свайный фундамент, возводимый на пучинистом грунтовом основании

Формула изобретения

Свайный фундамент с ростверком, возводимый на пучинистом грунтовом основании, включающий сваи, погруженные в сезоннопромерзающие пучинистые грунты, ростверк, объединяющий оголовки свай, отличающийся тем, что ростверк непосредственно опирается на пучинистое грунтовое основание, а оголовки свай имеют выпуски арматуры по меньшей мере на 150 мм и соединены сваркой с анкерными стержнями, которые расположены в теле ростверка, при этом суммарная площадь растянутой арматуры одной сваи определяют по формуле

где A_Stot - суммарная площадь растянутой арматуры в одной сваи, м²;

R_tb - расчетное сопротивление бетона сваи на осевое растяжение, кН/м² ;

A_Sb - площадь сечения сваи, м²;

R_S - расчетное сопротивление арматуры сваи, кН/м²;

F_f(max) - максимальное значение растягивающей сваи силы при начале перемещения свайного фундамента с ростверком от нормальных сил морозного пучения, кН, определяемое по формуле при условии, что предельно допустимая относительная разность пучения должна быть больше или равна фактической относительной разности пучения

- предельно допустимая относительная разность пучения для здания, сооружения;

- фактическая относительная разность пучения для зданий, сооружений;

L_u - расстояние между смежными свайными фундаментами, м;

S - допустимая величина пучения свайного фундамента, м;

при этом максимальное значение растягивающей силы сваи определяют по формуле:

F_f(max)=u· _cf·K_f·f_i·h _i;

где u - наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

_cf - коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи, учитывающий влияние способа погружения сваи:

K_f - коэффициент, учитывающий увеличение анкерующей способности свай при промерзании грунтов;

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кН/м;

h_i - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи принимаемая с учетом глубины промерзания грунтов, м;

а фактическую величину выпучивания свайного фундамента, м, определяют по формуле

где _fpi - степень пучинистости i-го слоя грунта под ростверком при давлении на него P_zi дол.ед.;

d_fi - толщина мерзлого i-го слоя грунта под фундаментом, м;

P_zi - давление от ростверка на i-й слой по глубине промерзания, кН/м².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, в частности к строительству свайных фундаментов в суровых природно-климатических условиях.

Известны устройства малозаглубленных фундаментов (ростверков) на пучинистых грунтах в зарубежных странах, приведенные в работе [1]. Там в пределах обратных засыпок применяются дренируемые непучинистые грунты, а основания фундаментов для исключения промерзания пучинистых грунтов утепляются экструдированным пенополистиролом. Такое решение требует применения большого количества непучинистых материалов для обратных засыпок и высококачественного экструдированного утеплителя, выдерживающего давление 300-700 кН/м² с более высокой ценой по сравнению с другими утеплителями. Из-за дороговизны такие фундаменты не получили большого распространения в России.

Наиболее близкими по своей сущности (без утепления) и достигаемому техническому результату являются свайные фундаменты, размещаемые на пучинистых грунтах по проекту «Сибэнергосетьпроект» для подстанции ПС 110/10 кв по ул. Энтузиастов в г. Омске, выполненные в соответствии с действующими строительными нормами [2] (листы АС-31 и АС-32 прилагаются). На листе АС-32 показан узел устройства воздушного зазора между подошвой ростверка и пучинистым грунтом высотой 200 мм для исключения влияния морозного пучения на ростверк. По боковым поверхностям ростверков воздушный зазор защищается от наплыва грунта асбестоцементными листами, оголовок сваи разбивается на 300 мм и оголенная арматура свай заводится в тело ростверка по конструктивным соображениям. Боковые поверхности ростверков обмазываются горячим битумом за два раза, а боковые поверхности свай в пределах глубины сезонного промерзания покрываются кремнеорганической эмалью КО-198 ТУ 6-02-841-74 по грунтовке разбавленной эмалью (см. лист АС-31).

Основным недостатком указанного свайного фундамента является большая трудоемкость работ и затрат материалов для устройства воздушного пространства между подошвой ростверка и поверхностью пучинистого грунта и обмазка боковой поверхности ростверков и свай высокомолекулярными соединениями из полимерных материалов. Кроме того, исключается из работы грунт под подошвой ростверка и в пределах обмазки поверхности свай, воспринимающего в зависимости от его сжимаемости до 15-25% нагрузки от всего фундамента, тем самым требующего дополнительного увеличения длины свай.

Технический результат изобретения состоит в уменьшении материалоемкости и трудоемкости устройства противопучинных мероприятий и повышении надежности свайных фундаментов с ростверками на пучинистых грунтах в период эксплуатации зданий и сооружений.

