Раздел 7. Свайные фундаменты

Положения главы относятся к сваям-стойкам, висячим сваям, сваям под выдергивающими и горизонтальными нагрузками, забивным, вдавливаемым, ввинчиваемым и буровым.

Должны быть рассмотрены следующие предельные состояния: общая потеря устойчивости (РАВ); превышение несущей способности, выдергивание, разрушение грунта от горизонтальных нагрузок (ГЕО); разрушение свай от сжатия, растяжения, изгиба (СТР); чрезмерные осадки; ряд других.

Грунт, в котором находятся сваи, может испытывать деформации оседания (консолидации), подъема (от разгрузки, мороза, забивки соседних свай), оползневые. Нагрузки на сваи от этих деформаций должны быть учтены.

При выборе типа свай и метода их погружения следует принимать во внимание: инженерно-геологические условия; усилия в сваях при погружении; возможность проверки сплошности погруженных свай; транспортировку свай; влияние погружения сваи на соседние сваи и сооружения. При изготовлении буровых свай под глинистым раствором следует уделить внимание устойчивости стенок скважины при бурении и бетонировании, очистке дна перед бетонированием.

Проект свайного фундамента может иметь в основе: результаты статических испытаний; эмпирический или аналитический расчетный метод; результаты динамических испытаний свай; наблюдения за поведением аналогичного фундамента в сходных условиях.

Статические испытания свай должны проводиться после набора прочности материала сваи и рассеяния наведенного порового давления. Рекомендуется за несущую способность сваи под сжимающей нагрузкой принимать нагрузку при осадке в 10% от диаметра подошвы сваи. Вместо статических испытаний свай очень большого диаметра можно провести испытания свай вдвое меньшего диаметра при условии раздельного измерения сопротивления по подошве (под нижним концом) и по стволу (по боковой поверхности). Приводятся требования к составу отчета об испытаниях свай.

При проектировании свай под осевой нагрузкой следует рассмотреть возможные абсолютные предельные состояния отдельной сваи и фундамента в целом на вдавливание или выдергивание; предельное состояние по эксплуатационной пригодности из-за перемещений свай.

Чтобы убедиться, что свайный фундамент выдержит проектную сжимающую нагрузку с обеспеченной надежностью, должно быть удовлетворено следующее неравенство для всех возможных абсолютных предельных состояний и комбинаций нагрузок:

F_c;d £ R_c;d ,

где F_c;d – проектная осевая сжимающая нагрузка на свайный фундамент;

R_c;d – проектное предельное сопротивление сваи вдавливанию.

Для группы свай следует принимать во внимание два механизма разрушения: потерю несущей способности отдельными сваями; потерю несущей способности блока свай с межсвайным грунтом, при этом несущая способность блока может быть определена из рассмотрения блока как сваи большого диаметра.

Жесткость и прочность конструкции, объединяющей сваи в группу, должна быть учтена при определении несущей способности фундамента.

Если под подошвой сваи на расстоянии менее 4 диаметров сваи залегает слой слабого грунта, следует рассмотреть возможность продавливания несущего слоя.

У полых трубчатых свай диаметром более 500 мм несущая способность по подошве не превышает силы трения грунтовой пробки по внутренней поверхности сваи.

Полуэмпирические методы оценки несущей способности свайного фундамента на сжатие должны быть основаны на результатах статических испытаний, при этом проектное сопротивление сваи R_c;d должно определяться как

R_c;d = R_b;d  + R_s;d ,

где R_b;d = R_b;k/ g _{b ;}

R_s;d = R_s;k/ g_s;

R_b;k и R_s;k – соответственно характеристи­ческие сопротивления по подошве и по стволу сваи;

R_b;d и R_s;d – соответственно проектные сопротивления по подошве и по стволу;

g_b и g_s – соответственно коэффициенты надежности сопротивления по подошве и по стволу.

 Даны приемы вычисления характеристических значений R_b;k и R_s;k по величинам сопротивления свай по подошве и стволу, определенным тем или иным расчетным методом.

