РАСЧЕТ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ СВАЯМИ
Расчет свайного фундамента заключается в определении продольных, поперечных усилий и моментов в сваях, а также перемещений ростверка. Ростверк считается абсолютно жестким телом, головы свай жестко в него заделанными. Расчет ведется с использованием плоских схем, представляющих собой проекции всех свай на вертикальные плоскости симметрии. Несущие элементы являются упругими стойками, деформации которых малы по сравнению с их размерами. Каждая стойка на нижнем конце имеет закрепление, расположенное на расстоянии ln от подошвы ростверка, препятствующее продольным смещениям конца стойки. При работе на поперечные нагрузки грунт вокруг несущих элементов считается линейно деформируемым телом, свойства которого характеризуются коэффициентом постели, линейно возрастающим по глубине. Выбор типа, отметок обреза и подошвы ростверка.Свайные фундаменты под мостовые опоры могут быть запроектированы с высоким и низким ростверком (рис. 3). Отметка обреза ростверка назначается на 0,5…1 м ниже горизонта меженных вод или горизонта низкого ледохода.
Рис. 3 Отметка подошвы определяется отметкой обреза и необходимой по расчетным и конструктивным соображениям толщиной hр. Первоначально ее можно принять 1,4…2,0 м. Таким образом, на мелководье или суходоле более рациональным является устройство фундамента с низким ростверком. Ростверк считается низким, если он заглублен ниже линии размыва. В современном мостостроении наиболее распространены фундаменты с высокими ростверками, что при значительных глубинах воды позволяет сократить объем кладки фундамента, уменьшить его стоимость и упростить технологию работ. Выбор типа и размеров свай. Как правило, под мостовые опоры используются железобетонные призматические сваи сплошного сечения 30 × 30, 35 × 35 и 40 × 40 см длиной от 6 до 24 м (ГОСТ 18804.1-79, ГОСТ 19804.2-79). Длина сваи определяется с учетом заделки в плиту ростверка и заглубления в несущий слой (висячие сваи) или опирания на несжимаемый грунт (сваи стойки). Требуемая длина сваи: (6) где hз – глубина заделки сваи в несущий слой. При заделке сваи в глинистые грунты с IL< 0,1 в пески гравелистые, крупные и средней крупности h3 = 0,5 м; в остальные 2 - 2,5 м. – суммарная мощность грунтов выше кровли несущего слоя; lо – расстояние от поверхности грунта до подошвы ростверка; aз – глубина заделки сваи в ростверк. В целях обеспечения жесткой заделки сваи в ростверк принимают aз = 2dсв, где dсв – размер сечения сваи. Полученная длина округляется до ближайшего большего целого (м). Сечения свай рекомендуются принимать согласно табл. 11. Таблица 5
Определение несущей способности сваи. Несущая способность сваи стойки , (7) где – коэффициент условий работы сваи в грунте, А = dсв ×dсв – площадь сечения сваи, R – расчетное сопротивление грунта под острием сваи. Если расчетное сопротивление R не определено экспериментально, то оно принимается равным 20000 кПа. Несущая способность висячей сваи (рис. 4) определяется по формуле (8) где – коэффициент условий работы сваи в грунте; R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое по табл. 1 СНиП 2.02.03-85 в зависимости от глубины погружения сваи Zсв от отметки разрыва и вида грунта под острием сваи. А = dсв × dсв – площадь сечения сваи; – периметр сваи; li – толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи; fi – расчетное сопротивление i-го слоя грунта по боковой поверхности сваи, определяемое по табл. 2 СНиП 2.02.03-85 в зависимости от вида грунта по боковой поверхности сваи и расстояния Zi от отметки размыва до середины i-го слоя. Суммирование выполняется по всем слоям, проходимым сваей, от отметки размыва для высокого ростверка и от подошвы для низкого ростверка.
