Применение свайных фундаментов имеет свои преимущества:
свайные фундаменты могут возводиться на грунтах любой сложности;
снижается объем земляных работ, так как не нужно копать котлованы или рыть траншеи;
уменьшается расход бетона и арматуры за счет уменьшения всего объема фундамента;
производить фундаментные работы можно круглый год, не исключая зимний период;
конструкции, возводимые на свайных фундаментах, отличаются особой стойкостью к паводкам, подвижкам грунта вследствие зимнего вспучивания.
Однако, несмотря на все преимущества свайных фундаментов, возводятся они крайне редко в индивидуальном жилищном строительстве по причине высокой стоимости транспортных расходов на доставку свай и из-за использования сваебойной техники.
Классификация фундаментов происходит по многочисленным признакам, это зависит:
от вида свай;
от расположения свай — отдельностоящие сваи, расположенные кустом, ленточное расположение, сплошное поле свай;
от типа сопряжения сваи со строящимся зданием- с устройством ростверка или без него;
от вида ростверка – высокий или низкий;
от конструкции ростверка – монолитный, сборный или комбинированный;
от вида соединения ростверка со сваями – жесткое, свободное опирание, с устройством сейсмических поясов.
Среди типов свайных фундаментов наиболее часто применяются железобетонные сваи, которые сочетают в себе свойства висячих свай и свай-стоек.
При возведении каркасных многоэтажных зданий применяются свайно — плитные фундаменты. Такое решение конструкторов обусловлено в тех районах, где сейсмическая обстановка неустойчивая и есть риск подвижек грунта при землетрясениях. Суть этого инженерного изобретения заключается в создании необходимой жесткости свай и железобетонной плиты, которые обеспечивают совместную деформацию элементов фундамента при сейсмических нагрузках.
Свайно-плитный фундамент
Сваи устраиваются кустовым методом, после чего делается ростверк с выпуском арматуры для последующего крепления тонкой железобетонной плиты. Между ростверком и бетонной плитой устраивается шов из герметичного материала, который обеспечивает независимость осадки здания, гидроизоляцию конструкции, одновременно реагирует на сейсмические изменения в почве.
Свайный фундамент под колонны, если проектом дома таковые предусмотрены, делается безростверковым. Под колонны используются готовые конструкции в виде железобетонных стаканов, оголовков или насадок.
Для небольших по своей массе строений – заборов, навесов, каркасных домов применяются сваи колонны. Это забивная свая круглого или квадратного сечения, которая является продолжением колонны и в надземной части здания или сооружения. В этом случае устраивать ростверк не требуется.
Железобетонные свайные фундаменты могут иметь монолитную и сборную конструкцию. Монолитные в свою очередь изготовляют прямоугольного и квадратного сечения. Размеры квадратных свай варьируются в пределах от 20×20 см до 40×40 см, прямоугольные конструкции обычно обладают размерами сторон 25×50 см или 20х40 см.
Длина сваи определяется без учета размеров заострения и назначается кратной 0,5 м, если речь идет о конструкциях длиной в 3-6 м и кратной 1 м для более длинных свайных систем. Широко используются квадратные сваи, имеющие цилиндрическую полость внутри и размер 25×25 см или 30×30 см при толщине стенки не менее 4 см.
Продольное армирование железобетонных свай выполняется с помощью стальной стержневой арматуры обычно периодического профиля с диаметром более 12 мм. Поперечное армирование выполняется низкоуглеродистой проволокой или катанкой толщиной более 5 мм. Шаг укладки поперечной арматуры на концах сваи равен 5 см, в середине увеличивают до 10 см. Концы продольной арматуры отгибаются к оси и объединяются в пучок, который в дальнейшем заключается в обойму.
В случаях ведения строительства свайных фундаментов на твердых грунтах заостренная часть усиливается стальным башмаком. Главная часть конструкции, на которую приходится ударная нагрузка при забивке, усиливается 3-мя сетками, размещаемыми на расстояниях 50 мм друг от друга, перпендикулярно оси.
В целях повышения качества изготовления составлены ГОСТы на следующие конструкции забивных железобетонных свай сплошного квадратного сечения:
с ненапрягаемой арматурой длиной 3 — 16 м. сечением от 200 х 200 до 400 х 400 мм;
с напрягаемой арматурой из высокопрочной проволоки длиной 3 — 16 м, сечением от 200 х 200 до 400 х 400 мм;
с напрягаемой стержневой арматурой длиной 9 — 20 м, сечением от 300 х 300 до 400 х 400 мм;
с напрягаемой прядевой арматурой длиной 11 — 20 м: сечением от 300 х 300 до 400 х 400 мм;
без поперечного армирования с напрягаемой арматурой длиной 3 — 12 м, сечением 250 х 250 и 300 х 300 мм.
