Формула для визначення несучої здатності забивної палі за результатами динамічних випробувань аналогічна формулі (11.5).

Види деформацій основ і фундаментів. У процесі прив’язки типових проектів будівель до місцевих грунтових умов визначають також середнє осідання будівлі , відносну нерівномірність осідань та нахил фундаментів і

, де (10.17)

- абсолютне осідання і-го фундаменту; - площа підошви і-го фундамента.

, де (10.18)

- різниця осідань між сусідніми фундаментами; - відстань між осями фундаментів.

Нахил фундаменту - це відношення різниці осідань крайніх точок фундаменту до його ширини або довжини

, де (10.19)

- коефіцієнт Пуассона; - вертикальна складова навантаження; - ексцентриситет передачі навантаження; - діаметр круглого або сторона прямокутного фундаменту, в напрямку якої діє момент; - табличні коефіцієнти (див. додаток 2 [24]).

Розрахункові значення порівнюють з граничними значеннями цих величин , що наводяться в таблиці додатку 4 [24], тобто

(10.20)

За наведеними вище залежностями визначають кінцеві, тобто стабілізовані деформації основ. Процес стабілізації (ущільнення) у пісках закінчується одразу ж після завершення будівництва. Ущільнення водонасичених глинистих грунтів залежить від їх фільтраційних властивостей і можливе тільки після відтиснення порової води. В таких грунтах процес ущільнення може тривати десятки років. Для визначення осідання таких грунтів в будь-який період часу використовують теорію фільтраційної консолідації.

7. Перевірка міцності слабкого підстилаючого шару грунту. Перевірку міцності слабкого шару виконують у випадку залягання в межах стисливої товщі шару грунту з більш низькими характеристиками міцності порівняно з грунтом, на який безпосередньо опирається фундамент. Суть такої перевірки зводиться до забезпечення лінійної залежності між деформаціями і напруженнями в слабкому шарі. Для цього перевіряють виконання такої умови

, де (10.21)

- вертикальні напруження під цетром фундаменту відповідно від власної ваги грунту та додаткового навантаження, визначені на верхній межі слабкого шару (рис. 10.12); - розрахунковий опір слабкого шару грунту на глибині від підошви фундаменту, визначається як для умовного фундаменту шириною за такими виразами

для стрічкового фундаменту

(10.22)

для квадратного фундаменту

(10.23)

для прямокутного фундаменту

, де (10.24)

; , де

- відповідно довжина та ширина підошви фундаменту.

 

Тема 11. ПАЛЬОВІ ФУНДАМЕНТИ

Пальові фундаменти складаються з паль і ростверка (рис. 11.1). Ростверк – це збірна чи монолітна, як правило, залізобетонна конструкція, яка забезпечує передачу і рівно-мірний розподіл навантаження від надземних конструкцій на палі. Ростверки бувають низькі, повишені і високі. Низький ростверк розміщується нижче поверхні грунту, повишений – на рівні поверхні грунту, високий - вище поверхні грунту.

Палі - це довгі стержні, які занурюються в грунт у готовому вигляді або виготовляються безпосередньо в грунті. В більшості випадків палі передають навантаження на розміщені нижче надійні шари грунтів

1. Класифікація паль.В діючих нормах (СНиП 2.02.03-85 “Свайные фундаменты” [25] ст. 3-4) наводиться така класифікація паль:

забивні - занурюються в грунт за допомогою молотів або віброзанурювачів (забивні палі несуть більше ніж бурові);

набивні - виготовляють шляхом бетонування свердловин, утворених примусовим відтисненням грунту в сторони (наприклад, у грунт забивають металеву трубу, виймають її, а утворену свердловину заповнюють бетонною сумішшю);

бурові - виготовляють шляхом бетонування пробурених свердловин або монтують у свердловинах готові залізобетонні елементи;

гвинтові - загвинчуються в грунт за допомогою спеціальних установок;

палі-оболонки - порожнисті круглі елементи діаметром від 1 до 3м.

Забивні палі. За конструктивними особливостями ці палі розділяються таким чином:

за способом армування – з напруженою та ненапруженою арматурою з поперечним армуванням і без та ін.;

за формою поперечного перерізу - квадратні, прямокутні, квадратні з круглою порожниною, круглі з порожниною та ін.;

за формою поздовжнього перерізу – призматичні, пірамідальні, конусні та ін;

за умовами занурення - цільні і з окремих ланок (палі з окремих ланок використовують у тих випадках, коли умови занурення і транспортування не дозволяють використати цільні палі. Елементи цих паль з’єднуються між собою в процесі забивки за допомогою болтів, зварювання та іншими методами);

за конструкцією нижнього кінця - без розширення, з розширенням, порожнисті з відкритим або закритим нижнім кінцем;

палі-колони - надземна частина цих паль є колоною будівлі.

Згідно з прийнятою класифікацією забивні палі розділяються на такі типи:

С - квадратні, призматичні, суцільного перерізу, з поперечним армуванням, цільні і складені; СП - квадратного перерізу з круглою порожниною; СК - круглого перерізу з порожниною; СО - палі-оболонки; - палі-колони.

Прийнято таке позначення марок паль:

тип паль (букви), довжина в дм, розмір сторони (діаметр) в см, потім для попередньо напружених паль - клас арматури, а для ненапружених - номер варіанта армування відповідно до креслень, що наводяться в діючих стандартах Гост19804-91 [6]. Наприклад, С60.35-АV - квадратна призматична паля довжиною 6м з стороною поперечного перерізу 35см з напруженою арматурою класу АV; С60.35-3 - те саме, з ненапруженою арматурою, третій варіант армування.