Рис. 4 Для свай-стоек определяется несущая способность по материалу (9) где φ = 1 – коэффициент продольного изгиба; γсв = 1 – коэффициент условий работы; Rб – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию (табл. 6); Аб – площадь сечения бетона сваи; RS – расчетное сопротивление арматуры (табл. 7); АS1 – площадь сечения арматуры. Таблица 6
Таблица 7
Если несущая способность по материалу меньше, чем по грунту, следует увеличить площадь арматуры или марку бетона. Предварительное определение числа свай в свайном фундаменте. (10) Определение расчетного сопротивления сваи. Расчетное сопротивление сваи
Таблица 8
γк – коэффициент надежности, принимаемый в зависимости от числа свай; γci – коэффициент условий работы, принимаемый в зависимости от усилий в свае. Предварительно можно задать γc = 1,1. Таблица 9
Расчетное сопротивление за вычетом веса сваи , (11) где вес сваи , γбет= 24 кН/м3 – удельный вес железобетона; l0 – свободная длина сваи (расстояние от подошвы ростверка до отметки размыва). γf = 1,1 – коэффициент надежности по нагрузке. Определение характеристик сечения ствола сваи.Предварительно необходимо вычислить продольную жесткость 0,8ЕбА и изгибную жесткость 0,8ЕбJ ствола сваи. Коэффициент 0,8 учитывает упругопластическую работу бетона в сжатой зоне и образование трещин в растянутой. – момент инерции сечения сваи относительно главных центральных осей; Еб – модуль упругости бетона. Таблица 10
Вычисляется длина сжатия сваи lN – длина фиктивной сваи, упругая деформация ствола которой равна осадке реальной сваи. Для свай стоек Для висячих свай При работе сваи на горизонтальные усилия наибольшее влияние оказывают деформативные свойства грунтов, залегающих в верхней части грунтовой толщи в пределах некоторой глубины hm от отметки размыва (12) Коэффициент пропорциональности, характеризующий изменение с глубиной коэффициента постели грунта определяется по табл. 11. Таблица 11
Примечания: 1) меньшие значения К соответствуют более высоким значениям показателя текучести IL глинистых и коэффициента пористости е песчаных грунтов; 2) коэффициент К для плотных песков принимают на 30 % выше наибольших значений. Если в пределах глубины hm находятся 2 слоя, то (13) для 3 слоев (14) Вычисляется расчетный размер сваи dp в поперечном направлении, учитывающий совместную работу сваи на горизонтальную нагрузку с окружающим грунтом (15) где kэ – коэффициент формы, принимаемый для прямоугольного сечения равным 1,0. Определяется коэффициент деформации ствола сваи (16) Приведенная глубина погружения сваи (53) где Zсв фактическая глубина погружения сваи в нескальный грунт. Если h > 4 м, то принимается h = 4 м. Для свай, опертых на скалу - расстояние от поверхности грунта до скалы. Определяются перемещения сваи от единичных усилий на уровне размыва (рис. 5).
Рис. 5 ; , (17) где AFF, AMF и AMM – частные от разностей произведения функций влияния, принимаемые по прил. 1 в зависимости от приведенной глубины (h) и способа опирания сваи. Определяются перемещения головы несущего элемента от единичных усилий, приложенных на уровне подошвы ростверка (рис. 6) ; . (18) Вычисляются реакции в голове свай от единичных перемещений (рис. 7) (19)
Рис. 6 Моменты относительно осей, проходящих через центр тяжести подошвы ростверка , . (20)
Рис. 7 Вычисляются коэффициенты ; . (21) Определение числа несущих элементов.При возведении высокого ростверка или низкого, если перемычка не доходит до границы водоупора, рекомендуется укладка слоя подводного бетона hn = 1 м, который дает возможность после его твердения провести водоотлив и насухо забетонировать ростверк и нижнюю часть опоры. Минимальное расстояние между осями свай tx = ty = tmin = 3dcв. Тогда на одну сваю приходится (рис. 8) расчетный вес ростверка и подготовки (22) где kf = 1,1 – коэффициент надежности по нагрузке. Рекомендуемое соотношение числа сваи в рядах фундамента или (23) где nсв – предварительное число свай. Расстояние между осями крайних свай в ряду, параллельном оси Х . (24) Вычисляется коэффициент (25)
Рис. 8 Обобщенный момент Тогда число свай при равномерном размещении свай в фундаменте (26) Число свай в ряду, параллельном оси ординат . Расстояние между осями крайних свай . Уточняется коэффициент γn ,в зависимости от n вычисляется Pr, и n. Определение размеров ростверка и бетонной подготовки (рис.9). , (27) где ширина уступов Су назначается в пределах 0,2…0,5 м. . (28)
