- •Руководство по проектированию свайных фундаментов
- •Предисловие
- •1. Общие положения
- •2. Виды свай
- •3. Требования к изысканиям
- •4. Основные указания по расчету
- •5. Расчет свай, свай-оболочек и свай-столбов по несущей способности общие указания
- •Сваи-стойки
- •Висячие забивные сваи всех видов
- •Висячие набивные сваи, сваи-оболочки и сваи-столбы
- •Винтовые сваи
- •Учет негативного (отрицательного) трения грунта на боковой поверхности висячих свай
- •6. Определение несущей способности свай и свай-оболочек по результатам полевых исследований
- •Pиc. 18. График статического зондирования
- •7. Расчет свайных фундаментов и их оснований по деформациям
- •8. Проектирование свайных фундаментов
- •9. Особенности проектирования свайных фундаментов в просадочных грунтах
- •Примеры расчетов
- •10. Особенности проектирования и расчета свайных фундаментов в набухающих грунтах
- •11. Особенности проектирования свайных фундаментов на подрабатываемых территориях
- •12. Особенности проектирования свайных фундаментов в сейсмических районах
- •13. Особенности проектирования свайных фундаментов опор воздушных линий электропередачи
- •14. Особенности проектирования свайных фундаментов малоэтажных сельскохозяйственных зданий
- •Методические принципы технико-экономической оценки проектных решений свайных фундаментов
- •Определение модуля деформации грунтов е по результатам компрессионных испытаний
- •Определение состава и объема инженерных изысканий для проектирования фундаментов из висячих свай
- •Расчет несущей способности сваи-оболочки с грунтовым ядром с учетом сопротивления грунта на ее внутренней поверхности
- •Схем грунтовых условий
- •Расчет осадок свайных фундаментов опор мостов
- •Расчет одиночных свай и свайных групп по деформациям
- •Определение стабилизированных осадок свай по результатам их статических испытаний
- •Расчет железобетонных ленточных ростверков свайных фундаментов под кирпичные и крупноблочные стены
- •Расчет железобетонных ленточных (балочных) ростверков свайных фундаментов под крупнопанельные стены
- •Расчет железобетонных плитных ростверков свайных фундаментов под колонны зданий и сооружений
- •Особенности проектирования безростверковых свайных фундаментов крупнопанельных жилых домов
- •Расчет и проектирование фундаментов из коротких козловых свай
- •Расчет свайных фундаментов мостов против глубокого сдвига
- •Расчет свайных фундаментов опор мостов
- •Оглавление
Учет негативного (отрицательного) трения грунта на боковой поверхности висячих свай
5.14. Силами негативного (отрицательного) трения называются силы, возникающие на боковой поверхности сваи при осадке околосвайного грунта и направленные вертикально вниз.
К п. 5.14. Процесс возникновения негативного трения характеризуется тем, что осадка грунта около сваи и соответственно скорость его осадки значительно превышают осадку сваи и ее скорость протекания от действующей нагрузки. В этом случае грунт около свай как бы нависает на них, а дополнительная нагрузка прибавляется к внешней нагрузке, приложенной к сваям. Это явление, как правило, происходит в случае прорезания сваями сильносжимаемых грунтов большой мощности при наличии пригрузки грунта вокруг них.
Осадка околосвайного грунта может быть вызвана:
намывом или подсыпкой грунта, выполняемыми при повышении территории строительства или при ее инженерной подготовке, когда сильносжимаемые грунты залегают на поверхности;
загрузкой поверхности грунта или пола, основанного на грунте, значительной полезной нагрузкой. Этот случай особенно опасен, если пригружение произведено во время эксплуатации сооружения;
увеличением собственного веса грунта при искусственном или естественном понижении уровня грунтовых вод на площадке; естественной консолидацией грунтовой толщи; уплотнением грунтов под динамической нагрузкой; возведением рядом с сооружением на сваях сооружения на фундаментах мелкого заложения.
Силы отрицательного трения действуют на боковой поверхности сваи в пределах участка ее длины, где скорость осадки околосвайного грунта Vгр превышает скорость осадки свайного фундамента Vф, т. е.
Vгp > Vф.
Осадка полностью водонасыщенных мелких песков и супесей, илов, заторфованных грунтов и торфов, происходящая под действием сплошной равномерно распределенной нагрузки территории, см. может быть определена на основе теории фильтрационной консолидации по формуле
, (20)
где
; (21)
z — координата глубины рассматриваемой точки от подошвы слоя, см;
h — толщина сжимаемого слоя, расположенного между фильтрующим слоем и недренированным скальным основанием, или 2h между фильтрующими слоями, см;
ао — коэффициент относительной сжимаемости, см2/кгс;
q — интенсивность внешней равномерно распределенной нагрузки, кгс/см2;
t — время, с;
сv — коэффициент консолидации, см2/с:
; (22)
ср — средний коэффициент пористости;
ув — объемный вес воды, кгс/см3;
а — коэффициент сжимаемости, см2/кгс;
kф коэффициент фильтрации, см/с, определяемый при изысканиях, или принимаемый равным для приближенных расчетов из табл. 12.