Указанный технический результат достигается за счет того, что согласно изобретению ростверк свайного фундамента размещается непосредственно на поверхности пучинистого грунта, оголовка сваи разбивается по меньшей мере на 150 мм и арматуры сваи заводятся в ростверк и анкеруются аналогичными стержнями длиной согласно требований [3] в зависимости от площади сечения арматуры сваи, определяемой по формуле:

при условии

где

A_s,tot - суммарная площадь растянутой арматуры в одной свае, м²;

F_f(max) - максимальное значение растягивающих свай сил в начале

перемещения свайного фундамента с ростверком от нормальных сил морозного пучения, кН, определяемое по формуле:

где

u - наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

_cf - коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности

сваи, учитывающий влияние способа погружения сваи, определяемой по табл.3 [2];

K_f - коэффициент, учитывающий увеличение анкерующей способности свай при промерзании грунтов, определяемый согласно [4];

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл.2 [2];

h_i - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, определяемая по данным инженерно-геологических исследований грунтов для конкретной строительной площадки, м, при этом в пределах сезонного промерзания толщина h_i-слоя определяется за вычетом глубины промерзания грунтов (d_fi);

R_tb, - расчетное сопротивление бетона сваи на осевое растяжение, определяемое по данным [3];

А_sd- площадь сечения сваи, м;

R_s - расчетное сопротивление арматуры свай, кН/м²;

h_f - величина выпучивания свайного фундамента без учета веса здания на

период строительства, м;

L_u - расстояние между смежными свайными фундаментами, м;

S - допустимая величина выпучивания свайного фундамента, м, принимаемая согласно [5].

Величина выпучивания свайного фундамента определяется по формуле:

где

_fpi - степень пучинистости i-го слоя грунта под ростверком при давлени

P_zi, в дол.ед., определяемая по графикам [6] на Фиг.1,

_fi - степень пучинистости грунта от собственного веса грунта определяется по методике [7];

d_fi - толщина i-го слоя грунта под фундаментом, м;

P_zi - давление на i-слой грунта по глубине промерзания определяется известным способом [8] при расчетном сопротивлении на растяжение при изгибе ТСГ (R_fbf), принимаемое по экспериментальным данным, а при их отсутствии с некоторым запасом надежности по формуле:

где

R_tb - нормативное сопротивление тяжелого бетона класса В 7,5 на осевое растяжение, определяемое согласно [3];

K_t - коэффициент, учитывающий климатические условия района строительства, определяемый по формуле:

где

F - индекс промерзания для района строительства, равный произведению абсолютных значений отрицательной температуры воздуха на время в сутках, определяемое по данным [9].

Изобретение поясняется графически, где:

- на Фиг.2 - показан схематически свайный фундамент с ростверком, возводимый на пучинистом грунтовом основании;

- на Фиг.3 - расчетная схема свайного фундамента с ростверком на пучинистом грунтовом основании.

На Фиг.2 показаны: 1 - ростверк; 2 - свая; 3 - пучинистый грунт; 4 - песчаная подготовка; 5 - анкерные стержни, которые соединены сваркой с выпусками арматуры из свай 6; 7 - конструктивные арматурные сетки ростверка; 8 - конструктивное поперечное армирование ростверка; 9 - обратная засыпка из местного пучинистого грунта.

На Фиг.3 показаны: 1 - ростверк; 2 - свая; 3 - ТСГ; 4 - граница промерзания; 5 - граница ТСГ при F_y =F_fp; 6 - нормальные силы морозного пучения; 7 - граница изменения площади ТСГ под ростверком; hт - толщина ТСГ; d_f -глубина сезонного промерзания; h_T(n) - предельная толщина ТСГ, после которой начинается перемещение ростверка.

Предлагаемый свайный фундамент с ростверком, возводимый на пучинистом грунтовом основании, работает следующим образом.

По мере промерзания грунта под ростверком толщина ТСГ 3 увеличивается, соответственно увеличивается ее площадь 7 и сила, выталкивающая ростверк со сваями. Этому препятствует собственный вес ростверка 1 со сваями 2, вес промерзаемого грунта и трение свай по грунту. При достижении определенной толщины ТСГ и ее площади 5 под ростверком удерживающие и выталкивающие силы выравниваются (F_y =F_fp) и начинается перемещение свайного фундамента, при этом растягивающие сваи силы достигают своей максимальной величины. По значениям этих сил определяется необходимая площадь арматуры 6 свай по формуле (1) и длина их анкеровки 5 в ростверк.

Пример расчета:

В качестве примера взяты свайные фундаменты, запроектированные для «Культурно-досугового центра с подземными гаражами по ул.К.Либкнехта-Гагарина в г. Омске». Инженерно-геологические условия и прочностные характеристики бетона, условия промерзания приведены в работе [10].

Общая удерживающая сила ростверка от перемещения нормальными силами морозного пучения на период строительства (без учета нагрузки от здания) в начале промерзания равна:

F_у =N_ф+4N_c+n·u· _cf·K_f·f_i=30+4·17,5+4·197=888кН

где

_cf=1 - для забивных свай;

К_f=1 - для текучепластичных грунтов.

n=4, u=4·0,3=1,2 м, сваи С-8-30-3

Уравнение кривой зависимости степени пучения от давления для пучинистых грунтов под ростверком, полученное с использованием рекомендаций [7] при _fi=0,078 и Фиг.1, выражается формулой:

Определяем величину выпучивания свайного фундамента по формуле (4): при значениях P_zi для каждого слоя ТСГ через 0,25 м и пластично-мерзлого слоя. При общей глубине промерзания 1,54 м толщина ТСГ для суглинка составила 1 м; R_ftb =714 кПа; М_(max)=3,11 кН.м; ширина квадратного ростверка b=1,4 м; объемный вес грунта =19,3 кН/м³; площадь ростверка 4=1,96 м² площадь сваи А_с=0,3²=0,09 м²; _fi-0,078, R_tb=816 кПа для бетона класса В20.

