплены направляющие (2). Это позволило снизить отклонение свай от вертикальной оси при установке. В верхней части сваи устанавливается ролик (3), изготовленный из алюминиевой трубки диаметром 6 мм. Этот ролик упирается в стальное коромысло (4), закрепленное с одной стороны на раме (5). Крепление коромысла к раме выполнено в виде шарнира, что позволяет

ему вращаться в плоскости перемещения сваи. Другой конец коромысла прикреплен к штампу при помощи пружины (6). При включении сваи в работу на коромысло будет передаваться нагрузка, которая его угловые перемещения относительно шарнира. Перемещения фиксируются индикатором перемещений часового типа.

2. Распределение нагрузок в при плотности грунта 1,40-1,44 г/см3

В данной серии экспериментов исследовалось распределение нагрузок между сваями и фундаментной пли-

Рис. 1. Схема измерительного оборудования штампа (слева) и штампа (справа)

Нагрузка на штамп, (кг]

Рис. 2. Диаграмма зависимости нагрузки, передаваемой сваями от общей нагрузки на штамп в процентном соотношении

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Кравченко П.А.

Приведены результаты исследования распределения нагрузок между сваями и фундаментами усиления. Сравниваются результаты экспериментов с усиливаемыми и свайно-плитными фундаментами . Выявлено, что в обоих случаях существует стабильная зависимость в распределении нагрузок. Однако величин нагрузок, передаваемых сваями на основание в случае усиления фундамента , существенно меньше по сравнению с величинами нагрузки, передаваемой сваями на основание при использовании свайного фундамента.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Кравченко П.А.

Исследование совместной работы ленточного фундамента и инъекционных свай, используемых для его усиления в глинистом грунте

Развитие метода оценки загружения отдельных фундаментов для их усиления в глинистых грунтах с использованием инъекционных свай

Loading Distribution in Piled Raft and Pile Forced Foundations

This article presents the results of the research of distribution of loadings between piles and strengthened foundations, as well as the comparison of results of experiments on strengthened and piled raft foundations. Both cases demonstrated a stable dependence in distribution of loadings. However, the rate of loadings transferred by piles to the basis in case with the strengthened foundation is essentially lower, than those in case with the pile-raft foundation.

Текст научной работы на тему «Распределение нагрузок в свайно-плитных и усиленных сваями фундаментах»

Техника и технологии

1. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин / Н. Н. Кошкин. - М. : Машиностроение, 1976. - С. 297-336.

2. Теория холодильных машин и тепловых насосов / Т В. Морозюк. - М. : Студия «Негоциант», 2006.- С. 537-552.

3. Тепловые насосы в энергетике железнодорожного транспорта / Е. Т Бартош. - М. : Транспорт, 1985.- С. 180-213.

4. Теплообменные аппараты холодильных установок / Г. Н. Данилова, С. Н. Богданов. -М. : Машиностроение, 1986. - С. 62-175.

УДК 624.139 П. А. Кравченко

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК В СВАЙНО-ПЛИТНЫХ И УСИЛЕННЫХ СВАЯМИ ФУНДАМЕНТАХ

Приведены результаты исследования распределения нагрузок между сваями и фундаментами усиления. Сравниваются результаты экспериментов с усиливаемыми и свайно-плитными фундаментами. Выявлено, что в обоих случаях существует стабильная зависимость в распределении нагрузок. Однако величин нагрузок, передаваемых сваями на основание в случае усиления фундамента, существенно меньше по сравнению с величинами нагрузки, передаваемой сваями на основание при использовании свайного фундамента.

свайно-плитный фундамент, усиление фундаментов, несущая способность, осадка.

В последнее время при реконструкции исторических зданий центральной части Санкт-Петербурга популярны устройство мансард, наращивание дополнительных этажей. Работы по реконструкции отдельных сооружений в исторических районах нередко приводят к понижению уровня грунтовых вод. В связи с активным освоением подземного пространства в последние годы активизировался процесс гниения лежней и свай в Стокгольме, Хельсинки и Петербурге. Кроме

того, в процессе длительной эксплуатации зданий и сооружений происходят деформации конструкций, связанные с неравномерными осадками основания.