Таблица 12
N п.п. |
Грунт |
Коэффициент фильтрации, см/с |
1 |
Песок пылеватый |
(0,6 — 6) 10-3 |
2 |
« мелкозернистый |
(1,2 — 3) 10-2 |
3 |
« среднезернистый |
(2,5 — 6)10-2 |
4 |
« крупнозернистый |
(4 8,5)10-2 |
5 |
Супесь |
(0,1 1,2)10-3 |
6 |
Суглинок |
(0,5 — 0,05)10-3 |
7 |
Глина |
Менее 1 10-6 |
8 |
Торф малоразложившийся |
(1 — 5) 10-3 |
9 |
Торф среднеразложившийся |
(0,2 — 1,2)10-3 |
0 |
Торф сильноразложившийся |
(0,12 — 0,18) 10-4 |
,
где н — начальный коэффициент пористости.
Пример 19. Определить зону действия сил отрицательного трения, действующих на свайный фундамент сооружения, возводимого через 0,5 года после намыва территории, при завершении строительства в течение 1 года или 1,5 лет.
Сваи длиной 18 м забиты с поверхности намываемого грунта. Величина предельных деформаций сооружения Sm = 8 см, причем к окончанию строительства осадка сооружения ожидается равной 0,4Sпр = 4 см, а скорость осадки сооружения принята равномерной, т. е. при завершении строительства в течение 1 года она составит vф = 4 см/год, а в течение 1,5 лет — 2,7 см/год.
Геологические условия площадки и характеристики грунтовых напластований представлены в табл. 13.
Таблица 13
№ слоя |
Наименование грунта |
Относительная отметка, м |
Толщина слоя, м |
Объемный вес, гс/см3 |
Коэффициент пористости |
Коэффициент сжимаемости, cм2/кгс |
Коэффициент относительной сжима |
Коэффициент фильтрации Кф, см/с |
Коэффициент консолидации, |
|
|
|
кровли |
подошвы |
|
|
|
|
емости, см2/кгс |
|
см2/с |
1 |
Намывной песок средней крупности, средней плотности |
0 |
5 |
5 |
2 |
0,62 |
— |
— |
— |
— |
2 |
Ил супесчаный |
—5 |
—8 |
3 |
1,75 |
0,95 |
0,035 |
0,017 |
510-5 |
2,85 |
3 |
Песок средней крупности, средней плотности |
—8 |
9,5 |
1,5 |
2,03 |
0,54 |
0,008 |
0,005 |
510-2 |
|
4 |
Глина мягкопластичная заторфованная |
9,5 |
15,5 |
6 |
1,57 |
1,55 |
0,15 |
0,06 |
810-8 |
1,3610-8 |
5 |
Песок средней крупности, средней плотности |
—15,5 |
—28 |
12,5 |
2,03 |
0,54 |
0,008 |
0,005 |
510-2 |
|
Сваи заглублены на 2 м в слой № 5. Песчаные грунты для определения зоны действия сил отрицательного трения принимаем несжимаемыми.
Для супесчаного ила (слой № 2): М = 3,16 10-4t (1/с), при t = 0,5 года = 1,58 107 с. М = 5 103, а е-М 0, т. е. осадка слоя № 2 практически стабилизируется до начала строительства.
Расчет скорости осадок мягкопластичной заторфованной глины (слой № 4) в различных временных интервалах, выполненный по вышеприведенным формулам, сведен в табл. 14.
Таблица 14
Показатели |
Время от начала намыва, лет |
|||
|
0,5 |
1 |
1,5 |
2 |
М |
0,59 |
l,17 |
1,76 |
2,34 |
е-м |
0,554 |
0,31 |
0,172 |
0,096 |
Осадка грунта, Vр, см, при |
|
|
|
|
z = 600 |
20 |
27 |
31 |
33,1 |
z = 400 |
12 |
17,3 |
20,2 |
21,2 |
z = 200 |
7 |
9,7 |
10,7 |
11,3 |
Скорость осадки грунта, Vp см/год, при: |
- |
|
|
|
z = 600 |
40 |
14 |
8,0 |
4,2 |
z = 400 |
24 |
10,6 |
5,8 |
2 |
z = 200 |
15,8 |
3,6 |
2 |
1,2 |
Осадка слоя № 4 обусловливает зону развития сил отрицательного трения, которая в соответствии с условием vгр > vф и данными табл. 14 при строительстве сроком 1 год распространяется до отм. — 12,5 м, так как через год после начала строительства при z = 300 см для слоя № 4, т. е. на отм. — 12,5 м, vгр = 3,9 см/год, а по условию vф = 4 см/год. При завершении строительства в 1,5 года эта зона распространяется до отм. — 10,8 м.
