Раздел 3. Свайные фундаменты.
3.1. Виды свайных фундаментов, их применение.
Сваями называют длинные стержни, погружённые в грунт в готовом виде или изготовленные в грунте; они предназначаются для передачи давления сооружения на грунт основания.
По характеру передачи давления сооружения на основание различают сваи – стойки и сваи трения (висячие).
Рис.21. Схемы работы свай в грунте: а) свая-стойка;
б) висячая свая
В зависимости от характера размещения свай в плане различают следующие виды свайных фундаментов: одиночные сваи; ленточные свайные фундаменты с размещением свай в ряд (а); свайные кусты (б); сплошное свайное поле (в).
Рис.22. Схемы фундаментов
Применение.
Одиночные сваи – под лёгкие сооружения (например, лёгкие одноэтажные здания), когда нагрузки от колонны здания или стыка панелей воспринимает одна свая. Иногда сваи являются одновременно колоннами здания (сваи – колонны).
Ленточные свайные фундаменты – под стены зданий и другие протяжённые конструкции. Различают однорядное и многорядное (в два – три ряда и более) размещение свай.
Свайные кусты – это группы свай, обычно расположенные под отдельными конструкциями (например, колоннами). Минимальное число свай в одном кусте – три (в исключительном случае два), для одноэтажных промышленных зданий – четыре.
Сплошное свайное поле – под тяжёлые сооружения, когда сваи располагаются по некоторой сетке под всем сооружением или частью его.
Чтобы все сваи фундамента работали одновременно, их объединяют железобетонной плитой или балкой – ростверком, который обеспечивает распределение нагрузки на сваи и равномерность осадки или при несимметричном загружении осадку с креном без изгиба.
Различают три типа свайных ростверков:
1) Низкий с.р. располагают ниже поверхности грунта. Такой ростверк может передавать часть вертикального давления на грунт основания по своей подошве и при практически плотной обратной засыпке может воспринимать давление от горизонтальных сил.
2) Повышенный с.р. не заглубляют в грунт, а располагают непосредственно на его поверхности (он не может передавать через свою подошву вертикальное давление на грунт основания).
3) Высокий с.р. располагают выше поверхности грунта. Высокие с.р. применяют при строительстве мостов и гидротехнических сооружений, под внутренними стенами жилых зданий с техническими подпольями и др.
3.2. Конструкции свай, используемых в промышленном и гражданском строительстве.
Сваи погружаемые в готовом виде (забивные).
- Деревянные сваи (применяются редко)
Материал – ель, сосна, лиственница, дуб
На одном конце бревна делают заострение или металлический башмак, а на другой надевают металлический бугель, который защищает древесину от размочаливания во время забивки. Также могут использоваться пакийные или клеевые сваи.
Достоинства
– лёгкие (без кранов)
– относительно прочные (100 кг/см2 на сжатие)
– достаточно высокая несущая способность
Недостатки
– легко загнивает в зонах переменного увлажнения
- Железобетонные сваи сплошного сечения.
Сваи призматические квадратного сечения
с шагом 5см
длиной секции 
с шагом 1м
Достоинства
– заводского изготовления
– контроль качества
Недостатки
– большой вес
– при больших длинах – большой расход арматуры
- Железобетонные сваи квадратного сечения с круглой полостью
(СП) 
; 
; 
с шагом 1м
применяются в С/х
- Пирамидальные сваи
Применяются:
– для жилых зданий до 9 этажей
– для фундаментов промышленных зданий при количестве свай в кусте не более 4х
Применение целесообразно: в рыхлых песках, маловлажных тугопластичных глинистых грунтах, лессовых грунтах I типа по просадочности, если верхняя часть грунтов зона промерзания до 1м.
Невыгодны в пучинистых грунтах.
- Железобетонные сваи круглые полые.
; по длине сборные
длина звена 
с шагом 2м
толщина стенок 
При 
называются полые круглые сваи, изготавливаются с закрытым концом, погружаются забивкой, вибропогружателями, вдавливанием.
При 
> 0,8м называются сваи-оболочки, изготавливаются с открытым концом (на конце нож), погружаются вибропогружателем.
Звенья изготавливаются с металлическими – фланцево-болтовыми или сварными (по торцам устанавливают закладные детали).