Набивні палі. За технологією виготовлення ці палі розділяються таким чином:

набивні - виготовляють шляхом занурення інвентарних труб з подальшим їх вийманням і одночасним заповненням свердловини бетонною сумішшю (труби обладнані наконечниками, що залишаються в грунті) ;

набивні віброштамповані - виготовляють у пробитих свердловинах шляхом заповнення їх жорсткою бетонною сумішшю, яка ущільнюється віброштампом (в основному в грунтах, які утримують стінки, в протилежному випадку необхідно підтримувати стінку в рівновазі за допомогою глинистого розчину, який витісняється під час бетонування свердловини);

набивні у виштампованому ложі - бетонують виштамповані в грунті свердловини пірамідальної або конусної форми.

Бурові палі. За технологією виготовлення ці палі розділяються на:

буронабивні (з розширеннями і без них) - виготовляють шляхом бетонування пробурених свердловин. (у водонасичених грунтах і пісках стінки свердловин утримують в рівновазі інвентарними обсадними трубами або глинистим розчином);

буронабивні з камуфлетною п’ятою - відрізняються від буронабивних тим, що в нижній частині свердловини розширення утворюють вибухом;

буроопускні - в пробурених свердловинах монтують збірні залізобетонні елементи у вигляді паль;

буроін‘єкційні – заповнені дрібнозернистим бетоном свердловини опресовують тиском, внаслідок чого свердловина збільшується в діаметрі.

За умовами роботи в грунті палі розділяються на палі-стояки та висячі палі. До паль-стояків відносять палі, що передають навантаження нижнім кінцем на практично нестисливі грунти (скельні і напівскельні грунти, а також глини твердої консистенції при мПа). Сили тертя на бічній поверхні таких паль у процесі їх роботи не виникають. Висячі палі опираються на стисливі грунти - опір грунту розвивається як під нижнім кінцем, так і на бічній поверхні.

В даний час у будівельній практиці найбільш поширені забивні призматичні та буронабивні палі (це пояснюється високою індустріальністю, широкою областю застосування та наявністю матеріальної бази для виготовлення таких паль).

2. Визначення несучої здатності паль на дію вертикальних навантажень. В процесі збільшення вертикальних навантажень на палю може відбутися руйнування її матеріалу або втрата несучої здатності грунту (випирання грунту з-під нижнього кінця палі та подолання сил тертя на її бічній поверхні). Тому необхідно розрізняти несучу здатність матеріалу паль та грунту.

Як правило, несуча здатність пальових фундаментів вичерпується при незначних деформаціях. Тому розрахунок таких фундаментів за несучою здатністю є основним, а за деформаціями - перевірочним.

Розрахунок несучої здатності пальових фундаментів виконують, виходячи з умови

, де (11.1)

- розрахункове навантаження, що передається на палю; - допустиме навантаження, яке можна передати на палю; - несуча здатність палі (граничний опір грунту основи заглибленню одиночної палі); - коефіцієнт надійності (приймається залежно від методу визначення несучої здатності палі).

В даний час для визначення несучої здатності паль застосовують такі методи: формули СНиП 2.02.03-85 “Свайные фундаменты”; статичні і динамічні випробування паль натурних розмірів; статичне зондування; статичні випробування інвентарних паль.

Формули СНиП 2.02.03-85. Несуча здатність паль-стояків зумовлена лише опором грунту під нижнім кінцем палі і розраховується за формулою

(11.2)

Несуча здатність висячих паль складається з несучої здатності палі під нижнім кінцем палі та несучої здатності на її бічній поверхні (рис. 11.2) і визначається за формулою

(11.3)

Несуча здатність паль на дію висмикуючих навантажень визначається за формулою

(11.4)

В (11.2)-(11.4) прийняті такі позначення:

- коефіцієнт умов роботи палі в грунті; - площа поперечного перерізу нижнього кінця палі; - розрахунковий опір грунту під нижнім кінцем палі; - зовнішній периметр поперечного перерізу палі; - розрахунковий опір і-го шару грунту основи на бічній поверхні палі; - товщина і-го розрахункового шару грунту (приймається рівною не більше 2м); - коефіцієнти умов роботи грунту, відповідно під нижнім кінцем і на бічній поверхні палі. Значення коефіцієнтів умов роботи паль в грунті під нижнім кінцем і на бічній поверхні та розрахункових опорів грунту під нижнім кінцем і на бічній поверхні наведено в [25].

Статичні випробування паль. Найчастіше випробування на дію вертикальних втискуючих навантажень виконують за схемою, показаною на рис.11.3. Перед проведенням випробувань влаштовують палю на дослідному майданчику (забивна, бурова) і дають їй відпочити (термін його залежить від виду грунтів. За цей період зменшується несуча здатність паль у пісках за рахунок релаксації напружень і збільшується в глинистих грунтах через розсмоктування плівки води довкола палі). Після відпочинку палі прикладають 1-й ступінь навантаження (0,1÷0,15 від очікуваної несучої здатності палі визначеної розрахунком за формулою 11.2 - перед проведенням статичних випробувань завжди проводяться інженерно-геологічні вишукування, тому ІГУ відомі), витримують його до умовної стабілізації (різниця переміщень палі за останні 1 або 2год спостережень-, залежно від виду грунту на який опирається паля,- не повинна перевищувати 0,1мм). Потім прикладають 2-й ступінь навантаження і т.д. - до тих пір поки не відбудеться зрив палі (нема стабілізації деформацій).