Рис. 9 Бетонная подготовка устраивается шире ростверка на Сn = 0,15…0,2 м. ; . (29) Если расстояние между осями крайних свай b < B0 или a < A0, то принимают b = B0 или a = A0, а шаг свай увеличивают до tx = B0 / (mx – 1) или ty = A0 / (my – 1) и уточняют расчет с определения числа несущих элементов. Объем ростверка Vp = Ap Bp hp Объем подготовки Vn = An Bn hn Вес ростверка и подготовки (30) Проверка нагрузки на сваю.По нагрузкам продольного направления
, , (31) . по нагрузкам поперечного направления , , (32) где Мхо = Мх + СТу, (34) По максимальному значению ν уточняется значение γu , Рr и и выполняется повторная проверка нагрузки на сваю. Если от нагрузок второго направления условие Nmax < не соблюдается, то это направление будет более невыгодным, чем первоначально принятое, и фундамент следует перепроектировать с определения числа несущих элементов с учетом нагрузок этого направления. Решение о количестве несущих элементов и размерах прямоугольного ростверка не является единственным. При таком порядке расчета каждому значению b(mx) будут соответствовать определенные расчетом значения a (my) и n. Из различных сочетаний b и a при соответствующих n выбирают оптимальное. Расчет внутренних усилий в головах сваи и перемещения ростверка.Моменты и поперечные силы ; ; ; ; (35) где обобщенные моменты инерции свайного поля относительно главных центральных осей подошвы ростверка ; . (36) Угловые перемещения ростверка ; . (37) Горизонтальные смещения ростверка ; . (38) Определение перемещений верха опоры.Перемещение в продольном направлении ; в поперечном (39) Проверка прочности сваи по материалу и определение марки сваи. Проверка прочности сваи по материалу производится по формулам внецентренного сжатия элемента. Вначале определяется высота сжатой зоны бетона (рис. 10). Расчет выполняется для наиболее и наименее нагруженной сваи более выгодного направления нагрузок ; где ; ; , (40) Nсr – условная критическая сила ; (41) Eб – модуль упругости бетона, lср – расчетная длина сваи на продольный изгиб.
Рис.10 При определении lср сваю приближенно рассматривают как свободный от грунта стержень, жестко защемленный внизу на расстоянии l1 = eo + 2/αd от подошвы ростверка. При наличии в фундаменте наклонных свай lср = 0,5l (в том числе и для вертикальных свай). При одних только вертикальных несущих элементах lср = l1. Jб, Js – моменты инерции, соответственно бетонного сечения и сечения всей арматуры относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения сваи; φl – коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки ; (42) Ml, M – моменты внешних сил от постоянной и полной нагрузок относительно оси, проходящей через центр тяжести крайнего ряда арматуры, расположенного у растянутой (менее сжатой) грани. В курсовой работе допускается принимать φl = 1,5. δ – коэффициент, принимаемый равным eo / dcв, но не менее ; (43) Rб – расчетное сопротивление бетона сжатию, Мпа. α1 = Es / Eб Rs – расчетное сопротивление арматуры, Es – модуль упругости арматуры (210000 МПа), – площадь арматуры, расположенной по одну сторону от геометрической сваи, ho – рабочая высота сечения, αl – расстояние от оси арматуры до ближайшей грани сваи. Если окажется, что , то высоту сжатой зоны надо определить вновь по выражению (44) где ; ; В обоих случаях определения Х несущая способность сваи по материалу находится по формуле . (45) В приведенных формулах значения Rs и Rб подставляются в МПа. Окончательно выполняется проверка Nсв ≤ Pс (46) где Nсв – соответствующая свая с усилием Nmin или Nmax. При невыполнении условия следует увеличить площадь арматуры. Ниже приведены таблицы стандартных типов армирования. Таблица 12
Таблица 13
Если тип армирования по расчету меньше минимального для данного сечения и длины сваи, то принимается минимальный тип армирования (рис.11). При низком свайном ростверке и минимальном типе армирования свая маркируется следующим образом: СМL– dсв (сечение сваи в см) – свая мостовая и число L, обозначающее длину сваи в метрах. Например, СМ14 – 35. Для типа армирования отличного от минимального и при высоком ростверке используются трещиностойкие сваи, маркируемые СМL – d Tt. Свая мостовая трещиностойкая и число, обозначающее тип армирования, например, СМ14 – 35 Т4.