-
Буровые и буронабивные сваи
Используют при необходимости прорезания водонасыщенных грунтов мощность 
(иногда до 
)
Крепление стенок скважины:
1) в маловлажных глинистых грунтах – стенки можно не крепить;
2) глинистым раствором – в водонасыщенных глинистых грунтах от твёрдой до мягкопластичной консистенции, в несвязных песчаных грунтах;
3) обсадной трубой – при большой глубине воды; наличие гравийно-галечных прослоек, карстов, текучих глинистых грунтов.
3.3. Забивные и набивные сваи.
По видам сваи можно разделить на две группы: 1) забивные; 2) набивные
Забивные сваи погружаются в грунт в готовом виде путём забивки, вибропогружения и вдавливания; к ним можно отнести несущие элементы погружаемые завинчиванием.
Набивные сваи изготавливаются непосредственно в грунте на месте устройства фундамента. Для этого предварительно бурится скважина, которая заполняется монолитным бетоном. При необходимости перед бетонированием в скважину устанавливается арматурный каркас.
1.) Достоинства
– индустриальность (сваи изготавливаются на заводе);
– контроль качества изготовления сваи;
– на сваю можно сразу передавать нагрузку;
– сокращается время строительства;
– упрощаются работы в зимний период;
Недостатки
– ограниченность размеров;
– невозможность устройства уширения в нижней части сваи;
– невысокая несущая способность сваи;
– трудно погружать в прочные грунты и грунты, содержащие включения;
– опасно устраивать вблизи существующих зданий, т.к. при погружении свай в грунтах возникают колебания;
2.) Достоинства
– можно изготавливать больших размеров;
– в нижней части можно устроить уширение;
– большая несущая способность свай;
– можно сооружать в любых грунтах;
– при сооружении свай не возникает вибрации грунта;
Недостатки
– большое время изготовления;
– нельзя нагрузки на сваи передавать сразу;
– затруднён контроль качества изготовления свай;
– при работе в зимнее время требуется утепление.
3.4. Определение несущей способности свай на осевую нагрузку по сопротивлению грунта.
При проектировании фундаментов необходимо знать расчётное сопротивление сваи (Рт). Под расчётным сопротивлением сваи подразумевают такую наибольшую осевую нагрузку, которая обеспечивает нормальную эксплуатацию сооружения и гарантирует устойчивое положение несущего элемента в грунте. Расчётное сопротивление сваи по грунту определяют через её несущую способность (Fd). Несущей способностью считается сила предельного сопротивления грунта основания. Fd определяют следующими методами:
3.4.1. Метод пробных статических нагрузок.
Этот метод является наиболее надёжным, но в то же время весьма дорогим и трудоёмким. Испытанию подвергаются сваи, имеющие проектные размеры, погружённые в местах сооружения фундаментов с использованием тех же средств, которые будут применены для погружения остальных свай. Испытываемую сваю чаще всего загружают с помощью гидравлических домкратов.
Рис.23. Схема установки для испытания свай статической нагрузкой: 1 – испыты ваемая свая; 2 – анкерная свая; 3 – гидравлический домкрат; 4 – анкерные балки; 5 - прогибомеры (определяют осадку испыт. сваи); 6 – реперная балка; 7 – реперные сваи.
Нагрузку передают ступенями 
от ожидаемой несущей способности. Каждую ступень нагрузки выдерживают до некоторого условного затухания осадки согласно ГОСТу. Обычно это 0,1 мм/ч при опирании на глинистый грунт полутвёрдой и тугопластичной консистенции и не более 0,2 мм/ч – на песчаный и глинистый твёрдой консистенции.
По результатам наблюдений строят графики зависимости осадки от нагрузки и зависимости осадки от времени.
Рис.24. График зависимости осадки Рис.25. График зависимости осадки от
от нагрузки времени
Нагрузку сваи доводят до значения, при котором резко увеличивается осадка сваи. В момент срыва сваи в грунте будут преодолены сопротивления сдвигу и у боковой поверхности, а также значительно разовьются области предельного равновесия ниже подошвы сваи.
Предельное сопротивление соответствует точке перелома на графике «осадка – нагрузка» и его принимают на одну ступень меньше «max» нагрузки, при которой свая теряет устойчивость и скорость осадки резко возрастает.