За результатами випробувань будують графік залежності осідань палі від навантаження (рис. 11.4).

Несуча здатність палі за результатами випробувань визначається за виразом

, де (11.5)

- коефіцієнт умов роботи палі в грунті; - нормативне значення граничного опору палі; - коефіцієнт надійності для грунту.

При кількості дослідних паль менше шести приймають рівним найменшому граничному опору , а - рівним 1. Якщо випробувано шість і більше паль на одній ділянці, то і визначають на основі статистичної обробки окремих значень граничних опорів паль . За граничний опір грунту заглибленню палі приймають навантаження, під дією якого дослідна паля отримає осідання , що визначається за виразом

, де (11.6)

- гранично допустиме середнє осідання будівлі, що проектується; - коефіцієнт переходу від граничного середнього осідання будівлі до осідання палі при статичних випробуваннях з умовною стабілізацією осідань.

Аналогічно виконують випробування паль на дію висмикуючих навантажень. Випробування проводяться відповідно з діючими стандартами [15].

Динамічні випробування паль. Під час забивки палі в грунт за допомогою дизель-молота по мірі того як вона заглиблюється в грунт, останній чинить все більший опір її зануренню. В результаті від кожного удара буде все менше заглиблення палі в грунт. Величина занурення палі в грунт від 1 удару молота називається “відмовою палі”. Після заглиблення палі до проектної відмітки "відмова" буде найменшою. Отже, величина "відмови" певним чином пов‘язана з несучою здатністю палі. Виходячи з цього припущення на основі численних вимірювань "відмови" паль під час їх забивки дизель-молотом до проектної відмітки і наступним визначенням їх несучої здатності випробуваннням статичним втискуючим навантаженням і розроблено метод визначення несучої здатності забивних паль динамічним випробуваннням втискуючим навантаженням.

Випробування паль проводять після їх забивки дзель-молотом до проектної відмітки лише після так званого “відпочинку” палі. (“Відпочинок” палі потрібен для зняття напружень, які виникають на контакті паля-грунт під нижнім кінцем палі і на її бічній поверхні. В залежності від інженерно-геологічних умов будмайданчика, на якому проводяться динамічні випробування, відпочинок може становити від 3год (піщані грунти, крім водонасичених дрібних і пилуватих) до 20діб (глинисті грунти мякопластичної і текучепластичної консистенції). Величина відпочинку може бути більшою, але ні в якому разі не меншою).

Добивку паль, заглиблених до проектної відмітки після відпочинку проводять залогами по 3-5 ударів в кожному. Проводять 3-5 таких залоги. Висота падіння ударної частини дизель-молота повинна бути в цьому випадку однаковою для кожного удара в залозі і у всій серії залогів. За розрахункову приймають найбільшу середню "відмову" з серії залогів.

Окреме значення граничного опору палі за результатами динамічних випробувань паль визначається за фомулою

(11.7)

при залишковій “відмові палі” м, який дорівнює заглибленню палі від одного удара молота, а при віброзаглибленні - від роботи віброзаглиблюючих установок на протязі однієї хвилини.

Коли м, то в проекті пальових фундаментів замінюють палебійне обладнання на більш потужніше (більша енергія удара молота), яке викличе м і тоді розрахунок граничного опору палі проводять за формулою (11.7). Якщо ж цього не можна зробити (не можна замінити обладнання), то, за наявності “відмовомірів” значення граничного опору палі визначають за формулою

(11.8)

В наведених формулах використані позначення з ст. 15 [25] (- коефіцієнт, який приймається в залежності від матеріалу палі; - площа поперечного перерізу палі; - коефіцієнт, який приймається рівним 1 при забивці палі молотами ударної дії і за табл. 11 при віброзаглибленні; - розрахункова енергія удару молота, приймається за табл. 12, або розрахункова енергія віброзаглиблювача - за табл.13; - маса молота чи віброзаглиблювача; - маса палі і наголовка; - маса підбабка; - маса ударної частини молота; - коефіцієнт відновлення удара при забивці залізобетонних паль молотами ударної дії з використанням наголовка з деревяним вкладишем, а при віброзаглибленні;

, де

- коефіцієнти перехода від динамічного до статичного опору грунту; - площа бічної поверхні палі, яка стикається з грунтом; - прискорення вільного падіння; - фактична висота падінняударної частини молота; - висота першого відскоку ударної частини дизель-молота).

Динамічні випробування паль виконуються у відповідності з [15].

За формулами (11.7)-(11.8) можна проводити і контроль несучої здатності паль. Для цього до місця влаштованого пальового поля вивозять палебійне обладнання і проводять контрольну добивку паль, за результатами якої отримують контрольні "відмови" паль і тоді за формулами перевіряють їх несучу здатність.

Визначення несучої здатності паль за результатами статичного зондування.Статичне зондування проводиться шляхом втиснення (за допомогою домкрата і штанг) в грунт зонда у вигляді конуса. Схема випробувань продібна до статичних випробувань паль. Існують конструкції зонда, в яких вимірювання опору грунту під нижнім його кінцем і на бічній поверхні проводиться поперемінно (зонд І-го типу (рис. 11.5) - після завантаження зонда для оцінки граничного опору грунту під його нижнім кінцем проводять втиснення його нижнього кінця, а потім для оцінки граничного опору грунту на бічній поверхні зонда проводять втиснення чи витягування його кожуха В цьому випадку визначається опір грунту під нижнім кінцем зонда на певній глибині і загальний опір грунту на бічній поверхні зонда на всій його довжині) і ті, які дозволяють одночасно фіксувати опір грунту під нижнім його кінцем і на бічній поверхні - зонди ІІ-го і ІІІ-го типу (рис. 11.5).