Рис. 11 Проверка напряжений по подошве условного фундамента. Эта проверка заключается в удовлетворении условиям Р ≤ R / γn ; Pmax < γ2 R / γn (47) по обоим расчетным направлениям. При этом свайный фундамент принимают условно как массивный (1, 2, 3, 4) с подошвой, расположенной на уровне концов свай (рис. 12). Контур подошвы условного сплошного фундамента строят исходя из предположения, что давление от такого фундамента за счет сил бокового трения распределяется под некоторым углом φср /4, где средний угол внутреннего трения слоев, прорезаемых сваей . (48) Размеры подошвы условного фундамента вычисляются следующим образом , . (49)
Рис. 12 Давление грунта по подошве условного фундамента (50) Среднее давление по подошве условного фундамента (51) Максимальное давление под подошвой условного фундамента: для нагрузок продольного направления , (52) для нагрузок поперечного направления , (53) где Му и Мх моменты на уровне подошвы условного фундамента: , . (54) сn – коэффициент постели грунта под подошвой условного фундамента , (55) К – коэффициент, определяемый по таблице (выше) для грунта под подошвой условного фундамента; , – моменты инерции условного фундамента относительно главных центральных осей; R – расчетное сопротивление грунта сжатию, определяемое по формуле (1) прил. 24 СНиП 2.05.03-84 (56) где Rу – условное сопротивление грунта, принимаемое по табл. 14, 15, 16 (табл. 1-3 СНиП 2.05.03-84). Таблица 14
Таблица 15
Примечание: для плотных песков Ry увеличивают в 2 раза при определении плотности статическим зондированием и в 1,6 раза – при лабораторных испытаниях. Значения Ry даны для грунтов с песчаным заполнителем. Если в крупнообломочном грунте содержится свыше 40% заполнителя, то значение Ry применяют как для песчаных грунтов. Таблица 16
B – ширина подошвы фундамента (если В > 6 м, то принимают В = 6 м); – средний удельный вес грунтов в пределах глубины df без учета взвешивающего действия воды; hw – глубина воды (м) от наинизшего до расчетного уровня дна водотока. Последнее слагаемое в формуле (56) учитывается, если в пределах df находится глина или суглинок. Коэффициенты k1 и k2 принимают по табл. 17 (табл. 4 СНиП 2.05.03-84). Таблица 17
Условное сопротивление для твердых глинистых грунтов (IL<0) определяется по формуле Ry = 1,5 Rпс, где Rпс – предел прочности образцов грунта на одноосное сжатие. При этом Ry не должно превышать для супесей 981 кПа, суглинков – 1962 кПа; глин – 2943 кПа. Расчетное сопротивление невыветрелых скальных грунтов определяют как (57) где γq = 1,4 – коэффициент надежности по грунту. Для слабовыветрелых, выветрелых и сильновыветрелых скальных грунтов значение R устанавливают штамповыми испытаниями. При отсутствии результатов штамповых испытаний для слабовыветрелых и выветрелых грунтов допускается определять R по формуле (57), принимая Rпс с понижающим коэффициентом соответственно 0,6 и 0,3. Для сильновыветреных грунтов R допускается определять по формуле (56) и табл. СНиП как для крупнообломочных грунтов. Под b подразумевается размер by, df = zсв. Расчет осадки фундамента.Расчет осадки свайного фундамента выполняется как и для массивного, с условной подошвой размерами ay и by , расположенной на уровне острия свай (рис. 13), при этом учитывается сжимаемость только нижележащих слоев грунта. Давление под подошвой такого фундамента (58) Расчет плиты ростверка.Предварительно принятую толщину плиты ростверка проверяют из условия ее работы как железобетонной конструкции. При массивных опорах (рис. 14), если выполняются соотношения и (59) ростверк, как железобетонную конструкцию не рассчитывают.