В перечисленных случаях, как правило, рассматриваются вопросы усиления основания и фундаментов зданий, одним из которых является пересадка здания на сваи [1, 2]. Для проектирования усиления фундаментов с применением различных типов свай разработано большое количество расчетных методик, позволяющих оценить несущую

Proceedings of Petersburg Transport University

Техника и технологии

способность самих свай, но, к сожалению, большинство из них не учитывает несущую способность существующего фундамента в системе «фундамент - свая - грунт». Такой подход дает определенный запас несущей способности, однако приводит к удорожанию строительства.

Учет совместной работы свай с усиливаемым фундаментом не нашел отражения в научной и технической литературе. Эксперименты, которые позволили бы оценить несущую способность усиленного фундамента, оценить распределение нагрузок между усиливаемым фундаментом и сваями, не проводились. Проведение таких экспериментов в натурных условиях действительно проблематично. Из научно-технической литературы известны эксперименты, выполнявшиеся в лотках [3]. Однако фактически эти эксперименты моделировали плитно-свайный, а не усиливаемый фундамент, т. е. модели свай и модель фундамента формировались одновременно.

Распределение нагрузок в свайных (свайно-плитных) фундаментах на данный момент изучено более, нежели распределение нагрузок при усилении фундаментов. Это направление освещено как отечественными учеными [5, 6, 7], так и зарубежными [8, 9]. Однако в подобных работах рассматриваются, как правило, свайные и свайно-плитные фундаменты на сваях длиной 9 м и более как в случаях натурных испытаний, так и в случаях лоткового моделирования.

В настоящей статье приводятся результаты лотковых экспериментов, которые показывают разницу в работе усиливаемого и плитно-свайного фундамента. Рассмотрена ситуация с усилением фундаментов зданий в центральной части Санкт-Петербурга, имеющих типичную ширину подошвы 1,2.. .1,8 м, усиливаемых короткими сваями диаметром 0,12-0,25 мм. Эксперименты подтверждают необходимость учета перераспределения нагрузок при проектировании как свайноплитных фундаментов, так и свай усиления. Кроме того, в статье приведены данные, показывающие особенности работы свай при усилении фундаментов.

1 Описание модели

С целью изучения особенности распределения нагрузок между существующими фундаментами и сваями усиления в процессе увеличения нагрузок на фундаменты в лаборатории кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС было выполнено несколько серий лотковых экспериментов. Методика моделирования принята на основании методических указаний [10]. Для исследований была изготовлена модель свайного фундамента размерами в плане 1,5*1,5 м с четырьмя сваями длиной 3 м и диаметром 0,16 м в масштабе 1:10. Штамп был изготовлен из оргстекла толщиной 50 мм. Сваи были выполнены из алюминиевых трубок диаметром 16 мм с толщиной стенки 1,5 мм. Для определения нагрузки на каждой свае было установлено механическое измерительное оборудование (рис. 1).

Диаметр круглого в плане лотка 710 мм, высота - 1300 мм. Грунтовые условия моделировались пылеватым песком, что типично для верхней части геологического разреза центральной части Санкт-Петербурга. Перед началом каждого эксперимента песок извлекался из лотка и укладывался обратно с послойным уплотнением. Далее режущим кольцом отбирались пробы грунта и определялись их плотность и влажность. Серии экспериментов проводились в грунте с плотностью в диапазоне от 1,38 до 1,42 г/см3 при влажности грунта от 7,55 до 8,16 %.

Рис. 1. Модель фундамента, усиленного сваями

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

Техника и технологии

Нагрузка на штамп передавалась через шток, закрепленный на нагрузочной раме. Нагрузка увеличивалась пошагово после стабилизации осадок от предыдущей ступени. В качестве критерия стабилизации принималась осадка, не превышающая 0,01 мм за 15 минут. Все эксперименты были трижды повторены.

2 Оценка расчетного сопротивления

и несущей способности основания

Для проведения экспериментов необходимо было задаться граничными условиями, характеризующими величины нагрузок на фундаменты.

Считается, что при превышении нагрузкой по подошве фундамента значения расчетного сопротивления Строительные нормы и правила Российской Федерации [6] не гарантируют нормальных условий эксплуатации сооружения.

В случаях, когда нагрузка по подошве фундамента находится в интервале между расчётным сопротивлением и предельным давлением, возникает необходимость усиления фундамента.

С целью определения величины несущей способности и расчетного сопротивления основания штампа была выполнена серия экспериментов с пошаговым нагружением штампа размерами 15*15 см (что соответствует размерам модели плиты фундамента). Нагрузка на каждой ступени нагружения составляла 9 кг.