При оценке несущей способности свай по динамическим испытаниям (ударом) достоверность результатов должна быть подтверждена сопоставлением динамических и статических испытаний в аналогичных условиях.

Для свай выдергивания должны быть рассмотрены два механизма разрушения: выдергивание отдельной сваи и подъем всего блока грунта со сваями. Приводятся рекомендации по вычислению сопротивления группы свай выдергивающим нагрузкам.

При проектировании свай под поперечными нагрузками рекомендуется рассмотреть следующие механизмы разрушения: для коротких свай – поворот или перемещение как жесткого тела; для длинных – разрушение от изгиба, при этом расчет сваи может выполняться как балки на местном упругом основании.

Поперечная нагрузка, приложенная к группе свай, может вызвать сжатие, растяжение и поперечные силы в отдельных сваях. При анализе группы свай следует учитывать степень свободы от поворота верхних концов свай на контакте с сооружением.

Приводятся требования к испытаниям свай поперечными нагрузками.

При расчетах прочности свай по материалу длинные сваи, проходящие через воду или толстый слой очень слабого грунта, следует проверять на продольную устойчивость. Проверку можно не проводить в грунтах со сцеплением c_u>10 кПа.

Свайные работы выполняются по проекту, содержащему сведения о типе, расположении, длине, способе погружения и прочие данные. Устройство каждой сваи сопровождается записями, подписываемыми подрядчиком и представителем авторского надзора. В записях рекомендуется отражать: дату, размеры сваи, состав и объем бетона, отказ к концу забивки, трудности при устройстве сваи, другие данные. Если контроль за процессами устройства свай не гарантирует их сплошности, она должна быть проверена специально.

Раздел 8. Анкеры

Содержание раздела относится к проектированию временных и постоянных анкеров, в том числе анкерных болтов, используемых для поддержания подпорных сооружений, откосов, выемок, тоннелей, противодействия силам всплытия сооружений путем передачи растягивающей силы на несущий слой дисперсного или скального грунта.

Должны быть рассмотрены предельные состояния: разрыв тяги анкера; проскальзывание корня по грунту; выдергивание тяги из корня; потеря устойчивости сооружения вместе с анкерами; чрезмерные деформации сооружения и ряд других.

Сила натяжения анкера должна обеспечивать допустимые деформации сооружения. Направление оси анкера должно, как правило, обеспечивать его самонатяжение при деформациях возмож­ного механизма разрушения.

Проектная величина сопротивления выдергиванию анкера R_a;d , определяемая по результатам испытаний или расчетным методом, должна удовлетворять предельному условию R_a;d >= P_d ( P_d – проектная величина нагрузки).

При рассмотрении предельных состояний по деформациям анкер должен рассматриваться как пружина.

Все грунтовые инъекционные анкеры должны проходить приемочные испытания.

Раздел 9. Подпорные сооружения

Этот раздел относится к сооружениям, поддерживающим грунт с водой под углом больше угла естественного откоса.

Различают три главных типа подпорных сооружений: гравитационные стены (каменные, бетонные, железобетонные, удерживаемые силами собственного веса); тонкие заглубленные стены (стальные, железобетонные, деревянные, удерживаемые подпорами, анкерами, пассивным отпором грунта); композитные сооружения с элементами первых двух типов (например, коффердам из двух шпунтовых стен, армированный грунт и др.).

Должен быть составлен перечень возможных предельных состояний, включающий потерю общей устойчивости; сдвиг; опрокидывание; разрушение структурных элементов (анкера, стенки и др.); чрезмерные деформации сооружения и окружающих объектов; суффозию; неприемлемое изменение режима грунтовых вод и др.

Нагрузки включают: вес засыпок; пригрузки от других сооружений; волновые и ледовые нагрузки; фильтрационные силы; силы упоров и анкеров; ударные нагрузки. Необходим учет температурных эффектов.

Должны быть приняты специальные меры (подбор материала засыпки, дренаж, теплоизоляция) против образования ледяных линз в грунте за подпорным сооружением.