Разработаны также чертежи типовых конструкций свай квадратного сечения с круглой полостью длиной 3 — 8 м сечением 300 х 300 и 400 х 400 мм по серии 1.011-6 и полых круглых свай диаметром от 400 до 800 мм и свай-оболочек диаметром 1000 — 1600 мм по серии 1.011-5. Полые круглые сваи и сваи-оболочки в соответствии с типовыми чертежами разработаны цельными длиной 4 — 12 м и составными, т. е. состоящими из отдельных секций, наращиваемых в процессе погружения. Соединение отдельных секций указанных составных свай осуществляется с помощью сварных или болтовых стыков. Элементы этих стыков предусмотрены в виде стальных закладных деталей, устанавливаемых в процессе бетонирования по торцам секций составных свай.
Полые круглые сваи диаметром до 800 мм применяются с открытым и закрытым нижним концом.
На последней стадии погружения полой круглой сваи оставляют ненарушенным грунтовый сердечник высотой не менее двух наружных диаметров сваи.
Сваи, открытые снизу, могут иметь различную конструкцию обрамления нижнего конца. Если сваи намечается погружать сквозь толщу слабых грунтов, не имеющих посторонних включений, с опиранием на малосжимаемые грунты без большого заглубления в них, то нижние концы свай допускается не обрамлять стальными ножами, ограничившись усилением их на высоту двух наружных диаметров путем уменьшения шага поперечной (спиральной) арматуры.
Сваи-оболочки погружаются с открытым нижним концом вибропогружателями без выемки или с выемкой грунта (частичной или полной) из внутренней полости.
Внутренняя полость свай-оболочек заполняется бетоном на всю высоту или только в нижней части, а также частично песчаным грунтом, а в верхней части — бетоном. Решение о том или ином виде заполнения принимается в зависимости от величины действующих на сваи нагрузок, характера грунтовых напластований, глубины заложения подошвы ростверка, глубины промерзания грунтов и т.п.
Железобетонные и бетонные сваи, железобетонные сваи-оболочки и сваи-столбы следует проектировать из тяжелого бетона.
Марка бетона по прочности на сжатие для забивных свай и свай-оболочек должна приниматься не ниже проектной, установленной государственными стандартами на сваи и сваи-оболочки.
Для набивных свай, свай-столбов и различных видов забивных свай без предварительного напряжения, на которые отсутствуют государственные стандарты, должен предусматриваться бетон проектной марки не ниже М200, а для предварительно-напряженных — не ниже М300.
Примечание. Для коротких набивных свай (длиной менее 3 м) допускается предусматривать применение (тяжелого бетона проектной марки не ниже М100.
Определение несущей способности свай "защемленных" в грунте (висячих) по результатам испытаний вдавливающей статической нагрузкой
Методы определения несущей способности свай
– по характеристикам грунтов основания;
– динамическим;
– по данным статического зондирования;
– по результатам статических испытаний натурных и эталонных (инвентарных малого сечения) свай.
Испытания свай статической и динамической нагрузками следует производить, соблюдая требования ГОСТ 5686-78, а испытания грунтов статическим зондированием и эталонной сваей - ГОСТ 20069-81 и ГОСТ 24942-81.
Для определения несущей способности свай по результатам полевых исследований для каждого здания или сооружения должно быть проведено не менее:
статических испытании сваи и свай-штампов .......................... 2
динамических испытании свай .................................................. 6
испытаний грунтов эталонной сваей......................................... 6
испытаний свай-зондов .............................................................. 6
испытаний статическим зондированием................................... 6
Несущую способность Fd кН (тc), свай по результатам их испытаний вдавливающей, выдергивающей и горизонтальной статическими нагрузками и по результатам их динамических испытаний следует определять по формуле
(16)
где γc,— коэффициент условий работы;
Fu,p — нормативное значение предельного сопротивления сваи, кН (тc);
γg,— коэффициент надежности по грунту.
В случае, если число свай, испытанных в одинаковых грунтовых условиях, составляет менее шести, нормативное значение предельного сопротивления сваи следует принимать равным наименьшему предельному сопротивлению, полученному из результатов испытаний, т.е. Fu,p = Fu,min, а коэффициент надежности по. грунту γg = 1.
Если нагрузка при статическом испытании свай на вдавливание доведена до нагрузки, вызывающей непрерывное возрастание их осадки s без увеличения нагрузки, то эта нагрузка принимается за частное значение предельного сопротивления Fu испытываемой сваи.