Несущая способность сваи по сопротивлению грунта основания
, (3.1)
где 
= 1,0 – коэффициент условий работы; Fu,n – нормативное значение предельного сопротивления свай, определяемое по данным испытаний; 
– коэффициент надёжности по грунту.
Когда количество испытаний в равных грунтовых условиях несущих элементов 
, определяют на основе статистической обработки по действующему ГОСТу результатов всех «n» испытаний. При этом
, (3.2)
где Fui – частное значение предельного сопротивления сваи, полученное в i-ом испытании.
Когда n<6, принимают 
, 
, где 
– наименьшее предельное сопротивление несущего элемента (сваи) по результатам всех испытаний.
Расчетное сопротивление сваи по грунту
, (3.3)
где 
- коэффициент условий работы, учитывающий неравномерность загрузки свай в фундаменте; 
коэффициент надёжности, зависящий от метода.
Испытания свай нужно проводить после определения Fd.
Рис.26. График увеличения несущей способности во времени
t0 – время отдыха сваи (зависит от вида грунта)
Полевые испытания свай производятся:
в глинах – через 28 дней после забивки
в суглинках – через 14 – 15 дней
в супесях – через 7 – 8 дней
в песках – через 3 – 5 дней
3.4.2. Метод статического зондирования.
Сущность зондирования заключается во вдавливании в грунт с постоянной скоростью, не превышающей 0,5 м/мин, специального зонда, позволяющего раздельно регистрировать силы трения по боковой поверхности зонда и силы сопротивления вдавливанию наконечника, имеющего форму конуса. Диаметр стандартного зонда d = 3,6 см, угол заострения конуса – 60° .
сопротивление трения по боковой поверхности зонда;
периметр зонда;
сопротивление грунта под наконечником зонда;
площадь сечения зонда;
Частное значение предельного сопротивления сваи в точке зондирования
(3.4)
где 
предельное сопротивление грунта под нижним концом сваи по данным зондирования в рассматриваемой точке; 
среднее значение предельного сопротивления грунта по боковой поверхности сваи по данным зондирования в рассматриваемой точке; 
масштабные коэффициенты, установленные опытным путём и принимаемые по табл. СНиП;
Рис.27. Схема испытания статическим зондом
площадь поперечного сечения сваи;
периметр поперечного сечения сваи;
глубина погружения сваи в грунт.
определяются как и в предыдущем методе
3.4.3. Динамический метод
Более простой и дешёвый. Даёт менее точные результаты, что обусловлено разным характером работы грунта, окружающего сваю при динамических нагрузках во время забивки и статических нагрузках от сооружения.
При выводе расчётных формул для этого метода принимают различные допущения, которые не всегда приводят к надёжным результатам. Динамический метод не применим для оценки несущей способности свай с уширенной подошвой.
Рис.28. Схема испытания сваи динамическими нагрузками
Силу предельного сопротивления погружению сваи 
определяют из расчётной энергии удара молота
,
где 
вес ударной части молота; 
высота падения молота; 
полезная работа, расходуемая на преодоление сопротивления погружению сваи на значение отказа 
; 
отказ сваи – величина погружения сваи в грунт от одного удара молота;
работа, которая тратится на преодоление вредных сопротивлений (остаточные деформации, нагревание и др.); 
коэффициент, показывающий, какая часть общей работы затрачивается на преодоление вредных сопротивлений; 
работа упругих деформаций материала сваи грунта.
Раскрывая значение 
и пренебрегая 
Н.М.Герсеванов получил формулу
которая в преобразованном виде помещена в СНиП 2.02.03-85
(3.5)
где 
коэффициент, зависящий от способа погружения сваи;
коэффициент, характеризующий материал сваи;
площадь поперечного сечения сваи «брутто»;
расчётная энергия удара молота;
масса молота;
масса сваи с наголовником;
масса подбабка;
коэффициент восстановления удара;
(для ж/б и стальных свай с наголовником с деревянными прокладками).
Формула (3.5) применима при 
мм. При меньшем отказе нельзя пренебрегать слагаемым 
. В этом случае определяется по другой формуле СНиПа 2.02.03-85.