Значение расчетного сопротивления в трех экспериментах, определенное по ощутимому увеличению интенсивности приращения осадки штампа, составило 94 кг (41,78 кПа), 90 кг (40,00 кПа) и 76 кг (33,78 кПа) соответственно. При этом расхождение по величине расчетного сопротивления не превысило 19,1 %. Несущая способность штампа в рассматриваемых условиях достигается при нагрузке от 184 кг (81,78 кПа) до 189 кг (84,00 кПа). Таким образом, расхождение по несущей способности не превысило 2,7 %.

3 Распределение нагрузок

в свайно-плитном фундаменте

При проведении серии экспериментов с моделью свайно-плитного фундамента исследовалось распределение нагрузок между сваями и плитой, а также изменение несущей способности такого фундамента по сравнению с фундаментом на естественном основании.

Максимальное расхождение результатов (осадок) в трех экспериментах не превысило 18,3 %, в то время как расхождение по несущей способности не превысило 7,5 %.

При постоянном стабильном росте нагрузки на сваи по мере нагружения модели фундамента после приложения нагрузки порядка 30 кг наблюдалась стабилизация отношения нагрузки, передаваемой сваями на основание, к общей нагрузке на штамп (в процентном соотношении).

В диапазоне нагрузок на фундамент от 20 до 100 кг наблюдалось снижение доли передачи нагрузок на сваи с 31 до 22 %. При превышении общей нагрузкой значения 100 кг наблюдалось снижение составляющей нагрузки, передаваемой сваями на основание, с последующей стабилизацией значений в процентном отношении к общей нагрузке. Далее, после стабилизации вплоть до срыва, нагрузка, передаваемая на сваи, находилась в пределах от 21 до 24 %. При этом приращение нагрузки, воспринимаемой сваями, оставалось практически постоянным.

По результатам экспериментов можно сделать вывод о том, что в условиях моделирования свайно-плитного фундамента на сваи передается не более 24 % общей нагрузки, в то время как ростверк передает на грунт не менее 76 % общей нагрузки.

При сопоставлении результатов измерения осадки штампа и модели свайно-плитного фундамента хорошо видно, что после превышения нагрузкой значения расчетного сопротивления осадка модели свайноплитного фундамента существенно меньше, чем у штампа без свай. Несущая способность штампа без свай составила 184 кг (81 кПа), как сказано выше; модели свайно-

Proceedings of Petersburg Transport University

Техника и технологии

плитного фундамента - 270 кг (120 кПа). Соответственно использование свай длиной 30 см для модели свайно-плитного фундамента размером 15*15 см дает прирост несущей способности в 46,7 %.

4 Распределение нагрузок

при усилении фундамента сваями

В серии экспериментов с моделью усиливаемого фундамента исследовалось распределение нагрузок между сваями и плитой, а также приращение несущей способности такого фундамента по сравнению со свайноплитным фундаментом и фундаментом на естественном основании. В экспериментах использовался штамп и модели свай, аналогичные применявшимся в модели свайноплитного фундамента.

С целью изучения распределения нагрузок при усилении существующего фундамента была принята следующая последовательность эксперимента. На подготовленное основание устанавливалась модель фундаментной плиты. Далее пошагово прикладывалась нагрузка до достижения значения в 81 кг, соответствующего значению расчетного сопротивления грунта по результатам штамповых испытаний. После этого по направляющим через штамп в грунт вдавливались сваи и закреплялись в измерительном оборудовании. Штамп при этом находился под нагрузкой. По завершении установки, закрепления всех свай и стабилизации технологической осадки продолжалось нагружение штампа.

Эксперимент проводился до провальной осадки модели фундамента. Результаты трех экспериментов имели высокую степень корреляции. Максимальное расхождение результатов по осадкам в трех экспериментах не превысило 14,6 %, по несущей способности - 3,1 %.

Увеличение нагрузки на сваи наблюдалось по линейной зависимости во всем диапазоне нагрузок. В процентном соотношении к общей нагрузке на штамп нагрузка на сваи изменялась нелинейно. Максимальное про-

центное соотношение нагрузки, передаваемой через сваи, по отношению к полной нагрузке было достигнуто при значении 273 кг и составило 12 %. Однако, при пересчете нагрузки на сваи в отношении к дополнительной нагрузке (приложенной после установки свай), после достижения дополнительной нагрузкой значения 63 кг, доля нагрузки на сваи стабилизировалась до значений 15-17 %.

