§ 50. Основы проектирования фундаментов из свай,оболочек и столбов

Из рассмотренных видов свай и оболочек в фундаментах мостов наиболее часто применяют забивные железобетонные сваи и оболочки, а также буровые сваи различных типов с высоким или низким ростверком.

Подошва низкого ростверка в непучинистых грунтах (крупнообломочных грунтах, крупных песках) может быть расположена на любом уровне при условии, что толща этих грунтов простирается ниже глубины промерзания. Если это условие не выполняется, а также в случае расположения ростверка в пучинистых грунтах (средней крупности, мелких и пылеватых песках, супесях, суглинках и глинах) его подошва должна быть не менее чем на 0,25 м ниже уровня промерзания. Это требование имеет целью исключить возможность деформирования ростверка при промерзании грунта.

Подошву высокого ростверка надлежит располагать не менее чем на t+0,25 м ниже уровня низкого ледостава (t — толщина льда, м), чтобы не допустить передачи горизонтальной нагрузки от льда непосредственно на сваи или оболочки фундамента. Если ростверк в начальный период эксплуатации является низким, а затем может в результате размыва грунта стать высоким, то при выборе отметки его подошвы необходимо учитывать требования, предъявляемые как к низким, так и к высоким ростверкам.

Усилия, возникающие в сваях и оболочках, а также перемещения ростверка и расположенного на нем сооружения зависят не только от размеров и числа свай, но и существенно от их взаимного расположения. При одном и том же числе свай, но размещении их по разным схемам усилия в сваях и перемещения ростверков могут различаться в несколько раз. В связи с этим очень важно правильно выбрать схему расположения свай. Одна и та же схема может быть рациональной в одном случае и нерациональной в другом.

При расчете обычно используют плоские расчетные схемы свайных фундаментов, получаемые проецированием последних на вертикальную плоскость, параллельную плоскости действия нагрузки. Плоские расчетные схемы удобны и для анализа характера работы свайного фундамента.

В зависимости от конкретных условий наиболее рациональной может оказаться та или иная схема расположения свай. Если же несущая способность свайного фундамента ограничивается прочностью материала сваи, то наиболее рациональной является козловая схема, при которой в свае возникают наименьшие изгибающие моменты.

В большинстве практических случаев свайные фундаменты могут быть запроектированы со сваями различных видов, с разной площадью поперечного сечения и с разной длиной. В таких случаях принято составлять несколько вариантов фундаментов, а затем для выбора лучшего из них производить их технико-экономическое сравнение. Число составляемых вариантов не должно быть чрезмерно большим, поэтому из рассмотрения заранее исключают те, для осуществления которых строительная организация не располагает необходимым оборудованием. Учитывают также наличие у строительной организации опыта устройства фундаментов намечаемых типов.

При проектировании свайных фундаментов с высоким ростверком для обеспечения устойчивости свай (против продольного изгиба) и малых горизонтальных перемещений ростверка целесообразно применять сваи с большой площадью поперечного сечения. Особенно важно это, когда используют только вертикальные сваи и оболочки.

Длину свай следует назначать с учетом целого ряда обстоятельств. Если под верхними слоями слабого грунта на легко достижимой глубине расположен грунт с высокой несущей способностью, то, как правило, целесообразно опирать сваи на него и в соответствии с этим назначать длину свай. Если в основании залегают грунты с более или менее одинаковой несущей способностью, то увеличение длины свай в одних случаях может оказаться целесообразным, а в других нет. Этот вопрос надлежит решать сравнением вариантов опор, различающихся длиной свай.

Часто (особенно при проектировании фундаментов опор мостов) встречаются случаи, когда необходимое по расчету число свай оказывается столь большим, что для размещения их приходится увеличивать размеры ростверка в плане (по сравнению с наименьшими, определяемыми размерами нижнего сечения опоры). Так как ростверк обычно проектируют жестким, то увеличение его размеров в плане приводит к увеличению его толщины и массы, а как следствие этого — к дополнительному увеличению числа свай. В таких случаях следует по возможности добиваться уменьшения числа свай в фундаменте путем повышения их несущей способности. Этого можно достигнуть увеличением длины свай, площади их поперечного сечения или применением свай с уширением.

Проектирование свайных фундаментов (составление каждого варианта) выполняют обычно в следующем порядке. Назначают отметки обреза и подошвы ростверка и ориентировочные размеры его в плане. С учетом веса ростверка уточняют нагрузки различных сочетаний, действующие на свайный фундамент. Намечают вид свай (или оболочек), размеры их поперечного сечения и длину, при этом учитывают геологические условия на месте строительства и возможности обеспечения строительной организации оборудованием, необходимым для устройства свай. По нормам определяют расчетное сопротивление сваи по грунту при действии продольной нагрузки. Ориентировочно намечают число свай и выбирают схему их расположения. При этом учитывают характер действующих нагрузок и необходимость обеспечения малых горизонтальных перемещений ростверка во всех направлениях. Затем производят расчет свайного фундамента на сочетание нагрузок, которое предполагается наиболее опасным. По результатам этого расчета определяют расчетные усилия, действующие со стороны ростверка на каждую сваю, и перемещения ростверка. По найденным значениям усилий производят расчет прочности свай, а для железобетонных свай — также и их трещиностойкости (по обычным методам расчета железобетонных, металлических и деревянных конструкций).

При проектировании свайных фундаментов с низким ростверком горизонтальные перемещения не проверяют. Вместо этой проверки определяют горизонтальную нагрузку, приходящуюся на одну сваю; такая нагрузка не должна превышать некоторой величины, устанавливаемой нормами. Считают, что если это условие выполнено, то горизонтальные перемещения ростверка невелики (не превышают 1 см).

Вертикальные перемещения (осадки) свайных фундаментов как с низким, так и с высоким ростверком, найденные расчетом, должны удовлетворять требованиям проекта.

В подавляющем большинстве случаев ростверки проектируют с малыми размерами уступов в плане, поэтому расчет их на прочность производить не требуется. В отдельных случаях размеры уступов в плане бывают велики по сравнению с толщиной ростверка; в таких случаях надо производить расчет их прочности. При проверке прочности сечений ростверка слой бетона, уложенного подводным способом, не учитывают.

Если в результате расчета выявится, что сваи при каком-либо возможном сочетании нагрузок не обладают достаточной прочностью либо несущей способностью по грунту, или выявится, что перемещения фундамента недопустимо велики, или будет установлена недостаточная прочность ростверка, то необходимо изменить конструкцию фундамента (например, увеличить число или длину свай) и заново произвести его расчет. Необходимость в изменении конструкции фундамента и повторном его расчете возникает и тогда, когда в результате сделанного расчета выявляют излишние запасы прочности конструкции. Так, при излишних запасах прочности материала свай и одновременно несущей способности их по грунту необходимо уменьшить число свай или их размеры.