За результатами експеримента будується графік питомого опору грунту під нижнім кінцем зонда з глибиною (рис. 11.6).

Методика випробувань грунтів статичним зондування викладена в [7].

Результати статичного зондування грунтів використовують для визначення несучої здатності забивних паль. Несучу здатність забивної палі в цьому випадку визначають за формулою

, де (11.9)

- коефіцієнт умов роботи; - кількість точок зондування; - коефіцієнт надійності для грунту, який визначається за результатами статистичної обробки експериментальних результатів зондування; - окреме значення граничного опору палі в точці зондування, яке визначається за формулою

, де (11.10)

- граничний опір грунту під нижнім кінцем палі, який визначається за формулою

(11.11)

- середнє значення граничного опору грунту на бічній поверхні палі в точці зондування, яке визначається для зонда І-го типу за формулою

(11.12)

для зонда ІІ-го і ІІІ-го типу за формулою

(11.13)

В наведених формулах використані позначення з ст. 18 [25] (- коефіцієнт переходу від до і приймається за табл. 15; - середнє значення питомого опору грунту під нижнім кінцем зонда на ділянці, розміщеній в межах одного діаметра вище і чотирьох діаметрів нижче відмітки нижнього кінця проектуємої палі (де - діаметр круглого чи більша сторона поперечного перерізу палі); - площа поперечного перерізу палі; - периметр поперечного перерізу палі; - глибина заглиблення палі; - коефіцієнти, які приймаються за табл 15; - середнє значення питомого опору і-го шару грунту на бічній поверхні зонда; - середнє значення питомого опору грунту на бічній поверхні зонда І-го типу).

Випробування інвентарних паль.Суть таких випробувань полягає в тому, що замість паль натурних розмірів випробовують інвентарні палі, що представляють собою трубу з наконечником діаметром 114мм. Довжина таких паль відповідає довжині натурних. Після випробувань палі виймаються з грунту і використовуються повторно. Схема випробувань така сама, як і схема випробувань натурних паль. Розрахункові опори грунту під нижнім кінцем та на бічній поверхні інвентарних і натурних паль відрізняються між собою. Це пояснюється, в основному, різницею в площах поперечного перерізу, матеріалів паль, умов їх занурення та ін. Тому для визначення несучої здатності використовують систему поправочних коефіцієнтів, що суттєво знижує достовірність результатів випробувань. Але вартість таких робіт значно нижча ніж вартість випробувань натурних паль.

Існують три типи інвентарних паль: І-й – з наконечником, наглухо з‘єднаним з стовбуром палі, для вимірювання загального опору грунтів заглибленню палі; ІІ-й – з наконечником, який може вільно переміщатися вздовж стовбура палі, для поперемінного вимірювання опору грунтів заглибленню палі на бічній поверхні і під нижнім кінцем палі (після проведення досліджень (зрив палі) для оцінки граничного опору грунту під нижнім кінцем палі проводять втиснення її нижнього кінця на 20мм, а потім для оцінки граничного опору грунту на бічній поверхні палі проводять втиснення чи витягування її стовбура на 12мм); ІІІ-й – з наконечником, який з‘єднаний з стовбуром палі через датчик, для одночасного роздільного вимірювання опору грунтів заглибленню палі на бічній поверхні і під нижнім кінцем палі (крім загального навантаження на палю на кожному ступені завантаження, знімають навантаження з датчика, який реєструє опір грунту під нижнім кінцем палі).

Несучу здатність забивної палі в цьому випадку визначають за формулою (11.9). Окреме значення граничного опору забивної палі , в точці випробування грунтів еталонною палею, визначається за формулою

І типу (11.14)

ІІ і ІІІ типу (11.15)

В наведених формулах використані позначення з ст. 17 [25] (- коефіцієнт умов роботи палі в грунті;- коефіцієнти умов роботи грунту, відповідно, під нижнім кінцем і на бічній поверхні палі; - периметр поперечного перерізу, відповідно, натурної і інвентарної палі; - несуча здатність інвентарної палі; - площа поперечного перерізу нижнього кінця палі; - розрахунковий опір грунту, відповідно, під нижнім кінцем і на бічній поверхні інвентарної палі; - величина заглиблення натурної палі в грунт).

3. Визначення осідань пальових фундаментів. Осідання паль-стояків та паль, що сприймають висмикуючі навантаження, не визначають.

Осідання фундаментів на висячих палях визначають як осідання умовного фундаменту ABCD (рис. 11.7) за методиками, що застосовуються для фундаментів мілкого закладення (див п. 9.5)

, де (11.16)

- товщина інженерно-геологічних елементів:

Перед розрахунками перевіряють умову

, де (11.17)

- вага умовного фундаменту; - площа підошви умовного фундаменту; - розрахунковий опір грунту, на який опирається умовний фундамент.

У власну вагу умовного фундаменту при визначенні осідань включають вагу паль, ростверка і грунту в об’ємі цього фундамента. Розрахунки осідань малозавантажених стрічкових пальових фундаментів та одиночних паль можна визначати за методиками додатків 3 і 4 [25].