Силы давления грунта на подпорное сооружение зависят от возможного перемещения, жесткости и наклона стены, ее шеро­ховатости, свойств грунта, режима грун­товых вод.

Сопротивление сдвигу, которое может быть мобилизовано на контакте стена – грунт, определяется параметрами x и a. Для совершенно гладкой стены x = 0 и a = 0 (стальной шпунт в глине сразу после забивки), а для овершенно шероховатой x = j’ и a = c' (монолитный бетон, отлитый по грунту).

Горизонтальное давление грунта в покое (природное) при горизонтальной поверхности может быть охарактеризовано коэффициентом горизонтального давления

K₀ = (1–sinj') ,

где R_oc – степень переуплотнения грунта (отношение максимального в прошлом вертикального напряжения к современному).

Если поверхность грунта имеет наклон  b £ £ j', то коэффициент горизонтального давления может быть определен по формуле

K_0;b = K₀ (1 + sin b) .

Направление давления можно принять параллельно поверхности грунта.

Предельные (активное и пассивное) давления грунта мобилизуются при определенных перемещениях сооружения, приводимых в приложении С. При меньших перемещениях действуют промежуточные величины напряжений, которые могут быть рассчитаны различными эмпирическими методами, методами упругой постели, конечных элементов и др.

При расчете грунтовых нагрузок следует учитывать технологию засыпки и уплотнения грунта.

При возможности быстрых изменений уровня грунтовых вод следует рассмотреть нагрузки при неустановившейся фильтрации.

Должны быть рассмотрены все возможные механизмы разрушения, некоторые из которых изображены на рис. 1.

Приводятся требования к расчету предельных состояний по деформациям.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Примеры схем разрушения подпорных сооружений

Раздел 10. Гидравлическое разрушение

При наличии подземных вод следует рассмотреть следующие процессы и механизмы разрушения: всплытие сооружения или слоя грунта; вынос грунта в восходящем фильтрационном потоке; внутренняя эрозия; формирование фильтрационных каналов. Приводятся типичные схемы разрушения и требования к расчетам.

Обычными мерами защиты от всплытия являются: утяжеление или анкеровка сооружения; дренаж основания. Мерами защиты от гидравлического (фильтрационного) разрушения являются: удлинение пути фильтрации созданием экранов; управление фильтрацией; защитные фильтры; пригрузка откосов; разгрузочные скважины.

Раздел 11. Общая устойчивость

Типичные сооружения, для которых должен выполняться анализ общей устойчивости (РАВ): подпорные сооружения; выемки, откосы, насыпи, природные склоны; фундаменты вблизи выемок, склонов, берегов.

При анализе должны быть учтены: строительные процессы; прошлые или современные деформации грунта от разных причин; промерзание и оттаивание; сильные дожди и засухи; наличие растительности или ее удаление; изменения порового давления и уровня открытой воды; возможные повреждения дренажей, фильтров, экранов.

При выборе расчетного метода следует учитывать: слоистость и нарушения в массиве; фильтрацию и поровое давление; ползучесть; тип разрушения (круговая или некруговая поверхность, обвал, течение); возможность использования численных методов.

Блок грунта, ограниченный поверхностью сдвига, обычно рассматривается как жесткое тело или несколько тел. Другим способом анализа устойчивости может быть метод конечных элементов.

В однородном и изотропном грунте поверхность сдвига обычно принимается круговой, и может быть использован метод вертикальных слоев.

При анализе устойчивости скальных откосов следует рассматривать скольжение и перекатывание отдельных блоков и больших частей массива.

У глубоких котлованов возможен подъем дна за счет разгрузки.

В проекте должно быть показано, что деформации грунта при определенных действиях не превысят допустимых значений для окружающих объектов.

Поскольку современные аналитические и численные методы обычно не прогнозируют деформаций природных склонов, избежать возникновения предельных состояний по деформациям можно ограничением мобилизованной прочности на сдвиг, наблюдением деформаций склона и принятием мер по их стабилизации.