Рис. 13
Рис. 14. Здесь Crx и Cry – ширина консоли ростверка в продольном и поперечном направлениях ; . (60) Плиту ростверка армируют в промежутках между сваями в обоих направлениях стержнями арматуры из расчета не менее 10 см на 1 м ширины и длины плиты, если большее сечение арматуры не требуется по расчету. Ростверки опор мостов устраивают из бетона класса не ниже В 20. Необходимо также удовлетворить условию на местное сжатие бетона ростверка головой сваи . (61) При невыполнении условия можно повысить класс бетона или предусмотреть сетки из арматуры 12 над головами свай. При невыполнении условия (59) проверяют высоту ростверка из условия его прочности на продавливание опорой, а также рассчитывают сечение арматуры. Расчет ростверка на продавливание заключается в удовлетворении условию , (62) где ho – рабочая высота ростверка, измеряемая от верха нижней рабочей арматуры сетки до обреза ростверка; Rбt = 1 400 кПа – расчетное сопротивление бетона растяжению; Сnх и Сnу – соответственно ширина горизонтальной проекции боковой грани пирамиды продавливания в направлениях вдоль и поперек оси моста (рис. 15). Для опор закругленной формы верхнее основание пирамиды продавливания можно принять тоже прямоугольной формы с размерами Ао и Во. Нижнее основание пирамиды ограничивают прямыми, проведенными по внутренним граням ближайших к опоре свай (прямоугольник АВСД). Если углы наклона граней к горизонту меньше 45o, то угол наклона граней принимают 45o (КL). В формуле (96) отношение ho /Cny и ho /Cnx и не должны
Рис. 15 превышать 2,5. В противном случае расчет выполняют для пирамиды продавливания, у которой значения Сnх (Сny) не превышают 0,4ho. Продавливающая сила Nnр представляет собой сумму продольных усилий в сваях, расположенных за пределами нижнего основания пирамиды продавливания, число которых равно ncn . (63) Если условие (62) не выполняется, нужно увеличить высоту ростверка или класс бетона. Сечение арматуры определяют из условия работы консоли ростверка на изгиб , (64) где As1(2) – требуемое сечение арматуры на весь размер ростверка в плане в направлении, перпендикулярном расчетному; Ma1(2) – изгибающий момент в сечении 1 - 1 (2 - 2) (рис. 15); Rs – расчетное сопротивление арматуры растяжению; – рабочая высота ростверка (расстояние от обреза ростверка до оси арматуры у подошвы). Изгибающий момент в сечении 1 - 1 по грани опоры ; (65) где ∑ Ni xi – сумма моментов от продольных усилий в k сваях в пределах ширины консоли Сnх по одну сторону от сечения; xi – расстояние от оси Yi ростверка до центра i-й сваи. Усилие в i-й свае . – сумма моментов, действующих в тех же сваях на уровне подошвы ростверка . (66) – момент от поперечных сил в несущих элементах относительно центра тяжести приведенного сечения ростверка (для мало армированного ростверка можно принять hy ≈ 0,5 hp). . (67) Мр – момент от местных нагрузок, действующих по его обрезу ростверка и веса консоли ростверка . Аналогично вычисляют момент в сечении 2 - 2. Коэффициент принимают по табл. 20 в зависимости от величины θ. Таблица 20
Для сечения 1 - 1 ; для сечения 2 – 2 . ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|