4. Розрахунки горизонтально завантажених пальових фундаментів. При дії на пальові фундаменти тільки вертикальних навантажень визначають несучу здатність паль на дію цих навантажень та осідання фундаментів. Якщо паля чи фундамент сприймають моментні та горизонтальні навантаження (рис. 11.8), то необхідно виконати також ще такі розрахунки:

- визначення горизонтального переміщення голови палі і кута її повороту для перевірки виконання умов

, де (11.18)

, - гранично допустимі значення горизонтальних переміщень голови палі і кута її повороту;

- розрахунки стійкості грунту основи, що оточує палю (тільки для паль стороною чи діаметром 0,6м і більше);

- перевірку матеріалу тіла палі за граничними станами першої і другої груп.

Методика розрахунків наводиться в додатку 1 [25]. В статичному відношенні горизонтально завантажена паля розглядається як балка в пружній основі з заданим поперечним перерізом та відомими навантаженнями на одному кінці. На основі будівельної механіки отримані формули для визначення горизонтального переміщення палі, кута її повороту, згинаючих моментів та поперечних сил у будь-якому перерізі по її довжині.

5. Проектування пальових фундаментів. У загальному випадку проектування пальових фундаментів виконують у такій послідовності:

1. Визначають вид паль (забивні, бурові). При цьому враховують характер та величину навантажень, інженерно-геологічні умови будівельної ділянки (в слабких грунтах основи переріз палі роблять меншим ніж у нормальних), можливості будівельних організацій, економічні показники та інші фактори.

2. Попередньо визначають розміри паль. Палі повинні прорізати ненадійні грунти і вартість фундаментів має бути мінімальною. Для цього визначають вартість фундаментів з паль різних розмірів. Довжину вибирають так, щоб палі заглиблювались не менше 0,5м у великоуламкові, гравелисті, крупні й середньої крупності піщані грунти і глинисті з показником текучості ; для решти грунтів - 1,0м.

3. Визначають несучу здатність паль (див. п. 11.2).

4. За формулою (11.1) визначають навантаження , допустиме на палю.

5. Визначають кількість паль:

для кущових фундаментів за формулою

(11.19)

- максимально допустима розрахункова відстань між осями сусідніх забивних паль стрічкового фундаменту становить

, де (11.20)

- відповідно погонне навантаження, вага палі, вага 1м/п ростверка і грунту на його обрізах.

6. Виконують конструювання фундаментів.

Пальові фундаменти залежно від розміщення паль у плані проектують у вигляді: пальових смуг - під стіни будівель; пальових кущів - під колони; суцільного пальового поля - під всією будівлею чи спорудою.

Мінімальна кількість паль у кущі становить: у центрально завантаженому фундаменті – 1; у позацентрово завантаженому фундаменті в одній площині – 2; у позацентрово завантаженому фундаменті в двох площинах – 3.

Відстань між осями забивних висячих паль повинна бути не меншою (- діаметр круглої або сторона квадратного перерізу палі), а між осями паль-стояків - не меншою . Чиста відстань між стовбурами бурових, набивних паль і паль-оболонок приймається не менше 1,0м, а відстань між розширенням паль у твердих та напівтвердих глинистих грунтах - 0,5м, в інших нескельних грунтах - 1,0м .

Оптимальна конструктивна відстань між осями сусідніх паль у стрічковому фундаменті зумовлена несучою здатністю ростверка (нерозрізна балка на опорах) і становить приблизно .

Якщо максимальна розрахункова відстань між осями сусідніх паль у стрічковому фундаменті менша мінімально допустимої, то палі розташовують у два і більше рядів. Якщо максимальна розрахункова відстань більша оптимальної конструктивної, то палі розміщують з урахуванням останньої. Потім виконують розстановку паль у плані таким чином, щоб фактична відстань між ними не перевищувала максимальну розрахункову і оптимальну конструктивну і була не меншою за мінімальну конструктивну. В першу чергу розміщують палі в місцях, де ростверки перетинаються між собою.

З’єднання пальового ростверка з палями може бути шарнірним або жорстким (рис. 11.9). Жорстке з’єднання хоч є значно трудоємкішим і дорожчим проте використовується частіше, оскільки, є більш надійним.

Після розміщення паль у плані перевіряють фактичне завантаження паль за формулами:

- для стрічкових фундаментів

(11.21)

- для стовпчатих фундаментів

 

(11.22)

де - максимальне і мінімальне навантаження на крайні палі; - вага ростверка та грунту на його обрізах;- власна вага палі; - відстань від головної осі до осі крайньої палі (рис.11.10); - відстань від головної осі до осі кожної палі; , - момент і горизонтальна складова зовнішніх сил на рівні обрізу фундаменту відносно (у напрямку) відповідної осі; - відстань від підошви ростверка до його обрізу

Перевантаження крайніх паль в кущі на 20% від навантаження, допустимого на них, можливе при ро-зрахунках фундаментів із врахуванням вітрових та кранових навантажень (при цьому величина кранових навантажень повинна становити більше 30% сумарних навантажень на фундамент), тобто . Якщо , то додатково проводять розрахунки паль на дію висмикуючих навантажень.

7. Проводять розрахунки фундаментів за деформаціями.

8. Розраховують тіло ростверка і палі.