5.15. Если в пределах длины погруженной части сваи залегают напластования торфа толщиной более 30 см и возможна планировка территории подсыпкой или иная ее загрузка, эквивалентная подсыпке, то расчетное сопротивление грунта f, расположенного выше подошвы наинизшего (в пределах длины погруженной части сваи) слоя торфа, принимается:
а) при подсыпках высотой менее 2 м для грунтовой подсыпки и слоев торфа — равным нулю, а для минеральных ненасыпных грунтов природного сложения — положительным значениям по табл. 2 (2);
б) при подсыпках высотой от 2 до 5 м для грунтов, включая подсыпку, — равным 0,4 от значений, указанных в табл. 2(2), взятых со знаком минус, а для торфа — минус 0,5 тс/м2 (негативное трение);
в) при подсыпках высотой более 5 м для грунтов, включая подсыпку, — равным значениям, указанным в табл. 2(2), взятым со знаком минус, а для торфа — минус 0,5 тс/м2 (негативное трение).
В случае, когда консолидация грунта от подсыпки или пригрузки территории к моменту возведения надземной части зданий или сооружений (включая свайный ростверк) завершилась или возможная величина осадки грунта, окружающего сваи, после указанного момента в результате остаточной консолидации не будет превышать половины предельно допускаемой величины осадки для проектируемого здания или сооружения, то сопротивление грунта на боковой поверхности сваи или сваи-оболочки допускается принимать положительным вне зависимости от наличия или отсутствия прослоек торфа. Для прослоек торфа величину f следует принимать равной 0,5 тс/м2.
Если известны коэффициенты консолидации и модули деформации торфов, залегающих в пределах длины погруженной части сваи, и возможно определение величины осадки основания от воздействия пригрузки территории для каждого слоя грунта, то при определении несущей способности сваи или сваи-оболочки допускается учитывать силы сопротивления грунта с отрицательным знаком (негативное трение) не от уровня подошвы нижнего слоя торфа, а начиная от верхнего уровня слоя грунта, величина дополнительной осадки которого от пригрузки территории (определенной, начиная с момента времени передачи на сваю расчетной нагрузки) составляет половину предельно допускаемой величины осадки для проектируемого здания или сооружения.
К п. 5.15. При определении зоны действия силы отрицательного трения исходят из того, что, как правило, максимальная скорость осадки околосвайного грунта развивается в предпостроечный и строительный периоды, когда действие силы отрицательного трения на сваи и их осадка под действием этих сил незначительно влияют на последующую эксплуатацию фундаментов. Кроме того, определенная осадка допускается нормами. Исходя из изложенного, в расчете учитывают действие сил отрицательного трения, расположенных только выше плоскости, проходящей через слой грунта, для которого выполняется условие
Sгр Sгр = Sпр Sф.стр, (23)
где Sгp — стабилизированная осадка слоя грунта, определяемая по указаниям главы СНиП II-15-74 или по формуле (20) при t = ;
Sгp — осадка слоя околосвайного грунта, происшедшая к моменту окончания строительства здания или сооружения, определяемая по формуле (20);
Sпp — величина предельных деформаций оснований, принимаемая по табл. 18 СНиП II-15-74;
Sф.стр — осадка свайного фундамента, происшедшая к моменту окончания строительства здания или сооружения.
Для зданий и сооружений, передающих нагрузки на фундамент в основном от собственного веса конструкции, допускается принимать Sф.стр = 0,5Sпр.