Если отсутствие опасности возникновения предельных состояний не может быть доказано, то на объекте организуются наблюдения за перемещениями, поровым давления и т.д. (мониторинг).

Раздел 12. Насыпи

Положения раздела касаются  насыпей для дамб, небольших плотин, дорог.

Составляется список подлежащих проверке предельных состояний: общая потеря устойчивости; оползень склона или гребня; внутренняя и поверхностная эрозия; чрезмерные деформации; солифлюкция; фильтрационные разрушения; изменения в окружающей среде – загрязнение поверхностных и подземных вод, шум, вибрации и т.д.

В расчет закладывают наиболее неблагоприятные уровни открытых и подземных вод.

Процесс укладки насыпей на слабые грунты должен обеспечивать их устойчивость и допустимые деформации в ходе строительства.

Откосы насыпи, подвергающиеся эрозии, должны быть защищены, а бермы – оборудованы дренажом.

У дорожных насыпей теплоемкость дорожного покрытия над теплоизоляционным слоем должна быть достаточной, чтобы не образовывался гололед.

Для недопущения абсолютных предельных состояний, вызванных фильтрационным давлением, поверхностной и внутренней эрозией, должны выполняться требования разд. 10 и 11.

В проекте следует показать, что деформации насыпи не вызовут предельных состояний по деформациям самой насыпи, дорог и сооружений на (или вблизи) насыпи.

Надзор и мониторинг должны выполняться в соответствии с требованиями разд. 4.

Приложение А. Коэффициенты надежности для абсолютных предельных состояний.

Приводятся таблицы коэффициентов надежности по нагрузкам и по грунту для предельных состояний типа РАВ, СТР и ГЕО.

Комментарий. Содержание этих таблиц в сокращенном виде сведено в табл. 1.

Табл. 2 содержит коэффициенты надежности по сопротивлению (g_R) для распределяющих фундаментов, табл. 3 – для свайных фундаментов из свай вытеснения (забивных, вдавливаемых и т. д.), табл. 4 – для свайных фундаментов из буровых свай.

Таблица 2

Распределяющие фундаменты

 

 

Таблица 3

Сваи вытеснения

 

* Набор 1.3 в табл. 3 и 4 используется в расчетах свай и анкеров вместо набора 1.2

 

Таблица 4

Буровые сваи

 

Приводится аналогичная таблица для свай, изготовленных методом CFA (проходным шнеком).

Приводятся таблицы поправочных коэффициентов для вычисления характеристических значений сопротивления свай по ограниченному числу статических и динамических испытаний, полуэмпирических расчетных методов.

Приводятся таблицы коэффициентов надежности для анкеров, подпорных сооружений, для предельных состояний по всплытию (ВСП), по фильтрационным нагрузкам (ГИД).

Приложение В. Пояснения к коэффициентам надежности для проектных подходов 1, 2 и 3.

Для предельных состояний СТР и ГЕО возможны три проектных подхода. Они различаются распределением частных коэффициентов между нагрузками, эффектом нагрузок, свойствами грунта и сопротивлениями. Основанием для этого является различный подход к неопределенностям моделирования (прогнозирования) эффектов нагрузок и сопротивлений.

В подходе 1 проверка требуется, в принципе, для двух наборов коэффициентов в двух разных расчетах, за исключением случаев, когда достаточность одного набора очевидна. В основном коэффициенты вводятся в нагрузки, а не в эффекты нагрузок; одновременно обычно коэффициенты вводятся в прочность грунта, но для свай и анкеров – в сопротивления.

В подходе 2 коэффициенты вводятся в нагрузки или эффекты нагрузок и в сопротивления.

В подходе 3 коэффициенты вводятся в нагрузки или эффекты нагрузок от сооружения и параметры прочности грунта.

Приложение С. Определение предельных значений давления грунта на вертикальные стены.