Определив из выражения (3.5) величину , получим формулу, применяемую на практике для контроля несущей способности сваи по отказу.
Расчётно-контрольный отказ
принимая 
наибольшее продольное усилие в свае.
Несущая способность сваи считается обеспеченной, если фактический отказ будет равен или меньше контрольно 
.
Различают истинный и ложный отказы. Истинный отказ – отказ после отдыха сваи, ложный – в момент добивки.
Рис.29. Изменение отказов в Рис.30. График зависимости
зависимости от времени отказа от глубины погружения
сваи
Минимальную глубину погружения сваи определяют графически по значению контрольного отказа.
3.4.4. Теоретический метод.
а) несущая способность висячих свай. Несущую способность определяют как сумму сил сопротивления грунта вдоль боковой поверхности ствола и сопротивления грунта под подошвой сваи. При этом обе составляющие несущей способности условно определяют независимо друг от друга.
Рис.31. Определение несущей способности
сваи по грунту теоретическим методом
(висячая свая)
где 
коэффициент условий работы;
и 
коэффициенты условий работы под нижним концом сваи и по боковой поверхности, зависящие от вида грунта и способа погружения сваи; 
расчётное сопротивление грунта сжатию под подошвой несущего элемента; площадь опирания несущего элемента на грунт; периметр поперечного сечения ствола несущего элемента; 
расчётное сопротивление грунта по боковой поверхности несущего элемента; 
толщина участка грунта (элементарного слоя) вдоль боковой поверхности несущего элемента; 
м.
б) Несущая способность свай-стоек.
Рис.32. Определение несущей способности
по грунту теоретическим методом (свая-стойка)
3.5. Определение несущей способности свай по сопротивлению материала ствола.
Для оценки несущей способности свай по материалу необходимо знать в различных сечениях ствола продольные силы и изгибающие моменты.
Аналитические прочность железобетонных свай по материалу ствола оценивают, исходя из двух видов расчётных условий. Можно сопоставлять действующее в сечении продольное усилие 
с максимальным 
воспринимаемым сечением при данном 
или сравнить действующий в сечении момент 
с наибольшим 
воспринимаемым сечением при данном значении .
; 
;
Коэффициентом 
учитывают увеличение начального эксцентриситета 
а следовательно, и увеличение момента в сечении за счёт дополнительного прогиба от силы .
Значение условной критической силы 
для обычного железобетона 
Проверять типовые сваи и оболочки из обычного и предварительно напряжённого железобетона на прочность и трещиностойкость можно с использованием расчётных графиков, имеющихся в типовых проектах.
Рис.33. График для проверки прочности
железобетонных свай
Если точка с координатами и 
находится в области очерченной кривыми, то прочность материала ствола сваи обеспечена.
3.6. Расчёт свай на поперечные нагрузки с учётом деформативности материала ее ствола и грунта.
3.6.1. Предпосылки, уравнение изгиба ствола сваи и его решение.
перемещение, угол поворота, момент и горизонтальная сила на уровне поверхности грунта.
Рис.35. Схема для расчёта сваи на горизонтальную силу и момент.
Расчёт свай на поперечные нагрузки производится из условия линейно-деформируемой среды, свойства которой определяются коэффициентом постели 
возрастающим с глубиной.
где 
коэффициент пропорциональности грунта, который устанавливают натурными испытаниями свай на горизонтальную нагрузку и принимают по табл. СНиП 2.02.03-85; 
коэффициент условий работы, 
Если свая в верхней части проходит несколько слоёв грунта, то используют приведённое значение 
.
Для трёхслойного основания
где 
мощность первого, второго и третьего слоёв грунта (сверху вниз) в пределах 
.
Величина 
в пределах которой учитывают разнородность грунтов
;
Для двухслойного основания 
Дифференциальное уравнение изогнутой оси сваи 
Интенсивность бокового давления грунта
где 
расчётный диаметр сваи в поперечном направлении;
для свай с 
м.; 
для свай с 
м.; 
где 
коэффициент формы: 
;
коэффициент, учитывающий взаимное влияние несущих элементов, расположенных в одном ряду, параллельном плоскости действия нагрузки.