При действии сил отрицательного трения расчет свай и свайных фундаментов производят по второму предельному состоянию (по деформациям) по формуле (16) СНиП 11-15-74. Для одиночных свай это условие считается выполненным, если
где N — расчетная нагрузка, тc, на одну сваю, определяемая при проектировании зданий или сооружений;
kн — коэффициент надежности, принимаемый равным kн = 1,4;
Ф — расчетная несущая способность, тс, грунта основания сваи, расположенного ниже действия силы отрицательного трения, определяемые по формулам СНиП II-17-77 или по результатам полевых испытаний;
Ротр — расчетное значение силы отрицательного трения, действующей на боковой поверхности свай, те, определяемое по формуле (24) или по результатам полевых исследований;
Ротр = moukpjfojlj, (24)
где mo — коэффициент условий работы сваи в оседающем грунте, учитывающий уплотнение околосвайного грунта при забивке свай, принимаемый для песчаных грунтов 1,1, а для глинистых 1;
u — периметр поперечного сечения сваи, м;
kpj — коэффициент реализации, учитывающий уменьшение сил отрицательного трения с уменьшением разности осадок j-го слоя околосвайного грунта и сваи, принимаемый: для висячих свай kpj = 1, а для свай-стоек kpj = 1 при Sгpj So
и при Sгрj < So;
Sгрj — осадка j-го слоя грунта, см, после забивки сваи;
So — осадка грунта относительно сваи, при которой полностью реализуются силы отрицательного трения, принимаемая 5 см;
foj — расчетное сопротивление, j-го слоя оседающего грунта на боковой поверхности сваи, т/м2, определяемое по табл. 2(2) СНиП II-17-77;
lj — толщина j-го слоя грунта, м, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи и расположенного в пределах части длины сваи от уровня планировки до уровня нейтральной точки.
При расчете фундаментов, состоящих из нескольких свай, подвергающихся действию сил отрицательного трения, в число расчетных нагрузок, действующих на условный фундамент, включается величина расчетного значения сил отрицательного трения, действующих на куст свай:
(25)
где U — периметр куста, м, по наружным граням свай, расположенных в крайних рядах;
kpj, lj, foj — обозначения те же, что и в формуле (24).
Силы отрицательного трения, действующие на сваи внутри куста, не могут превосходить веса грунта, расположенного внутри куста, который при расчете свайных фундаментов (в соответствии с п. 7.1 СНиП II-17-77) включается в собственный вес условного фундамента. Поэтому их учитывают только по периметру куста.
Пример 20. По данным примера 19 определить расчетную нагрузку свайных фундаментов, состоящих из 9 свай (3 3) с шагом 1,2 м. Сваи сечением 35 35 см, длиной 18 м. Острие сваи на отм. — 17,5 м.
Решение. В примере 19 зона действия силы отрицательного трения при строительстве в течение 1 года распространяется до отм. — 12,5 м, а при строительстве в течение 1,5 лет — до отм. — 10,8 м. Таким образом, расчетные силы сопротивления в соответствии с формулой [7(7)] и табл. 1(1) и 2(2) СНиП. 11-17-77 составляет соответственно:
Фt = f = 1[1 436 0,1225 + 0,35 4 (1 2 3 +
+ 1 7,4 2)]9 = 743 тс;
Фt = 1,5 = l[1 436 0,1225 + 0,35 4(l 2 4,7 + 1 7,4 2)] 9 = 783 тc.
По формуле (23) определим зону учитываемых в расчете сил отрицательного трения.
Стабилизированная осадка слоя № 4 —
Sгр = aoqh = 0,06 1 600 = 36 см:
для t = 1 год Sгр = 31 см;
» t = 1,5 года Sгр = 33,1 »
» t =1год Sгр Sгр = 5 см > Sпр Sф.стр = 8 4 = 4 см;
» t =1,5 года Sгр Sгр = 2,9 см < 4 см.
Таким образом, при строительстве продолжительностью 1,5 года силы отрицательного трения могут в расчете не учитываться, так как условие (23) выполняется на кровле сильносжимаемого слоя, т. е. тс.
Интерполируя данные табл. 14 для продолжительности строительства в 1 год, определяем, что зона учитываемых в расчете сил отрицательного трения распространяется выше отм. — 11,5 м, так как осадка грунта на этой отметке составляет Sгр = 20,2 см, a Sгр = 24 см,
Sгр Sгр = 24 — 20,2 = 3,8 см < 4 см;
U = (l,2 2 + 0,35)4 = 11 м;
kpj = 1.
Из табл. 2(2) СНиП II-17-77 для слоя № 1:
foj1 = 4,5 тс/м2; foj2 = 0,5 тс/м2; foj3 = 5,8 тс/м2; foj4 = 1,9 тс/м2;
Рк.oтp = 11 1(54,5 + 3 0,5 + 1,5 5,8 + 2 1,9) = 402 тс;
тс.
Таким образом, в рассмотренных примерах зона действия силы отрицательного трения при завершении строительства в 1 год распространяется до отм. — 12,5 м, а зона учитываемых в расчете сил отрицательного трения — до отм. — 11,5 м. При завершении строительства в 1,5 года зона действия силы отрицательного трения распространяется до отм. — 10,8м, но в расчете их можно не учитывать, так как они не могут вызвать недопустимую осадку фундамента.
Этим объясняется и существенная разница в расчетной нагрузке на свайный фундамент — 626 тс при строительстве в течении 1,5 лет и всего 208 тс при строительстве в течение 1 года.