При этом, начиная с нагрузки 117 кг, наблюдалась существенно меньшая осадка усиленного фундамента по сравнению со свайно-плитным фундаментом (до 46 %), а существенного увеличения несущей способности усиленного фундамента по сравнению со свайно-плитным не зафиксировано (увеличение несущей способности не превышает 5,5 %).

Таким образом, можно сделать вывод о том, что в условиях лоткового моделирования, при использовании свай диаметром 16 мм и длиной 300 мм для усиления фундамента размерами в плане 150*150 мм, нагрузка, передаваемая на основание через сваи, постоянна и не превышает 17 % от дополнительной нагрузки, прикладываемой после усиления.

По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. Процентное соотношение нагрузки, воспринимаемой сваями как в случае со свайноплитным, так и с усиливаемым фундаментом, можно считать постоянной величиной. В то же время при одинаковых грунтовых условиях и геометрических параметрах модели существуют различия в распределении нагрузки между сваями и ростверком (усиливаемым фундаментом) при моделировании свайно-плитного и усиливаемого фундамента. Сопоставление распределения нагрузок при моделировании рассмотренных в статье фундаментов представлено в графическом виде на рис. 2.

2. В свайно-плитном фундаменте сваи передают на основание 21-24 % общей на-

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

Техника и технологии

Нагрузка на штамп, кг

• Нагрузка на сваи в % от общей нагрузки при усилении А Нагрузка на сваи в % от доп. нагрузки при усилении

• Нагрузка на сваи в кг при усилении А Нагрузка на сваи в % при свайно-плитном фундаменте

• Нагрузка на сваи в кг при свайно-плитном фундаменте

Рис. 2. Диаграмма усредненных осадок модели свайно-плитного фундамента, усиленного фундамента и штампа без свай

грузки. В случае же с усилением сваями фундамента давление на подошве которого приблизительно соответствует величине расчетного сопротивления грунта, нагрузка, передаваемая на сваи, составляет 15-17 % от нагрузки, прикладываемой к штампу после усиления. Разница в передаваемой сваями на основание нагрузке в случаях со свайно-плитным и усиливаемым фундаментом составляет более 40 %. Полученные в ходе эксперимента данные свидетельствуют о существенном занижении оценки несущей способности как усиливаемых, так и свайно-плитных фундаментов при проектировании в соответствии с требованиями нормативной документации.

3. Несмотря на то что роль свай в передаче нагрузки от фундаментов на основание в случаях усиления не так значительна, как

в случаях со свайно-плитным фундаментом, осадка свайно-плитного фундамента по сравнению с осадкой усиливаемого фундамента развивается более интенсивно. Однако при усилении фундамента сваями существенного прироста несущей способности по сравнению с аналогичным свайноплитным фундаментом не зафиксировано. При этом отмечен существенный прирост несущей способности как в случае с фундаментами усиления, так и в случае с свайноплитными фундаментами. Это свидетельствует об эффективности усиления (рис. 3). Согласно требованиям нормативной документации [8, 9] оценка несущей способности таких фундаментов ниже несущей способности фундамента, не усиленного сваями, что противоречит полученным в результате эксперимента данным.

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Журавлев Евгений Петрович, Макаркин Сергей Викторович, Алехин Владимир Николаевич

В статье рассматриваются варианты моделирования свайного основания с использованием метода конечных элементов при расчете зданий. Свайное основание моделировалось в виде отдельных стержневых конечных элементов в программном комплексе «Лира 9.4» или с использованием специальных конечных элементов-свай в программном комплексе «ING+ 2008». По результатам расчета в программном комплексе «Лира 9.4» и в программном комплексе «ING+ 2008» было произведено армирование фундаментной плиты , произведен сравнительный анализ, сделаны выводы.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Журавлев Евгений Петрович, Макаркин Сергей Викторович, Алехин Владимир Николаевич

Оценка эффективности свайно-плитных фундаментов с промежуточной подушкой на примере высотных зданий в сейсмических районах Краснодарского края

Практическая реализация метода вертикального армирования неоднородного основания для компенсации неравномерной деформируемости грунтового массива и снижения сейсмических воздействий на надземное сооружение

Моделирование напряженно-деформированного состояния кирпичного здания на свайном фундаменте при его надстройке

Обоснование рациональной конструкции фундамента здания с высоким центром тяжести для строительства в сейсмическом районе

Опыт реализации нестандартных методов проектирования и строительства фундаментов высотных зданий в сейсмических районах

Текст научной работы на тему «Расчет фундаментных плит на свайном основании»

УДК 624.15 Журавлев Е.П. Макаркин С. В. Алехин В.Н.