Предельные значения давления грунта на вертикальные стены, вызванные удельным весом, равномерной вертикальной поверхностной нагрузкой q и сцеплением с могут быть определены по формулам:

активное предельное состояние

s_a(z) = K_a;h × [gz + q] – 2c ;

gt_a(z) = s_a × tgd + a (положительно для движения грунта вниз); 

пассивное предельное состояние

s_p(z) = K_p;h × [gz + q] + 2c × ;

t_p(z) = s_p × tgd + a (положительно для движения грунта вверх),

где K_a;h и K_p;h – соответственно, коэффициенты горизонтального активного и пассивного давления;

s(z) и t(z) – нормальные и касательные напряжения на глубине z;

d –   угол сопротивления сдвигу грунта по стене.

Приводятся графики для определения коэффициентов K_a;h и K_p;h. На рис. 2 и 3 приведены графики для совершенно гладкой стены (d = 0).

 

Рис.2. Коэффициенты активного давления

Промежуточные значения активного и пассивного давления между состоянием покоя и предельными значениями зависят от перемещений стены. На рис. 4 приведен график зависимости мобилизованного пассивного давления от перемещения стены V (V₀ – перемещение, при котором пассивное давление достигает максимума; V₀ составляет несколько процентов от высоты стены).

Рис. 3. Коэффициенты пассивного давления

Рис. 4. Зависимость пассивного давления от перемещения стены

Приложение D. Аналитический метод расчета предельного сопротивления основания.

Условные обозначения в прил. D:

a – наклон подошвы фундамента к горизонтали;

d – проектный угол трения по подошве;

q' – проектная эффективная пригрузка на уровне подошвы;

g ' – проектный эффективный удельный вес грунта под подошвой;

g – проектный полный удельный вес грунта под подошвой;

g_w – проектный удельный вес грунтовой воды;

V – вертикальная нагрузка;

H  – горизонтальная нагрузка;

B  –  ширина фундамента;

L  – длина фундамента;

e – эксцентриситет результирующей силы с индексами D и L (рис. 5);

B' и L' – эффективная ширина и длина фундамента (см. рис. 5);

D – глубина заложения;

A' = B'L' – проектная эффективная площадь фундамента;

N – коэффициенты сопротивления с индексами для сцепления c, пригрузки q и удельного веса g ;

s – коэффициенты формы подошвы с индексами c, q и g ;

i – коэффициенты наклона нагрузки с индексами  c, q и g ;

b – проектные значения коэффициентов наклона нагрузки с индексами  c, q и g ;

q – угол направления H.

Рис.5. Схема фундамента

Для расчета проектного значения вертикального предельного сопротивления основания могут быть использованы приблизительные уравнения, основанные на теории пластичности и экспериментальных результатах.

Недренированные условия:

R/A' = (p+2)×c_u×b_c×s_c×i_c + q ,

где безразмерные коэффициенты:

наклона подошвы фундамента

b_c=1–2a /(p+2);

формы фундамента: s_c = 1 + 0,2 (B'/L') – прямоугольного; s_c = 1,2 – квадратного или круглого;

наклона нагрузки, вызванного горизонтальной нагрузкой Н: i_c = ½(1+ ) при H £ A'c_u.

Дренированные условия:

R/A' = c'×N_c×b_c×s_c×i_c + q'×N_q×b_q×s_q×i_q + 0.5×g'×B'×N_g×b_g×s_g×i_g ,

где проектные значения безразмерных коэффициентов:

для несущей способности: N_q = e ^{p tanf'} tg² (45^.+ j'/2) ; N_c = (N_q – 1) cot j '; N_g = 2 (N_q– 1) tan j ', когда d ³ j '/2 (шероховатая подошва);

наклона подошвы фундамента:

b_c=b_q– (1–b_q)/N_c×tg j’ ; b_q = b_g = (1 – a×tg j’)²;

формы фундамента:s_q = 1 + (B'/L') sin j' – прямоугольного; s_q = 1 + sin j' – квадратного или круглого; s_g = 1 – 0,3 (B'/L') – прямоугольного; s _g = 0 – квадратного или круглого; s_c = (s_q×N_q –1)/(N_q – 1) – прямоугольного, квадратного или круглого;