 

 

Тема 12.ФУНДАМЕНТИ ГЛИБОКОГО ЗАКЛАДЕННЯ

Фундаменти глибокого закладення використовують в тих випадках, коли необхідно передати на грунт значні навантаження, причому споруда або частина будівлі розміщені під землею. До цих фундаментів відносяться опускні колодязі, кесони і фундаменти типу “стіна в грунті”.

1. Опускні колодязі.Опускний колодязь - це відкрита зверху і знизу порожниста конструкція будь-якої конфігурації в плані, яка занурюється в грунт, як правило, під дією власної ваги в процесі розробки грунту всередині колодязя.

Форма колодязя в плані визначається конфігурацією підземної частини будівлі. Використовуються бетонні та залізобетонні колодязі. Вони бувають монолітними, збірно-монолітними та збірними. Товщина стінок колодязя визначається з умови створення необхідної ваги для подолання сили тертя в процесі занурення і може перевищувати 2м. Нижня частина колодязя називається ножем (рис. 12.1). Для зменшення тертя поверхні стінок з оточуючим грунтом передбачають в ножовій частині виступ, який утворює пазуху в процесі занурення колодязя. Пазуху заповнюють розчином бентонітової глини, яка утримує стінки грунту в вертикальному положенні.

Частину колодязя, що зводять до його опускання, розміщують на тимчасовій основі, наприклад, на щебеневій призмі. В процесі опускання слідкують за вертикальністю колодязя, відповідно розробляючи грунт. При цьому періодично нарощують колодязь шляхом бетонування монолітних або монтажу збірних чи збірно-монолітних ярусів.

Вибір механізмів для розробки грунту залежить від розмірів колодязя та інженерно-геологічних умов. Можуть застосовуватись екскаватори, транспортери, грейфери, гідроелеватори. Після занурення колодязя на проектну відмітку бетонують днище. При необхідності виконують гідроізоляцію стін та днища.

2. Кесони.Кесон -це залізобетонний ящик без дна із шлюзовим апаратом. Кесони застосовують нижче рівня грунтових вод і при наявності включень міцного грунту, для розробки якого потрібна присутність людей. Суть влаштування кесонних фундаментів полягає у відтисненні грунтової води з робочої камери в процесі його заглиблення, що дає можливість для роботи людей у цій камері (рис. 12.2).

Кесон складається з робочої камери 1, в якій у процесі занурення підвищується тиск повітря Цей тиск врівноважує тиск грунтової води на даній глибині і не дозволяє їй проникати в робочу камеру. Доступ у камеру людей та транспортування грунту проводяться через шахту 2, в якій розміщено шлюзовий апарат. По мірі заглиблення кесона зводять стіни 3 споруди, яка будується.

Робота людей в умовах підвищеного тиску шкідлива для здоров’я, тому максимальна величина заглиблення кесона складає 40м. Обмежується і час перебування людей в робочій камері. Кесони використовуються дуже рідко, у випадках, коли неможливо використати інші фундаменти.

3. Фундаменти, що виготовляють методом “стіна в грунті”. Суть способу “стіна в грунті” полягає в наступному. З допомогою землерийних машин під захистом глинистої суспензії відкопують траншеї. Потім їх бетонують або монтують в них збірні елементи, які утворюють у грунті конструкції будівель і споруд переважно у вигляді стін. Таким способом виготовляють фундаменти будівель, підземні споруди, підпірні стінки а також протифільтраційні завіси. При будівництві замкнутих в плані споруд після зведення стін грунт з внутрішньої частини споруди виймають, бетонують днище і виготовляють перекриття.

Спосіб широко використовують нижче і вище грунтових вод, він найбільш ефективний при тісній забудові території.

Конструкції з монолітного залізобетону зводять окремими ділянками довжиною 3-6м. Під захистом глинистої суспензії відкопують траншею (рис. 12.3), опускають арматурний каркас і виконують бетонування через бетонолітну рухому трубу. Потім цей процес повторюють на наступних ділянках. Глиниста суспензія, що витісняється бетоном, відводиться по лотку в запасну ємкість або в слідуючу ділянку траншеї.

Недоліком влаштування монолітних конструкцій є налипання глинистої суспензії на арматурний каркас (це суттєво ослаблює зчеплення арматури з бетоном). Цього недоліку позбавлені збірні конструкції.

Траншеї протифільтраційних завіс можуть заповнюватись твердіючими (бетон, глиноцементний розчин) і нетвердіючими (грудкова глина) матеріалами. Конкретний матеріал вибирають, виходячи з величини напору води, навантажень на завісу та терміну її роботи.

 

 

Тема 13.ФУНДАМЕНТИ В СКЛАДНИХ ТА ОСОБЛИВИХ ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНИХ УМОВАХ

До складних інженерно-геологічних відносяться такі умови, коли для проведення будівництва необхідне покращення властивостей грунтів (ущільнення, закріплення), їх заміна або використання спеціальних фунда­ментів (наприклад, пальових). Такі заходи проводять у просідаючих, набухаю­чих, заторфованих, засолених та насипних грунтах. Сейсмічні регіони, території з підземними порожнинами та виробками, ділянки з можли­вими зсувами відносять до особливих умов.

1. Фундаменти на просідаючих грунтах.Просідаючими називаються глинисті грунти, які під дією зовнішнього навантаження або (і) власної ваги при замочуванні водою чи іншими розчинами дають додаткове осідання, що називається просіданням, причому величина відносного просідання εsl≥0,01.