Максимально возможное давление под ростверком в начале промерзания:

Максимальное значение нормальных сил морозного пучения при _fi=0,078 по Фиг.1 Р_f(max)=234 кПа.

Определяем условную ширину ТСГ при h_T=0,25 по формулам [8]:

угол разрушения ТСГ tg =0,165/0,25=0,66; =33°

b₁=1,4+2·0,165=1,73 м; A_s1=1,73 ²-4·0,09=2,63 м²;

где

- силы трения свай к выпучиванию;

2,63·0,25·19,3=13 кН собственный вес грунта, кН

при P_zi=333>P _f(max)=234 кПа ростверк неподвижен.

2) h _Т=0,5м =33°

b₂=1,73+2·0,165-2,06м; A_s2=2,06 ²-0,36=3,884м²

3) h_Т=0,75м =34°

b₃=2,06+2·0,1682,4 м² A_s3=2,4²-0,36=5,4м²

4) h_Т=1,0 м

b₄=2,4+2·0,1972,8 м; A_s4=2,8²-0,36=7,48 м²;

5) при d_f=1,54 м;

Определяем величину выпучивания грунта под ростверком по формуле (7)

1) при h_T=0,25 м; P_z(cp) =(555+333)/2=444>P_f(max)=234 кПа - пучение отсутствует;

2) h_T=0,5 м; Pzcp=(333+226)/2=280 кПа

P_z2(cp)=280>P_f(max)=234 кПа - пучение отсутствует.

3) hT-0,75 м; Р_z3(ср) =(226+165)/2=196 кПа <234

Определяем по интерполяции толщину ТСГ, при которой начинается перемещение ростверка:

т.е. при глубине промерзания d_f=1,0 м начинается морозное выпучивание ростверка.

Определяем величину пучения слоя при P_z3(cp)=196 кПа по формуле (7)

h _f3= _fp3(ср)·d_f3=0,005·250=1,3мм.

4) h_T=1,0 м;P_z4(ср)=(165+125)/2=145 кПа ;

h_f4= _fp4(ср)·d_f4=0,0136·250=3,4 мм.

5) d_f=1,54 м;P_z5(ср)=(125+128)/2=126,5 кПа ;

h_f5= _fp5(ср)·d_f5=0,0175·540=9,4 мм.

h_f=h_f3+h_f4+h_f5 =1,3+3,4+9,4=14 мм

Фактическая величина выпучивания фундаментов составила 6-9 мм

L_u=600 см; h_f=1,4 см;

по приложению 4 [8] для многоэтажных зданий со стальным каркасом.

Определяем максимальное значение растягивающей одной сваи силы в начале перемещения ростверка:

По формуле (1) определяем площадь арматуры для одной сваи:

Площадь сечения одной арматуры As=2,9/4=0,72 см² ;

принимаем 4 Ф 10 А-Ш, A_sltot=3,14 см² >2,9 см².

Таким образом, свая со стандартным армированием по ГОСТ 19804.1-79 марки С 8-30-3 обеспечивает совместную работу ростверка со сваями на пучинистом грунтовом основании.

Литература

1. А.Л.Невзоров. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2000,151 с.

2. Свайные фундаменты. СНиП 2.02.03-85. - М.: Стройиздат, 1986.-44с.

3. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84) - М.: Стройиздат, 1989, 192с.

4. Методические указания по проектированию свайных фундаментов в пучинистых грунтах. СибЦНИИС Минстрой СССР, Новосибирск, 1972 -17с.

5. Основания зданий и сооружений. СНиП.2.02.01-83*. М.: Стройиздат, 1995.-49с.

6. Р.Ш.Абжалимов. Лабораторные исследования морозного пучения. Основания, фундаменты и механика грунтов. 1982, №5,-с.20-22.

7. Рекомендации по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах. М.: НИИОСП. 1985.-60с.

8. Р.Ш.Абжалимов. К расчетной схеме взаимодействия пучинистого грунта с боковой поверхностью мелкозаглубленного ленточного фундамента при свободном его перемещении.- Промышленное и гражданское стр-во. - 2003,-№3.-с.43-45.

9. Строительная климатология и геофизика. СНиП 2.01.01-82. - М.: Стройиздат, 1983.-c.136.

10. Р.Ш.Абжалимов, А.Г.Голубев. «Опыт строительства свайных фундаментов с ростверками на пучинистых грунтовых основаниях в г.Омске». В кн. Вопросы фундаментостроения и геотехники. Омск: Изд-во СибАДИ, 2002.С. 11-17.