Расчет фундаментных плит на свайном основании

Журавлев Евгений Петрович

Макаркин Сергей Викторович

канд. техн. наук, доцент УГТУ-УПИ.

канд. техн наук, проф. декан строительного факультета УГТУ-УПИ

В статье рассматриваются варианты моделирования свайного основания с использованием метода конечныхэлементов при расчете зданий. Свайное основание моделировалось в виде отдельных стержневых конечныхэлементов в программном комплексе «Лира 9.4» или с использованием специальныхконечных элементов-свай в программном комплексе «1ЫС+ 2008». По результатам расчета в программном комплексе «Лира 9.4» и в программном комплексе «1ЫС+ 2008» было произведено армирование фундаментной плиты, произведен сравнительный анализ, сделаны выводы.

Shuravlev Е. P., Makarkin S.V., Alechin V. N.

CALCULATION OF FOUNDATION SLAB ON PILE BASE

Optionsfor modeling pile base using thefinite element methodfor analysis of buildings are described in the article. Pile base is modeled as a separate barfinite elements in theprogrammingpackage «Lira 9.4» or usingspecialpilefinite elements in theprogrammingpackage «ING+ 2008». By the results of calculation in the programming package «Lira 9.4» and in theprogrammingpackage «ING+ 2008» reinforcement of thefoundation slab has been produced, comparative analysis and conclusions have been made.

Ключевые слова: свайное основание, армирование фундаментной плиты, метод конечных элементов, программный комплекс «Лира 9.4», программный комплекс «ING+ 2008».

В современной практике проектирования возможны различные варианты моделирования свайного основания при расчете зданий с использованием метода конечных элементов. Нами были рассмотрены два варианта моделирования свайного основания.

В соответствии с первым вариантом свайное основание моделировалось в виде отдельных стержневых конечных элементов. Для этих стержней рассчитывались жесткости связей, моделирующих работу грунта под острием сваи и коэффициенты постели по боковой поверхности для восприятия горизонтальных нагрузок. Значения коэффициентов постели и жесткостей связей задавались с использованием рекомендаций [1]. Реализация подобного подхода к моделированию свайного основания возможна в любой универсальной программе, такой как «ЛИРА», «SCAD», «ING+», «ANSYS» и др.

Во втором варианте свайное основание моделировалось с использованием специальных конечных элементов-свай, отвечающих за работу сваи в грунте. Реализация подобного подхода к моделированию свайного основания возможна в специальных программных комплексах (ПК), таких как «ING+», «Plaxis 3D Foundation» и др.

Рассмотренные варианты моделирования свайного основания были реализованы при расчете десятиэтажного монолитного здания. Высота здания 37 м с подвалом и техническим этажом. Фундаментная плита имеет размеры в плане 29,2x21,5 м (см. рисунок 1). Толщина плиты принята 0.9 м. В проекте применены забивные железобетонные сваи длиной 12 м сплошного квадратного сечения (0,3х0,3 м).

Шаг свай принят 1,2 м в двух направлениях, количество свай 453 шт. Грунтовые условия площадки: слой № 1 — песок мелкий рыхлый, h1 = 1.8 тЕ1 = 8 МПа; слой №

Рисунок 1. Схема расположения фундаментной плиты, стен и колонн подвала

Слой № 1 Слой №2 Слой № 3 Слой № 4 Слой № 5 Слой №6,7

Рисунок 2. Схема работы сваи в грунте

2 — глина тугопластичная к2 = 2.4 тЕ2 = 10 МПа; слой № 3 — суглинок текучепластичный к3 = 1.2 т Е3 = 2МПа; слой №4 — глина мягкопластичная к = 5.8 тЕ3 = 7МПа; слой № 5 — суглинок тугопластичный к5 = 2.8 т Е5= 6 МПа; слой № 6 — суглинок тугопластичный к3 = 8 тЕ3 = 12 МПа.