Проектування основ і фундаментів на просідаючих грунтах виконують з урахуванням типу грунтових умов за просіданням. Грунтові умови ділянок, складених просідаючими грунтами, розділяються на два типи:

перший - просідання від власної ваги замоченого грунту відсутнє або не перевищує 5см;

другий - просідання від власної ваги замоченого грунту перевищує 5см.

Величина просідання замоченого грунту від власної ваги визначається потужніс-тю просідаючої товщі та величиною відносного просідання.

Знаючи величину відносного просідання εsl (див. тема 6) можна визначити просідання ос­нови за формулою

,де (13.1)

- число шарів, на які розділена просідаюча товща; - товщина і-го розрахун-кового шару; - коефіцієнт, приймається рівним 1 при визначенні просідання грунту від власної ваги. Приклад визначення типу грунтових умов за просіданням див. МВ 053-54.

Якщо замочування просідаючих грунтів неможливе, то будівництво ви­конують як у звичайних умовах. В протилежному випадку передбачають такі заходи:

- ліквідація властивостей просідання грунтів шляхом їх ущільнення або закріплення;

- прорізання просідаючої товщі фундаментами або масивами із закріпленого грунту;

- водозахисні заходи;

- конструктивні заходи;

- збільшення розмірів підошви фундаментів таким чином, щоб діючі сумарні на­пруження (від власної ваги і зовнішнього навантаження) в просідаючій товщі не перевищували початкового тиску просідання.

Якщо сумарна величина осідань і просідань, а також їх нерівномірність не перевищують допустимих величин, то вищенаведені заходи можна не передбачати.

Ми знаємо, що просідання грунтів відбувається за рахунок руйнування структурних зв‘язків, які складені легкорозчинними солями. Отже, для того щоб позбутися властивостей просідання необхідно попередньо зруйнувати ці структурні зв‘язки чи зробити їх стійкими до води чи будь-якої іншої рідини.

Ущільнення просідаючих грунтів виконують важкими трамбівками, грунтовими палями, витрамбовуванням котлованів, попереднім замочуванням (з вибухами чи без) тощо. Властивості просідання втрачаються при г/см3.

Ущільнення грунтів важкими трамбівками. Економічно доцільним є використання цього методу для ущільнення просідаючої товщі потужністю до 4м. Методика полягає в слідуючому. Трамбівку мосою 3-5т, яка змонтована на базі крана, піднімають на висоту 5-7м і різко опускають. Під дією власної ваги вона, падаючи на грунт, ущільнює його. Кількість ударів по одному сліду для забезпечення необхідного значення на потрібну глибину визначається експериментально.

Фундаменти в витрамбованих котлованах.Методика аналогічна до попередньої, проте кількість ударів по одному сліду значно більша. В результаті цього в грунті утворюється заглиблення (котлован), в якому влаштовується монолітний фундамент мілкого закладення.

Ущільнення основ грунтовими палями.Суть методу полягає в тому, що в грунті пробивають чи пробурюють свердловини, які заповнюються грунтом з пошаровим його ущільненням. При цьому ущільнюється просідаючий грунт навколо свердловин (рис 13.1).

Раціональним є використання методу при потужності просідаючої товщі 8-20м і воло­гості, близькій до оптимальної.

У верхній частині масиву відбувається випирання грунту, тобто утворюється неущільнений буферний шар, який зрізають або доущільнюють трамбуванням..

Ущільнення грунтів замочуванням з вибухами. Ущільнення попереднім замочуванням відбувається за рахунок просідання замоченого грунту від власної ваги. При цьому зменшують пористість нижні шари грунтів, починаючи з глибини, на якій природні напруження перевищують початковий тиск просідання. Верхні шари недоущільнюються, тому замочуванням переводять грунти з ІІ-го типу в І-ий тип за просіданням. Замочування проводиться в котлованах (з свердловинами і без них). Для підвищення ефективності методу в замоченому грунті проводять глибинні вибухи.

Хімічне закріплення грунтів виконують шляхом нагнітання в просідаючу товщу закріплюючих розчинів (рідке скло - силікатизація, різні смоли - смолізація).

При взаємодії закріплюючих розчинів з солями, що містяться в грунті утворюються компоненти, які є стійкими до води чи будь-якої іншої рідини. Схема хімічного закріпення грунтів показана на рис. 13.2.

Якщо новоутворені структурні з‘язки в закріпленому грунті є недостатньо стійкими до води, то вико­ристовують дворозчинну силікатизацію (почергово нагнітають рідке скло і хлористий кальцій) або газову силікатизацію (рідке скло плюс вуглекислий газ).

При низькому коефіцієнті фільтрації грунту ви­користовують електросилікатиза-цію (одно- чи дво­розчинну). Через грунт пропускають постійний елек­тричний струм, який спричиняє рух катіонів разом з водою від ін’єктора до електрода.

Технологічні параметри закріплення визначаються за емпіричними залежностями, наведеними в довіднику [21].

Використання пальових фундаментів. В усіх випадках палі повинні прорізати просідаючі грунти і заглиблюва­тись в скельні, піщані (крім пухких) чи глинисті грун-ти з показником текучості у во­донасиченому стані для грунтів I-го типу за просіданням, а для II-го - при і при (- просідання грунту від власної ваги; - гранично допустиме осідання фундаменту будівлі). Величина заглиблення палі в непросідаючий грунт визначається виходячи з необхідної несучої здатності палі і повинна бути не менше 1м для всіх грунтів, крім скельних і велико­уламкових, для яких вона приймається не менше 0,5м.