/: 
Заменим переменную 
где 
– решение этого уравнения, используя метод начальных параметров, получил И.В.Урбан с помощью ряда Тейлора.
3.6.2. Определение перемещений, моментов, поперечных сил и давлений на грунт в сечениях сваи.
Реактивное давление на грунт по боковой поверхности сваи
функции влияния определяются сходящимися рядами.
Функции влияния 
получают путём последовательного дифференцирования выражения для 
и т.д.
Начальные параметры 
и 
обычно бывают известными. Значения 
и 
определяют, исходя из условий на нижнем конце несущего элемента.
3.6.3. Определение перемещений головы сваи от единичных усилий и момента при отсутствии свободной длины сваи.
Для дальнейшего расчёта удобно знать перемещения несущего элемента 
на уровне поверхности грунта от 
Условия на нижнем конце сваи:
Случай 1. Висячая свая. Он соответствует свободному нижнему концу сваи в нескальном грунте. Реактивным моментом и горизонтальной силой, действующими по нижнему торцу сваи, пренебрегают. Граничные условия на конце сваи 
из уравнений (3) и (4) получим систему уравнений
Решив эту систему, найдём
где 
Аналогично определяем перемещение 
от 
при 
определяют по табл. 
Случай 2. Свая-стойка. Соответствует шарнирному опиранию сваи на скалу без заделки в нее. 
Систему составляем из уравнений (1) и (3) и решаем ее.
где 
Начальные перемещения
и 
определяют на любой глубине 
из уравнений (3) и (4), а 
с помощью уравнения (1).
Рис.34. Эпюры 
в висячей свае от единичной силы для 
3.6.4. Определение перемещений головы сваи от единичных усилий и момента при наличии свободной длины сваи.
Рис.35. Перемещения от единичных силы и
момента, приложенных на уровне его
верхнего конца.
3.6.5. Вычисление характеристик поперечной жёсткости сваи.
Принимаем 
реактивная поперечная сила, возникающая в голове сваи при ее единичном горизонтальном смещении без поворота
реактивный изгибающий момент, возникающий в голове сваи при ее единичном горизонтальном смещении без поворота.
Принимаем 
реактивный изгибающий момент, возникающий в голове сваи при ее единичном повороте без горизонтального смещения.
3.7. Расчёт фундаментов с вертикальными сваями в общем случае действия нагрузок при шарнирном соединении свай с ростверком.
Расчёт заключается в определении продольных, поперечных усилий и моментов в сваях, а также перемещений ростверка.
3.7.1. Предпосылки, определение длины сжатия сваи.
1) грунт является упругим телом, свойства которого характеризуются коэффициентом постели;
2) Ростверк считается абсолютно жёстким телом по сравнению со сваями;
3) головы несущих элементов – жёстко или шарнирно заделаны в ростверк;
(для периодического профиля)
(для гладко катанной)
4) расчёт ведётся с использованием плоских схем, представляющих собой проекции всех свай фундамента на вертикальные плоскости симметрии;
5) несущие элементы являются упругими стойками, деформации которых малы по сравнению с их размерами;
6) каждая стойка на нижнем конце имеет закрепление, расположенное на расстоянии 
от подошвы ростверка, препятствующее продольным смещениям конца стойки.
Под длиной сжатия подразумевают такую длину заменяющей сваю стойки, центрально-сжатой постоянным по длине усилиям, деформация укорочения которой равна осадке головы сваи, вызванной деформациями ее ствола и грунта, расположенного вокруг сваи и под ее подошвой.
В расчётах принимаем 
определяем из условия 
Для свай без уширения с 
м.
при 
м. (из опытных данных) для сжатого стержня
для фундаментов с низким ростверком
для фундаментов с высоким ростверком
3.7.2. Составление и решение системы канонических уравнений.
Введем обозначения перемещений и усилий:
вертикальное перемещение ростверка;
горизонтальное перемещение ростверка;
угол поворота ростверка в плоскости;
продольное усилие
поперечная сила
изгибающий момент
Рис.36. Схема к расчёту фундамента
с вертикальными сваями
Определим реакции во введённых связях, а также возникающие в них усилия и моменты от единичных перемещений ростверка (метод перемещений).
1) Задаёмся S=1
характеристика продольной жёсткости
количество свай
сумма статических моментов площадей свай относительно начала координат.