Первый вариант свайного основания был реализован с использованием ПК «Лира 9.4». Схема работы сваи представлена на рисунке 2. Коэффициенты постели по боковой поверхности для стержневого конечного элемента (КЭ) № 10, моделирующего сваю, рассчитывались по рекомендациям [1]. Для КЭ № 210 под нижним концом сваи учитывался кусочно-линейный закон деформирования материала [2]. Этот элемент моделировал отпор грунта под острием сваи, трение боковой поверхности сваи о грунт, и позволил произвести расчет в нелинейной постановке.

Максимально допустимые напряжения для КЭ № 210 рассчитывались исходя из несущей способности сваи по грунту. Относительные деформации, соответствующие несущей способности сваи при задании билинейного закона деформирования материала, рассчитывались исходя из начального модуля деформации грунта под нижним концом сваи.

Второй вариант свайного основания был реализован в ПК «ШС+ 2008». С использованием данного ПК возможны моделирование и расчет отдельно расположенных свай в грунте. В расчетной модели грунт представлялся в виде упругого изотропного полупространства, которое задавалось слоями, что позволило наиболее полно учесть геологические особенности строительной площадки. Каждый слой характеризовался модулем деформации грунта, коэффициентом Пуассона грунта и мощностью залегания слоя [3].

Результаты расчета здания с фундаментной плитой на свайном основании при учете физически нелинейной работы свай в грунте представлены на рисунках 3, 4.

Значения изгибающих моментов в фундаментной плите для разных моделей свайного основания отличались как качественно, так и количественно. Значения продольных усилий в сваях тоже были различны, равно как и динамика достижения предельных значений продольных усилий в сваях. Так, в ПК «Лира 9.4» предел несущей способности, в первую очередь, достигался сваями в центральной зоне фундаментной плиты и далее, в процессе нелинейного расчета предельные значения усилий достигались в сваях ближе к краям фундаментной плиты. В ПК «ШС+ 2008» предел несущей способности, в первую очередь, достигался сваями на краях фундаментной плиты.

По результатам расчета здания при учете его совместной работы с фундаментной плитой на свайном основании можно сделать следующие выводы:

1 Результаты расчета в ПК «ШС+ 2008» показали, что наиболее нагруженные сваи располагались по контуру здания, что соответствует нормативным документам [1], тогда как в ПК «Лира 9.4» наиболее нагруженные сваи располагались в центральной части здания. Различный характер работы свайного основания для моделей, реализованных ПК «ШС+ 2008» и ПК «Лира 9.4», привел к

различным схемам армирования фундаментной плиты;

2 Для армирования фундаментной плиты по результатам расчета в ПК «Лира 9.4» потребовалось арматуры на 20% меньше, чем для армирования фундаментной плиты по результатам расчета в ПК«ШС+ 2008»;

3 При моделировании свайного поля в ПК «Лира 9.4» рекомендуется задавать жесткость крайних рядов свай в 2-3 раза больше получившейся при расчете с использованием рекомендаций [1]. В этом случае при расчете в ПК «Лира 9.4» можно получить распределение усилий в сваях, согласующиеся с распределением усилий, получен-

Рисунок 3. Погонные значения изгибающих моментов в фундаментной плите а) по сечению 1-1; б) по сечению 2-2 (см. рис. 1.)

Рисунок4. Распределение продольныхусилий в сваях а) сечение 1-1; б) сечение 2-2 (см. рис. 1.)

ными при расчете в ПК «ШС+ 2008»;

4 Для обеспечения распределяющей функции плитного фундамента следует предусматривать непрерывное (фоновое) верхнее и нижнее армирование фундаментной плиты продольной рабочей арматурой, площадь которой должна составлять не менее 20% от соответствующей максимальной расчетной в зонах усиления [4].

Список использованной литературы

1 СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. М.: ГУП НИИОСП. ФГУП ЦПП, 2004.

2 Стрелец-Стрелецкий Е. Б., Бо-говис В. Е. «Лира 9.4». Руководство пользователя. Основы: Учеб. пособие. Киев: Факт. 2008. 164 с.

3 Справочная система ПК «ШС+ 2008».

4 Сорочан Е. А., Безволев С. Г. Рекомендации по проектированию фундаментных плит // Информационный вестник Мособлгосэкспертизы. 2003. выпуск № 3. С. 26-28.