Несуча здатність паль в грунтових умовах I-го типу за просіданням (рис. 13.3) визначається з умови, що такі грунти зменшують несучу здатність при замочуванні. Значення опору грунту на бічній поверхні паль (f) межах просідаючої товщі слід приймати рівним нулю.

В процесі просідання грунтів в грунтових умовах II-го типу за просіданням на бічній поверхні паль виникає негативне тертя (рис. 13.4), яке створює додаткове навантаження, тому розрахунок виконують виходячи з умови

, де (13.3)

- розрахункове навантаження на палю; - допусти-ме навантаження на палю; - несуча здатність палі, що виз-начається на глибині, де діє позитивне тертя; - коефіцієнт надійності; - коефіцієнт умов роботи: при см ; при . Для проміжних значень визначається інтерполяцією; - сила негативного тертя. При можливому замочуванні зверху ви­значається як для зволоженого грунту при показнику текучості, розрахованому за формулою

(13.4)

Якщо визначене за (13.4) значення , то приймають, .

У випадку підйому рівня грунтових вод визначається за формулою

, де (13.5)

- периметр палі; - глибина, в межах якої діє сила негативного тертя (приймається рівною глибині, нижче якої просідання грунту від власної ваги дорівнює 5см); - товщина і-го шару грунту (в межах, де проявляється негативне тертя); - розрахунковий опір грунту, визначається до глибини 6м за формулою

, (13.5)

а нижче приймається постійним.

Тут - коефіцієнт бічного тиску; - напруження від власної ваги грунту; - значення кута внутрішнього тертя і питомого зчеплення грунту в межах .

Якщо просідання грунту від власної ваги перевищує 30см, то передбачають попереднє замочування просідаючої товщі для переведення таких грунтів в І-й тип грунтових умов за просіданням. Несучу здатність палі в цьому випадку визначають з урахуванням попереднього замочування просідаючої товщі.

Водозахисні заходи. Ці заходи включають: компоновку генплану (збереження природних умов стоку поверхневих вод); планування території, що забудовується (зберігаються шляхи природного стоку води); відвід поверхневих вод через стічну мережу; влаштування під будівлями і спорудами водонепроникливих екранів; якісну засипку пазух; влаштування відмосток навколо будівель; прокладку комунікацій для води в спеціальних лотках; відвід аварійних вод за межі будівель; виготовлення водонепроникних підлог і т.п.

Вимоги до таких заходів наводяться в “Пособии по проектированию ос­нований зданий и сооружений” [22].

Водозахисні заходи, як показав досвід експлуатації будівель споруджених з їх застосуванням, не надійні і можуть використовуватись для маловідповідальних будівель.

Конструктивні заходи. Такі заходи призначають, виходячи з розрахунків конструкцій на нерівномірні просідання грунтів. Вони розділяються на три групи: підвищення жорсткості будівель; збільшення податливості будівель; забезпечення нормальної експлуатації будівель при нерівномірних деформаціях будівель.

За конструктивними особливостями будівлі і споруди розділяються на:

жорсткі - складають одну просторову цілісність (труби, силоси, башти тощо);

відносно жорсткі - чутливі до нерівномірних деформацій, складаються із жорстко зв’язаних елементів (всі житлові і цивільні та деякі промислові будівлі);

гнучкі - елементи будівель зв’язані між собою шарнірно (одноповерхові промислові будівлі, естакади тощо).

Заходи 1-ї групи використовують для відносно жорстких будівель, 2-ї групи - для гнучких будівель, а 3-ї групи (в сукупності із заходами 1-ї і 2-ї груп) - для будівель, що мають спеціальне технологічне обладнання (ліфти, мостові крани тощо) і направлені на забезпечення нормальної експлуатації цього обладнання.

Підвищення жорсткості будівель досягаються: розрізкою деформаційними швами; влаштуванням залізобетонних поясів, армованих швів; підсиленим армуванням стиків між елементами; використанням монолітних фундаментів і т.п.

Збільшення податливості будівель забезпечується гнучкими зв’язками між елементами конструкцій, збільшенням площі опирання елементів і стійкості елементів при підвищених деформаціях та ін.

Забезпечення нормальної експлуатації будівель досягається шляхом використання таких конструктивних рішень, які дозволяють відновити нормальну експлуатацію кранів, ліфтів і т.п. (використання болтових з’єднань, спеціальні фундаменти, запаси в розмірах тощо).

2. Фундаменти на набухаючих грунтах. До набухаючихвідносяться глинисті грунти, які при замочуванні водою чи іншими розчинами збільшуються в об’ємі, причому величина відносного набухання у вільному стані (без навантаження) εsw≥0,04.

Підняття фундаменту від набухання визначають за формулою

,де (13.6)

- число шарів, на які розділена набухаюча товща грунту; - товщина і-го розрахункового шару; - коефіцієнт, який залежить від величини загального вертикального напруження на глибині .

Якщо замочування набухаючих грунтів неможливе, то будівництво ви­конують як у звичайних умовах. В протилежному випадку передбачають такі заходи:

- ліквідація властивостей набухання грунтів шляхом їх закріплення (див. п.13.1);

- прорізання набухаючої товщі фундаментами або масивами з закріпленого грунту;

- водозахисні заходи (див. п.13.1);

- конструктивні заходи (див. п.13.1);

- зменшення розмірів підошви фундаментів таким чином, щоб діючі сумарні на­пруження (від власної ваги і зовнішнього навантаження) в набухаючій товщі перевищували початковий тиск на