Если начало координат поместить в центре тяжести плана сваи, то 
2) Задаёмся 
; 
; 
;
при шарнирном соединении сваи с ростверком 
.
и характеристики поперечной жёсткости.
;
3) 
Задаёмся 
;
при инженерном соединении сваи с ростверком 
.
при шарнирном соединении
при жёсткой заделке.
Подставляем значения 
в канонические уравнения
а) при шарнирном соединении
Усилия в голове i-ой сваи
б) при жёсткой заделке
3.8. Совместная работа группы свай в грунте.
3.8.1. Работа одиночной сваи и группы свай.
Этот расчёт производится только для висячих свай
Рис.37. Распределение нормальных напряжений в грунте: а) вокруг одиночной сваи; б) суммирование напряжений в грунте от группы свай; 
напряжение от одиночной сваи; 
напряжение от группы свай.
Отличие работы одиночной сваи и группы свай состоит в различие величины осадки при равном давлении P на одиночную сваю и каждую из свай группы.
При 
( 
шаг, при котором сказывается взаимное влияние) сваи будут работать каждая отдельно. 
( 
от грунтовых условий, от способа устройства свай). 
.
Взаимное влияние работы свай учитывают при определении осадок фундаментов и напряжений на уровне подошв свай.
3.8.2. Расчёт осадки фундамента.
При расчёте осадок свайный фундамент принимают условно как массивный с подошвой, расположенной на уровне концов свай.
Рис.38. Схема к расчёту осадки методом
послойного суммирования
где 
средний угол внутреннего трения грунтов, расположенных в пределах глубины h.
где 
напряжение от собственного веса грунта на уровне нижних концов свай; 
для фундаментов с низким ростверком.
3.8.3. Проверка напряжений на уровне нижних концов свай.
Рис.39. Схема к определению
напряжений под подошвой
условного фундамента
или 
где 
коэффициент надёжности
коэффициент надёжности по нагрузке
3.9. Проектирование свайных фундаментов
3.9.1. Расчёт ленточных свайных центрально-нагруженных фундаментов.
Условия: 1) 
; 2) 
Ленточные фундаменты рассчитываются на погонную нагрузку.
Рис.43. Схема ленточного свайного фундамента.
Количество свай на 1 погонный метр
но обычно количество свай в фундаменте определяют через шаг свай
если условие не выполняется, то применяют двух или многорядное размещение свай.
а) шахматное размещение свай (неравномерное)
б) равномерное размещение свай
3.9.2. Расчёт свайных фундаментов под колонны зданий.
1) центрально-нагруженные фундаменты
Число свай в фундаменте и схему их размещения устанавливают расчётами по I группе предельных состояний.
Рис.40. Схема прямоугольного центрально-
нагруженного свайного фундамента
; 
;
Количество свай в фундаменте 
, т.к. вес фундамента определить на данном этапе невозможно, его учитывают условно
; 
; 
кН/м3;
, где 
глубина заложения ростверка;
коэффициент надёжностной.
3.10. Условия прочности , устойчивости и деформативности, которым должен удовлетворять запроектированный фундамент.
3.10.1. Условие прочности.
см. 3.5. Определение несущей способности свай по сопротивлению материала ствола.
3.10.2. Условие устойчивости.
Оценка устойчивости грунта у боковой поверхности сваи сводится к выполнению условия
(3. )
где 
давление на грунт боковой поверхностью сваи на глубине 
от подошвы ростверка для низких ростверков и от поверхности грунта – для высоких; 
коэффициент, равный единице, кроме случая расчёта фундаментов распорных сооружений, для которых 
; 
коэффициент, учитывающий долю постоянной нагрузки в суммарной нагрузке; 
интенсивность разности пассивного и активного давления грунта.
(3. )
3.10.3. Условие деформативности.
Как правило, в задании на проектирование здания или сооружения ограничивают горизонтальное смещение «u» головы сваи и угол « 
» ее поворота
; 
где 
и 
допускаемые значения соответственно горизонтального перемещения головы сваи и угла ее поворота.
Также проводят сопоставление найденной осадки фундамента «S» и разности осадок соседних фундаментов с их предельно допустимыми значениями.
; 