Кто сталкивался с расчетом комбинированных плитно-свайных фундаментов (КСП)? Какой к-т постели задавать под плитой,как корректно для данной конструкции моделировать висячие сваи в грунте?Какую толщину плиты принимать?
Что-то я растерялся - по отдельности вроде понятно что и как ,а вместе - кажется,чего-то недопонимаю..
Столкнулся с таким способом задания свай под плитой - сосредоточенными силами,равными их предельной нагрузке,равномерно,для всех,но ведь при этом перераспределение давления на сваи не учитывается??
К-т постели принимался 400т/м3.Т.е.это как бы обычный под плитой.А не ниже ли его надо брать?Ведь плита не на естественном основании,а на опорах свайных,хотя и гибкая сравнительно (50 см.).
По слухам (документы мне не ведомы) на сваи приходится 70% нагрузки,на плиту -30%.Как это распределение уточняется?
Если кто знает литературу,подскажите,наверное и вопросы эти уйдут.
Хотя вряд-ли,конструкция новая,а сейчас все больше НОУ-ХАУ.

У нас в таком случае считается просто плита на узловых опорах без учета постели, поскольку, раз применяются сваи, значит верхние слои грунта все равно слабые. Результатом расчета является армирование плиты и реакции узловых опор, которые не должны быть больше несущей способности сваи (висячей или стоячей), определяемой по СНиП (или программой ФОК).

Можно идти разными путями в зависимости от конкретной ситуации. Вот один из них.
Плита считается с учетом определенных коэффициентов постели, а сваи моделируются узловыми силаминаправленными вверх и равными по значению несущей способности свай.

Моделирую отдельно сваю - по результатам расчёта и испытаний назначаю коэф. постели под концом и по боковой. Проверяю програмой как свая садиться под нагрузкой - если всё более менее в ожидаемых пределах, перехожу к плите. Расставляю свои сваи, моделирую геометрию плиты, нагрузки от свай( чаще сажаю на сваи расчётную модель здания - проще и точнее). Считаю два раза - с наименьшими ожидаемыми коэф. постели под плитой и с наибольшими.

Грунт не учитываю.
Рассматриваю плиту как единый ростверк. Моделирую как конечные элементы 0.5х0.5 с точками опирания в местах установки свай. Нагрузки на плиту - реакции от вышерасположенных конструкций.
Реакции на сваях - нагрузки на сваи. Путем подбора расстановки свай добиваюсь, что бы нагрузки на них разнились не более, чем на 10% в целях равномерности осадок. Считаю, что этот метод - в запас (трусоват я, знаете ли).
Почему не учитываю грунт? - Потому что, как правило, такой фундамент делается там, где слабые верхние слои (у меня был случай - подстилающий слой - супесь текучая Е=0, да еще на уклоне 13 град., представляете как это маслице под плитой выдавило бы, как между двумя печенюшками. ) А потом, кто может достоверно определить этот самый коэффициент постели, особенно при косослое? Все, что касается характеристик грунтов - такое гадание на кофейной гуще. Нам бы что-нибудь попонятней и понадежней :roll:
Кстати, весьма рекомендую в слабых грунтах висячие сваи по разрядно-импульсной технологии (Сваи РИТ, где их делают, конечно).

О расчете и проектировании собственно плит - смотрите "Руководство
по проектированию плитных фундаментов каркасных зданий и сооружений башенного типа". Немного устарело в части автоматизированных расчетов, но основные принципы остались те же.

На последнем форуме лецензионных пользователей SCAD поднимался этот вопрос! Высказывались премерно те же мысли, что и выше в данном разделе форума.
Пути высказано 2:
1. Моделировать сваи направленными вверх сосредоточенными силами равными несущей способности сваи, причем если сваи равносмерно и часто располагаются, то коэф. постели задавать не обязательно, если редко, то маленький 250-400.
2. Моделировать сваи стержнями, причем, на нижнем торце к стержню присоединить пластину формой и площадью равной торцу реальной сваи и под нее задать коэф. постели на 2 порядка больше, т.е. около 30000 т/м3.

строительство, главный конструктор

1. Моделировать сваи направленными вверх сосредоточенными силами равными несущей способности сваи, причем если сваи равносмерно и часто располагаются, то коэф. постели задавать не обязательно, если редко, то маленький 250-400.