наклона нагрузки, вызванного горизонтальной нагрузкой Н: i_c = i_q – (1 – i_q)/N_c×tg j'; i_q= =[1 – H/(V + A'c'ctg j')]^m ; i_g = [1 – H/(V + A'c'ctgj')]^m+1 ; 

при m = m_B = [2 + (B'/L')]/[1 + (B'/L')], когда H действует в направлении B';

m = m_L = [2 + (L'/B')]/[1 + (L'/B'], когда H действует в направлении L'.

В случаях, когда H действует под углом q к направлению L', m может быть вычислено по формуле

m = m_q = m_L×cos²q + m_B×sin²q.

Приложение Е. Полуэмпирический метод оценки предельного сопротивления основания.

Проектное значение вертикального предельного сопротивления основания R_d может быть определено по результатам прессиометрических полевых испытаний из формулы

R_d /A’ = s _v0 + k(p_l – p_o),

где A’ – проектная эффективная площадь фундамента (см. прил. D);

s _vo – полное вертикальное начальное напряжение на уровне подошвы;

k – коэффициент в диапазоне от 0,8 до 3, зависящий от типа грунта, глубины заложения и формы фундамента;

p_l  – предельное давление прессиометрии;

p_o – горизонтальное природное давление грунта, которое может быть определено по формуле p_o = K_o q’ + u (K_o  – коэффициент давления грунта в покое; q’ – вертикальное эффективное давление грунта; u – поровое давление). 

Приложение F. Методы расчета осадок.

1. Метод напряжение – деформация

Общая осадка фундамента может определяться в следующем порядке:

рассчитывается распределение напряжений в основании от фундаментной нагрузки, для чего могут быть использованы решения теории упругости для изотропной и однородной среды;

по напряжениям рассчитываются деформации грунта;

поинтервальным численным интегрированием вертикальных деформаций определяется осадка.

Комментарий. Сжимаемая толща ограничивается глубиной, где дополнительные напряжения равны 20% от природных.

2. Метод упругой модели

Полная осадка фундамента s может быть определена по формуле

s = p×B×f / E_m ,

где p – нагрузка на фундамент за вычетом веса извлеченного грунта над подошвой фундамента;

E_m – модуль Юнга грунта;

f – коэффициент, зависящий от формы и размеров фундамента, толщины сжимаемой толщи и ее жесткости по глубине, положения точки рассчитываемой осадки;

B  – ширина фундамента.

Мгновенная осадка недренированного основания может быть определена любым из двух вышеизложенных методов с использованием параметров жесткости для недренированных условий.

Для прогноза осадок консолидации может быть рассмотрена одномерная задача, при этом предпочтительно использовать фильтрационные параметры из полевых опытов.

Приложение G. Метод определения предписываемого значения несущей способности фундаментов на скальных грунтах.

Положения раздела касаются слабых и нарушенных пород с густой трещиноватостью. Приводятся градация подобных грунтов на четыре группы и номограммы для определения несущей способности.

Приложение Н. Предельные деформации сооружений и осадки фундаментов.

С рядом оговорок приводится величина осадки 50 мм и наклон 1/500 как предельно допустимые для обычных сооружений.

Приложение J. Содержание надзора за строительством и эксплуатационного мониторинга.

При строительстве следует проверять и наблюдать: соответствие грунтовых условий проектным; режим грунтовых вод, эффективность дренажа, поровое давление; деформации стен и дна котлована и соседних сооружений; безопасность персонала.

В составе послестроительного мониторинга рекомендуется наблюдать: осадки сооружений; напоры подземных вод; притоки в дрены; вибрации; состояние гидроизоляции.

Список литературы

1. TC 250/SC7/PT1. PT Version “g”. Draft prEN 1997–1. «Eurocode 7: Geotechnical Design». Part 1: General Rules. 166 р.

2. ГОСТ 20522-96. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. М., 1996.