Во всех остальных случаях для фундаментов здании и сооружений (кроме мостов и гидротехнических сооружений) за частное значение предельного сопротивления сваи Fu вдавливающей нагрузке следует принимать нагрузку, под воздействием которой испытываемая свая получит осадку, равную s и определяемую по формуле
s = z su,mt, (17)
где su,mt — предельное значение средней осадки фундамента проектируемого здания или сооружения;
z — коэффициент перехода от предельного значения средней осадки фундамента здания или сооружения su,mt к осадке сваи, полученной при статических испытаниях с условной стабилизацией (затуханием) осадки.
Значение коэффициента z следует принимать равным 0,2 в случаях, когда испытание свай производится при условной стабилизации, равной 0,1 мм за 1 ч, если под их нижними концами залегают песчаные или пылевато-глинистые грунты с консистенцией от твердой до тугопластичной, а также за 2 ч, если под их нижними концами залегают пылевато-глинистые грунты от мягкопластичной до текучей консистенции. Значение коэффициента z допускается уточнять по результатам наблюдений за осадками зданий, построенных на свайных фундаментах в аналогичных грунтовых условиях.
Если осадка, определенная по формуле (17), окажется более 40 мм, то за частное значение предельного сопротивления сваи Fu следует принимать нагрузку, соответствующую s = 40 мм.
Для мостов и гидротехнических сооружений за предельное сопротивление сваи Fu при вдавливающих нагрузках следует принимать нагрузку на одну ступень менее нагрузки, при которой вызываются:
а) приращение осадки за одну ступень загружения (при общем значении осадки более 40 мм), превышающее в 5 раз и более приращение осадки, полученное за предшествующую ступень загружения;
б) осадка, не затухающая в течение суток и более (при общем значении ее более 40 мм).
Если при максимальной достигнутой при испытаниях нагрузке, которая окажется равной или более 1,5 Fd [где Fd — несущая способность сваи], осадка сваи s при испытаниях окажется менее значения, определенного по формуле (17), а для мостов и гидротехнических сооружений — менее 40 мм, то в этом случае за частное значение предельного сопротивления сваи Fu допускается принимать максимальную нагрузку, полученную при испытаниях.
Примечания: 1.В отдельных случаях при соответствующем обосновании допускается принимать максимальную нагрузку, достигнутую при испытаниях, равной Fd.
2. Ступени загружения при испытаниях свай статической вдавливающей нагрузкой должны назначаться равными 1/10 - 1/15 предполагаемого предельного сопротивления сваи Fu.
Испытание свай статической нагрузкой даёт более достоверные результаты, так как отражает истинную работу сваи в сооружении. Принципиальная методика данных испытаний представлена на схеме.
Схема установки оборудования при проведении испытаний свай статической нагрузкой.
Для проведения испытаний необходимо следующее оборудование:
1 Испытуемая свая.
2 Анкерные сваи.
3 Домкрат.
4 Балка.
Между испытываемой сваей и анкерными сваями (работающими на выдёргивание) должно быть минимальное расстояние в 6 диаметров сваи. Данное условие необходимо для снятия взаимного влияния анкерных и испытываемой свай.
Испытание сваи проводится таким образом, что нагрузка от домкрата прикладывается ступенями по 5 т.
Каждая ступень выдерживается до полной стабилизации осадки, определяемой с точностью до 0,1 мм.
По данным статических испытаний свай строятся 2 графика (см. рисунок):
Зависимость осадки сваи от времени приложения нагрузки S = f(t) при каждой ступени нагружения (левый график на рисунке). Каждая последующая ступень нагружения прикладывается только после затухания осадки от предыдущей ступени.
Зависимость суммарной осадки сваи от приложенной статической нагрузки S = f(P) (правый график на рисунке).
Графики интерпретации результатов испытаний свай статической нагрузкой.
Обычно испытания свай статической нагрузкой проводят до тех пор, пока график S = f(P) не перейдёт в стадию нелинейных деформаций или величина осадки превысит 40 мм. Несущую способность сваи (Р), по полученному в результате испытаний графику, допускается определять исходя из предельной осадки 40 мм (см. пунктирную линию).
Для вычислений используется величина расчётной нагрузки, допускаемой на сваю (Рсв), которая отражает несущую способность, найденную по испытаниям, но с понижающими коэффициентами: γс = 0,9 - условий работы основания и γq = 1,1 - коэффициента надёжности.
Статические испытания свай, которые проводятся на строительной площадке, требуют дополнительных затрат на проведение данных работ, однако они необходимы, так как позволяют с наибольшей точностью отразить истинную несущую способность свай, что позволяет в конечном итоге откорректировать (оптимизировать) проектное решение.