Все, что сейчас напишу - исключительно ИМХО:
Указанный способ в корне не верен, более того - вреден. Начнем с того, что в здании применяются целая номенклатура свай с РАЗНОЙ несущей способностью (под несущие стены, крыльца, колонны. ) и т.д., причем в реальной жизни нагрузки на них НИКОГДА не достигают величины несущей способности. В связи с унификацией размеров и заглубления свай в пределах одного здания мы выбираем максимальное усилие в пределах одного вида. Исходя из конструктивных и технологических условий зачастаю получаются сваи по несущей расчетной способности во много раз превышающие требуеиую. Следовательно, прикладывая нагрузки, равные несущей способности, мы получаем картину в плите (или ростверке) абсолютно не соответствующую действительности. Причем, с большой долей вероятности, это не будет худшим вариантом загружения.
Следовательно, и армирование, и сечение будут от фонаря, что, как понимаете, чревато.

В случаях, когда грунты откровенно поганые их действительно учитывать не стоит. А как поступать в случаях когда грунты хорошие, но и нагрузка приличная или линза случилась под какой-либо областью плиты, или нагрузка на плиту переменная, а резать ее (плиту) крайне нежелательно и приходится ставить сваи только под ее частью? В любом случае схему нужно анализировать, а уж потом принимать решение.
Жесткие опоры это очень хорошо. Но попробуем представить довольно частый случай. Колонна опирается на фундаментную плиту. В этом же узле, или в непосредственной близости от него стоит свая смоделированная неперемещаемой опорой. И какие усилия мы получим в плите? Да никаких.
Совершенно согласен со словами Serzа о гадании на кофейной гуще и о том, что нужно страховаться. Ну не можем мы заглянуть под землю, а материалов инж. геол. исследований часто бывает недостаточно для того, чтобы правильно оценить ситуацию.
А вот разрядно-импульсная технология что-то мне не приглянулась. Не буду называть фирму, которая выполняла работы (их не так уж много в Москве). Скажу о результатах. Испытали две одинаковые сваи. Одну из них "отстреливали" через 1 метр по высоте, а другую в силу некоторых производственных обстоятельств просто залили раствором. Разница несущей способности составила 19% в пользу первой, но никак не 2-3 раза, как было заявлено. Расстояние между упомянутыми сваями по горизонтали 4,2 м.
Кроме того, все наверное отдают себе отчет, что сваи на стройплощадках обычно испытывают не случайные, а лучшие по мнению строителей. И первая свая была именно такой. Конечно возможно, да и скорее всего это случайность, но именно от них и следует страховаться. И конечно следует учитывать, что сваи не вечны. Они со временем, разрушаются, арматура ржавеет, мы не можем ее гарантированно защитить (особенно в буровых сваях). Хотя это все уже учтено в СНиПовских коэффициентах.

Наверное, само сочетание плита+сваи есть вещь непредсказуемая и мутная, хотя и содержит в себе определенные запасы. И, думаю, придерживаться следует более ясных решений, т.е. либо то, либо другое.
Хотя вот, к примеру, нужно определиться с типом фундамента под 25 эт. здание, грунты нормальные (немного мелкого песка (E=20 МПа), полутвердый суглинок (E=17 МПа), ниже рухляк) хочется посадить на плиту, но осадка, по предварительным подсчетам, получается запредельной (более 20 см). Как выходить из этой ситуации?

Dmitri-> Да уж, приходится полагаться на собственную интуицию.
К сожалению, это руководство у меня в виде древнего манускрипта, хотя можно, наверное, повозиться со сканером&FineReader'ом, но в лучшем случае, это будут выдержки из него.

Упругий отпор грунта под плитой учитывать не стоит, но и считать плиту с жесткими опорами тоже не стоит.

К вопросу о НЕУЧЕТЕ грунта под подошвой фундаментной плиты!
Если посмотреть МГСН 2.07-01 (Москва, 2003), то в приложении "И" "Расчет осадки комбинированнных свайно-плитных (КСП) фундаментов" написано (цитирую дословно):
"1. Метод расчета осадки КСП фундаментов основан на совместном рассмотрении жесткости (нагрузка, деленная на осадку) свай и плиты. В этом расчете следует в первом приближении принять на сваи 85 % общей нагрузки на фундамент и 15 % - на плиту."
Так что как, скажите пожалуйста, НЕ УЧИТЫВАТЬ работу подстилающего грунта. :shock:
Другое дело - какую величину Коэф. П. задавать.

если сваи равносмерно и часто располагаются, то коэф. постели задавать не обязательно, если редко, то маленький 250-400.

Не такой уж он маленький для "московских" то грунтов. Скорее ближе к среднему.
Я так понял Вы из этих мест, коль семинары посещаете.

Читайте также: