Текст
В.С.КИРИЛЛОВ
ОСНОВАНИЯ
И ФУНДАМЕНТЫ
В. С. КИРИЛЛОВ
ОСНОВАНИЯ
И ФУНДАМЕНТЫ
Издание второе,
переработанное и дополненное
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР в качестве
учебника для студентов автомобильно-
дорожных специальностей высших учебных
заведений
МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1980
УДК 824.16(076.8)
Кириллов В. С. Основания и фундаменты. Учебник для автомо-
бнльно-дорожных вузов.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Транспорт,
1980—392 с.
В книге рассмотрены конструкции, методы расчета и способы
возведения фундаментов мелкого заложения, свайных, а также из
опускных колодцев и кессонных, применяемых в мостостроении. Из-
ложены особенности сооружения фундаментов на вечномерзлых
грунтах и в особых условиях. Приведены строительные свойства
грунтов оснований, методы оценки их несущей способности, общие
принципы укрепления слабых грунтов.
Первое издание опубликовано в 1966 г. Изменения и дополне-
ния внесены в соответствии с новыми программой курса и СНиПом.
Учебник предназначен для студентов автомобильно-дорожных
вузов и факультетов.
Ил. 228, табл. 73.
Автор выражает глубокую благодарность канд. техн, наук доц.
Р. С. Шеляпину за полезные замечания и пожелания, данные им при
рецензировании рукописи.
31801-044
К -------------44-80.
049(01)-80
3601020000
(g) Издательство «Транспорт», 1960.
Глава I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ
ФУНДАМЕНТОВ И ОСНОВАНИИ
Инженерное сооружение состоит из надземной части и фундамен-
та, расположенного ниже уровня воды в реке или поверхности зем-
ли. Основное назначение фундамента — передать грунту давление
от собственного веса сооружения и действующих на него нагрузок.
Массив грунта, воспринимающий давление от фундамента, назы-
вается основанием. Основание не имеет четко выраженных границ,
так как давление в грунте распространяется (теоретически) беспре-
дельно. При решении практических задач за границу основания
принимают те слои грунта, в которых напряжения, возникающие
иг давления фундамента, малы и их можно не учитывать.
Фундаменты и их основания — ответственные элементы соору-
жения, от качества и надежности которых в большой степени зави-
сят долговечность и безопасность его эксплуатации. Фундаменты
мостовых опор обычно возводят в сложных гидрогеологических
условиях, вынуждающих применять конструкции и способы устрой-
ства, как правило, во многом отличающиеся от фундаментов про-
мышленных, гражданских и других инженерных сооружений.
В фундаментах принято различать (рис. 1.1): обрез — плоскость
I—I, разделяющую фундамент от надфундаментной части; подош-
иу — плоскость II—II, которой фундамент опирается на грунт; вы-
соту фундамента — расстояние между его обрезом и подошвой;
глубину заложения — расстояние между поверхностью грунта и
подошвой;
Чтобы обеспечить устойчивость сооружения, фундаменты рас-
полагают на прочных грунтах. От глубины залегания прочных грун-
тов зависят условия работы фундамента в грунте, его конструкция
п способ возведения. В современном строительстве применяют раз-
личные конструкции и способы устройства фундаментов, которые
условно разделяют на две основные группы — мелкого и глубокого
заложения.
Фундаменты мелкого заложения. Если фундамент заложен на
глубине до 5—6 м и отношение этой глубины к ширине подошвы
не превышает 1,5—2, то его называют фундаментом мелкого зало-
жения и возводят в заранее открытой выемке, называемой котло-
ваном. Большинство жилых и промышленных зданий, а также мно-
гих других инженерных сооружений имеют фундаменты мелкого
заложения.
Возможность без больших затрат обнажать прочные слои грун-
та и использовать их в качестве основания определяет и конструк-
тивную форму фундамента. В этих условиях под сооружение, име-
з
Рис. 1.1. Схема мостовой опоры:
А — иадфюишмситная часть; Б — фунда-
мент; В — основание; /—/ — обрез фунда-
мента; II—II — подошва фундамента
ющее небольшую протяжен-
ность в плане, например под
опору моста, фундамент воз-
водят в виде сплошного мас-
сива и называют массивным
(рис. 1.2,а). Если длина фун-
дамента значительно больше
ширины, то его называют лен-
точным. Ленточные фундамен-
ты возводят под колонны,
•когда последние расположены
на небольшом расстоянии друг
от друга (рис. 1.2,6), под сте-
ны зданий (рис. 1.2,в), под
подпорные стенки (рис. 1.2, г)
и другие аналогичные соору-
жения большой протяженно-
сти. Если расстояние между
колоннами большое, то колонны располагают на отдельных фун-
даментах небольшого объема, называемых башмаками или по-
душками (рис. 1.2,6).
Для уменьшения давлений на грунты основания иногда прихо-
дится возводить под всем сооружением сплошной фундамент (рис.
1.2, е), состоящий из горизонтальных плит и вертикальных стен.
Сплошные фундаменты устраивают под высотные здания, водона-
порные башни, элеваторы и т. п.
Фундаменты глубокого заложения. Если подошва фундамента
расположена на глубине более 5—6 м и отношение этой глубины
к ширине подошвы более 1,5—2, то фундамент будет глубокого за-
ложения. Такие фундаменты, в свою очередь, подразделяются на
свайные, опускные колодцы и кессонные.
Свайный фундамент (рис. 1.3) состоит из свай и объеди-
няющей их поверху плиты. Подошвой его будет поверхность, по ко-
рне. 1.2. Схемы фундаментов мелко-
го заложения
4
Рис. 1.3. Схемы опор на свайных фундаментах
торой располагаются нижние концы свай. В этом уровне все на-
грузки, действующие на фундамент, передаются нижележащему
грунту, а грунт, расположенный между сваями, служит промежу-
точной средой, способствующей передаче нагрузок на грунт осно-
вания.
Плита свайного фундамента, называемая ростверком, может
быть расположена на разных уровнях по отношению к поверхности
земли. Она-может быть заглублена в грунт (рис. 1.3, а), может
быть расположена и выше поверхности земли (рис. 1.3, б). Па верх-
ней поверхности плиты (на обрезе) свайного фундамента распола-
гается надфундаментная часть сооружения. Есть также конструк-
ции, в которых сваи и объединяющая их плита выполняют функции
и фундамента и надфундаментной части сооружения. Так, в мостах
свайно-эстакадного типа (рис. 1.3, в) опоры состоят из свай и плит-
насадок, на которые опираются пролетные строения.
Техника устройства свайных фундаментов в настоящее время
настолько развилась и усовершенствовалась, что этот тип фунда-
ментов стал одним из основных, особенно в строительстве искусст-
венных сооружений. Достаточно указать, что современное техноло-
гическое оборудование позволяет возводить фундаменты со сваями
длиной более 50—60 м.
Опускные колодцы бывают массивными или тонкостенны-
ми. Массивные колодцы (рис. 1.4) представляют собой бетонную
или железобетонную толстостенную конструкцию, которую погру-
жают под действием собственного веса до прочных слоев грунта.
Грунт из внутренних полостей колодца извлекают и полости частич-
но или полностью заполняют кладкой. В результате получается мас-
сивный фундамент глубокого заложения. К тонкостенным колодцам
5
относятся железобетонные оболочки диаметром свыше 3 м, прину-
дительно погружаемые в грунт.
Глубина погружения колодцев может быть значительной. Из-
вестны случаи, когда колодцы погружали в грунт до 50 м.
Если опусканию колодцев препятствуют твердые труднопрохо-
димые прослойки скальных пород или отдельные включения в виде
валунов, погребенных стволов деревьев, заиленных частей разру-
шенных конструкций и т. д., то возводят кессонный фунда-
мент, состоящий из кессона и надкессонной кладки (рис. 1.5).
Кессон представляет собой перевернутый ящик, на потолке ко-
торого возводят кладку тела фундамента. Для разработки грунта
при погружении кессона в его рабочую камеру подают сжатый воз-
дух, который отжимает воду и осушает камеру, обеспечивая воз-
можность разработки. Работы под сжатым воздухом вредны для
человеческого организма, поэтому при постройке мостов кессонные
фундаменты разрешается применять в исключительных случаях.
Наибольшая глубина опускания кессонов, считая от уровня воды,
составляет около 35 м; при этой глубине избыточное давление в ра-
бочей камере кессона может достигать предельного значения
4 кгс/см2, при котором еще возможно разрабатывать грунт.
Классификация оснований. Основания могут быть естественны-
ми и искусственно укрепленными. В естественных основаниях ис-
пользуются природные свойства грунтов без какого-либо их изме-
нения, а в искусственно укрепленных свойства грунтов улучшают
механическими или химическими методами. Искусственное укрепле-
ние с успехом применяют в промышленном и гражданском строи-
тельстве для улучшения слабых, лсгкосжимаемых грунтов. В мос-
тостроении к таким основаниям прибегают редко.
Рис. 1.4. Опора с фундаментом из
массипного спускного колодца:
/ — опускной колодец; 2 — бетонное запол-
нение
Рис. 1.5. Кессонный фундамент:
I — рабочая камера; 2 — кессон; 3 — над-
кессонная кладка
6
1.2. РАЗВИТИЕ И ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО
ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ
С давних времен известно, что долговечность и незыблемость соору-
жений находятся в прямой зависимости от прочности их основания.
Если первобытные сооружения строили непосредственно на поверх-
ности земли, то по мере развития материальной культуры была
осознана необходимость в устройстве фундаментов, заложенных
ниже поверхности земли на плотных грунтах. Об этом свидетельст-
вуют постройки Индии и Египта, осуществленные за несколько
тысячелетий до нашей эры, в которых применены свайные фунда-
менты и опускные колодцы. При сооружении мостов устройство
фундаментов было затруднено глубокой водой. Этим объясняется,
что долгое время для пересечения рек применяли паромные пере-
правы, наплавные мосты и мосты на плотах. При возведении же
постоянных мостов фундаменты опор строили или на естсствсииом
основании, когда удавалось оградить место работы от воды, или
(на каменных набросках, устраиваемых непосредственно на дне
реки.
В конце XVII в. после изобретения землечерпательной машины
стали удалять верхние илистые грунты и возводить фундаменты из
каменной кладки под защитой водонепроницаемых деревянных
ящиков.
Небольшое заглубление фундаментов в дно реки часто приво-
дило к значительным осадкам и даже к обрушению пролетных
строений (каменных сводов). Фундаменты имели исключительно
большие размеры и создавали на реках полуплотины, затрудняв-
шие судоходство, а стеснение русел рек приводило к подмыву
спор и разрушению мостов. В дальнейшем для укрепления основа-
ний перешли к применению деревянных свай. Сван длиной 6—8 м
погружали в грунт, забивая вручную, а для зашиты от воды место
работы ограждали земляными перемычками или временно отводи-
ли русло реки в сторону.
Во Франции при постройке моста Сомюр через р. Луару (1756—
1779 гг.) впервые на сваи, срезанные под водой, были опущены
содонепроницаемые ящики с брусчатым дном, в которых произво-
дили кладку фуидамситов. На каждой опоре пространство между
сваями ниже дна ящика предварительно заполняли камнем, что
придавало фундаментам общую жесткость. Этот способ возведения
спор в русле рек долгое время пользовался большой популярно-
стью и широко применялся на многих мостах Европы, в том числе
и в России.
В 1841 г. французский инж. Триже применил кессонный способ
проходки водонасыщенных грунтов под сжатым воздухом. Несмот-
ря на примитивную конструкцию аппарата, метод Триже быстро
завоевал общее признание строителей. В 1859 г. инж. Денис на по-
стройке Кильского моста через р. Рейн (Германия) усовершенство-
вал способ Триже, придав ему современный вид. Наибольшее при-
менение кессонные фундаменты нашли в мостостроении. Возмож-
7
ность разработки любых грунтов в осушенном пространстве,
преодоления любых препятствий и заложение фундаментов на
глубине 30—35 м от уровня воды на плотных материковых породах
обеспечили успешную постройку большого числа мостов.
В России кессоны начали применять с 1856 г. Долгое время,
вплоть до 1941 г., этот вид фундаментов был основным при построй-
ке мостов в сложных гидрогеологических условиях.
Русские инженеры внесли большой вклад в развитие кессонных
работ. Деревянные кессоны, улучшенные инж. Е. К. Кнорре
(1890 г.), во многом превосходили аналогичные кессоны, приме-
нявшиеся за рубежом. Железобетонные кессоны, нашедшие впо-
следствии повсеместное применение, впервые были созданы инж.
А. Н. Леитовским в 1899 г. Начиная с 1927 г. в отечественную
практику прочно вошли экономичные дсрсвобстоииые кессоны, в
которых вместо стальной арматуры использовались деревянные
рейки и брусья. При постройке мостов в Москве через р. Москву
по инициативе инж. Е. В. Платонова была освоена гидромеханиза-
ция кессонных работ, обеспечившая высокую производительность
труда. В дальнейшем, при постройке опор мостов через р. Днепр
в Киеве инженеры Г. И. Зингорснко и Н. А. Силин усовершенство-
вали этот метод.
Кроме кессонов (но значительно реже), для возведения фунда-
ментов применялись опускные колодцы.
Применение опускных колодцев стало возможным после того,
как были найдены способы подводной разработки грунтов. При
постройке в США Сент-Луисского арочного моста через Миссисипи
(1887 г.) инж. Идсом была успешно осуществлена разработка
грунта под водой. С этих пор к опускным колодцам часто стали
прибегать американские мостостроители, чему способствовали глав-
ным образом местные гидрогеологические условия: глубокая вода
п большая толща мягких, легко размываемых грунтов. В Америке
была достигнута наибольшая глубина погружения колодцев—•
73 м от уровня воды (мост через бухту в Сан-Франциско).
Опускные колодцы делались массивными, с толстыми стенами,
чтобы их вес был достаточен для преодоления сил трения между
грунтом и боковой поверхностью. Погружение происходило мед-
ленно, по нескольку десятков сантиметров в сутки (15—55 см), и
нередко сопровождалось непредвиденными осложнениями и ава-
риями.
В отечественном мостостроении массивные опускные колодцы
применялись редко.
Использование свай как элементов построек относится к глубо-
кой древности. Из материалов археологических раскопок известно,
что еще в каменном веке на сваях устраивались озерные поселения.
Сваи часто применялись в деревянных мостах, сооружаемых в во-
енных целях. В VII в. до н. э. в Риме был построен деревянный
мост на сваях через р. Тибр. Начиная с середины XVIII в. сваи
часто использовались в конструкциях фундаментов при постройке
каменных мостов в Европе.
8
Примитивная техника того времени, располагавшая простейши-
ми механизмами (блок, полиспаст, рычаг), позволяла забивать де-
ревянные сваи только небольшой длины. Широкие возможности
открылись после изобретения паровой машины и использования
энергии пара в сваебойных снарядах. Впервые паровой молот, изо-
бретенный в 1845 г. английским инж. Несмитом, был применен на
строительстве мостов в Англии. В дальнейшем конструкция паро-
вых молотов усовершенствовалась, их мощность повышалась.
В конце XIX в. в Америке были созданы молоты двойного действия,
в которых энергия пара использовалась наиболее эффективно.
Развитие сваебойного оборудования, естественно, отразилось и
на размерах свай, и на их конструкции. Так, деревянные сваи моста
через р. Луару в Нанте (Франция, 1856 г.) имели длину 30 м, а сваи
моста через р. Колумбия (США) —до 40 м при диаметре 50 см.
Затем деревянные сваи стали заменять более мощными и совершен-
ными железобетонными сваями, предложенными Ф. Геннсбиком
в 1897 г.
В Америке широко применяли раньше и применяют в настоящее
время стальные сван из проката и круглых труб, заполняемых после
погружения бетоном.
Английским инж. Митчелом в 1836 г. были предложены винто-
вые сван, снабженные на концах металлическими винтовыми нако-
нечниками для погружения в грунт. Винтовые сваи не получили
большого распространения; применение их ограничилось сравни-
тельно небольшим числом мостовых и портовых сооружений.
В России на винтовых сваях были построены в 90-х годах прош-
лого столетия мосты на дороге Поти — Самтрсдиа и в начале XX в.
несколько мостов в Сибири. Значительные усовершенствования
винтовых свай как в конструкции, так и в технологии их погру-
жения были сделаны советскими специалистами в период
1944—1955 гг. (канд. техн, наук Г. С. Шпиро, инж. И. И. Цюру-
па и др.).
Кроме забивных свай, погружаемых в грунт энергией удара,
большое распространение получили набивные сваи, изобретенные
в 1899 г. русским инж. А. Э. Страусом. Эти сваи изготовляют путем
укладки бетона в заранее пробуренные скважины. Набивные сваи
усовершенствованных конструкций получили большое применение
в зарубежном строительстве. В СССР к этому типу относятся бу-
ровые сваи с уширенным нижним концом, предложенные проф.
Е. Л. Хлебниковым (1950 г.).
Свайиые фундаменты долгое время строили с плитой, заглублен-
ной в грунт. В 1913 г. известным ученым инж. Н. М. Гсрссвановым
были впервые в России построены свайные фундаменты с плитой
вне грунта; он же разработал метод их расчета. В настоящее время
фундаменты с плитой вне грунта часто применяют в мостах, заме-
няя ими трудоемкие и дорогие кессонные фундаменты и фундамен-
ты из массивных опускных колодцев.
В основе современного строительства лежит максимальная ин-
дустриализация строительного процесса с перенесением большей
9
доли работ в условия заводского изготовления отдельных конструк-
ций и деталей и с последующей сборкой их иа строительной пло-
щадке. Это принципиально новая организация работы позволяет
повышать производительность труда,,сокращать сроки и снижать
стоимость строительства.
В области мостостроения в этом направлении была проведена
большая работа по широкому внедрению сборного железобетона.
Конструкции из сборного железобетона в короткий срок были ос-
воены для пролетных строений малых и средних мостов. В послед-
ние годы сборные конструкции с успехом применяют в мостах
больших пролетов.
Применять сборные конструкции в фундаментах опор мостов
оказалось труднее. Это объясняется особенностями возведения
фундаментов.
Наиболее удобными для индустриальных методов строительства
оказались свайные фундаменты, в которых основным элементом
конструкции являются небольшие по объему сваи. Однако для за-
мены ими глубоких фундаментов на кессонах и опускных колодцах
было необходимо создавать сваи большой несущей способности.
Большая грузоподъемность достигалась в сваях из стальных труб,
Заполняемых после погружения бетоном, и в сваях, снабженных в
нижних частях винтовыми лопастями (диаметром до 3 м), или уши-
ренным нижним концом, образованным подрыванием взрывчатых
веществ (предложение д-ра техн, наук А. А. Луги), или же разбу-
риванием грунта (сваи проф. Е. Л. Хлебникова). Смелый переход
к фундаментам из свай большой несущей способности позволил во
многих случаях отказаться от массивных фундаментов из опускных
колодцев и на кессонах.
Дальнейшая индустриализация в области конструкций фунда-
ментов была направлена иа создание сборных железобетонных
свай. Советскими учеными и инженерами (д-р техн, наук проф.
К. С. Силин, кандидаты техн, наук Н. М. Глотов, В. И. Карпинский,
Г. П. Соловьев и др.) были найдены удачные конструктивные ре-
шения сборных пустотелых свай-оболочек, собираемых из отдель-
ных звеньев заводского изготовления. Вслед за сваями по тому же
принципу были изготовлены и погружены в грунт тонкостенные
оболочки диаметром до 5 м.
Внедрению сборных железобетонных свай и оболочек способст-
вовало новое сваебойное оборудование. Проф. Д. Д. Баркан в 1938 г.
разработал вибрационный метод погружения свай с помощью так
называемых вибропогружателей, конструкция которых в послево-
енные годы была усовершенствована и приспособлена для погру-
жения длинных и тяжелых свай и оболочек.
Всеми этими мерами удалось в основном решить задачу по
внедрению сборных фундаментов в мостостроении. Дальнейшие ра-
боты направлены на унификацию конструкций заводского изготов-
ления, имеющую цель создание небольшого числа элементов, из
которых можно было бы возводить не только фундаменты, но и
надфундаментную часть опор. Единое конструктивное решение
ю
опоры вместе с фундаментом — первоочередная задача современ-
ного мостостроения.
По мере развития конструкций и способов возведения фунда-
ментов развивались и методы нх расчетов, а также изучались свой-
ства грунтов как оснований сооружений.
Исследования в области механики грунтов, начатые в 1889 г.
проф. В. И. Курдюмовым и затем предложенные и развитые боль-
шой группой советских и зарубежных ученых, позволили устано-
вить чрезвычайно важные практические критерии прочности (устой-
чивости) грунтовых оснований.
В настоящее время прочность (устойчивость) грунтов оценива-
ются по тем деформациям, которые могут быть допущены для про-
ектируемого сооружения. Учет совместной работы основания и рас-
положенного на нем сооружения служит той принципиальной осо-
бенностью, которая характеризует современное состояние теории
расчета фундаментов.
Глубокое изучение работы сооружений позволило выработать*
новый метод их расчета по предельным состояниям. Этот
метод1 даст возможность более разумно назначать запасы прочно-
сти н несущей способности конструкций и нх оснований.
Конструкция фундаментов и способы их постройки в первую
очередь зависят от естественного залегания и формирования гор-
ных пород. Геологические исследования места постройки — важ-
нейшей этап в общем комплексе проектирования сооружений.
В области инженерной геологии в последнее время достигнуты
большие успехи, позволяющие с достаточной точностью определять
состояние и прочность грунтов в их естественном залегании.
1.3. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ФУНДАМЕНТОВ
ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ
В СССР и ряде других стран сооружения рассчитывают по прог-
рессивной методике предельных состояний, впервые предложенной
и внедренной отечественными учеными (II. С. Стрелецкий,
А. А. Гвоздев н др.). Расчет по предельным состояниям позволяет
наиболее полно учесть условия эксплуатации сооружений различ-
ного назначения, обеспечить разумный запас их несущей способно-
сти в течение всего срока службы и получить наиболее экономич-
ные конструктивные решения.
Предельными называются такие состояния, при которых нор-
мальная эксплуатация сооружений становится невозможной или
вызывает значительные затруднения.
Предельные состояния разделяются на две группы, причем пер-
1 Расчеты искусственных сооружений, в том числе фундаментов и оснований,
по методу предельных состояний изложены в «Технических условиях проектиро-
вания железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб> (СН 200-62),
утвержденных в 1962 г., а также в других нормативных документах.
11
вая группа применительно к мостам и трубам, в свою очередь, под-
разделена на подгруппу IA и подгруппу 1Б. К подгруппе IA отно-
сятся состояния, нарушающие возможность эксплуатации сооруже-
ния вследствие исчерпания его несущей способности. К подгруппе
1Б относятся состояния, при которых несущая способность хотя и
сохраняется, но эксплуатация сооружения становится невозмож-
ной. К группе II относятся состояния, затрудняющие (ограничива-
ющие) нормальную эксплуатацию сооружения.
Наиболее опасны нарушения предельных состояний группы IA,
ведущие к полному или частичному разрушению сооружения. На-
рушения предельных состояний группы II отражаются только на
условиях эксплуатации, вынуждая, например, ограничивать весо-
вые характеристики и скорость движения автомобилей по мосту
и т. д. По своим последствиям нарушение предельных состояний
группы 1Б занимает промежуточные положения, заставляя, напри-
мер, запрещать движение по мосту.
Конструкции фундаментов, как и любые строительные конструк-
ции, должны быть рассчитаны на все группы предельных состоя-
ний, а основания проверены по предельным состояниям подгруппы
IA н группы II.
Предельные состояния группы IA проявляются в виде значи-
тельных просадок1 фундамента, вызванных потерей устойчивости
грунтов основания, а также в виде потери устойчивости положения
фундамента с возведенным на нем сооружением в результате опро-
кидывания, плоского или глубинного сдвига, оползневых явлений
и т. д. Нарушения предельного состояния этой подгруппы катастро-
фичны, они, как правило, приводят к разрушению сооружения или
к полной его непригодности.
Примером2 достижения предельного состояния, вызванного
глубинным сдвигом, служит потеря устойчивости устоя автодорож-
ного моста. Под подошвой плиты фундамента залегали тугоплас-
тичныс глины, подстилаемые текучепластичным рыхлым илом и
плотными среднезерннстыми песками. В пески были погружены
железобетонные сваи. После отсыпки подходной насыпи на высоту
8 м произошел глубинный сдвиг грунта по поверхности, близкой к
цилиндрической. В результате сваи были разрушены, плита фунда-
мента получила значительные перемещения и растрескалась. Для
ликвидации аварии и предупреждения ее в дальнейшем устой моста
пришлось расположить на новом месте и усилить конструкцию
фундамента.
Другим примером достижения предельного состояния может
служить построенный в 1928 г. в Казани через р. Казанку автодо-
рожный арочный железобетонный мост пролетом 71,9 м с устоями
1 Просадками называют вертикальные деформации, происходящие, как пра-
вило, в результате коренного изменения структуры грунта, осадками—деформа-
ции в результате уплотнения грунта без коренного изменения его структуры.
2 Пример подробнее — см. Спайные фундаменты/Авт.: Н. М. Глотов,
А. А. Луга, К. С. Силин, К. С. Завриев. М., Транспорт, 1975, 431 с.
12
па свайных фундаментах. Высота подходной насыпи с правого бе-
рега составляла 18 м, с левого—10 м. Деревянные сваи в количе-
стве 410 в каждом устое были погружены на глубину до 9 м в мяг-
копластичные глины, под которыми впоследствии контрольным
бурением были обнаружены чередующиеся пласты сильно сжимае-
мого торфа, нлнетых глин и песков. От веса устоев, пролетного
строения и подходных насыпей, отсыпанных после возведения моста,
под подошвой фундаментов (в уровне нижних концов свай) возник-
ли давления, значительно превышающие несущую способность
грунтов. Так, под правобережным устоем со стороны берега давле-
ния составили около 11 кгс/см2, тогда как несущая способность
мягкопластических глин и нижележащих грунтов не превышала
1 кгс/см2.
В результате значительных давлений и большой сжимаемости
торфяных слоев правобережный устой просел на 2058 мм, левобе-
режный на 344 мм, а просадка замка арок достигла 1916 мм. Мост
оказался в аварийном состоянии, создалась реальная угроза обру-
шения пролетного строения.
Следует заметить, что причиной многих аварийных ситуаций
является недостаточная изученность грунтовых напластований до
постройки сооружений, как это наблюдалось и в приведенных при-
мерах.
Радикальная мера предупреждения таких аварий — это прежде
всего всесторонние и качественные инженерно-геологические изыс-
кания до начала строительных работ.
Нарушение предельного состояния группы II выражается в осад-
ках фундаментов, величина которых значительно меньше просадок.
Осадки обычно вызывают лишь затруднения в эксплуатации со-
оружения.
Грунтовые основания неизбежно деформируются под давлением
фундаментов. Часто деформации неравномерны, и тогда возникают
наклоны (крены) сооружений, трещины в стенах зданий н другие
дефекты. В мостах равномерные осадки всех опор нарушают сопря-
жения с подходными насыпями. На состоянии пролетных строений
такие деформации опор, очевидно, не отражаются. Более вредны
неравномерные осадки опор, особенно для внешне статически неоп-
ределимых систем, в которых возникают при этом дополнительные
усилия (изгибающие моменты).
Величина этих усилий может превысить несущую способность
конструкций пролетных строений. В статически определимых про-
летных строениях неравномерные осадки опор приводят к искаже-
нию продольного профиля проезжей части, что затрудняет эксплу-
атацию моста: вынуждает снижать скорость движения автомобилей,
ухудшает водоотвод н пр.
Крены мостовых опор опасны тем, что даже при небольших уг-
лах наклона фундамента верх опоры перемещается на значитель-
ную величину. В результате может быть нарушена конструкция
опорных частей, а при больших кренах возможно и обрушение про-
летных строений. Кроме того, при кренах возникают дополнитель-
13
ные моменты от вертикальных сил, увеличивающие наклон фунда-
мента.
Общая формула расчета основания по прочности грунтов (по
группе I А) имеет вид
N<—. (1.1)
Несущая способность основания
4>=RF. (1.2)
Расчетное сопротивление грунтов
Здесь W — расчетное силовое воздействие иа грунтовое основание;
кв — коэффициент надежности, учитывающий капитальность и значимость
сооружения;
R — расчетное сопротивление грунтов, залегающих в основапии;
F — геометрическая характеристика (площадь, момент сопротивления) по-
дошвы фундамента;
J?" — нормативное сопротивление грунтов, определяемое натурными испы-
таниями, исследованиями грунтов в лабораторных условиях или же
теоретическими методами;
кг — коэффициент безопасности по грунту, учитывающий естественную не-
однородность грунтов и разброс их механических характеристик.
В формулу (1.1) в ряде расчетов вводится коэффициент условия
работы т, учитывающий влияние окружающей среды, приближен-
ность расчетных предпосылок и другие факторы. С учетом всех
коэффициентов выражения (1.1) имеем в виде
JVC—(1.4а)
или
F
т __ т _
---Л"= ---R.
(1.46)
Значения коэффициентов т, кг и кв устанавливаются норматив-
ными документами (СНиП) на основе экспериментальных и теоре-
тических исследований, а также накопленного опыта эксплуатации
сооружений.
Проверка по группе II предельных состояний производится по
выражению
S < Sup,
где S — деформация сооружения (осадка, крен, продольное перемещение
и пр.);
Snp — предельная деформация, устанавливаемая нормами в зависимости
от назначения сооружения и условий эксплуатации.
14
Основания фундаментов должны быть рассчитаны как по проч-
ности, так и по деформациям грунтов. Расчет по прочности являет-
ся основным, так как достижение первого предельного состояния
приводит к аварии сооружении. Этот расчет нужно вести на наибо-
лее неблагоприятные сочетания нагрузок с учетом соответствующих
коэффициентов перегрузок. Расчет по деформациям служит про-
веркой эксплуатационной надежности сооружения. Он производится
на нормативные нагрузки.
Для ряда сооружений, в том числе для небольших мостов, а так-
же при благоприятных грунтовых условиях (скального основания
н др.) расчет по деформациям становится излишним, так как выпол-
нение требований прочности автоматически обеспечивает допусти-
мые величины деформаций.
Глава U
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОСНОВАНИЯ
11.1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГРУНТОВ
Основным исходным млтсрнллом при проектировании фундаментов
служит иижсисрио-гсологичсская обстановка района строитель-
стмп.
* Дли изучении напластований грунтов и их физико-механических
сиойств пропилят инженерно-геологические изыскания, состоящие
и.т нелепых работ н лабораторных исследований.
Программа полевых изысканий зависит от стадии проектирова-
ния, сложности геологического строения и значимости сооружения.
На стадии проектного задания для транспортных сооружений обыч-
но ограничиваются ознакомлением с ранее проведенными изыска-
ниями близ расположенных, аналогичных по геологии мостовых
переходов и с небольшим числом выработок преимущественно в
виде скважин. Скважины закладывают по оси трассы мостового
перехода на поймах и в русле рек не реже чем через 100 м. Для
стадии технического проекта и составления рабочих чертежей,
когда расположение опор н их ориентировочные размеры известны,
грунты изучают более детально.
При сложной геологии и проектировании больших мостов на
этой стадии необходимо пробуривать, как правило, по четыре сква-
жины около каждой опоры — две вдоль оси моста и две поперек.
Глубина скважин зависит от напластования грунтов и назначается
в пределах 15—40 м с тем, чтобы углубиться в материковые дочет-
вертичпые породы. Особое внимание обращают на выявление сла-
бых грунтов, карст, тектони'ческих разрывов, оползневых участков
и пр. Породы, могущие быть использованы в качестве оснований
опор, нужно пройти бурением на глубину не менее 5 м, а при нак-
лонном залегании определить угол их падения.
При бурении скважин отбирают образцы ненарушенной струк-
туры для последующего лабораторного исследования. Получение
образцов ненарушенной структуры, особенно слабо уплотненных
песков и глин, часто встречает затруднения. Поэтому в последнее
время для определения физических характеристик таких грунтов
прибегают к статическому и динамическому зондированию (пене-
трацпп) и другим способам исследования грунтов в их природном
залегании.
Подробным исследованиям физико-механических свойств грун-
тов подвергают всю активную зону, под которой понимается толща
грунтов, обеспечивающая устойчивость сооружения. Толщина зоны
может быть определена по формуле Н. А. Цытовича
ha=2Aumb, (II. 1)
16
Рис. II.l. Схемы напластований грунтов
где Лейт — коэффициент, зависящий от свойств грунта (коэффициента Цо боко*
вого расширения) и отношения стороны подошвы фундамента 1/5;
b — меньшая сторона подошвы фундамента.
Для среднего значения ро=0,3 имеем:
ЦЪ...................... 1 2 3 5 >10
Дыт.................. 1,17 1,60 1,89 2,25 2,77
В геологические изыскания входит также определение уровней
грунтовых вод, величин их напора, коэффициентов фильтрации
грунтов и степени агрессивности вод по отношению к бетону.
Для объектов жилищного и промышленного назначения, встре-
чающихся в транспортном строительстве, объем геологических изы-
сканий может быть несколько сокращен, так как фундаменты этих
сооружений обычно имеют небольшие размеры и их закладывают
на небольшую глубину.
В результате разведочного бурения составляют колонки по каж-
дой скважине и геологические продольные и поперечные профили
напластования грунтов. Можно выделить четыре основных вида
напластования, дающих общую характеристику геологических ус-
ловий строительства:
однородную толщу (рис. II.1, а), сложенную одинаковыми по
составу и свойствам грунтами;
слоистую толщу (рис. П.1, б) с согласным по глубине напласто-
ванием слоев с различными механическими свойствами, дающую
равномерную осадку фундаментов;
слоистую толщу с несогласным залеганием слоев (рис. II.1, в),
в которой наблюдается выклиннванне напластований и связанная
с этим возможность неравномерных осадок фундаментов;
неоднородную толщу (рис. II.1, г), сложенную разнородными
грунтами с включением отдельных линз и прослоек слабых грунтов
(илов, торфов) и включением выветренных маломощных слоев
скальных пород, валунов и т. д. Такая толща наименее благоприят-
на для возведения фундаментов.
Для проектирования фундаментов необходимо знать дефор-
мативность и несущую способность грунтов, залегающих в ос-
новании.
17
В нелепых условиях деформативность определяют испытаниями
грунтов штампами. В шурфах (рис. 11.2, а) испытывают квадрат-
ными штампами площадью 5000 и 10000 см2, а в скважинах (рис.
11.2, б) —круглыми площадью 600 см2. Испытания состоят в нагру-
жении штампа постепенно возрастающей статической нагрузкой и
из мерен нн его осадок. В результате измерений вычерчивают график
зависимости осадки от удельных давлений (рис. 11.2, в). По прямо-
линейному (илн близко к прямолинейному) участку графика на-
ходят модуль общей деформации испытываемой толщн
£о=“(1-Р?)^. (И.2>
О
где <) — коэффициент, равный для квадратного штампа 0,88, а для круглого —
0,785;
Но — коэффициент бокового расширения грунта при одноосном сжатии (ко-
эффициент Пуассона);
b — ширина (диаметр) штампа, см;
S — осадка штампа, см;
р — нагрузка на штамп, кгс/смг.
По модулю общей деформации определяют коэффициент отно-
сительной сжимаемости грунта
flo= (П.3>
с0
М
при ₽0= 1— ------. (П.4)
1 —Мо
Коэффициент бокового расширения грунта принимается равным:
Для твердых и полутвердых глин и суглинков .... 0,1 —0,15
То же, тугопластичпых........................ 0,20—0,25
» мягкопластичных и текучепластичных....... 0,30—0,40
Для супесей.................................. 0,15—0,30
» песков................................... 0,20—0,25
Испытания грунтов штампами дают наиболее достоверные зна-
чения модуля общей деформации. Однако продолжительность ис-
пытаний и их стоимость велики.
Рис. II.2. Схемы и график натурных испытаний грунтов:
/ — анкерная винтовая свая; 2 — наддомкратпая балка; 3 — домкрат; 4 — штамп; 5 — об-
садная труба скважины
18
В лабораторных условиях исследуют образцы грунтов, получа-
емых при полевых изысканиях. Определяют основные физические
показатели — гранулометрический состав, удельный и объемный
веса, весовую влажность, пористость, консистенцию и прочее, а
также механические характеристики — сжимаемость, коэффициент
внутреннего трения <р и сцепления с.
Основными характеристиками, получаемыми испытанием образ-
цов, являются гранулометрический состав грунта, его удельный
вес у£, объемный вес у и весовая влажность W (отношение массы
воды в грунте к массе сухого грунта).
Объемный вес скелета грунта
пористость
коэффициент пористости
(II.5а)
(11.56)
л
6= 1 —л ’
степень влажности (отношение объема воды к объему пор)
W Уз
G =-----—;
е yw
объемный вес с учетом взвешивания в воде
Умзо— . - (II.5д)
14-е
В этих выражениях yw= 1 тс/м3 — вес воды.
Для глинистых грунтов определяют влажность на границе пла-
стичности Wp и влажность на границе текучести WL. По этим ве-
личинам находят основную характеристику глинистых пород —
число пластичности
jp=WL — Wp (II. 5е)
и показатель консистенции
г W — Wp
* l=---------. (П.5ж)
Jp
Для ряда расчетов необходимо знать фильтрационные показа-
тели грунта, характеризуемые коэффициентом фильтрации
«ср Н
к = при I = —,
где «ср — скорость дпижения коды через грунт;
< — гидравлический градиент;
L — длина пути фильтрации;
Н — потери напора воды на пути фильтрации.
Коэффициент фильтрапни имеет размерность см/с, см/год и т. д.
19
В глинистых грунтах фильтрация
воды возможна только при градиен-
тах, превышающих некоторый на-
чальный градиент, тоже определяе-
мый из опытов.
Дсформативные свойства грун-
тов в лабораторных условиях иссле-
дуют в приборах компрессионного
сжатия (одометрах и стабиломет-
рах), определяя зависимость коэф-
фициента пористости от давления р
на’грунт. По компрессионной кривой
(рис. П.З) находят структурную
прочность — прочность жестких свя-
зей между частицами грунта, коэф-
фициент сжимаемости
«I — «2
а =---------
Р2 — Pl
и коэффициент относительной сжимаемости
a S
1 +е ~ hp'
где S — осадки испытываемого образца грунта;
h — высота образца;
р — давление, соответствующее осадке S.
(11.6а)
(П.бб)
Коэффициент сжимаемости позволяет судить о возможности
использования грунта в основании сооружения. Так, при
0,001 см2/кгс грунт малосжимаем, при а^0,01 см2/кгс грунт
относится к средней сжимаемости, при о«0,1 см2/кгс грунт чрез-
мерно сжимаем и как естественное основание непригоден.
По коэффициенту относительной сжимаемости оо находят модуль
общей деформации грунта:
где Ро — коэффициент, зависящий от коэффициента бокового расширепич грунта
н определяемый по формуле (П.4).
По компрессионным испытаниям модуль общей деформации
грунта обычно получается заниженным.
Основные прочностные и дсформативные показатели грунтов
(коэффициент внутреннего трения, сцепления и т. д.) должны оп-
ределяться из достаточно большого числа опытов по методам ста-
тистики. Минимальная доверительная вероятность а расчетных
значений показателей по СНиП должна быть следующей:
Для транспортных сооружений (мосты и трубы) при расчете
по несущей способности............................. 6,98
То же, по деформациям................................ 6,9
Промышленные, культурные и другие сооружения при расчете
несущей способности................................ 0,95
То же, по деформациям................................ 0,85
20
Таблипа П.1
Вил песка Обозначение характеристики Значения характеристики при коэффициенте пористости е
0,45 0,55 0,65 0,75
Гравелистый и круп- ный Средней крупности Мелкий Пылеватый сн т" ^0 с« £ & £ & £ 0,02 43 500 0,03 40 500 0,06 38 480 0,08 36 390 0,01 40 400 0,02 38 400 0,04 36 380 0,06 34 230 38 300 0,01 35 300 0,02 32 280 0,04 30 180 28 180 0,02 26 ПО
Обозначения: с11—нормативное сцсплеине. кгс/см1; «р11*—нормативный угол
внутреннего трения, град.; Ео — нормативный модуль деформации, кгс/см*.
По СНиП П-15-74 характеристики грунтов для расчетов по не-
сущей способности обозначаются с индексом / (yi, <pi, Су), а для
расчетов по деформациям с индексом // (уп, фп. сц). При отсутст-
вии массовых испытаний характеристики грунтов для расчета де-
формаций принимаются равными нормативным значениям
(табл. II. 1—П.З), а для расчетов по несущей способности — по тем
же данным, но с коэффициентом безопасности кг, равным: для С\
песчаных и глинистых грунтов— 1,5, для фу песчаных грунтов—1,1
И ДЛЯ фу глинистых грунтов— 1,15.
Таблица 11.2
Грунт Пределы норматив- ных значений консистенций Обозначе- ние харак- теристики Значения характеристики при коэффициенте пористости е
0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 1.05
Супесь 0 <4 <0,25 с" 0,15 0,11 0,08 —— —— —
(pH 30 29 27 —— — —
0,25<Jy.<0,75 с" 0,13 0,09 0,06 0,03 —. — —
f" 28 26 24 21 — —
Суглинок 0<Jl<0,25 сн 0,47 0,37 0,31 0,25 0,22 0,19 —
?н 26 25 24 23 22 20 —
0,25<Jy.<0,50 с" 0,39 0,34 0,28 0,23 0,18 0,15 —
Ч>“ 24 23 22 21 19 17 —
0,50<Jy.<0,75 с" — —— 0,25 0,20 0,16 0,14 0,12
?н — —- 19 18 16 ’ 14 12
Глина 0<Jy<0,25 с" — 0,81 0,68 0,54 0,47 0,41 0,36
ерн 21 26 19 18 16 14
0,25<Jy.<0,50 с" — — 0,57 0,50 0,43 0,37 0,32
Т" — — 18 17 16 14 11
0,50<Jy.<0,75 с" — — 0,45 0,41 0,36 0,33 0,29
4>н — — 15 14 12 10 7
Примечание. См. табл. II.I.
21
Таблица П.З
Происхождение м возраст грунтов Виды грунтов Пределы консистем нии Значения модулей деформации Ео (кгс/см1) при коэффициенте пористости е
0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 1,05 1.2 13 1.6
Четвертич-
ные о т л о ж с-
н it я:
елювнальныс Супеси
делювиальные Суглинки
Озерные
Озорно-элю-
виальные
Флювиогля-
циальные
Глины
Супеси
Суглинки
Моренные
Юрские от-
ложения
оксфордского
яруса
Супеси и
суглинки
Глины
О </^<0,75
0<J£<0,25
0.25<J£<0,50
0,5(KJ£<0,76
0<J£<0,2s
0,25<J£<0,50
0,50</д<0,7Б
0<J£<0,75
0<У^<0,25
0,25<J£<0,50
0,50<J , <0,75
/£<0.50
—0,25 <A <0
0<J£<0,25
0,25 </£<0,50
— 320 240 160 100 70
— 840 270 220 170 140 110 — — — —
— 320 250 190 140 110 80 — — — —
— — — 170 120 80 60 50 — — —
— — 280 240 210 180 150 120 — —. —
— — — 210 180 150 120 90 — — —
— — — — 150 120 90 70 — — —
— 380 240 170 ПО 70
— 400 830 270 210
— 850 280 220 170 140
— .—. —. 170 180 100 70 — — — —-
750 550 450 —
270 250 220 — —
— — — — — — 240 220 190 150 —
160 120 100
В основаниях фундаментов могут залегать различные горные
породы. По принятой в СССР классификации они подразделяются
на скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.
К скальным породам относятся изверженные, метамор-
фические и осадочные породы с жесткой связью между зернами.
У изверженных и метаморфических пород связь между зернами
обусловлена спаянностью, у осадочных — цементацией зерен раз-
личными цементами (кремневым, известковым, глинистым и т. д.).
Жесткая связь между зернами придает скальным породам свойст-
ва твердых, но хрупких тел — при раздавливании образца скалы
наблюдается хрупкое разрушение (без площадки текучести) с пол-
ным нарушением связей и без последующего их восстановления.
Деформации скальных пород пропорциональны давлениям, что по-
зволяет применять к ним законы теории упругости.
Временное сопротивление одноосному сжатию скальных пород
изменяется в широких пределах — от 20—30 до 2000—2500 кгс/см2.
Для оценки скальной породы одних прочностных характеристик
недостаточно, необходимо знать еще условия залегания породы, со-
стояние ее в массиве, степень водостойкости (нерастворимости)
и т. д.
Сплошная водостойкая скала представляет собой вполне надеж-
ное основание для любых сооружений. В этом случае основной ин-
женерно-геологической характеристикой ее будет временное сопро-
тивление раздавливанию. Чаще встречается слоистая скала, в ко-
торой скальные пласты разделены прослойками других грунтов.
22
При горизонтальном залегании и толщине пластов по 3 м и более
такая скала тоже вполне надежна. Если же пласты залегают на-
клонно, то появляется опасность сползания их, особенно если про-
слойки сложены глинистыми грунтами.
Состояние скалы характеризуется выветрелостью и трещинова-
тостью. Поверхность скальной породы обычно подвержена вывет-
риванию, и верхние ее слои менее прочны. Поэтому, как правило,,
разрушенный слой скалы удаляют и фундамент закладывают на
сохранившейся, неразрушенной породе. Трещиноватость может в
значительной степени снизить несущую способность скалы. Прости-
рание трещин, их направление, величина (раскрытие) могут быть
весьма разнообразны. В большинстве своем они бывают заполнены
различными песчаными или глинистыми разностями и образуют
систему, по которой протекают напорные грунтовые воды.
Большое значение имеет водостойкость скальной породы.
При насыщении скалы водой прочность ее несколько снижается;
по этому признаку принято называть скальную породу размягчае-
мой и неразмягчаемой. Представителями размягчаемых пород яв*
ляются преимущественно осадочные породы с известковым, гипсо-
вым и в особенности глинистым цементами.
Некоторые породы (гипс, известняк) легко выщелачиваются во-
дой и теряют связность; в результате выщелачивания образуют-
ся каверны и карсты. Возможность использования неводостойких
скальных грунтов в основаниях сооружений нужно устанавливать
в каждом конкретном случае специальными инженерно-геологиче-
скими исследованиями.
В производственном отношении скала труднопроходима. Даже
сравнительно тонкие прослойки скалы мощностью в несколько де-
сятков сантиметров затрудняют, а иногда делают невозможной за-
бивку свай, опускание колодцев н т. д. Разработка скалы в котло-
ванах плохо поддается механизации и обычно требует ручного-
труда с применением механизированного ручного инструмента, а
иногда и взрывных работ.
Трещиноватые скальные породы часто обладают большим де-
битом напорных вод, борьба с которыми связана с организацией,
мощного водоотлива.
Номенклатура скальных пород, принятая в СНиП:
1. Поврсмснномусопротивлснию одноосному сжатию R&
(кгс/см2)
Очень прочные . .
Прочные...........
Средней прочности
Малопрочные . . .
Полускальпыс . . .
Яс >1200
1200>Яс>500
5003s Яс >150
150>Яс>50
Яс <50
2. По коэффициенту р аз м я гч а см ости в воде Кр»
Нераэмягчаемые....................... Ясз^0.75
Размягчаемые......................... Арэ<0,75
23
3. По степени выветрелости Кво
Невывстрелые (монолитные)........ Залегание в виде сплошного масси-
ва, Квс=1
Слабовыветрелые (трещиноватые) . . . Залегание в виде несмещенных от-
дельностей (глыб), 1Жвс^0,9
Выветрелые....................... Залегание в виде скопления кусков,
переходящего в трещиноватую ска-
лу, 0,9Жвс>0,8
Силыювыветрелые (рухляки)........ Залегание во всем массиве в виде от-
дельных кусков, Квс<0,8
Коэффициентом размягчаемости Кра называется отношение временных сопро-
тивлений породы одноосному сжатию в водонасыщенном и воздушно-сухом со-
стоянии, степенью выветрелости Кво — отношение объемной массы выветрелой
породы к объемной массе невыветрелой.
В крупнообломочных (несцементированных) и
песчаных грунтах, называемых сыпучими, связями между
зернами отсутствуют и сопротивление их сдвигу практически зави-
сит только от внутреннего трения между зернами, что и определяет
несущую способность этих грунтов. Внутреннее трение зависит глав-
ным образом от плотности сложения, крупности зернового состава
и влажности. Чем больше размер зерен, чем плотнее они уложены,
тем несущая способность грунта выше.
По гранулометрическому составу крупнообломочные и песчаные
грунты делятся на виды. Наименование вида грунта принимается
по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположе-
ния наименований, приведенных в табл. 11.4.
В природе поры между крупными зернами обычно заполнены
более мелкими. Степень однородности зернового состава песков
определяется по формуле
dio
Таблица II.4
Наименование грунта
Распределение частиц но крупности в %
от веса сухого грунта
А. Крупнообломочные грунты
Валунный грунт (при преоблада-
нии неокатанных частиц — глыбовой)
Щебенистый, (прн преобладании
окатанных частиц — галечниковый)
Дресвяный (при преобладании ока-
танных частиц — гравийный)
Крупнее 200 мм составляет более 50%
Крупнее 10 мм составляет более 50%
Крупнее 2 мм составляет более 50%
Б. Песчаные грунты
Песок гравелистый
» крупный
» средней крупности
» мелкий
» пылеватый
Крупнее 2 мм составляет более 25%
Крупнее 0,5 мм составляет более 50%
Крупнее 0,25 мм составляет более 50%
Крупнее 0,1 мм составляет более 75%
Крупнее 0,1 мм составляет менее 75%
24
Таблица II.5
Вил песков Плотность
Плотные СредпеА плотности Рыхлые
Гравелистые, крупные и средней крупности Мелкие Пылеватые е < 0,55 е < 0,6 е < 0,6 0,55<е<0,7 0,6 <е <0,75 0,6<е<0,8 е > 0,7 е > 0,75 е > 0,8
Обозначение: е — коэффициент пористости песка.
где *4о— диаметр частил, меньше которого содержится по массе 60%;
dio — то же, 10%.
При степени неоднородности более трех пески считаются неод-
нородными.
Плотность укладки зерен характеризуется коэффициентом по-
ристости е. Чем меньше е, тем плотнее грунт. Песчаные грунты по
плотности делят на плотные, средней плотности и рыхлые
(табл. П.5). Рыхлые пески имеют ничтожную несущую способность
и не могут служить основанием капитальных сооружений без ис-
кусственного укрепления.
В зависимости от степени влажности G крупнообломочные и
песчаные грунты делят на маловлажные при G^0,5, влажные при
0,5<G^0,8 и насыщенные водой при G>0,8. Несущая способность
гравелистых и крупных песков не зависит от влажности; прочность
более мелких песков снижается с увеличением влажности н тем
больше, чем мельче зерна.
Под нагрузкой песчаные грунты уплотняются и дают осадку за
счет уменьшения объема пор. Уплотнение происходит в течение ко-
роткого отрезка времени, что является положительным свойством
этих грунтов, так как при возведении на них сооружений деформа-
ции основания происходят главным образом в процессе строитель-
ства и могут быть своевременно учтены.
На свойства песков большое влияние оказывают различные гли-
нистые и органические примеси, которые, обволакивая зерна, умень-
шают внутреннее трение и снижают их несущую способность. Пы-
леватые пески в этом случае, будучи насыщены водой, становятся
подвижными, переходя в так называемый плывун. Плывуны обла-
дают ничтожной несущей способностью и часто значительно ос-
ложняют разработку котлованов.
Состояние песчаных грунтов может измениться под действием
напорной воды.
При движении воды в сторону дневной поверхности земли, на-
пример при откачке воды из котлованов, песок разрыхляется и ста-
новится менее плотным. Если гидродинамическое давление значи-
тельно, то зерна песка могут оказаться во взвешенном состоянии
и песок станет текучим (подвижным), переходя в псевдоплывун.
25
При водоотливе вместе с водой могут увлекаться мелкие фракции,
что уменьшает плотность песка; это явление называется механиче-
ской суффозией. Нередко механическая суффозия распространяет-
ся на значительные объемы грунта и служит причиной неравномер-
ных осадок вблизи расположенных зданий и сооружений. В таких
случаях применяют временное искусственное понижение уровня
грунтовых вод или же ведут работы без откачки воды из котлована.
Движение грунтовых вод может быть вызвано и другими причи-
нами— естественным стоком к реке грунтовой воды на пойменных
склонах при спаде весенних вод, повышением уровня грунтовых вод
при подтоплении местности водохранилищами гидротехнических
сооружений и т. д. В этих случаях состояние песчаного грунта из-
меняется, что необходимо учитывать при проектировании фунда-
ментов.
Основания, сложенные крупнообломочными, а также крупно- и
среднезернистыми песчаными грунтами, относятся к вполне надеж-
ным. Пески мелкие и в особенности пылеватые обладают меньшей
устойчивостью, которая к тому же может быть нарушена потоком
грунтовых вод, изменением влажности, динамическими воздействия-
ми и т. д.
Песчаные и крупнообломочные грунты легко поддаются разра-
ботке различными землеройными машинами, а в водонасыщенном
состоянии — средствами гидромеханизации. Погружение в пески
свай и опускных колодцев, как правило, не вызывает затруднений.
К глинистым грунтам относятся грунты, в которых со-
противление сдвигу обусловлено не только внутренним трением, но
также сцеплением и связанностью между его частицами. Основной
компонент глинистых грунтов — частицы глины. Вследствие колос-
сальной удельной поверхности они чрезвычайно активны во всех
физико-химических процессах, и присутствие их даже в относитель-
но небольшом количестве придает грунту способность при измене-
нии влажности переходить из твердого состояния в пластичное и
текучее и обратно.
При насыщении водой глинистый грунт приобретает текучее со-
стояние, при котором все три компонента сопротивления сдвигу —
внутреннее трение, связность и сцепление — практически равны ну-
лю. В таком состоянии грунт расплывается и не способен нести
внешнюю нагрузку. Разжиженный глинистый грунт может образо-
ваться при вскрытии глинистых пород (например, при рытье кот-
лованов) и обильном водонасыщении их дождевыми или грунто-
выми водами.
При некотором содержании воды глинистый грунт становится
пластичным, способным под воздействием внешних сил принимать
и сохранять в дальнейшем любую форму. В пластичном состоянии
глинистые частицы расположены настолько близко друг к другу,
что между ними возникают межмолекулярные силы, обеспечиваю-
щие связность. Одновременно начинает проявляться внутреннее
трение, которое вместе с силами связности обеспечивает грунту
«екоторую прочность (сопротивляемость сдвигу). Величина сил
26
связности и внутреннего трения пластичных глинистых грунтов в
большой степени зависит от их влажности и плотности сложения.
В зависимости от минералогического состава глинистые части-
цы способны в большей или меньшей степени удерживать вокруг
себя пленки связной воды. В этом отношении наиболее активны
монтмориллонитовые глины и значительно менее каолиновые.
Большое количество связной воды приводит к увеличению рассто-
яния между частицами и к уменьшению молекулярных сил и как
следствие — к снижению связности. Этим объясняется большая
пластичность монтмориллонитовых глин и способность их увеличи-
ваться в объеме (до 18 раз) при насыщении водой.
Уменьшение влажности приводит к возрастанию сил связности
и переходу глинистых грунтов из пластичного состояния в твердое.
В твердом состоянии внутреннее трение и связность проявляют-
ся в наибольшей степени и сообщают грунту определенную проч-
ность и сопротивляемость внешним нагрузкам. Однако высыхание
глинистого грунта сопровождается уменьшением объема и возник-
новением трещин (глубиной до 1—2 м), разделяющих общую мас-
су грунта на отдельные объемы. Это приводит к снижению общей
несущей способности, возможности более глубокого проникания
воды в толщу грунта и ухудшению его прочностных свойств.
В коренных глинистых грунтах, к которым относятся древние
породы дочетвертичного происхождения, под влиянием сжатия вы-
шележащими напластованиями длительного формирования, цемен-
тации и других причин межмолекулярные силы теряют свое значе-
ние и заменяются ионными силами электрической природы.
В результате в таких грунтах роль сил связности снижается и ос-
новное значение приобретают силы структурного сцепления, необ-
ратимые по своей природе. Грунт становится наиболее прочным,
приближаясь по своим свойствам к скальным.
В природе глинистые грунты всегда содержат грубые пылева-
тые и песчаные частицы, которые образуют жесткий скелет, запол-
ненный частицами глины. Грубые фракции независимо от величины
зерен не могут изменить специфических свойств, присущих глини-
стым грунтам. Однако они оказывают непосредственное влияние
на прочностные и деформативные характеристики, снижая, как
правило, их значение.
В зависимости от содержания грубых фракций глинистые грун-
ты делят на супеси, суглинки и глины. Различие между этими ви-
дами грунтов состоит главным образом в их способности перехо-
дить из твердого состояния в текучее. Чем больше содержится
грубых фракций, тем меньше требуется воды для перехода грунта
из твердого состояния в текучее. Эта особенность глинистых грун-
тов характеризуется числом пластичности.
По числу пластичности глинистые грунты делят на супеси
(1^/р;С7), суглинки (7^/р^17) и глины (JP>17).
Для характеристики грунта в его естественном состоянии слу-
жит показатель консистенции [см. формулу (П.5ж)]. Если грунт
находится в пластичном состоянии, то и если состо-
27
яние грунта твердое, то и При промежуточных зна-
чениях JL глинистые грунты имеют следующее наименование:
Супеси твердые.................................. /ь>0
» пластичные................................ 0</ь<1
» текучие ................................... /ь>1
Суглинки и глины твердые........................ Jt>0
» » » полутвердые............ О < h <0,25
» » » тугопластичные......... 0,25 <Ji, <0,50
» » » мягкопластичные........ 0,50<Jt<0,75
» » » текучепластичные .... 0,75</ь<1
» » > текучие......................... /ь>1
Несущая способность глинистых грунтов зависит как от числа
пластичности, так и от консистенции и плотности (коэффициента
пористости е).
При одинаковых значениях коэффициентов консистенции и по-
ристости лучшими показателями прочности (устойчивости) облада-
ют глины, затем суглинки и, наконец, супеси.
С увеличением влажности прочность глинистых грунтов резко
снижается; грунты с коэффициентом консистенции Уд>0,5 настоль-
ко слабы, что не могут служить основанием инженерных соору-
жений.
Влажность грунта может увеличиться как в процессе строитель-
ства, например при увлажнении котлованов дождевыми водами,
так и после постройки в результате повышения уровня грунтовых
вод, затопления местности подпорными водами и т. д. Особенно
неблагоприятны в этом отношении супеси, способные переходить
в пластичное и текучее состояние при относительно небольшом до-
полнительном увлажнении. Увеличение влажности неизбежно сни-
жает несущую способность глинистых грунтов, что необходимо
учитывать при производстве работ и оценке их прочностных свойств.
В твердом состоянии (при Jr<0) глинистые грунты значитель-
но прочнее не только песчаных, но и крупнообломочных, прибли-
жаясь по своим свойствам к скальным породам.
Кроме влажности большое значение имеет плотность, в особен-
ности для глин и суглинков. С уменьшением плотности их проч-
ность снижается.
В природных условиях часто встречаются неоднородные на-
пластования, в которых глинистые грунты переслаиваются с песча-
ными, крупнообломочными и скальными. Песчаные и крупнообло-
мочные прослойки обычно водоносны, и соприкасающиеся с ними
глинистые грунты имеют повышенную влажность. Характерным
примером таких грунтов служат ленточные глины, которые проре-
заны тонкими слоями мелкого песка. Несущая способность ленточ-
ных глин низка.
Глины и суглинки имеют небольшой коэффициент трения, и при
наклонном залегании и интенсивном увлажнении возможно сколь-
жение (сдвиг) грунта вместе с построенным на нем сооружением.
Характерная особенность глинистых грунтов — длительность их
деформаций под действием внешних давлений. Сжатие грунтов
происходит в первую очередь за счет уменьшения расстояния меж-
28
ду частицами, сопровождающееся отжатием из пор свободной во-
ды. В глинистых грунтах поры настолько малы, что отжатие воды
протекает крайне медленно. Помимо этого, в глинах происходят
длительные процессы ползучести. В результате этих явлений соору-
жения, построенные на глинистых основаниях, получают осадки и
керны, которые нарастают в течение многих лет и даже десятиле-
тий. Часто осадки неравномерны. Это заставляет относиться к гли-
нистым основаниям с известной осторожностью, несмотря на их
относительно большую несущую способность. Этим же объясняется
распространенное мнение (не всегда, однако, справедливое), что
на глинистых грунтах не следует возводить сооружений статически
неопределимых систем.
Глинистые грунты не пропускают воду. Ничтожная фильтрация
глин служит положительным фактором, позволяя разрабатывать
котлованы с небольшим водоотливом. Погружение свай и опускных
колодцев в глины труднее, чем в песчаные грунты.
Наряду с основными встречаются особые виды грунтов:
просадочные, заторфованные и набухающие.
К посадочным грунтам относятся лёсс и лёссовидные разновид-
ности глинистых грунтов. Они распространены на большей части
территории Украины, в южных районах РСФСР, в среднеазиатских
республиках и ряде других областей. Мощность залегания лёссовых
грунтов составляет от 2—5 до 10—20 м и местами достигает 30—
40 м. Основными признаками просадочных грунтов являются види-
мые невооруженным глазом поры диаметром от 0,5 мм и более,
преобладание пылеватых частиц размером 0,05—0,005 мм и быст-
рое размокание в воде.
В естественном состоянии объемный вес сухого макропористого
грунта составляет 1,3—1,55 тс/см3, коэффициент пористости 45—
55%. Залегая в засушливых районах, лессовидные грунты слабо
водонасыщены. Влажность их в зависимости от времени года меня-
ется от 7 до 25%. В сухом состоянии они способны выдерживать
нагрузку до 3—5 кгс/см2 и удерживать вертикальные откосы. Од-
нако при замачивании водой связи между частицами грунта рас-
творяются и грунт быстро проседает. Такие деформации называют-
ся просадками, а грунты, обладающие этим свойством, — проса-
дочными. Прочностные характеристики замоченных грунтов
близки к их характеристикам в текучем состоянии. Величина про-
садки зависит от свойств грунта (его пористости) и внешней на-
грузки. Характеристикой просадочности служит относительная
просадочность
Л7 — Лцр
g..P = — h . (П-7)
«о
где h' — высота образца природной влажности, обжатого в компрессионном
приборе давлением р, равным давлению иа рассматриваемой глубине
от веса вышележащего грунта н давления от фундамента;
haj> — высота того же образца после полного водонасыщения при сохране-
нии давления р;
ho — высота того же образца природной влажности обжатого давлением,
равным весу вышележащего грунта.
29
Рпр
При finp'CO.Ol грунт считается
непросадочным.
Просадка возникает при давле-
нии, превышающем начальное про-
садочное давление Рпр (рис II.4)
Начальное просадочное давление
для разных грунтов изменяется от
0,2 до 1,5 кгс/см2. Если давление на
рассматриваемой глубине меньше
начального просадочного, то просад-
ка на этой глубине не проявляется.
Замачивание просадочных грун-
тов может быть в результате увлаж-
Рнс. П.4. График деформации приса-нсния грунтов грунтовыми водами
дочного грунта при подъеме их уровня, а также при
увеличении влажности вследствие
нарушения природных условий испарения (например, асфальтиро-
вания городской территории), постепенного накопления просочив-
шихся поверхностных вод и других причин. Просадочность значи-
тельно усложняет возведение сооружений и требует или устройства
фундаментов глубокого заложения с проходкой всей просадочной
толщи, или искусственного упрочнения грунтов.
К заторфованным грунтам относят грунты с содержанием (по
массе) растительных остатков от 10 до 60%. При содержании
растительных остатков более 60% грунты называются торфами.
Заторфованные грунты и торфы сильно и неравномерно сжимаемы,
причем их деформации протекают медленно и практически не ста-
билизируются.
Эти грунты обычно водонасыщены, вода обладает значительной
агрессией по отношению к бетону.
Торфы и заторфованные виды грунтов могут залегать с поверх-
ности земли (открытое залегание) и быть погребенными грунтами
последующего наслоения. Открытые торфы чрезвычайно сжимае-
мы, при доступе воздуха быстро сгнивают и в качестве оснований
для сооружения непригодны. Погребенные торфы, если они зале-
гают ниже уровня грунтовых вод и перекрыты толщей минераль-
ных грунтов в несколько метров, хотя и сильно сжимаемы, все же
позволяют возводить небольшие здания и сооружения (например,
водопропускные трубы), приспособленные к неравномерным осад-
кам. При возведении ответственных сооружений (мостов) толща
торфяных грунтов должна быть пройдена фундаментами.
В Поволжье, Казахстане, Крыму и ряде других районов встре-
чаются набухающие грунты. Набухающими грунтами являются гли-
ны, главным образом монтмориллонитовые, значительно увеличи-
вающиеся в объеме при замачивании водой. При замачивании
таких глин на фундаменты действуют силы набухания, достигаю-
щие 120—150 тс/м2 и направленные снизу вверх. Неравномерность
набухания вызывает значительные деформации сооружений. При
увеличении влажности прочность глинистых грунтов (угол внут-
30
реннего трения и сцепление) уменьшается и несущая способность
их сильно снижается.
При высыхании набухающих грунтов наблюдается их усадка
(уменьшение объема), что еще более увеличивает деформации
сооружений.
Характеристикой набухания служит величина относительного
набухания
Лис—А
®н=-22£7----. (П.8)
ft
где Лп.с — высота образца грунта после его свободного (без нагрузки) набуха-
ния в компрессионном приборе при полном водонасыщснии;
Л — начальная высота образца природной влажности.
Если 611^0,04, то грунты относят к набухающим. Величина на-
бухания зависит от толщины слоя набухающего грунта, от природ-
ной влажности и от внешней нагрузки на грунт. Чем больше мощ-
ность слоя и меньше природная влажность, тем набухание больше.
Набухание значительно снижается при увеличении внешнего дав-
ления.
Набухающие грунты требуют особых приемов строительства
фундаментов. При значительной величине набухания приходится
прибегать к фундаментам глубокого заложения, прорезая набухаю-
щие грунты.
IГ.2. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТОВ
Многочисленными исследованиями установлено, что в деформаци-
ях грунтов при их сжатии под нагрузкой, распределенной по огра-
ниченной площади, можно выделить две фазы (рис. 11.5» а).
В первой фазе — фазе уп-
лотнения грунт под действием на-
грузки уплотняется за счет умень-
шения расстояний между его зер-
нами (более плотной упаковки).
При давлении, не превышающем
некоторой определенной для каж-
дого вида грунта величины, де-
формации грунта в этой фазе со
временем затухают и прекраща-
ются. В фазе уплотнения дефор-
мации приблизительно пропор-
циональны внешнему давлению.
Это позволяет рассматривать
Рис. II.5. Деформация грунта:
/ — кривая связного грунта: 2—кривая
сыпучего грунта: 3 — штамп (фундамент);
4 — уплотненное ядро; 5 — траектории
скольжения
31
грунты как среду линейно деформируемую и применять к ним за«
коны упругих тел. Давление Ркр.ь до которого наблюдается эта про-
порциональность, называется первым критическим давлением
Во второй фазе, начиная с р^рл до Ркр.2, в грунте развива-
ются деформации сдвига. Из механики грунтов известно, что де-
формации сдвига возникают, если
•»=Рл*ЕТ1 + С1.
где т — касательные напряжения в рассматриваемой элементарной площадке;
рп — нормальные напряжения;
<j>i — угол виутреииего трения грунта;
ci — удельная сила сцепления грунта.
Таким образом, касательные напряжения т зависят от напряже-
ний рп, которые, в свою очередь, зависят от внешнего давления, пе-
редаваемого фундаментом. При некотором значении последнего
равенство оказывается выполненным и в рассматриваемой точке
грунтового массива произойдет сдвиг.
С изменением р в пределах от pi(pA до Дкр.2 начинают сдвигаться
все большие объемы грунта, образуются все большие «пластиче-
ские области» с нарушенным равновесием. Вначале эти области
создаются у граней фундамента, где касательные напряжения при-
нимают наибольшие значения, затем, развиваясь, они все больше
заходят под его подошву. В результате сдвигов грунта осадка фун-
дамента резко возрастает, зависимость ес от давления перестает
быть линейной, затухание во времени замедляется.
Вторая фаза заканчивается образованием непрерывных поверх-
ностей скольжения под всей подошвой фундамента, и грунт полно-
стью теряет прочность, становясь подвижным. При полном исчер-
пании несущей способности в конце второй фазы под подошвой
фундамента образуется уплотненное грунтовое ядро, клинообразно-
го очертания, которое и раздвигает прилегающий грунт в стороны
(рис. П.5, б). Исчерпание несущей способности грунтов в основа-
ниях сооружений совершенно недопустимо: появляющиеся в этом
случае просадки происходят в короткий промежуток времени и
носят катастрофический характер.
Давление Ркр.2, при котором заканчивается вторая фаза, служит
критерием наступления предельного состояния основания по усло-
вию прочности (устойчивости).
Развитие «пластических областей» и поверхностей скольжения,
а вместе с тем и вид потери устойчивости грунта зависят от раз-
меров, очертания и глубины заложения подошвы фундамента, а
также от вида внешней нагрузки, действующей на фундамент. Чем
меньше ширина подошвы (рис. 11.6» а), тем под меньшим давлени-
ем замкнутся «пластические области» и тем меньший объем грунта
будет перемещаться в предельном состоянии. Следовательно, пре-
дельное состояние узкого фундамента наступит при нагрузке мень-
шей, чем предельное состояние широкого фундамента. Под круглым
или квадратным фундаментом грунтовое основание будет иметь
большую несущую способность, чем под фундаментами прямоуголь-
32
ными (ленточными), так как в первом случае необходимо привести
в предельное состояние больший объем грунта (условия простран-
ственной работы).
При центральном действии внешних сжимающих сил напряжен-
ное состояние грунта и области нарушенного равновесия симмет-
ричны относительно осей фундамента. Если же нормальная сила
приложена эксцентрично, то момент вызывает поворот, фундамент
и грунт вытесняется односторонне (рис. II.6, б). Тоже односторонне
будет перемещаться грунт при действии наклонной нагрузки (рис.
II.6, в). Таким образом, возможные перемещения фундамента, оп-
ределяющие тот или иной вид потери устойчивости грунта, зависят
от кинематической и статической схемы всего сооружения.
Большое влияние на прочность (устойчивость) грунта основания
имеет глубина заложения фундамента.
В песчаных грунтах можно выделить три характерных случая
потери прочности в зависимости от относительного заглубления
фундамента h/b (где h — глубина заложения, b — меньшая сторо-
на подошвы). При h/b<Q,5 — случай 1а — потеря устойчивости
происходит за счет сдвига (выпора) примыкающего к фундаменту
грунта по наклонным под углом к горизонту, близкому к 45°—<р/2
поверхностям скольжения (рис. II.7, а).
Рис. II.7. Схема потери устойчивости песчаных оснований;
/•—поверхность сдвиге; 3— выпор грунта; Я —• уплотненное ядро; 4 — эона уплотнения
33
При 0,5</z/b< 14-1,5— случай 16 (рис. П.7, б)—поверхности
скольжения становятся более крытыми, выпор грунта уменьшается
и прочность основания возрастает, так как для потери устойчивости
необходимо сдвинуть больший объем грунта. При 14-1,5 <Л/6<
<Зч-4— случай 2а (рис. 11.7, в)—сдвиг грунта и выпирание его
из-под подошвы, вызывающие значительные и резкие осадки фун-
дамента, происходят без выпора на поверхности преимущественно
за счет уплотнения грунта, расположенного выше подошвы фунда-
мента. В этом случае фундамент находится в более благоприятных
условиях работы.
Наконец, при — случай 26 — сдвиг грунта возможен
главным образом за счет уплотнения грунта, расположенного ниже
подошвы. Четко выраженных поверхностей скольжения не образу-
ется, возникающие осадки фундамента возрастают плавно, без рез-
ких увеличений. При таких глубинах заложения практически не
вызываются нарушения устойчивости больших масс грунта и пер-
вое предельное состояние, как правило, не достигается.
В глинистых грунтах нарушение прочности (устойчивости) про-
исходит по более сложным законам. Так, например, выпора глини-
стого грунта из-под фундамента, даже не глубоко заложенного,
не наблюдается. Общая зависимость деформации глин от нагрузки,
оставаясь прежней, имеет более пологое очертание кривой «S—р»
(см. рис. II.5, а). При некотором значении р осадки глинистых ос-
нований перестают затухать во времени или оказываются чрезмер-
но большими, что служит причиной исчерпания несущей способно-
сти сооружения по второму предельному состоянию.
При проверке прочности (устойчивости) основания по первой
группе предельных состояний давления на грунт не должны превы-
шать расчетные сопротивления R грунтов. Последнее назначается
как некоторая доля давления, вызывающего предельное состояние.
Таким образом, расчетное сопротивление будет зависеть не только
от механических характеристик того или иного вида грунта, но и от
рассмотренных выше факторов.
Чрезвычайно большое разнообразие грунтовых условий и осо-
бенностей работы различного рода сооружений не позволяют со»
здать единую методику определения расчетных сопротивлений грун-
тов. Поэтому в настоящее время существует ряд нормативных
указаний (СНиП) по определению расчетных сопротивлений для
различных отраслей строительства.
Проектируя фундамент под ответственное сооружение, расчет-
ные сопротивления грунтов нужно назначать с известной осторож-
ностью, используя богатый опыт предыдущего строительства, а так-
же анализируя и сопоставляя указания различных норм и других
источников.
Расчетные сопротивления грунтовых оснований осевому сжатию
при расчете мостов и труб по проекту СНиП П-43 находят по
формуле
Я = 1,7 (Я' [1 + «1 (* - 2)] + «2У1 (Л - 3)}, (II.9)
34
Таблица 11.6
Грунты Сопротивление Д* песков средней плот- ности, тс/м* Грунты Сопротивление Д' песков средней плот- ности, тс/м*
Пески гравелистые и 35 Пески мелкие мало- 20
крупные независимо от влажные
влажности То же, влажные и иа- 15
Пески средней крупно- 30 сыщенные водой
сти маловлажные Пески пылеватые ма- 20
То же, влажные и иа- 25 лов лажные
сыщенные водой То же, влажные 15
» насыщенные во- 10
дой
Примечание. Для плотных песков Д' увеличивается на 100%, если плотность оп-
ределена статическим зондированием, и иа 60%. если плотность определена лабораторными
испытаниями.
где К — условное расчетное сопротивление грунта, тс/м2;
Ь — меньшая сторона подошвы фундамента, м;
h — глубина заложения подошвы фундамента, м;
ут — объемный вес грунта, расположенного выше подошвы, тс/мэ;
к(. Kg — коэффициенты, зависящие от вида грунта.
Формула (II.9)—эмпирическая, получена на основании много-
летнего опыта строительства и эксплуатации мостовых сооружений.
В ней отражены основные факторы, определяющие несущую спо-
собность основания: вид грунта (R', yi, Kt и к2), размер подошвы
фундамента b и глубина заложения h. Значения условных расчет-
ных сопротивлений R' приведены в табл. П.6—II.8, а коэффициен-
тов Ki и Кг в табл. П.9.
Таблица II.7
Грунты Коэффициент пористости е Сопротивлении /?' глинистых грунтов, тс/м1, при показателе консистенции J
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Супеси при 0,5 35 30 25 20 15 10 -
/р^0,05 0,7 30 25 20 15 10 — —
Суглинки при 0,5 40 35 30 25 20 15 10
0,1 aS 0,15 0,7 35 30 25 20 15 10
’ 1,0 30 25 20 15 10 —.
Глины при 0,5 60 45 35 30 25 20 15
3*0,2 0,6 50 35 30 25 20 15 10
0,8 40 30 25 20 15 10
1,1 30 25 20 15 10 — —
Примечание. При 0,05</р<0,1 и 0.15</р<0Д значение Д' принимаются средним
между значениями соответственно для супесей п суглинков и для суглинков и глии.
35
Таблица П.8
Грунт Сопротивления /?' крулнооО- ломнык грун- тов с песчаным заполнителем, тс/м® Грунт Сопротивления ff' круттнооб- ломнык грун- тов с песчаным ва пол кителем, тс/м*
Галечниковый (щебе- нистый) из обломков кристаллических пород То же, осадочных по- род 150 100 Гравийный (дресвя- ной) из обломков кри- сталлических пород То же, осадочных по- род 80 50
Примечание. При глинистом заполнителе ff принимается по табл. II.7 в завися-
мости от J , Jр£ и е заполнителя.
Таблица ПЛ
Грунт К„ ы 1 *•
Гравий, галька, песок гравелистый крупный и средней крупности 0,10 3,0
Песок мелкий 0,08 2,5
» пылеватый, супесь 0,06 2,0
Суглинок и глина твердые и полутвердые 0,04 3,0
» » » ту гоп ластичные и мягкопла- стичиые 0,02 1.5
В формуле (П-9) размер b принимают равным меньшей стороне
подошвы фундамента, если она не превышает 6 м; если меньшая
сторона более 6 м, то 6=6 м. Глубину заложения h на местности, не
Рис. 11.8. Схема к определению глу-
бины заложения опоры моста:
1 — иаипвшпй уровень воды; 2 —направ-
ление течения воды; 3 — дно'реки до раз-
мыва; 4 — дно реки после общего размы-
ва; С —воронка местного размыва
покрытой водой, принимают от по-
верхности грунта после его плани-
ровки срезкой, а при планировке
подсыпкой — от природного уров-
ня. В русле рек h принимают
(рис. П.8) от поверхности дна ре-
ки у опоры после общего размыва
и половины местного размыва при
расчетном паводке. Если основа-
ние сложено глинами или суглин-
ками, то для фундаментов в пре-
делах водотока расчетное сопро-
тивление Л по формуле (П.9) мо-
жет быть увеличено на пригрузку
водой 1,5 утгбв, где /гв — глуби-
на воды от наинизшего уровня
межени до поверхности дна реки
после размывов (см. рис. П.8).
36
Объемный вес грунта выше подошвы в пределах расчетной глу-
бины h определяют по формуле
EYi/Л/
ЕЛ/ ’
где Vi< — объемный вес t-ro слоя грунта (без учета взвешивания в воде), тс/м3;
hi — мощность i-ro слоя грунта, м.
Допускается принимать Ti - 2 тс/м3.
Формула (II.9) применима для определения расчетных сопро-
тивлений нсскальных грунтов под подошвой фундаментов мелкого
заложения, а также фундаментов из опускных колодцев и кессонов.
Для твердых глинистых грунтов /ь<0 условное сопротивление
/?'= 1,5/?сж, (П.Ю)
но нс более 160 тс/м2 для супесей, 200 тс/м2 для суглинков и
300 тс/м2 для глин. В этой формуле /?с»к— среднеарифметическое
значение временного сопротивления на одноосное сжатие образцов
грунта природной влажности.
Расчетное сопротивление /?с осевому сжатию скальных пород
(П.11)
где т, к,— коэффициенты условия работы и безопасности по грунту;
Яеж—среднеарифметическое значение времсииого сопротивления одноос-
ному сжатию образцов породы в водопасыщсииом состоянии.
Значение т/кг допускается принимать равным 0,7 для ненару-
шенной выветриванием породы, 0,6 — для слабо выветренной и
0,3 — для выветренной.
Методика определения расчетных сопротивлений грунтовых ос-
нований по условным сопротивлениям, основанная на опыте строи-
тельства и эксплуатации сооружений, не вскрывает, однако, пре*
дельного состояния грунтов по их прочности (устойчивости). Она
предусматривает действие на подошву фундамента только нормаль-
ных (вертикальных) сил и не учитывает действие сил, наклонных к
подошве фундамента. Воздействие внецентренно приложенных вер-
тикальных сил, вызывающих неравномерные давления на грунт,
учитывается повышением на 20% расчетных сопротивлений грунта
под наиболее нагруженной гранью фундамента*.
Определение расчетных сопротивлений исходя из предельного состояния
песчаных оснований для пространственных условий работы фундаментов было
разработано проф. В. Г. Березаицевым *. Расчетное сопротивление песков по этой
методике можно находить при соблюдении условий: 1) мощность слоя песчаного
грунта ниже подошвы фундамента должна быть не менее полуторного размера
меньшей стороны подошвы; 2) отклонение от вертикали равнодействующей
внешних сил в уровне подошвы не должно превышать 5°; 3) относительное за-
глубление h/b (или Л/d) фундаментов не должно превышать четырех. При
* Аналогичные нормативы приведены и в СН 200-62.
8 Решение В. Г. Бсрезанцева было использовано в нормах СН 200-62.
37
Таблица 11.10
Плотность песка Расчетный случай
1а 1б 2а 26
Отпоситслыгое заглубление h/b
Плотный <0,5 0,5—1,5 1,6—1,4 >4
Средней плотности <0,5 0,5—1,0 1,1—1,3 >3
Примечание. При расчетном случае 26 предельное состояние по прочности не до-
стигается и расчет нужно вести только по второму предельному состоянию (иа осадки).
соблюдении этих условий расчетные сопротивления определяются следующим
образом.
По табл. 11.10 в зависимости от относительного заглубления фундамента и
плотности песка устанавливают расчетный случай. Расчетные сопротивления
основания (в тс/мг) для случаев 1а, 16 и 2а находят по формулам табл. (1.11
н табл. 11.12, П.13, если равнодействующая внешних сил проходит внутри ядра
сечения по подошве фундамента, а при относительном заглублении не более
1,5 — если фундамент в процессе осадок не может иметь боковых смещений и
наклонов (например, фундаменты рам с заделанными стойками). Если фундамент
при относительном заглублении менее 1,5 имеет возможность боковых смещений
или наклонов, то расчетные сопротивления определяются по формуле
/? = у, ЪАет,
где А, — коэффициент по табл. 11.12.
Дальнейшее развитие теории предельного состояния грунтов и определения
соответствующих расчетных сопротивлений получило в СНиП 11-15-74 «Нормы
проектирования, оснований зданий и сооружений».
Таблица 11.11
Расчетный случай Формулы расчетных сопротивлений при очертипии полишьы фу Климента
прямоугольном кналрэтноы или круглом
1а R = т^ЬА” + у^ЛВ°) R ~ 'MY|<b4’ + у[ЛВ°)
16 R = mytbA R = WkYi^-Лк
2а R— т'-^ЬА' R - mKytdA'
Примечания. 1. К квадратному очертанию относятся иодошвы с отношением сто-
рон непсе 1,5.
2. В таблице приняты следующие обозначения: Vj— расчетный вес грунта иа уровне
подошвы, тс/м*; V) — приведенный расчетный все грунта, расположенного выше подошвы
фундамента, тс/м*; А. В (с соответствующими иидсксамп) — безразмерные коэффициенты,
приведенные в табл. 11.12 в зависимости от расчетного угла внутреннего трения песка в
основании и относительного заглубления h/b (или h/d)-, т— коэффициенты условия работы,
с соответствующими индексами, приведенные в табл. 11.13 в зависимости от меньшего раз-
мера подошвы фундамента.
38
Таблица 11.12
а ш £ gs Значения коэффициентов при расчетном угле yj, внутреннего трения
S3 л грунта, град
« к »
22 24 26 28 80 ?2 34 86 88 40 42
Ле 0 2 3 4 6 8 11 15 22 31 43 61
0.5 6 8 10 13 18 23 31 41 57 78 108
1 10 13 16 21 27 35 45 60 81 109 140
1.5 13 17 22 28 36 46 60 79 104 135 177
А 0,5 11 12 14 17 22 29 38 53 72 98 137
1 16 18 21 27 35 45 59 77 105 147 204
1.5 20 23 29 36 47 60 78 104 142 195 268
А' 1 10 15 17 22 28 37 48 64 86 113 145
2 17 22 28 35 45 57 74 98 133 176 228
3 23 29 37 46 58 73 94 126 170 226 294
4 28 35 44 55 69 87 112 148 196 264 344
Ас 0,5 8 12 17 23 32 46 67 98 140 200 278
1 14 22 30 40 52 70 94 130 180 260 360
1.5 28 38 50 64 84 ПО 144 194 266 380 528
X 1 15 20 26 35 48 66 95 134 195 287 433
2 24 31 41 55 75 105 153 211 307 452 681
3 31 41 55 73 100 139 202 283 412 607 917
4 37 50 67 89 122 173 250 350 512 756 1145
А° — 4 4.8 6 7,8 10,4 14 19 26,6 37,2 50,6 67,2
£° — 8,2 9,8 12,2 15,4 19,6 25 32,2 42,2 55,4 72 92,2
•Ас — 5,2 6.9 9.4 12,6 17,3 24,4 34,6 48,6 71,3 108 164
— 12 15 18,6 24,8 32,8 45,5 64 87,6 127 185 268
Таблица 11.13
Обозна- чение коэффи- циента Значении коэффициентов при ширине (или диаметре) подошвы фундаыевта. и
2 4 6 8 10 12 14 16 1В 20
т 0,235 0,224 0,212 0,200 0,189 0,177 0,165 0,154 0,142 0,130
т9 0,308 0,290 0,273 0,255 0,238 0,220 0,203 0,185 0,168 0,150
тк 0,153 0,146 0,138 0,131 0,123 0,116 0,108 0,101 0,093 0,086
т* 0,175 0,167 0,158 0,150 0,142 0,133 0,125 0,117 0,108 0.100
Эти нормы распространяются на проектирование фундаментов мелкого за-
ложения культурно-бытовых зданий и промышленных сооружений. По этим
нормам несущая способность основания
Ф = И(Aj fcyj + Bjky'j + DjCj),
(И. 12)
где b, I — приведенные размеры подошвы фундамента, м;
Л — глубина заложения фундамента, м;
Vi — расчетный объемный вес грунта под подошвой фундамента, тс/м®)
Yi —то же, выше подошвы фундамента, тс/м®;
ci — расчетное значение удельного сцепления грунта, тс/м;
Ai, Bi, Di — безразмерные коэффициенты.
39
Рис. IL9. График лля определения
коэффициентов Ху, Хв, Хс
Приведенные размеры подошвы фундамента определяют из условия, чтобы
равнодействующая внешних сил, действующих в уровне подошвы, совпадала-бы
с центром тяжести приведенной прямоугольной подошвы фундамента:
6--= Ь — 2еь
Г=1—Ъц,
где еь, Ci — эксцентриситеты равнодействующей по направлению соответственно
b и /;
b, I — размеры прямоугольной подошвы.
Безразмерные коэффициенты определяются по формулам:
^Г = Ху^уЛу;
где , Х9, Хс — коэффициенты, зависящие от расчетного угла <р внутреннего
трения грунта (рис. IIj9):
i т. ig, lc — коэффициенты, зависящие от угла С наклона равнодействую-
щей к вертикали и от расчетного угла <pi внутреннего трения
грунта (рис. 11.10—11.12);
пт, л9, пе —коэффициенты, зависящие от соотношения п=11Ь^\ сторон
прямоугольной подошвы;
0,25 1,5 0,3
л.= 1 +-------; n„= 1 Ч-------; лс= 1 +-------.
1 п 4 п п
При п>5 фундаменты рассматриваются как ленточные и коэффициенты
Лу, пд, пс принимаются равными единице.
В первом члене формулы (11.12) b—это размер той приведенной стороны
подошвы, вдоль которой ожидается потеря устойчивости грунта. Если наклонная
40
нагрузка н момент вызывают смещение фундамента в разные стороны (см.
рнс. П.6), то расчет нужно производить раздельно, принимая или 6=0, или
е=0. При возможном смещении в одну сторону надо учитывать одновременное
влияние как е, так и 6. Анализируя формулу (11.12), видим, что член в скобках
представляет собой расчетное сопротивление грунта. В нем учтены все факторы,
влияющие иа несущую способность основания. Несущая способность основания
по формуле (П.12) получается большой, особенно для широких фундаментов и
больших значениях угла <j>i. В таких случаях критерием надежности основания
служит уже не первое, а второе предельное состояние. Чтобы сблизить резуль-
таты расчетов по этим двум состояниям и получить расчетные сопротивления
грунтов близкими к апробированным многолетним опытом строительства, нужно
в формулу (11.12) вводить коэффициент условия работы /п<1. Применительно к
транспортным сооружениям коэффициент т может быть принят по табл. 11.13,
коэффициент надежности кн=1,4.
Несущая способность скального основания по СНиП П-15-74
Ф=Ы/?сж
(11.13)
где b, I — то же, что в формуле (П.12);
7?сж — то же, что в формуле (11.11).
Для назначения расчетных сопротивлений грунтовых оснований проф.
Н. Н. Масловым предложена формула
лу. / С. \
7?----------------— Mg т, + ft +----------;---I + Yi*. (И. 14)
ctgft +»I — 0,5л \ YiCtgfi /
Формула (П.14) получена из условия, что области нарушенного равновесия
грунта ограничены наименьшим размером подошвы ленточного фундамента и
под подошву ие заходят. Получаемое при этом предположении сопротивление
грунта рассматривается как «допускаемое» давление под подошвой фундамента
без введения понижающих коэффициентов. Для фундаментов ограниченных раз-
Рнс. II.11. График для определения
коэффициента i9
Рнс. 11.12. График для определения
коэффициента 1е
41
5,71,0
Нозрфициеты несущей mccfiHocmuNeJfy,fy
Рис. 11.13. График Тсрцаги.
Сплошной линией показаны относительна
плотные грунты, пунктирной — слабые
грунты
меров прямоугольных и квадратных выражение (11.14) даст немного занижен-
ное значение R.
Опыт строительства показывает, что формула (11.14) обеспечивает доста-
точную надежность сооружений.
В зарубежной практике проектирования фундаментов мелкого заложения
широкое применение имеет формула проф. К. Тсрцаги:
R= (2frV]A^- + VyhNq + C]Afc).
Кн
Значения безразмерных коэффициентов WT, N4 и Nc в зависимости от угла
внутреннего трения грунта <pi даны на графике (рис. 11.13). Величину т!кя
К. Терцаги рекомендует принимать равной 2—3. Недостатком этой формулы
является неопределенность при отнесении грунтов к «плотным» и «слабым». Вы-
вод ее основан не на решении дифференциальных уравнений предельного равно-
весия, а на произвольном задании поверхностей скольжения объемов грунта,
потерявших устойчивость.
ПЛ. РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ
ОСНОВАНИИ
Деформации грунтов при их сжатии делятся на деформации уплот-
нения и деформации ползучести.
Уплотнение происходит в результате уменьшения пор между
частицами грунта (первичная консолидация), что во влажных и во-
донасыщенных грунтах связано с вытеснением из пор свободной
воды. Вода вытесняется не мгновенно, а в течение некоторого от-
резка времени, причем чем меньше размеры пор, тем длительнее
нарастание деформации. Так, для полного уплотнения глинистых
грунтов иногда требуются десятки лет.
В глинистых грунтах, кроме уплотнения, при некоторых вели-
чинах внешнего давления развиваются деформации ползучести
(вторичная консолидация). Ползучесть — деформация при постоян-
ном давлении — протекает в основном вследствие структурных из-
менений в строении глинистых частиц и водно-коллоидных пленок
связной воды. Деформации ползучести протекают весьма медленно
и в зависимости от величины внешнего давления и других причин
могут быть затухающими и незатухающими. Окончательные дефор-
мации сжатия грунтов носят названия конечных (стабилизирован-
ных) осадок. Для ответственных сооружений конечные осадки
должны быть рассчитаны и сопоставлены с предельно допустимыми
деформациями оснований. Расчет протекания деформаций во вре-
42
пени нормативными документами не требуется. Однако в ряде
случаев, например при совместном расчете системы основание—*
сооружение, такой расчет необходим.
Расчет осадок уплотнения ведется в предположении, что грунт
подчиняется законам линейно-деформируемой среды, когда дефор-
мации линейно зависят от давлений (первая фаза работы грунта,
см. рис. II. 5, а). Теоретически максимальное давление на грунт,
при котором существует линейная зависимость, определяется отсут-
ствием под подошвой фундамента пластических зон (зон с нару-
шенным равновесием). Однако наблюдения за сооружениями пока-
зывают, что небольшое развитие зон пластических деформаций
под гранями фундамента может быть допущено при прогнозирова-
нии осадок. Среднее давление на основание R (в тс/м2), при кото-
ром еще возможно рассматривать грунт как липейно-деформируе-
мую среду, определяется по СНиП 11-15-74 формулой
*= - Т.1'”2' • г.сю . ”-(0.25*у„ + Лу'„ +cn ctg¥lI) =
сЦ>Уц • Vn— и,ол
/71]/712
Ян
4- ВЛуц 4- ^сц) •
(11.14)
где /П|, т3 — коэффициенты условий работы основания, приведенные в
табл. 11.14;
кв — коэффициент надежности;
фп — расчетный угол внутреннего трення грунта, залегающего под
подошвой фундамента;
b — ширина подошвы фундамента, м;
Таблица 11.14
Грунты Коэффициент /ла Коэффициент т, для соору- жения с жесттфй схемой при отношении длины к высоте
>4 <1,6
Крупноблочные с песчаным заполнени- 1.4 1,2 1.4
ем и песчаные, кроме мелких и пылева- тых Пески мелкие: сухие н маловлажные 1,3 1,1 1.3
насыщенные водой 1,2 1,1 1,3
Пески пылеватые: сухие и маловлажные 1,2 1,0 1.2
насыщенные водой 1,1 1.0 1.2
Круниообломочные с глинистым за- 1,2 1.0 1.1
полнсписм н глинистые с консистенцией JrsSO.5 То же, с консистенцией /ь>0,5 1,1 1,0 1.0
Примечании. 1. К жестким относятся конструкции, приспособленные к восприя-
тию дополнительных усилий от деформации основания.
2. Для гибких конструкций
3. При промежуточных значениях J коэффициент т, определяется по интерполяции.
43
Таблица 11.15
Расчетный угол внутреннего трения у град А Я D Расчетный угол внутреннего трения фп, град А Я D
10 0,18 1,73 4,17 30 1,15 5,59 7,95
12 0,23 1,94 4,42 32 1,34 6,35 8,55
14 0,29 2,17 4,69 34 1,55 7,21 9,21
16 0,36 2,43 5,00 36 1,81 8,25 9,98
18 0,43 2,72 5,31 38 2.11 9,44 10,80
20 0,51 3,06 5,66 40 2,46 10,84 11,73
22 0,61 3,44 6,04 42 2,87 12,50 12,77
24 0,72 3,87 6,45 41 3,37 14,48 13,96
26 0,84 4,37 6,90 45 3,66 15,64 14,64
28 0,98 4,93 7,40
Yu — расчетный объемный вес грунта, залегающего под подошвой фун-
дамента, тс/м3;
h — глубина заложения фундамента, м;
*/11 — расчетный объемный вес грунта, расположенного выше подошвы
фундамента, тс/м3;
Си — расчетное значение удельных сил сцепления грунта, расположен-
ного под подошион фундамента, тс/мг;
А, В, D — безразмерные коэффициенты, зависящие от угла внутреннего тре-
пня, приведенные в табл. 11.15.
Коэффициент т2 учитывают при жесткой конструкции надфун-
даментной части сооружения, если в ней предусмотрены меры для
восприятия дополнительных усилий, возникающих при осадках ос-
нований. В остальных случаях, в частности в мостах, если пролет-
ные строения не рассчитывают на деформации грунтов, коэффици-
ент т2 принимают равным единице.
Коэффициент надежности кп зависит от метода определения
расчетных характеристик (<рц- Сц« Ур Уп) грунтов; при определении
путем испытания образцов грунтов ки=1, при определении по таб-
лицам без испытания образцов к„= 1,1.
Для расчета осадок в линейной фазе деформации грунтов необ-
ходимо соблюдение условия
P<R, (П.15)
где р—среднее давление по подошве фундамента от нормативных нагрузок.
В проектировании сооружений наибольшее применение получи-
ли два метода расчета конечных осадок: метод послойного сумми-
рования и метод эквивалентного слоя.
Расчет осадок методом послойного суммирования. Этот метод
применяют при сжимаемых грунтах, залегающих на достаточно
большую глубину. Основание рассматривают как линейно дефор-
мируемое полупространство, загруженное нагрузкой р, равномерно
44
Таблица 11.16
2г г Коэффициент а для фундамента
1 = 1 Е Е круглого прямоугольного с соотношением сторон п—1/b, рапным ленточного при л >10
1 1,4 1.8 2,4 3,2 5
0 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
0,4 0,949 0,960 0,972 0,975 0,976 0,977 0,977 0,977
0,8 0,756 0,800 0,848 0,866 0,875 0,879 0,881 0,881
1.2 0,517 0,606 0,682 0,717 0,740 0,749 0,754 0,755
1.6 0.390 0,449 0,532 0,578 0,612 0,630 0,639 0,642
2 0,285 0,336 0,414 0,463 0,505 0,529 0,545 0,550
2,4 0,214 0,257 0,325 0,374 0,419 0,449 0,470 0,477
2,8 0,165 0,201 0,260 0,304 0,350 0,383 0,410 0,420
3,2 0,130 0,160 0,210 0,251 0,294 0,329 0,360 0,374
3,6 0,106 0,130 0,173 0,209 0,250 0,285 0,320 0,337
4 0,087 0,108 0,145 0,176 0,214 0,248 0,285 0,306
4,4 0,073’ 0,091 0,122 0,150 0,185 0,218 0.256 0,280
4,8 0,067 0,077 0,105 0 130 0,161 0,192 0,230 0,258
5,2 0,053 0,066 0,091 0,112 0,141 0,170 0,208 0,239
5,6 0,046 0,058 0,079 0,099 0,124 0,152 0,189 0,223
6 0,040 0,051 0,070 0,087 0,110 0,136 0,172 0,208
6,4 0,036 0,045 0,062 0,077 0,098 0,122 0,158 0,196
6,8 0,032 0,040 0,055 0,069 0,088 0,110 0,144 0,184
7,2 0,028 0,036 0,049 0,062 0,080 0,100 0,133 0,175
7,6 0,024 0,032 0,044 0,056 0,072 0,091 0,123 0,166
8 0,022 0,029 0,040 0,051 0,066 0,084 0,113 0,158
8,4 0,021 0,026 0,037 0,046 0,060 0,077 0,105 0,150
8,8 0,019 0,024 0,034 0,042 0,055 0,070 0,098 0,144
9,2 0,018 0,022 0,031 0,039 0,051 0,065 0,091 0,137
9,6 0,016 0,020 0,028 0,036 0,047 0,060 0,085 0,132
10 0,015 0,019 0,026 0,033 0,044 0,056 0,079 0,126
11 0,011 0,017 0,023 0,029 0,040 0,050 0,071 0,114
12 0,009 0,015 0,020 0,026 0,034 0,041 0,060 0,104
Примечание. Для промежуточных значений т и ЧЬ коэффициент рассеивания а
определяется интерполяцией.
распределенной по прямоугольной площадке с сторонами I и b
(1>Ь) или по кругу радиуса г. Из курса механики грунтов извест-
но, что давление р с глубиной уменьшается (рассеивается) и на
глубине z от уровня приложения нагрузки оно — под центром пло-
щадок
рг=ар, (11.16)
где а — коэффициент рассеивания, определяемый по табл. 11.16 в зависимости от
параметров 2г/b и 1/Ь, а для круга — от z/r.
Давления под углами прямоугольной площадки находят по
формуле
Руг — 0.25ар,
но а определяют в зависимости от параметра z/b.
Вертикальное давление от той же нагрузки на глубине z под
любой точкой поверхности грунта легко находят по способу «угло-
45
at б)
Рис. 11.14. Схемы к определению дав-
лений методом угловых точек
вых точек», согласно которому для вычисления давления в некото-
рой точке С нужно построить четыре прямоугольника так, чтобы
точка С в каждом из них была бы угловой. Тогда, по принципу не-
зависимости действия сил, давление в точке С будет равно алге-
браической сумме давлений в угловых точках этих прямоугольни-
ков. Так, если точка С лежит внутри основного прямоугольника
ABDE (рис. 11.14, а), то построив прямоугольники /, II, III и IV п
находя для каждого из них в угловой точке С давления p^i, Ргаъ
PzciH Я Pzciv, получим р2С=Pzd+Pzdi+Ргс.ш+Pzdv. Если точка С
лежит вне контура прямоугольника ABDE (рис. 11.14, б), то рк=
=Pzd+Pzcw—Pzcn—Pzcin (в этом случае вводятся фиктивные пло-
щади II и III).
Давление в грунте слагается из давления от собственного веса
грунта и давления, передаваемого фундаментом.
Давление от собственного веса грунта называется бытовым.
На рассматриваемой глубине оно равно весу вышележащего стол-
ба грунта. В слоях, расположенных ниже подошвы фундамента,
возникают дополнительные давления, которые и вызывают дефор-
мации (осадки) грунтовой толщи. Дополнительные давления равны
разности между давлением от фундамента и бытовым давлением:
Рг =аРо= о (P—q/i). (И. 17)
где pt — дополнительное давление иа глубине, считая от подошвы фундамента;
ро — добавочное давление под подошвой фундамента;
р — давление под подошвой фундамента;
— бытовое давление на уровне подошвы фундамента.
Если p>qh, то дополнительное давление уплотняет грунты;
в этом случае его часто называют уплотняющим. Если p<Qh, то до-
полнительное давление отрицательно и тогда оно вызывает разуп-
лотнение грунта. Разуплотнение наблюдается при вскрытии глубо-
ких и широких котлованов, карьеров и пр. После того, как верхний
слой грунта будет удален, вскрытая поверхность, например дно
котлована, не будет испытывать давления и вследствие упругих
свойств грунта ее уровень несколько повысится.
Дополнительное давление может возникнуть и под подошвой
существующего фундамента, если рядом с ним возводится новое
сооружение, что необходимо учитывать при проектировании. В ис-
кусственных сооружениях это может быть при уширении опор,
при возведении нового моста рядом с существующим и т. д. Боль-
шое влияние на осадки устоев оказывают насыпи земляных подхо-
дов, если их отсыпают после возведения устоев; в таких же условиях
находятся подпорные стенки. Действительно, под подошвой фун-
дамента от вертикальных сил и горизонтального давления грунта
46
возникают давления по эпюре 1 (рис. 11.15, а). Если насыпь отсы-
пают после постройки устоя, то от ее веса в грунте возникнут
давления по эпюре 2, которые будут суммироваться с первоначаль-
ными. В результате суммарные давления под подошвой будут
распределены по одной из трех условных эпюр: трапецеидальной
с наибольшей ординатой под передней гранью, прямоугольной и
трапецеидальной с наибольшей ординатой под задней гранью.
В первом случае устой получит крен в сторону пролета, во втором —
осадка будет равномерная, в третьем — крен будет в сторону
насыпи.
Перечисленные виды деформаций устоев наблюдались на ряде
мостов. Для их исправления требовались значительные затраты
средств.
Определение дополнительных давлений, возникающих под по-
дошвой фундаментов устоев от веса насыпей подходов, разработа-
но А. А. Лугой. Им предложены следующие простые формулы
(рис. 11.15, б):
П.15. Схемы к учету веса иа-
47
дополнительное давление от веса насыпи мид задней гранью
фундамента
X=aiVii^'; (И. 18а)
то же, под передней гранью фундамента
Pz= а2Тц^'; (П.186)
дополнительное давление от веса конуса под передней гранью
фундамента
P2=«2Vn«'.
Суммарные давления под подошвой:
Spi =Pi +
Хр2 = Pz + Pz + Рг*
(И. 18в)
(П.18г)
(П.18д)
Здесь рх, р2, Р2 — дополнительные давления, кгс/см2;
-уи — вес грунта насыпи, t<5/m’j
Н' — высота насыпи, м;
Н" — высота конуса, м;
ар а2 — коэффициенты по табл. 11.17;
а*—коэффициент по табл. П.18;
2
Pi, pt — давления под гранями фундамента без учета влияния
веса насыпи.
Стабилизированные (окончательные) осадки фундаментов опре-
деляют от средних давлений на грунт, вызванных нормативными
нагрузками. Методом послойного суммирования осадки вычисляют
в следующей последовательности.
Таблица П.17
Глубина заложения 'фундамента й. м Высота насыпи //', м Значения коэффициен- тов Глубина залпжения фу ша мента й, м Высота насыпи И’, м Значения коэффициен- тов
°; >’ри ширине ПОДОШВЫ, м °1 а' при ширине ПОДОШВЫ, м
<5 10 15 <5 10 15
5 10 0,045 0,010 . 20 10 0,030 0,020 0,015 0,010
20 0,050 0,010 0,005 — 20 0,035 0,030 0,020 0,015
30 0,050 — 0,005 — 30 0,040 — 0,020 0,015
10 10 0,040 0,020 0,005 25 10 0,025 0,020 0,015 0,015
20 0,045 0,025 0,010 0,005 20 0,030 0,030 0,025 0,020
30 0,050 — 0,010 0,005 30 0,035 — 0,020 0,020
15 10 0,035 0,020 0,010 0,005 39 10 0,020 0,020 0,020 0,015
20 0,040 0,025 0,015 0,010 20 0,025 0,030 0,025 0,020
30 0,045 — 0,015 0,010 30 0,039 — 0,025 0.020
48
Таблица П.18
Глубина заложения фундамента й, м Значение коэффициента при нысоте насыпи Н* 9 м Глубниа заложения фундамента ft, м Значевис коэффициента а? ЛрИ высоте насыпи Н'9 м
10 20 30 10 20 30
5 0,04 0,05 0,06 20 0,01 0,02 0,03
10 0.03 0,04 0,05 25 0,00 0,01 0,02
15 0,02 0,03 0,04 30 0,00 0,00 0,01
1. Определяют среднее давление по подошве
нормативных нагрузок
2лг А + Pi + Pi
Р= г
фундамента от
(11.19)
где S/V — сумма вертикальных сил;
F — площадь подошвы фундамента.
Если влияние веса насыпи не учитывают (например, при рас-
чете осадок промежуточных пор моста), то последний член в фор-
муле (11.19) отсутствует.
2. Строят эпюру бытовых давлений от собственного веса грун-
та (рис. 11.16).
Для этого вычисляют бытовое давление на глубине z/ от кров-
ли i-ro слоя
1—1
Чг‘~ + (II.20а)
Объемный вес водопрони-
цаемого грунта определяют с
учетом взвешивания его водой,
а бытовое давление в водоне-
проницаемых слоях по фор-
муле
f—i
Ч r=(П.206)
‘t I
Здесь уп < — объемный вес i-ro слоя;
hi — мощность (толщина) i-ro
слоя;
hB—глубина воды над водо-
упорным слоем.
3. Вычисляют дополнительное
(уплотняющее) давление под
подошвой фундамента:
А)=Р — Чь- (П-21)
~л TZAWW.^’/'AWy
Рис. 11.16. Схема к расчету осадок
фундамента методом послойного сум-
мирования
49
4. Пользуясь табл. 11.16, определяют дополнительные давления
для точек, расположенных па разных глубинах z под центром по-
дошвы фундамента:
Pz = Plfl- (П.22)
Дополнительные давления определяют для всех границ раздела
различных слоев грунтов, а внутри каждого слоя — приблизительно
через каждые 0,4 Ь. Эпюру дополнительных давлений строят на уча-
стке от подошвы фундамента до той глубины znKT, на которой допол-
нительное давление PzaKf составляет 20% бытового д^ап - Толща
грунта высотой zaKT (см. рис. 11.16) называется активной зоной.
5. Вычисляют осадку фундамента, равную сжатию грунтов в
пределах активной зоны:
л*- 0,8 Рг Л- («-23>
где Pz — дополнительное давление на глубине г верхней границы элементарного
слоя, тс/м2;
Pi+д— дополнительное давление на глубине (z+Д) нижней границы элемен-
тарного слоя, тс/м2;
Ео< — модуль деформации /-го слоя грунта, тс/м2;
Д—толщина элементарного слоя, выделенного из слоя I однородного
грунта, м;
0,8 — обобщенный коэффициент, учитывающий стесненность бокового рас-
ширения грунта.
Знак суммы распространяется на всю высоту активной зоны.
Модуль деформации Еы определяют по результатам испытаний
грунтов строительной площадки пробными статическими нагрузка-
ми или по результатам лабораторных испытаний грунтов на сжи-
маемость на приборе трехосного сжатия. В качестве ориентировоч-
ных значения Еы можно принимать по табл. II.1 и II.3.
Вычисление осадок рекомендуется производить в табличной
форме:
Если в пределах активной зоны аШ(Т залегает слой плотного не-
сжимаемого грунта (например, скальная порода), то осадки опре-
деляют с учетом ограниченной толщины сжимаемых грунтов. По
Б0
СНиП 11-15-74 сжимаемая толщина грунта в этом случае прини-
мается до кровли несжимаемого слоя, за который принимается
грунт (порода) с модулем деформации £о= 1000 кгс/см2. Для фун-
даментов с большой площадью основания (Ь или d>10 м) при мо-
дуле деформации грунтов Ео^1ОО кгс/см2 расчетная толщина сжи-
маемого слоя
fi0 + tb.
Осадка S фундамента при конечной мощности Н сжимаемой
толщи вычисляют по формуле
S = ЬрМ
(11.24)
Здесь Но, t — принимают равными при глинистых грунтах соотпстствснно
9 м и 0,15, при песчаных —бми 0,1;
р— среднее давление па грунт под подошвой фундамента (без
вычета бытового давления);
п — число слоев с различными £0<;
Kt — коэффициент для i-ro слоя, приведенный в табл. 11.19 и зави-
сящий от параметров ЦЬ и 2а/Ь для прямоугольника и z/r
для круга;
М — коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в уров-
не кровли несжимаемого слоя для пределов отношения
т'=2Н!Ь или т'=Н!г:
При 0<т'^0,5..................................../1=1,0
» 0,5<т'«£1.................................. /1=0,95
» 1<т'^2..................................... /1=0,90
» 2<т'СЗ..................................... /1=0,80
» 3<m'sg5.................................... /1=0,75
Расчет осадок по методу «эквивалентного слоя» (метод Н. А. Цы-
товича). Расчет осадок послойным суммированием требует доволь-
но громоздких вычислений. Кроме того, он основан на ряде допуще-
ний, снижающих точность определения осадок (осредненный коэф-
фициент поперечной деформации грунта, условность ограничения
активной зоны и пр.). Этих недостатков лишен метод «эквивалентно-
го слоя», разработанный Н. А. Цытовичем. «Эквивалентным слоем»
называют толщу грунта, которая при нагрузке р0, распределенной
по неограниченной площади загружения (одномерная задача),
дает осадку, равную осадке того же грунта, загруженного той же
нагрузкой ро, но по ограниченной площади (пространственная за-
дача).
На рис. П.17 показана схема к расчету осадки фундамента ог-
раниченных размеров и эквивалентная ей расчетная схема осадки
грунта при неограниченной нагрузке. В последнем случае осадку
равную осадке фундамента, определяют по простой формуле ком-
прессионного сжатия
h^ClQPQ.
(П.25)
51
Таблица 11.19
2г гл— Ъ или Коэффициент К[ для фундамента
круглого прямоугольного с соотношением сторон равным
Z г радиусом г 1 1.4 1,8 2.4 3.2 5 ирн п>10
0,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
0,4 0,090 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,104
0,8 0,179 0,200 0,200 0,200 0,200 0,200 0,200 0;208
1,2 0,266 0,299 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,311
1.6 0,348 0,380 0,394 0,397 0,397 0,397 0,397 0,412
2,0 0,411 0,446 0,472 0,482 0,486 0,486 0,486 0,511
2,4 0,461 0,499 0,538 0,556 0,565 0,567 0,567 0,605
2,8 0,501 0,542 0,592 0,618 0,635 0,640 0,640 0,687
3,2 0,532 0,577 0,637 0,671 0,696 0,707 0,709 0,763
3,6 0,558 0,606 0,676 0,717 0,750 0,768 0,772 0,831
4,0 0,579 0,630 0,708 0,756 0,796 0,820 0,830 0,892
4,4 0,596 0,650 0,735 0,789 0,837 0,867 0,883 0,949
4,8 0,61] 0,668 0,759 0.819 0,873 0,908 0,932 1,001
5,2 0,624 0,683 0,780 0,884 0,904 0,948 0,977 1,050
5,6 0,635 0,697 0,798 0,867 0,933 0,981 1,018 1,095
6,0 0,645 0,708 0,814 0,887 0,958 1,011 1,056 1,138
6,4 0,653 0,719 0,828 0,904 0,980 1,031 1,090 1,178
6,8 0,661 0,728 0,841 0,920 1,000 1,065 1,122 1,215
7,2 0,668 0,736 0,852 0,935 1,019 1,088 1.152 1,251
7,6 0,674 0,744 0,863 0,948 1,036 1,109 1,180 1,285
8,0 0,679 0,751 0,872 0,960 1,051 1,128 1,205 1,316
8,4 0,684 0,757 0,881 0,970 1,065 1,146 1,229 1,347
8,8 0,689 0,762 0,888 0,980 1,078 1,162 1,251 1,376
9,2 0,693 0,768 0,896 0,989 1,089 1,178 1,272 1,404
9,6 0,697 0,772 0,902 0,998 1,100 1,192 1,291 1,431
10,0 0,700 0,777 0,908 1,005 1,110 1,205 1,309 1,456
11,0 0,705 0,786 0,922 1,022 1,132 1,233 1,349 1,506
12,0 0,710 0,794 0,933 1,037 1,151 1,257 1,384 1,550
Рис. 11.17. Схема к расчету осадок методом «эквивалентного слом»
Б2
Мощность эквивалентного слоя находится по формуле Н. А. Цы-
говича
h9 = Av>b
при
, а-»)2
(П.26)
Здесь ha — толщина эквивалентного слоя грунта, см;
во — коэффициент относительной сжимаемости грунта, см2/кгс;
Ро— добавочное (уплотняющее) давление, кгс/см2;
А — коэффициент, зависящий от коэффициента Цо бокового расшире-
ния грунта;
<о — коэффициент, зависящий от размеров и формы подошвы фунда-
мента, а также от его жесткости;
b — ширина подошвы фундамента, см.
Для прямоугольной подошвы фундаментов со сторонами b и I
(Ь<1) значения коэффициента Ли для абсолютно гибкого (Асоо)
и абсолютно жесткого (Aoconst) фундамента приведены в
табл. П.20.
Активную зону сжатия грунта под фундаментом (см. рис. П.17)
приближенно определяют заменой криволинейной эпюры давлений
в грунте треугольной с вершиной на глубине НЛК1=2НЪ.
Осадка каждой точки при абсолютно гибком фундаменте нахо-
дится способом угловых точек, полагая для угловой точки С пря-
моугольника
Ai>c?= 0,5Л<о0.
Таблица 11.20
Галька
н гравий
Пески
Суглинки пластичные
Твердые глины и суглинки
Сумеем
Глины
пластичные
ро 0,3 ро- 0,35
Глины
и суглинки
ынгкоиластнч»
ныс
1
1.5
2
3
4
5
6
7
8
9
>10
1,13
1,37
1,55
1,81
1,99
2,13
2,25
2,35
2,43
2,51
2.58
0,89
1,09
1,23
1,46
1,63
1.74
2,15
1,20
1,45
1,63
1,90
2,09
2,24
2,37
2,47
2,56
2,64
2,71
0,94
1,15
1,30
1,54
1,72
1,84
2,26
1,26
1,53
1,72
2,01
2,21
2,37
2,50
2,61
2,70
2,79
2,86
0,99
1,21
1,37
1,62
1,81
1,94
2,38
1,37
1,66
1,88
2,18
2,41
2,58
2,72
2,84
2,94
3,03
3,12
1,08
1,32
1,49
1,76
1,97
2,11
2,60
1,58
1,91
2,16
2,51
2,77
2,96
3,14
3,26
3,38
3,49
3,58
1,24
1,52
1,72
2,01
2,26
2,42
2,98
2,02
2,44
2,76
3,21
3,53
3,79
4,(Х)
4,18
4,32
4,46
4,58
1,58
1,91
2,20
2,59
2,90
3,10
3,82
53
При слоистом напластовании грунтов нужно в формулу (П.25)
вместо ао подставлять среднее значение коэффициента относитель-
ной сжимаемости
I—л
аоср— ——1 2---------• («-27)
2ЛЭ
где hi — мощность t-го слоя грунта в пределах активной зоны;
вы — коэффициент относительной сжимаемости i-ro слоя;
Zi — расстояние от середины i-ro слоя до вершины треугольной эпюры уп-
лотняющих давлений.
Эквивалентный слой Лэ определяют для среднего значения коэф-
фициента цо-
Расчет фильтрационной консолидации. При фильтрационной консолидации
осадка St за время I, считая от начала загружепня грунта постоянным доба-
вочным давлением, вычисляется по формуле
S,= VS, (П.28)
-где S — конечная (стабилизированная) осадка уплотнения;
V — степень консолидации.
Степень консолидации зависит от физических свойств глинистого грунта,
условий его загружения и условий фильтрации. Если фильтрация возможна
только в нем (рис. 11.18), то в зависимости от закона распределения уплотняю-
щего давления в толще глинистого грунта будут наблюдаться три случая степе-
-ни консолидации;
случай 0 — уплотняющее давление постоянно по глубине (рис. 11.18, а):
Vo =
т—1,3—
e-mW
(II. 29а)
случай I — уплотняющее давление распределяется по закону треугольника с
вершиной вверху (рис. 11.18, б):
Г,-1—У (I1.2M)
тл \ z /
т-1,3...
случай II — уплотняющее давление распределяется по закону треугольника
-с вершиной внизу (рис. 11.18, в):
«° г лт 1
V2= 1 -S "М1 2sin~]e“mw <п-29в>
tv m* 11 — I
771 — 1,3... Jtffl —I
«4» (« 30)
4Л2
Кф
Cjf— •
floYw
Здесь h — толщина уплотняемого грунта, см;
t—время уплотнения, с;
с®—коэффициент консолидации, см2/с;
k< — коэффициент фильтрации грунта, см/с;
во — коэффициент относительной сжимаемости грунта, смг/кгс;
yw — удельный вес воды, кгс/см3;
е — основание натуральных логарифмов.
S4
Значения N для этих случаев эагружения и различной степени консолида-
ции V приведены в табл. 11.21. Пользуясь таблицей и задаваясь величиной V,
находят N и по формуле (11.30) определяют время t, за которое грунт получит
осадку St. Если грунт уплотняется давлениями, изменяющимися по закону тра-
пеции, то N находится по формулам:
случай 0—I при poi<Pm (рис. 11.18, г)
^oi=^o + (^i —
случай 0—II при ры>р<я (рис 11.18, д)
^OII=^2 + (^o-^2)J'-
Значения интерполяционных коэффициентов / и /' в зависимости от отноше-
ния poi/poz приведены в табл. П.22.
Фильтрация воды из пор грунта возможна, если уплотняющее давление пре-
высит структурную прочность грунта, а паровое давление превысит начальный
градиент фильтрации. Это учитывается множителем В перед знаком £ в форму-
лах (П.29а), (11.296) и (П.29в). С учетом сжимаемости поровой воды
1
1 + а^~- п₽0
во
Таблица 11.21
V Величина ТУ для случая V Величина ТУ для случая
0 I п 0 I II
0,1 0,02 0,12 0,005 0,6 0,71 0,95 0,42
0,2 0,08 0,25 0,02 0,7 1.0 1,24 0,69
0,3 0,17 0,39 0,06 0,8 1,40 1,64 1,08
0,4 0,31 0,55 0,13 0,9 2,09 2,35 1,77
0,5 0,49 0,73 0,24 0,95 2,80 3,17 2,54
65
Таблица II.2B
Ро if Роя / Poi/Роя /' |РО1/Ро* / PoJqot /' 1 Аи/Ро* I PtllPu r
0,0 1.0 1 1.0 0,4 0,46 4 0,45 0,8 0,12 12 0,20
0,1 0,84 1.5 0,83 0,5 0,36 5 0,39 1 0,9 0,06 15 0,17
0,2 0,69 2 0,71 0,6 0,27 7 0,30 1 0,0 20 0,13
0,3 0,56 3 0,55 0,7 0,19 9 0,25
при коэффициенте сжимаемости поровой воды
aw=-^-(l-G)
Ра
и начальном коэффициенте порового давления
Р
Здесь ра — атмосферное давление, кгс/см2;
С — коэффициент водонасыщения грунта;
п — пористость грунта;
Рстр — структурная прочность грунта, кгс/см1;
р — давление на грунт, при котором возникает фильтрация воды,
кгс/см2.
Если возможна двусторонняя фильтрация воды вверх и вниз (рис. 11.18, г),
то при постоянном уплотняющем давлении вместо мощности h сжимаемого слоя
нужно подставить величину 0,5h и расчет вести по случаю 0. При внешней уп-
лотняющей нагрузке, расположенной по площади прямоугольника (рис. 11.19),
что соответствует воздействию фундаментов, h приравнивается активной зоне,
равной 2h0, где h„— эквивалентный слой грунта, определяемый по формуле
(11.26).
В зависимости от напластования грунтов будем иметь при этом следующие
возможные случаи.
Толща глинистого грунта превышает (или равна) активную эону, фильтра-
ция воды только вверх (рис. П.19, а), расчет ведется по случаю II при h—ha;
толща глинистого грунта равна активной эоне, фильтрация воды вверх в
вниз (рис. 11.19, б), расчет ведется по случаю 0 при h=ha\
толща глинистого грунта меньше активной зоны, фильтрация воды вверх
и вниз (рис. 11.19, в), расчет ведется по случаю О—II при vJShf,
толща глинистого грунта меньше активной зоны, фильтрация воды только
вверх (рис. 11.19, г), расчет ведется по случаю 0—II при ft—hra.
Рнс. 11.19. Схемы к расчету фильтрационной консолидации при ограниченном
загруженпи
56
Расчет осадок с учетом ползучести грунтов. Протекание осадок фундаментов
во времени зависит не только от выжимания воды из пор грунта, но также и от
его ползучести. Ползучесть присуща глинистым грунтам. При твердой и полу-
твердой их консистенции осадки ползучести могут превышать фильтрационные
осадки в 1,5—2 раза.
Ползучесть возникает при давлениях на грунт, превышающих его структурную
прочность, когда жесткие связи между его частицами оказываются разрушенны-
ми. В начальный период в фазе неустановившейся ползучести, деформации на-
растают относительно быстро главным образом за счет все большего разрушения
структурных связей и закрытия имеющихся в грунте микротрещии. Далее насту-
пает фаза установившейся ползучести. В этой фазе происходит сложный процесс
постепенного разрушения водноколлоидных связей с одновременным образова-
нием новых. Если разрушение этих связей опережает образование новых, то
деформации ползучести не затухают и переходят в прогрессирующую ползучесть.
В противном случае деформации ползучести постепенно затухают и прекраща-
ются. Прогрессирующая ползучесть грунтов оснований недопустима, так как
приводит к полному разрушению сооружения.
Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что объемной
ползучести глинистых грунтов, вызывающей осадки фундаментов, в наибольшей
степени соответствует модель линейной наследственной ползучести Больцмана —
Вольтсрра. Согласно этой модели осадка грунта при безграничном в плане нагру-
жении (одномерная задача)
S,= ha’o [1 + -|-(1 -е-’-*) 1 р,
L ei J
где h — мощность сжимаемой толщи;
р — равномерно распределенное внешнее давление;
До' — относительный коэффициент первичной консолидации при р=1;
б, б| — параметры ползучести, определяемые специальными опытными иссле-
дованиями образцов грунта.
При действии местной нагрузки (пространственная задача) А=ЛЭ.
В общем случае осадка глинистого грунта зависит как от ползучести, так и
от фильтрационной консолидации. Решение этой задачи получено школой
Н. А. Цытовича (Ю. К. Зарецким и др.) в рядах, аналогичных фильтрационной
консолидации. Для практических целей достаточно принять первые члены рядов.
Тогда осадка St, накопленная за время t от начала загружения, выразится
следующими формулами:
при двусторонней фильтрации и треугольной эпюре уплотняющих давлений
(см. рис. 11.19, б);
Sf = АэД()Д)в1Х
—Mt 1
881 е
л2
,-Л«
I—
Л2
I —е
8i Artest, ]
'' ®i -F Ь
при односторонней фильтрации вверх и треугольной эпюре уплотняющих
давлений (см. рис. 11.19, а)
S/ = АэОоРо81 X
при
М =
4А2э
Обозначения прежние.
57
Расчет деформаций смещения. Наблюдения за подпорными степами, устоями
мостов и другими аналогичными сооружениями, подверженными односторонним
постоянно действующим горизонтальным сдвигающим силам (например, давле-
нию земли), показывают, что при основаниях, сложенных глинистыми грунтами,
при некоторых условиях в этих сооружениях возникают длительные деформации
смещения (горизонтальные сдвиги). Причина этих деформаций — ползучесть глин
под действием касательных напряжений. Исследование этого явления и' разра-
ботка инженерного метода расчета сооружений па ползучесть сдвига было вы-
полнено Н. Н. Масловым и его учениками.
Так же как и объемная, ползучесть сдвига может быть неустаиовившсйся,
установившейся, затухающей и прогрессирующей. Прогрессирующая ползучесть
недопустима, так как приводит к полному разрушению сооружения. Допусти-
мость затухающей ползучести определяется величиной конечных деформаций
и скоростью их протекания и зависит от назначения конкретного сооружения.
Ползучесть сдвига находится в прямой зависимости от прочности глинистых
грунтов па сдвиг:
tpw = Рп tg f W + •
где Три — сопротивление грунта сдвигу;
фи — истинный угол внутреннего трения грунта;
рп — нормальное к площадке сдвига напряжение;
Ёи — водно-коллоидные связи грунта;
се — структурное (жесткое) сцепление.
Все величины в этой формуле, кроме Сс, зависят от влажности грунта 17
(что подчеркивается индексом w в ее написании).
Если сдвигающее напряжение меньше три, т. е.
1!<Pntgfw + 2«p + Cc,
то деформации сдвига отсутствуют. Но если будут преодолены силы трсиия и
структурное сцепление, то в рассматриваемой точке возникнет ползучесть, об-
условливаемая водио-коллоидными связями. Таким образом отсутствие деформа-
ций ползучести может быть записано в виде
ч < Tllm = PntgS’w + Cc»
где Tim — названа Н. Н. Масловым «порогом ползучести».
Характер протекания ползучести во времени зависит от водно-коллоидных
связей грунта. Водно-коллоидным связям присущи свойства вязкости. Вяз-
кость измеряется коэффициентом вязкости т], зависящим от свойств вязкого
тела и условий протекания вязкого течения. Для глинистых грунтов коэффициент
вязкости зависит тоже от времени действия сдвигающего давления. Эксперимен-
тами установлено, что при затухающей ползучести коэффициент вязкости в
момент времени t от начала загружеиия
’!г=г(к-(Чк-тл)-‘1/, (11.31)
где По—начальная вязкость при/=0;
т)к — конечная вязкость при t= со;
р — параметр, зависящий от природных свойств глинистого грунта.
Величины вязкости1 находят специальными испытаниями образцов грунта
в лабораторных условиях. Для предварительных расчетов значения i) можно
принимать по табл. 11.23.
Зная 1), параметр р можно найти, логарифмируя выражение (11.31):
Рассматривая задачу в плоской постановке и прикладывая к подошве фун-
дамента шириной Ь и длиной, равной единице, горизонтальные касательные рав-
1 Единица динамической вязкости — пуаз; 1 пз=1 кгс-с/м1 (килограмм-сила-
секунда на квадратный метр).
58
Таблица П.23'
Консистенция гли- нистого грунта Коэффициент вязкости, 118 Консистенция гли- нистого грунта Коэффициент вэзкрстн, не
Чо т-к По
Мягопластичная alow a 1012 I1олутвсрдая О1014 О1015
Тугопластичная al 012 a low Твердая alOW О1017
Примечание. Коэффициент о=1 9.
иомерно распределенные усилия qo (рис. 11.20), Н. Н. Маслов получил выраже-
ние для горизонтального смещения подошвы фундамента:
( 2on b Г/ V \
Х=£Д л arCtg'2D’ — LV— _2"£7‘e,,,o’ + CtJ| Х
х|—~ + ~~~In
I Чк И!к Чо !
где р — вертикальное давление на грунт по подошве фундамента;
у — объемный вес грунта;
D — активная эона (толща) грунта, подвергающаяся деформациям ползу-
чести.
Активная зона представляет ту толщу грунта, в которой касательные на-
пряжения превышают порог ползучести. Из этого положения определяется вели-
чина D. Приравнивая касательные напряжения пол осью фундамента на глуби-
не z порогу ползучести, получим
2о0 I b 2bz \
— (ar ctg tg +Сс-
Рис. 11.21. График к определению ак-
тивной зоны
Рис. П.20. Схема к расчету ползуче-
сти сдвига
59
Значение z, удовлетворяющее этому равенству, и будет равно толщине D.
активной зоны. Решать эти уравнения проще всего графически, строя кривую
2g0 ( b 2bz \
и прямую
/2 (*)=(/> + уг) tg <pw + сс.
Точка пересечения этих функций даст ординату z=D (рис. 11.21).
Для предварительных расчетов можно принимать D=0,5b.
Расчет просадок просадочных грунтов. Как указывалось, просадочным, грун-
там свойственны при замачивании просадки. По данным опытов величина отно-
сительной просадки, определяемая формулой (II.7), зависит от давления р на
рассматриваемый слой грунта. Давление р должно быть при этом больше на-
чального просадочного давления рВР. Так как в толще грунта давления не по-
стоянны (от собственного веса они с глубиной возрастают, а от давления фун-
дамента уменьшаются), то для расчета просадок необходимо в лабораторных
условиях найти зависимость 6пр от внешнего давления р. Эту зависимость нахо-
дят, испытывая образцы грунта ненарушенной структуры, при заданном давле-
нии с последующим замачиванием до полного водоиасыщеиия. Определив затем
давление pt иа i-й слой грунта от его веса и внешней нагрузки, передаваемой
фундаментом, находят 6пр< по формуле (П.7) и далее искомую вел1пшну про-
садки
Sup = 2-„Рz hftn, (II .32)
где hi — толщина 4-го слоя грунта;
т— коэффициент условия работы, принимаемый для фундаментов шириной
12 м и более, равным 1, а для ленточных фундаментов шириной до 3 м
и прямоугольных шириной нс более 5 м по формуле
т= 0,5+ 1,5(р — рпр), (11.33)
где р — среднее давление по подошве фундамента кгс/см* (рпр—то же, в
кгс/см*, так как коэффициент 1,5 имеет размерность см*/кгс).
При других размерах фундаментов коэффициент т находят интерполяцией
между 1 и значением, определенным по формуле (11.33).
При вычислении Sup знак £ распространяется на всю просадочную толщу,
нижней границей которой служит условие 6пр=0,1.
Расчет креиов. Креи фундаментов наблюдается в двух случаях:
1. На подошву фундамента действует вертикальная сила, приложенная на
расстояние е от центральной оси, и создающая, следовательно, момент M=Ne.
В результате под подошвой возникают неравномерные давления на грунт и фун-
дамент оседает больше той гранью, под которой напряжения больше.
2. Грунты под фундаментом неоднородны по сжимаемости.- При таком на-
пластовании грунтов крен может возникнуть и при центрально приложенной
внешней силе N в сторону более слабого грунта. Крен измеряется тангенсом
угла наклона.
При мелком заложении в однородных грунтах крен фундамента с прямо-
угольной подошвой определяется по формулам:
в направлении большей стороны подошвы /
1 —8We/
в направлении меньшей стороны подошвы в b
1-1*
Е0
8Neb
Kb~'
60
Таблица 11.24
Отношение сторон прямо- угольника *1 Отношение сторон прямо- угольника К1 КЬ Отношение сторон прямо- угольника ki *ь
1.0 0,5 0,5 1.8 0.83 0,33 3,2 1,10 0,19
1.4 0,71 0,39 2,4 0,97 .0,25 l5,0 1,44 0,13
где ед еь — эксцентриситет приложения силы N соответственно вдоль стороны
I и Ь;
кь кь — коэффициенты, зависящие от отношения сторон и приведенные в
табл. 11.24;
£о> М — средние по сжимаемой толще модуль деформации и коэффициент
Пуассона грунта.
Под сжимающей толщей понимают активную зону сжатия грунта при дей-
ствии силы N.
Для фундамента с круглой подошвой крен
где е — эксцентриситет силы N;
г — радиус подошвы фундамента;
к.— коэффициент, зависящей от отношения г к толщине h активной зоны
сжатия:
Л/г.................... 0,25 0,5 1,0 2,0 >2,0
Кг..................... 0,26 0,43 0,63 0,74 0,75
Если напластование грунтов под фундаментом неоднородное, то крен может
быть вычислен по осадкам его граней. Так, крен фундамента прямоугольной по-
дошвы в направлении стороны Ь будет
$1 —$2
где Sg — осадки середин противоположных граней фундамента, определяе-
мые способом угловых точек.
Глава III
ИСКУССТВЕННО УКРЕПЛЕННЫЕ
ОСНОВАНИЯ
111.1. ЗАМЕНА И УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ
Под искусственно укрепленными понимают грунтовые и скальные
основания, механические свойства которых улучшены путем изме-
нения их природного состояния. Меры, с помощью которых удается
улучшить грунтовые основания, могут быть (по Н. А. Цытовичу)
механическими, физическими и химическими. Первые сводятся к
замене слабых грунтов более прочными или их уплотнению, вто-
рые — к осушению, а в некоторых условиях — к обводнению грунтов
(например, лёссовидных), третьи—<к созданию новых, более проч-
ных связей между частицами грунта химическими реактивами,
цементацией, термическим и электрохимическим закреплением.
Если под подошвой фундамента залегают слабые, сильно сжи-
маемые грунты, то их удаляют на некоторую глубину и заменя-
ют песчапой подушкой (рис. Ш.1). Песчаная подушка за счет
рассеивания в ее толще давлений от фундамента снижает напря-
жения в слабом грунте и тем самым повышает несущую способ-
ность, а также уменьшает сжимаемость основания.
Высота подушки hn должна быть такой, чтобы давление па сла-
бый грунт не превышало его несущей способности. Для этого не-
обходимо соблюсти неравенство:
+ а (/>„ — ф) </?.
где — давление от веса грунта на глубине Н;
а — коэффициент рассеивания давлений (см. табл. 11.16);
рп — среднее давление под подошвой фундамента на песчаную подушку;
qh(t — бытовое давление на уровне подошвы фундамента;
R — расчетная несущая способность слабого грунта на глубине II.
Ширину подушки можно найти по формуле Б. И. Долматова,
полученной из условия устойчивости подушки, окруженной слабым
грунтом:
Vi (6ф + с)2 tg р [ (Ь$ + с) tg р + 2Лф
Р"~ 2Ьф I (^ф + с) tg (Р — фн.)
_________-----------via.] (ш.1)
(6ф + с)21вР Vi J
где уч - • объемный вес слабого грунта;
Уш — объемный вес грунта подушки;
— угол внутреннего трения грунта подушки.
Остальные обозначения прежние (см. рис. III.1).
62
Задаваясь произвольно размером с и найдя угол р, из выраже-
ния (III.1) находят ри. Устойчивость подушки считается обеспечен-
ной, если Рп равно среднему давлению под подошвой фундамента,
увеличенного на коэффициент запаса 1,1.
Песчаные подушки отсыпают из чистого крупнозернистого пес-
ка слоями толщиной 15—20 см, поливают водой и тщательно уплот-
няют до плотности 1,6—1,7 тс/м3. Применение песчаных подушек
не рекомендуется при переменном уровне грунтовых вод, когда воз-
можно заиливание песка. При лёссовых грунтах песчаные подуш-
ки способствуют увлажнению и просадкам грунта. В этих случаях
подушки делают из глины или местного перемятого грунта.
Уплотнение грунтов достигается укаткой, трамбованием,
вибрированием, устройством песчаных и грунтовых свай. Укатку
катками применяют для уплотнения супесей, суглинков и глин с
коэффициентом водонасыщения не более 0,7. При соответствующей
массе катка и числе проходов удается уплотнить групт на глубину
до 1—1,5 м. Более глубокое уплотнение достигается тяжелыми ме-
ханическими, дизельными или пневматическими трамбовками.
Трамбование производят до тех пор, пока не будет достигнут «от-
каз> — понижение поверхности грунта от удара трамбовки на
постоянную величину, равную 1—2 см для глинистых грунтов, 0,5—
1 см для песчаных и 1—1,5 см для лессовидных. Наиболее простой
и часто применяемый способ уплотнения — трамбование механиче-
скими трамбовками, при котором трамбовки массой от 2 до 4 т
сбрасывают краном с фрикционной лебедкой с высоты 4—5 м.
Массу и диаметр основания трамбовки назначают исходя из ста-
тического давления трамбовки на групт, принимаемого равным для
песчаных грунтов 0,15 кгс/см2, для глинистых 0,2 кгс/см2. При вы-
соте сбрасывания трамбовки 3,5—4 м. глубину уплотнения h ориен-
тировочно можно определять по формуле
h= xd
где d — диаметр трамбовки, обычно принимаемый равным 1—1,5 м;
к — коэффициент, равный: для песка 1,55, супеси— 1,45, глин—1, просадоч-
ных грунтов— 1,3.
Уплотнение грунта трамбованием возможно, если его водопа-
сыщепие не превышает 0,6. Грунт считается уплотненным, когда
объемная масса его скелета на нижней границе уплотняемого слоя
достигнет 1,6—1,75 т/м3 для глин и суглинков и 1,6 т/м3 для песков
и просадочных грунтов. Зона уплотнения должна превышать раз-
меры подошвы фундамента на 0,6—1,6 м.
Рис. III.1. Песчаная подушка:
/ — фундамент; 2 — песок (гравий)
63
Поверхностное уплотнение трамбовками целесообразно, если
понижение поверхности грунта при трамбовании составляет пе ме-
нее 5 см для песков и 8 см для глинистых грунтов.
Рыхлые пески могут быть уплотнены на глубину 5—7 м с помо-
щью обычных вибраторов типа «булава» или специальных гидро-
вибраторов с частотой колебаний до 3000 мин-1. При вибрации на-
рушается трение между частицами песка н песок переходит в
вязкое состояние, при котором более крупные зерна топут, уклады-
ваясь более плотно, мелкие всплывают и откладываются вблизи
поверхности. В результате песок уплотняется и его несущая способ-
ность возрастает в несколько раз. Для снижения внутреннего тре-
ния песок увлажняют до полного водопасыщепия. Образующиеся
вокруг вибраторов воронки заполняют чистым крупнозернистым
песком. Радиус действия вибратора в зависимости от его мощ-
ности и рыхлости песка составляет от 0,8 до 1,5 м.
При уплотнении слабых песков песчаными сваями в грунт за-
бивают стальные инвентарные трубы-оболочки диаметром 400—
500 мм с раскрывающимся четырехстворчатым дном. При забивке
труба раздвигает и уплотняет грунт. Затем оболочку заполняют
песком. При извлечении оболочки ее дно раскрывается и песок за-
полняет образующуюся скважину. Песок должен быть крупно- или
среднезернистым, насыщенным водой и не содержать пылеватых п
илистых частиц более 3%. Оболочки рекомендуется погружать виб-
ропогружателями. Как показывают наблюдения, при таком способе
устройства песчаных свай слабый грунт уплотняется в зоне до трех
диаметров сваи.
Длина песчаных свай определяется мощностью активной зопы
и допустимым давлением па нижележащие неуплотненные слои.
Сваи располагают в углах равносторонних треугольников па рас-
стоянии
£=0,925dV —?‘У-Л
где d—диаметр сваи, м;
У1упл — объемный вес уплотненного грунта, тс/м3;
yi — объемный вес грунта до уплотнения, тс/м3.
Требуемый объемный вес угупл определяют, исходя из давления
на грунт под подошвой фундамента. Если Супл — коэффициент по-
ристости грунта после его уплотнения, соответствующий требуемо-
му расчетному сопротивлению, то
7; - (1+0.01Г),
1 г cyivi
где у. — удельный вес грунта, тс/м3;
W — влажность грунта до уплотнения, %.
Для уплотнения лёссовидных грунтов применяют грунтовые
сваи. Скважины заполняют местным перемятым грунтом. Скважи-
ны в лёссовом грунте можно сделать, забивая в грунт инвентарный
64
сердечник или подрывая заряды аммонита, опушенные на шпагате
в шпуры. Заряды массой по 50 г располагают равномерно по высо-
те шпура; на 1 пог. м располагают от 5 до 10 зарядов в зависи-
мости от числа пластичности лёсса. Просадочные свойства лёссо-
видных грунтов обычно устраняются при объемной массе уплотнен-
ного грунта более 1,6 т/м3. Глубина уплотнения назначается в зави-
симости от мощности активной зоны грунта после его уплотнения.
Для полной ликвидации просадок напряжение в грунте на нижней
границе активной зоны не должно превышать начального проса-
дочного давления (см. рис. 11.4).
При изготовлении песчаных и грунтовых свай верхний слой
грунта обычно остается неуплотненным; этот слой дополнительно
уплотняют трамбованием.
II 1.2. ОСУШЕНИЕ И ОБВОДНЕНИЕ ГРУНТОВ
Осушение Применяют для упрочнения водонасыщенных глинистых
грунтов путем устройства вертикальных песчаных дрен. Дрены из-
готовляют, погружая в грунт обсадные инвентарные трубы диамет-
ром 30—50 см и заполняя образующиеся скважины песком. При
обжатии грунта нагрузкой вода выдавливается из его пор и через
дрены удаляется наружу. Для ускорения осушения на поверхности
дрен отсыпают подушки из песка. Дрены располагают па взаимном
расстоянии 2—10 м. Вместо песка скважины могут быть заполне-
ны другим фильтрующим материалом, например картоном.
Осушение грунтов может быть осуществлено электроосмосом.
При прохождении постоянного тока через грунт связная вода пере-
ходит в свободную и под действием электрических сил перемещает-
ся от положительного полюса (анода) к отрицательному (катоду),
от которого ее удаляют насосами. Электроосмос применяют для
упрочнения глин текучей консистенции, илов, заторфованных грун-
тов.
Анодами прн электроосматическом осушении служат стальные
стержни, катодами — иглофильтры (см. п. V.7). Расстояние между
электродами принимают равным 0,6—1 м. Осушают током напря-
жением 30—60 В при плотности тока от 5—10 А/м2 для илистых
грунтов и 0,5—2 А/м2 для глии. Расход электроэнергии составляет
около 40 кВт - ч на 1 м3 грунта.
Для защиты лёссовидных грунтов от увлажнения и просадки
нужно отводить поверхностные и производственные воды от фунда-
ментов путем соответствующей планировки застраиваемой терри-
тории, устройств вокруг зданий водонепроницаемого покрытия, за-
полнения пазух котлованов местным перемятым водонепроницае-
мым грунтом. Ширина водонепроницаемого покрытия равна при-
мерно удвоенной глубине заложения фундамента.
При мощности просадочного грунта более 10 м прибегают к
предварительному его замачиванию. Предпостроечное замачивание
имеет целью искусственно вызвать просадку грунтов до возведе-
65
ния па них сооружения и тем предохранить его от опасных дефор-
маций. Замачивают грунт в котловане небольшой глубины слоем
воды толщиной 0,4—0,6 м. Для ускорения уплотнения грунта до-
полнительно замачивают его через скважипы, заполненные песком.
Уплотнение грунта считается законченным, если просадка достиг-
нет 0,5 мм в сутки. После того как верхний слой грунта подсохнет,
его уплотняют трамбованием.
При застроенной территории замачивание осложняется возмож-
ностью просадок зданий, расположенных от места замачивания на
расстоянии до двух толщин просадочного грунта.
Предпостроечное замачивание применяют также при набухаю-
щих грунтах. В этом случае создают предварительное набухание
глин, после чего опи могут быть использованы в качестве оснований
фундаментов. Замоченные набухающие грунты необходимо предо-
хранять от высыхания, чтобы избежать деформаций усушки.
III .3. ЗАКРЕПЛЕНИЕ СЛАБЫХ ГРУНТОВ
Различают кратковременное и долговременное закрепление грун-
тов.
Кратковременное закрепление1 применяют в производственных
целях при разработке котлованов, проходке шахт, штолен, когда
возникает необходимость в ограждении выработки от затопления
грунтовыми водами или разжиженным грунтом (плывуном), а
также когда возникает опасность обрушения неустойчивых грун-
тов. Долговременное закрепление применяют для повышения проч-
ности и снижения сжимаемости (просадочности) грунтов основа-
ний. В этом случае улучшенные свойства грунтов должны сохра-
няться в течение всего времени эксплуатации зданий и сооружений.
Рассмотрим основные способы долговременного закрепления
слабых грунтов.
Песчаные грунты закрепляют силикатизацией и смоли-
зан и е й.
При коэффициенте фильтрации от 2 до 80 м/сут применяют двух-
растворный способ силикатизации, который заключается в последо-
вательном нагнетании в пропорции 1 : 1 в грунт растворов жидкого
стекла (силиката натрия Na^-nSiOj) и хлористого кальция
(СаС12). Реакция протекает по уравнению
Na-£) п SIO2 + СаС12 + т НгО = п SiO^zn — 1) H-jO + Са (ОН)2 + 2NaCl.
Выделяющийся в результате химической реакции нераствори-
мый в воде гель кремневой кислоты [силикат натрия
SiO2(m—1) I laO] создает прочную структурную связь между зерна-
ми песка, превращая его в камневидную массу, подобную природно-
му песчанику.
1 Способы кратковременного закрепления рассмотрены в п. V.5.
66
Хлористый кальций при двухрастворной силикатизации нагнета-
ют для ускорения выделения и твердения геля кремневой кислоты.
Если коэффициент фильтрации песка составляет 0,5—5 м/сут,
грунты закрепляют способом одпорастворной силикатизации, за-
ключающемся в одновременном нагнетании 1 части жидкого стекла
и 3—4 частей фосфорной кислоты (II3PO4). Реакция с образовани-
ем геля кремневой кислоты происходит следующим образом:
NajO • п SiO-2 + Н3РО4 + т НгО = п БЮ-Д/я + 1) И^О + Na2 НРО4.
Одпорастворпую силикатизацию применяют для закрепления
мелких пылеватых и водопасыщеппых песков (плывупов), а также
лёссовидных грунтов. В последнем случае нагнетают только рас-
твор жидкого стекла, который, соединяясь с солями кальция, со-
держащимися в лёссе, выделяет гель кремневой кислоты:
NajO • п SiO? 4- CaSO4 4- т НгО -- п SiOj (/я — 1) НгО 4- Са (ОН)г 4- NajjSO^.
Мелкозернистые пылеватые пески с коэффициентом фильтра-
ции 0,3—5 м/сут могут быть закреплены водным раствором карбо-
мидпой смолы (крепителя /И) с добавкой 2—5%-пого раствора
соляной кислоты; смолизация создает более прочное закрепление,
чем однорастворная силикатизация.
Материалы, употребляемые для закрепления грунтов, должны
иметь характеристики (плотность, вязкость и пр.) согласно соответ-
ствующим инструкциям и указаниям.
Силикатизацию не следует применять при грунтах, пропитанных
нефтяными продуктами, а также, если водородный показатель pH
грунтовых вод более 9 при двухрастворном способе и более 7,2 при
однорастворпом. Смолизацию не применяют при pH менее 7,6 и
при содержании глинистых частиц более 2%.
Для закрепления химические реактивы нагнетают в групт через
инъекторы. Ипъектор собирают из звеньев цельнотянутых труб
внутренним диаметром 19—38 мм; нижнее перфорированное звено
инъектора длиной от 0,5 до 1,5 м имеет отверстия диаметром 1 —
2 мм. Па собранную колонку сверху навинчивается наголовник, к
которому присоединяют шланги для подачи растворов специаль-
ными насосами; давление при нагнетании должно обеспечивать
заданные расходы растворов и быть пе более 15 кгс/см2 для песков
и 5 кгс/см2 для пылеватых песков и лёссов. Инъекторы забивают в
грунт пневматическими молотками; если их надо погрузить на глу-
бину более 15 м, то предварительно разбуривают скважины. Инъ-
екторы располагают в шахматном порядке с расстоянием между
рядами 1,50 г, где г—радиус закрепления от одного инъектора
(рис. III.2). Закрепляют грунт зонами, называемыми заходками.
Толщина заходки равна длине перфорированной части инъектора
плюс 0,5 г.
При двухрастворпой силикатизации рекомендуется:
при скорости потока грунтовых вод до 1 м/сут вначале нагнетать
жидкое стекло заходками сверху вниз на всю толщу закрепляемого
67
грунта, а затем — раствор хлористого кальция заходками снизу
вверх;
при скорости грунтовых вод от 1 до 3 м/сут в каждую заходку
нагнетать сначала жидкое стекло, а затем хлористый кальций;
если скорость фильтрации превышает 3 м/сут, то предваритель-
но устраивать временную водонепроницаемую завесу, нагнетая од-
новременно (через разные инъекторы) жидкое стекло и хлористый
кальций, после чего закреплять так же, как при скорости течения
воды до I м/сут.
При однорастворпой силикатизации и смолизации химикаты
нагнетают заходками сверху вниз, закрепляя сначала вышележа-
щие слои грунта.
Расход растворов на каждую заходку может быть определен по
формуле
Q= лг^Ьпк,
где Q — количество раствора, л;
г — радиус закрепления одним инъектором, м;
h — глубина эаходкн, м;
п — пористость грунта, %;
к — коэффициент, равный для песков 5, плывунов 15, лёссов 8.
Нагнетают растворы равномерно со скоростью не более 5 м/мин.
Наибольший перерыв между нагнетанием жидкого стекла и хло-
ристого кальция при двухрастворной силикатизации:
Скорость течения грун-
товых вод, м/сут . . .
Перерыв, ч............
О 0,5 1,5 3
24 6 2 1
Прочность закрепленного грунта и радиусы закрепления одним
инъектором в зависимости от коэффициента фильтрации грунта
приведены в табл. Ш.1.
Таблица III.1
Грунты и способы закрепления Коэффициент фильтрации, м/сут Радиус закрепления, м Предел прочности закрепляемого грунта на 28 сут, кгс/см1
Пески; двухрастворная силикатиза- 2—10 0,3—0,4 35—30
ция 10—20 0,4—0,6 30-20
20—50 0,6—0,8 20—15
50—80 0,8—1 20—15
Плывуны; одпораствориая силика- 0,3—0,5 0,3—0,4 4—5
тизацня 0,5—1 0,4—0,6 4—5
1—2 0,6—0,8 4^^5
2-5 0,8—1 4 5
Плывуны; смолиэация 0,3—0,5 0,4—0,5 10—20
1-5 0,6—0,8 10—20
Лёссы; однорастворная силикатиза- 0,1—0,3 0,3—0,4 6-8
ЦИЯ 0,3—0,5 0,4—0,6 6-8
0,5—1 0,6—0,9 6-8
1—2 0,9—1 6—8
68
Рнс. III.2. Схема расположения инъ- Рис. Ш.З. Схема циркуляционного
екторов: инъектора:
1 — шгъекторы; 2 —заколки 1 — наружная труба; 2 — внутренняя тоу-
ба; 3— рукоятка; 4— внешняя труба; о —
резиновый уплотнитель
Водонасыщенные глины, кроме электроосмоса, могут быть уп-
рочнены электрохимическим закреплением. При этом методе через
аноды в групт подают цементирующие водные растворы химических
реактивов преимущественно хлористого кальция или других солей
металлов. В результате, кроме осушения, достигается цементация
глинистых частиц и прочность грунта возрастает. Напряжение тока
при электрозакреплении составляет 80—100 В, плотность 5—7 А/м2;
расход энергии 60—100 кВт-ч на 1 м3 грунта.
Существенный недостаток закрепления грунтов химическими
реактивами — большая стоимость реактивов, что ограничивает при-
менение этого метода в строительстве.
Закрепление грунтов нагнетанием цементного раствора приме-
няют для крупнозернистых песков, отложений гальки и гравия,
трещиноватых и кавернозных скальных пород с коэффициентом
фильтрации от 80 до 200 м/сут.
69
Цементация производится водно-цементными растворами сле-
дующего состава.
Удельное водопоглоще-
иие, л/мин........ 0,05—0,1 0,1—1 1—5 5—10
Весовое отношение це-
мента и воды в на-
чальном составе рас-
твора ............1*10—1*8 1*8—1*2 1*2—Ы 1:1 и гуте
Для заполнения крупных трещин и каверн, а также пустот в
крупнообломочных породах можно применять песчано-цементные
растворы.
Удельное водопоглощепие определяют опытным путем, нагне-
тая в скважину воду. Если глубина скважины L, давление нагне-
таемой воды Н, Q — количество воды (в л/мин), поглощенной грун-
том, то уделыюе водопоглощение
Q
9 HL ’
Нагнетать цементный раствор рекомендуется через циркуляци-
онные инъекторы. Циркуляционный инъектор состоит из двух труб
(рис. III.3); внутренняя труба служит для подачи раствора, на-
ружная— для возвращения избытка раствора в растворомешалку
или баки. Такая конструкция инъектора предохраняет раствор от
осадки цемента. Циркуляционные инъекторы устанавливают в за-
ранее пробуренные скважины. Между стенкой скважины и инъек-
тором укладывают резиновую прокладку, которая не допускает
выливания раствора наружу; уплотнение прокладки достигается
нажимом па пее внешней трубкой с помощью рукоятки.
Для цементации песков могут применяться перфорированные
инъекторы.
Расстояние между ипъекторами определяют опытным нагнета-
нием раствора. Ориентировочные значения радиусов закрепления
различных грунтов одним инъектором:
Средпезерцистые пески........................... 0,3—0,5 м
Крупнозернистые » ........................... 0,5—0,75 »
Галька и гравий................................. 0,75—1 »
Трещиноватые скальные породы.................... 1,2—1,5 »
Цементацию начинают с промывки грунта водой, подавая ее
под давлением через установленные инъекторы; одновременно оп-
ределяют водопоглощение грунта. Затем нагнетают цементный рас-
твор, постепенно увеличивая содержание в нем цемента и повышая
давление. Обычно раствор нагнетают под давлением до 3—6 кгс/см2;
при цементации трещиноватых скальных пород давление может
достигать 10—15 кгс/см2, а иногда и более (до 70 кгс/см2).
Цементация считается окончешюй, если поглощение раствора
в течение 20 мин при заданном давлении не превышает 0,5 л.
Мощные слои грунта цементируют заходками снизу вверх или
сверху вниз. В первом случае инъекторы погружают сразу на пол-
70
ную глубину и по мере цементации поднимают; во втором случае
инъскторы погружают постепенно после закрепления вышележа-
щих слоев грунта. Цементация по второму способу дает лучшие
результаты, так как позволяет нагнетать раствор под большим дав-
лением, пользуясь прикрытием ранее зацементированных верхних
слоев.
Для цементации применяют цементы тонкого помола марки не
ниже 400. Если грунтовые воды агрессивны, то употребляют соот-
ветствующие устойчивые виды цементов. Размер трещин скальных
пород, поддающихся цементации, составляет 0,15—0,2 мм; для луч-
шего заполнения трещин рекомендуется вводить в раствор пласти-
фикаторы (мылонафт, сульфитно-спиртовую барду и пр.). Расход
цементного раствора для цементации составляет от 20 до 40%
объема закрепленного грунта. Прочность грунта после окончания
твердения цемента достигает 10—35 кгс/см2.
Просадочные -маловлажные грунты (лёссовые породы) могут
быть укреплены обжигом на глубину 10—15 м. Обжиг произво-
дят или нагнетанием в скважины горячего воздуха с температурой
600—800°С, или сжиганием жидкого топлива (солярового масла).
Последний способ более экономичен и эффективен.
Жидкое топливо сжигают в скважинах диаметром 10—20 см,
расположенных па взаимном расстоянии 2—3 м. Топливо подают в
форсунки под давлением 0,15—0,2 кгс/см2. Одновременно в скважи-
ны нагнетают под давлением до 1,5 «гс/юм2 холодный воздух, по-
нижающий температуру горения с 2000 до 800—1000° С. Для обжи-
га массива грунта диаметром 2—2,5 м <на 1 пог. м скважины тре-
буется 80—120 кг топлива, а диаметром 3 м —120—180 кг. Расход
воздуха при этом составляет около 30 ‘м3 на 1 иг топлива. Продол-
жительность обжига 5—10 сут.
После обжига прочность грунта на сжатие возрастает до 10—
12 кгс/см2, сцепление увеличивается с 0,22 до 1,6—5 кгс/см2 в су-
хом состоянии и до 1,1—1,7 кгс/см2 при увлажнении грунта, а также
резко снижается водопроницаемость и просадочность.
Укрепление грунтов термическим методом применяют главным
образом для устранения неравномерных осадок существующих зда-
ний н сооружений.
Глава IV
КОНСТРУКЦИЯ и РАСЧЕТ
ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО
ЗАЛОЖЕНИЯ
IV.1. МАТЕРИАЛ ФУНДАМЕНТОВ
Фундаменты мелкого заложения возводят в заранее отрытых кот-
лованах. Практически наибольшая глубина котлована, считая от
дневной поверхности грунта или рабочего уровня воды, составляет
5—6 м. Крепление стен котлована при больших глубинах настоль-
ко сложно и дорого, что возведение фундамента таким способом, в
особенности в грунтах, насыщенных водой, оказывается, как пра-
вило, неэкономичным.
При отношении глубины заложения к ширине фундамента, со-
ставляющем менее 1,5—2, принято считать, что нагрузки от соору-
жения передаются грунту только по подошве фундамента, так как
участие в передаче нагрузок боковых граней настолько мало, что
его можно не учитывать.
Фундаменты мелкого заложения довольно часто применяются
в транспортном строительстве при постройке мостов, водопропуск-
ных труб и т. д. Они являются основным типом фундаментов про-
мышленных и жилых зданий, сооружений специального назначе-
ния— башеп, мачт, подпорных стен и пр.
Основным материалом для фундаментов служит бетон, бутобе-
тон, железобетон и бутовая кладка; значительно реже применяют
кирпичную и сухую кладку из камня.
Фундаменты под неответственные временные здания могут быть
сделаны из дерева.
Для фундаментов искусственных сооружений применяют бетон-
ную кладку марки не ниже 200 на цементах марки не ниже 300.
Для подводных и подземных частей фундамента, не подвержен-
ных промерзанию и расположенных ниже уровня меженных или
грунтовых вод, применяют портландцементы, пуццолановые порт-
ландцементы или шлакопортландцементы. Для частей, находящих-
ся в зонах переменного увлажнения или промерзания, а также над-
водных или надземных частей бетонную смесь приготовляют на
цементах преимущественно с умерешюй экзотермией. В условиях
агрессивной среды портландцементы должны быть стойкими про-
тив агрессии. Максимальное содержание цемента в бетонной клад-
ке массивных фундаментов не должно превышать 300 кг/м3, а ми-
нимальное— 230 кг/м3 для частей, расположенных ниже зоны про-
мерзания, 260 кг/м3 для частей, расположенных в подводной и над-
водной зонах, и 290 кг/м3 для частей, расположенных в зонах про-
мерзания грунта и переменного увлажнения.
72
Бетонную смесь приготавливают с осадкой конуса аге более 4 см
и водоцементным оттюшением 0,65—0,4 (в зависимости от агрессив-
ности среды). Уплотняют бетонную смесь тщательным вибрирова-
нием глубинными и площадочными вибраторами.
Фундаменты жилых и промышленных зданий возводят из бето-
на (марок 50—150 в зависимости от назначения сооружения и гид-
рогеологических условий.
Бетонная кладка обладает большой прочностью на сжатие;
обычно эта прочность не может быть полностью (использована в
фундаментах. Сопротивление бетона растяжению значительно ни-
же, поэтому фундаменты из бетойной (кладки делают тогда, -когда
в их конструкции не возникает растягивающих напряжений.
Основное достоинство бетона—полная механизация работ по
кладке фундамента, недостаток — относительно большая стоимость
и значительный расход цемента.
Для уменьшения расхода цемента в бетонную смесь добавляют
бутовый камень в количестве до 20% (по объему). Такая кладка
называется бутобетонной. Бутовый камень должен иметь прочность
не ниже полуторной марки бетона и не ниже 400 кгс/см2, быть по-
стелистым, крупностью не менее 150 мм. Его равномерно распре-
деляют по всему объему фундамента, втапливая в бетонную смесь
в процессе ее укладки. Расстояние в свету между отдельными кам-
нями должно быть не менее 10 см, а между камнем и опалубкой —
не менее 25 см. Бутобетонная кладка обладает такой же прочно-
стью, как и бетонная. В массивных фундаментах труб и опор мо-
стов бутобетон применяют наиболее часто.
Фундаменты, работающие на изгиб, делают из железобетона.
Бетон для железобетонных фундаментов должен иметь марку не
ниже 300. Арматуру применяют гладкую или периодического про-
филя. Применение железобетона позволяет значительно сократить
объем кладки фундаментов и придать им наивыгоднейшие конст-
руктивные формы, что особенно существенно при слабых грунтах
и больших нагрузках, действующих на фундамент. Железобетон —
основной материал для изготовления сборных фундаментов.
Фундаменты из бутовой кладки делают значительно реже, так
как бутовая кладка не поддается механизации и для ее выполнения
необходим квалифицированный ручной труд. Кроме этого, бутовая
кладка обладает низким сопротивлением растяжению и фундамен-
ты получаются наиболее массивными. Бутовые фундаменты могут
оказаться целесообразными лишь при небольших объемах работ
и наличии камня. Достоинство бутовой кладки—малый расход це-
мента.
Бутовую кладку фундаментов искусственных сооружений кла-
дут на песчано-цементном растворе марки не ниже 100; камень
должен быть постелистым, без трещин щ других признаков вывет-
ривания, прочностью не ниже 400 кГс/см2.
В маловлажных грунтах фундаменты промышленных и жилых
зданий, подпорных стен и других сооружений в зависимости от их
назначения <н капитальности могут быть выполнены (из бутовой
73
кладки на сложном растворе от 1:1:6 до 1:1:8 (цемент — из-
весть— песок), а в водой асыщевных грунтах па песчано-цементном
растворе состава 1 :4—1 : 5.
Фундаменты из кирпича делают только под небольшие здания,
преимущественно жилые. Кирпичная кладка недолговечна, особен-
но при повышенной влажности грунта. Кладку выполняют из кир-
пича-железпяка па цементном растворе. Применение силикатного
кирпича недопустимо. Сухую кладку из прочного постелистого
камня иногда применяют для фундаментов небольших водопро-
пускных труб, подпорных степ, временных зданий в сухих районах
при низком уровне грунтовых вод, а также при агрессивных водах,
интенсивно разрушающих бетон и цементные растворы. Фундамен-
ты из дерева хвойных пород или дуба в виде коротких отрезков
бревен, закопанных в землю («стулья»), делают только для вре-
менных зданий, например складов, построечных мастерских и т. д.
Для увеличения срока службы дерево антисептируют.
IV.2. КОНСТРУКЦИЯ ФУНДАМЕНТОВ
МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
Конструкция фундамента определяется главным образом глубиной
его заложения и размерами в уровне обреза и подошвы.
Глубину заложения -назначают с учетом гидрогеологических
условий. Наименьшая глубина заложения зависит от глубины про-
мерзания грунтов и размыва их поверхностными водами. По про-
мерзанию грунты делятся па пучипистые и пепучипистые.
Пучииистые грунты при замерзании увеличиваются в объеме,
при оттаивании переувлажняются и теряют прочность. Поэтому
располагать подошву фундаментов в зоне промерзания таких грун-
тов нельзя. В пучипистых грунтах, к которым относятся все грун-
ты, кроме скальных, крупнообломочных с песчаным заполнением,
песков гравелистых, крупных и средней крупности, глубина зало-
жения фундаментов искусственных сооружений должна быть боль-
ше расчетной глубины промерзания по крайней мере па 25 см.
Расчетная глубина промерзания определяется по формуле
Н
Для искусственных сооружений коэффициент mt принимается
равным единице, для неотапливаемых зданий м сооружений - - 1,1,
для отапливаемых — от 0,4 до 1,0 в зависимости от конструктив-
ных особенностей зданий и среднесуточной температуры в помеще-
ниях, примыкающих к фундаментам наружных стен (см. СНиП
11-15-74).
Нормативная глубина промерзания при отсутствии многолетних
наблюдений может быть определена по формуле
№=//0 КХ|ГМ|.
74
Здесь mt — коэффициент, учитывающий температурный режим сооружения;
Ни— нормативная глубина сезонного промерзания;
SITmI—сумма абсолютных среднемесячных отрицательных температур
за зиму в районе строительства сооружения (по климатологи-
ческим данным);
Но — глубина промерзания при Х|7Н| = 1, принимаемая- равной для
суглинков и глин — 23 см, супесей и мелких и пылеватых пес-
ков 28 см, песков гравелистых крупных и средней крупности
30 см, крупнообломочных грунтов 34 см.
В нспучинистых грунтах, кроме скальных, глубина заложения
фундаментов должна быть пе мепее'1 м, считая от дпевпой поверх-
ности грунта или дна водотока..В скальные породы фундамент за-
глубляют в прочные слои, способные воспринять давления от со-
оружения, не мепее чем па 0,1 м. При возможности размыва, что,
как правило, характерно для опор мостов, фундаменты должны
быть заглублены ниже дна реки после размыва у данной опоры
не мепее чем на 2,5 м. Обрез фундаментов па поймах рек распола-
гают па уровне дпевпой поверхности грунта (после его размыва), а
в руслах — на 0,5 м ниже низкого уровня меженных вод и пе выше
нижпей поверхности льда в реке плюс 0,25 м; в судоходных проле-
тах должны быть обеспечены минимальные глубины для прохода
судов около опор.
Размеры фундамента в уровне обреза назначают несколько
больше размеров падфупдамептпой части; это делается главным
образом для того, чтобы после постройки фундамента произвести
точную разбивку сооружения и расположить надфундаментную
часть строго по проекту. Ширину уступов А (рис. IV.1) в уровне
обреза принимают равной 0,2—1 м для искусственных сооружений
и 0,1—0,5 м для промышленных л жилых оданий.
Размеры подошвы фундамента определяются прочностью грун-
тов основания. В подавляющем большинстве прочность грунтов
значительно меньше прочности строительных материалов и фун-
даменты приходится развивать, уширяя tux книзу.
Под действием реактивных давлений грунта тело фундамента
испытывает изгиб и в вертикальных сечениях, расположенных за
пределами надфундаментной части, возникают растягивающие и
скалывающие напряжения; величина их тем больше, чем шире вы-
ступы фундамента.
- Бетон, бутобетон и бутовая кладка плохо работают на растяже-
ние, и для предотвращения трещин в фундаментах, выполненных
из этих материалов, максимальное развитие подошвы ограничива-
ется углом а (см. рис. 1V.1), принимаемым для мостовых сооруже-
ний равным 30°. В жилых и промышленных зданиях и сооружениях
значение угла а принимают:
Для бутопой кладки па сложном растворе................ 26 град
То же, на цементном растворе........................... 34 »
Для бутобетона.......................................... 37 »
» бетона............................................... 40 »
Угол а близок к углу распространения внутренних напряжений
в кладке.
75
Фундаменты с углами развития, пе превышающими угла а, на-
зывают жесткими. Если углы развития фундаментов больше
угла а, реактивные давления грунта, действующие па подошвы
фундаментов в пределах их выступающих частей, воспринимаются
работой последних «а изгиб. Такие фундаменты называют гибки-
м и. Их выполняют из железобетона.
Несмотря па то, что железобетон дороже неармировапной клад-
ки, железобетонные фундаменты могут оказаться выгоднее бе-
тонных.
Из схемы бетонного и железобетонного фундамента с одинако-
выми размерами подошвы (рис. IV.2) видно, что глубина заложе-
ния бетоппого фундамента и, следовательно, его объем и размеры
котлована больше, чем железобетонного. Железобетонный фунда-
мент станет еще более выгодным, если, уменьшая глубину его за-
ложения, удастся расположить подошву выше уровня грунтовых
вод, что значительно облегчит разработку котлована и возведение
фундамента.
Фундаменты под массивные опоры мостов обычно делают из
монолитной бетонной или бутобетонпой кладки. Им придают про-
стейшее ступенчатое или трапециевидное очертание. Чаще приме-
няют ступенчатую форму, при которой упрощается конструкция
опалубки и облегчается укладка бетонной смеси. В ступенчатых
фундаментах высоту уступов назначают равной 0,7—2,5 м, ширину
0,4—1 м; при этом в фундаментах из пеармировапной кладки отно-
шение ширины уступа к его высоте пе должно превышать tga (см.
рис. IV.2).
При выборе очертания фундамента стремятся к тому, чтобы
давления на грунт передавались равномернее.
При центральном приложении вертикальной силы фундамент
делают симметричным (см. рис. IV.1). Если, кроме вертикальных
сил, действуют горизонтальные силы и моменты, то для выравни-
Рис. IV.1. Схема массивного фунда-
мента
Рис. 1V.2. Схема фундаментов:
/ — жесткого; 2 — гибкого
76
Рис. IV.3. Схема несимметричного
фундамента
вапия давлений на грунт фунда-
менту придают несимметричное
очертание, развивая его в одну
сторону (рис. IV.3); при этом же-
лательно, чтобы равнодействую-
щая внешних сил проходила
вблизи центра тяжести площади
подошвы и во всяком случае не
выходила бы из ядра сечения.
Если преобладают вертикаль-
ные силы и наклон равнодейству-
ющей меньше угла трения между
кладкой фундамента и грунтом,
подошву фундамента располага-
ют горизонтально. При наклон-
пом обнажении скальных грунтов
для уменьшения дорогостоящих
работ по разработке скалы подо-
шву делают ступенчатой (рис.
IV.4, а). Если равнодействующая впешпих сил проходит под боль-
шим углом к вертикали, то для повышения устойчивости фунда-
мента па скольжение его подошву делают наклонной; необходи-
мость в этом часто встречается при проектировании устоев арочных
мостов (рис. IV.4, б). При скальном основании для уменьшения
объема выработки поверхность скалы может быть обработана ус-
тупами (рис. IV. 4, в).
Гибкие фундаменты из железобетона делают при значительном
развитии подошвы, когда необходимо, не углубляя фундамент, пе-
редать на грунт большие, главным образом сосредоточенные, дав-
ления.
/9
Рис. IV.4. Схемы фундаментов
77
Рис. IV.5. Армирование монолитной
железобетонной подушки
В транспортных искусствен-
ных сооружениях встречаются три
вида наиболее характерных гиб-
ких фундаментов.
1. В сооружениях большой
протяженности, например в под-
порных стенках, устоях и проме-
жуточных опорах широких мос-
тов, иногда пе удается развить
фундамент, соблюдая угол а. В
этом случае часть фундамента,
выступающую за грань падфуп-
дамептпой конструкции, прихо-
дится выполнять в виде железо-
бетонной консоли, заделанной в
массивную часть фундамента.
2. В путепроводах, эстакадах
и других аналогичных сооружени-
ях опоры состоят из ряда колонн,
передающих большие сосредото-
ченные давления. При достаточно
прочных грунтах и большом рас-
стоянии между колоннами их
опирают на отдельные фунда-
ментные подушки из железобе-
тона.
3. При слабых грунтах или
при небольшом расстоянии меж-
ду колоннами отдельные фунда-
ментные подушки сливаются друг
с другом и тогда их объединяют
в единый ленточный фундамент.
В гибких фундаментах изги-
бающие моменты возникают под
действием реактивных давлений
грунта, направленных снизу
вверх. Этим и определяются осо-
бенности их армирования.
Пример конструкции монолит-
Рис. IV.6. Сборный железобетонный
фундамент под колонну
пой фундаментной подушки при-*
веден на рис. IV.5. Основная ра-
бочая арматура в виде сеток из
стержней диаметром 16 мм расположена внизу башмака, в зоне
наибольших растягивающих нормальных напряжений. Из башмака
выпущены вертикальные анкерные стержни, с которыми стыкуют
арматуру колонн.
В производственном отношении монолитные фундаменты имеют
ряд недостатков, а именно: сосредоточение всех работ па месте
возведения фундамента, осложнения при бетонных работах в зим-
78
Рис. IV.9. Схема сборного фунда-
мента:
1 — колонна; 1 — ребристый стакан; 3 —
плита; 4 — песчаная подготовка; 5 —бетон
оыонолнчнвапня
пих условиях, неизбежное удлине-
ние сроков постройки вследствие
необходимости последовательного
ведения основных работ (рытье
котлована, установка опалубки,
укладка бетонной смеси и т. д.).
Поэтому монолитные фундамен-
ты в современном строительстве
применяют редко.
Сборные фундаменты состоят
из отдельных монтажных элемен-
тов, заранее изготовленных па за-
водах или приобъектных полиго-
нах; на месте же возведения фун-
дамента их только укладывают в
котлован и омоноличивают. Раз-
меры монтажных элементов определяются главным образом грузо-
подъемностью трапспортпых и монтажных средств. Обычно эта
масса элемента составляет 2,5—6 т, что позволяет перевозить эле-
менты па автомобилях и укладывать автомобильными или гусенич-
ными кранами.
Довольно простая конструкция железобетонных подушек под
колоппы опор одного из городских путепроводов приведена на
рис. IV.6. Фундамент представляет собой плиту размером 2,5X
X2,5x0,4 м, армированную двумя сетками: нижняя, рабочая, сет-
ка сварена из арматуры диаметром 26 мм, верхняя, конструктив-
ная,— из арматуры диаметром 12 мм. Для соединения с колонной
из плиты выпущено 12 анкерных стержней диаметром 28 мм; эти
стержни приварены к стальным закладным листам, забетонирован-
ным в нижнем конце колонны. Стык огражден четырехугольной бе-
тонной обоймой; для защиты стыка от коррозии зазор между обой-
мой и колонной заполнен горячим битумом.
Опора путепровода с ленточным фундаментом приведена па
рис. IV.7. Фундамент собран из четырех монтажных блоков. Каж-
дый блок состоит из плиты размером 2,4х2,1 м, толщиной 0,3 м
и стакана, в (который заделывается стойка опоры. Глубина стакана
1,1 м, толщина его вверху 0,20 м, внизу 0,25 м. Зазоры между внут-
ренними гранями стаканов и стойками заполнены цементным рас-
твором. Масса монтажного блока равна 5,8 т. Марка бетона — 300.
Фундамент рассчитан на давление «а грунт 2,5 кгс/см2.
Армирование промежуточного блока фундамента показано на
рис. IV.8. Особенность — применение заранее изготовленных свар-
ных арматурных сеток. Так, плиты блока армированы сетками из
арматуры диаметром 16 мм с расстоянием между стержнями 10 и
15 см. Сетки стакана из арматуры диаметром 22 мм. Бея арматура
периодического профиля класса А-П из стали марки ВСт5 сп. 2. Мон-
тажные петли диаметром 20 мм сделаны <из мягкой стали класса
A-I марки ВСтЗ сп. 2. Для уменьшения массы монтажного блока
фундаменты могут быть собраны из элементов (рис. IV.9).
£0
Конструкция сборного фунда-
мента под степы здания промыш-
ленного или жилого назначения
показана на рис. IV. 10. Фунда-
мент состоит из нижних фунда-
ментных и верхних стеновых бло-
ков, изготовленных па заводе по
соответствующим нормалям па
строительные детали. Фундамент-
ные блоки имеют высоту от 30 до
50 см. Ширина подошвы изменя-
ется от 100 до 320 см и назнача-
ется по расчету в зависимости от
грунтовых условий. Масса блока
при длине от 78 до 278 см не пре-
вышает 3 т, что позволяет укла-
дывать его крапом небольшой
грузоподъемности. Блоки арми-
рованы сетками из арматурной
стали периодического профиля.
Высота степовых блоков равна
58 см, толщина меняется от 38 до
78 см.
Для уменьшения объема клад-
ки стеновые блоки имеют пусто-
ты. Блоки изготовлены из бетона
марок 100—150.
Фундаментные блоки уклады-
вают па слой песчаной или щебе-
ночной подготовки вплотную друг
к другу; при прочных малосжи-
маемых грунтах возможна уклад-
ка с зазором, что дает экономию
в кладке около 15%. Стеновые
блоки устанавливают па цемент-
ном растворе с перевязкой верти-
кальных швов. Блоки между со-
бой связывают вертикальными
пазами, заполняемыми раство-
ром.
Для равномерной передачи
давлений на грунт по верхней по-
верхности фундаментных блоков
иногда укладывают арматурные
стержни, а при неоднородных
грунтах — железобетонный рас-
пределительный пояс.
В зданиях с неодинаковыми
давлениями на грунт, а также
Рис. IV. 10. Фундамент под стену
здания:
/ — степа; 2 — перекрытие подвала: з —
гидроизоляция; 4 — стоповые фундамент-
ные Слоки; 5 — цементная стяжка; 6 —
песчаная подготовка; 7 — фундаментная
плита; в — защитная стенка; 9—мятая
глина; 10 — отмостка
Рис. IV. 11. Схема расположения де-
формационного шва, разделяющего
степы разной этажности
81
при основаниях с резко различной сжимаемостью нужно прини-
мать меры по предупреждению образования трещин в степах вслед-
ствие неравномерных осадок их фундаментов. Для этого на всю
высоту степы, включая фундамент, устраивают осадочные (дефор-
мационные) швы (рис. IV.11).
В зданиях с подвальными помещениями может возникнуть не-
обходимость в защите подвалов от грунтовых вод. В этих случаях
укладывают рулонную гидроизоляцию под стены и на пол подвала
(см. рис. IV. 10), устраивают железобетонный пол, воспринимаю-
щий гидростатическое давление воды, возводят защитные стенки
из кирпича-жслсзпяка и мятой глины и пр.
IV.3. РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТОВ
МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
В расчет фундаментов мелкого заложения входят: проверка проч-
ности (устойчивости) грунтов основания, расчет деформаций осно-
вания, проверка устойчивости положения фундамента и расчет
прочности и трсщиностойкости его конструкции. Для этих расчетов
необходимо предварительно назначить форму и размеры фунда-
мента и определить все силы, действующие на пего, включая соб-
ственный вес и вес грунта на его уступах. При вычислении веса
фундамента и грунта на его уступах нужно учитывать взвешиваю-
щее давление воды. В несвязных водонасыщенных грунтах взве-
шивание водой учитывается во всех случаях. При заложении по-
дошвы фундамента в толще связных грунтов (глин и суглинков)
расчеты следует производить как с учетом взвешивания, предпо-
лагая возможность проникания воды под подошву, так и без учета
взвешивания. В общем случае на фундамент будут действовать
вертикальные и горизонтальные силы и изгибающие моменты как
вдоль, так и поперек оси моста.
Примем прямоугольную систему координат ZXY (рис. IV. 12) и
расположим се начало в центре тяжести рассчитываемого сечения
(например, подошвы фундамента). Ось OZ направлена нормально
к плоскости сечения, ось OY — вдоль продольной оси моста, ось
ОХ — поперек оси моста. Приведем все внешние силы к точке О.
Тогда в сечении будут действовать сила N вдоль оси OZ, силы Hv
и Нх вдоль осей ОУ и ОХ и изгибающие моменты Мх и Му в пло-
скостях ZOY и ZOX. Эти силовые воздействия и являются расчет-
ными.
Фундаменты опор мостов, как правило, имеют в плане симмет-
ричное очертание и обычно главные оси инерции рассчитываемых
сечений совпадают с осями ОХ и OY. Если этого нет, то внешние
нагрузки нужно разложить на составляющие, действующие >в вер-
тикальных плоскостях, проходящих через главные оси инерции се-
чения.
82
Рис. IV.12. Схема расчетных внеш-
них сил
Рис. IV. 13. Распределение давлений
на части подошвы
Проверка прочности (устойчивости) грунтов основания. Давле-
ние па грунт под подошвой фундамента зависит нс только от внеш-
них нагрузок и размеров подошвы, по и от жесткости фундамента
« дсформативпых свойств грунтов. Однако точное определение
давлений под подошвой представляет значительные трудности. По-
этому при проектировании жестких, а в большинстве случаев и
гибких фундаментов принято определять давления на грунт по
обычным формулам сопротивления материалов для внецептрепно-
го сжатия.
Расчет «едется по первой группе предельных состояний на рас-
четные нагрузки (с учетом коэффициентов перегрузок).
При расчете па основные1 сочетания нагрузок нужно учитывать
одновременные действия сил вдоль и поперек моста и тогда дав-
ления на грунт в точке с координатами х и у будут (см. рис. IV. 12):
Му
(IV. 1)
Наибольшее отах и наименьшее ощщ давления могут быть по-
лучены подстановкой в формулу (IV.1) координат наиболее и наи-
менее нагруженных точек сечения. В общем случае эти точки мо-
гут быть найдены как точки наиболее и наименее удаленные от
нейтральной оси, уравнение которой может быть получено, если
правую часть выражения (IV.1) приравнять нулю. Для прямо-
угольных сечений
W Мх Му
шах =— ± -г- £-==-.
mln F Wx IFy
(IV. 2)
1 В основное сочетание входят постоянно действующие нагрузки и времен-
ные от веса подвижного состава (подробнее см. СНиП).
83
Здесь F — площадь подошвы фундамента:
1У — моменты инерции подошвы относительно осей ОХ и OY-,
IVx, — моменты сопротивления сечения относительно осей ОХ и OY.
При расчете на дополнительные 1 сочетания нагрузок опреде-
ляют только краевые давления, рассматривая действия сил в каж-
дом направлении независимо друг от друга. В этом случае наи-
большие давления на грунт будут:
в плоскости ZOY
n Мх
°тах— р 4* j jfaiaxi (IV.2а)
В ПЛОСКОСТИ ZOX
•max =4 4-^Xmax. (IV.26)
F ‘V
Наименьшие давления па грунт могут быть найдены по этим
же формулам, если в цих подставить наименьшие значения х и у
(с отрицательным знаком). Может оказаться, что наименьшие дав-
ления отрицательны, а так как между подошвой и грунтом растя-
гивающие напряжения возникнуть нс могут, то давления на грунт
будут передаваться уже не по всей подошве, а только по ее части
и формулы (IV.l), (IV.2a) и (IV.26) применять уже нельзя. На-
пряжение Отах в этом случае определяется двумя условиями:
1) центр тяжести эпюры давления должен быть расположен под
силой N, приложенной с эксцентриситетом e=MxjN (при расчете
в плоскости ZOY расчет в плоскости ZOX аналогичен);
2) объем эпюры напряжений должен быть равен силе N.
Из первого условия для прямоугольного сечения с размерами
I и b находим длину Ьр эпюры сжимающих напряжений (рис.
IV. 13):
Из ’второго условия получаем
* = 0,ба™ V
и, следовательно.
Среднее давление на основание должно удовлетворять условию
7/ 1
°ср = — <-----R, (IV.4а)
г ки
а наибольшее давление — условию
т о
•max К
кн
(IV.46)
* В дополнительное сочетание входят все нагрузки и воздействия, действую-
щие на фундамент.
84
где R— расчетное сопротивление грунтов основания принимаемое по форму-
лам 1 (II.9) н (11.11);
т— коэффициент условия работы, принимаемый равным 1,2 для скальных
оснований при расчетах на любые сочетания нагрузки, для грунтовых
оснований только при расчете на дополнительные сочетания, а в ос-
тальных случаях т=1;
ки — коэффициент надежности, равный 1,4.
Минимальные напряжения Hmm техническими условиями непо-
средственно нс ограничиваются. Однако при значительной нерав-
номерности напряжений возможен креп (наклон) фундамента, ко-
торый зависит от соотношения краевых напряжений. Таким обра-
зом, ограничение величины <imin имеет непосредственное отношение
нс к расчету прочности, а к расчету деформаций грунтов основания.
Если под подошвой фундамента на некоторой глубине залетает
подстилающий слой более слабого грунта, то необходимо проверить
среднее давление на его кровлю. Учитывая рассеивание напряже-
ний в толще вышележащего грунта, это давление будет
°z=yi(A + ^) + a(aCp — Yjft) <RZ, (IV.5>
где Ti — объемный вес вышележащего грунта;
h — глубина ааложения фундамента;
z — расстояние от подошвы фундамента до кровли подстилающего грунта;
a—коэффициент рассеивания напряжений, принимаемый по табл. 11.16;
Ос.р — среднее давление по подошве фундамента от расчетных нагрузок;
Rz — расчетное сопротивление подстилающего грунта.
Расчет деформаций основания. Расчет ведется во второй груп-
пе предельных состояний. При расчете опор мостов по С11иП для
фундаментов мелкого заложения необходимо определять только
стабилизированные вертикальные осадки. Осадки определяют по
средним давлениям па групт от основного сочетания нормативных
нагрузок. При этом рекомендуется пользоваться методом послой-
ного суммирования (см. П.З).
Если на осадку фундамента оказывают влияние соседние со-
оружения, то это нужно учитывать. К таким случаям относятся,
например, осадки фундаментов устоев мостов, вызванные весом
подходных насыпей, отсыпанных после постройки устоев; в анало-
гичных условиях находятся и подпорные стопки.
Если насыпь возводится после того, как устой (или подпорная
стенка) выстроен, то к основным давлениям па групт от постоян-
ных сил, действующих па устой, будут добавляться давления от
веса насыпи (см. рис. 11.15). В результате суммарное давление на
групт увеличит осадку устоя. Как показывают расчеты, влияние
веса насыпи заметно сказывается при се высоте2 более 10 м.
Разрешается нс вычислять вертикальные осадки при скальных
грунтах, а при других видах грунтов — только для опор а-втодорож-
* Для сопоставления расчетных сопротивлений грунтов (несущей способно-
сти основания) рекомендуется пользоваться и другими методами определения R,
приведенными в п. П.2.
а Для высот более 10 м в п. П.3 приведены таблицы, облегчающие вычис-
ления дополнительных давлений.
85
«ых мостов внешне статически определимых систем с пролетами
до 100 м.
Величины вертикальных осадок опор мостов внешне статически
определимых систем ограничиваются требованиями плавности про-
езда транспортных средств по мосту. Согласно этому требованию
перемещения верха опор при их осадках нс должны вызывать уг-
лов перелома продольного профиля проезда в местах сопряжения
пролетных строений между собой и с подходами более 2%о.
Для мостов внешне статически неопределимых систем допускае-
мая осадка определяется расчетом пролегных строений на дефор-
мации опор.
Креп фундамента проверяется косвенно ограничением неравно-
мерности давлений на грунт. Неравномерность давлений контроли-
руется ограничением относительного эксцентриситета нормальной
силы N, действующей в основании фундамента. Относительный
эксцентриситет равен е/р (где «— эксцснтриситег силы N, р=
= W/F — радиус ядра сечения фундамента), при определении ко-
торого момент сопротивления W принимается для менее нагружен-
ной грани. Величина е/р для городских и автодорожных мостов
ограничивается пределами:
1. Фундаменты на нескальных грунтах;
для промежуточных опор при расчете на постоянные на-
грузки ............................................ 0,1
то же, при расчете на невыгодное сочетание различных
нагрузок .......................................... 1
для устоеп при расчете на постоянные нагрузки...... 0,8
то же, при расчете на невыгодное сочетание различных
нагрузок для больших и средних мостов........... 1
то же, для малых мостов............................ 1,2
2. Фундаменты на скальных грунтах для всех опор при рас-
чете на невыгодное сочетание различных нагрузок .... 1,2
Следует отмстить, что эти ограничения при некоторых расчетах
допускают значения ощщ равными и даже меньшими нулю.
Проверка устойчивости положения. Если па подошву фундамен-
та, кроме вертикальных сил, действуют еще горизонтальные силы
и изгибающие моменты, то фундамент вместе с расположенным на
нем сооружением может потерять устойчивость положений — опро-
кинуться или сдвинуться. Проверка устойчивости положения опре-
деляется на наиболее невыгодные сочетания расчетных сил (расчет
по первой группе предельных состояний).
Проверка на опрокидывание производится по формуле
. (IV.6)
При действии на опору вертикальных N и горизонтальных Н
сил (рис. IV.14):
Л^опр —
^iei.
(IV.6a)
(IV.66)
86
Рис. IV. 15. Схема к расчету иа глу-
бинный сдвиг
Рис. IV. 14. Схема к расчету на опро-
кидывание и плоский сдвиг
Рис. IV. 16. Схема к определению веса
и ширины i-ro участка
Здесь Мопр — момент опрокидывающих сил относительно крайнего ребра
фундамента;
Л1Тд — момент удерживающих сил относительно того же ребра;
кп — коэффициент надежности, равный 1,1;
т — коэффициент условия работы, равный 0,9 при скальном н 0,8
при грунтовом осиованни;
hi. ei — соответствующие плечи сил относительно ребра О фундамента.
Кроме этого, опору нужно проверить на сдвиг ио плоскости,
проходящей через подошву фундамента (на плоский сдвиг).
Сдвигающей будет сила удерживающими — силы трения
между грунтом и подошвой, равные ф2Л\, где ф— коэффициент
трения. Условие устойчивости на скольжение
%Hi т 0,9
" кн ~ 1,1
(IV,7>
Коэффициент трения ф кладки по грунту зависит от рода
грунта:
Лля глин и скальных пород с омыливающейся поверхностью
(глинистые известняки, сланцы и т. п.) во влажном состоя-
нии ................................................. 0,25
То же, в сухом........................................ 0,3
Для суглинков и супесей.............................. 0,3
» песков................................................ 0,4
» гравийных и галечниковых грунтов................. 0,5
» скальных пород с неомылнвающейся поверхностью . . 0,6
Кроме рассмотренных проверок устойчивости, в ряде случаев
необходимо проверять фундаменты на сдвиг вместе с грунтом ос-
нования (глубинный сдвиг). Глубинный сдвиг обычно бы-
87
«ает опасен для устоев мостов, подпорных степ и других аналогич-
ных сооружений при высоте поддерживающей насыпи более 10—
12 м, а также при наличии в основании прослоек водопасыщсппого
песка, подстилаемого глинистым грунтом. Устойчивость при глу-
бинном сдвиге обычно проверяют приближенным способом, пола-
гая, что грунт вместе с сооружением может переместиться по круг-
ло-цилиндрической поверхности, проходящей через заднюю грань
D подошвы фундамента (рис. IV. 15). Задавшись произвольной ци-
линдрической поверхностью скольжения Ль DB\ радиуса Ri с цент-
ром в точке 01 разбиваем отсеченный объем, включая опору, на
элементарные участки и вычисляем их веса 1 О< и плечи г, до цент-
ра Оь Ширину bi поверхности скольжения i-ro участка и его вес
С{ определяем в соответствии с рис. IV. 16, где через <рСр обозначе-
но среднее значение нормативного угла внутреннего трения грун-
тов t-го участка. Далее из равенства sin а, = —ь определяем углы
Ri
а, (см. рис. IV. 15).
При потере устойчивости отсеченный объем будет вращаться
вокруг оси, проходящей через Oi, причем сдвигающий момент, рав-
ный алгебраической сумме элементарных моментов,
Л*слв=
Удерживающими силами будут силы трения и сцепления, воз-
никающие по поверхности Л|£>В1 в направлении от В\ к At.
Для i-ro участка имеем:
сила трения G/cosa/ tg<pIZ;
сила сцепления
лК,
180
(а/ — O|—i)
Следовательно, удерживающий момент
Мул = Ri cos at tg Vi + (at — a,_t) cu
Условие устойчивости
Меди m
(IV.8)
Здесь Hi — внешние горизонтальные силы, действующие на отсеченный
объем;
hi — плечи этих сил до оси вращения;
фи — угол внутреннего трения грунта;
си — сцепление грунта;
bi — ширина i-ro участка;
т — коэффициент условия работы, равный 1;
кп — коэффициент надежности, равный 1,4.
Для грунтов и частей опоры (например, фундамента), расположенных ни-
зке уровня грунтовых или поверхностных вод, нужно учитывать взвешивающее
влияние воды.
68
Рис. IV. 17. Расчетные схемы гибких фундаменте»!
Проделав эти вычисления для нескольких центров вращения,
найдем наиболее вероятную поверхность обрушения, для которой
и должно соблюдаться неравенство (IV.8).
Расчет прочности фундаментов. В жестких фундаментах, очер-
тание которых не выходит за пределы, определяемые углом а (см.
рис. IV.1), сжимающие и растягивающие напряжения настолько-
малы, что пе требуют проверки расчетом. В иных условиях -работа-
ют гибкие фундаменты, в которых могут возникать значительные
изгибающие моменты. В расчетном отношении гибкие фундаменты-
представляют собой конструкции, лежащие на упругом основании.,
Можно выделить три основные расчетные схемы таких фундамен-
тов.
Если длина фундамщгга значительно -превышает ширину и на-
грузка равномерно расположена -вдоль длинной стороны (рис.
IV. 17, а), то при расчете в на правлении оси ОХ средние участки,
достаточно удаленные от -концов фундамента, будут работать в
условиях плоской деформации: в сечсн-иях, выделенных вертикаль-
ными плоскостями, деформации вдоль длинной стороны будут рав-
ны 0. В таких условиях работают фундаментные выступы (консо-
ли) подпорных стен, массивных опор большой протяженности
и т. д.
При расположении нагрузки вдоль короткой стороны (рис.
IV. 17, б) и при расчете только в направлении оси ОХ, конструкция
работает как балка, лежащая на упругом полупространстве. Ха-
рактерным примером такого фундамента служит ленточный фун-
дамент, очертание которого в поперечном направлении соответст-
вует жесткому фундаменту. Если же размеры фундамента в плане
отличаются мало и жесткость конструкции вдоль осей ОХ и OY
конечна, то фундамент будет представлять плиту, лежащую на
упругом полупространстве (рис. IV. 17, в). К таким фундаментам
относятся, например, фундаментные башмаки под отдельные ко-
лонны.
Расчет гибкого фундамента на упругом основании сводится к
решению дифференциальных уравнений:'
для пространственной задачи
d*z d+z \
•Sr+2s^-|-5ir)-’<x-w-'’(x-s>: <,v-9>
89
дли плоской задачи в плоскости ZOX
dig
Е!у —^4{х)-р (х). (IV. 10)
ах*
Здесь Е — модуль упругости материала фундамента;
1и — момент инерции сечения фундамента относительно централь-
ной оси ОУ;
D — цилиндрическая жесткость фундамента;
q{x, у), q(x) —внешние нагрузки на фундамент;
р(х, У)г Р(*) — реактивные давления грунта на подошву.
Решение этих уравнений должно удовлетворять граничным усло-
виям по 'контуру фундамента, а также условию, что «прогиб фунда-
мента в любой точке должен равняться осадке грунта в этой же
точке. Последнее условие определяет функции р(х, у) и р(х ), входя-
щие в уравнения (IV.9) и (IV. 10). Кроме того, что строгое мате-
матическое решение этих дифференциальных уравнений сложно и
нс всегда возможно, сами функции р нс поддаются точному опре-
делению. Действительно, из механики грунтов известно, что давле-
ния па грунт под подошвой фундамента теоретически «могут дости-
гать бесконечно больших значений, чего «в реальных грунтовых
основаниях не может быть; определение же истинных давлений
представляет задачу, па сегодняшний день нерешенную.
При проектировании фундаментов часто применяют упрощенный
способ расчета: определяют давление па грунт в предположении
линейного распределения их по подошве, после чего, принимая
реактивные давления грунта за нагрузку и учитывая внешние си-
лы, находят изгибающие моменты и поперечные силы, действую-
щие в ссчепиях фундаментной конструкции. Приближенность этого
способа заключается в том, что в действительности давления на
грунт под подошвой фундамента распределены нс по линейному, а
по более сложному закону, зависящему от жесткости и размеров
фундамента и от упруго-пластических свойств грунтов.
Рассмотрим расчет фундаментов упрощенным способом, часто
встречающихся в искусственных сооружениях.
На консольный фундаментный «выступ (рис. IV.18, а) действует
снизу вверх реактивное давление грунта р, распределенное по тра-
пеции, и сверху вниз собственный вес и вес грунтовой засыпки.
В сечении /—/ консоли усилия на единицу ширины будут:
/2
Л<1 = — [(2Л 4-Р2) —V (2Л! 4- А) — yrp (2At 4- А')]; (IV. Па)
О
Qi = 0.5Z [(л 4- Р2) — Y(А1 4- А) — угр (А' 4- А')], (IV. 116)
где у — объемный вес кладки;
Yrp — объемный вес грунта.
Остальные обозначения см. на рис. IV.18, а.
Усилия в ленточном фундаменте (рис. IV. 18, б) находят, как
в статически определимой балке, нагруженной сосредоточенными
давлениями N колонн и распределенными давлениями q и р (отне-
90
Рис. IV. 18. Расчетные схемы фунда-
ментов при линейных эпюрах давле-
ний на грунт
сенными к единице длины фундамента) от веса фундамента и ре-
акции грунтового основания. Наибольшие изгибающие моменты и
поперечные силы, возникающие в сечениях консольных частей фун-
дамента, могут быть определены по формулам, аналогичным фор-
мулам (IV.lla) и (IV.116). Значения Л1ц и Оц в произвольном се-
чении II—II на участке между колоннами (см. рис. IV.18, б) мож-
но найти по формулам:
ах^
Мц= — (2д1 + рх)—а);
(IV. 12а>
Qi । = 0,5 (Р1 + рх) — qх — N
(IV.126>
__ Pl — Р2
при рх^ Pl— ------X.
При расчете фундаментной подушки под колонну (рмс. IV.18, в)
усилия определяют па всю ширину подушки в сечениях, парад*
91
лсл1.пых граням колонны. При неравномерной эпюре давлений на
грунт изгибающие моменты и поперечные силы в сечениях /—/ и
II—П будут:
а1\
2И1 = —-(2л + р2); (ivi3a)
Qi = O,5ali (Pl + fa-
Ы» |
А<,,~ 4 (Р1 + Р2); I (IV. 13б)
Qu =0,5Ыц (pi + />2)« |
где pi, pt. рг—реактивные давления грунта без учета веса подушки и грунта
на ее обрезах.
Остальные обозначения см. на рис. IV. 18, в.
По изгибающим моментам и поперечным силам проверяют
прочность и трещиностойкость фундаментов (по формулам расчета
железобетонных конструкций).
Фундаментные подушки, кроме расчета на изгиб, должны быть
проверены на продавливание. Предполагается, что продавливание
происходит по поверхности пирамиды, боковые стороны которой
наклонены к вертикали под углом 45° (см. рис. IV. 18, в).
Проверяют по формуле
7V < О,75ЯсрЛо • 0,5 (ао + ав), (IV. 14)
где A/=Fpmax —расчетная продавливающая сила (F— площадь многоугольни-
ка ABCDEFC; ртах — наибольшее краевое давление на грунт
от расчетной нагрузки (pmax=Pi по рис. IV. 18, в);
Rep — расчетное сопротивление бетона на срез;
ho — высота подушки от обреза до нижней растянутой арматуры;
во, ая — верхняя и нижняя стороны грани пирамиды продавливания
(ди— на уровне растянутой арматуры).
Гибкие фундаменты часто рассчитывают методом, в котором
грунт рассматривается как упругое основание, характеризуемое
коэффициентом постели, а также методом, в котором грунт рас-
сматривается как упругое полупространство.
В первом из указанных методов модель основания предложена
русским академиком М. И. Фуссом в 1801 г. Зависимость между
осадкой грунта и давлением выражается формулой
р(х, y)=CS, (IV. 15)
где р(х, у) — давление на грунт, тс/м2;
С—коэффициент постели, тс/ма;
S — осадка, м.
Существенная особенность этой модели заключается в том, что
осадка грунта в точке (х, у) зависит только от давления в этой
92
Рис. IV.19. Схемы к расчету балок по методу Б. Н. Жемочкииа:
а — основная система; б — к вычислению FK[
точке. Эта гипотеза не соответствует действительности, так как
давление на грунт распространяется на некоторый его объем, вы-
зывая осадку всего основания в целом. Однако во многих случаях
результаты, полученные по этому методу, близки к более точным
расчетам, а само решение оказывается намного проще. Действи-
тельно, подставляя в уравнение (IV.9) или (IV. 10) вместо неизве-
стной функции р ее значение по формуле (IV.15), получим диффе-
ренциальные уравнения, решения которых во многих частных слу-
чаях не представляют большого труда.
Расчету балок на упругом основании с постоянным коэффици-
ентом постели посвящено большое число работ отечественных уче-
ных (проф. Н. П. Пузыревский, акад. А. Н. Крылов, проф. В. А. Ки-
селев и др.).
Коэффициент постели С может быть и переменной величиной,
зависящей от координат рассматриваемой точки упругого основа-
ния.
Так, для расчета глубоких фундаментов на горизонтальные
силы его принимают изменяющимся пропорционально глубине
рассматриваемого слоя грунта (см. гл. IX).
Из методов, рассматривающих грунт как упругое полупростран-
ство, весьма удобен для практических расчетов метод проф.
Б. II. Жемочкииа. Сущность этого метода рассмотрим на примере
расчета балок (см. рис. IV. 17, б). Балку, в которой можно пренеб-
речь изгибом вдоль короткой стороны Ь, будем рассматривать опер-
той на несколько стержней, расположенных между ее подошвой и
грунтом (рис. IV.19); в конце балки поместим условную заделку,
препятствующую осадке и повороту этого сечения. За неизвестные
примем усилия X в стержнях, осадку у0 и угол поворота фо заде-
ланного сечения. Принятый выбор основной системы соответству-
ет смешанному методу расчета статически неопределимых систем,
который в рассматриваемом случае значительно упрощает все вы-
числения.
93
1 к'пзвсстпыс находим из следующей системы уравнений (для
определенности предположено, что число опорных стержней равно
трем):
+ -^2®12 + -Лз®13 + 1Уо + 90е! + ^1р — 0;
+ -^2®22 + А3823 + 1Мо + 90°2 + ^2р =
^1831 + -^2832 + А3833 + 2/0 + V0°3 + Лзр = 0»
X1 + X2 + X3-SP=():
X’iOi + Лгвг + Азаз — 2j^p=
(IV. 16>
где ап «2, Оз - расстояние от заделки до неизвестных Xt, Х2, Х3;
ХР— сумма всех внешних вертикальных сил;
ХЛ! — сумма моментов внешних сил относительно заделки.
Первые три уравнения выражают, что •перемещения вдоль не-
известных X равны нулю; два последних уравнения представляют
обычные уравнения статики, составленные с учетом того, что в
условной заделке поперечная сила и момент равны нулю. При со-
ставлении уравнений (IV.16) приняты положительными: перемеще-
ние уо, направленное вверх, и угол <р0 — при повороте условной за-
делки против хода часовой стрелки.
Коэффициенты при неизвестных X могут быть выражены следу-
ющим образом:
®к I = 3/к I + i •
Перемещения oKi находят это формуле
Перемещение
1-в20 „
яЕос кр
Здесь уК1 — осадка основания вдоль силы хк от силы Х<=1, которая счи-
тается распределенной по площади be,
— прогиб в основной системе, т. с. балке, заделанной одним кон-
_ цом вдоль силы Хк от силы Х< = 1;
Mt — единичные моменты в балке от действия на нее сил Хк = 1
И Х< = 1;
Е — модуль упругости материала балки;
/ — момент инерции поперечного сечения балки;
Ео — модуль деформации грунта основания;
Ро — коэффициент Пуассона для грунта;
с — расстояние между стержнями.
Функцию Fi;i определяют интегрированием выражения, получен-
ного Буссииеском (paic. IV.19, б):
Е-х I с/2 ч-Ь/2
FK/=2 J
Е-х-е/2 ч-0
Значения FKi приведены в табл. IV. 1.
94
Таблица IV.1
С Ь/с— 1 Ь/с-2 Ъ/С-3 X с для псек значений bjc
Р91
0 3,525 2,406 1,867 11 0,091
1 1,038 0,929 0,829 12 0'083
2 0,505 0,490 0,469 13 0’077
3 0,339 0,330 0,323 14 0’071
4 0,251 0,249 0,246 15 0’067
5 0,200 0,199 0,197 16 0j063
6 0,167 0,166 0,165 17 0'059
7 0,143 0,143 0,142 18 0,056
8 0,125 0,125 0,124 19 0’053
9 0,111 0,111 0,111 20 О; 050
10 0,100 0,100 0,100
a 4 e н »' я: x — расстояние от точки, где определяется осадка, до середины уча-
стка длииоЛ с, в пределах илтппого распределена нагрузка; Ь — ширина балки. *
Перемещения балки от внешних нагрузок
I _
а f л4кЛ1р
Лк/,= ] ~Ё7~ах
где МР момент п балке (п основной системе) от внешних нагрузок.
После того как будут найдены неизвестные X, легко по элемен-
тарным правилам статики найти изгибающие моменты и попереч-
ные силы в любых сечениях фундамента.
В случае плоской задачи (см. рис. IV.17) решение принципиаль-
но остается тем же, но осадка основания yKi вычисляется исходя
из решения Фламана по формуле
1-Ив2
Таблица IV.2
С С F'Kl X с С Гк1
0 1 2 3 4 5 0 —3,296 —4,751 —5,574 —6,154 —6,602 6 7 8 9 10 —6,967 —7,276 —7,544 —7,780 —7,991 11 12 13 14 15 16 -8,181 —8,356 —8,516 -8,664 —8,802 —8,931 17 18 19 20 —9,052 —9,167 —9,275 —9,378
95
при плоской задаче вместо I нужно принимать цилиндриче;
скую жесткость
ЕЛЗ
D =----------,
12(1-в2)
Здесь FKl—функция, значения которой приведены в табл. 1V.2;
р — коэффициент Пуассона для материала фундамента.
Рассматриваемый метод расчета достаточно прост, точность его
тем больше, чем меньше расстояние с между фиктивными стерж-
нями. При этом способе легко учесть переменную жесткость фун-
дамента (что отразится только на величинах vKi и Акр). Все вычис-
ления легко поддаются программированию и выполнению на ЭВМ.
Для расчета плит и балок на упругом полупространстве широко
используются также табулированные решения, полученные д-рами
техн, наук М. И. Горбуновым-Посадовым и И. А. Симвулиди.
Выбор того или иного метода расчета гибких фундаментов за-
висит от реальных грунтовых условий и необходимой точности рас-
чета. При несвязных лсгкосжимаемых грунтах, подстилаемых иа
небольшой глубине плотными породами (например, скалой) доста-
точно правильные результаты дает схема упругого основания, ха-
рактеризуемая коэффициентом постели. При связных грунтах ре-
комендуется применять методы, учитывающие распределение дав-
лений в основании как в упругом полупространстве.
Изложенные методы расчета фундаментов основаны на упругой
стадии их работы. Однако если исходить из предельных состояний,
учитывающих пластические деформации, то фундаменты могут
быть запроектированы более экономично.
Глава V.
постройка фундаментов
МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
V.I. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
Фундаменты мелкого заложения сооружают в котлованах. Построй-
ка таких фундаментов состоит из следующих работ: геодезические
работы; земляные работы; крепление котлована; ограждение кот-
лована от поверхностных вод; водоотлив; кладка тела фундамента.
Выбор способа производства этих работ и необходимость в некото-
рых из них зависят главным образом от свойств грунтов, а также
от того, возводят ли фундамент па сухой местности или на мест-
ности, покрытой водой.
При наличии грунтовой воды, а тем более поверхностной работы
по сооружению фундаментов в котлованах значительно усложня-
ются и стоимость их возрастает.
Для закрепления на местности проектных осей и размеров
фундаментов производят геодезические разбивочные работы. Про-
дольные и поперечные оси фундаментов переносят па местность
при разбивке осей моста.
Размеры котлована .в плане назначают в соответствии с проект-
ными размерами фундамента с запасом, необходимым для устрой-
ства креплений котлована, установки опалубки и пр. Очертание
котлована должно быть простым, без входящих углов.
На местности, нс покрытой водой, очертание котлована и фун-
дамента закрепляют с помощью обноски (рис. V.1), состоящей из
сваек диаметром 14—16 см и досок, верхние (кромки которых рас-
полагают в одной горизонтальной плоскости. Обноску делают па-
раллельно сторонам будущего фундамента па расстоянии 1,5—2 м
от бровки -котлована. На кромках досок размечают положение
граней котлована и фундамента, закрепляя их пропилами или
гвоздями. Через соответствующие пропилы натягивают шпуры, и
места их пересечения (угловые точки) сносят отвесом па поверх-
ность земли.
Обноску нужно сохранять па все время постройки фундамента.
Однако часто опа мешает работам, и тогда разбивку приходится
возобновлять по мере надобности.
На местности, покрытой водой, геодезические работы осложня-
ются. В этом случае их удобно вести зимой со льда. Летом оси
опор закрепляют сваями, которые забивают с плавучих средств,
устанавливаемых в проектное положение с помощью теодолитов,
пользуясь общей разбивкой осей моста (триангуляционной сетью).
Окончательную разбивку фундамента производят после отрытия
котлована на его дне.
97
I — очертание подошвы фундамен-
та; 2—очертание котлована; 3—
спайки; 4 — доски; 5 — шнур; 6 —
отвес; 7 — груз
Высотные размеры — отметки подошвы и обрезов фундамента —
проверяют нивелированием в процессе ведения работ, пользуясь
реперами, закрепленными на строительной площадке.
V.2. КОТЛОВАНЫ В СУХИХ И МАЛОВЛАЖНЫХ
ГРУНТАХ
В сухих и маловлажпых устойчивых грунтах разработку котлова-
на можно вести без креплений боковых граней (рис. V.2), прида-
вая им уклон в соответствии с табл. V.I.
При отсутствии креплений земляные работы и кладку фунда-
мента нужно производить возможно быстрее, не допуская намока-
ния откосов и их сползания. От притока поверхностных дождевых
вод котлован защищают с нагорной стороны канавами или кюве-
тами. Для сохранения устойчивости откосов строительные матери-
алы, 'механизмы и прочие временные нагрузки располагают не
ближе 1 м от бровок'Котлована. Котлованы без креплений наиболее
просты. Однако за счет откосов боковых граней увеличивается
Рис. V.2. Котлован без креплений:
1 — нагорная канала; 2 — очертание фун-
дамента; 3 — вынутый грунт
98
Таблица V.l
Грунт Отношение высоты откоса h к его заложению Ь, при глубине котлована, м
1.5 1,5-3 3—5
Насыпной естественной влажности 1.0,25 111 111,25
Песчаный и гравийный влажный. 110,5 111 111
но не насыщенный
Глинистый естественной влажно-
сти:
супесь 1 >0,25 1.0,67 1 >0,85
суглинок 1-.0 110.5 1 >0,75
глина 1:0 1 :0,25 1 >0,5
лёссовидный сухой 1:0 1:0,5 110,5
объем земляных работ, что при глубоких фундаментах с неболь-
шими размерами подошвы может привести к излишним неоправ-
данным затратам. Кроме этого, в стесненных условиях строитель-
ной площадки, например при близко расположенных зданиях или
сооружениях, разработка котлована с естественными откосами ча-
сто оказывается невозможной.
Котлованы с вертикальными гранями разрабатывают с приме-
нением 'Креплений, предохраняющих грунт ют обрушения.
В сухих грунтах применяют простейшее крепление, называемое
закладным. Закладное крепление (рис. V.3) состоит из стоек, рас-
порок и горизонтальных досок или горбылей, называемых «забир-
кой». Применяют его при ширине котлована до 4 м. Доски забмрки
заводят за стойки снизу по мере углубления котлована; стойки
постепенно заменяют на более длинные, тщательно раскрепляя их
распорками.
Болес прочным и удобным является крепление,, состоящее из
предварительно забитых в грунт двутавровых стальных балок
(рис. V.4), за полки которых постепенно закладывают забирку из
досок.
По мере углубления котлована устанавливают деревянные
или стальные инвентарные распорки. В широких котлованах в ме-
стах пересечения распорок ставят стойки. После кладки фундамен-
та и засыпки пазух двутавры извлекают из грунта для повторного
использования.
Так как закладное крепление применяют в грунтах естествен-
ной влажности, боковое давление грунта для их расчета опре-
деляют по формуле случаев № 1, 3 или 4 по табл. V.3 (см. п. V.4).
Расчстная схема крепления приведена на рис. V.5. Доски крепле-
ния работают на изгиб, как балки пролетом /. Нагрузка на ниж-
нюю, наиболее нагруженную доску
Р — bphni.
99
Рис. V.3. Конструкция закладного крепления:
/ — распорка диаметром 14—16 см; 2 —бобышка; 3 — стойке диаметром 12—16 см; 4— sa-
бнркн из досок (или горбылей) толщиной 4—8 см.
Изгибающий момент с учетом неразрезности доски
.. Р12
М=~^
Если 7?и — расчетное сопротивление дерева при изгибе, то
W 5Л82 Н‘
Здесь Ь — ширина доски;
Ph — горизонтальное давление иа уровне середины нижней доски;
Л1 — коэффициент перегрузки (см. табл. V.4);
б—толщина доски.
Рис V.4. Закладное крепление с стальными стойками:
/-упорные коротыши на швеллеров; 2-распорки; 3-эабирка; 4-стойки нз
5 — бруски; 6 — клин
двутавров;
100
Из этого выражения обычно
определяют расстояние I между
стойками, задаваясь толщиной
доски:
Стойку рассчитывают, как не-
разрезную балку, опорами ко-
торой служат распорки; нагрузка
на стойку равна р^Ьц.
Расстояния S между распор-
ками желательно принимать та-
кими, при которых изгибающие
моменты в опасных сечениях
стойки равны ее расчетному со-
противлению на изгиб:
Рис. V.5. Расчетная схема закладно-
ного крепления
М .— С"
Распорки проверяют на продольный изгиб по формуле
К
<j>F
Здесь Ш'с — момент сопротивления сечения стойки;
N — сила сжатия в распорке, равная давлению, передаваемому стой-
кой;
F — площадь сечения распорки;
<р — коэффициент продольного изгиба;
₽си<—расчетное сопротивление дерева на сжатие.
V.3. КОНСТРУКЦИЯ ШПУНТОВЫХ ОГРАЖДЕНИИ
При разработке котлована в акватории, а также в грунтах, насы-
щенных водой, необходимо не только укрепить степы котлована,
по и защитить его от затопления водой. Для этого применяют
шпунтовые ограждения. Шпунтовые ограждения (рис. V.6) состо-
ят из шпунтин (шпунтовых свай), погружаемых в грунт до разра-
ботки котлована сваебойными механизмами (см. п. VII.1) и обра-
зующих шпунтовые водонепроницаемые стенки, маячных свай м
направляющих схваток, обеспечивающих проектное положение
шпунта, а также креплений, удерживающих шпунтовые стены от
обрушения.
Глубина погружения шпунтовых стенок (степ) определяется
грунтовыми условиями. Если водонепроницаемый грунт — водо-
101
упор — залегает неглубоко, то шпунт погружают до этого слоя
(рис. V.6, а), чем достигается защита котлована от притока воды,
через его дно. Если водоупор расположен глубоко, то шпунт погру-
жают ниже дна котлована на глубину, при которой не будет выно-
ситься грунт в котлован при осушении. В этом случае глубина t
(рис. V.6, б) погружения шпунта ниже дна котлована определится
по формуле
ЯХЛУвЗв
где Нп — напор на уровне дна котлована, м;
Упзв — о&ьемпый вес взвешенного водой грунта, тс/м’;
т — коэффициент, равный для гравелистого и крупнозернистого песка и
супеси — 0,7, для среднезернистого и мелкого песка — 0,5 и для пыле-
ватого — 0,4;
уи- — объемный вес воды, равный 1 тс/м’.
В рыхлых, легко подвижных грунтах (пылеватых и мелких пес-
ках, тскучспластичпых и текучих глинистых грунтах и т. п.) воз-
можно выпирание грунта в котлован из-под шпунта. Для преду-
преждения выпирания шпунт должен быть погружен ниже дна
котлована на глубину
l,5(HY + g)
> Y' [2 tg4 (45е — 0,5у) — 1 ’
(V.16)
Рис. V.6. Схемы шпунтовых ограждений:
/ — водоупор; 2 — уровень грунтовых вод; 3 — направляющие схватки; 4 — шпунтовая стен-
ка; 5 — распорка; б —обвязка; 7—маячные спаи; 8— анкерная свая; 9 — стяжка
102
где Н — глубина котлована, считая от уровня грунта вне котлована, м;
у—нормативный объемный вес грунта выше дна котлована, тс/м3;
q— нагрузка на поверхности грунта у шпунтового ограждения, тс/м2;
у' — нормативный объемный вес грунта, расположенного ниже дна котло-
вана, тс/м3;
<р — то же, угол внутреннего трения грунта.
Во всех случаях шпунтовые стенки должны быть погружены
ниже дна котлована на глубину t, обеспечивающую их прочность
н устойчивость, но не менее 1 м при связных, крупнопесчаных и
гравелистых грунтах и 2 м при текучих и текучепластичных связ-
ных мслкопссчаных и плывунных грунтах.
Отметка верха шпунтовых стенок определяется уровнем воды.
Если уровень грунтовых вод расположен на некоторой глубине от
дневной поверхности, то для уменьшения длины шпунта целесо-
образно верхнюю часть котлована разработать без креплений (см.
рис. V.6, а). В русле рек верх шпунтовых стенок необходимо рас-
полагать выше рабочего уровня воды с учетом подпора и высоты
волн не менее чем на 0,7 м. За рабочий уровень воды принимается
уровень с 10%-ной повторяемостью; подпор, учитываемый при сред-
ней скорости течения воды и^2 м/с,
где g— ускорение силы тяжести (9,81 м/с2).
Шпунтовые стенки могут быть деревянными, стальными и же-
лезобетонными. По способу крепления различают стенки без креп-
лений, с распорным креплением и с анкерным креплением.
Стенки без креплений (см. рис. V.6, а) применяют при относи-
тельно неглубоких котлованах, ограждаемых преимущественно
стальным шпунтом; достоинство такого крепления — отсутствие
конструкций, загромождающих котлован, что облегчает земляные
работы, позволяя широко применять различные землеройные меха-
низмы. Однако такой шпунт испытывает значительные изгибаю-
щие моменты от давления грунта и должен иметь достаточно мощ-
люс поперечное сечение. Для обеспечения устойчивости этот шпунт
приходится погружать ниже дна котлована на большую глубину.
Стенки с распорным креплением (см. рис. V.6, б) испытывают
меньшие изгибающие моменты и могут быть сделаны более лег-
кими. Крепление состоит из обвязок и системы распорок, которые
•ставят по мерс углубления котлована. Расстояние между распор-
ками по высоте определяется расчетом, но исходя из удобства раз-
работки грунта должно быть нс менее 1—1,5 м. Распорное крепле-
ние применяют наиболее часто.
При широких котлованах возможно устройство анкерного креп-
ления, состоящего из анкерных свай (рис. V.6, в), забитых за пре-
делами котлована, и деревянных схваток или стальных тяжей, ко-
торыми закрепляют верх шпунта.
- Деревянное шпунтовое ограждение. Деревянные шпунты деда-
лот из досок толщиной до 8 см или брусьев толщиной от 10 до 20—
103
Рис. V.7. Конструкция деревянных шпунтин:
/ — паз; 2 — гребень; 3 — скоба диаметром 12—14 мы; 4 •— бугель: Б — гвозди; 6— болты
диаметром 10—16 мм впотай
24 см. Длина шпунтин определяется глубиной их погружения и ред-
ко превышает 8 м, так хак более длинный лес дорог и дефицитен.
Толщину шпунта назначают по расчету на прочность. Из условия
забивки гибкость шпунтины не должна превышать 150; примерно
такую гибкость имеет шпунт, толщина которого (в см) равна удво-
енной длине его (в м).
Для обеспечения водонепроницаемости ограждения шпунтины
снабжают гребнем и пазом. Шпунтины из отдельных досок толщи-
ной от 4 до 8 см делают с треугольной формой гребня и паза
(рис. V.7, а). При отсутствии необходимого размера досок шпун-
тину составляют из трех досок толщиной пс мспсс 2,5 см каждая,
сплачиваемых по длине гвоздями и болтами (рис. V.7, б). Состав-
ные шпунтины имеют прямоугольный гребень и паз, получаемые
смещением средней доски относительно крайних.
Брусчатые шпунтовые сваи делают с прямоугольным гребнем и
пазом (рис. V.7, е) шириной, равной */з толщины бруса, и высотой
не более 5 см. Нижний конец шпунтины заостряют. Высота за-
острения составляет 1—3 толщины шпунтины (чем плотнее грунт,
тем угол заострения меньше). С боков заострение симметричное,
с фасадной стороны одностороннее—только со стороны гребня.
104
Одностороннее заострение спо-
собствует получению плотной, во-
донепроницаемой стенки, так как
при забивке шпунтины горизон-
тальная составляющая реактив-
ного сопротивления грунта при-
жимает ее к ранее забитым.
Шпунт всегда забивают гребнем
вперед, так как в противном слу-
чае гребню пришлось бы вытес-
нять грунт из паза предыдущей
шпунтины.
Для большей плотности шпун-
та и ускорения его забивки при-
меняют пакетные шпунтовые сваи
(рнс. V.7, г), состоящие из двух-
трех брусчатых шпунтин, соеди-
ненных скобами. Скобы забива-
ют в противоположных направле-
ниях под углом 45° через 100—1!
скобы ставят через 50 см. Скобы втапЛивают в древесину заподли-
цо с поверхностью, чтобы не сбить их при погружении шпунта. За-
острение пакетных шпунтовых свай делают общим на весь пакет.
При забивке шпунта в плотные грунты, а также при наличии
в грунте твердых прослоек острие шпунтины защищают от повреж-
дений металлическими башмаками (рис. V.8). На шпунтинах их
закрепляют коваными гвоздями.
Верх шпунтин (голову) обрезают перпендикулярно к продоль-
ной оси и для предохранения от размочаливания при забивке
Рис. V.8. Конструкция башмака:
/ — шпунтина; 2 — башмак
см; по концам пакета две-три
Рис. V.9. Детали деревянных шпунтовых ограждений:
/ — шпунтина: 2 — обвязка: 8 — подкос: 4 — скоба; £ — болт; 6 — прируб (упор); 7 — рас-
порка. £ —столик; S—ерши
105
Рис. V.10. Маячные сваи и направ-
ляющие схватки:
1 — угловая маячная свая; 2 — направляю-
щая схватка; 3 — шпунтины
укрепляют бугелем из полосовой
стали толщиной 18—14 мм (см.
рис. V.7, г). Бугель насаживают
на голову в нагретом состоянии,
чтобы при остывании он плотно
сжал древесину.
Детали узлов распорного кре-
пления показаны на рис. V.9. Уг-
ловые подкосы (узел /) присоеди-
няют к обвязкам с помощью упо-
ров, врубленных в обвязки на
глубину нс мспсе 3 см. Упоры за-
крепляют болтами с потайными
головками. Для крепления распо-
рок предусматривают стальные
«столики» (узел //). Столики при-
бивают к шпунту коваными за-
ершенными штырями.
Для погружения шпунта вдоль
шпунтовых стен через 2—2,5 м за-
бивают маячные сваи диаметром
18—26 см. Глубина забивки их
должна превышать глубину за-
бивки шпунта па 0,75—1,5 м. К маячным сваям болтами прикреп-
ляют направляющие схватки из пластин диаметром не менее 22 см
или из брусьев сечением нс менее 14X14 см (рис. V. 10); между
схватками через 1,5—2 м ставят колодки, которые постепенно за-
меняют шпунтинами. В углах ограждения концы внутренних схва-
ток приходится вырезать, так как они мешают забивке шпунта.
Устройство шпунтовых стен начинают с забивки маячных свай.
Маячпыс сваи должны быть забиты возможно точнее по линии
ограждения. После установки направляющих схваток приступают
к погружению шпунта. Деревянные шпунтины до забивки реко-
мендуется вымачивать в воде в течение 10—15 сут; в противном
Рис. V.l 1. Профили прокатных стальных шпунтов (см. табл. V.2)
106
случае при набухании древесины шпунтовая стенка может дефор-
мироваться.
Основное достоинство деревянных шпунтовых ограждений —
простота изготовления. К недостаткам в первую очередь нужно от-
нести невозможность забивки шпунтин в плотные грунты, огра-
ниченную длину шпунтин (6—8 м) и относительно малую проч-
ность.
Стальное шпунтовое ограждение. В современном мостостроении
наиболее часто применяют стальные шпунтовые ограждения. Оте-
чественные заводы прокатывают стальные шпунтины плоского и
корытного профиля (рис. V.11) длиной ют 8 до 22 м. Шпунтины
можно наращивать, перекрывая стыки накладками на сварке или
заклепках, и доводить их длину до 35—40 м. Геометрические ха-
рактеристики профилей приведены в табл. V.2.
Замки, которыми шпунтины соединяют при забивке, обеспечи-
вают работу шпунтового ряда на растяжение, что позволяет при-
менять стальной шпунт в самых разнообразных условиях. Водонс-
пропицамость стального шпунта обеспечивается заиливанием зам-
ков, а также конопаткой их по мере удаления грунта и воды из
котлована. Угловые шпунтовые сваи составляют из разрезанных
вдоль шпунтин, соединяемых уголковыми накладками. Распорное
крепление стальных шпунтов может быть выполнено из дерева или
из металла. Деревянное крепление делают аналогично показанно-
му «а рис. V.9.
Схемы металлических креплений весьма разнообразны. При
прямоугольных в плане котлованах они могут состоять из плоских
конструкций или из пространственных каркасов. Пример двухъ-
ярусного плоского крепления показан на рис. V.12. Крепления вы-
полнены из швеллеров с болтовыми соединениями в виде статиче-
ски определимых плоских рам. Пространственные -каркасы (рис.
V.13) применяют при глубокой воде (4—5 м и более), а также при
необходимости располагать строительное оборудование на креп-
лении; каркасы состоят из двух или более плоских ферм, соединен-
ных в плоскостях распорок раскосами и стойками.
Таблица V.2
Профиль
Размеры профили, мм
Ъ и a t
Плоский (рис.
V.11, в)
Корытый (рис.
V.11, б)
Типа «Ларсен»
(рис. V.11, в)
ШП-1
П1П-2
IUK-1
IUK-2
Л-IV
Л.У
400
200
400
400
400
420
103
71
75
125
204,5
196
10
10
14,8
21
10
8
10
10
12
15
82
39
64
74
94,3
127,6
64
30
50
58
74
100
332
80
730
2243
39600
50943
73
28
114
260
2202
2960
Примечание. Момент инерции и момент сопротивления шпунта типа «Ларсен»
даны для 1 пог. ы шпунтовой стенки.
107
Рис. V.12. Конструкция стального шпунтового ограждения:
1 — шпунт Ларсен IV; 2— обвязка из швеллеров 76 30; 3— направляющая схватка, швел-
лер ТА 30; 4— распорка, швеллер 76 30; £ — угловой подкос, швеллер 26 30; £ — стальные
прокладки; 7 — столик; £ — деревянные клинья; 9 — маячная свая, сваренная из шпунтин
Кроме прямоугольных, иногда делают цилиндрические ограж-
дения, располагая шпунт по окружности (рис. V.14). После удале-
ния из котлована воды шпунт будет сжат наружным давлением,
замки шпунта уплотнятся и водонепроницаемость их возрастет. По-
казанное на рис. V.14 крепление сделано мз швеллеров, соединен-
ных планками. Кольца закреплены на столиках, поставленных че-
рез 3,75 м; столики препятствуют потери устойчивости швеллеров
при работе их на сжатие. По сравнению с распорным кольцевое
крепление требует меньшего расхода металла и не загромождает
котловам, что значительно облегчает земляные работы и кладку
фундамента.
На суше, а также при небольшой глубине воды в русле реки
стальной шпунт забивают в направляющих схватках, лриболченных
108
Рис. V.14. Цилиндрическое шпунтовое ограждение
Рис. V.15. Стальной шпунт с направляющими схватками и маячными сваями:
I — маячные сван; 2— направляющие схватки; 3 — угловая шпуитина; 4— уголковая на-
кладка; б — стальной шпунт; 6 — прокладка
к маячным сваям (рис. V.15)-.
Для обеспечения вертикального
положения шпунтин схватки рас-
полагают по высоте в два яруса.
Зазор между схватками обеспечи-
вается деревянными временными
прокладками. Шпунт рекоменду-
ется погружать пакетами из двух-
трех шпунтин, объединяя их об-
щим наголовником.
В руслах рек при глубокой во-
де шпунтовое ограждение устраи-
вают следующим образом. На бе-
регу собирают конструкции кре-
плений, снабжая их по наружно-
му контуру деревянными или
Рис. V.16. Сечение железобетонных стальными направляющими схват-
шпунтин ками. Затем собранные крепле-
ния доставляют на плавучих
средствах (понтонах, баржах, плашкоутах) к месту возведения
фундамента. Забивают маячные сваи, за которые закрепляют креп-
ления, опустив их с плавучих средств. После этого погружают
шпунтины, предварительно выставляя из них стенку между маяч-
ными сваями. В процессе погружения следят за правильным поло-
жением шпунтин. Отклонения шпунтин из плоскости стенки вы-
правляют, оттягивая их лебедками. Веерность, т. е. отклонение от
вертикали в плоскости стенки, исправляют распорными домкрата-
ми, оттяжками и т. д. Если все же не удастся избежать веерности,
то при замыкании ряда забивают клиновидные шпунтовые сваи,
вырезая их из нормальных шпунтин и склепывая или сваривая.
Для облегчения погружения замки шпунтин рекомендуется сма-
зывать тавотом. Перед забивкой прямолинейность шпунтин и от-
сутствие пороков в замках проверяют, протаскивая через замки
отрезок шпунтины длиной 1,5—2 м. В передние по ходу забивки
замки снизу забивают стальные пробки, предохраняющие замки
от заполнения нх грунтом.
Крепления шпунтовых ограждений разбирают по мерс кладки
фундамента. Стальной шпунт должен быть извлечен из грунта для
дальнейшего использования. Его применяют при глубокой воде, а
также при плотных, труднопроходимых грунтах.
Железобетонные шпунтовые ограждения. Железобетонные
шпунты находят применение преимущественно в гидротехническом
строительстве, при постройке набережных, причалов и других со-
оружений. На рис. V.16 приведены некоторые типы поперечных се-
чений шпунтин. Шпунтины могут быть выполнены с напрягаемой
арматурой, что уменьшает их вес и увеличивает трещи нестойкость.
В отличие от стальных и деревянных шпунтов, железобетонные
интуитивные ограждения включают в конструкцию фундамента и
используют в качестве несущих элементов.
но
V.4. РАСЧЕТ ШПУНТОВЫХ ОГРАЖДЕНИЙ
Шпунтовые ограждения рассчитывают на прочность и устойчивость
положения (первая группа предельных состояний). Глубина забив-
ки шпунтовых стен в несвязные грунты должна быть проверена по
формулам (V.1) на устойчивость грунта против его выпора в кот-
лован.
При расчете шпунтовых ограждений необходимо проверять
их устойчивость и прочность нс только в полностью вырытом кот-
ловане, но и в промежуточных-производственных стадиях. Так, рас-
чет ограждения, показанного на рис. V.17, необходимо выполнить
на следующие случаи:
1) вода удалена ниже крепления / на 0,75—1 м;
2) поставлено крепление /, вода и грунт удалены ниже крепле-
ния 11 на 0,75—1 м;
3) поставлены крепления / и II, грунт и вода удалены ниже
крепления III на 0,75—1 м;
4) поставлены крепления I, II м III, грунт и вода удалены до
проектной отметки дна котлована.
Основная нагрузка, действующая на крепления — боковое дав-
ление грунта. Так как крепление рассчитывают в предельном со-
стоянии, когда оно может иметь достаточно большие перемещения,
то давления грунта могут быть найдены исходя из теории Кулона
при плоских поверхностях скольжения призм обрушения. На ограж-
дающие конструкции грунт развивает два вида давлений — актив-
ное и пассивное.
Активное давление возникает, когда ограждение перемещается
от грунта. При этом поверхность грунта проседает. Пассивное дав-
ление развивается при перемещении ограждения в сторону грунта
и сопровождается его выпором.
Боковое давление грунта создастся его весом и вертикальной
нагрузкой, расположенной на призме обрушения.
При откачке воды из котлована возникает также горизонталь-
ное давление воды.
В табл. V.3 приведены формулы актив-
ного и пассивного давлений для наиболее
простых случаев1 расчета ограждений.
Если грунты разнородны, но у, <р и с раз-
личаются не более чем на 20%, то грунт
можно считать однородным с характеристи-
ками:
л SY/*/
у =---:----; а=-------; с=--------,
S А/ X А/ 2 А/
где у<, q>«, ct — характеристики i-ro слоя;
hi — мощность i-ro слоя.
Рис. V.17. Схема к расче-
ту шпунтового крепления
с тремя (/—III) распор-
ками
1 Более сложные схемы нагрузок приведены в
справочнике «Строительство мостов и труб»/Под ред.
В. С. Кириллова. М., Транспорт, 1975. с. 110—121.
111
Если это условие нс соблюдено, то давление на ограждение оп-
редслястся для каждого слоя грунта отдельно, рассматривая выше
расположенные слои как вертикальную нагрузку.
Нагрузка q на призме обрушения от складирования материа-
лов, возможной отсыпки грунта и пр. принимается «с менее
1 тс/м1 2. Нагрузку от строительного оборудования *, расположен-
ного на призме обрушения, условно можно заменить равномерно
распределенной интенсивностью
G
?=-у.
где G — вес оборудования;
F — площадь, ограниченная контуром оборудования в плайе.
При расчете распорных креплений, кроме горизонтальных дав-
лений, нужно учитывать вертикальные давления от собственного
веса креплений и веса расположенного на них оборудования. По-
следнее принимается пе менее 50 кге/м2 для верхнего яруса 'креп-
ления и 25 кге/м2 для нижних ярусов.
Перечисленные нагрузки учитывают в расчетах с коэффициен-
тами перегрузок, приведенными в табл. V.4. Коэффициент пере-
грузки для пассивного давления грунта во всех случаях гг2=0,8.
Б основные сочетания входят нагрузки, возникающие после удале-
ния грунта и воды до проектной отметки дна котлована. Дополни-
тельные сочетания соответствуют промежуточным стадиям работ:
установке распорных креплений при разработке котлована <и ча-
стичной откачке воды, а также удалении креплений в процессе
кладки фундамента.
Расчет шпунтовых стенок на устойчивость положения в общем
виде производится по формуле
Коэффициент условия работы т зависит от типа ограждения
и гидрогеологических условий. Для свободно стоящих стенок во
всех случаях т=0,95.
Для стенок с одним и более ярусом креплений, погруженных в
несвязные грунты, коэффициент т принимается по графику (рис.
V.18) в зависимости от параметров
//гр //в
Ртр=—— или ь>=—.
При погружении шпунта в несвязные грунты и при частичной
откачке воды на глубину нс более 0,25 И в акватории и 0,25 Нв на
местности, не покрытой водой, коэффициент т=0,95.
1 Более точно давление на грунт от расположенных на нем строительных ма-
шин— см. в справочнике «Строительство мостов и труб»/Под ред. В. С. Кирил-
лова. М., Транспорт, 1975, с. 115—116.
112
Таблица V.3
Номер расчет- ного случая Характеристика расчетного случая Схема и апюра давлений Формула давлений на единицу площади ограждения
1 Активное давление Несвязный грунт влажный (V. ?) К Л r*j Д = z- г?=?ха; Pz=v^yxa
2 Несвязный грунт водонасы- щенный (Увзв. Y) f Pq — ^а» Pz~ Ybsb^^a 4“ ^Yw
3 На глубину Л несвязный грунт влажный (у, у'), ниже водо- насыщенный (Твзв* V ) i-rd LX. о* J Если 0 < z < ft, to pq = ^Xa; _ Если 0 < z', то pq = (g + y'ft)Xa; — Pzr Ybsb ^a 4“ Yw
4 Связный грунт (у, у, с) А 1 i 1 11 1 1 I I |v^W g ’ *5 II «г * я N 1 £ •K
5 На глубину ft несвязный водо- насыщенный грунт (т'13в, ?'), ниже связный грунт (у", <f", с) X '» I if 7> Если 0 < z < ft, to p'q = 3 Pz= Твзв^Ха+ “I 2c Если 0 <z', to hc— ; z y'Vx; J r?= (? +Ybsb'1 + ^YwJXa! 4 PZ/=Y’(^'— ftc)Xa
113
Продолжение табл. V.3
Номер
расчет- Характеристика Схема и эпюра
кого расчетного случая давлений
случая
Формула давлений на единицу площади
ограждения
6
На глубину h
связный грунт
(Y', ч'• с), ниже
несвязный водо-
насыщенный
ГРУНТ (Y^- ?")
Если 0 < z < ft, то hc—-------—:
V'
Pq = Q^ Pz- v'—
Если 0 < z', то р' — (q + fty') х";
Pz'-=Yb3b^'X" + z'yw
7
Несвязный
водоиасы шей-
ный ГруНТ (Упав,
у), сверху слой
воды толщиной
Аи
Если 0 с z < Л„, то pz h„yw.
Если 0 « г', то pz. = y^z'^ +
+ (Ан b*')Yw
8
Связный
грунт (у, у, с),
сверху слой во-
ды толщиной Лв
Если 0 < z < Лв, то pz -- ftnyw.
?с
Если 0 < z', то hc -- ------;
V V ха
А/ — ЛвУаУш> Pz’ ~~ \(.г' — Лс) Ха
9
На глубину Л
несвязный водо-
насышснный
групт (у'1ЭТ!, у'),
ниже связный
грунт (у", ч", с),
сверху слои во-
ды толщиной Лв
Если 0 < z < h„, то рг гчю.
Если 0 < z' < Л, то
Pz' Уюв + (Л» + *') Yw-
. 2с
Если 0 < z", to пс—------—;
у" Их;
Рч = (YnSB А + ftY® + A"Yw) ха;
PZ--Y"(^B —ftJX'
114
Продолжение табл. V.3
Номер расчет- ного случаи Характеристика расчетного случая Схема и эпюра давлений Формула давлений на единицу площади ограждении
10 Пасси и ное давление Несвязный водоиасышен- НЫЙ rpyilT (Yb3b> f) У 4 у ^4 Рг --- Yhsb^X,, + ZY®
и Связный грунт (у, ф, с) .-.т. i к «1 j I. Рс — 2с / Х„; рг = ZYzXn
— Fc
12
На глубину Л„
пола, па глуби-
ну Л несвязный
водонасыщен-
ный грунт (\вэт,
у')* ниже связ-
ный грунт (у",
V", с)
Если 0 С z с Лв, то pz= zyw.
Если 0 < г' < Л, то pz, = Ybsb zXi.+
+ U' +ftB)Yw
Если 0 < z", то pc = 2c j/;
Pq = (Ybsb h "I" ^Y® + ^bY®) X,,!
Pz"~~ y"gn^'n + Pq-\-Pc
Примечания: 1. В пассивном давлении при связном грунте сцепление с учиты-
вается полностью только с глубины 1 м от его поверхности.
2. В таблице приняты следующие обозначения: q— равномерно распределенная на-
грузка на призме обрушения. тс/м1; у — нормативный объемный вес грунта, тс/м’; ТвЗВ—
то же, взвешенного водой, тс/м*; ф — нормативный угол внутреннего трения грунта, град:
с — нормативное удельное сцепление грунта, тс/м*; Ха — коэффициент активного давления
Ха =tg> (45*—0,5ф); Дп—коэффициент пассивного давления (45о+0.5ф); 1 — длина
призмы обрушения для глубины г от поверхности грунта l*=ztg (4S°—0,5ф).
3. Объемный вес воды Ущ,™! тс/м1.
115
Таблица V.4I
Нагрузка Обозначение ковффициента Ковффнциент перегрузки л при сочетаниях нагрузок
основных дополнитель- ных
Давление воды 1,0 1,0
Горизонтальное (активное) давле- «1 1,2 1.0
ние грунта Вес крепления п3 1.2 1,2
Нагрузка на креплениях п4 1.3 1,3
Здесь Л1Опр — опрокидывающий момент;
Муд — удерживающий момент;
т— коэффициент условия работы;
Н — глубина котлована;
НГр — расстояние от дна котлована до поверхности дна акватории;
Ня — то же, до уровня грушевых вод на местности не покрытой
водой.
При погружении шпунта в водоупор или в связные грунты
гл=0,95.
Шпунтовые ограждения на прочность рассчитывают по общим
правилам сопротивления материалов с делением расчетных сопро-
тивлений на коэффициент надежности кн:
При расчете ограждений на акватории................. кп=1,1
При расчете в остальных случаях....................... ки=1
Рис. V.18. Графики коэффициента т
для ограждений:
а — на местности, покрытой водой; 6 —
то же, непокрытой водой. Пунктирной ли-
нией дана т для стенок с двумя и более
ярусами креплений, сплошной —с одним
ярусом
116
Расчетные сопротивления материалов назначают по нормам на
временные сооружения.
При расчете шпунтин типа ШК и Ларсен, погруженных в сла-
бые грунты, момент сопротивления их поперечных сечений прини-
мается: с коэффициентом 0,7 при обвязках, неприкрепленных к
шпуптинам, и коэффициентом 0,8 при обвязках, прикрепленных к
шпуитинам (этим учитывают возможность смещения шпунтин в
замках).
В расчетном отношении шпунтовые ограждения представляют
собой достаточно сложные конструкции. Взаимодействие шпунтов
с грунтом, во многом зависящее от схемы ограждения и ряда дру-
гих факторов, теоретически изучено еще недостаточно. Поэтому
при проектировании фундаментов находят применение различные
приближенные методы.
В транспортном строительстве приняты следующие способы
расчета.
В зависимости от конструкции крепления стенки могут быть
без креплений, с одним, двумя и более ярусами креплений. Кроме
этого, шпунтовое ограждение может быть расположено на сухой
местности, например на пойме реки, и на акватории — в русле ре-
ки. Весьма часто (см. п. V.9) на дно вырытого котлована уклады-
вают водозащитную бетонную подушку — тампонажный слой, из-
меняющий условия работы шпунта. Все эти схемы имеют свои осо-
бенности расчета.
Расчет шпунтовой стенки без креплений. Стенка без креплений
(рис. V.19, а) под действием левых активных сил стремится повер-
нуться вокруг точки О, расположенной на расстоянии to от дна
котлована. От вращения стенка удерживается пассивным сопро-
тивлением грунта. Величину t0 определяют из уравнения устойчи-
вости на опрокидывание относительно точки О. При этом в расчете
условно учитывают только силы, расположенные выше О. Величи-
на Ы находится по формуле
при Е^ +2JE = 0, Рп = Рп— Ра>
где E® — пассивное давление грунта, расположенного ниже точки О;
£Е — алгебраическая сумма всех горизонтальных сил, расположенных выше
точки О;
Ри — разность ординат эпюр пассивного рп и активного ра давлений грун-
та на уровне точки О.
В приближенных расчетах можно принимать Af=15-e-20% от
t0. Полная глубина t забивки шпунта ниже дна котлована будет
<=/0 + дл
В качестве примера рассмотрим расчет стенки в несвязных
грунтах без креплений (см. рис. V.19, а). Имеем:
давление воды
е' = o,5h’yw; Е'и = Н^оУы
117
активные давления грунта:
£' = 0,5 (Я — Л7„)2 YM1. Е"в ~ + /0) (Н — Н„) Уюв^В
Еа ~ ®’® (^в + Л))2Увз|Лап1’
Eq~ Ч iff + Л) ^алЬ
пассивное давление грунта
Еп— 0,5Zq увэрХдИг
(коэффициенты перегрузки— nt и п2— см. табл. V.4).
Уравнение устойчивости на опрокидывание
А . ₽' „ .Л.
3
HB + io , ^n + ^o - W + р
—-----+ Еа---£---+
где т — коэффициент условия работы.
Это уравнение будет третьей степени относительно to, его проще
всего решать графически или методом последовательных прибли-
жений.
118
Величину находят из уравнения
+ £а" + Ед-Е„ . 0,
а величину pn из выражения
А,= Р« — Ра =4? + V (Н — //в) + Таза (Л\1 + 4)] Мг — УвэЛ^а"!-
При связных грунтах активные и пассивные давления вычисля-
ются с учетом сил сцепления с. Расчет ведется по двум схемам:
Схема 1. Стенка сместилась в сторону котлована, и вода про-
никла до глубины 0,8(//п)+4). В этом случае вместо активного
давления связного грунта действует давление воды (см. рис.
V.19, б).
Схема 2. Смещение стенки отсутствует. При вычислении ак-
тивного давления связного грунта вышележащий грунт и вода слу-
жат вертикальной нагрузкой на его кровлю (рис. V.19, в). В обоих
случаях расчет ведется по формулам, аналогичным приведенным
выше.
Если при несвязных грунтах на дно котлована уложена тампо-
нажная подушка, то нужно рассмотреть две стадии производства
работ.
1. Котлован вырыт до низа подушки, и уровень воды в котло-
ване понижен, но не более чем на 25% глубины до откачки. Расчет
ведется аналогично рассмотренному примеру.
2. Вода из котлована удалена полностью и шпунт стремится
повернуться вокруг точки О, расположенной на 0,5 м ниже верха
подушки (рис. V.20). В этой стадии расчет ведется следующим
образом.
Силы, действующие на стенку:
^в= 0,5f/2yw* ^в= ^^Yui>^a= ®’5Увзп^4р ^ап1»
Е"а = (d + 0,5) (t — d) у.. bsbMiZ
E“ 0,5 (t — d)2YbsbMiJ
^гр^УвЭв^п^2|
£’= 0,5/2увзвМ2
при Yn юв= Уб—Yw»
где Yw — объемный вес воды, равный 1;
Ynoss — объемный вес подушки за вычетом гидростатического давления воды;
Yo — объемный вес бетона подушки.
Уравнение устойчивости на опрокидывание
г- и. р- F»< + d , 2<+d
Е* 3 +Е* 3 +Е* 2 +Еа 3
2/
3
119
Из этого уравнения определя-
ют величину t.
Изгибающие моменты для
расчета прочности шпунтин нахо-
дят, рассматривая последователь-
но равновесие верхних отсекае-
мых частей стенки. Прочность
проверяют по наибольшему изги-
бающему моменту.
Расчет шпунтовой стенки с од-
ним ярусом креплений. Стенка с
одним ярусом креплений стремит-
Рис. V.20. Схема к расчету стенки СЯ повернуться вокруг ТОЧКИ О
при тампонажной подушке (рис. V.21, а). Заглубление t
шпунта ниже дна котлована на-
ходят из уравнения устойчивости относительно точки О.
Для несвязного грунта имеем:
Е'= 0,5 • О.бНруХпПг;
е;=0,5(Н — Яв)2уХаП1;
£' = (Н + Нр — н») (Я. + О YMi;
£а = 0,5(//а + /Р Увзв^ап1>
e;=0,5^Yw; <=0,5Шв¥я,;
Еп =0,5<2увзаХ.11П2-
(пассивное давление е' учитывают в размере не более 60%).
Уравнение устойчивости
Ев у (*- "в) + + Ев (Н +--у“J +
Аналогично определяют глубину t забивки шпунта до укладки
тампонажной подушки в затопленном котловане. При этом для
установки крепления уровень воды в котловане снижают на глу-
бину не менее 1 м.
В связных грунтах так же, как и в стенке без креплений, рас-
сматривают два случая: 1) вода проникла на глубину 0,5/ ниже
дна котлована; 2) смещение стенки отсутствует.
Изгибающие моменты и усилия в элементах крепления опреде-
ляют, рассматривая стенку как однопролетную балку, свободно
опертую вверху на крепление, а внизу на условную опору, распо-
ложенную на глубине 0,5/ от дна котлована. При тампонажной по-
душке нижнюю опору располагают на глубине 0,5 м от верха по-
120
душки. Расчетными нагрузками в этих расчетах являются только
активное давление грунта и воды, причем нагрузки, действующие
ниже нижней опоры, не учитываются.
Расчет шпунтовой стенки с многоярусным креплением. Опро-
кидывание стенки возможно только тогда, когда распорные креп-
ления нс способны воспринимать растягивающих усилий и стенка
вращается вокруг нижнего яруса креплений (рис. V.21,6). Силы,
действующие на стенку:
Е'в = 0.5yw (Н - Z/p)2; Г£п’ = (Н - Z/p) //pYw;
< =0,5H*Yw; Ejv=
^a= (^rp — ^p) if + ffp) Увзв^вп1» = 0*® "I" Твз|?ал1;
En= 0,6 • 0,5 (Л/Гр— Л/р)2Увзв^пОД; Eu = 0,5/2УювХц/12
(пассивное давление грунта £', действующее выше точки О, учи-
тывают в размере 60%).
Глубину t забивки шпунта находят из уравнения устойчивости
стенки
F* Е" 2 Н А-Е’ + * . ₽* — <Н 4- П 4- F,V (— 4- Н —
Е2~2"+£в з "р + £в 2 3 + Ef> ^2 +
Прочность шпунта при этом должна быть достаточной для вос-
приятия изгибающих моментов от сил, действующих выше нижней
распорки, т. е.
Е„--------L
в з 3
где Ro — расчетное сопротивление шпунта, кгс/см2.
W — момент сопротивления шпунта, см3/м.
121
Распорные крепления и шпунт должны быть проверены на
прочность по двум расчетным схемам.
Схема 1. Стенку рассматривают как неразрезпую балку,
опирающуюся на крепления и имеющую консоль длиной t+Hv.
В этой схеме учитывают все силы, показанные на рис. V.21.6.
Схема 2. Стенку рассматривают как неразрезную балку,
опирающуюся на крепления и нижнюю (крайнюю) условную опо-
ру, расположенную в грунте на глубине 0,5/ от дна котлована.
В этой схеме учитывают только активные силы, расположенные
выше нижней опоры (пассивное давление грунта со стороны кот-
лована не учитывают).
Расчет цилиндрического крепления. Кольцевое шпунтовое креп-
ление (см. рис. V.14) должно быть проверено на общую устойчи-
вость при сжатии. На каждый ярус крепления действует радиаль-
ное давление, передаваемое шпунтом, интенсивностью q. Сжимаю-
щая сила в кольце
N=qRK.
Устойчивость обеспечена, если
N
«= -=— < Ro-
Здесь RK — радиус осевой линии кольца;
Ro— расчетное сопротивление стали;
Fep — площадь сечения кольца брутто;
ф — коэффициент продольного изгиба.
Коэффициент ф находят по общим правилам расчета стальных
конструкций, причем расчетную свободную длину /0 кольца прини-
мают равной 1,82 Кк.
V.6. ЗАЩИТА КОТЛОВАНОВ ОТ ГРУНТОВЫХ вод
ЗАМОРАЖИВАНИЕМ И БИТУМИЗАЦИЕЙ ГРУНТОВ
Свойство влажных грунтов переходить в твердое состояние при
замерзании может быть с упехом использовано для защиты кот-
лованов от грунтовых вод. Замораживание может быть естествен-
ным и искусственным.
Естественное замораживание осуществимо в районах Крайнего
Севера и Дальнего Востока, характерных продолжительными зи-
мами со значительными отрицательными температурами. В этих
условиях котлован вскрывают до уровня грунтовых вод в период
до наступления морозов. Затем с наступлением отрицательных тем-
ператур и промерзания грунта на глубину 20—30 см снимают верх-
ний слой, оставляя нетронутыми 10—15 см мерзлого грунта. После
того как грунт вновь промерзнет на 20—30 см, опять снимают верх-
ний слой и т. д. Одновременно с дном котлована промораживают
и его стены. В результате котлован со всех сторон оказывается
защищенным от воды слоем прочного мерзлого грунта.
122
Искусственное замораживание применяют, в водопасыщепных
грунтах (в том числе и в плывунах) при разработке значительных
по объему котлованов. Этот способ состоит в создании по перимет-
ру котлована стенки из мерзлого грунта, заглубленной па 2—3 м
в водоупор. При соответствующей толщине замороженного грун-
та такая стенка не только водонепроницаема, но и достаточно
прочна, чтобы заменить собой шпунт. Грунт замораживают, погру-
жая в него трубы, в которых циркулирует охлаждающий раствор
хлористого натрия (NaCI) или хлористого кальция (СаС12), назы-
ваемый рассолом.
Вокруг труб образуются цилиндры мерзлого грунта, которые,
смыкаясь между собой в процессе замораживания, создают сплош-
ную стенку.
При аммиачной замораживающей установке (рис. V.22) охлаж-
дение рассола до минус 20—25° С происходит в сосуде-испарите-
ле 4, откуда он через распределительный коллектор 9 подается
насосом 7 в замораживающие колонки 10 <и затем через коллек-
тор 8 засасывается опять в сосуд-испаритель для последующего
охлаждения и т. д. Рассол циркулирует непрерывно и, проходя че-
рез замораживающие колонки, постепенно охлаждает грунт до
температуры минус 16—18° С. Для охлаждения рассола в змеевик,
расположенный в сосуде-испарителе, подается жидкий аммиак,
сжатый до 8—12 кгс/см2. В змеевике с помощью вентиля 6 давле-
ние аммиака снижают до 1,5 кгс/см2, вследствие чего аммиак пе-
реходит в газообразное состояние и температура его снижается
примерно до —25° С.
Пары аммиака всасываются компрессором 3, где они вновь сжи-
маются до 8—12 кгс/см2 и затем в конденсаторе 2 переходят в жид-
кое состояние с температурой минус 15—20° С. Пройдя вторичный
конденсатор 1, жидкий аммиак по трубопроводу 5 вновь поступает
в змеевик сосуда-испарителя.
Колонки располагают по периметру котлована через 0,9—1,5 м;
при очертании котлована, близком к квадратному, колонки реко-
мендуется располагать по описанной окружности с тем, чтобы за-
123
мороженная грунтовая стенка образовала цилиндр. Толщина стен-
ки замороженного грунта зависит от ее назначения: если она слу-
жит только для защиты от притока грунтовых вод, то достаточно
иметь толщину 10—15 см, если же она одновременно выполняет
роль ограждения котлована, то толщину устанавливают расчетом
иа прочность.
Режим работы замораживающей установки состоит из двух
этапов: на первом этапе, называемом активным замораживанием,
замораживают групт, па втором — пассивном замораживании —
поддерживают отрицательные температуры грунта в течение всего
времени производства работ в котловане.
В скальных трещиноватых (породах с большим притоком воды
через дпо котлована иногда приходится прибегать к устройству
водонепроницаемых экранов, пагпетая в породу битум марок
БН-Ш или БН-V.
Разогретый до жидкого состояния битум подают пасосом
в инъекторы, которые располагают в скважинах диаметром
100 мм, пробуренных в породе ниже дна котлована. Ипъектор де-
лают из толстостенных труб диаметром 40—50 мм. В пределах
трещиноватой породы трубы имеют отверстия, через которые битум
проникает в трещины и, остывая, заполняет их.
Для подогрева жидкого битума в инъекторе применяют элек-
троток. Ток напряжением 12 В подают от источника по проводам,
подключенным к корпусу инъектора и к железпому стержню-про-
водпику, опущенному внутрь инъектора и прикрепленному к его
нижнему концу. Во избежание короткого замыкания проводник по
длине крепят на изоляторах, а верхний конец натягивают пружи-
ной или грузом, перекинутым через блок. Расстояние между инъ-
екторами определяют пробной битумизацией. Обычно оно равно
0,75—1 м.
В песчаных грунтах битумизируют нагнетанием битумной
эмульсии, состоящей из 60—65% битума, 35—40% воды и доба-
вок: эмульгатора, обеспечивающего распад битума па мельчайшие
частицы, и коагулятора, необходимого для осаждения взвешенных
в воде частиц битума после его нагнетания в групт.
V.6. ПЕРЕМЫЧКИ
При постройке фундаментов па местности, покрытой водой, напри-
мер в русле реки, котлованы защищают от затопления специаль-
ными ограждениями, называемыми перемычками (рис. V.23).
В плане перемычкам придают простейшее очертание. Если котло-
ван омывается водой со всех сторон, то его ограждают замкнутой
четырехсторонней перемычкой (рис. V.23, а); вблизи берега при
соответствующих отметках земли перемычка может быть трехсто-
ронней (рис. V.23, б). Учитывая возможные колебания уровня во-
ды, подпор, высоту волн и прочее, верх перемычек располагают
выше уровня воды не менее чем на 0,7 м.
124
Рис. V.23. Схема перемычек:
7 — перемычка; 2 — котлован
Основные требования к конструкциям перемычек:
перемычки должны быть прочны и устойчивы при действии па
них внешних сил — давления воды, льда, случайного навала судов
и т. д.;
перемычки пе должны размываться проточной водой и вол-
нами;
стеснение перемычками живого сечения реки должно быть ми-
нимальным. Допустимую (величину стеснения определяют из
расчетов возможного размыва дна реки и скорости течения воды.
По условиям судоходства стеспение русла не должно превышать
30%;
перемычки должны быть достаточно водонепроницаемыми
и надежно защищать котлован от притока воды.
В зависимости от глубины воды, грунтов дпа реки и других
местных условий перемычки могут быть грунтовыми, деревянны-
ми, стальными и железобетонными; весьма распространены сме-
шанные конструкции, преимущественно дерево-грунтовые.
Грунтовые перемычки. Наиболее просты грунтовые перемычки
(рис. V.24, а). Опи могут быть отсыпаны из любого групта, кроме
глины и тяжелых суглинков, так как последние пучатся при за-
мерзании, плохо уплотняются, размокают при увлажнении и легко
размываются водой. Лучшие грунты для грунтовых перемычек —
супеси и легкие суглинки. Грунтовые перемычки обычно устраи-
125
вают на сухих поймах для защи-
ты котлована от паводковых вод-
при глубине последних не более
2 м.
В поперечном сечении пере-
мычки имеют форму трапеции с
шириной поверху от 1 до 2 м, в
зависимости от водопроницаемо-
сти грунтов, из которых они ВОЗ-’
водятся, глубины воды, а также
необходимости размещения па
них различных строительных ме-
ханизмов (насосов, кранов и пр.).
Ширина понизу определяется
крутизной боковых откосов; со
стороны котлована им придают
•уклон не круче 1: 1, а со стороны
воды 2:1—3: 1. При скорости те-
чения воды до 0,1 м/с наружные
откосы оставляют без крепления.
При больших скоростях откосы
укрепляют от размыва каменной
наброской, мощением, хворостя-
ной выстилкой и т. д.
Рис. V.24. Грунтовые перемычки:
1 — кривая депрессии; 2 — ядро из глины;
3 — водоупор
Перемычки нужно располагать на некотором удалении от бровки
котлована, желательно за пределами призм обрушения его стен;
в противном случае стены должны иметь крепления, рассчитанные
на вес перемычек.
Для лучшей водонепроницаемости в теле перемычки может
быть выложено ядро из мятой глины (рис. V.24, б). Если верхний
слой грунта водоносный, то его прорезают глиняным ядром до во-
доупора. На реках с песчаным руслом перемычки могут быть от-
сыпаны из местного песка (рис. V.24,в). При скорости течения
воды до 0,5—0,7 м/с песок не уносится водой при отсыпке его не-
посредственно в воду, а в результате заиливания мелкими части-
цами, взвешенными в речной воде, даже крупнозернистые пески
становятся водонепроницаемыми.
Песчаные перемычки применяют при глубине воды до 4 м,
а иногда и до 6—8 м. Ширину поверху назначают пе менее 2—
3 м. Крутизна откосов, определяемая углом естественного откоса
песка, насыщенного водой, составляет для наружных откосов
3:1—5: 1 и для внутренних 3:1. Для удержания внутренних от-
косов от сползания и уменьшения объема песка со стороны котло-
вана ставят деревянную стенку из козел и щитов. Козлы опуска-
ют на дно, пригружая их камнем, затем укладывают щиты, после
чего отсыпают песок.
Откачивать воду из-за песчаной перемычки нужно осторожно,
так как при быстром понижении уровня воды и резко возрастаю-
щем напоре песок не будет достаточно заилеп и перемычка легко
126
может быть размыта. Песчаные перемычки имеют значительный
объем; возводить их целесообразно средствами гидромеханизации
(намывом).
Грунтовые перемычки рассчитывают на устойчивость против
сдвига и на фильтрацию воды.
Вес 1 пог. м перемычки (см. рис. V. 24, а)
G— 0,5 (В + 0 Лук»-
Сдвигающими силами будут:
статическое давление воды
динамическое давление воды
V2
1Гд = — Л„-уп.
g
Проверку на сдвиг производят по формуле
Количество воды (в мэ/с), поступающей через 1 пог. м пере-
мычки
КфЛ®
Ч~ 2L ’
Здесь В, b — ширина понизу и поперху, м;
А—высота перемычки, м;
Увэв — нормативный объемный вес грунта перемычки с учетом взве-
шивания в воде, тс/№;
Ав — глубина воды, м;
v — скорость течения воды, м/с;
g—ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2;
f — коэффициент трения, принимаемый равным 0,5—0,3;
Кф — коэффициент фильтрации грунта перемычки, м/с;
L — проекция на горизонталь кривой депрессии, м.
По величине q находят приток воды, по которому подбирают
необходимую производительность насосов для откачки воды из
котлована.
Смешанные перемычки. Смешанные перемычки состоят из де-
ревянных шпунтовых рядов, водонепроницаемость которых повы-
шается грунтом или в редких случаях бетоном. Такие перемычки
применяют при водопроницаемых грунтах для защиты котлована
не только от поверхностных, но и от грунтовых вод.
Однорядная шпунтовая перемычка, состоящая из шпунтовой
стенки, обсыпанной с одной стороны грунтом (рис. V.25,а), может
быть одновременно использована для ограждения стен котлована;
в этом случае ее укрепляют распорным креплением. Однорядные
шпунтовые перемычки применяют при глубине воды до 2—3 м.
127
Рис. V.25. Смешанные перемычки:
/ — шпунт; 2 —распорное крепление; 3 — схватки; 4— грунтовое заполнение
При постройке фундаментов мостовых опор, расположенных в
русле рек, часто применяют двухрядные шпунтовые перемычки.
Они (рис. V.25, б) состоят из двух деревяппых (в редких случаях
стальных) шпунтовых рядов, пространство между которыми за-
полнено водонепроницаемым грунтом. Внутренний шпунтовый ряд
одновременно служит для защиты котлована от грунтовых вод и
для укрепления стен котлована. Его забивают ниже дпа котлована
на глубину, обеспечивающую прочность и устойчивость ряда,
а также устойчивость грунта основания. Внутренний шпунтовый
ряд укрепляют распорным креплением. Наружный шпунтовый ряд,
служащий для удержания грунтового заполнения и придания пе-
ремычке общей жесткости и устойчивости, а также для повышения
ее водонепроницаемости, забивают в дно реки на глубину не ме-
нее 2 м. Головы маячных свай шпунтовых рядов соединяют гори-
зонтальными схватками, которые обеспечивают совместную работу
шпунтовых стен. Грунтовое заполнение создает водонепроница-
емость перемычки. Для заполнения могут быть использованы любые
грунты с содержанием глинистых частиц не более 20%.
Ширину перемычек b принимают пе менее 1,5—2 м.
Двухрядные шпунтовые перемычки применяют в грунтах, до-
пускающих забивку деревянных шпунтов. Шпунтовые ряды двух-
128
рядной перемычки рассчи-
тывают на усилия, которым
они подвергаются при раз-
ных стадиях ее сооружения
(рис. V.25, в). До откачки
воды из котлована стенки
испытывают: изнутри давле-
ние грунта заполнения, на-
сыщенного водой, и снаружи
давление воды. Каждую
стенку рассчитывают от-
дельно, считая верхний ко-
нец ее свободно опертым
(закрепленным схватками).
После удаления воды из
котлована внешняя стенка
снаружи испытывает давле-
ние воды; обе стенки изнут-
ри испытывают давление
грунта заполнения и воды,
которое условно принимают
в половинном размере:
1
Е„ £Й1 = Е3 + — . — у„.
Кроме этого, на внутрен-
нюю стенку действует гори-
зонтальное давление грунта
стен котлована. Степки па
эти давления рассчитывают
независимо друг от друга
(см. п. V.4); расчет внут-
ренней стенки производят с
учетом горизонтальных рас-
порных креплений.
Стальные шпунтовые пе-
ремычки *. Стальные шпун-
товые перемычки, состоя-
щие из одиночных шпунто-
вых рядов, находят преиму-
щественное применение в со-
временном мостостроении.
Их достоинства—небольшое
стеснение русла реки, воз-
1 Конструкцию и расчет шпун-
товых ограждений см. в п. V.3
и V.4.
Рис. V.26. Ряжевая перемычка:
/ — водонепроницаемый экран; 2 — сжимы; 3 —
хомуты; 4 — кули с глиной
Рис. VZI. Деревянный бездонный ящик:
Тб — тампонажный бетон
129
можность устройства при глубокой воде, большая прочность, воз
можность погружения шпунтин в плотные грунты.
При глубине волы до 6—8 м применяют перемычки прямоуголь
ного очертания в плане с распорным креплением. При бблыпи.
глубинах более выгодны цилиндрические перемычки.
Ряжевые перемычки. Если ложе реки скальное или грунты н<
позволяют забить шпунт на требуемую глубину, то котлован защи
щают ряжевыми перемычками. Такая перемычка состоит из ряжа
загруженного камнем и песком (рис. V.26). Со стороны воды ряж!
обшивают водонепроницаемой деревянной обшивкой из двух слое!
досок или забивают на небольшую глубину шпуптовые стенки. Пс
дну реки для уменьшения фильтрации воды ряж обсыпают пескоь
или обкладывают кулями с глиной. Ширина В ряжевых перемыче!
принимается 0,5—0,9 Нв глубины воды, размеры отсеков — 2—2,5 м
Ряжи рубят из бревен диаметром 18—20 см; для экономии лссе
их рубят, оставляя зазоры между бревнами. В местах пересечени»
бревна соединяют стальными нагелями диаметром 19—22 мм i
ставят вертикальные сжимы. На уровне второго или третьего вен-
ца располагают пол из бревен; снизу ставят на болтах хомуты иг
полосовой стали. Летом ряжи заготовляют на берегу, доставляют
по воде к месту установки и затем, загружая камнем, опускают не
дно. Зимой ряжи можно рубить на льду над местом их погруже-
ния. Дно реки перед опусканием ряжей должно быть выровненс
и спланировано.
Размеры ряжа должны быть достаточны для сопротивления
сдвигу. Удерживающей силой будет собственный вес Р ряжа, рав-
ный объему по наружному очертанию, умноженному па объемный
вес 1 тс/м3, если ряж затоплен водой, и 1,5 тс/м3, если ряж ограж-
ден водонепроницаемым экраном. Сдвигающими силами являются
гидростатическое V7C и динамическое Wa давление воды.
Устойчивость на сдвиг будет обеспечена, если
-^-—>1.5.
где f — коэффициент трения, равный 0,25—0,35;
Р— вес ряжа с заполнением.
Кроме устойчивости проверяют давление на грунт, а также от-
сутствие отрицательных напряжений, при которых ряж может от-
рываться от основания. Момент всех сил относительно горизонталь»
пой оси, проходящей через середину основания,
__ hr, ___ fin
= +wn-^~.
Отрицательных напряжений в основании не будет, если
м в
е =
р 6
где В — ширина ряжа.
130
Давления на грунт (считая, что ряж опирается г/8 своей пло-
щади)
Аналогично рассчитывают ряж на действие льда, навал судов
и другие нагрузки.
Ряжевые перемычки требуют большого расхода леса, камня
и других материалов, и применение их в каждом конкретном слу-
чае должно быть обосновано в техническом и экономическом от-
ношениях.
Бездонные ящики. Бездонные ящики применяют в тех случаях,
когда подошва фундамента расположена на уровне дна реки или
имеет небольшое заглубление. В этих условиях, опустив ящик на
спланированное дно, укладывают слой подводного бетона и после
его затвердения, откачав воду, производят кладку фундамента на-
сухо. Такой способ работ часто применяют при возведении свай-
ных фундаментов.
Деревянный ящик (рис. V.27) состоит из каркаса, обшитого
водонепроницаемой обшивкой. Обшивку делают из двух слоев
досок с прокладкой между ними изоляции из толя, рубероида
и пр. Доски располагают наклонно под углом 45°, поверхность их
покрывают смолой или битумом, швы тщательно копопатят про-
смоленной паклей. Каркас состоит из брусчатых обвязок и стоек.
Между степами ящика ставят прочное крепление, обеспечивающее
общую жесткость перемычки.
Аналогичной конструкции ящики могут быть сделаны из стали
и железобетона. Железобетонные ящики оставляют в теле фунда-
мента, используя их как несущий элемент.
Инвентарные перемычки. При большом числе однотипных опор
выгодно применять инвентарные сборно-разборные перемычки. Та-
кая щитовая перемычка (рис. V.28, а) состоит из нижнего неизвле-
каемого бездонного ящика, опускаемого в заранее приготовленные
борозды в дне реки. Борозды разрабатывают водолазы. С наруж-
ной стороны по периметру ящика укладывают кули с глиной, меш-
ки с цементом или же тампонажный бетон. К бездонному ящику
па болтах присоединяют верхнюю разборную часть, состоящую и:;
стоек и водонепроницаемых щитов. Щиты могут быть деревянны-
ми или стальными, из тонких листов, усиленных ребрами жестко-
сти. Щиты снабжают направляющими, которые так же, как и стой-
ки, удобно делать из стальных шпунтин.
Под защитой такой перемычки кладку фундамента ведут на-
сухо, откачав воду после укладки подводным способом нижней бе-
тонной подушки. Высота щитовых перемычек может достигать
7,5—10 м.
При большой глубине воды для ограждения фундамента мож-
но использовать стальные понтоны КС, нашедшие широкое приме-
нение в мостостроении по предложению докторов техн, наук
131
Рис. V.28. Инвентарные перемычки щитовая и из понтонов КС:
1 — стойки из стального шпунта; 2 — водонепроницаемые щиты; S — нсизвлекасыая часть
перемычки; 4 — тампонажный бетон; 6 — подушка нз подводного бетона; 6 — понтоны КС;
7 — воздухопровод от компрессора; 8 — нож
Н. М. Колоколова и К. С. Силина. Понтоны КС представляют со-
бой стальные замкнутые водонепроницаемые коробки размером
1,8X3,6X7,2 м. Между собой они скрепляются болтовыми соеди-
нениями, что позволяет собирать из пих плавучие системы боль-
шой грузоподъемности (грузоподъемность одного понтона равна
27 т).
Перемычку собирают из понтонов (рис. V.28,б), устанавливае-
мых на ребро. Собранную перемычку опускают на дно, затопляя
понтоны водой. Водонепроницаемость стыков обеспечивают про-
кладкой резины между понтонами. После возведения фундамента
в понтоны подают сжатый воздух. Воздух отжимает воду, и пон-
тоны свободно всплывают на поверхность реки.
Конструкции бездонных ящиков и инвентарных перемычек
рассчитывают па наружное давление воды.
V.7. ОСУШЕНИЕ КОТЛОВАНОВ
При возведении фундаментов в грунтах, насыщенных водой, воду
откачивают, чтобы земляные работы и кладку фундаментов вести
в осушенном котловане. Только при значительном притоке воды,
когда откачать ее имеющимися средствами пе удается, а также,
когда вместе с водой происходит вымывание частиц грунтов осно-
132
вания, что снижает его плотность и прочность, приходится отказы-
ваться от водоотлива и вести работы в затопленном котловане.
Водоотлив может быть открытым и глубинным. При открытом
водоотливе воду откачивают насосами непосредственно из котло-
вана; глубинный водоотлив состоит в понижении уровня грунтовых
вод в районе котлована.
Открытый водоотлив. При полной водонепроницаемости ограж-
дений вода в котлован может поступать только через его дно. Если
шпунт забит до водоупорного слоя, вода в котлован пе поступает.
Если же шпунт не доведен до водоупорного слоя, приток воды
в котлован будет тем большим, чем больше толщина водопасы-
щенного слоя окажется не перекрытой шпунтом.
Для выбора водоотливных средств необходимо знать интенсив-
ность притока воды. Наиболее точно приток воды устанавливают
пробной откачкой при гидрогеологических изысканиях. Для пред-
варительного определения фильтрационного притока воды можно
пользоваться формулой
Q =qkqHuLk,
где Q — количество воды, поступающей в котлован, м3/с;
q— удельный фильтрационный приток воды;
Кф — коэффициент фильтрации грунтов, м/с;
Нп — напор воды, равный разности отметок уровня воды и дна котлова-
на. м;
L — периметр котлована в плане, м;
к — коэффициент запаса, равный 1,2.
Удельный фильтрационный приток воды q определяется по
графикам1 (рис. V.29). Коэффициент фильтрации для различных
грунтов:
Глинистый мелкий и очень мелкий
песок.................................. Кф=2.10-54-5.10_а м/с
Слабоглинистый мелкий н очень мел-
кий песок............................... «Ф=5.10-е-т-1.10-4 »
Слабоглинистый средиезерпистый и
чистый мелкий песок..................... «ф=1.10_*-т-1.10-3 »
Крупный песок с мелким гравием . Кф=>l.l0-3-5-5.10~3 »
Средний и крупный гравий............. Кф=5.10-э-?-1.10“8 »
Для более грубых подсчетов принимают, что фильтрационный
приток воды на 1 м2 дна котлована:
Для мелких песков................. 0,05—0,16 м3/ч
» среднезернистых песков........ 0,10—0,24 »
» крупнозернистых » .... 0,3—3 »
» трещиноватой скалы............ 0,14—0,25 »
По количеству воды, поступающей в котлован, подбирают на-
сосы. Насосов. должно быть не менее двух (на случай поломки
одного из них). Наиболее часто применяют диафрагмовые насосы
с подачей 10—25 м3/ч и центробежные — 60—130 м8/ч и более. На-
сосы устанавливают на бровке котлована; всасывающие трубы
1 Графики составлены ЦПКБ Главмостостроя.
4
133
Рис. V.29. Графики для определения фильтрационного притока воды в котлован:
а — при отсутствии водоупора; б — при наличии водоупора (6 — меньшая сторона перимет-
ра котлована)
опускают в водоприемники — неглубокие колодцы, вырытые в по-
ниженных местах дна котлована (обычно в его углах). Глубина
всасывания для большинства насосов составляет 6—7 м. Если кот-
лован имеет бблыную глубину, то насосы располагают внутри кот-
лована.
Мощность водоотливных средств необходимо согласовывать
с видом грунта в основании. В мелкозернистых грунтах при интен-
сивном водоотливе возможно вымывание частиц грунта и сниже-
ние несущей способности основания. Кроме этого, нарушение
структуры грунтов вследствие вымывания его скелета — механи-
ческой суффозии может распространиться за пределы котлована
и вызвать осадки близко расположенных зданий и сооружений.
Глубинный водоотлив. Глубинный водоотлив применяют в мел-
козернистых пылеватых и илистых грунтах с коэффициентом
фильтрации от 2,3-10-5—3,5-10-5 до 4,5-10-4 м/с. Сущность спосо-
ба заключается в откачке грунтовой воды специальными трубами,
снабженными фильтрами, не пропускающими мельчайшие части-
цы грунта. Это обеспечивает осушепие грунтов в районе котлована
без нарушения их структуры. Для глубинного водопонижения су-
ществуют различные установки, с помощью которых можно осу-
шить грунт на глубину более 25 м.
134
При постройке мостовых опор обычно применяют установки
с понижением уровня грунтовых вод до 5 м (установки ПВУ-2,
ЛИУ, ЛИУ-3).
При глубинном водоотливе по периметру котлована (рис.
V.30, а) прокладывают коллектор из труб диаметром 100—200 мм,
к которому через 0,75—1,5 м гибкими шлангами присоединяют
всасывающие трубы — иглофильтры. Коллектор соединяют с од-
ним или несколькими пасосными установками. При откачке вокруг
каждого иглофильтра создается воронка с пониженным уровнем
грунтовых вод. Можно так расположить иглофильтры, что депрес-
сионная кривая пройдет ниже дна котлована и вышележащий
грунт будет осушен.
При глубине котлована более 5 м применяют многоярусные ус-
тановки (рис. V.30, б).
Коллектор с присоединенными к нему иглофильтрами показан
«а рис. V.31. Иглофильтр представляет собой стальную трубу диа-
метром 38—50 мм, собранную из отдельны^ звеньев. Нижпее зве-
но на конце снабжено специальным фильтрующим устройством.
Фильтр (рис. V.32) состоит из двух труб. Наружная труба, имею-
щая в стенке равномерно расположенные отверстия, обмотана спи-
ральной проволокой с шагом около 100 мм, поверх которой натя-
нута фильтрационная сетка галунного плетения из латунной или
оцинкованной стальной проволоки. В последнее время с успехом
применяют фильтрационную ткань из капрона. Спиральная обмот-
ка служит для отделения сетки от поверхности трубы и предохра-
Рпс. V.30. Схемы глубинного водоотлива:
/ — насосная станция; 2 — гибкие шланги; 3 — коллектор; 4 *— иглофильтры; 5 -- пониженный
уровень грунтовых вод
135
Рис. V.31. Коллектор с иглофильт-
рами
Рис. V.32. Конструкция фильтра:
1—фильтрационная сетка; 2 —спираль;
3 — наружная труба; 4 — внутренняя тру-
ба; 5 — шаровой клапан; 6 — коронка
нения фильтра от засорения. Внутренняя труба имеет в стенке не-
большое число отверстий (до 6). Фильтр оканчивается наконечни-
ком, в котором размещен шаровой клапан.
При погружении иглофильтра в грунт вода от пасоса отжимает
шаровой клапап вниз и, выходя через наконечник, размывает
грунт, обеспечивая погружение иглофильтра под собственным ве-
сом.
Вода, поступая в небольшом количестве через отверстия во
внутренней трубе в межтрубное пространство, выходит наружу
и промывает фильтрационную сетку.
Для откачки грунтовой воды специальными вакуум-насосами
в иглофильтре создается разрежение. При этом шаровой клапан
закрывает нижнее отверстие и вода начинает поступать в трубу
только через фильтрационную сетку, переместив в нижнее положе-
ние межтрубпый кольцевой клапап. После заполнения водой всей
водоотводящей сети включаются центробежные пасосы, которые и
откачивают воду.
Производительность легких иглофильтровых установок состав-
ляет от 60 до 280 м8 воды в час при мощности электромоторов от
10 до 55 кВт.
Приближенный расчет водопонизительной установки
состоит в следующем.
136
Расположение иглофильтров по прямоугольному очертанию
котлована (рис. V.33) заменяют расположением по окружности
радиуса
Каждый иглофильтр понижает воду с площади радиуса /?, оп-
ределяемого пробными откачками. Для приближенных расчетов
величину 7? (в м) можно определить по формуле И. П. Кусакииа
Я=575$0/Я^
Здесь а, b — размеры прямоугольного размещения иглофильтров;
So — требуемая глубина понижения уровня грунтовых вод, м;
Н—мощность водоносного слоя, м;
Кф — коэффициент фильтрации, м/с:
Общий радиус действия всех иглофильтров можно принять
Яг=д + г
и далее вести расчет как для совершенного колодца радиусом RT-
Тогда потребная производительность насосной установки
(?=лкф——5о)_^О- 5О=ЛК + Д5О,
1п/?г—1ПГ
где Лк — глубина котлована, считая от уровня воды, м;
Д50— толщина осушенного грунта ниже дна котлована, принимаемая равноА
0,5—1 м.
При интенсивной откачке скорость поступления воды к игло-
фильтрам может оказаться предельной, т. е. такой, при которой
возможен размыв групта. Исходя из этого предельная подача каж-
дого иглофильтра
9лр = _ Лг/0 (И — So) Кф,
10
где d0 — диаметр иглофильтра, м.
Рис. V.33. Схема к расчету глубинного водоотлива:
/ — уровень грунтовых вод; 2 — то же, при водоотливе; 3 — водоупор
137
Число иглофильтров п должно быть таким, чтобы
<?
< 9ир.
п
В грунтах с коэффициентом фильтрации менее 2,3-10-5 м/с ис-
кусственное понижение уровня грунтовых вод малоэффективно,
а в глинах, суглинках, супесях и плывунах опо неосуществимо.
В этих условиях прибегают к электроосушению грунта. При элек-
троосушении между иглофильтрами и бровкой котлована погру-
жают в грунт на глубину иглофильтров металлические стержни
или трубы диаметром 30—38 мм; стержни по отношению к игло-
фильтрам располагают в шахматном порядке. Верхние концы
стержней объединяют электрическим проводом, подключенным
к положительному полюсу источника постоянного тока, а игло-
фильтры присоединяют к отрицательному. При пропуске постоян-
ного электрического тока напряжением 30—60 В в грунте между
стержнями и иглофильтрами создается электрическое поле и свя-
занная вода, переходя в свободную, перемещается от стержней-
анодов к иглофильтрам-катодам, откуда ее откачивают насосами.
Постепенно грунт, окруженный стержнями, осушается и одновре-
менно в значительной степени уплотняется.
Затрата электроэнергии для электроосушения составляет от 2
до 40 кВт-ч на 1 м3 осушаемого грунта.
V.8. ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ
КОТЛОВАНОВ
Земляные работы нужно максимально механизировать. Из меха-
низмов используют пневматический инструмент, различные земле-
ройные машины, а также средства гидромеханизации. В сухих
котлованах разработка рыхлых грунтов может быть произведена
бульдозерами, плотных — пневматическими лопатами-ломами,
а полускальных и скальных пород — отбойными молотками. Грунт
из котлована выдают транспортерами (рис. V.34, а) или бадьями
с помощью стационарных или передвижных кранов.
Из землеройных машин для рытья котлованов применяют глав-
ным образом одноковшовые экскаваторы (прямую и обратную ло-
паты) и драглайн.
Экскаватор с прямой лопатой (рис. V.34, б) работает на дне
котлована (на уровне низа забоя), и, следовательно, применение
его возможно только в сухих котлованах без распорных креплений.
Давление па грунт от веса гусеничных экскаваторов составляет
около 0,6 кгс/см2, и при грунтах, не выдерживающих этого давле-
ния, необходимо укладывать под экскаватор пастил из пластин,
брусьев и пр. Для вывода экскаватора из котлована необходимо
устройство пологого съезда. Прямая лопата выдает грунт на бров-
ку котлована, откуда его отвозят вагонетками или другими транс-
портными средствами в отвал. При разработке широких и глубо-
138
V:ic. V.34. Схемы разработки котлованов
ких котлованов грунт транспортируют автомобилями-самосвала-
ми, заезжающими в котлован под погрузку. Экскаватор с обрат-
ной лопатой (рис. V.34, в) в рабочем положении расположен на
бровке котлована и может разрабатывать групт без откачки воды
н при наличии распорного крепления. Прямую и обратную лопаты
можно с успехом применять для разработки не только рыхлых, но
и плотных грунтов, а также грунтов с твердыми включениями.
Драглайны (рис. V.34,г), так же как и обратную лопату, рас-
полагают на бровке котлована. Гибкие (тросовые) грузовые связи
затрудняют применение драглайна для разработки котлованов со
шпунтовым распорным ограждением.
При постройке фундаментов мостовых опор наиболее часто при-
меняют экскаваторы с емкостью ковша 0,25—0,5 м8; в зависимо-
сти от плотности грунтов производительность их в плотном теле
составляет от 20 до 40 м3/ч.
Для разработки глубоких котлованов применяют грейферы
(рис. V.34, д). Грейфер представляет собой навесное оборудова-
ние. Он может быть присоединен ж любому виду -крапов грузоподъ-
емностью те менее 6 т—к экскаватору, самоходному или стацио-
нарному крану и т. д. Обычно (применяют грейферы двух- и четы-
рехчелюстные емкостью от 0,5 до 1 м3. В раскрытом состоянии
размер их -в «плане составляет 2—2,6 м, что нужно учитывать при
назначении расстояний между элементами креплений котлована.
Грейферы пригодны для разработки любых сыпучих и связных
грунтов, кроме разжиженных, которые, вытекая из грейфера, рез-
ко снижают его производительность.
Из средств гидромеханизации для разработки котлованов при-
меняют гидроэлеваторы и эрлифты.
139
Гидроэлеватором успешно разрабатывают пески с любой круп-
ностью зерен, гравийпые и галечниковые грунты, а также супеси.
Суглинки и глины необходимо предварительно разрыхлять или
размывать струей воды (гидромонитором). Гидроэлеватор с цен-
тральной насадкой показан на рис. V.35, а. Насосом высокого дав-
ления вода подастся по трубопроводам к пасадке. Выходя из на-
садки с большой скоростью, она создает разрежспие в смеситель-
ной камере. К смесительной камере подходит всасывающая труба,
которая засасывает пульпу (смесь грунта и воды). Пульпа прохо-
дит через диффузор и по пульповодным трубам транспортируется
в отвал.
Большей производительностью обладает гидроэлеватор с коль-
цевой насадкой (рис. V.35, б). Здесь напорная вода подается
в кольцевую камеру, из которой, пройдя через кольцевую щель
(пасадку), поступает в смесительную камеру и, засасывая пульпу,
увлекает ее в пульповоды. Ширину кольцевой щели можно менять,
ввинчивая всасывающую трубу и тем самым приспосабливая гид-
роэлеватор к разработке различных грунтов.
Рис. V.35. Гидроэлеваторы:
1 — диффузор; 2 — смесительная камера; 3 — всасывающая труба; 4 — напорная труба; 5 —*
насадка; 6 — выход пульпы; 7 ~~ водонапорные трубы; в — кольцевая камера; 9 — смеситель-
ная камера; Ю — кольцевая щель; II — всасывающая камера; 12 — всасывающая труба
140
3
Рис. V.36. Схема разработки котлована гидроэлеватором:
/ — гидроэлсватор; 2 — пульповод; 3 — водонапорные трубы; 4 — насос
Общая схема гидроэлеваторной установки для разработки не-
связных грунтов приведена па рис. V.36. Перестановка гидроэле-
ватора по площади котловапа производится любым грузоподъем-
ным приспособлением (масса гидроэлеватора около 100 кг). Если
фильтрационный «приток воды в «отловаи недостаточен для образо-
вания пульпы, то воду подкачивают из реки, искусственно затоп-
ляя котлован.
Связные грунты (глина, суглинок) требуют предварительного
размыва. Для этого применяют гидромониторы, которые размы-
вают грунт и транспортируют его к приямку гидроэлеватора.
Производительность по грунту гидроэлеватора с центральной
насадкой составляет 6—12 мэ/ч, с кольцевой насадкой — до 20 м3/ч.
Гидроэлеваторы работают от центробежных насосов с напором от
8 до 12,5 кгс/см2 производительностью 70—150 мэ/ч; расход элек-
троэнергии— около 50 кВт. Применение гидроэлеваторов целесо-
образно для разработки котлованов объемом свыше 600 м3, глу-
биной 8—10 м.
Эрлифты применяют при несвязных, преимущественно мелко-
зернистых грунтах с искусственным разрыхлением их. Эрлифт
представляет собой перфорированную трубу (рис. V.37, а), в кото-
рую через кольцевую камеру подается сжатый воздух. Площадь
отверстий должна быть в 1,5 раза больше площади сечения воз-
духопровода. К верхнему концу трубы присоединен пульповод,
к нижнему — всасывающая труба. При погружении камеры смеше-
ния эрлифта в разжиженный грунт масса пульпы, смешиваясь
с воздухом, уменьшается м пульпа под давлением наружной воды
всплывает вверх и отводится по пульповодам за пределы котлова-
на (рис. V.37, б). Для работы эрлифта котлован должен быть за-
топлен водой на глубину не менее 3 м. Чем глубже погружена
в воду смесительная камера, тем больше производительность эр-
лифта. Так, при погружении на 3 м производительность по грунту
141
составляет 2,65 м3/ч, при погружении на 6 м—3,6 м3/ч. Для подачи
сжатого воздуха служит компрессор, обеспечивающий расход воз-
духа на 1 м3 пульпы от 0,5 до 4,5 м3 (содержание грунта в пульпе
составляет 8—10%).
Вблизи проектной отметки дна котлована разрабатывать грунт
на глубину 0,3—0,5 м нужно вручную, не допуская нарушения
прочности верхних слоев основания.
Кроме естественного разуплотнения грунтов, вследствие умень-
шения на этом уровне бытового давления прочность верхних слоев
может быть нарушена интенсивным водоотливом, увлажнением
грунтовыми и дождевыми водами, сотрясениями и ударами от ра-
б.оты землеройных машин и т. д. В этом отношении особенно не-
благоприятны глинистые и мелкозернистые песчаные грунты. На-
рушение прочности верхних слоев основания впоследствии могут
вызвать осадки и крены фундамента. Для осушения дна котлована
по его периметру прорывают неглубокие кюветы с уклоном в 1%
к водоприемникам. Дно котлована планируют по уровню, очища-
ют от строительного мусора, засыпают щебнем отдельные ямы
и углубления.
При скальном основании нужно расчистить породу до прочных,
певыветренных слоев, удалить щебень, отдельные камни и прочес.
Рис. V.37. Конструкция эрлифта и схема его установки в котловане:
I — выход пульпы; 2 — подача воздуха; 3 — кольцевая камера; 4 — камера смешения; 6 —
всасывание пульпы; 6 — эрлифт; 7 — пульповоды; 8— воздуховодные трубы; Р— компрессор
М2
а перед кладкой фундамента промыть поверхность скалы напорной
водой.
На дне котлована нередко появляются ключи, которые значи-
тельно затрудняют подготовку основания и кладку фундамента.
Ключи окружают бездонными ящиками и устанавливают стальные
трубы диаметром 5—10 см, улавливающие ключевую воду; про-
странство между ящиком и трубой бетонируют. После затверде-
ния бетона трубу заполняют цементным раствором или жидким
стеклом. Если напор воды настолько велик, что заглушить ключ
нс удается, или если рядом появляются новые ключи, воду нужно
отвести трубами за пределы котлована.
Нельзя оставлять котлован долгое время открытым. Как толь-
ко котлован вырыт до проектной отметки и дно его защищено, оп
должен быть освидетельствован и принят по акту комиссией.
V.9. КЛАДКА ФУНДАМЕНТОВ
При работах с водоотливом до кладки тела фундамента на дно
котлована (после его освидетельствования и приемки) укладыва-
ют слой подготовки из щебня, гравия или крупнозернистого песка.
Назначение подготовки — укрепить верхний слой основания, что
особенно важно при глинистых, легко размокасмых грунтах, а так-
же предотвратить вытекание цементного раствора из нижнего
слоя бетона фундамента. Подготовку укладывают ровным слоем
толщиной 10—15 см и тщательно уплотняют (трамбуют); при этом
отметка верха подготовки должна быть на уровне проектной от-
метки подошвы фундамента, что необходимо учитывать при рытье
котлована.
После укладки подготовки устанавливают опалубку. Опалуб-
кой нижнего уступа фундамента могут быть деревянные огражде-
ния стен котлована; если ограждение сделано из металлического
шпунта, то, для того чтобы можно было извлечь его после построй-
ки опоры, опалубку устанавливают и для нижнего уступа. Опалуб-
ку применяют простейшей конструкции из дощатых щитов. По ме-
рс возведения кладки распорки креплений котлована постепенно
удаляют, заменяя их коротышами, которые упирают в забетониро-
ванную часть фундамента. Бетонную смесь подают в бадьях кра-
ном, а при глубине до 2 м — по наклонным деревянным лоткам.
Свежая кладка легко размывается водой, (поступающей в кот-
лован. Поэтому в процессе бетонирования фундамента воду про-
должают откачивать, нс допуская заливания бетона до приобре-
тения им прочности нс мснсс 25 кгс/см2.
После возведения фундамента пазухи между его телом и сте-
пами котлована тщательно заполняют грунтом или камнем.
Если фундамент возводится без откачки воды из котлована,
сначала укладывают слой бетона подводным способом; после за-
твердения этого слоя воду откачивают и последующие работы ве-
дут насухо.
143
Бетонная подушка, уложен-
ная под водой, должна быть
водонепроницаема и обладать
достаточным сопротивлением
напору воды.
В котлованах со значитель-
ной площадью можно пренеб-
речь силами сцепления между
бетоном и ограждением стен
котлована, и тогда минималь-
ная толщина подводной поду-
шки
«п >------,
V»
где Ни — гидростатический напор во-
ды в котловане, тс/м2;
Vu — объемный вес бетона, рав-
ный 2,2 тс/м1.
По условиям производства
работ толщина Лп должна быть
нс мснсс 1 м.
Рис. V.38. Схема подводного бетони-
рования:
/ — ограждение котлована; 2 — бетонолит-
пыс трубы; 3 —приемный бункер; 4—
бадья с бетонной смесью; 6 — подводный
бетон
Под водой бетонную смесь укладывают с соблюдением ряда
технологических требований, обеспечивающих надлежащее каче-
ство кладки. Трудность подводного бетонирования заключается
в том, что при непосредственном контакте с водой из бетонной
смеси вымывается цементный раствор и прочность бетона резко
снижается; вымывание раствора значительно увеличивается при
укладке бетонной смеси в проточную воду.
Для подводного бетонирования существует несколько приемов.
Наиболее распространено бетонирование с помощью вертикально
перемещающихся труб (ВПТ), выполняемое следующим образом
(рис. V.38). На предварительно выровненное дно котлована опус-
кают бстонолнтныс стальные трубы с толщиной стенок 3—5 мм.
Трубы собирают из отдельных звеньев длиной по 1,5—2 м; соеди-
нение звеньев фланцевое с водонепроницаемыми прокладками.
В зависимости от интенсивности бетонирования применяют трубы
диаметром от 200 до 300 мм (наиболее часто 250—300 мм). Вверху
к трубам присоединяют приемные бункера для бетонной смеси. Со-
бранные трубы подвешивают к грузоподъемным приспособлениям,
обеспечивающим свободное перемещение их по вертикали. Перед
укладкой первой порции бетонной смеси трубы закрывают проб-
ками из мешковины, пакли, мешка с опилками и т. д. Пробки дол-
жны плотно закрывать отверстия труб и в то же время свободно
проходить через них, вытесняя воду. Пробки удерживают прово-
локой или пеньковым канатом.
144
После заполнения бункера бетонной смесью проволоку переру-
бают и пробка вместе со смесью опускается вниз. В этот момент
бстонолитную трубу приподнимают на 20—30 см, позволяя пробке
выйти наружу, и затем быстро осаживают вниз, погружая ее
в смесь, вышедшую из трубы. В результате этой операции труба
оказывается свободной от воды, и следующие порции бетонной
смеси нс будут смочены водой. Вместе с тем бетонная смеси выхо-
дя из трубы, будет защищена от воды ранее уложенным слоем.
По мерс бетонирования трубу поднимают, оставляя нижний конец
се погруженным в бетонную смесь.
Бетонная смесь для подводного бетонирования должна быть
пластичной с осадкой конуса 16—20 см; марку подводного бетона
назначают на 10% выше, чем при обычном бетонировании. Под-
водное бетонирование ведут непрерывно и возможно быстрее, обе-
спечивая укладку в час нс менее 0,3 м3 бетона на 1 м2 площади ко-
тлована.
Радиус действия бетонолитной трубы (в м) находят по формуле
г < 6к/,
где к — показатель сохранения подвижности смеси, ч;
I— ннтенсинность бетонирования, мэ/№-ч.
Показатель сохранения подвижности смеси — время в течение
которого осадка конуса не снижается более чем на 15 см. Он оп-
ределяется опытным путем в бетонной лаборатории строительства.
Для предварительных расчетов можно принимать r=4-j-6 м.
Заглубление t труб в бетонную смесь определяют из выраже-
ния
t < 2к1,
и при глубине бетонирования до 10 м оно должно составлять не
менее 0,6 м. Количество бстонолитных труб назначают в зависи-
мости от радиуса их действия и так, чтобы участки, охватываемые
каждой трубой, перекрывали друг друга.
Подводное бетонирование ведут непрерывно, пе допуская пере-
рывов, превышающих время начала схватывания смеси под водой
(1,5—2 ч). При более продолжительных перерывах возобновление
бетонирования допускается после приобретения бетоном прочности
20—25 кгс/см2 и удаления слабого слоя ранее уложенного бетона.
После приобретения бетоном прочности пе менее 50% проектной
приступают к откачке воды. Верхний слой (подводного бетона на
глубину 10—15 см бывает слабым и его, откачав воду, удаляют.
Другим способом подводного бетонирования является способ
«восходящего раствора», разработанный в СССР. По этому спо-
собу котлован после установки вертикальных труб заполняют
крупным заполнителем — бутовым камнем, щебнем и гравием. За-
тем по трубам, соблюдая технологию, аналогичную ВПТ, подают
цементно-песчаный раствор, который вытесняет воду и заполняет
пустоты. После твердения раствора получается достаточно прочная
и монолитная кладка.
145
V.JO. устройство фундаментов методом
«СТЕНА В ГРУНТЕ»
«Стеной в грунте» называют особый способ возведения подзем-
ных сооружений, заключающийся в устройстве под глинистым
раствором траншеи заполняемой затем бетонной смесью методом
ВПТ или сборными железобетонными плитами. Созданная таким
образом степа (рис. V.39) может служить фундаментом протя-
женного сооружения, папримср опоры путепровода, ограждающей
стеной подвального помещения или подземного гаража и т. д.»
а также может быть использована для крепления котлована с по-
следующим включением се в состав фундамента. Устройство «сте-
ны в грунте» наиболее целесообразно в водонасыщаемых грунтах
при высоком уровне грунтовых вод и заглублении стены в водо-
упорный слой, а также при необходимости возведения подземных
зданий и сооружений, заглубленных на глубину более 6—10 м,
когда устройство котлованов с интенсивным водоотливом трудно
осуществимо или экономически нецелесообразно. Существенное
достоинство этого способа — возможность сооружения стен вбли-
зи существующих зданий без опасения их деформаций.
«Стена в грунте» может быть образована секущими буровыми
сваями (рис. V.40,а), отдельными отрезками, возводимыми «через
одну» (рис. V.40, б), непрерывным устройством траншеи и уклад-
кой бетонной смеси и другими способами. Выбор способа устрой-
ства зависит главным образом от гидрогеологических условий стро-
ительной площадки и интенсивности застройки прилегающей тер-
ритории. Определяющим фактором при этом служит опасность об-
рушения стен траншеи. Так, при неустойчивых плывунных грунтах
разработка длинных траншей, особенно вблизи существующих зда-
ний, опасна. В этих случаях целесообразно применение секущих
буровых свай. В устойчивых грунтах возможно пли секционное,
Рис. V.39. Схемы использования «стены в грунте»:
а — фундамент опоры эстакады; б — подземный гараж; в — ограждение котлована;
/ •— «степа в грунте»; 2 — водонасыщенный грунт; 3 — водоупор
146
47
Рис. V.40. Схемы устройства «стены в грунте»
I — гусеничный крап; 2 — грейфер; 3 — глинистый раствор; 4 — первая траншея; 6 — соеди-
нительная траншея; 6 — бетонная смесь; 7 — арматурный каркас; 6 — ограничитель
или непрерывное возведение. Секционное возведение участками
(захватками) длиной от 3 до 6 м получило наибольшее применение
в городских условиях. При этом:
если L/H<2, величина
если LIH^2, величина (tg45°—<р/2),
где Н — глубина траншеи; м;
L — длина участка, м;
I — расстояние траншеи от существующего здания, м;
Ф — угол внутреннего трепня грунта.
Рис. V.41. Последовательность секционного возведения «стены в грунте»:
/ — разработка пергой скважины траншей; II— то же, второй; III — разработка перемычки
траншеи; IV — бетонирование траншеи; V — разработка соединительной траншеи;
147
Для удержания траншей от обрушения используют глинистые
растворы. К траншейным глинистым растворам предъявляют бо-
лее жесткие требования, чем к растворам, применяемым при бу-
рении скважин, линейные размеры которых в плане невелики. Со-
гласно действующим инструкциям, удельный вес раствора, приго-
товленного из бентонитовых (монтморилопитовых) глин, должен
быть в пределах 1,05—1,15 гс/см3, а при использовании других ви-
дов глин—1,1—1,3 гс/см3. При необходимости местные глины мо-
гут быть улучшены добавлением к ним бетонита или некоторых
химических реактивов (едкий натр, кальцинированная сода, жид-
кое стекло и др.).
Траншеи разрабатывают специальными землеройными маши-
нами. Чаще применяют плоские грейферы с жестким или тросовым
(гибким) присоединением к стреле экскаватора. Грейферы имеют
большое раскрытие челюстей (3—5 м), позволяющее разрабаты-
вать грунт длинными участками. Ширина траншей, определяемая
размером грейфера, составляет 0,4—1,1 м. Более широкие траншеи
разрабатывают последовательным бурением скважин.
На рис. V.41 показана последовательность секционного устрой-
ства «стены в грунте». Секция траншеи начинается с разработки
торцовых участков с последующим удалением средней перемычки.
Широкозахватные грейферы могут разрабатывать траншеи на
полную длину участка. Далее по торцам секции устанавливают ог-
раничители из стальных труб и арматурные сетки и методом ВПТ
укладывают бетонную смесь. Затем переходят к секции «через
одну», а после ее устройства — к промежуточной секции.
Секционные траншеи можно заполнять сборными железобетон-
ными плитами. В этом случае неизбежные зазоры между плитами
и стенами траншей заполнят цементно-песчаным пли цементно-
глинистым раствором.
Стены из буровых секущих скважин образуют с помощью на-
правляющих труб, имеющих с одной стороны вогнутое очертание
(рис. V.42). Трубы, устанавливаемые в последовательно пробурен-
ные скважины, служат для направления рабочего органа буровой
машины. После разработки секции армируют каркасами, скважи-
ны и траншею заполняют бетонной смесью, одновременно извлекая
трубы.
После возведения «стены в грунте» по всему периметру соору-
жения (массивного фундамента опоры моста, заглубленного зда-
ния и пр.) удаляют грунт из внутреннего пространства и возводят
внутренние конструкции. Прочность и устойчивость «стен в грун-
те» при удалении грунта должна быть обеспечена распорным креп-
лением, анкерами и другими способами.
Рис. V.42. Схемы устройства «стены
в грунте» секущими трубами (план)
148
Глава VI
КОНСТРУКЦИЯ СВАЙНЫХ
ФУНДАМЕНТОВ И СВАЙ
VI.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СВАИ
Основным конструктивным элементом свайного фундамента явля-
ются сваи. Сваи передают на грунты нагрузки от сооружения
и обеспечивают его устойчивость и жесткость.
В зависимости от материала, формы, конструкции, способа из-
готовления и условий работы можно выделить следующие основ-
ные виды свай.
1. По материалу сваи могут быть деревянными, железобетонны-
ми, бетонными и стальными, а также комбинированными из сталь-
ной оболочки (трубы), заполненной бетоном (такие сваи называют
сталебетонными). Иногда применяют сваи, составленные по длине
из разных материалов, преимущественно из дерева в нижней ча-
сти и из железобетона или из стальных труб, заполненных бето-
ном, в верхней части.
2. Поперечное сечение свай может быть круговым, прямоуголь-
ным, квадратным, многоугольным и кольцевым. Значительно реже
встречаются более сложные формы сечения, например двутавро-
вые, коробчатые и т. д.
3. В профиле сваи бывают коническими, цилиндрическими,
призматическими, пирамидальными и ромбовидными, а также не-
правильного очертания, меняющегося по длине сваи. Нижний ко-
нец сваи может быть заострен, оставаться плоским пли иметь уши-
рение (пяту).
4. Ствол сваи может быть сплошным и пустотелым. Пустотелые
железобетонные и стальные сваи после погружения в грунт обыч-
но заполняют бетоном, реже—песчаным грунтом или оставляют
незаполненными.
5. Наибольшее распространение получили сваи полностью или
частично изготовленные заранее, принудительно погружаемые
в грунт в готовом виде. Примером таких свай служат деревянные
сваи, железобетонные сваи сплошного сечения, а также сваи из
железобетонных или стальных труб-оболочек. Такие сваи погру-
жают в грунт, забивая их или завинчивая. В первом случае сваи
называют забивными, во втором — винтовыми. Кроме при-
нудительно погружаемых свай, в мостовом и промышленном строи-
тельстве применяются сваи, для изготовления которых предвари-
тельно в грунте бурят скважины. Такие сваи носят название бу-
ровых. При этом если пробуренные скважины заполняют бетон-
ной смесью, то сваи называют набивными, а при заполнении
скважин заранее изготовленным железобетонным элементом —
буроопускными.
149
1’uc. VI. 1. Виды свай:
/—сплошная свая; 2 — трубчатая сван; 3 —грунт (песок); 4 — буровая скважина: 6—бетой
6. Сваи подразделяются на собственно сваи, сваи-оболочки и
сваи-столбы. К сваям (рис. VI.1,а—в) относятся сплошные сваи
и оболочки (железобетонные и стальные), погружаемые с закры-
тым или открытым нижним концом, но без удаления грунта из
внутренней полости, с размерами поперечного сечения до 0,8 м
включительно. Сваями-оболочками (рис. VI. 1, г, д) назы-
вают пустотелые цилиндрические оболочки диаметром более 0,8 м,
погружаемые всегда с открытым нижним концом и удалением грун-
та из внутренней полости. Характерная особенность свай и оболо-
чек— принудительное погружение их в грунт даже и тогда, когда
погружение облегчается предварительным разбуриванием лидер-
ных скважин (см. рис. VI.1, в, д). В последнем случае сваи или
оболочки после установки в скважины допогружают в грунт за-
бивкой.
Принудительное погружение сваи сопровождается уплотнением
грунта, так как при таком погружении свая вытесняет грунт в объ-
еме, равном объему сваи. Особенно значительное уплотнение до-
стигается под нижним концом забивной сваи. Оболочки уплотняют
грунт в меньшей степени.
Сваи сооружаемые в грунте с помощью предварительного бу-
рения скважин, называют сваями-столбами. Пробуренные
скважины заполняют бетонной смесью (рис. VI. 1, е) или заранее
изготовленным элементом (рис. Vl.l.ac), но без последующего при-
нудительного допогружения его в грунт. При изготовлении свай-
столбов уплотнения грунта пе происходит. При большом их диа-
метре, особенно в уровне нижних концов, грунт может даже раз-
уплотняться, что снижает его несущую способность по сравнению
со сваями и оболочками.
Если скважины бурят с помощью обсадных нсизвлекасмых
труб или железобетонных оболочек, то свая называется бурооб-
садным столбом (рис. VI.l.s).
7. Если свая опирается па практически несжимаемый грунт
(скалу, крупнооболочные отложения с песчаным заполнением, гли-
ны твердой консистенции), то действующие на сваю продольные
150
силы передаются грунту только ее нижним концом. Такая свая
называется сваей-стойкой. Если же под сваей располагается
сжимаемый грунт, то продольная сила передается грунту не толь-
ко нижним концом, но и боковой поверхностью сваи, по которой
развиваются силы трения. Такие сваи называются висячими
или сваями трения.
8. В фундаменте сваи могут быть расположены вертикально
или наклонно. Наклонное расположение применяют для увеличе-
ния жесткости (в горизонтальном направлении) свайного фунда-
мента.
9. Кроме продольных сжимающих сил, сваи могут испытывать
выдергивающие усилия. Выдергиванию свай, называемых в этом
случае анкерными, оказывают сопротивление силы трения,
а при уширенном конце— и вес вышележащего грунта. Сопротив-
ление выдергиванию значительно меньше сопротивления сжатию.
VI.2. КОНСТРУКЦИЯ ЗАБИВНЫХ СВАИ
В транспортном и промышленном строительстве применяют сваи
различной конструкции.
Деревянные сваи. Их изготовляют из леса хвойных пород, пре-
имущественно из сосны, нс ниже второго сорта (по ГОСТ
9463—72) с вполне здоровой древесиной, со сбегом (коничностыо)
не более 1 см на 1 пог. м. Кривизна бревен допускается только од-
носторонняя нс более 1%. Рекомендуется применять лее зимней
рубки. Влажность леса нс ограничивается. Бревна очищают от ко-
ры, сучьев и наростов. Естественную коничпость сохраняют, если
она не мешает погружению свай; в противном случае, например
при погружении в каркасах, бревна цплиндруют. Диаметр дере-
вянных свай в тонком конце должен быть нс менее 18 см. Длина
свай обычно составляет от 4,5 до 8,5 м. Болес длинные сваи (свы-
ше 8,5 м) дефицитны и дороги, и лее для них заготовляют только
по особому заказу.
Сваи погружают в грунт тонким концом. Для облегчения погру-
жения этот конец заостряют, придавая ему форму четырехгранной
или трехгранной пирамиды с притупленной вершиной (рис.
VI.2,а). В зависимости от плотности грунтов заострение нижнего
конца сваи делают высотой от 1,5 до 2 диаметров. Если сваю за-
бивают в плотные грунты или грунты, содержащие твердые вклю-
чения (прослойки гравия, гальки и пр.), острие сваи защищают от
повреждений стальным трехгранным башмаком (рис. VI.2,б).
Башмаки прикрепляют к свае коваными гвоздями; отверстия для
гвоздей в лапках башмака делают продолговатыми, чтобы гвозди
не препятствовали обмятию древесины при забивке сваи. Заостре-
ние должно быть выполнено строго по продольной оси сваи, в про-
тивном случае свая при погружении в грунт будет уходить в сто-
рону.
Верхний конец сваи (голову) обрезают перпендикулярна
к продольной оси и при забивке молотами одиночного действия ук-
J5I
Рис. VI.2. Деревянные сваи:
/ — бугель: 2 — кованые гвоз-
ди; 3— стальные накладки; 4 —
болты; 6 — штырь
Рис. VI.3. Сваи пакетная и клееная
нз досок
репляют от раскалывания и размочаливания бугелем из полосовой
стали размером 50X12—100x20 мм. Бугель насаживают на голо-
ву сваи в горячем состоянии с тем, чтобы, остывая, он плотно сжал
древесину.
При отсутствии длинномерного леса бревна наращивают. По
длине сваи разрешается иметь не более одного стыка. Стык (рис.
VI.2, в) делают в торец, ставя по оси бревен штырь, и перекрывая
его стальными полосовыми или уголковыми накладками длиной
от 2,5 до 3 диаметров сваи. Накладки прикрепляют болтами диа-
метром 19—25 мм или заершенными коваными гвоздями. Стыки
нужно располагать так, чтобы после забивки свай они находились
на глубине не менее 2—3 м от поверхности грунта, а стыки смеж-
152
пых свай были в разных уровнях на взаимном расстоянии по вы-
соте не менее 0,75 м.
При необходимости забивки длинных свай (до 25 м) большой
несущей способности применяют пакетные деревянные сваи (рис.
VI.3, а), сплоченные из трех или четырех бревен (рис. VI.3, б).
Бревна соединяют между собой болтами или нагелями. Стыки
бревен располагают вразбежку на взаимном расстоянии не менее
1,5 м и не менее 6d (где d, — диаметр бревен). Стыки перекрывают
стальными полосовыми накладками. Заострение пакетной сваи
делают общим на все бревна и укрепляют стальным башмаком.
На голову сваи насаживают общий бугель.
Геометрические характеристики поперечных сечений пакетных
свай приведены в табл. VI. 1.
Большой расход металла на пакетные сваи ограничивает их
применение. Значительно перспективнее клееные сваи (рис.
VI.3, в), составляемые из досок или брусьев, склеенных между со-
бой специальными водостойкими составами. Клееные сваи приме-
няются в портовом строительстве; с развитием клееных мостовых
Таблица VI.1
Поперечное сечение
пакетной деревянной
сваи
Геометрические характеристики сечения
Площадь
Момент инерции
Периметр
2,22d2
2,96d2
2,57d2
4,00а2
0,423d4
0,780d4
0,548J4
1,33а4
6,28d
7,33d
6,28d
8,0a
153
деревянных конструкций они найдут применение и в мостострое-
нии.
Деревянные сваи просты в изготовлении и имеют небольшой
вес, что упрощает их транспорт и погружение в грунт. Недостат-
ками их являются ограниченная длина, сравнительно небольшая
несущая способность, трудность погружения в плотные грунты.
Деревянные сваи должны быть всегда погружены в грунт ниже
уровня грунтовых вод, так как в условиях переменной влажности
древесина быстро загнивает (особенно в песчаных грунтах); при
низком уровне грунтовых вод это может привести к столь глубо-
кому заложению плиты фундамента, что применение деревянных
свай станет невыгодным.
Железобетонные сваи. В мостостроении преимущественно при-
меняют железобетонные призматические сваи сплошного сечения
и сваи цилиндрические полые.
Сплошные сваи делают с обычной или напрягаемой арматурой
из бетона не ниже М-250 для обычных свай и М-400 для предва-
рительно напряженных. Сечение свай квадратное размерами
30 X30, 35X 35 и 40X40 см. Зна-
Рнс. VI.4. Конструкция железобетон-
ной сваи
чительно реже применяют сваи
прямоугольного сечения 25X30,
30X 35 и 35X40 см.
В сваях без преднапряжения,
изготовляемых длиной от 6 до
18 м, продольная (рабочая) ар-
матура ставится в количестве от
четырех до двенадцати стержней
диаметром от 12 до 28 мм класса
А-П (рис. VI.4). Число стержней
и их диаметр зависят от разме-
ров сваи и требуемой прочности
по стволу.
Стержни сосредоточивают в
углах сваи, сваривая их в пакеты
из двух стержней при общем ко-
личестве 8 шт. или из трех при
12 шт. По длине сваи число стер-
жней и их диаметр может менять-
ся в соответствии с эпюрой возни-
кающих изгибающих моментов.
Стержни стыкуют электросвар-
кой (способом оплавления). За-
щитный слой арматуры — не ме-
нее 3 см, а для северной клима-
тической зоны — 5 см. Располо-
жение продольной арматуры в уг-
лах сваи обеспечивает механиза-
цию изготовления арматурного
каркаса, позволяя применить
154
спиральную поперечную армату-
ру. Последняя делается из катан-
ки класса А-1, диаметром 6—
8 мм. Шаг спирали принимается
равным 15—20 см, а у концов
сваи, где возникают наибольшие
напряжения при забивке— 10 и
5 см. Голову сваи укрепляют сет-
ками из проволоки диаметром
6 мм с ячейками 5x5 см. В ост-
рие сваи продольную арматуру
отгибают, приваривают к цент-
ральному осевому стержню и за-
водят в обойму -(рис. VI.5).
Для выполнения монтажных
Рис. VI.5. Арматурный каркас спаи
операций (складирования, пере-
возки, установки под сваебойное оборудование) сваи снабжают
строповочными петлями. Места строповочных петель назначают
из расчета сваи на изгиб от собственного веса (с динамическим
коэффициентом 1,25 при расчете на прочность и 1,5 при расчете
па трещиностойкость) при подъеме ее за две или одну точку (для
установки под молот) исходя из равенства абсолютных значений
наибольших изгибающих моментов, возникающих в свае на рас-
стоянии 0,207 L от концов сваи при подъеме за две точки и 0,292 L
от головы при подъеме за одну точку (где L — длина сваи).
Сплошные, сваи с обычной арматурой просты в изготовлении.
Они могут быть изготовлены не только в заводских условиях, но и
на строительной площадке вблизи строящегося моста.
Недостаток свай с обычной арматурой — значительный расход
арматуры. Кроме этого, при погружении в грунты с твердыми
включениями, несмотря на значительный процент армирования, в
сваях все же могут возникнуть трещины с раскрытием до 0,25 мм.
Рис. VI.6. Конструкция поднапряженной сваи с прутковой арматурой:
I — сетка с ячейками SXS см 0 6; 2 — высокопрочная прутковая арматура кл. A-IV,
4 0 14; 3—стержни кл. A-I, 0 18 длвной 200 см; 4 — стропсвочные петли кл. А-1, 0 18;
6 — спираль кл. В 0 б; 6—арматура острия кл. А-1, 4 0 18; 7 —осевой стержень кл. А-1
0 24, длиной 45 см
155
что во влажной грунтовой среде вызывает ржавление арматуры;
трещины особенно опасны при агрессивных грунтовых водах.
Для повышения трсщиностойкости и снижения расхода армату-
ры применяют предварительно напряженные железобетонные сваи.
В отечественной практике предварительное напряжение осуще-
ствляется натяжением продольной арматуры до бетонирования
сваи.
Преднапряженпые сваи изготовляют квадратного сечения ука-
занных выше размеров длиной от 8 до 20 м. Сваи армируют отдель-
ными проволоками периодического профиля диаметром 7—5 мм,
Рис. VI.7. Конструкция преднапря-
жеиной спаи с проволочной армату-
рой:
1—-сетка 0 Б; S — высокопрочная прово-
лока 0 6; 3 — спираль 0 Б; 4 — стропопоч-
вые петли 0 16; 6 — арматура острия
0 16; 6 — oecnofl стержень 0 24
прочностью 160 кг/мм2 (класс
Вр-П) или витыми ссмипроволоч-
ными прядями из той же прово-'
локи, а также стержнями перио-
дического профиля диаметром
12—20 мм, прочностью 80 кге/мм2
(класс A-IV). Поперечная арма-
тура спиральная из катанки клас-
са A-I диаметром 5 мм. Предва-
рительное натяжение проволочной
арматуры и прядей осуществ-
ляется домкратными установками
на упоры, стержневой — домкра-
тами или элсктронагревом.
Конструкция предварительно
напряженной сваи сечением 35Х
Х35 см, длиной 12 м с прутковой
арматурой показана на рис. VI.6.
Продольные стержни диаметром
14 мм поставлены по углам сваи
и связаны в каркас спиралью из
проволоки диаметром 5 мм. Шаг
спирали — от 5 до 20 см. Голова
сваи усилена арматурными сетка-
ми, острие армировано отдельным
каркасом из четырех стержней
диаметром 18 мм, приваренных к
центральному стержню диаметром
24 мм.
Конструкция предна пряженной
сваи с проволочной арматурой
приведена на рис. VI.7. Высоко-
прочная проволока диаметром
5 мм сосредоточена в углах сваи.
Поперечная арматура спиральная
с шагом от 5 до 30 см — из катан-
ки диаметром 5 мм. Сваи с прут-
ковой арматурой рекомендуется
применять при значительной аг-
156
рессивности грунтовых вод, так
как прутковая арматура корро-
зиоустойчивсй тонкой высокопроч-
ной проволоки.
Сплошные сваи имеют значи-
тельный вес, и их перевозка, уста-
новка под сваебойное оборудова-
ние и погружение в грунт требуют
мощных транспортных и грузо-
подъемных средств и мощного
сваебойного оборудования. Это ог-
раничивает размеры свай (длину
и толщину), а следовательно, и их
несущую способность.
Значительное уменьшение мас-
сы достигается в полых железо-
бетонных сваях круглого попереч-
ного сечения. Полые сваи делают
сборными из железобетонных цен-
трифугированных звеньев длиной
от 8 до 12 м. В мостостроении сваи
собирают из звеньев наружным
диаметром 40 см с толщиной стен-
ки 8 см, диаметром 60 и 80 см с
толщиной стенки 100 см.
Свая может быть смонтирова-
на на полную длину как до по-
гружения сваи в грунт, так и в
процессе погружения по мере ее
забивки. В последнем случае дли- ^ваи-^^’ Конструкция секций полой
112 СВВИ МОЖСТ ДОСТИГаТЬ 50 М И / — фланец; 2 — продольная арматура
более. Звенья изготовляют из бе- ® в 6: 4~
тона марки 400 с обычной или на-
прягаемой продольной арматурой.
В фундаментах опор мостов, как правило, применяют сваи
с обычной арматурой, изготовление которых значительно
проще.
Конструкция секций всех диаметров однотипна (рис. VI.8). Про-
дольная арматура расположена посередине толщины стенки, па
взаимном расстоянии, нс превышающем се толщину. Диаметр ар-
матуры для оболочек с 3%-ным армированием — 20 мм, с 5%-ным
армированием — 25 мм.
Нснапрягасмая арматура из стали класса А-П, преднапрягае-
мая — класса A-IV. Шаг спиральной арматуры 10 см, а у концов
5 см.
На торцах секций закреплены стальные закладные части, об-
разующие монтажные стыки.
Монтажные стыки могут быть фланцевыми на болтах и свар-
ными.
1Б7
Рис. VI.9. Конструкция стыков полых свай:
1~ продольная арматура; 2—нарезной наконечник; 3 — фланцы толщиной 1С мм; 4 — обе-
чайка толщиной 10—12 мм: 5 — ребро жесткости толщиной 10 мы; 6 — спиральная армату-
ра; 7 — вспомогательная арматура; в—стык продольной арматуры; 9 — бетон омоиолнчн-
ваппя
Фланцевые стыки применяют при наращивании секций в про-
цессе погружения сваи в грунт. На рис. VI.9, а (см. также рис.
VI.8) показана конструкция фланцевого стыка, в котором заклад-
ные части закреплены с помощью наконечников с винтовой нарез-
кой, приваренных к стержням продольной арматуры. Для лучшего
сцсплспия с бетоном к фланцам приварены короткие стержни вспо-
могательной арматуры. Такой стык применяют главным образом
в предварительно напряженных секциях. Несколько ипая конст-
рукция фланцевого стыка приведена на рис. VI.9, б. В этом стыке
продольная арматура приварена к короткой стальной трубе, на-
зываемой обечайкой; к обечайке приварены кольца из листовой
стали, окаймляющие торцы секций и образующие фланцевое со-
единение.
Изготовление фланцев требует большой точности, обеспечива-
ющей совпадение болтовых отверстий стыкуемых секций. Их нуж-
но изготовлять в кондукторах на заводах металлоконструкций.
Сварные стыки применяют преимущественно при сборке сваи
на стеллажах до погружения в грунт. В стыке с обечайками (рис.
VI.9, в) сваривают кромки обечаек; в необходимых случаях стык
158
может быть усилен накладками. При предварительной сборке сваи
в горизонтальном положении на стеллажах применяют стыки со
сваркой ванным способом выпусков продольной арматуры секций
(рис. VI.9, г) и последующего ©бетонирования стыка. Такой стык
требует наименьшего расхода стали, но для его выполнения необ-
ходимо точное расположение продольной арматуры в стыкуемых
секциях.
Для защиты стали от коррозии стыки заполняют бетоном на
быстротвердеющсм цементе; если стык после погружения сваи
располагается в грунте, его заливают горячим битумом.
Нижние концы полых свай могут быть закрытыми или откры-
тыми.
Закрытые сваи заканчиваются железобетонным наконечником*
(рис. VI.10, а). Наконечник присоединяют к стволу фланцем или
сваркой. При погружении сваи с подмывом в наконечнике остав-
ляют центральное отверстие диаметром 75—100 мм. Применяют
также наконечники, сваренные из листовой стали. Значительно
реже применяют сваи с отрытым нижним концом. В этом случае
нижний конец сваи заканчивается стальным коротким ножом
(рис. VI.10, б). При погружении в плотные или скальные грунты
нож удлиняют (рис. VI.10, в) и усиливают дополнительным лис-
том.
Рис. VI.10. Конструкция наконечника и ножей
159
30
После погружения сваи на проектную
глубину ее внутреннюю поверхность очи-
щают от грунта и, как правило, заполня-
ют бетонной смесью марки 150—200. Ес-
ли по расисту ствола на прочность запол-
нение бетоном нс требуется, то часть
сваи, расположенной в грунте, ниже его
промерзания, можно оставить незапол-
ненной.
В грунтах с напорными водами для
предохранения от фильтрации воды че-
рез стенку сваи ее полость можно запол-
нить песком, смешанным с мазутом в про-
порции 1:5—1:6. Заполнение бетоном
обязательно при погружении сван в грун-
ты с твердыми включениями, когда мож-
но ожидать образование трещин в стволе
при забивке.
Рис. VI.11. Квадратная свая В промышленном и гражданском
с цилиндрической полостью строительстве сваи несут, как правило, не
столь большие нагрузки, что позволяет
делать их меньших размеров (до 20 X20 см) и забивать на меньшую
глубину (3—8 м). Конструкция этих свай аналогична рассмотрен-
ным. Отсутствие изгиба свай, забитых под зданиями, позволяет в
ряде случаев облегчать сваи. Так, некоторыми организациями ус-
пешно применяются сплошные сваи с центрально расположенной
напрягаемой арматурой и контурной спиралью.
Весьма удачной нужно считать квадратные сваи с цилиндри-
ческой полостью (рис. VI.11), забиваемые с открытым нижним
концом без удаления из полости грунта. Такие сваи изготовляют
на многопустотных установках большой производительности на
заводах железобетонных конструкций общего назначения.
Железобетонные сваи-оболочки. В современном отечественном
строительстве мостов и гидротехнических сооружений в широких
масштабах применяют железобетонные тонкостенные оболочки,
погружаемые в грунт с открытым нижним концом мощными виб-
ропогружателями. Применение сборного железобетона для оболо-
чек и современных методов их погружения, разработанных и ос-
военных советскими учеными и инженерами (К- С. Силин,
Н. М. Глотов, В. А. Карпинский, Н. М. Колоколов, Г. П. Соловьев
и др.), открыли новые большие возможности создания дешевых
глубоких фундаментов на базе широкой индустриализации и меха-
низации строительства.
Оболочки собирают из унифицированных секций длиной от 6
до 12 м наружным диаметром 100, 120, 160, 200 и 300 см с толщи-
ной стенок 12 см. Длина секций кратна 1 м.
Возможно применение оболочек и большего диаметра — до
5—6 м. Однако опыт строительства нескольких мостов показал,
что погружение оболочек диаметром более 3 м сопряжено с боль-
160
шимм трудностями и применять их можно только в особых случаях
при соответствующем технико-экономическом обосновании.
Секции оболочек изготовляют из обычного железобетона с арма-
турой из стали марки ВСт. 5 и из предварительно напряженного
железобетона с арматурой из стали марки 30ХГ2С; марка бето-
на— 400. Предварительное напряжение значительно повышает
трсщиностойкость оболочек при внецентренном сжатии с большими
эксцентриситетами, но изготовление их сложнее и стоимость вы-
ше; поэтому сейчас в опорах мостов, как правило, применяют обо-
лочки из обычного железобетона преимущественно с 3%-ным (ре-
же с 5%-ным) армированием.
Конструкция оболочек и их стыков такая, как и полых свай
диаметром до 0,8 м (см. рис. VI.8), и отличается только количест-
вом продольной арматуры.
Длина секций назначается исходя из условий транспорта и гру-
зоподъемности средств для их монтажа; изменение длины через
1 м позволяет собирать оболочки необходимого размера в зависи-
мости от глубины погружения.
Опыт применения унифицированных оболочек с толщиной сте-
нок 12 см показал недостаточную их прочность при погружении
в трудно проходимые грунты (гравийно-галечные и галечно-валун-
ные отложения). Кроме этого, такие оболочки обычно приходится
заполнять бетоном для восприятия действующих на них внешних
усилий. Этих недостатков лишены оболочки с утолщёнными стен-
ками.
Толщина стенок усиленных оболочек диаметром 1,6 м равна
16 см, диаметром 2 м —18 см и диаметром 3 м — 20 см. Размеры
стенок определены исходя из возможности погружения оболочек
имеющимися вибропогружателями. В отличие от тонкостенных,
усиленные оболочки армированы двойной арматурой, располагае-
мой вдоль внутренней и наружной поверхности стенок (рис. VI.12).
Рис. VI.12. Конструкция утолщенной оболочки
161
Рис. VI.13. Фланцевый стык утолщенной оболочки
Б-S
Фланцево-болтовой стык такой оболочки, показанный иа рис.
VI. 13, также несколько усложнен. Он состоит из обечайки, к кото-
рой приварены стержни внутренней арматуры, и специальных ре-
бер с приваренными к ним стержнями наружной арматуры.
Нижние секции оболочек снабжают стальными ножами, сва-
ренными из листовой стали (см. рис. VI.10). При погружении в мяг-
кие грунты применяют короткий нож (см. рис. VI. 10, б), при по-
гружении в плотные породы — удлиненный иож, усиленный при-
варкой второго листа (см. рис. VI.10,в), или железобетонные
ножи с стальной окантовкой и односторонним или двусторонним
заострением (рис. VI.14).
После погружения оболочки и удаления грунта из внутренней
полости ее частично или полностью заполняют бетоном марки не
менее 200. Тонкостенные оболочки обычно заполняют бетоном
полностью (рис. VI. 15, а), оставляя внизу уплотненное песчаное яд-
ро высотой не менее диаметра оболочки и не менее 2 м.
В валунно-галечные отложения и в глины с консистенцией
/ь^0,1 оболочки погружают не менее чем на 0,5 м, в остальные
глинистые грунты — не менее 1 м.
В оболочках с утолщенными стопками для опирания на грунт
всем поперечным сечением внизу располагают бетонную проб-
ку (рис. VI.15, б). Высоту пробки определяют расчетом на срез по
внутренней поверхности оболочки, она должна быть не менее трех
IC2
диаметров оболочки и не менее
3 м. Стенки оболочек при необ-
ходимости могут быть утолще-
ны до необходимых по расчету
размеров. Для этого по внутрен-
ней поверхности оболочки укла-
дывают кольцевой слой бетона
(рис. VI.15, в). Исходя из удоб-
ства бетонирования толщину слоя
не следует назначать менее 50—
70 см. Утолщение стенки обычно
требуется в оболочках большого
диаметра (свыше 2 м), погружен-
ных в нескальпые грунты средней
несущей способности. Для обеспе- Рис. VI.14. Железобетонные ножи
чения сцепления бетона заполне- оболочек
иий со стенками оболочек послед-
ним необходимо придавать шероховатую поверхность с глубиной
1—2 см. Увеличение несущей способности оболочки по грунту до-
стигается устройством внизу уширенных пят (рис. VI. 15, г).
Уширять оболочки наиболее целесообразно в глинистых грун-
тах средней прочности, в которые оболочки погрузить трудно. Уши-
рения делают специальными бурильными установками (см. гл. VII).
Оболочки с уширенным основанием заглубляют в грунт ниже
уровня размыва дна реки не менее чем на 3 м. Если цилиндриче-
скую часть скважины армируют, то оболочки нужно заглублять
на 1—2 м ниже сечений, в которых арматура не требуется.
В скальные породы оболочки обычно забуривают (рис. Vl.l5,d).
К забуриванию прибегают, когда толща наносных отложений не
обеспечивает заделку оболочек, необходимую для восприятия го-
Рнс. VI.15. Схемы конструкций свай-оболочек:
/ — свая-оболочка; 2 — бетонное заполнение; 3 — бетонная пробка; 4 — кольцевой слой бе-
тона: 5—арматурный каркас; 6 — уширенная пята; 7— буровая скважина в скальной
породе
6*
163
ризонтальных усилий, а также при наклонной поверхности скалы
или наличии на ней неровностей (выступов или впадин) более
20 см. Глубину забуривания определяют расчетом несущей способ-
ности оболочки по грунту; она должна быть не менее 0,5 м. Диа-
метр скважины принимают не более внутреннего диаметра оболоч-
ки. В оболочках диаметром 2 м и более можно уменьшить диаметр
скважины на 20—40%. Скважины в скале армируют каркасом из
стержней диаметром не менее 26 мм и спиралью диаметром 8—
10 мм с шагом 10—20 см. Оболочки можно не забуривать в скалу,
если в их основании не возникает растягивающих напряжений. При
этом низ оболочек должен быть погружен ниже расчетного уровня
основания не менее чем на 25 см.
Оболочки, опираемые на скальные породы или имеющие внизу
уширения, могут нести значительные сжимающие нагрузки
(1000 тс и более). Для восприятия этих сил оболочки обычно при-
ходится полностью заполнять бетоном. В толстостенных оболоч-
ках иногда удается ограничиться устройством нижней бетонной
пробки. -
Стальные и сталебетонные сваи. Стальные сваи делают из
прокатных профилей — двутавров, швеллеров, уголков и т. д. или
из цельнотянутых либо сварных труб. Для увеличения площади
поперечного сечения и жесткости сваи прокатные профили свари-
вают или соединяют заклепками в пакеты сплошного или трубча-
того сечения. По затрате металла и сложности изготовления более
выгодны сталебетонные сваи из цельнотянутых или сварных труб-
оболочек, заполняемых бетоном после погружения в грунт. Диа-
метр трубчатых оболочек 25—100 см, толщина стенки 12—14 мм.
Поступающие с заводов звенья труб стыкуют в горизонталь-
ном положении на стеллажах на полную длину сваи. При длине
свай более 20—25 м их наращивают по мере погружения в грунт.
Стыки делают электросварными. Сварку рекомендуется выпол-
нять автоматами под слоем флюса. Для усиления стыка ставят на-
ружные накладки (рис. VI.16, а), вырезанные из труб того же диа-
метра. Нижний конец оболочки оставляют открытым или закры-
вают конусным наконечником. Наконечник (рис. VI.16, б) делают
из обрезка трубы, вырезая по шаблону треугольники, которые за-
тем загибают и сваривают. В конце наконечника оставляют отвер-
стие для размыва грунта водой при погружении оболочки.
Существенный недостаток сталебетонных свай — коррозия ме-
талла. Интенсивность коррозии зависит от ряда причин: вида грун-
та, химического состава грунтовых вод и пр. По некоторым данным
коррозия составляет от 0,014 до 0,05 мм/год; в зоне переменного
увлажнения коррозия значительно возрастает. Для защиты от кор-
розии наружную поверхность стальных труб нужно покрывать ас-
фальтовыми красками или каменноугольной смолой. Наблюдения
показали, что эти краски достаточно устойчивы и при погружении
даже в песчаные грунты хорошо сохраняются.
Оболочки заполняют бетонной смесью марки 200—300. Длина
сталебетонных свай может достигать 30—35 м и более.
164
Рис. VI. 17. Свая с грунтовым ядром
в схема к расчету ядра
Стальные сваи значительно легче железобетонных, они хорошо
сопротивляются усилиям, возникающим при их транспортировании
и погружении в грунт, легко проходят плотные грунты и скальные
прослойки и могут быть забиты на некоторую глубину в скальные
породы. Однако большой расход стали ограничивает их примене-
ние; к ним прибегают только в тех случаях, когда по тем или иным
причинам погружение сплошных или полых железобетонных свай
оказывается невозможным.
Сваи с грунтовым ядром. Погружение свай с закрытым нижним
концом в плотные грунты, например в гравелистые пески, а также
в грунты с прослойками скальных пород, часто встречает большие
затруднения и оказывается невозможным. В этих условиях целесо-
образно погружать сваю с открытым нижним концом, не удаляя
грунт (песок) из ее внутренней полости (рис. VI.17,а). Такая свая
позволяет погрузить нижний ее конец, сделанный из стальной тру-
бы, даже в полускальные и скальные породы на глубину 1,5—2 м
и обеспечить надежную ее заделку. Грунтовое ядро во внутренней
полости сваи создается за счет уплотнения песка при забивке сваи
преимущественно молотами двойного действия и вибропогружате-
лями. Заключенное в жесткую оболочку сваи песчаное ядро спо-
собно выдерживать значительные сжимающие напряжения, а силы
трения, между ядром и внутренней поверхностью сваи обеспечива-
ют участие ядра в передаче подстилающему грунту давления на
сваю.
Несущую способность такой сваи, зависящей от высоты грун-
тового ядра, толщины стенки оболочки и ряда других факторов,
определяют испытанием опытных свай в реальных условиях строи-
тельной площадки. Приближенно высоту ядра можно получить из
165
следующих соображений. Рассмотрим нижний конец сваи и рас-
положим оси координат так, как показано на рис. VI.17, б. Выде-
лив участок ядра толщиной dy, запишем условие его равновесия,
проектируя все силы на ось OY:
F (Оу + day) — Fau — ftpaydy — Fydy = О,
где F - площадь сечения ядра, равная 0,25nD2;
и--периметр внутренней полости сван (л£>);
D — диаметр ядра;
f — коэффициент трения между песком и оболочкой, равный 0,6.
— коэффициент бокового давления песка, примерно равный 0,35;
у — объемный вес грунтового ядра.
После простых преобразований, обозначая
4/6
к~ D '
получим
day — KOydy — ydy = 0.
Этому дифференциальному уравнению удовлетворяет функция
С^у— — у.
* к
Из условия ^=0 и 0^=0 находят постоянную
V
и тогда
'у =
К к
Отсюда
логарифмируя, получим
= — «у + 1 ,
Y v
Для конца сваи у=Н, a av==ao, т. е. давлению под нижним кон-
цом сваи. Следовательно,
Н = In (—— с0 + 1
\ У
По этой формуле находят минимальную высоту песчаного ядра.
Сваи с грунтовым ядром позволяют погружать их в трудно
проходимые грунты более легким сваебойным оборудованием,
уменьшить объем работ по удалению грунта из внутренней поло-
сти сваи и последующего ее бетонирования и, следовательно,
сократить время изготовления свай.
166
Рис. VI. 18. Последовательность
(!—V) устройства комуфлетных свай:
/ — оболочка; 2— электропровода; 3 —за-
ряд ВВ; 4 —бетонная смесь; S — комуф-
летное уширение; 6 — арматурный каркас
Рис. VI.19. Патрон-нако-
нечник железобетонных
комуфлетных свай:
I — железобетонная оболоч-
ка; 2—патрон; 3— бандаж
Камуфлетные сваи. Увеличение несущей способности сваи по
грунту может быть достигнуто устройством уширения ее нижнего
конца. В забивных полых сваях такое уширение достигается каму-
флетированием— взрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ).
Камуфлетные сваи изготовляют в такой последовательности
(рис. VI. 18). После погружения в грунт железобетонной или сталь-
ной сваи-оболочки с закрытым или открытым концом и удаления
грунта из ее внутренней полости в сваю опускают заряд ВВ с элек-
тродетонаторами, соединенными электропроводами с источником
энергии (подрывной машинкой). Сверху заряд защищают слоем
тощего песчано-цементного раствора или сухой песчано-цементной
-смесью и затем оболочку заполняют на некоторую высоту литым
•бетоном с осадкой конуса 15—20 см при стальных оболочках и 20—
25 см при железобетонных. После этого заряд ВВ подрывают. Си-
лой взрыва нижний конец оболочки разрушается, и за счет мест-
ного уплотнения грунта в нем образуется близкое к шарообразно-
му камуфлетное уширение, которое заполняется литой бетонной
смесью, поступающей из ствола оболочки. Далее оболочку запол-
няют бетонной смесью на полную высоту обычным способом.
Для камуфлетирования свай желательно применять водоустой-
чивые взрывчатые вещества — тротилы (тол, пироксилин) или ам-
мониты. Ориентировочно массу заряда определяют в зависимости
-от диаметра камуфлетного уширения:
167
Диаметр камуфлетиого
уширения, ..........1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9
Масса заряда ВВ, кг . 5 6 7 8 9 10 11 12
Массу заряда уточняют после первых производственных взры-
вов. Диаметр камуфлетиого уширения с достаточной точностью
может быть определен по количеству литого бетона, заполнивше-
го уширение после взрыва. Если до взрыва оболочка была заполне-
на бетоном на высоту Ль а после взрыва высота бетонного столба
оказалась равной то объем камуфлетиого уширения
V = 0,25flz?2 (Ax — Л2),
где dB — внутренний диаметр оболочки.
Диаметр уширения
з,—
РК^1,ЗУ V.
Для надежного соединения уширения со стволом сваи необхо-
димо, чтобы после взрыва в стволе оставался столб бетона высо-
той не менее 2 м. Исходя из этого минимальный объем Vmm литого
бетона, укладываемого до взрыва, должен удовлетворять условию
Vmln > 0,6£Я + 2^.
При взрыве заряда частично разрушается оболочка. Для. ограни-
чения разрушения к железобетонной оболочке присоединяют сталь-
ной патрон (рис. VI. 19), усиленный бандажами. При наличии бан-
дажей разрушается только нижняя зона патрона. Аналогично уси-
ливают и стальные оболочки. Камуфлетирование целесообразно в
грунтах большой несущей способности. В скальных и полускальных
породах оно нецелесообразно, так как прочность этих пород может
быть нарушена взрывом.
VI.3. конструкция ВИНТОВЫХ СВАИ
Кроме забивки сваебойными снарядами сваи могут быть погруже-
ны путем завинчивания особыми механизмами, называемыми ка-
бестаном.
Винтовая свая (рис. VI.20) состоит из цилиндрического ствола
и башмака с винтовыми лопастями, которые обеспечивают погру-
жение сваи в грунт при ее вращении вокруг продольной оси. Ствол
сваи собирают из стальных труб, заполняемых бетоном после по-
гружения. Ствол может быть сделан и железобетонным сплошным
или полым. Однако значительные крутящие моменты, возникающие
в стволе при завинчивании, ограничивают применение железобе-
тонных стволов. Конструкция стальных стволов такая же, как
и сталебетонных свай.
Башмаки отливают из стали или чугуна или же изготовляют из
отрезков труб. Нижний конец башмака при небольшом диаметре
ствола закрывают конусным наконечником высотой 0,75—1,5 м..
168
Рис. VI.20. Конструкция винтовой
сваи:
1 — ствол сваи; 2 — башмак; 3 — винтовая
лопасть; 4 — бетон
При диаметре ствола более 0,6—
0,8 м нижний конец оставляют
открытым, облегчая этим завин-
чивание. В этом случае по мере
завинчивания грунт из внутрен-
ней полости удаляют.
На цилиндрической части
башмака располагается винто-
вая лопасть. Диаметр лопасти
принимается равным 3—4,5 ди-
аметрам ствола, но не более
2,5—3 м. Шаг лопасти при ство-
ле 300—400 мм составляет 0,6—
0,8 dCTB, а при стволе 900—
1500 мм — 0,35—0,4 rfcTB. Шаг
лопасти зависит также от разме-
ров валунов, имеющихся в грун-
те: валуны должны свободно
проходить между лопастями, не
мешая завинчиванию. Толщина
лопасти в «корне не превышает
0,4—0,5 шага. Лопасти изготов-
ляют литыми, отлитыми ©месте
с башмаком (рис. VI.20,а), свар-
ными сплошного сечения (рис.
VI.20, б) и сварными полыми
(рис. VI.20, в). Полые лопасти
заполняют цементным раство-
ром. Лопасти обычно имеют
1,25—1,5 оборота.
Винтовые сваи могут быть погружены в грунт вертикально или
с наклоном 1: 3—1:5 на глубину до 30—40 м. Несущая способ-
ность таких свай за счет большого сопротивления грунта под ло-
пастями достигает нескольких сотен тонн. В этих сваях легко по-
лучить экономичную конструкцию, равнопрочную по грунту и по
материалу отвала.
Сваи со стальным стволом способны воспринимать большие вы-
дергивающие усилия. К достоинствам винтовых свай нужно отне-
сти также то, что погружение их в грунт происходит без сотрясения
окружающей местности.
Основная область применения винтовых свай — башенные со-
оружения, фундаменты, которые испытывают значительные вы-
дергивающие усилия. Примером таких сооружений служат телеви-
зионные башни, опоры линий электропередачи и пр. Небольшое
число опор мостов было сооружено на винтовых сваях в 40—50-х
годах.
Однако вскоре они были вытеснены более технологичными и
менее металлоемкими железобетонными сваями, сваями-оболочка-
ми и буровыми столбами.
169
V1.4. КОНСТРУКЦИЯ БУРОВЫХ СВАЙ (СТОЛБОВ}
Особенность буровых свай — предварительное бурение скважин»
заполняемых затем бетонной смесью или заранее изготовленным
железобетонным элементом. Буронабивные сваи с заполнением
скважин бетонной смесью находят широкое применение во всех
областях строительства, в том числе и в мостостроении. Значитель-
но реже в особых грунтовых условиях, например в вечномерзлых
грунтах (см. гл. XIII), скважины заполняют заранее изготовлен-
ным столбом. Простейшим видом буровых свай являются сваи
А. Э. Страуса, называемые так по фамилии киевского инженера,
впервые предложившего их в 1899 г.
Для устройства этих свай в грунт погружают стальную обсад-
ную трубу диаметром 30—40 см. После удаления из трубы грунта
при помощи обычного бурового оборудования, ее заполняют трам-
бованным бетоном. По мере бетонирования обсадную трубу извле-
кают. При трамбовании бетон раздается в стороны, уплотняя
грунт. Извлекают трубу так, чтобы нижний ее конец всегда был
погружен в свежеуложенный бетон на 1—1,25 м, чем обеспечивают
монолитность ствола сваи. Обсадную трубу монтируют из отдель-
ных звеньев длиной 1,5—2 м. Это позволяет изготовлять сваи
в стесненных условиях, например в подвальных помещениях.
Изготовление свай Страуса в отличие от забивных проходит
без сотрясения, что иногда является необходимым условием про-
изводства работ (например, при ремонтных работах, при усилении
фундаментов и пр.).
Сваи Страуса обладают небольшой несущей способностью, так
как при их изготовлении грунт уплотняется мало. Кроме того,
в грунтах, насыщенных водой, трудно обеспечить надлежащую
прочность бетонного заполнения.
В дальнейшем на этом принципе было создано большое число
различных улучшенных конструкций свай.
Так, в СССР применяют «частотрамбованные» сваи. В них об-
садная труба диаметром 35—40 см закрыта снизу чугунным или
железобетонным башмаком, остающимся в грунте. Обсадную тру-
бу забивают вместе с башмаком, что уплотняет грунт и повышает
его несущую способность. После погружения трубы до проектной
отметки ее бетонируют жесткой бетонной смесью, одновременно-
извлекая трубу частыми (60—80 ударов в минуту) ударами моло-
та специальной конструкции: при ударе, направленном вверх, тру-
ба вытаскивается на 3—4 см, при ударе вниз она осаживается на
1,5—2 см. От ударов, направленных вниз, происходит уплотнение
бетонной смеси и окружающего сваю грунта.
В сваях системы Франки (рис. VI.21), часто применяемых
за рубежом, роль башмака выполняет бетонная пробка, заполняю-
щая нижний конец обсадной трубы на высоту около 1 м. Нанося
сильные удары специальной трамбовкой по пробке, трубу погру-
жают в грунт на необходимую глубину. Далее, удерживая трубу
тросами от погружения, частично выбивают вниз пробку, которая»
170
Рис. VI.21. Последовательность устройства свай Франки:
/ — формирование пробки; II—погружение обсадной трубы; III— выбивание пробки и фор-
мирование утолщенной пяты сван; IV — армирование сваи; V — бетонирование сваи н из-
влечение обсадной трубы;
/ — обсадная труба; 2 — бетонная пробка; 3 —трамбовка; 4— арматурный каркас; 5—бе-
тонная смесь
уплотняя грунт, образует грушевидное уширение в 1,5—2 диаметра
трубы. После этого, постепенно извлекая трубу, внутреннюю по-
лость бетонируют жесткой бетонной смесью. При необходимости
сваи могут быть армированы. Длина частотрамбованных свай
и свай Франки не превышает 12—16 м.
Для изготовления глубоких свай обсадную трубу погружают
с открытым нижним концом. За рубежом различными фирмами
создано большое число специальных буровых станков (агрегатов),
обеспечивающих высокую механизацию всех работ при устройстве
таких свай. Из них в нашей стране успешно используются станки 1
«Бенато» (Франция) и «Кото» (Япония). Длина свай, изготовляе-
мых станками «Бенато», достигает 100 м, диаметр от 0,7 до 1,1 м.
Станки снабжены набором грунторазрушающих средств для раз-
буривания различных грунтов, включая скальные породы, а также
особыми расширителями, позволяющими в конце сваи создавать
уширенную пяту диаметром от 1,5 до 2,5 м. Станки «Кото» также
предназначены для бурения скважин диаметром от 1,2 до 2,5 м
в различных грунтовых породах. Существенный недостаток этих
станков — необходимость иметь стальные обсадные трубы. Трубы,
например, в станках «Кото» имеют особую конструкцию и изго-
товляются из специальных сталей, что еще более увеличивает их
стоимость.
1 Более подробно см. гл. VII.
171
В отечественном строительстве широко применяют сваи с буре-
нием скважин без обсадных труб.
В связных и других видах устойчивых грунтов бурение без об-
садных труб осуществляется за счет природной плотности грунтов.
В неустойчивых и водонасыщенных грунтах для удержания стенок
скважин от обрушения в скважинах создаются внутренние давле-
ния, превышающие наружные. Для этого искусственно поддержи-
вают уровень воды в скважинах выше уровня грунтовых вод или
воды в акватории или же скважины заполняют глинистым раство-
ром с плотностью больше единицы (см. гл. VII).
Буровые сваи применяют в грунтах без твердых прослоек и
включений. Для увеличения несущей способности их обычно дела-
ют с уширенной пятой, разбуривая в конце уширения. В зависи-
мости от применяемого оборудования диаметр ствола таких свай
составляет 0,4—1,7 м, диаметр пяты — от 1,2 до 3,5 м, глубина по-
гружения — от 5 до 40 м.
В мостостроении применяют предложенные в 1950 г. Проф-
H. Л. Хлебниковым сваи с уширенной пятой (рис. VI.22), назы-
Рис. VI.23. Арматурный каркас бу-
ровой сваи:
/ — продольная арматура; 2 — спираль;
3 — кольца; 4 —* планки; 5 — подкладки
Рис. VI.22. Буровая свая ЦНИИС:
/ — плита фундамента; 2 — песок; 3 — па-
трубок; 4«— продольная арматура; 5 — спи-
раль
172
ваемые сваями системы ЦНИИС.
Скважины для свай ЦНИИС бурят
специальными станками, снабжен-
ными раскрывающимися ножами
для разбуривания уширения. Диа-
метр ствола сваи от 0,9 до 1,7 м,
диаметр уширения до 3,5 м при
наибольшем угле раскрытия но-
жей 50°. Изменяя скорость погру-
жения бурового механизма, можно
получить верхнюю часть уширения
сферической, параболической или
эллипсоидной высотой 0,5—0,8 м.
Средняя часть делается цилиндри-
ческой высотой 0,3—0,5 м и нижняя
часть — в виде усеченного конуса.
Общая высота уширения составляет
около 2 м.
В зонах действия изгибающих
моментов ствол сваи армируют про-
Рис. VI.24. Свая с уширенной пятой
дольными стержнями периодиче-
ского профиля диаметром не менее
26 мм и спиралью с шагом 15—
20 мм диаметром в 10 мм, связанными в арматурный каркас
(рис. VI.23). Расстояние между продольными стержнями — не ме-
нее 10 см и не более 20 см. Для жесткости каркаса к продольным
стержням приваривают через каждые 2—3 м кольцо из арматуры
того же диаметра, что и продольные стержни. Защитный слой бе-
тона для каркаса должен быть не менее 10 см. Для обеспечения
защитного слоя к продольным стержням приваривают фигурные
планки сечением не менее 60X80 мм. В наклонных сваях к двум-
трем стержням «каркаса приваривают направляющие из уголков
или полосовой стали. При наличии в реке перемещающихся на-
носных отложений верхнюю часть ствола защищают от истирания
стальной или железобетонной оболочкой (см. рис. VI.15). Сква-
жину заполняют бетонной смесью способом ВПТ. Марка бетона
свай 200—300. Общий вид экспериментальной сваи на рис. VI.24.
Бурообсадные и буровые сваи обладают большой несущей спо-
собностью (несколько сотен тонн) и при уширенной пяте позволя-
ют уменьшить диаметр ствола до размеров, необходимых по проч-
ности материала сваи. Размеры и армирование свай в отличие от
забивных свай и свай-оболочек определяется только эксплуатаци-
онными нагрузками. Изготовление свай, осуществляемое без со-
трясений окружающей местности, позволяет применять их вблизи
зданий и сооружений, не опасаясь повреждения последних. При
буровых сваях отпадает необходимость в перевозках тяжелых свай
и громоздких звеньев свай-оболочек и их складировании, а также
значительно уменьшается потребность в крановом оборудовании
большой мощности.
173
К недостаткам этого вида свай относятся: отсутствие сборно-
сти и, следовательно, индустриальности их изготовления; возмож-
ность загружения свай только после приобретения бетоном проект-
ной прочности (через 28 сут после их бетонирования); затрудне-
ния в контроле качества изготовления свай (возможны разрывы
ствола при извлечении обсадных труб, образование каверн и суже-
ний ствола и других дефектов); осложнение работ зимой.
VI.5. КОНСТРУКЦИЯ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
Сваи объединяют общей плитой, обеспечивающей их совместную
работу. На верхней плоскости плиты (обреза свайного фундамен-
та) возводят надфундаментную часть сооружения.
Плита может быть заглублена в грунт или расположена выше
поверхности грунта после ее планировки, а на реках выше дна
русла.
В первом случае подошву плиты при пучинистых грунтах за-
глубляют ниже глубины промерзания грунта не менее чем на 0,25 м.
В крупнообломочных грунтах, а также крупных и средней круп-
ности песках, не подверженных пучению, плиту можно располагать
независимо от глубины промерзания.
Заглубление плиты в грунт требует устройства котлована, что
особенно осложняется при значительной глубине воды в аквато-
рии. Поэтому фундаменты с заглубленной плитой (их часто назы-
вают низким свайным ростверком), как правило, воз-
водят на сухих местах, например на поймах рек, при постройке пу-
тепроводов, эстакад и пр. В руслах рек плиту обычно заглубляют
ниже дна, если глубина- воды не превышает 3 м. Плита, погружен-
ная в грунт на достаточную глубину, способна воспринимать внеш-
ние горизонтальные силы и изгибающие моменты, передавая их
окружающему грунту своими боковыми гранями. Этим она значи-
тельно разгружает сваи на действие указанных силовых воздей-
ствий и позволяет использовать более тонкие сваи или уменьшить
их число в фундаменте.
В фундаментах с незаглубленной плитой все внешние силовые
воздействия воспринимаются только сваями, что вынуждает делать
их более мощными.
Подошву незаглубленной плиты (такие фундаменты часто на-
зывают высоким свайным ростверком) на местно-
сти, не покрытой водой, располагают выше поверхности грунта
после ее планировки не менее 0,5 м. В руслах рек подошву плиты
располагают так, чтобы сваи не подвергались бы непосредствен-
ному действию льда, карчехода и т. д., в частности ниже уровня
низкого ледостава не менее чем на толщину льда плюс 0,25 м.
При деревянных сваях подошва плиты в фундаментах постоян-
ных сооружений должна быть заложена на глубину, при которой
верхние торцы свай всегда будут расположены ниже уровня са-
мых низких грунтовых вод по крайней мере на 0,5 м, чем обеспе-
174
чивается защита древесины от
гниения. При жирных глинистых
грунтах от этого правила можно
отступать, так как в таких грун-
товых условиях отсутствует по-
ступление кислорода и гнилост-
ные грибки не развиваются.
Обрез свайного фундамента
(верх плиты) располагают по тем
же правилам, что и в фундамент
тах мелкого заложения (см.
п. IV.2). Плиту делают из бетона,
бутобетона или железобетона.
В фундаментах опор искусст-
венных сооружений применяют
бетонную или бутобетонную
кладку, которую в необходимых
случаях армируют. Материал
плиты, а также ее конструкция
должны отвечать требованиям,
предъявляемым к фундаментам
мелкого заложения (см. п. IV.2 и
IV.3). Обычно плиту делают мо-
нолитной высотой не менее 0,5—
0,75 м, считая от верхних концов
свай. Выше можно располагать
сборную конструкцию верхней
части фундамента. Так часто де-
лают в фундаментах под колон-
ны, в которых на монолитный бе-
тон плиты устанавливают сбор-
ные железобетонные подколен-
ники. Плиты полностью из сбор-
ного железобетона, особенно при
большом числе свай в фундамен-
Рис. VI.25. Конструкция плиты свай-
ного фундамента
те, применяют редко, так как погрузить сваи с точностью, необ-
ходимой для сборных конструкций, трудно.
Сваи должны быть жестко заделаны в плиту ростверка (выше
слоя бетона, уложенного подводным способом). Для этого их
заводят в плиту на высоту не менее двух толщин сваи, а
при толщине сваи свыше 60 см — не менее чем на 1,2 м (рис.
VI.25).
Глубина заделки ствола сваи в плиту может быть уменьшена
до 15 см, если ее осуществить с помощью арматуры. Для этого
в железобетонных сваях сплошного сечения, армированных прут-
ковой арматурой, арматуру оголяют, разбивая бетон головы сваи,
и заводят в плиту на глубину не менее 20 диаметров стержней пе-
риодического профиля или 40 диаметров гладких стержней. При
железобетонных полых сваях, сталебетонных сваях, а также обо-
175
лючках и буровых сваях для объединения с плитой ставят арма-
турные каркасы, заводя их в тело свай и плиты.
Если напряжение в бетоне плиты от давления, передаваемого
сваей (без учета сцепления по боковой поверхности), превышает
расчетное сопротивление бетона на осевое сжатие, то бетон плиты
необходимо усилить арматурными сетками. При превышении рас-
четных сопротивлений не более чем на 20% непосредственно над
торцом сваи устанавливают одну сетку из стержней диаметром
12 мм, длиной, равной толщине сваи, плюс 0,5 м (см. рис. VI.25).
Расстояние между стержнями сетки в обоих направлениях прини-
мается равным 10 см для свай и 15 см для оболочек и столбов.
Если напряжение превышают расчетные на 20—30%, то устанав-
ливают еще одну такую же сетку на расстоянии 10—15 см от ниж-
ней. Превышение расчетных сопротивлений более чем на 30% не
допускается; в этих случаях нужно повысить марку бетона плиты.
Очертание и размеры плиты в плане назначают: в уровне обре-
за фундамента — в зависимости от очертания и размеров надфун-
даментной части сооружения; в уровне подошвы плиты — в зави-
симости от числа и расположения свай в фундаменте. На реках
с глубокими размывами дна рекомендуется плите придавать обте-
каемую форму.
•В плане (рис. VI.26) сваи размещают в рядовом или шахмат-
ном порядке. В зависимости от действия внешних сил размещение
может быть симметричным или несимметричным относительно осей
подошвы плиты.
Расстояние между сваями зависит от вида свай. При забивных
сваях, в процессе забивки которых значительно уплотняется грунт,
расстояние между осями свай в уровне нижних концов должно
быть не менее трех толщин сваи. В уровне подошвы плиты этот
размер может быть уменьшен до 1,5 толщин сваи, для чего, оче-
видно, сваи должны быть забиты наклонно. Наименьшее расстоя-
ние в свету от грани плиты до крайних свай принимается равным
0,25 м (см. рис. VI.25). При сваях-оболочках диаметром 2 м и бо-
лее допускается этого свеса плиты не делать. Вертикальные обо-
лочки, буровые и винтовые сваи, слабо уплотняющие грунт, раз-
мещают так, чтобы расстояние в свету между ними или нижними
уширениями было бы не менее 1 м. При наклонных оболочках,
Рис. VI.26. Размещение свай в плане:
а — рядовое симметричное; б — шахматное; в — рядовое несимметричное
176
буровых и винтовых сваях минимальное расстояние в свету увели-
чивают до 2 м.
Размещение комуфлетных свай нужно согласовывать с после-
довательностью комуфлетирования, учитывая, что взрыв ВВ мо-
жет отрицательно отразиться на твердении бетона близ располо-
женных ранее изготовленных свай. В связи с этим расстояние
между осями комуфлетных свай должно составлять не менее 1,6
диаметра комуфлетного уширения, а если комуфлетирование осу-
ществляется до схватывания бетона в уширении соседней сваи,
то 1,2 диаметра уширения.
При большом числе свай плиту приходится в плане развивать,
по сравнению с размерами надфундаментной части. При значи-
тельном развитии плита должна быть рассчитана на изгиб от дав-
лений, передаваемых сваями. Расчет производится аналогично рас-
чету фундаментов мелкого заложения (см. п. VI.3). Согласно
расчету плиту армируют. Однако во всех случаях независимо от
расчета рекомендуется у подошвы плиты укладывать между сваями
арматуру в количестве не менее 10—20 см2 на метр плиты в каж-
дом направлении (см. рис. VL25). Арматуру ставят диаметром не
менее 16 мм с расстоянием между стержнями 10—20 см. Защит-
ный слой арматуры должен быть не менее 5 см. При наличии по-
душки из подводного бетона арматуру укладывают на ее поверх-
ность.
Число свай в фундаменте, их расположение и глубина погру-
жения зависят от внешних нагрузок, действующих на фундамент,
и геологических условий. Исходя из необходимости заделки свай
в грунт наименьшая глубина их погружения для искусственных со-
оружений принимается равной 4 м, считая от поверхности дна реки
после местного размыва при расчетном паводке (повторяемостью
один раз в 100 лет) и 3 м при наибольшем паводке (повторяемо-
стью один раз в 300 лет). Для промышленных и гражданских со-
оружений глубина погружения свай в грунт должна быть не ме-
нее 3 м.
Несущая способность всех видов свай создается главным обра-
зом сопротивлением грунта под их нижними концами. Поэтому
сваи рекомендуется погружать до плотных слоев грунта, заглуб-
ляя их концы в грунт, принятый в качестве основания фундамента
на глубину не менее одного диаметра сваи или диаметра ушире-
ния, но не менее 2 м. При этом желательно мощность несущего
слоя грунта, считая от низа сваи, иметь не менее трех толщин за-
бивной сваи и не менее диаметра сваи-оболочки или диаметра пя-
ты буровой сваи. Увеличение несущей способности сваи достига-
ется устройством уширений нижних концов. Уширение разбурива-
нием грунта целесообразно при несущей способности грунта
15 кгс/см2 и более, а при комуфлетных уширениях—10 кгс/см2.
При основаниях, сложенных скальными породами, забивные
сваи нужно погружать до скалы. Сваи-оболочки обычно забурива-
ют в скалу для увеличения их несущей способности и обеспечения
надежной заделки их нижнего конца.
177
Скальные прослойки допускается использовать как основание
столбов,, если толщина породы ниже торца столба составляет
менее 1 м, а подстилающий более слабый грунт воспринимает^
приходящееся на него давление (тангенс угла распространения
давлений в скале может быть принят равным 0,5).
Для повышения жесткости фундамента сваи погружают на-
клонно. Одновременно с этим достигается уменьшение размеров
плиты фундамента. При имеющихся в настоящее время погружаю-
щих средствах, наибольший наклон может быть: для свай диамет-
ром до 0,8 м — 3:1; для свай-оболочек (столбов) диаметром 1—
1,2 м — 4: 1),диаметром 1,6 — 5: 1, диаметром 2 м — 8:1. Оболочки
диаметром 3 м погружают только вертикально. Сооружение буро-
вых свай освоено с уклоном не положе 4:1. Погружать сваи круче
чем 8:1 не рекомендуется; в этих случаях следует применять вер-
тикальные сваи.
Опыт проектирования и постройки свайных фундаментов
показывает, что в большинстве случаев выгоднее применять более
мощные сваи, уменьшая их число. Однако на выбор вида свай
большое влияние оказывают реальные возможности организации,
выполняющей строительство.
Конструкция свайного фундамента опоры путепровода через
железнодорожные пути приведена на рис. VI.27. Надфундамент-
ная часть опоры состоит из пяти колонн сечением 40X60 см, объе-
диненных вверху сборной железобетонной насадкой, на которую
опираются балки пролетных строений. Колонны поставлены на
обший свайный фундамент ленточного типа размером в плане
2X12,9 м. Железобетонные сваи сечением 30x35 см и длиной 8 м
забиты в толщу пылеватых супесей и суглинков, подстилаемых
глинами. Количество свай в фундаменте—14, расчетные давле-
ния на каждую сваю — 37 тс. Сваи забиты в рядовом порядке с рас-
стоянием между рядами 1,2 и 2 м. Верхние концы свай объединены
плитой, которая имеет высоту 1 м и выполнена из монолитного бе-
тона марки 200.
Сваи заведены в плиту на 20 см. Для обеспечения заделки свай
их верхние концы разбиты, арматура оголена и на 50 см заведена
в бетон плиты. Плита внизу армирована сеткой из стержней диа-
метром 8 мм.
На плиту ростверка установлены сборные железобетонные под-
коленники стаканного типа. Каждый подколенник соединен с пли-
той ростверка шестью анкерными стержнями диаметром 22 мм.
Колонны опущены внутрь подколонников, и зазор между ними
залит бетоном.
Облегченная конструкция свайного устоя под железобетонные
пролетные строения длиной 33 м при высоте насыпи 5,6 м показа-
на на рис. VI.28. Этот пример характерен отсутствием четко выра-
женных основных частей опоры: фундамента и надфундаментной
части. В соответствии с действующими усилиями — вертикальны-
ми от веса пролетного строения и горизонтальными от давления
грунта насыпи — по фасаду устоя забиты два ряда свай сечением
178
Рис. VI.27. Конструкция свайного фундамента опоры путепровода
Рис. VI .28. Конструкция свайного устоя
30 x 35 см, из которых наружный ряд забит с наклоном 4: 1, а внут-
ренний — вертикально. По верхним концам свай уложена монолит-
ная железобетонная плита — насадка сечением 0,5X1*4 м. Насад-
ка армирована продольными стержнями периодического профиля
диаметром 25 мм и шестисрезными хомутами диаметром 6 мм, по-
ставленными через 25 см; арматура свай заходит в тело насадки
на полную ее высоту.
На насадку уложена сборная железобетонная шкафная часть
устоя, состоящая из горизонтальной и вертикальной плиты. Край-
ние блоки шкафной части имеют откосные крылья. Шкафная часть
уложена на подливку из цементного раствора.
Конструкция фундамента под массивную опору городского мо-
ста с железобетонными арочными пролетными строениями длиной
42,5 м приведена на рис. VI.29. Ложе реки в месте сооружения
опоры сложено песчаными отложениями, мощностью около 3 м»
ниже которых на глубину 18,6 м идут глины средней плотности
С ПрОСЛОЙКЭхМИ суглинков.
Глины подстилаются мощным слоем пластичных суглинков с
тонкими прослойками супеси. Глубина воды в реке в межень равна
2,85 м; глубина максимального размыва, считая от межени, состав-
ляет 8,5 м.
180
Фундамент сооружен из буровых свай ЦНИИСа длиной 27 мг
погруженных в слой суглинка. Диаметр ствола сваи равен 1,35 м».
диаметр уширения — 3 м. Сваи армированы каркасами из про-
дольных стержней диаметром 20 мм и спирали диаметром 8 мм;
шаг спирали 15 см. Тело свай и арматурный каркас глубоко
Рис. VI.30. Конструкция фундамента из свай-оболочек:
/ — суглинок 2,5 м; 2 — песок среднезернистый 4.2 м; 3 — гравийно-щебенистый слой с пес-
чаным заполнителем 6,2 м; 4 — трещиноватый известняк 0,5 м; 5 — мергелистая глина
4,1 м- б - известняк плотный; 7 — шпунтовое ограждение
181
заведены в кладку плиты. Все is
свай погружены с наклоном 5:1.
Давление на сваю от основных
сил составляет 485 тс, от основ-
ных и дополнительных — 510 тс.
Конструкция опоры автодо-
рожного железобетонного моста
с пролетами 120 и 80 м приведе-
на на рис. VI.30. Фундаменты
опоры составят из оболочек диа-
метром 1,6 м. Геология в месте
сооружения опоры представлена
среднезернистыми песками с не-
большим включением гравия,
мощным слоем гравийно-щебе-
ночного грунта крупностью до
100 мм с заполнителем из круп-
но- и среднезернистого песка,
прослойкой слабого трещинова-
того известняка, слоя мергели-
стой глины и- подстилающего
плотного известняка.
Железобетонные оболочки
размещены в два ряда с расстоя-
ниями между осями рядов 5,5 м;
столь большое расстояние между
оболочками продиктовано значи-
тельными моментами, действую-
Рис. VI.31. Фундамент опоры из обо- щими на опору ВДОЛЬ моста. По-
лочек диаметром 5 м перек моста расстояние в свету
между оболочками принято 1,6 м.
Оболочки доведены до известняков и забурены в него на глубину
2 м и более. Внутренние полости оболочек заполнены бетоном
марки 400.
Верхние концы оболочек заведены на 25 см в плиту фунда-
мента и связаны с ней арматурным каркасом и стержнями сте-
нок; низ плиты армирован арматурными сетками из стержней
диаметром 16 мм.
Фундаментная плита толщиной 3 м и нижняя монолитная часть
опоры высотой 2,2 м выполнены из бетона марки 300. Остальная
часть опоры сделана сборной из железобетонных тонкостенных
блоков, частично заполненных бетоном.
Фундамент опоры под железобетонное строение длиной 70 м,
приведенный на рис. VI.31, состоит из двух оболочек диаметром
5 м. Оболочки погружены в песчаный грунт на глубину 27 м, счи-
тая от уровня воды в реке. Внизу на высоту 4 м оболочки заполне-
ны бетоном, выше — оставлены пустотелыми. Толщина стенока
оболочек—14 см; после опускания и откачки воды их толщина
увеличена и доведена до 65 см. Внутренние полости оболочек
182
вверху перекрыты железобетонной плитой, на которую уложено
бетонное заполнение высотой 1,7 м и затем фундаментная плита
толщиной 2 м. Давление на песок под подошвой оболочек дости-
гает 13 кгс/см2.
Конструкции фундаментов гражданских сооружений значи-
тельно проще.
Под несущие стены относительно небольших промышленных
и жилых зданий (5-этажные панельные дома) при средних грун-
товых условиях сваи располагают в один ряд (рис. VL32). На го-
ловы свай устанавливают оголовки с пирамидальным отверстием
для омоноличивания. Перед установкой оголовков арматуру свай
оголяют, разбивая верхнюю часть свай под одну отметку. На ого-
Рис. VI.32. Фундамент под торцевую стену жилого здания и деталь сопряже-
ния сваи с оголовком и фундаментной балкой ростверка:
У —стена здания; 2 — пол первого этажа; 3 — цокольная панель; 4 — фундаментная балка;
5 — оголовок сваи; 6 — свая; 7 — отмостка; 8 — стальная накладка; 9 — закладная деталь;
10 — выравнивающий слой цементного раствора. Размеры показаны в сантиметрах
183
ловки укладывают по цементной подготовке толщиной 20 мм фун-
даментные балки (балки ростверка) и на них конструкцию пола
первого этажа. При отсутствии подвального помещения под на-
ружными стенами устанавливают цокольные панели с небольшим
(около 1 м) заглублением в грунт, что по условию промерзания
грунта в отапливаемых зданиях допустимо.
Подполье используют для прокладки коммуникаций. По типо-
вому проекту фундаментов сваи приняты сечением 25x25 и ЗОХ
ХЗО см, длиной 6—8 м в зависимости от грунтовых условий. На-
грузка на сваю составляет 25—35 тс.
Под стены более крупных зданий сваи располагают, как прави-
ло, не более чем в 2 ряда. Свайные фундаменты под жилые зда-
ния в значительной мере уменьшают объем работ по рытью кот-
лованов и сокращают сроки строительства «нулевого цикла».
Фундаменты под колонны и отдельные машины имеют инди-
видуальные конструкции и могут быть сравнительно сложными.
В этих случаях находят применение сваи большой несущей способ-
ности, например буровые.
Глава VIL
ПОСТРОЙКА СВАЙНЫХ
ФУНДАМЕНТОВ
VII.1. ОБОРУДОВАНИЕ И ОБУСТРОЙСТВА
ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ СВАЙ и ОБОЛОЧЕК
Постройка свайных фундаментов состоит из погружения свай и
возведения плиты. В зависимости от расположения плиты по от-
ношению к поверхности земли или дна реки для ее возведения мо-
жет потребоваться ряд работ, аналогичных работам по возведению
фундаментов в «открытых котлованах (см. гл. V). Ниже рассматри-
ваются специфические работы, связанные с возведением свайных
фундаментов, и прежде всего методы погружения забивных свай и
свай-оболочек, а также способы устройства буровых свай и столбов,,
получивших наибольшее распространение.
Сваи забивают в грунт специальными снарядами ударного или
вибрационного действия Ч
Снаряды ударного действия называются молотами. Молоты
бывают подвесные, паровоздушные и дизельные.
Подвесный молот (рис. VII. 1) представляет собой сталь-
ную или чугунную отливку массой от 100 до 3000 кгс, которую пе-
риодически сбрасывают на голову сваи с высоты 3—4 м. Движение
молота происходит по направляющим (стреле копра), с которыми
его соединяют кольцами и ползунами; молот поднимают тросом*
идущим от ручной или механической лебедки. Для сбрасывания
молота служит специальный крюк, закрепленный на конце троса:
подняв молот на необходимую высоту, крюк выдергивают из проу-
шины, нажимая на рычаг, после чего молот свободно падает. Ча-
стота ударов составляет 3—4 удара в минуту. Интенсивность по-
гружения сваи зависит от энергии удара, равной произведению ве-
са молота на высоту падения.
Забивка подвесным молотом малопроизводительна и малоэф-
фективна; к такому способу прибегают крайне редко, например,
когда необходимо забить малое число свай на относительно не-
большую глубину или когда отсутствует более совершенное обору-
дование.
В паровоздушных молотах используется энергия пара или сжа-
того воздуха. Паровоздушный молот одиночного
действия простейшей конструкции (рис. VII.2,a) состоит из
цилиндра, перемещающегося вдоль стрелы копра, и поршня,
неподвижно соединенного с головой сваи. В крышке цилиндра
1 Сваи могут быть также погружены задавливанием путем приложения
к ннм статических нагрузок. Этот способ не рассматривается, так как примене-
ние его весьма ограничено.
185
Вид Я
Рис. VI 1.1. Подвесной молот:
/ — трос; 2 — рычаг; 3 — стрела копра;
4 — пальцы; 5 — молот; 6 — ползун
Рис. VII.2. Паровоздушный молот оди-
ночного действия:
1 — выпуск пара; 2 — парораспределительный
(трехходовой) кран; 3 — крышка цилиндра;
4 — корпус цилиндра; 5 — поршень; 6 — ком-
прессионные кольца; 7—шток; 3 —выход воз-
духа и конденсата; 5 —пальцы; /0 —стрела
копра; И — свая
расположен трехходовой парораспределительный кран, к которо-
му по шлангам подводят пар или сжатый воздух.
Трехходовой кран (рис. VII.2, б) имеет диаметральную (сквоз-
ную и радиальную прорези, расположенные перпендикулярно друг
к другу. В положении крана, при котором перекрыт впуск пара,
надпоршневое пространство цилиндра сообщается через сквозную
прорезь с наружной атмосферой. При повороте крана на 90° пере-
крывается выходное отверстие и пар поступает в цилиндр. При по-
ступлении пара в надпоршневое пространство цилиндр поднимает-
ся вверх. После переключения крана отработавший пар выходит
в атмосферу и цилиндр свободно падает на голову сваи. Таким
образом, ударной частью этого типа молота является цилиндр,
причем подобно подвесному молоту энергия удара создается
только весом падающего цилиндра, поэтому такой молот и назы-
вается молотом одиночного действия.
186
В современных моделях кон-
струкция молотов одиночного
действия значительно улучшена,
в частности парораспределитель-
ный кран полуавтоматизирован
(при подъеме цилиндра на за-
данную высоту кран переключа-
ется автоматически).
Промышленностью изготовля-
ются молоты одиночного дейст-
вия с весом ударной части от 1,8
до 8,2 тс и высотой падения до
1,5 м, числом ударов в минуту
30—50, рабочем давлении пара
(воздуха) от 6 до 10 кгс/см2, рас-
ходом пара от 350 до 1500 кг/ч,
расходом сжатого воздуха 9—
26 м3/мин. Вес молота составля-
ет от 2,6 до 11 тс, высота —
2,8—4,9 м. Энергия одного уда-
ра— от 2700 до 10 000 кгс-м.
В паровоздушных мо-
лотах двойного действия
энергия удара создается не
только ударной частью, но и дав-
лением пара (воздуха) на удар-
ную часть. Молот (рис. VII.3)
состоит из бойка, соединенного
штоком с поршнем. Поршень пе-
ремещается в неподвижном ци-
линдре, скрепленным четырьмя
болтами с крышкой молота и ша-
ботом. В стенках цилиндра рас-
положено парораспределительное
устройство (золотник), подающее
автоматически пар (воздух) по-
следовательно в подпоршневое
и надпоршневое пространство ци-
линдра. При подаче пара в под-
поршневое пространство поршень
поднимается вверх, при подаче
пара в надпоршневое простран-
ство поршень падает вниз. Паде-
ние поршня с бойком происходит
под действием не только его ве-
са, но и давления пара (отсюда
название — молот двойного дей-
ствия). Для выхода отработан-
ного пара в стенках корпуса име-
Рис. VI 1.3. Паровоздушный молот
двойного действия:
1 — шабот; 2 — боек; 3 — корпус; 4 — шток;
5 — поршень; б — цилиндр; 7 — соедини-
тельный болт; 8 — крышка цилиндра; 9 —
штуцер для подачи пара; 10 — золотник;
И — палец
187
Рис. VIL4. Штанговый и трубчатый дизельные молоты:
1 — рычаг для сброса цилиндра; 2 — кошка; 3 — цилиндр; 4 — штырь; 5 — Штайга; 6 — фор-
сунка; 7 — поршневой блок; 8 — топливная трубка; 9 — рычаг подачи топлива; 10 — топлив-
ный насос; 11 — топливный бак; 12 — шаровая опора; 13 — поршень; 14 — цилиндр; 15 —
продувное окно; 16 — пята; 17 топливный насос; 18 — рычаг подачи топлива; 19 — топлив-
ный бак
ются каналы, сообщающиеся с наружным воздухом. Молот двойного
действия не требует направляющих устройств: будучи надежно сое-
динен столовой сваи пальцами, выступающими из корпуса, он опус-
кается вместе со сваей. От случайного падения молот удерживается
за проушину слабо натянутым тросом. Некоторые модели молотов
двойного действия приспособлены к работе под водой-
Вес ударной части наиболее употребительных молотов двой-
ного действия составляет от 0,6 до 2,25 тс, ход поршня от 0,4 до
0,58 м, энергия удара от 950 до 2700 кгс-м, число ударов в минуту
от 100 до 140, высота молота от 2,4 до 3 м, полный вес от 3 до
5,2 тс. Для работы молотов обычно используют компрессоры про-
изводительностью от 13 до 17 м3/мин с рабочим давлением сжато-
го воздуха 7—8 кгс/см2.
Для работы паровоздушных молотов требуются достаточно
мощные энергетические установки и сложное вспомогательное обо-
рудование: паровые котлы, компрессоры, паро- и воздухопроводы,
шланги и т. д. Это удорожает и усложняет их применение.
Дизель-молоты выпускаются промышленностью двух типов
(табл. VII.1).
В штанговом дизель-молоте (рис. VII.4, а) ударной
частью служит цилиндр, который перемещается по вертикальным
штангам. В нижней части молота расположен поршневой блок,
состоящий из поршня с компрессионными кольцами, топливного
бака и плунжерного насоса, подающего жидкое топливо в форсун-
ку. Форсунка распыляет топливо в тот момент, когда ударная
часть опускается на поршень и в камере сжатия цилиндра созда-
ется давление, необходимое для самовозгорания топлива.
Подача топлива автоматизирована: при определенном положе-
нии ударной части штырь (кулачок), закрепленный на ней снару-
жи, надавливая на рычаг топливного насоса, приводит в движение
плунжер, и насос подает очередную порцию топлива в камеру сжа-
тия. При сгорании топлива происходит взрыв, силой которого
ударная часть подбрасывается вверх, после чего она вновь падает
на поршень и т. д. Весь процесс отрегулирован так, что в нижнем
положении ударная часть успевает до подбрасывания нанести свои-
ми шипами удар по наковальне и шаровой опоре-
Таблица VII.1
Характеристика Дизельный молот
штанговый трубчатый
Вес ударной части, тс Высота падения ударной части, м Энергия удара, кгс-м Число ударов в минуту Высота молота, м Полный вес молота, тс 0,6—2,5 1,8—2,3 500—2000 50—60 3,15—4,54 1,4—4,2 0,5—5,0 3 1300—13500 43 5е> 3,75—5,52 1,1—9,0
189
Рис. VI 1.5. Наголовник:
/ — бугель; 2 — деревянный вкла-
дыш; 3 — амортизирующая про-
кладка; 4 — стальной стакан; б —
свая
О.) б)
Рис. VII.6. Схема вибропогружателя и гра-
фик изменения возмущающей силы:
/ — электромотор; 2 — захват; 3 — корпус; 4 — де-
баланс; 5 — вал; 6 — переходник; 7 — фланец
сваи-оболочки; 8 — свая-оболочка; 9 — болт;
I—IV — последовательность расположения деба-
лансов
Молот закрепляется на стреле копра с помощью специальных
отливок (лап поршневого блока) и траверсы. Молот поднимается
кошкой, к которой прикреплен трос, идущий от лебедки. Для ра-
боты молота необходимо вначале поднять ударную часть и сбро-
сить ее на поршень; это производится с помощью крюка и рычага»
расположенных на кошке.
Работа трубчатого дизель-молота (рис. VII.4, б)
основана на том же принципе, но в нем ударной частью является
поршень. Цилиндр представляет собой стальную трубу, внутри
которой перемещается поршень. Труба соединена с массивной пя-
той, имеющей чашеобразное углубление. Нижний конец поршня
заканчивается ударником сферической формы. В нижнем положе-
нии, когда поршень соприкасается с пятой, между ними остается
кольцевое пространство, образующее кам-еру сжатия. Жидкое топ-
ливо подается в углубление пяты и разбрызгивается ударником
при падении поршня. Топливный насос подает топливо автомати-
чески, для чего служит рычаг, выступающий внутрь цилиндра
сквозь щель в его стенке. Во время забивки сваи молот закреп-
• ляют за стрелу копра, вдоль которой он свободно опускается по
мере погружения сваи в грунт. Дизель-молоты работают на деше-
вых сортах жидкого топлива: соляровом масле, лигроине, керосине.
190
При забивке свай молотами необходимо защищать головы свай
от разрушения. Для этого деревянные сваи укрепляют бугелем.
При штанговом дизель-молоте бугель не ставят, так как его заме-
няет шаровая опора молота. Железобетонные сваи забивают с по-
мощью наголовника с амортизирующими прокладками (рис. VII.5).
Начиная с 1949 г. для погружения свай с большим успехом
применяют вибрационный способ. Снаряды вибрационного дейст-
вия —в ибропогружатели, впервые разработанные и осво-
енные советскими специалистами (проф. Д. Д.Баркан, проф.
К. С. Силин, инж. Б. П. Татарников и др.), позволяют в несколько
раз ускорить процесс погружения свай в грунт и сократить трудо-
емкость и сроки работ по возведению фундаментов. Вибропогру-
жателем свае сообщаются продольные колебательные движения,
и свая легко проникает в грунт под действием только собственного
веса и веса вибропогружателя, так как в результате колебаний
почти полностью исчезает трение между поверхностью сваи и
грунтом.
В зависимости от частоты колебаний различают высоко- и низ-
кочастотные вибропогружатели. Высокочастотные вибропогружа-
тели имеют частоту до 2500 колебаний в минуту. Применение их
целесообразно для погружения стальных шпунтин. Для погруже-
ния свай применяют низкочастотные вибропогружатели с частотой
в пределах от 400 до 650 колебаний в минуту.
Вибропогружатель (рис. VII.6, а) состоит из сваренного из
стальных листов корпуса, на крышке которого расположен элек-
тромотор переменного тока. Системой зубчатых передач электро-
мотор связан с валами, попарно вращающимися в противополож-
ных направлениях; на валах насажены дебалансы.
При вращении дебалансов возникают центробежные силы (рис.
VII-б), причем в нижнем и верхнем положении дебалансов эти си-
лы суммируются, давая равнодействующую, направленную соответ-
ственно вниз и вверх, а при боковых положениях дебалансов цент-
робежные силы взаимно уравновешиваются- Таким образом, вся
вибросистема, состоящая из сваи с жестко закрепленным на ее го-
лове вибропогружателем, испытывает переменную продольную из-
меняющуюся по синусоидальному закону силу N (рис- VIL6, в),
которая создает необходимые для погружения сваи продольные ко-
лебательные движения.
Основными характеристиками вибропогружателей служат раз-
виваемая ими центробежная сила, называемая возмущающей си-
лой, и статический момент дебалансов.
Возмущающая сила (в кгс)
М л М / 2лп \2
N = — <о2 — — |---] ,
g g \ 60 J
Статический момент дебалансов
191
Здесь М— суммарный статический момент дебалансов относительно осей
вращения, кгс-см;
о) — угловая скорость вращения дебалансов;
п — частота вращения, об/мин;
g — ускорение силы тяжести, равная 981 см/с2;
Gi — вес i-ro дебаланса, кгс;
е,- — расстояние от оси вращения i-ro дебаланса до его центра тяже-
сти, см.
От статического момента дебалансов зависит амплитуда коле-
бания всей вибросистемы. При нормальном погружении сваи ам-
плитуда (в см)
А)= т ГТ ’
“1“ ^св
где GB — вес вибропогружателя, кгс;
GCb — вес сваи с наголовником, кгс.
Современные низкочастотные вибропогружатели характеризу-
ются следующими показателями:
Возмущающая сила, тс.............................. 18,5—340
Статический момент эксцентриков, кгс-см........... 93—934
Число грузовых валов.............................. 2—8
Частота вращения дебалансов, об/мин............... 400—667
Потребляемая мощность, кВт........................ 60—400
Масса вибропогружателя, т......................... 4—27,6
Габаритные размеры, м:
высота........................................... 1,7—3,75
ширина........................................ 1,15—4,42
длина......................................... 0,88—5,1
В некоторых моделях вибропогружателей возмущающую силу
можно изменять, меняя частоту вращения или статический момент
дебалансов.
При погружении оболочек больших диаметров прибегают к ус-
тановке спаренных, синхронно работающих вибропогружателей
(рис. VII.7).
Вибропогружатель должен
быть жестко соединен со сваей.
Рис. VI 1.7. Спареииые вибропогру-
жатели ВП-250
Для этого служат наголовники
(переходники). Автоматический
наголовник АСН-40 (рис. VII.8)
для погружения призматических
свай имеет фрикционное соедине-
ние наголовника со сваей. Силы
трения создаются прижатием
колодок к поверхности сваи
пружинами. При натяжении
тросов пружины сжимаются, ко-
лодки отходят от сваи и на-
головник без труда снимается; в
таком же положении оголовник
устанавливают на сваю. Анало-
192
гичные наголовники применяют и для свай-оболочек. В них креп-
ление осуществляется цанговым устройством, захватывающим
стенку сваи (оболочки) с внутренней и наружной сторон.
Наголовники фрикционного действия весьма удобны: они тре-
буют минимального времени для снятия и установки вибропогру-
жателя. Однако они не универсальны, так как приспособлены для
свай только определенных толщин. Поэтому на стройках продол-
жают применять переходники с болтовыми фланцевыми соедине-
ниями (рис. VII.9).
При нагружении оболочек приходится периодически удалять
грунт из их внутренних полостей, для чего необходимо снимать
с оболочки вибропогружатель, а затем вновь его устанавливать.
Эта непроизводительная работа отнимает много времени (несколь-
ко часов при фланцево-болтовых переходниках) и снижает темпы
погружения оболочек. Для исключения этих работ в мостостроении
созданы вибропогружатели ВУ-1,6 для оболочек диаметром 1,6 м
и ВУ-3 для оболочек 3 м с проходным отверстием (рис. VII. 10).
В этих вибропогружателях диаметрально расположенные электро-
моторы» установлены на кольцевой раме. Внутреннее свободное
пространство рамы позволяет разрабатывать грунт в оболочке без
снятия вибропогружателя.
Кроме вибропогружателей в строительстве используются виб-
ромолоты, в которых вибрационное воздействие совмещено
с ударным. В вибромолоте (рис. VII. 11) вибропогружатель соеди-
нен с погружаемым элементом (наголовником) пружинами и же-
сткими тягами (болтами). При вращении дебалансов наряду
Рнс. VI 1.8. Автоматический наголов-
ник:
I — вибропогружатель; 2—трос от крюка
крана; 3 — закрытая пружина; 4 — корпус;
5 — шарнир; 6 —• зажимный башмак; 7 —.
свая
Рис. VI 1.9. Фланцево-болтовой наго-
ловник (переходник):
I — вйбропогружатель; 2 — наголовник;
3 — фланец; 4 — оболочка; 5 — болты; 6 —
ребра жесткости
193
с возмущающей силой возникают удары наковальника по оголов-
ку. В результате погружающее воздействие снаряда увеличива-
ется.
Вибромолоты имеют следующие характеристики:
Возмущающая сила, тс............................ 5—21,8
Статический момент эксцентриков кгс-м........... 3,22—24,60
Чистота вращения дебалансов, об/мин............. 960—1450
Частота ударов, уд/мин.......................... 480—1450
Потребляемая мощность, кВт...................... 5,5—28
Масса вибромолота, т............................ 1,1—6,5
При постройке фундаментов нередко возникает необходимость
извлечения из грунта шпунта и свай. Это выполняется молотами
двойного действия, вибропогружателями или сваевытаскивателя-
ми специальной конструкции.
Для извлечения свай (шпунтов) молотом двойного действия
молот закрепляют к свае в перевернутом положении и во время
его работы тяговым тросом того или иного грузоподъемного крана
вытаскивают сваю из грунта. При вибропогружателе сваю также
извлекают тросом, закрепленным за вибропогружатель.
Вспомогательным средством, облегчающим погружение, явля-
ется подмыв свай напорной водой (рис. VII.12, а). Сущность под-
мыва заключается в том, что к нижнему концу сваи подается по
трубам под большим напором вода. Вода, размывая грунт под
острием сваи, значительно уменьшает сопротивление погружению.
Одновременно, поднимаясь по стволу сваи вверх, вода смачивает
ее поверхность и снижает силы трения. В результате сопротивле-
ние погружению настолько уменьшается, что свая проникает
Рис, VI 1.10. Вибропогружатель ВУ-1,6
Рис. VII.11. Схема вибро-
молота:
1 — электромотор; 2 — корпус;
3 — дебалаис; 4 — ударник; б —
тяга; 6 — пружина; 7 — наголов-
ник; 8 — свая
194
Рис. VII. 12. Схема подмыва свай и деталь конусного наконечника:
/ — водоем; 2 — насос; 3 — водонапорные трубы; 4 — копер; 5 — свая; 6 — подмывные
трубы; 7 — наконечник подмывной трубы; В — воздуховодная труба; 9 — концевая часть
воздуховодной трубы
в грунт под легкими ударами молота, а при интенсивном подмы-
ве— только под действием собственного веса и веса молота, рас-
положенного на ней.
Вода из водоема подается центробежным насосом по напорным
стальным трубам и через гибкие шланги поступает в подмывные
трубы внутренним диаметром d— от 37 до 75 мм (обычно 50 мм),
которые заканчиваются конусными наконечниками. Конусный на-
конечник (рис. VII. 12, б) имеет центральное отверстие диаметром
(0,254-0,4) d и от четырех до восьми боковых отверстий диаметром
6—10 мм, направленных под углом 45° к продольной оси трубы.
При погружении сплошных свай (деревянных, железобетонных)
подмывные трубы симметрично располагают вдоль боковых сто-
рон сваи, поддерживая их тросами, идущими от лебедок; для фик-
сации положения трубы рекомендуется пропускать через хомуты
или скобы, прикрепленные к свае. В пустотелых сваях подмывную
трубу располагают внутри сваи, заранее закладывая в ее острие
отрезок трубы, к которому присоединяют наконечник и подмывную
трубу. Для повышения эффективности подмыва в пылеватых пес-
ках целесообразно применять пневмоиглу, по которой одновре-
менно с водой подается к острию сваи сжатый воздух. Воздух,
уменьшая удельный вес смеси воды с грунтом, способствует его
размыву и выносу вверх по стволу сваи.
Подмыв прекращают, не доходя 1—2 м до проектной глубины
погружения. После этого сваю добивают молотом. Добивка обес-
печивает погружение нижней части сваи в грунты ненарушенной
структуры и восстанавливает плотность.грунтов, размытых подмы-
вом.
195
Таблица VIL2
Грунт Глубина погружения сваи « в грунт, м Необходимый напор у нако- нечника, кгс/см® Внутренние диаметры подмывных труб, мм (числитель), и расход воды, л/мин (знаменатель)
Сваи сечением 30—50 см Сваи сечением 50—70 см
Ил, илистый песок, 5—15 37/400—1000 50/1000—1500
мелкозернистый песок, 15—25 8—10 68/1000—1500 80/1500—2000
супесь, илистая глина, 25—35 10—15 80/1500—2500 106/2000—3000
мягкая глина
Песок и супесь, еле- 5—15 6—10 50/1000—1500 68/1500—2000
жавшиеся, песок с галь- 15—25 10—15 80/1500—2500 106/2000—3000
кой и гравием, суглинок, 25—35 15—20 106/2500—3000 106—131/2500—
глина средней плотности 4000
Необходимый напор и расход воды для подмыва свай может
быть ориентировочно определен по табл. VI 1.2.
Расчет оборудования для подмыва свай сводится к определе-
нию параметров насоса по характеристикам принятой системы по-
дачи воды.
При заданном расходе воды Q м3/с насос должен обеспечить
напор воды
Hq -I- hi -I- h2 + Л3.
Потери в напорных трубах можно определить по формуле
F O2L
hi = 0,0014825 « = aQ2£.
Для наиболее употребительных труб диаметром 100 мм
0=319,4. Потери напора в шлангах
Ло= ----.
Здесь Но — необходимый напор у наконечника, задаваемый согласно
табл. VII.1 (1 кгс/см2 равен 10 м напора), м;
h\ —потери -напора в напорных трубах, м;
Л2 — потери напора в шлангах, м;
/г3 — потери напора в клапанах, тройниках и т. д., м;
D — диаметр напорных труб, м;
L — длина напорной сети, м;
Liu — длина шлангов;
кш — коэффициент, принимаемый по данным табл. VII.3.
Потеря напора в каждом из клапанов, тройников и т. д. прибли-
зительно равна потере в прямой трубе длиной 5 м. По полученным
Q и Н подбирают необходимую насосную установку.
Подмыв свай наиболее эффективен в несвязных грунтах. В гли-
нах и суглинках, особенно твердых и полутвердых, прибегать
к подмыву не рекомендуется, так как при размыве этих грунтов
значительно снижается несущая способность свай.
196
Таблица VII.3
Внутренний диаметр шланга, мм Коэффициент для шланга
пенькового прорезиненного резинового
33 20 33 50
50 30 133 200
67 340 567 850
76 800 1333 2000
При забивке свае должно быть придано положение, соответст-
вующее проектному. Кроме того, для работы большинства сваебой-
ных снарядов, особенно при погружении наклонных свай, необхо-
димо иметь направляющие устройства, фиксирующие перемещение
молотов и направление их ударов. Для этого служат копры и кра-
ны, снабженные соответствующим навесным оборудованием, а так-
же направляющие каркасы и кондукторы.
Копры представляют собой конструкции целевого назначения:
их применяют только для погружения свай (шпунта). Они могут
быть деревянными и металлическими. В современном строитель-
стве преимущественно применяют металлические копры сборно-
разборной конструкции.
Легкий копр (рис. VII.13), специально приспособленный для
работы дизель-молотов, состоит из вертикальной стрелы, горизон-
тальной рамы и элементов жесткости. Стрела и рама выполнены
из швеллеров, элементы жесткости — из труб; все монтажные сое-
динения— на болтах. Рама установлена на ролики с горизонталь-
ными и вертикальными осями вращения, что облегчает перемеще-
ние копра. На раме расположена двухбарабанная лебедка, один
трос которой служит для подъема молота, другой — для подъема
и установки под молот свай. Вверху стрела оканчивается траверсой
и роликами для тросов. Для забивки наклонных свай стрела мо-
жет быть поставлена с наклоном 1 : 10 в сторону копра или от не-
го. Полная высота копра в зависимости от его марки составляет
от И до 17 м; полезная высота, равная полной, за вычетом высоты
молота в его верхнем положении — от 7,5 до 13 м; масса копра
с лебедкой — от 1,85 до 10,75 т.
При большом объеме свайных работ п погружении длинных тя-
желых свай применяют универсальные полноповоротные самоход-
ные копры (рис. .VIL14), оборудованные самостоятельной пароси-
ловой или компрессорной установкой. Наибольший наклон стрелы
таких копров — 1:3. Высота их обеспечивает возможность забив-
ки свай длиной до 28 м. В комплект универсальных копров входят
паровоздушные молоты одиночного или двойного действия. Масса
универсальных копров с оборудованием — от 30 до 75 т.
Часто возникает необходимость в забивке свай ниже уровня
стоянки копра. В этом случае или наращивают сваю съемным эле-
ментом, называемым подбабком, или же присоединяют к стреле
197
Рис. VII. 13. Сборно-разборный копер:
/ трек: для подъема свай; 2 — стрела; 3 — элементы жесткости: 4 — трос для подъема
дизель-молота; 5 — дизель-молот; 6 — рама
копра съемный элемент, называемый выносной стрелой. Подбабок
значительно ухудшает забивку сваи, и применять его не рекомен-
дуется. Длина выносной стрелы достигает в некоторых видах коп-
ров 5—7 м, что позволяет забивать сваи в глубоких котлованах
при расположении копра выше его дна.
Копры обеспечивают большую точность погружения свай и
возможность использования мощных сваебойных снарядов. Одна-
ко они непригодны для других строительных работ и не обладают
достаточной маневренностью.
В этом отношении универсальны самоходные' краны на пнев-
матическом или гусеничном ходу, снабженные навесным копро-
вым оборудованием (рис. VII. 15). Навесное оборудование состоит
из направляющей стрелы и телескопической распорки, удерживаю-
щей стрелу в заданном вертикальном или наклонном положении.
Направляющая стрела вверху прикреплена к основной грузоподъ-
емной стреле крана, а внизу для большей устойчивости ее иногда
опирают на грунт с помощью пружинных опорных подушек.
198
Рис. VI 1.14. Универсальный копер СССМ-582
27500
Рис. VII.15. Самоходный гусеничный
кран-копер
Рис. VI 1.16. Копровое направляющее
устройство:
1 — направляющие стрелы; 2 — ферма жестко-
сти; 3 — вибропогружатель; 4 — ролики; 5 —
оболочка; 6— винтовая распорка; 7 —лебед-
ка; 8 — балласт; 9 — рама; 10 — рельсовый путь
Кроме самоходных автомо-
бильных или гусеничных кра-
нов для погружения свай мо-
гут быть использованы и дру-
гие виды строительных кранов,
снабженных аналогичным на-
весным оборудованием — ста-
ционарные стреловые краны-
дерики, козловые .краны и т. д.
Кроме копров, изготовляе-
мых промышленностью, при
постройке мостов часто прибе-
гают к устройству копровых
направляющих каркасов и кон-
дукторов.
Копровые направляющие
(рис. VII. 16), собираемые из
инвентарных сборно-разборных
конструкций (УИК), состоят из
направляющих вертикальных
или наклонных стрел и двух
или более ферм жесткости.
Фермы жесткости устанавли-
вают на тележки, облегчаю-
щие их перемещение, или при
небольшой массе и высоте пе-
реставляют кранами.
Каркасы (рис. VII.17) пред-
ставляют собой пространствен-
ную стальную конструкцию,
состоящую из нескольких,
обычно двух или трех, горизон-
тальных плоскостей, соединен-
ных вертикальными связями.
Горизонтальные плоскости и
связи собирают из линейных
элементов (уголков, швелле-
ров, двутавров) в геометриче-
ски неизменяемую систему. Все
монтажные соединения элемен-
тов болтовые, что обеспечивает
разборку каркаса после возве-
дения фундамента.
Для погружения свай (обо-
лочек) в каркасах предусмат-
ривают фиксированные ячейки.
Ячейки обустраивают четырь-
мя направляющими деревян-
ными брусьями, удерживающи-
200
ми погружаемый элемент в проектном положении. Длина брусьев
для вертикальных свай (оболочек) — не менее 2 м при одноярусных
каркасах и 4 м при двухъярусных. Для наклонных свай (оболочек)
длина направляющих брусьев должна быть не менее 6 м. Зазор
между погружаемым элементом и направляющими брусьями —
2—3 см.
Каркасы применяют на акваториях при глубине воды более
3—4 м. Для погружения вертикальных свай и оболочек, при ско-
рости течения воды до I м°/с и глубине не более Юм применяют од-
ноярусные каркасы, при больших глубинах и скоростях течения,
а также для погружения наклонных свай и оболочек применяют
каркасы из двух и более ярусов.
На верхней плоскости каркасов устанавливают рабочий настил,
на котором можно располагать необходимое для выполнения ра-
бот оборудование.
Обычно каркасы одновременно используют как распорное креп-
ление шпунтовых ограждений.
Каркасы сложные и дорогие сооружения (масса их достигает
30—100 т) и применение их экономически оправдывается при мно-
гократном использовании.
Для удешевления постройки фундаментов весьма перспектив-
ны (вместо каркасов) железобетонные кондукторы, включаемые
в состав плит фундаментов. Кондуктор обычно (рис. VII. 19) пред-
План
Рис. VI 1.17. Трехъярусный каркас для погружения оболочек
201
Рис. VII. 18. Железобетонный кондуктор для погружения свай:
1 — дощатая перемычка; 2 —бетон омонолнчивання
ставляет собой железобетонный понтон, в дне которого имеются
направляющие патрубки для свай.
Патрубки выведены выше уровня воды в акватории, борты на-
рощены деревянными перемычками, чем обеспечена плавучесть
кондуктора.
После установки 'кондуктора по осям опоры и раскрепления
якорями погружают сваи через патрубки, а затем насухо бетони-
руют плиту фундамента. .
Применение плавучих кондукторов осложняется при больших
скоростях течения воды и значительных колебаниях ее уровня в пе-
риод строительства.
VII.2. ПОГРУЖЕНИЕ СВАЙ
Забивка свай сопровождается изменениями естественной структу-
ры грунта, что может увеличить или уменьшить его прочность,
а следовательно, и несущую способность сваи. Большое значение
при этом имеют не только свойства самих грунтов, но и способы
погружения свай.
При погружении свая должна вытеснять грунт в объеме, рав-
ном объему сваи. Это происходит за счет уплотнения грунта и ча-
стичного выпирания его на дневной поверхности, достигающего не
редко 10—40 см.
202
В сваях с закрытым нижним концом в процессе забивки вокруг
сваи образуются четыре зоны деформированного грунта (рис.
VII.19). Первая зона толщиной 2—10 мм представляет собой ру-
башку из деформированного плотного грунта. Вторая зона, рас-
пространяющаяся на 0,7—3 диаметра ствола сваи, характеризу-
ется переменной плотностью. По контакту с первой зоной струк-
тура грунта нарушена, плотность весьма велика, влажность мини-
мальна; по мере удаления от сваи структура грунта постепенно
приближается к естественной. Слои грунта во второй зоне сильно
искривлены, вблизи сваи, следуя ее движению, опущены вниз,
а на границе зоны несколько приподняты, выпучены. Третья зона
характерна некоторым снижением плотности и увеличением влаж-
ности. Это объясняется отжатием воды в третью зону и растяги-
вающими и сдвигающими усилиями, вызванными вспучиванием
грунтов второй зоны. Ширина третьей зоны составляет около 5—
6 диаметров ствола. Четвертая зона, распространяющаяся на 8—
12 диаметров сваи, имеет незначительные, но все же заметные на-
рушения естественной структуры грунта. Практического значения
эта зона не имеет.
Под острием сваи образуется сфера уплотненного грунта тол-
щиной, приблизительно равной двум диаметрам сваи.
При погружении полой сваи с плоским концом без удаления из
нее грунта внизу создается конусообразное грунтовое ядро, выпол-
няющее роль заострения сплошной сваи. Если же в процессе по-
гружения грунт удаляется из сваи, то уплотнение окружающего
грунта почти не происходит и грунт сохраняет структуру близкую
к природной.
Интенсивность погружения сваи характеризуется величиной ее
перемещения от воздействия сваебойного механизма. В начале свая
погружается быстро, затем по
мере возрастания сил трения и
сопротивления грунта -под ниж-
ним концом погружение замед-
ляется и, наконец, (практиче-
ски прекращается. При молотах
ударного действия интенсивность
погружения «принято измерять
величиной перемещения сваи от
одного удара. Это -перемещение
носит название отказа сваи.
По величине отказа можно су-
дить о качестве забивки сваи:
чем меньше отказ, тем, очевид-
но, больше ее несущая способ-
ность по грунту.
Грунт, окружающий сваю,
уплотняется тем легче, чем он
рыхлее, а в водонасыщенных
грунтах чем больше и его водо-
Рис. VII.19. Деформации грунта во-
круг забивной сваи:
II—IV зоны деформированного грунта
203
.проницаемость. Поэтому погружение свай в рыхлые грунты с
большим коэффициентом фильтрации осуществляется быстрее и
на большую глубину, чем в грунты плотные.
Маловлажный песчаный грунт, особенно плотного сложения,
оказывает значительное сопротивление погружению. При некото-
рой глубине забивки отказ практически становится равным нулю
и дальнейшая попытка забить сваю приводит к разрушению ее
ствола. При этом сопротивление грунта часто носит временный ха-
рактер, и в результате релаксации (рассеивания) внутренних на-
пряжений оно постепенно снижается. Поэтому, если возобновить
забивку сваи через два-три дня, она опять легко погружается
в грунт. Это явление носит название ложного отказа. При
погружении свай в пески, а также супеси нужно через несколько
дней производить повторную добивку контрольных свай, на основе
которой устанавливать истинный отказ, характеризующий дейст-
вительную несущую способность свай в фундаменте.
В песчаные грунты значительно легче погрузить сваю частыми
ударами и вибрацией. При сотрясениях, вызванных частыми уда-
рами, под острием сваи не образуется переуплотненной грунтовой
зоны; при вибрации преодолеваются силы внутреннего трения и
песок становится подвижным, теряет устойчивость и приобретает
свойства жидкости. Поэтому погружать сваи в песчаные грунты
рекомендуется молотами двойного действия или вибропогружате-
лями.
В песчаных грунтах эффективен подмыв.
Чем крупнее частицы несвязного грунта (песчано-гравийного
и т. п.) и чем больше его плотность, тем труднее погрузить сваю,
тем большую мощность должны иметь сваебойные снаряды и под-
мывные устройства.
Погружение свай в глинистые грунты в большей степени зави-.
сит от их консистенции. В водонасыщенных глинах поры полностью
заполнены свободной водой и уплотнить их можно только за счет
вытеснения воды. Так как коэффициент фильтрации глины весьма
мал и скорость движения воды внутри грунтового массива низка,
на ее вытеснение требуется некоторое время. В этих условиях боль-
ший эффект можно ожидать от задавливания сваи статической
нагрузкой, чем от забивки.
В глинах с неполным водонасыщением уплотнение происходит
за счет свободных пор. В процессе забивки свай часть связной во-
ды переходит в свободную, которая уменьшает силы трения между
> грунтом и сваей. При этом нарушаются внутренние связи между
частицами грунта и грунт разжижается, значительно теряя свою
несущую способность. Разжижение может быть особенно значи-
тельным при динамическом воздействии, например при забивке мо-
лотом двойного действия или вибропогружателем.
Низкая уплотняемость и разжижение глин определяют выбор
сваебойного снаряда: как правило, забивать сваи в глинистые
грунты рекомендуется молотами одиночного действия с большим
весом ударной части и небольшой частотой ударов.
204
Применение подмыва в глинистых грунтах нерационально: по-
мимо того, что глины с трудом поддаются размыву, излишняя вода
будет только снижать их прочность.
Забивка свай в глинистые грунты сопровождается тиксотроп-
ными явлениями: нарушением связности (разжижением) и после-
дующим восстановлением ее. Практически это выражается в том,
что грунт, разжиженный забивкой сваи, слабо сопротивляется ее
погружению, но после прекращения забивки, в течение некоторого
времени происходит упрочнение грунта, и несущая способность
сваи значительно (в 1,5—2 раза и более) возрастает. Происходит
явление, называемое засасыванием сваи.
Истинный отказ сваи, забитой в глинистый грунт, нужно опре-
делять после ее «отдыха». Продолжительность «отдыха» зависит
от вида грунта: для супесей она составляет 5—10 сут, для суглин-
ков— 15—20 сут, для глин — 25—30 сут и более (для тощих глин
меньше, для жирных больше).
Для возможности погружения всех свай фундамента на про-
ектную глубину большое значение имеет последовательность их
забивки. Рекомендуется, в особенности в плотных грунтах, вести
забивку от середины котлована к его периметру. При забивке
в обратной последовательности — от периметра к середине — сред-
ние сваи из-за значительного уплотнения грунта бывает трудно по-
грузить и их концы оказываются расположенными на более вы-
соких отметках.
Для забивки необходимо иметь молоты и вибропогружатели,
соответствующие размерам свай.
Вес ударной части молота одиночного действия, а также дизель-
молота при длине сваи 12 м и более должен быть не менее веса
Таблица VII.4
Тип фундамента Переходный коэффициент к, при числе свай в фундаменте
1—5 6-10 11-20 >20
С плитой над грунтом 1,8 1,7 1.6 1,4
С плитой, заглубленной в грунт 1,7 1,6 1,4 1,4
Таблица VII.5
Молот Коэффициент к применимости молотов для свай из
дерева стали железобетона
Двойного действия и трубчатый 5 5,5 6
дизель-молот
Одиночного действия и штанговый 3,5 4 5
дизель-молот
Подвесной 2 2,5 3
205
Таблица VIL6
Расчетная несущая способность сван, тс Возмущающая сила вибропогружателя, тс
Песок с гравием водонасыщенный Суглинок туго- пяастнчный Глина тугопластичная
40—50 30—40 25—30 8,4
90—110 60—70 50—60 17,5
140—160 110—120 90—110 30
180—200 160—180 140—160 42,5
сваи с наголовником, а при длине до 12 м больше этого веса на
20—25% (в зависимости от плотности грунта). Энергия удара мо-
лота Э (в кгс-м) должна при этом удовлетворять неравенствам:
Э>25Фпр; Э> Q + g ,
К
где ФПр — предельная несущая способность сваи по грунту, равная расчетной
нагрузке на голову сваи, возникающей от действия на фундамент
внешних сил и умноженной на переходной коэффициент к>, завися-
щий от числа свай в фундаменте (значения коэффициента приведе-
ны в табл. VII.4), тс;
Q — вес молота, кгс;
q — вес сваи с наголовником, кгс;
к — эмпирический коэффициент применимости молота, принимаемый по
табл. VII.5.
Для забивки наклонных свай энергия удара молота должна
быть увеличена на коэффициент:
Наклон сваи.................5:1 4:1 3:1
Коэффициент увеличения . . 1,10 1,15 1,25
По вычисленной энергии удара подбирают тип молота, пользу-
ясь характеристиками молотов, выпускаемых промышленностью.
Тип вибропогружателя для погружения свай с закрытым ниж-
ним концом ориентировочно можно подбирать по возмущающей
силе, пользуясь табл. VII.6.
VII.3. ПОГРУЖЕНИЕ И БЕТОНИРОВАНИЕ
СВАЙ-ОБОЛОЧЕК
Оболочки диаметром 1 м и более погружают в грунт с открытым
нижним концом. В практике отечественного строительства погру-
жение осуществляют преимущественно вибропогружателями.
Погружение оболочек возможно только при соответствующих
параметрах вибропогружателя: возмущающей силе и статического
момента дебалагнсов. Ориентировочные значения этих параметров
в зависимости от размеров оболочек и грунтовых условий приве-
дены в табл. VII.7.
206
Таблица VII.7
Возмущающая сила (числитель, тс) и момент дебалансов (знаменатель, кгс«м)
Диаметр оболочек, м Мягкопластичные глины и суглинки, рыхлые пески Тугопластичные глины и суглинки, Ьески средней плотности Полутвердые глины и суглинки, плотные пески
Глубина погружения, м
<15 <25 <15 <25 <15
1-1,2 40—60 200—240 40—60 200—240 40—60 200—240 50—90 275 50—90 275
1,2—1,6 40—60 50—90 50—90 90 90
200—240 275—350 275—350 350 350
1,6—2 50—90 275—350 90—160 350 90—160 350 90—170 350—510 90—170 350—510
2—3 100—160 350 100—170 500 100—170 500 200—340 500—1000 200—340 500—1000
Статический момент М дебалансов должен при этом удовлет-
ворять требованию
где Q — вес вибропогружателя, оголовка (переходника) и оболочки, тс;
р — коэффициент, равный 0,7 для рыхлых и пластичных грунтов и 1,1 для
плотных грунтов.
Если один вибропогружатель не обеспечивает погружение, то
применяют спаренные синхронно работающие вибропогружатели.
Выбирая тип вибропогружателя, необходимо учитывать также
частоту развиваемых им колебаний. Опытом установлено, что при
погружении в легко проходимые грунты — рыхлые пески, текуче-
пластичные и мягко пластичные связные грунты — нужно применять
вибропогружатели с частотой колебаний 500—600 об/мин, тогда
как при плотных грунтах, особенно глинах, частота колебаний не
должна превышать 300—500 об/мин.
В рыхлые несвязные грунты оболочки удается погрузить без
удаления грунта из ее полости, что значительно ускоряет сооруже-
ние фундамента. Однако чаще процесс вибропогружения слагает-
ся из опускания оболочки и удаления грунта.
Непосредственное опускание под воздействием вибропогружа-
теля протекает быстро. Средняя скорость погружения при нор-
мальной амплитуде колебаний 5—10 мм в песчаные грунты состав-
ляет 40—60 см/мии. в глинистые и гравелисто-песчаные—10—
30 см/мин. Таким образом, при непрерывной работе вибропогру-
жателя оболочка может быть погружена в течение нескольких ми-
нут на значительную глубину.
207
Рис. VII.20. Схема фиксатора по-
рога замедления:
1 — крышка; 2 — регулировочный винт;
3 — рабочая масса; 4 — пружина; 5 —
электропривод
виде валунов, топляков и пр. При
В процессе погружения обо-
лочек необходимо следить за
нормальным режимом вибропо-
гружения, нарушение которого
может привести к разрушению
оболочек, а также к поломке
вибропогружателя. Для обеспе-
чения нормальной работы вибро-
погружателя необходимо систе-
матически подтягивать гайки
болтов, которыми он «присоеди-
нен к фланцу оболочки, наблю-
дать за состоянием стенок обо-
лочки и фланцев, не допускать
асимметрии фазовых напряже-
ний свыше 5%, не перегревать
электромоторы. Время непрерыв-
ной работы вибропогружателей
ограничивается паспортными
указаниями (2—15 мин); пере-
рывы в работе должны быть до-
статочными для полного остыва-
ния электромоторов.
Нормальное погружение обо-
лочек может быть нарушено при
гвстрече жесткого препятствия в
встрече препятствия скорость
погружения резко снижается,
амплитуда колебаний возрастает и в оболочке возникают боль-
шие дина'мические усилия.
Как показали теоретические и экспериментальные исследова-
ния, произведенные в ЦНИИСе, наступление ненормального виб-
роударного режима погружения характеризуется резким возраста-
нием ускорения при движении оболочки вниз. При встрече оболоч-
ки с жестким препятствием энергия вибропогружателя затрачи-
вается только на колебания вибросистемы, оболочка своим ниж-
ним концом отрывается от грунта и при движении вниз испытыва-
ет значительной силы удар, величина которого зависит от массы
вибросистемы и ускорения ее движения. При таких условиях по-
гружение должно быть прекращено для выяснения и ликвидации
причин ненормального режима.
В производственных условиях возникновение виброударного
режима устанавливают с помощью специального прибора — фик-
сатора порога замедления (рис. VII.20). Датчик прибора состоит
из металлического цилиндрического корпуса, крышки с сальни-
ком, через который проходят электропровода, рабочей массы,
пружины, регулировочного винта и пробки из электроизоляцион-
ного материала. Рабочая масса регулировочным винтом прижата
208
к пружине. При колебаниях в массе возникают силы инерции, ко-
торые при определенном ускорении превысят сжатие пружины,
и масса отойдет от винта. В этот момент в сигнализаторе загора-
ется запрещающий сигнал (красный свет). Регулировочным вин-
том датчик настраивают на определенный режим колебаний, допу-
стимый по прочности оболочки. Датчик жестко прикрепляют
к стенке оболочки не ближе 0,5 м от фланца; для прикрепления
в оболочке должны быть предусмотрены закладные стальные ча-
сти или обрезки круглой арматуры.
По мере опускания оболочки сопротивление грунта возрастает
главным образом за счет резко увеличивающегося трения между
внутренней поверхностью оболочки и грунтом. Скорость погруже-
ния снижается до 2—5 см/мин, и при амплитуде колебаний менее
5 мм погружение практически прекращается. Для дальнейше-
го погружения необходимо уменьшить сопротивление грунта, что
достигается удалением его из внутренней полости оболочки.
Разработка грунта в оболочке — наиболее трудоемкий и про-
должительный процесс, от которого зависит успешное погружение
оболочки на заданную глубину.
Грунты, не поддающиеся размыву, — тяжелые, плотные глины
и суглинки, отложения крупного гравия и гальки и т. п. — удаляют
преимущественно грейферами. Тип и емкость грейфера назначают
в зависимости от плотности разрабатываемого грунта и диаметра
оболочки: размер грейфера в раскрытом виде должен быть меньше
диаметра оболочки по крайней мере на 30 см.
Кроме грейферов, применяют также оборудование вращатель-
ного действия — винтовые буры, фрезы-желонки и т. д.,— которы-
ми удается извлечь труднопроходимые грунты, например мягкопла-
стичные вязкие глины, плотные гравийно-галечные смеси и др.
Связные грунты удаляют не только в пределах погруженной части
оболочки, но и ниже ножа на глубину, определяемую опытным пу-
тем в зависимости от устойчивости стенок забоя.
Удаление грунта ниже ножа значительно ускоряет погружение
оболочки; в глинистых грунтах обычно удается выбрать грунт на
глубину от 1,5 до 4 м ниже ножа, а иногда и более (до 12 м).
Для извлечения грунта грейфером приходится вибропогружа-
тель снимать с оболочки и затем вновь устанавливать, на что рас-
ходуется немало времени. Этого можно избежать, применяя вибро-
погружатели с проходным отверстием (см. рис. VII.10).
Грунты несвязные — песчаные, гравелистые, легкие супеси, или-
стые, песчаные и супесчаные легко удаляются эрлифтами, сугли-
нистые— эрлифтами с предварительным рыхлением подмывными
трубами при давлении воды от 5 до 10 кгс/см2, песчано-галечные —
гидроэлеваторами и гидрожелонками.
Схема эрлифта, применяемого при опускании оболочек диамет-
ром 1 м и более, приведена на рис. VI 1.21. В конструкцию установ-
ки входит смесительная камера, пульповодная труба диаметром
150—300 мм, воздуховодная труба и четыре подмывных трубы
209
б)
50 80 100 150 V
—i-------1—।---------1—
50 100 150 tl
—i----------1--------1-----
Рис. VI 1.21. Схема эрлифтирования (g) грунта и технические характеристики (б)
эрлифта:
1—воздуховодная труба; 2— переходник; 3 — оболочка; 4 — подмывные трубы; 5 — эрлифт;
6 — наконечники подмывиых труб; 7 — пульповод; Q — производительность эрлифта» до3/ч;
U«— расход воздуха, м3/ч; Л/ — расход воды, ма/ч; Н — глубина воды в оболочке, м
Рис. VI 1.22. Гидрожелонка с бункером:
/ w- труба для подачи воды; 2 — отбойная сетка; 3 — бункер
диаметром 56 мм с выходными отверстиями насадок диаметром
15 мм. Трубы наращивают секциями длиной по 5 м; между собой
их соединяют хомутами на болтах и выводят наружу через стенки
переходника вибропогружателя. Эрлифт может работать при глу-
бине воды не менее 3 м; если глубина недостаточна, то воду под-
качивают в оболочку, поддерживая ее на возможно более высоком
уровне.
Гидрожелонка, применяемая для извлечения грунта с крупны-
ми фракциями, представляет собой гидроэлеватор с кольцевой на-
садкой,-снабженный приемным бункером (рис. VII.22). Вода под
давлением 5—8 кгс/см2 в количество до 150 м3/ч, выходя из коль-
цевого зазора всасывающей трубы, засасывает гравий и гальку,
зерна которых, встречая на своем пути отбойную сетку, отклады-
ваются на дно приемного, бункера. После заполнения бункер под-
211
нимают наружу и -опорожняют. При успешной работе на заполне-
ние бункера объемом 0,8 м3 требуется 5—7 мин. Гидрожелонкой
удавалось извлекать отдельные валуны массой до 20 кг.
При очистке внутренней полости оболочки от грунта эрлифта-
ми или гидроэлеваторами нужно обеспечить центральное положе-
ние всасывающей трубы, что особенно необходимо при погружении
наклонных оболочек.
Несвязный грунт извлекают до уровня, при котором практиче-
ски исключается его наплыв через нижний открытый конец обо-
лочки. Для предупреждения прорыва разжиженного грунта внутрь
оболочки ее заливают водой до уровня воды снаружи или несколь-
ко выше.
Повышенное по сравнению с наружным давление воды внутри
оболочки позволяет удалять песчаные, а также крупнообломоч-
ные с песчаным заполнением грунты ниже оболочки на 2—3 м.
Устойчивость поверхности, создаваемой таким образом выработки
обеспечивается избыточным давлением, ориентировочные величи-
ны которого приведены в табл. VII.8. При избыточном давлении
воды оболочку нужно заглублять ниже поверхности наружного
грунта не менее чем на 4 м. В противном случае вода может прор-
ваться из-под ножа оболочки наружу. Для предупреждения наплы-
ва грунта в оболочку при отключенном вибропогружателе и отсут-
ствии избыточного давления, когда, например, наращивают оче-
редную секцию или производят какие-либо другие работы, нож
оболочки нужно заглубнить в грунт на глубину не менее 0,5—1 м.
Если удаление грунта ниже ножа оболочки не обеспечивает ее
погружение, то при больших глубинах погружения (20 м и более)
прибегают к подмыву грунта водой.
Подмывные трубы могут быть расположены как по внутренне-
му, так и по внешнему контуру оболочки. Внутренний подмыв мо-
жет быть применен в любых грунтах; его обычно объединяют с
эрлифтированием грунта. Наружный подмыв применяют только
в несвязных или слабосвязных грунтах при амплитудах колебания
оболочки менее 5 мм.
Для подмыва пользуются трубами диаметром 50—75 мм, снаб-
женными насадками с центральным и боковыми отверстиями* (см.
рис. VII.12, б). Число труб назначают из расчета одной трубы на
1—1,5 м периметра оболочки. Расход воды на каждую трубу со-
Таблица VII.8
Плотность грунта Избыточный напор воды в полости оболочек, м
вертикальных наклонных
Рыхлый 5 6
Средней плотности 4 5
Плотный 3,5 4
212
ставляет 40—50 м3/ч, при давлении на выходе из наконечника от 4
до 10 кгс/см2 в зависимости от плотности грунта. Нижние концы
подмываемых трубок не доводят до ножа оболочек на 0,5—1,5 м,
чем предотвращают чрезмерное разжижение грунта и опасность
наплыва его внутрь оболочки. Для повышения эффективности под-
мыва рекомендуется совместно с водой подавать в зону размыва
воздух (2—3 м3/мин). Сжатый воздух подают по воздуховодным
трубам, скрепленным с подмывными.
При погружении наклонных оболочек подмывные трубы распо-
лагают только на верхней половине наружной поверхности оболоч-
ки, обычно в количестве 3 шт. — две с боков по диаметральному
сечению и одна сверху.
На последнем этапе погружения, вблизи проектной отметки,
необходимо удалять грунт с особой осторожностью, не допуская
нарушения его природной структуры. Как показывают испытания,
разрыхление грунта в основании может снизить несущую способ-
ность оболочки на 20—30%.
Для сохранения природной плотности несвязных грунтов виб-
ропогружение оболочки прекращают после образования в ней грун-
тового ядра высотой не менее 2 м. Уплотнение ядра и окружающе-
го оболочку грунта достигается вибрированием оболочки без ее
погружения в течение 10—15 мин. В связных грунтах излишне виб-
рирование может вызвать их разжижение и разуплотнение. Поэто-
му при этих видах грунтов вибропогружатель отключают, когда
скорость погружения оболочки становится не более 2 см/мин.
При вибропогружении оболочки испытывают ряд усилий, на
которые они должны быть рассчитаны. Вся вибросистема — виб-
ропогружатель, наголовник, оболочка и примыкающий к ней
грунт—подвержена динамическим усилиям растяжения и сжатия,
действующим вдоль оси оболочки. Растяжение вызывает горизон-
тальные (нормальные к оси оболочки) трещины, сжатие верти-
кальные (продольны^, ) трещины. Рассчитывают сечения оболочки,
крепления звеньев оболочки между собой, а также крепления на-
головников (переходника) к оболочке и вибропогружателю. Для
низкочастотных вибропогружателей приближенное значение этих
усилий, согласно методике ЦНИИСа, определяют по следующим
формулам.
Растягивающая сила для расчета креплений наголовника к виб-
ропогружателю и оболочке
Рраст 1 >4Л^
Растягивающая сила для расчета сечений оболочки и стыков
ее секций
Р Раст — 1
Максимальное сжимающее усилие в сечениях оболочки
Рся<^^усл» но 2V -|- G
при к— О,О25апЕпо,
213
Вес условной вибросистемы
Сусл = G + G'P + G"p.
Здесь N — возмущающая сила вибропогружателя;
Gi — вес вибропогружателя при расчете его прикрепления к наголов-
нику и суммарный вес вибропогружателя и наголовника при
расчете крепления последнего к оболочке;
G2 — вес вибропогружателя и наголовника;
Сусл — условный вес вибросистемы;
G — истинный вес виброснстемы, равный суммарному весу вибропо-
гружателя, наголовника и оболочки, погруженной на проектную
глубину;
а — размах колебаний вибросистемы (удвоенная амплитуда), см;
пв — максимальная частота вращения вибропогружателя, об/с;
п0 — величина, характеризующая динамические свойства виброси-
стемы;
G'rp — вес колеблющегося грунта, примыкающего к наружной поверх-
ности оболочки, принимаемый равным весу кольца грунта тол-
щиной 0,15 м и высотой, равной глубине нагружения оболочки
в грунт;
Огр — вес заключенного внутри оболочки столба грунта высотой не
более 10 м прн оболочках с внутренним диаметром не больше
0,5 м и 6, 2,5, 1 м при оболочках с внутренним диаметром соот-
ветственно 1, 2 и 5 м (для промежуточных значений внутреннего
диаметра высоту неизвлеченного грунта находят по линейной
интерполяции).
Вес грунта снаружи и внутри оболочки при отсутствии натур-
ных данных принимают равным 1,7 тс/м3. При определении весов
оболочки и грунта взвешивающее действие воды не учитывают.
При глубине погружения оболочки в грунт до 10 м расчетный
размах а колебаний принимают равным 2 см; до 30 м — а=\ см.
Для промежуточных глубин а находят по линейной интерполяции.
Величину п0 определяют по формуле
п
по ~ г
/1+0,3 (пН: 1000)2
где Н — полная длина оболочки, м;
п — частота собственных колебаний оболочки, погруженной в грунт, прини-
маемая равной: прн рыхлых грунтах — 20 Гц, при грунтах средней плот-
ности— 30 Гц, при плотных грунтах — 50 Гц.
Кроме продольных сил, при определенных условиях могут воз-
никнуть радиальные силы от гидравлического удара. Гидравличе-
ский удар возникает тогда, когда вместе с оболочкой перемеща-
ется грунтовая пробка, прочно связанная с нижним концом
оболочки и создающая »как бы дно вибрируемого стакана, запол-
ненного водой.
Вблизи нижнего положения вибросистемы, когда ускорение ее
движения достигает максимальной величины, возникают наиболь-
шие инерционные вертикальные силы, которые в воде (по зако-
нам гидростатики) передаются в радиальных направлениях, вызы-
вая продольные трещины в оболочке. Величина этих сил зависит
214
от ряда факторов и прежде всего от количества воды (глубины
воды), содержащейся внутри оболочки.
Глубина воды, при которой возможно образование трещин,
Ну= 0,5ст
при
1425
с =----------- . .. . --
1 +---------------—------------
г £вБ [1 + Eafcu: (ЕбБ)1
где с — скорость распространения гидравлического удара, м/с;
т — продолжительность удара оболочки о грунт, с;
£в — модуль объемной упругости воды, равный 2,1 -10ь кгс/м2 (при темпе-
ратуре 10—20° С), кгс/см2;
£б — модуль упругости бетона оболочки, зависящий от марки н, следова-
тельно, прочности бетона, кгс/см2;
£а —модуль упругости арматуры (2,1-10®), кгс/см2;
fen — площадь сечения поперечной (спиральной) арматуры на 1 пог.м вы-
соты оболочки, см2;
d — внутренний диаметр оболочки, см;
б — толщина стенкн оболочки, см.
Время т удара принимается равным:
Прн плотных песках, полутвердых суглинках н
глинах, глинистых грунтов с включением гальки
и гравия.......................................... (0,054-0,08) Т
При песках средней плотности, пластичных супе-
сях, тугопластнчных супесях н глинах............. (0,104-0,14) Т
Прн рыхлых песках, илах, торфах, плывунов,
мягкопластнчных н текучепластнчных глинах н
суглинках......................................... (0,34-0,5) Т
Здесь Т период колебаний оболочки, равный 60/п (где п — число колебаний
вибропогружателя, мин).
Таблица VH.9
Глубина воды в оболочке Скорость по- гружения, см/мин Амплитуда колебаний верха оболоч- ки, мм Причина нарушения нормального режима вибропогружения Возможные повреж- дения оболочки Меры по предупреж- дению повреждений
Любая 1—5 1—3 Защемление обо- лочки силами тре- ния грунта Горизонталь- ные трещины в не- защемленной грун- том части оболоч- ки Удаление грун- та ниже ножа; подмыв грунта по поверхности обо- лочки
» 1 >10 Встреча обо- лочки с препятст- вием (виброудар- ный режим) Вертикальные трещины от сжа- тия бетона Удаление пре- пятствия
>5 м 5—20 5—10 Г идравлический удар в полости оболочки Вертикальные трещины от растя- жения бетона у поверхности грун- товой пробки в полости оболочки Удаление грунта до илн ниже но- жа; применение амортизаторов
215
Для снижения гидравлического удара, когда глубина воды
в оболочке больше /7У, применяют пневматические амортизаторы,
поглощающие энергию удара. Пневматический амортизатор, на-
пример из заполненных воздухом автомобильных камер, погружа-
ют возможно глубже. Пневмоамортизаторы применяют при грун-
Рис. VII.23. Оборудование для бето-
нирования оболочки.
1 — приемный бункер; 2 — вибратор; 3 —
бетонолитная труба; 4 — водопроводная
труба; 5 — направляющий фонарь; 6 — во-
доразводящее кольцо; 7 — подмывная тру-
ба
тах плотных и средней плот-
ности. Снижение гидравличе-
ского удара при проходке рых-
лых песков, а также связных
грунтов текучей и тугоплас-
тичной консистенции дости-
гается разуплотнением их пу-
тем нагнетания в грунт сжа-
того воздуха. Воздух в коли-
честве 3—7 м3/мин под дав-
лением 4—6 кгс/см2 подают
по трубке с обратным клапа-
ном, загрубляемой в грунт на
2—3 м ниже ножа оболочки.
Нарушение нормального
вибропогружения крайне опас-
но, так как приводит к раз-
рушению оболочек. В табл.
VII.9 приведены наиболее ча-
сто встречающиеся признаки
и причины -нарушения нор-
мального вибропогружения, а
также виды возможных по-
вреждений оболочек и меры
по нх предупреждению.
После погружения оболоч-
ки на проектную глубину ее
внутреннюю полость а так-
же скважину в скальной по-
роде, если последнюю разбу-
ривали, заполняют бетоном на
всю высоту оболочки или ча-
стично, только в нижней ее
части. Бетонируют способом
ВПТ. Для этого применяют
компактное оборудование,
обеспечивающее очистку обо-
лочки и скважины от грунта
и шлама и подачу бетонной
смеси (рис. VII.23). Бетоно-
литную трубу диаметром 200—
300 мм из листовой стали тол-
щиной 3—5 мм собирают из
звеньев с герметическими
216
фланцевыми соединениями. К верхнему звену трубы присоединя-
ют приемную воронку или бункер для бетонной смеси. Для фик-
сирования центрального положения трубы служат фонари, сде-
ланные из круглой арматурной стали.
К бетонолнтной трубе хомутами прикрепляют подмывные тру-
бы диаметром 50 мм с центральным отверстием 10 мм, по которым
подается вода с напором до 10 кгс/см2 и расходом 150—300 м3/ч.
Вода служит для промывки скважины и удаления из нее шлама
перед ее бетонированием. Если в основании оболочки залегают не-
связные или слабосвязные грунты, то внутреннюю полость очищают
грейфером или эрлифтом без применения напорной воды.
Бетонирование способом ВПТ полостей оболочек обычно ос-
ложняется большой глубиной воды в них. Для получения качест-
венного бетона заполнения, кроме основных правил производства
этих работ (см. п. V.9), необходимо соблюдать следующие допол-
нительные требования.
Бетонную смесь нужно приготовлять на цементах марки не
ниже 300 с началом схватывания не менее 3 ч. Для необходимой
подвижности смеси в качестве крупного заполнителя необходимо
применять преимущественно гравий или смесь гравия с щебнем.
Расход цемента при этом составляет 300—350 кг/м3 (воздухововле-
кающие и пластифицирующие добавки позволяют снизить расход
цемента на 8—10%). Подвижность смеси, характеризуемая сохра-
нением осадки стандартного конуса не менее 14—15 см в течение
времени, считая от момента приготовления смеси до ее укладки,
должна быть не менее 40 мин.
Для предупреждения расслаивания объемное водоотделепие
смеси в течение 2 ч спокойного отстаивания должно быть в преде-
лах 1,2—2%.
Минимальное погружение в смесь бетонолитной трубы должно
быть не менее 0,8—1,2 м. Уровень бетонной смеси в трубе нужно
по возможности поддерживать выше уровня воды в оболочке на
величину
h — г — 0, б//,
где г — радиус действия бетонолнтной трубы, м;
Н — глубина бетонирования м.
Собранные на полную длину трубы до установки их в оболочки
должны быть опрессованы под давлением:
При длине трубы до 20 м 3 кгс/см2
» » » » 30 » . . 4,5 »
» » » » 40 » . . . . 6 »
Интенсивность бетонирования должна быть не менее
0,3 м3/(м2-ч).
При неполном заполнении полости оболочки после бетонирова-
ния пробки в ее нижнем конце воду откачивают и последующие
работы, если они необходимы, ведут насухо. При этом проверяют
217
достаточность заделки оболочки в грунт, так как в рыхлых грун-
тах при небольших силах трения оболочка, освобожденная от во-
ды, может всплыть.
Если откачать воду не удается, то бетонирование ведется под-
водным способом на полную высоту оболочки.
VII.4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ БУРОВЫХ СВАЙ-СТОЛБОВ
Изготовление буровых свай-столбов слагается из бурения сква-
жин и последующего их бетонирования. В фундаментах опор мос-
тов и других сооружений с тяжелыми нагрузками применяют стол-
бы большого диаметра (0,9—3 м). Для увеличения несущей спо-
собности такие столбы в грунтах средней плотности делают
с уширенной подошвой, разбуривая уширение в забое скважины.
В скальных породах столбы обычно забуривают в скалу. Бурение
скважин, особенно большого диаметра, требует особых мер, пре-
дупреждающих обрушение грунта с их поверхности. Для удержа-
ния грунта применяют или обсадные трубы, или избыточное дав-
ление внутри скважины, заполняя ее в процессе бурения водой
или глинистым раствором.
В СССР для бурения скважин в обсадных трубах пользуются
преимущественно станками французской фирмы «Беното» и япон-
ской фирмы «Като». Устройство и работа этих станков однотипны,
отличаются они только некоторыми конструктивными деталями
и грунторазрабатывающими рабочими органами.
Буровой станок «Като» марки 20-ТН (рис. VII.24) состоит из
рамы, мачты и элементов жесткости. На раме установлены дизель-
ный двигатель, трехбарабанная лебедка и другие механизмы, а
также кабина управления (на рис. VII.24 она не показана). Для
перемещения станок снабжен гусеницами. В рабочем положении
он опирается на четыре гидравлические опоры (аутригеры)-
Погружают и извлекают инвентарную обсадную трубу (как
и в станках типа «Беното») вертикальными гидродомкратами (рис.
VII.25) с одновременным попеременном вращением трубы относи-
тельно ее оси на ±17°, благодаря чему в значительной степени
снижается трение между грунтом и трубой. Домкраты вертикаль-
ного действия развивают усилие до 56 тс при задавливании трубы
и 41 тс при извлечении. Вращают трубу горизонтальными домкра-
тами, которые сообщают обратно-поступательное движение гори-
зонтальной раме, закрепленной за трубу зажимным хомутом.
Наибольшее усилие, развиваемое горизонтальными домкратами
составляет 13,5 тс (крутящий момент 46 тс-м). Максимальное уси-
лие зажима хомута, создаваемое теми же домкратами, равно 77 тс.
По мере погружения или извлечения обсадной трубы зажимный
хомут переставляют в повое положение.
Обсадные трубы этого станка имеют диаметр 1200 мм. Они со-
стоят из секций длиной 3—6 м с двойными стенками из стальных
листов толщиной 12 мм, между которыми проложены стальные
218
16^86
Рис. VII.24. Схема бурового станка 50-ТН:
/ — масляный бак гидросистемы; 2 —дизельный двигатель; 3 — трехбарабанная лебедка;
4 — канаты буровые; 5 — вспомогательный канат; 6 — хомут обсадной трубы; 7 ротор,
#— буровая штанга; 9— воронка; 10 — отводящий рычаг
Рис, VII.25. Схема заглубления об-
садной трубы:
/--горизонтальные гидродомкраты; 2 —
вертикальные гидродомкраты; 3 — рама;
4 - зажимный хомут; 5 — обсадная труба
Грейфер сбрасывают па забой
прутки диаметром 16 мм. Сек-
ции соединяют без выступов с
помощью специальных болтов с
потайными головками. Нижняя
секция заканчивается сменным
цилиндрическим наконечником с
режущими зубьями.
Грунт в забое скважины раз-
рабатывают ударным грейфером
или ковшовым буром роторного
действия. Грейферное бурение
применяют для разработки рых-
лых и средней плотности несвяз-
ных грунтов.
Грейфер имеет форму стака-
на, внутри которого размещен
механизм раскрытия и закрытия
челюстей. Челюсти — сменные,
приспособленные для разработ-
ки грунтов различной плотности,
в раскрытом виде: резцами из
твердых сплавов его челюсти врезаются в грунт и разрушают его.
При подъеме челюсти автоматически закрываются, захватывая
породу. Роторным ковшовым буром разрабатывают связные
грунты. При роторном бурении 1ковшовый бур 1присоединяют к
вращающейся буровой штанге. Ковшовый бур представляет со-
бой цилиндрическую емкость, в нижнем торце которой закрепле-
ны наклонные ножи-фрезы. Как грейфер, так и ковшовый бур
периодически извлекают из скважины для удаления из них раз-
буренной породы.
Для разработки в конце скважины уширений станки «Като»
снабжены специальными уширителями с гидравлическим приводом.
Скальные породы разбуривают долотом ударного действия. Разно-
образный набор рабочих органов позволяет станками «Като» раз-
буривать различные грунты. Скорость бурения зависит от вида
проходимых грунтов и при грейферном бурении составляет от 3
до 5 м/ч, при роторном — до 18 м/ч. Масса станка — 31 т, мощность
дизельных двигателей — 2X65 л. с- Бурение скважин в нескольких
грунтах без обсадных труб разработано и освоено в СССР
В отечественных станках бурение роторное. Диаметр разбури-
ваемых скважин — от 0,9 до 1,7 м; диаметр уширения — соответст-
венно 2,5—3,5 м. Буровое оборудование работает от электродвига-
телей мощностью 40—90 кВт. Масса оборудования с базовой ма-
шиной 60—100 т.
В качестве базовой машины используют или полноповоротный
копер, к стреле которого закрепляют буровое оборудование (рис.
VII.26), или самоходный гусеничный кран той или иной марки
с навешиваемым буровым оборудованием. В некоторых моделях
(рис. VII.27) имеется дополнительная стрела, к которой подвеши-
220
вают грейфер, долото или бетонолитное обустройство, нужные для
извлечения и разбуривания валунов и бетонирования скважины.
Рабочим органом в этих станках служит ковшовый бур, объе-
диненный с уширителем, закрепленным на полой буровой штанге
квадратного сечения. Штанга вращается ротором со скоростью по-
рядка 10 «об/мин. Ковшовый бур емкостью до 1,5 мс — цилиндриче-
ский. В его днище закреплены ножи-фрезы. Уширитель состоит из
двух автоматически раскрывающихся и закрывающихся ножей
с резцами. Управление буровым органом гидравлическое.
Бурение начинают с укрепления устья скважины патрубком,
предохраняющим верхние слои грунта от обрушения. Патрубок
представляет собой стальную трубу, погружаемую в грунт давле-
Рис. VI 1.26. Копер с буровым обору-
дованием:
1 — полноповоротная платформа; 2 — буро-
вой орган; 3 — стрела
Рис. VI 1.27. Буровой агрегат МБС-1,7:
1 — дополнительная стрела; 2 — долото;
3—основная стрела; 4 — электромоторы;
5 — штанга; 6 — ковшовый бур; 7 — кон-
соль
221
Рис. VI 1.28. Станок ударно-канатно-
го бурения У КС-30:
1 — рама; 2 — электродвигатель; 3 — под-
косы; 4 — мачта; 5 — инструментальный
трос; 6 — подклинивающий домкрат
нием ковшового бура. При буре-,
нии на суше или с островка па-
трубок заглубляют в грунт на 1—
3 м, при бурении на акватории с
подмостей или плавучих средств—
не менее 3 м ниже дна реки с уче-
том его размыва. После этого
приступают к бурению скважины.
Бурение слагается из разбурива-
ния грунта и после наполнения
ковшового бура породой извлече-
ния его и опорожнения породы в
отвал. Для разбуривания ушире-
ния на проектном уровне посте-
пенно раскрывают ножи, которые
срезают грунт по очертанию уши-
рения. Срезанный грунт заполня-
ет ковш бура.
В глинистых устойчивых грун-
тах бурение осуществляется без
крепления скважины. В грунтах
неустойчивых — песчаных, илис-
тых и т. д. — скважины необходи-
мо крепить. Крепление скважин
достигается созданием в них из-
быточного давления. Для этого скважину заполняют водой из бли-
жайших водоемов или глинистым раствором. Глинистый раствор
обязателен при разбуривании уширений. Для поддержания избы-
точного давления уровень воды, заливаемой в скважину, должен
превышать уровень грунтовых вод или воды в акватории на 3—7 м.
Это обеспечивается соответствующим размером (высотой) па-
трубка.
Глинистый раствор, имея удельный вес, больший единицы, со-
здает избыточное давление в скважине в сторону окружающего
грунта. Кроме этого, проникая в грунтовые поры, частицы глины
закрепляют (гланизируют) поверхность скважины, создавая устой-
чивую корку толщиной 2—3 см.
Глинистый раствор должен иметь: плотность 1,05—1,35 г/см3,
вязкость 17—18 с, стабильность не более 0,05 м/см3, суточный от-
стой не более 8%, содержание песка не более 8% и осаждение пес-
ка не более 5%. Состав раствора — количество воды и глины —
подбирает, а в процессе бурения систематически контролирует по-
строенная лаборатория. Плотность раствора измеряют ареомет-
ром. Вязкость, определяемая временем истечения 500 см3 раствора
из стандартной воронки, заполненной раствором, характеризует
глинизирующие свойства раствора. Стабильность — степень водо-
отдачи— оценивается разностью плотностей нижнего и верхнего
полустолбов раствора, залитых на сутки в специальный цилиндр
с спусковым краном в середине его высоты. Суточный отстой ха-
222
Рис. VII.29. Трехперос литое долото:
1 — резцы; 2 — перо; 3 — отверстие для
концевой муфты троса
растеризует способность глинистых частиц находиться во взвешен-
ном состоянии; он оценивается по количеству чистой воды на по-
верхности раствора, залитого на сутки в мерный цилиндр. Содер-
жание песка определяют отмывкой пробы раствора, а осаждение
песка — разностью его содержания в верхнем и нижнем полустол-
бах раствора, залитых на сутки в цилиндр для определения ста-
бильности.
Для приготовления раствора желательно иметь бентонитовые
глины.
Растворы приготовляют в глиномешалках. Отработанный рас-
твор откачивают насосом в приемник для отстоя и повторного ис-
пользования.
В некоторых случаях скважины приходится крепить обсадны-
ми неизвлекаемыми трубами. Такие сваи-столбы носят название
бурообсадных. Обычно обсадкой служат железобетонные оболоч-
ки, которые погружают в пробуренную скважину вдавливанием бу-
ровым ковшом или вибропогружателем с проходным отверстием
для извлечения разбуренной породы. Бурообсадные столбы при-
меняют при необходимости заглубления их в твердые глинистые
породы или забуривания в скалу
(см. рпс. VI. 1).
Бурение скважин в скальных
породах осуществляется или стан-
ками ударного действия, или
станками вращательного (ротор-
ного) бурения. Для ударного бу-
рения скважины диаметром от 0,8
до 2,6 м пользуются станками
ударно-канатного бурения (УКС).
Станок УКС-30 (рис. VII.28),
предназначенный для разбурива-
ния скважины диаметром до 1,4 м,
состоит из рамы с расположенны-
ми на ней электромотором, лебед-
ками и другими механизмами,
мачты и подкосов жесткости. Че-
рез верхний блок мачты проходит
инструментальный трос, соеди-
ненный с долотом — рабочим ор-
ганом, с помощью которого и про-
исходит бурение. Долото пред-
ставляет собой литую стальную
конструкцию массой от 2,5 до
7,5 т в зависимости от диаметра
разбуриваемой скважины (рис.
VII.29). Внизу долото оканчива-
ется резцами; для повышения из-
носоустойчивости режущие кром-
ки резцов наваривают высоко-
223
прочными электродами ЭНХ-45. Маоса станка (без массы долота) —
около 13 т, потребляемая мощность — 40 кВт. При разбуривании
скважины долото периодически сбрасывают с высоты от 0,5 до 1м.
Долото присоединено к инструментальному тросу с односторонней
свивкой специальным замком, обеспечивающим (за счет упругой
свивки троса) поворот долота вокруг своей продольной оси: при
подъеме долота трос, растягиваясь, поворачивает долото на угол
5—10°, в момент удара трос, ослабляясь, снова завивается. Таким
образом при падении долото каждый раз дробит новый участок
Рис. VI 1.30. Схема станка РТБ-2600,
установленного на оболочке:
1 — вышка; 2 — вертлюг; 3 — турбобуры;
4 — верхние центраторы; 5 — пригруз; 6 —
иижиие центраторы; 7 — долото диамет-
ром 760 мм; 8 — долото диаметром 490 мм;
9 — лебедка; 10 — динамометр; 11 — обо-
лочка
скалы, равномерно разбуривая
скважину по всей площади тре-
буемого размера.
До разбуривания скважины
гидрощупом выявляют положе-
ние ножа оболочки по отноше-
нию к поверхности скалы и нали-
чие на ней неровностей. Гидро-
щуп представляет собой подмыв-
ную трубу, когда наконечник
трубы коснется скалы, давление
воды в трубе резко возрастает,
что позволяет зафиксировать от-
метку поверхности породы в дан-
ном месте.
Зазоры между ножом обо-
лочки и поверхностью скалы, а
также ее неровности до разбури-
вания ликвидируют укладкой там-
понажного слоя из глины или бе-
тона. При неровностях до 20 см
применяют тампонаж глиной, при
больших неровностях, а также
для предупреждения затекания в
оболочку несвязного грунта, при-
крывающего скалу, применяют
тампонаж бетоном. Глиняный
тампонаж создают забрасывая на
забой слой глины толщиной 0,3—
0,5 м и на него слой камня тол-
щиной 0,2—0,3 м. Для бетонного
тампонажа на забой, очищенный
от грунта, укладывают способом
ВПТ бетонную площадку толщи-
ной не менее 1 м. Аналогично по-
ступают при необходихмости опу-
стить оболочку через прослоек
скальной породы или ликвидиро-
вать препятствие ее погружению
(например, валун).
224
Скважину обычно разбуривают в
глинистом растворе, в котором час-
тицы скалы (шлам) находятся во'
взвешенном состоянии. Этим исклю-
чается образование упругой подуш-
ки в забое и повторное дробление
частиц, а также облегчается удале-
ние шлама из скважины. Для обра-
зования глинистого раствора в за-
бой периодически забрасывают гли-
ну слоем 0,2—0,3 м.
При бурении мергелей, доломи-
тов и других аналогичных пород, а
также скалы с глинистыми прослой-
ками надобность в глинистом раст-
воре отпадает.
Через каждые 0,3—0,5 м разбу-
ривания скважину очищают от
шлама желонкой со сферическим
клапаном.
Рис. VII.31. Общий вид станка
РТБ-2600
Если бурят скважину без глини-
стого раствора, то шлам удаляют
эрлифтом.
Контроль бурения осуществляют опуская, в скважину цилин-
дрический мерник, сваренный из листовой стали; при нормальном
ходе работ глубины погружения мерника и долота на дно забоя
одинаковы.
Ударно-контактное бурение хорошо освоено, не требует слож-
ного оборудования и больших затрат электроэнергии. Недостаток
этого способа — медленный темп работ. Так, скорость бурения
скважины диаметром 1,4 м в скальных породах прочностью до
400 кгс/см2 станком УКС-30 при долоте весом 3 тс составляет
0,05—0,16 м/ч.
Значительно производительнее станки вращательного бурения.
В мостостроении применяют станки реактивно-турбинного бурения
(РТБ), с помощью которых забуривают в скалу оболочки диамет-
ром 1—3 м. Станок РТБ-2600 для бурения скважин диаметром
2,6 м (рис. VII.30, VII.31) состоит из рамы, устанавливаемой на
оболочке, и бурильного аппарата, подвешенного к раме с помощью
вертлюга.
Рабочим органом агрегата служат турбобуры, в нижних
концах которых закреплены шарошечные долота. Из четырех тур-
бобуров одновременно работают три: один внутренний с долотом
диаметром 750 мм и два наружных с диаметром долот 420 мм;
четвертый турбобур — резервный. Для увеличения контактных дав-
лений шарошек на забой турбобуры дополнительно к собственному
весу пригружены грузами.
Вода, поступающая в турбобуры, вращает долото в одну сто-
рону со скоростью 500—800 об/мин; выходя из турбобуров, вода
225
встречает реактивное Сопротивление наружной среды (тоже воды),
которая вращает весь агрегат в противоположном направлении со
скоростью 10—40 об/мин. В результате шарошки разрушают скалу
по всей площади забоя.
В процессе бурения мелкие частицы шлама выносятся за пре-
делы оболочки водой, выходящей из сопел долот; крупные облом-
ки скалы удаляют эрлифтом.
Для центрирования агрегата к его внешним турбобурам за-
крепляют центраторы в виде стальных цилиндров, которые сво-
бодно перекатываются по внутренней поверхности сооружаемой
оболочки.
Для работы турбобуров необходима подача воды в количестве
70—90 л/с при давлении 100—ПО кгс/см2. Потребная мощность
двигателя при этом составляет для агрегатов различных марок
от 170 до 540 л. с. (125—400 кВч). Масса агрегатов — от 13
до 40 т.
Производительность бурения зависит главым образом от проч-
ности разбуриваемой породы. Так, на одном из построенных в по-
следние годы мостов при бурении станком РТБ-2600 скалы проч-
ностью до 1400 кгс/см2 средняя скорость проходки скважины со-
ставила 0,6 м в час.
Для снижения энергоемкости агрегатов типа РТБ перспектив-
но колонковое бурение, при котором разбуривается только кольце-
вая выточка, после чего подразделяется керн неразрушенной ска-
лы. Такое оборудование уже создается.
После бурения скважину тщательно очищают от наплывшего
грунта и шлама. Особое внимание при этом обращают на очистку
основания скважин. Скважины, пробуренные без обсадных труб,
а также станками «Като», зачищают ковшовым буром. В скальных
породах шлам удаляют желонками и эрлифтами. Крупные облом-
ки скалы удаляют грейферами, прибегая в редких случаях к водо-
лазным работам.
Размеры подготовленных скважин проверяют мерниками и пос-
ле комиссионной приемки и установки арматурных корнизов бето-
нируют способом ВПТ..
VII .5. СООРУЖЕНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
На местности, свободной от воды, сваи погружают после разработ-
ки котлована.
При достаточно прочных и сухих грунтах копровое и крановое
оборудование для забивки свай может быть расположено на дне
котлована, что значительно упрощает погружение свай. Однако
при таком способе работ для свободного размещения и маневри-
рования оборудования приходится увеличивать размеры котлова-
на в плане. При постройке опор мостов, фундаменты и котлованы
которых имеют сравнительно небольшие размеры, сваебойное обо-
рудование чаще располагают в уровне поверхности грунта.
226
Рис. VI 1.32. Технологические схемы забивки свай:
1 — шпунт; 2 — молот; 3 — свая; 4 — подмости; 5 — шпальные клетки; 6 — подкопровый мо-
стик; 7 — тележка; 8—рельсовый путь; 9 — понтоны; 10— лебедки; 11— якорные тросы
При забивке свай самоходным краном с навесными копровыми
стрелами кран перемещается по бровке котлована (рис. VII.32,а).
Грузоподъемность крана при наибольшем вылете стрелы, обеспе-
чивающем забивку свай фундамента, определяется суммарным
весом сваи, молота и навесного оборудования. При использовании
копров котлованы небольшой ширины (до 5—6 м) могут быть пе-
рекрыты подмостями (рис. VII.32, б). Копер часто располагают
на инвентарном передвижном подкопровом мостике (рис.
VII.32, в).
Подкопровый мостик устанавливают на тележки, которые
перемещаются по рельсовым путям, уложенным на поверхно-
сти земли вдоль стенок котлована, копер же передвигается на ро-
ликах вдоль мостика.
Это значительно облегчает установку копра в рабочее поло-
жение для забивки очередных свай. Рельсовые пути для переме-
щения мостика обычно укладывают вдоль продольной оси моста,
обеспечивая передвижение всей копровой установки от фундамен-
та одной опоры к фундаменту другой.
227
На реках при глубине воды до 1—2 м сваи погружают теми же
способами. Для размещения оборудования используют перемычки
или специально сооружаемые вокруг котлована подмости. Прн
глубине воды более 2—3 м сваебойное оборудование располагают
на плавучих средствах: понтонах, баржах, плашкоутах. Во время
работы плавучие средства жестко крепят на якорях тросами.
Если забивке свай не мешает ограждение котлована, то копер
может быть установлен на барже или понтоне так, чтобы его стре-
ла выходила за борт. Однако расположение стрелы за бортом ухуд-
шает условия устойчивости плавучей системы; кроме того, при ус-
тановке сван и молота возникают крены, что затрудняет погруже-
ние свай точно по проекту. При огражденном котловане копер мо-
жет быть расположен на подкопровом мостике, неподвижно за-
крепленном на понтонах (рис. VII.32, г). В этом случае вдоль кот-
лована всю плавучую систему перемещают тросами, соединенными
с якорями; поперек котлована копер перемещают на роликах или
тележках по подкопровому мостику.
Возможно также неподвижное расположение плавучей систе-
мы, собранной из большого числа понтонов. Оборудование для по-
гружения сваи устанавливают на подвижные средства, например
подкопровые мостики на тележках (см. рис. VII.32, в). При боль-
ших объемах работ иногда прибегают к установленным на плаш-
коуты козловым кранам, которые обеспечивают механизацию всех
работ по возведению опоры моста. При креплении котлована сталь-
ным шпунтом можно расположить копер на подкопровом мостике,
перемещающемся по рельсам, уложенным вдоль продольных шпун-
товых стен. В этом случае вес копра и мостика передается на
шпунты и необходимость в плавучих средствах отпадает.
При глубине воды более 2—3 м сваи погружают через каркасы.
Рис. VI 1.33. Последовательность погружения свай в каркасах:
/ — опускание каркаса! /7 —забивка маячиых свай; /// — забивка шпунта; /V—забивка
свай; V — эрлифтироваиие грунта; V/— бетонирование фуидумеита; / — каркас; 2 —маяч-.
ная свая; 3 — вибропогружатель; 4 — шпуит; 5 — эрлифт; 6—подводный бетон
228
Рис. VI 1.34. Схемы устройства плиты фундамента, расположенной выше дна реки
Если свайный фундамент возводят в каркасах с плитой, заглуб-
ленной в грунт (рис. VII.33), то вначале собранный каркас достав-
ляют по воде на плавучих средствах (понтонах) к месту установки.
После установки каркаса в проектное положение забивают ан-
керные сваи, к которым крепят каркас. Далее вокруг каркаса за-
бивают стальной шпунт, а затем через ячейки каркаса погружают
сваи. После забивки свай подвод-
ным способом разрабатывают
грунт и укладывают тампонаж-
ный слой бетона. Остальные ра-
боты ведут после откачки воды.
По мере кладки фундамента кар-
кас разбирают.
Если плита расположена выше
дна реки, то на месте устройства
фундамента может быть намыт
островок (рис. VII.34, а), на ко-
торый опускают бездонный ящик
с последующей укладкой тампо-
нажного бетонного слоя. При зна-»
чительных скоростях течения во-
ды работы ведут в шпунтовых
ограждениях, которые заполняют
песком на необходимую глубину
(рис. VII.34, б). Возможно также
бетонирование плиты на весу в
перемычке, подвешенной к кар-
касу (рис. VII. 34, в). В этом слу-
чае в днище опалубки оставляют
отверстие для пропуска свай; за-
зоры между сваями и днищем
перед укладкой подводного бе-
тона тщательно заделывают во-
долазы.
Вместо перемычки и каркасов
иногда применяют железобетон-
Рис. VII.35. Схема механизма СП-37
ддя срубки железобетонных свай:
1 — гидродомкрат (200 тс); 2 — электромо-
тор; 3 — гидронасос; 4 — рама; 5 — клинья;
6 — свая; 7 — рама
229
Рис. VI 1.36. Технологические схемы погружения оболочек:
I установка оболочки; // — погружение оболочки;
жате.пье^ОВ°пп^аИ’ 2'Гоболочка; 3 — направляющий каркас; 3— балласт; 5 — вибропогру-
жатель, 6 — плашкоут; 7 — козловой край; 8 — лебедки «vpuirorpy
Hbte кондукторы (см. рис. VII.18), включаемые в состав плиты
фундамента.
После погружения свай их верхние концы обычно располага-
ются на разных уровнях и сваи приходится срубать под проектную
отметку. Срубка железобетонных свай часто выполняется отбой-
ными молотками, на что расходуется значительное количество тру-
да и времени. Для механизации этих работ существуют специаль-
ные механизмы, например марки СП-37 (рис. VII.35), имеющие
остроконечные клинья, которые раскалывают бетон сваи. В сваю
клинья вдавливаются гидравлическими домкратами. Концы арма-
туры срезают газовой резкой.
Оболочки обычно погружают через направляющие устройства.
На сухой местности, а также при работе с островков такими
устройствами служат направляющие каркасы, собираемые из уни-
версальных инвентарных металлических конструкций (рис.
VII.36, а).
При глубине воды более 3—4 м оборудование для погружения
оболочек и других работ располагают на плавучих средствах
большой грузоподъемности (рис. VII.36, б).
Плавучую систему собирают из понтонов типа КС-30 таким
образом, чтобы она могла охватить все оболочки в плане и быть
заведена на место работ вдоль продольной стороны фундамента.
На понтонах устанавливают, как правило, козловой кран гру-
зоподъемностью 30—45 т, гусеничный кран грузоподъемностью 5—
10 т, насосную установку и компрессор. Козловой кран служит для
опускания каркаса, установки в его ячейки оболочек, установки на
оболочки вибропогружателей и других грузоподъемных операций;
более легкий гусеничный стреловой кран обеспечивает остальные
работы: эрлифтирование и экскавацию грунта, установку бетоно-
литных труб и пр.
Для бурения скальных пород станки УКС располагают на по-
груженных оболочках или на специальных прочных подмостях.
При большом числе опор для устройства плиты выгодно при-
менять съемные перемычки.
Погруженные оболочки частично или полностью заполняют бе-
тонной смесью способом ВПТ, после чего бетонируют водозащит-
ную подушку. Остальные работы ведут насухо, откачав воду из
котлована (перемычки).
Глава V11L
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СВАЙ
VII1 .1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Несущая способность сваи — наибольшее силовое воздействие,
которое может воспринять свая, — зависит от прочности (трещи-
ностойкости) материала сваи и несущей способности грунтов, в ко-
торые она погружена.
Несущая способность по материалу определяется расчетом
прочности и трещиностойкости сваи при действии на нее продоль-
ных и поперечных сил и изгибающих моментов. Эти расчеты вы-
полняют по правилам расчета строительных конструкций, изучае-
мых в соответствующих курсах.
Несущая способность Ф сваи по грунту при действии централь-
но приложенной вдавливающей силы слагается из сопротивления
грунта Фн под ее нижним концом и сопротивлением грунта Фб по
боковой поверхности сваи, т. е.
Ф=Фн + Фб. (VIII. 1)
В уровне торца сваи сопротивление грунта под нижним кон-
цом сваи и боковое сопротивление распределяются по площади
круга радиуса (14-4)d, где d — толщина сваи (рис. VIII.1, а).
В расчетах схему давления на грунт упрощают и при расчетах не-
сущей способности сваи сопротивление под нижним концом прини-
мают равномерно распределенным по площади торца сваи (рис.
VIII.1» б).
В висячих сваях сопротивление грунта под торцом зависит от
способа погружения сваи. В забивных сваях под их торцом обра-
зуется ядро из уплотненного грунта, как бы увеличивающее пло-
щадь опирания сваи на грунт. Размеры ядра не поддаются точному
определенно — их учитывают увеличением расчетных сопротивле-
ний под торцом забивной сваи. В сваях-оболочках, погружае-
мых с извлечением грунта из их полости, а тем более в буровых
сваях уплотненное ядро не образуется и грунт в уровне их опира-
ния существенно не изменяет своего природного сложения.
Очевидно, чем плотнее грунт, тем больше величина сопротив-
ления грунта под нижним концом сваи, которое в надежно погру-
женной свае составляет 60—70% всей несущей способности.
Боковое сопротивление возникает между грунтом и прочно свя-
занной с поверхностью сваи «грунтовой рубашкой» (толщина 1—
2 см). Этим объясняется, что боковое сопротивление практически
не зависит от материала сваи. Оно слагается из внутреннего тре-
ния грунта, пропорционального нормальному давлению на данной
глубине, и сил сцепления. Так как нормальное к поверхности сваи
давление грунта с глубиной увеличивается, то и трение с глубиной
232
Рис. VIII.1. Схемы передачи сваей
нагрузки грунту
возрастает. Боковое сопротивле-
ние также зависит от вида свай:
при забивных сваях, когда окру-
жающий грунт уплотняется, тре-
ние больше.
Как показывают исследова-
ния, при постепенном нагружении
сваи сначала развивается сопро-
тивление грунта под ее торцом и
лишь после осадки головы сваи
на несколько миллиметров проис-
ходит срыв сцепления и по по-
верхности сваи развивается со-
противление, обусловленное пре-
имущественно величиной внутрен-
него трения грунта. При опирании
сваи на несжимаемый грунт, на-
пример, скалу, осадка сваи отсут-
ствует и тогда боковое сопротивление не учитывается (Фб = 0).
Боковое сопротивление может быть положительным и отрица-
тельным. При вдавливающей нагрузке положительное сопротивле-
ние направлено снизу вверх, в сторону, противоположную дейст-
вия нагрузки, и увеличивает несущую способность сваи. Отрица-
тельное сопротивление возникает, когда окружающий грунт по тем
или иным причинам смещается вниз по отношению к погруженной
свае. Такое смещение наблюдается, если пригрузить поверхность
грунта дополнительной нагрузкой, например насыпью у устья мо-
ста, а также, когда в толще грунта имеются слои легкосжимаемых
грунтов, например торфа. Во всех этих условиях грунт зависает
на свае и дополнительно нагружает ее.
Кроме вдавливающей продольной нагрузки, на сваю может
действовать выдергивающая сила. Несущая способность сваи в
этом случае создается только боковым сопротивлением грунта и
определяется формулой
Фв= Фб, (VIII.2)
где — несущая способность сваи на выдергивание.
В сваях с уширенным нижним концом выдергивания сопротив-
ляется также грунт, расположенный над уширением. Однако рабо-
та сваи в этих условиях изучена еще недостаточно, и поэтому в
расчетах сопротивление грунта над уширением не учитывают.
При поперечных (горизонтальных) нагрузках сваю рассматри-
вают как стержень той или иной жесткости, погруженный в упру-
гую среду — грунт. Так как горизонтальные перемещения фунда-
ментов ограничены (1—3 см), то представляется возможным грунт
рассматривать как среду с линейной зависимостью между ее со-
противлением и перемещением в рассматриваемом уровне. За пре-
дельное сопротивление грунта при этом принимается его пассив-
ный отпор по теории Кулона.
233
В фундаментах располагают, как правило, большое число
свай, достигающее несколько десятков. Группу свай в фундаменте
принято называть «кустом».
В кусте сваи располагают на расстоянии между осями в две-
три их толщины (см. п, VI.5). При таком расстоянии напряженные
зоны грунта вокруг свай накладываются друг на друга и давление
на грунт в уровне нижних концов свай возрастает по сравнению
с одиночной сваей (рис. VIII.2). Суммарные давления на грунт,
передаваемые кустом свай, не должны превышать расчетных со-
противлений грунтов в основании свайного фундамента как еди-
ного грунто-свайного массива.
Суммарные давления под торцами свай создают напряженное
состояние грунта, определяющее осадку фундамента. Осадка будет
тем больше, чем больше добавочное давление под сваями и чем
больше размеры фундамента в плане, т. е. чем больше число свай
в кусте. Осадка куста всегда больше осадки одиночной сваи, так
как активная зона грунта под одиночной сваей всегда меньше ак-
тивной зоны под кустом свай.
При расчетах свайных фун-
даментов исходят из несущей
способности по грунту отдель-
ной сваи в кусте и несущей
способности всего куста свай,
рассматривая последний как
фундамент глубокого заложе-
ния (см. п. IX.4).
Несущая способность сваи
по грунту Ф определяется ана-
литическим методом и испыта-
ниями свай в грунтовых усло-
виях строительной площадки.
Все большее применение нахо-
дит зондирование грунтов, с
помощью которого достаточно
достоверно находят сопротив-
ления грунта в уровне нижних
концов свай и по их боковым
поверхностям.
Испытанию подвергают от-
дельные сваи в соответствии с
требованиями ГОСТ 5686—78.
В результате испытания нахо-
дят нормативное предельное
сопротивление сваи Ф"р. Несу*
щая способность сваи в фун-
даменте
Ф"
Ф=т-^, (VIIL3)
Л*Г
Рис. VIII.2. Схемы работы свайных
фундаментов:
а — напряженная зона под кустом свай;
б — активная зона под кустом свай; е —
активная зона под одиночной сваей
234
где tn — коэффициент условия работы, равный 1,0 при испытании вдавливаю-
щей или горизонтальной нагрузкой и равный 0,8 — при выдергиваю-’
щей нагрузке;
Ф"р — нормативное предельное сопротивление сваи;
кг — коэффициент запаса по грунту.
Если испытывают в одинаковых грунтовых условиях менее ше-
сти свай, то нормативное предельное сопротивление принима-
ют равным наименьшему предельному сопротивлению, получен-
ному при испытании свай, т. е.ф"р = фпр.т1П и коэффициент кг= 1.
Если испытывают шесть или более свай, то ф„р. и кг находят пу-
тем статистической обработки частных значений предельных
сопротивлений ФПр свай (по ГОСТ 20522—75), полученных при ис-
пытаниях (см. п. V1II.3).
VIII.2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ
НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАЙ
Аналитический метод определения несущей способности свай по
грунту основан на большом числе испытаний сваи в различных
грунтовых условиях и определения (на основе анализа) сопротив-
лений грунта под торцом и по боковой поверхности свай. В этом
направлении была проведена большая работа д-ром техн, наук
А. А. Лугой.
По аналитическому методу сопротивление грунта под нижним
концом и по боковой поверхности сваи рассматривают независимо
друг от друга, что позволяет суммировать их и выражать несущую
способность сваи формулами, аналогичными по построению фор-
муле (VIII.1). Такой подход к решению этой задачи принят в боль-
шинстве стран. Ниже излагается метод, принятый в СССР и осно-
ванный на теории расчета сооружений по предельным состояниям.
Несущая способность сваи по грунту зависит от вида сваи и
грунтов, в которые она погружена.
При опирании свай на практически несжимаемые
грунты
Ф=тЯГ, (VIII. 4)
где т— коэффициент условия работы, принимаемый равным 1,0;
R— расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, тс/м3;
F — площадь опирания сваи на грунт, принимаемая: для свай сплошного
сечения и полых с закрытым нижним концом равной площади попереч-
ного сечения сваи (по наружному контуру); для полых свай с откры-
тым нижним концом и свай-оболочек равной площади сечения стенок;
для полых свай и свай-оболочек, если их полости заполнены внизу бе-
тоном на высоту не менее трех диаметров сваи (оболочки), полной
площади поперечного сечения (по наружному контуру), м2.
Для забивных свай всех видов, опирающихся на скальную не-
разрушенную выветриванием породу, крупнообломочные грунты
с песчаным заполнением или глинистые грунты твердой консистен-
9*
235
ции, К=2000 тс/см2. Для свай-оболочек, равномерно опираемых на
прочную скальную породу, прикрытую слоем неразмываемого
грунта толщиной не менее трех диаметров оболочки,
/?н
(VIII.5)
Для буронабивных свай, свай-оболочек
ланных в невыветренную скальную породу
0,5 м,
и свай-столбов, заде-
на глубину не менее
(VIII. 6)
Здесь — нормативное значение временного сопротивления скальной
породы в водонасыщенном состоянии на одноосное сжатие,
тс/м2;
кт — коэффициент запаса по грунту, равный 1,4;
Лз — глубина заделки» м;
da — диаметр заделанной части сваи, м.
Формула (VIII.6) основана на экспериментальных исследова-
ниях.
При других грунтовых условиях — сильно трещиноватой или вы-
ветрелой породы, породы с .прослойками нескальных грунтов и
прочих — нормативное сопротивление Л сж определяют штамповы-
ми испытаниями грунтов или испытаниями опытных свай статиче-
ской нагрузкой.
Несущая способность забивных висячих свай (свай, по-
груженных в сжимаемые грунты) толщиной не более 0,8 м на осе-
вую вдавливающую нагрузку
Ф = RF + и 2 di)»
(VIII. 7)
где пг— коэффициент условия работы, принимаемый равным I;
R — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи
(табл. VII 1.1), тс/м2;
F— площадь поперечного сечения сваи (по наружному контуру), а при
камуфлетном уширении площади поперечного сечения уширения по
его наибольшему диаметру, м2;
и — наружный периметр поперечного сечения сваи, м;
fi — расчетное сопротивление i-ro слоя грунта по боковой поверхности
сваи (табл. VIII.2), тс/м2;
It — толщина i-ro слоя грунта, м;
Шд, ш/ — коэффициенты условия работы грунта соответственно под нижним
концом и по боковой поверхности сваи (табл. VII1.3).
Коэффициенты условия работы гпт и rrif учитывают независимо
друг от друга и перемножают. Так, например, для полой сваи с
диаметром полости более 40 см, погруженной в суглинки вибропо-
гружателем;
0’8 • 0,7= 0,56;
0,9 • 1 = 0,9.
236
Таблица VIII.l
Песчаные грунты средней плотности
Глубина погружения нижнего конца сваи, м граве- листые крупные — средней крупности мелкие пылеватые —
Глинистые грунты с показателем консистенции
0 ОД 0,2 0,3 0,4 0.Б 0,6
Расчетные сопротивления Rt тс/м1
3 750 660 400 300 310 200 200 120 ПО 60
4 830 680 510 380 320 250 210 160 125 70
5 880 700 620 400 340 280 220 200 130 80
7 970 730 690 430 370 330 240 220 140 85
10 1050 770 730 500 400 350 260 240 150 90
15 1170 820 750 560 440 400 290 165 100
20 1260 850 620 480 450 320 180 НО
25 1340 900 680 520 350 195 120
30 1420 950 740 560 380 210 130
35 1500 1000 800 600 410 225 140
Примечания. 1. Для значений R, указанных дробью, числитель относится к пес»
«ам, знаменатель к глинам.
2. Для плотных песчаных грунтов, плотность которых определена статическим зонди-
рованием, значение R для свай, погруженных без подмыва или лидерных скважин, увели-
чивается в 2 раза, а при отсутствии зондирования в 1,6 раза, но не более чем до 2000 тс/мя.
Глубину расположения нижнего конца сваи для определения R
{см. табл. VIII.l) и глубину расположения середины i-ro слоя грун-
та для определения ft (см. табл. VIII.2) принимают от дна водо-
тока после общего размыва при расчетном паводке, а на сухой ме-
стности (суходолах и пр.) от уровня природного рельефа, если
срезка, подсыпка или намыв территории не превышают 3 м (рис.
VIII.3, а); если же срезка, подсыпка или намыв составляют от 3
до 10 м, то принимают от условного уровня, расположенного соот-
ветственно на 3 м выше уровня срезки или на 3 м ниже уровня под-
сыпки (рис. VIII.3, б).
237
Таблица VIII.2
Средняя глубина располо- жения слоя грунта, м Песчаные грунты средней плотности
крупные я средней крупности мелкие пылеватые — — — —
Глинистые группы с показателем коигмсте**иин J£
0.2 0,3 0.4 0.5 0,6 L.7 0 * 0 * 1,0
Расчетное сопротивление /*. на боковой поверхности свай и свай-оболочек тс/м8
1 2 3 4 5 б 8 10 15 20 25 30 35 3,5 4,2 4,8 5,3 5,6 5,8 6,2 6,5 7,2 7,9 8,6 9,3 10,0 2,3 3,0 3,5 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 5,1 5,6 6,1 6,6 7,0 1,5 2,1 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,4 3,8 4,1 4,4 4,7 5,0 1,2 1,7 2,0 2,2 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 0,8 1,2 1,4 1,6 1,7 1,8 1,9 1,9 2,0 2,0 2,0 2,1 2,2 0,4 0,7 0,8 0,9 1,0 1,0 1,0 1,0 1,1 1,2 1,2 1,2 1,3 0 4 0,5 0,7 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,9 0,9 0,3 0,4 0,6 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,8 0,8 0,2 0,4 0,5 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,7 0,7
Примечание. Расчетные сопротивления Ц для плотных песчаных грунтов нужно
увеличивать на 30%.
Сопротивление fi находят для середин однородных слоев грунта
толщиной не более 2 м и суммируют по всей толщине грунтов, прой-
денных сваей.
Если в пределах погружения сваи имеются слои торфа толщи-
ной более 0,3 м и возможна подсыпка территории или иная ее
загрузка, то значения fi для грунтов, расположенных выше подош-
вы наинизшего слоя торфа, принимают: при подсыпке до 2 м — для
грунтов подсыпки и торфа равными нулю, а для минеральных пла-
стов природного грунта — положительным значениям по табл.
VI1I.2; при подсыпках от 2 до 5 м — для минеральных пластов при-
родного грунта <и подсыпки значениям по табл. VIII.2 с коэффици-
ентом минус 0,4 тс/м2, а для торфа — минус 0,5 тс/м2; при подсып-
ках более 5 м для минеральных пластов природного грунта и под-
сыпки— по табл. VIII.2 со знаком минус, а для торфа — минус
0,5 тс/м2.
Несущую способность буровых свай (набивных и буро-
опускных) п свай-оболочек, опирающихся на сжи-
маемые грунты, определяют с учетом некоторого разуплотне-
ния грунтов, так как их изготавливают с удалением грунта из сква-
жины или полостей оболочек. Несущую способность таких свай
тоже находят по формуле (VIII.7), но с следующими значениями
входящих в нее величин.
238
Коэффициент tn условия рабо-
ты принимают равным 0,8 при
опирании сваи на покровные гли-
нистые грунты со степенью влаж-
ности G>0,85 и на просадочные
грунты, а в остальных случаях
т=1. Коэффициент условия ра-
боты mR принимают равным 1 во
всех случаях, кроме свай с каму-
флетным уширением, для которых
япд=1,3, и свай с уширенной пя-
той, бетонируемой подводным
способом, для которых тл=0,9.
Рис. VII 1.3. Схемы к расчету несу-
щей способности сваи по грунту
Таблица VIIL3
Коэффициент Коэффициент
условия работы условия работы
Способы погружения свай грунта Способы погружения свай грунта
и виды грунтов mR и вицы грунтов mR "7
Погружение забивкой 1.0 1,0 Вибропогружение в
сплошных и полых с за- глинистые грунты с по-
крытым концом свай ме- казателем консистенции
ханическими, паровоз- /l=0,5: 0,9 0,9
душными и дизельными супеси
молотами 0,5 суглинки 0,8 0,9
Погружение забивкой 1.0 глины 0,7 0,9
в лидерные скважины с То же, в глинистые с 1,0 1,0
последующим заглуб- показателем консистен-
лением ниже забоя сква- ции /г^О
жины не менее 1 м при Погружение забивкой
диаметре скважины, рав- любыми молотами по-
ном стороне квадратной лых свай с открытым
сваи 0,6 нижним концом при диа-
То же, на 5 см мень- 1,0 метре полости: 1.0 1,0
шем стороны квадратной 40 см и менее
сваи 0,9 более 40 см 0,7 1,0
Погружение с подмы- 1.0 Сваи с камуфлетным
вом в песчаные грунты с уширением иа глубине
добивкой сваи без под- 10 м и более в песчаных
мыва на последнем, мет- грунтах средней плотно-
ре погружения сти и в глинистых грун-
Вибропогружение в тах консистенции
пески средней плотности: 1.0 ^0,5 при диаметре уши-
крупные и средней 1,2 рения: 0,9
крупности 1,0 1,0 м независимо от 1,0
мелкие 1,1 грунтов 0,8
пылеватые 1,0 1,0 1,5 м в песках и су- 1,0
песях
1,5 м в суглинках и 0,7 1,0
глинах
Примечание. Коэффициенты и т? при вибропогруженни в глинистые грунты
консистенции 0,5>/£>0 определяются интерполяцией.
239
Таблица VHI.4
Вид и способ устройства свай Коэффициент условия работы
Песок ’ Супеси Суглинок Глина
Буронабивные бетонируемые: при отсутствии воды в скважине 0,7 0,7 0,7 0,6
под водой или глинистым рас- 0,6 0,6 0,6 0,6
твором Сваи-оболочки, погружаемые ви- 1,0 0,9 0,7 0,6
брированием с выемкой грунта Сваи-столбы 0,7 0,7 0,7 0,6
Рис. VI11.4. Схема
к учету бокового
сопротивления
свай (столбов) с
уширенной пятой
Коэффициент условия работы mj принимают по табл. VIIL4.
Площадь F опирания сваи принимают равной: для свай-столбов
и свай без уширения нижнего конца — площади поперечного сече*
ния сваи; для свай с уширением (пятой) —площади поперечного
сечения уширения по его наибольшему диаметру; для свай-оболо-
чек, заполненных бетоном,— площади поперечного сечения оболоч*
ки (по наружному контуру); для свай-юболочек с грунтовым ядром
без бетонного заполнения полости оболочки — площади поперечно-
го сечения стенок.
Периметр и принимают равным периметру скважины, обсадной
трубы или сваи-оболочки. Расчетное сопротивление fi принимают
по табл. VIII.2; при этом для столбов с уширенной пятой сопротив-
ление fi в несвязных грунтах учитывают только
на участке от верха столба до уровня пересече-
ния поверхности столба с поверхностью вообра-
жаемого конуса, построенного на уширении как
на диаметре с образующей наклонной к оси стол-
ба под углом 0,5 <рь где (pi — среднеарифметиче-
ское расчетное (по первому предельному состоя-
нию) значение угла внутреннего трения грунтов,
залегающих в пределах конуса (рис. VIII.4). В
связных грунтах сопротивление fi учитывают по
всей длине столба.
Расчетное сопротивление R грунта в основа-
нии бурового (набивного и буроопускного) стол-
ба без уширения или с уширением и сваи-обо-
лочки, погруженной с удалением грунта из ее
полости и последующим заполнением нижней
части полости бетоном на высоту не менее трех
ее диаметров, принимают равным следующим ве-
личинам:
при опирании на крупнообломочные грунты с
песчаным заполнением и на песчаные грунты бу-
рового столба и оболочки, погруженной с удале-
нием грунта до ее ножа,
R = 0,65₽ (yJ d4+oYiAB£), [(VIK.8a>
240
а в случае оболочки, погруженной с сохранением внизу ненарушен
ногб ядра грунта высотой не менее 0,5 м.
Л = р (Yj + ayjftB®),
(VIII. 86)
где a, Р, и В® — безразмерные коэффициенты, принимаемые по табл. VIII.5
в зависимости от расчетного значения угла внутреннего
трения qpi грунта основания;
Yi — расчетный объемный вес грунта основания с учетом взве-
шивания в воде, тс/м2;
Yi—осредненный по слоям расчетный вес грунтов, располо-
женных выше нижнего конца столба (его уширения) или
оболочки, тс/м3;
d — диаметр столба или его уширения, м;
h — глубина заложения нижнего конца столба или его уши-
рения, считая от природного рельефа или отметки срез-
ки, а в русле рек — от дна с учетом его общего размыва
при расчетном паводке, м.
Формулы (VIII.8) исходят «из предельного состояния несвязных
грунтов, нагруженных равномерно вертикальной нагрузкой.
При опирании буронабивной или буроопускной сваи с ушире-
нием и без уширения, а также сваи-оболочки с заполненной поло-
стью бетоном на глинистые грунты расчетное сопротивление при-
Таблица VIII.5
Обозначение коэффициента h d Расчетный угол внутреннего трения у , град
23 25 27 29 31 33 35 37 39
— 9,5 12,6 17,3 24,4 34,6 48,6 71,3 108,0 163,0
в° к — 18,6 24,8 32,8 45,5 64,0 87,6 127,0 185,0 260,0
a 4 0,78 0,79 0,80 0,82 0,84 0,85 0,85 0,86 0,87
a 5 0,75 0,76 0,77 0,79 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85
a 7,5 0,68 0,70 0,71 0,74 0,76 0,78 0,80 0,82 0,84
a 10 0,62 0,65 0,67 0,70 0,73 0,75 0,77 0,79 0,81
a 12,5 0,58 0,61 0,63 0,67 0,70 0,73 0,75 0,78 0,80
a 15 0,55 0,58 0,61 0,65 0,68 0,71 0,73 0,76 0,79
a 17,5 0,51 0,55 0,58 0,62 0,66 0,69 0,72 0,75 0,78
a 20 0,49 0,53 0,57 0,61 0,65 0,68 0,72 0,75 0,78
a 22,5 0,46 0,51 0,55 0,60 0,64 0,67 0,71 0,74 0,77
a >25 0,44 0,49 0,54 0,59 0,63 0,67 0,70 0,74 0,77
P при d<0,8 м •' 0,34 0,31 0,29 0,27 0,26 0,25 0,24 0,23 0,22
f при J—4 м — 0,25 0,24 0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 0,18 0,17
Примечание. Для промежуточных значений , hjd и d коэффициенты определя-
ют по интерполяции.
241
Таблица VIIL6
Глубина заложения нижнего конца сваи, м Расчетные сопротивления тс/мв, глинистых грунтов с показателем консистенции Jравным
0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
3 85 75 65 50 40 30 25
5 100 85 75 65 50 40 35
7 115 100 85 75 60 50 45
10 135 120 105 95 80 70 60
12 155 140 125 110 95 80 70
15 180 165 150 130 ПО 100 80
18 210 190 170 150 130 115 95
20 230 210 190 165 145 125 105
30 330 300 260 230 200 ——
40 450 400 330 300 250 —— —
нимается «по табл. VII1.6. Для фундаментов опор мостов приведен-
ные в табл. VIII.6 значения R повышают на 1,5 ywhB (где hB— тол-
щина слоя воды от меженного уровня до уровня размыва при рас-
четном паводке, м) и умножают на коэффициент те=0,6 при по-
ристости грунта е=1,1 и на тв=1,0 при пористости е^0,6 (при
промежуточных значениях е коэффициент тв находят по интерпо-
ляции).
Если сваю-оболочку не заполняют бетоном, но сохраняют грун-
товое ядро высотой не менее 0,5 м, то при всех грунтах ее прирав-
нивают свае толщиной не более 0,8 м и расчетное сопротивление
R принимают по табл. VIII.1 с учетом коэффициента условия рабо-
ты по табл. VIII.3 (как для вибропогружения).
Формулы (VIII.8) применимы в тех случаях, когда нижние кон-
цы свай или их уширения заглублены в грунт, принятый за осно-
вание на глубину не менее диаметра сваи (уширения), но не ме-
нее 2 м.
Несущая способность сваи на выдергивание во всех случаях
Фв= ти 2 mjfili, (VII.9а)
где т, и, т/, ft и h — те же, что в формуле (VIII.7).
VIII.3. ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИЧЕСКИЕ
ИСПЫТАНИЯ СВАИ
Определение несущей способности свай путем динамиче-
ских испытаний основано на зависимости между энергией,
расходуемой сваебойным снарядом на погружение сваи в грунт, и
ее несущей способностью. Метод был разработан в 1917 г. проф.
Н. М. Герсевановым для молотов одиночного действия и впослед-
ствии распространен на другие виды сваебойных снарядов.
242
При забивке сваи энергия Э удара молота расходуется на со*
противление грунта погружению сваи и на непроизводительные по-
тери— нагрев, трение в механизмах, упругие деформации ствола
сваи и грунта и пр. Если от одного удара погружение (отказ) сваи
равен £ф, то
Э — Фпр£ф + ЭпоГ»
где Фпр — предельное сопротивление сваи;
Эпот — непроизводительные потери энергии.
Отсюда можно определить если в процессе забивки заме-
рить отказ еф или же по известной из проекта фундамента необхо-
димой несущей способности сваи фпр найти отказ ео и забивать
сваю на такую глубину, при которой действительный отказ еф бу-
дет равен или меньше вычисленного е0.
Из решения уравнения относительно фпР» учитывая потери
энергии, получена формула предельной несущей способности сваи
по грунту____________________________________________
4 Эр Qn +
" " • • • “ . -
nF €ф Qn + q
(VIII ЛОа)
Из этой формулы следует выражение для расчетного отказа е0,
при котором обеспечивается требуемая несущая способность сваи
пРЭрМ
Qn 4- &д
Qn + q
(VIIIЛ Об)
ири Эр—QH.
Зресь F — площадь ствола сваи брутто, м2;
п — коэффициент, зависящий от материала сваи, принимаемый рав-
ным 150 тс/м2 для железобетонных свай с наголовником,
100 тс/м2 для деревянных свай и 500 тс/м2 для стальных свай с
наголовником;
Qn — полный вес молота или вибропогружателя, тс;
Q — вес ударной части молота, тс;
€ — коэффициент восстановления удара (при забивке молотами е2«
=0,2, при вибропогружении е2=0);
q — вес сваи и наголовника;
Эр — энергия одного удара молотов, тс;
И — расчетная высота падения ударной части (принимаемая по
табл. V1II.7), м;
М — коэффициент, равный единице при забивке молотами, а при
вибропогружении в зависимости от вида грунта под острием сваиэ
Гравий с песчаным заполнением............................ 1,3
Пески средней крупности и крупные средней плотности, супе-
си твердые............................................. 1,2
Пески мелкие средней плотности........................... 1,1
» пылеватые средней плотности......................... 1,0
Супеси пластичные, суглинки и глины твердые.............. 0,9
Суглинки и глины полутвердые............................. 0,8
» » » тугопластичные.............................. 0,7
При плотных песках значения Л1 повышают на 60%.
243
Рис. VI11.5. Зависимость энергии Эр
вибропогружателей от возмущений
силы
Для вибропогружателей энер-
гия Эр определяется по рис. VIII-5
в зависимости от возмущающей
силы.
Отказы е0 и вф нужно изме-
рять с точностью до 0,2 мм- Прак-
тически трудно замерить отказ от
одного удара с такой точностью.
Поэтому при забивке замеряют
погружение сваи от нескольких
ударов, называемых залогом- При
забивке подвесными и паровоз-
душными молотами одиночного
действия, а также дизель-молота-
ми без подачи топлива величина
залога принимается равной трем
или пяти ударам, при нормальной
работе дизель-молотов—10 уда-ч
рам.
При погружении свай вибропогружателями несущая способность может быть
также определена по формуле
+ (Vni.ii)
р \ Аля )
мощность вибропогружателя
77 ВП- ^Xf
потребляемая мощность (по показателям счетчика электроэнергии)
/71 - /70
----------;oU.
При различном напластвовании грунтов значение X находят по формуле
Zli
Таблица VIII.7
Расчетная высота Н для свай
Тип молота
вертикальных
с наклоном
не положе 3:1
Подвесной или паровоздушный одиночно-
го действия
Дизельный трубчатый
» штанговый
Дизельный без подачи топлива
//=//ф
/7—0,9/7ф
Л=0,4Лф
Обозначения: — фактическая высота падения ударной части молота, м; ft —
высота отскока ударной части от воздушной подушки (для штанговых дизель-молотов
^0,6 м, для трубчатых h ~ 0,4 м), м.
244
Таблица VIII.8
Глинистые грунты с показателем консистенции
/£>0,75 0,5</ £<0,75 0,25</£<0,5
Грунты Песчаные велонасы- Песчаные влажные Песчаные маловлажиые
щенные грунты Грунты грунты
Коэффициент X
Пески крупные или су- 4,5 3,5 3,0
песь Пески средние Г* а,а 4,0 «
Пески мелкие 6,0 5,0 —
Суглинки 4,0 3,0 2,5
Глины 3,0 2,2 2,0
Здесь X — коэффициент, учитывающий влияние вибропогружения на
свойства грунтов, проходимых сваей (для ориентировочных
оценок Фпр значения X приведены в табл. VIII.8, точные зна-
чения X определяют из сопоставления динамических и стати-
ческих испытаний);
Мт — мощность, расходуемая электродвигателем иа погружение сваи,
кВт;
До — амплитуда колебаний сваи на последней минуте погружения
при скорости погружения 2—10 см/мин (амплитуда колебаний,
равная половине полного размаха колебаний, наиболее точно
определяется с помощью вибрографов), см;
Лоб — частота вращения дебалансов вибропогружателя, об/мин;
Q — суммарный вес сваи, наголовника и вибропогружателя, тс;
7Vn — потребляемая мощность вибропогружателя;
7VX — мощность холостого хода вибропогружателя;
т] — коэффициент полезного действия, принимаемый по паспорту
вибропогружателя (т) = 0,8--0,9);
П1, По — соответственно начальное и конечное показания счетчика,
кВт-ч;
t — время установившейся работы вибропогружателя на послед-
нем залоге, мин;
Хг — коэффициент по табл. VIII.8 для i-ro слоя;
li — мощность ьго слоя.
Мощность холостого хода приблизительно равна 25% паспортной мощности
электродвигателей. Более точно /Vx измеряют при работе вибропогружателя,
подвешенного на крюке крана горизонтально.
Величины, входящие в формулу (VIII.l 1), определяют на последнем залоге
погружения, который принимают равным не менее 5 и не более 10 мин.
Динамические испытания свай широко используют в строитель-
стве. Измеряя отказы в процессе погружения свай и сравнивая их
с расчетным отказом, устанавливают необходимую глубину и
момент прекращения забивки каждой сваи в фундаменте. По
пробным сваям, забиваемым до развертывания свайных работ,
определяют необходимые длины свай, по которым заказывают их
изготовление на заводах. Наконец, динамическим контрольным
испытаниям подвергают сваи до устройства плиты фундамента.
Учитывая фактор времени, контрольные динамические испытания
проводят для свай, забитых в песчаные грунты не ранее 3 сут., а
245
для свай, забитых в глинистые грунты, не ранее 6 сут с момента
окончания их забивки. Число свай для контрольных испытаний рег-
ламентируется соответствующими нормативными документами на
постройку тех или иных сооружений.
Если возникают сомнения в надежности свай, то их подвергают
статическим испытаниям. Статическими испытаниями оп-
ределяют также несущую способность винтовых, комуфлетных, бу-
ровых и прочих свай, к которым динамический метод неприменим.
Статический метод состоит в постепенном нагружении сваи и из-
мерении соответствующих перемещений. Этим методом находят
несущую способность сваи не только на сжатие, но и «на выдерги-
вание и на действие горизонтальных сил.
Испытания на сжатие обычно проводят по указаниям соответ-
ствующих инструкций (ГОСТ 5686—78), испытания на растяжение
и горизонтальные силы — по специальным программам.
При испытании на сжатие (вдавливание в грунт) сваю последо-
вательно загружают ступенями нагрузки ДР, величина которых со-
ставляет 7ю—Vis предполагаемой несущей способности сваи. Пос-
ле каждого загружения ведут наблюдение за осадками сваи, беря
через определенные промежутки времени отчеты по измеритель-
ным приборам. К загружению следующей ступенью нагрузки при-
ступают после затухания осадок; осадки считаются затухшими,
если приращение «х составляет не более 0,1 мм за 60 мин в песча-
ных грунтах и за 120 мин в глинистых, залегающих под нижним
концом сваи. При испытании свай для фундаментов мостов загру-
жение ведут до тех пор, пока общая осадка достигнет не менее
40 мм.
Рост осадок во времени наносят на график (рис. VIII.6, а), по
которому строят зависимость окончательных осадок от нагрузки
(рис. VIII.6, б). Кривизна графика «осадка-нагрузка» с возраста-
нием нагрузки увеличивается и при некотором значении Р осадки
резко растут, что указывает на просадку сваи и исчерпания ее не-
сущей способности. В этом случае за предельную несущую способ-
ность сваи фПр принимают нагрузку на одну ступень меньшую той,
при которой приращение осадки за одну ступень загружения пр^е-
Рис. VIII.6. Графики статического испытания свай
246
Рис. VIII.7. Схема установки для статического испытания свай:
/ — анкерная свая; 2 — распределительные балки; 3 — наддомкратная балка; 4 — рельсовый1
пакет; 5 — гидравлические домкраты; 6 — поддомкратиая балка; 7 — испытуемая свая
вышает в 5 раз и более приращение осадки, полученное за пред-
шествующую ступень загружения. Если же четко выраженной про-
садки сваи не наблюдается, то за предельную принимается нагруз-
ка на одну ступень меныпая той, которая вызывает осадку, не за-
тухающую в течение более суток (при общей ее величине более
40 мм).
Нормативная нагрузка на сваю по результатам статических
испытаний может быть также установлена в зависимости от сред-
ней предельной осадки фундамента, проектируемого сооружения.
Такой прием принят для промышленных, жилых и других зданий.
Несущую способность сваи по результатам статических испыта-
ний находят по формуле (VIII.3).
При опирании сваи на глины твердой консистенции, плотные
крупные и средней крупности пески и крупнообломочные грунты
не всегда достигается осадка в 40 мм и более. В таких случаях ис-
пытания прекращают, когда нагрузка на сваю достигнет величины
не менее 1,5 Ф, где Ф — несущая способность сваи, подсчитанная
по формулам (VIII.4)—(VIII.9).
Для испытания сжимающей нагрузкой на испытываемую сваю
сверху устанавливают гидравлические домкраты (рис. VIII.7), уси-
лия которых передаются анкерным сваям балочным ростверком.
Анкерные сваи должны быть удалены от испытуемой на 1,5—2 мг
чтобы они не влияли на результаты испытаний. Для замера осадок
ставят измерительные приборы (преимущественно прогибомеры)г
обеспечивающие точность измерения не менее 0,1 мм. Приборы ста-
вят в количестве не менее двух, располагая симметрично относи-
тельно сваи. Их соединяют с неподвижными реперами, вынесенны-
ми за пределы возможных деформаций грунта.
Аналогично проводят испытания свай на растяжение (выдерги-
вающую нагрузку) и горизонтальные силы.
247
Глава IX.
РАСЧЕТ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ1 *
IX. 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА
Свайные фундаменты представляют собой сложные статически
неопределимые системы. В зависимости от числа свай и их распо-
ложения по отношению к плоскости действия внешних сил можно
выделить следующие расчетные схемы: 1) одиночная свая — стер-
жень, заделанный в упругую среду — грунт (рис. IX. 1, а)\ 2) пло-
ская поперечная рама, в «которой сваи расположены в одном ряду,
нормальном к плоскости действия сил (рис. IX. 1, б); 3) плоская
продольная рама, в которой сваи расположены в одном ряду, со-
впадающим с плоскостью действия сил (рис. IX.1, в); 4) простран-
ственная рама, в которой сваи расположены в нескольких рядах
(рис. IX. 1, г).
В мостовых опорах сваи обычно -объединяют мощной плитой
или ригелем, жесткость которых можно считать бесконечно 'боль-
шой. Собственные деформации плиты (ригеля) будут при этом от-
сутствовать и плита (ригель) будет перемещаться, не деформиру-
ясь, как абсолютно твердое тело. Для большинства капитальных
мостовых опор это предположение соответствует действительности.
Таким образом, показанные на рис. IX.1 схемы будут представлять
собой рамы с бесконечно жестким ригелем (плитой) и стойками,
погруженными в упругую среду — грунт. Во многих фундаментах
в грунт заглубляют и плиту.
В расчетах грунт рассматривается как линейно-деформируемая
упругая среда типа Фуса — Винклера с коэффициентом постели,
возрастающим с глубиной по линейному закону (рис. IX.2). Коэф-
фициент постели в горизонтальном направлении, нормальном к бо-
ковой поверхности сваи или плиты.
Cz=Kz> (IX. 1)
где Cz — коэффициент постели «а глубине z (в м) от поверхности грунта, тс/м3;
К — коэффициент пропорциональности, тс/м4 (табл. IX. 1).
Для плотных песков К принимают на 30% больше табличного
значения. Значения коэффициента К принимают по наименованию
грунтов, залегающих в верхней толще йк, мощность которой (в м)
/лк= 2 (rf Ч- 1), (IX.2)
где d — толщина (диаметр) ствола сваи.
Глубину йк отсчитывают от расчетной поверхности грунта при
плите, расположенной выше грунта, и от подошвы плиты, если она
1 В этой главе излагается методика расчета, принятая для проектиро-
вания транспортных сооружений. Подробнее см. К. С. Завриева, Г. С. Шапиро.
Расчеты фундаментов мостовых опор глубокого заложения. М., Транспорт,
1970. 215 с.
248
Рис. IX. 1. Расчетные схемы
свайных фундаментов
находится в грунте. За расчетную принимают поверхность грунта
после его срезки, а в русле рек — поверхность дна после местного
размыва при расчетного паводке. Если в пределах глубины грунт
однороден, то К принимают для этого ©ида грунта. Если в преде-
лах глубины Лк залегают два слоя разных грунтов, то
КЛ (2/гк - М + к2 (Лк - Л02
Лк
а если три слоя, то
КЛ [2 (Л3 + Л2) + hx\ + K2h2 (2Л3 + М + Кз.1%
(IX.За)
(IX.36)
где h2, Л3 — толщины соответственно первого (верхнего), второго и треть*
его слоя
Кь /С2» Кз — значения К для грунтов соответствующего слоя.
Формулами (1Х.За) и (IX.36) учитывают,
что на горизонтальные и угловые перемеще-
ния сваи основное влияние оказывают упру-
гие свойства верхних слоев грунта •
В пределах плиты
(IX. Зв)
Рис. IX.2. Эпюра
коэффициента по-
стели
^Kihi
где Ki. — значение коэффициента для i-ro слоя грунта;
hi — толщина i-ro слоя грунта в пределах высоты
плиты.
249
Таблица IX.1
Наименование и характеристика грунта
Коэффициенты пропорциональности К, тс/м4
для свай Д забивных) для оболочек, столбов и плиты
Текучепластичные глины и суглинки
(0,75</ь^ 1,0)
Мягкопластичные глины и суглинки
(0,5 <Jl^ 0,75), пластичные супеси
(0</ь^1,0), пылеватые пески (С,6<е^
^0,8)
Тугопластичные, полутвердые глины
и суглинки (0^Jr^0,5), твердые супе-
си (/ь<0), пески мелкие (0,6 0,75),
пески средней крупности (0,550,7)
Твердые глины и суглинки (/г<0),
пески крупные (0,55<е^0,7)
Пески гравелистые (0,55^е^0,7),
гравий и галька с песчаным заполнени-
ем
65—250
250—500
500—800
800—1300
50—200
200—400
400—600
600—1000
1000—1200
Примечания. 1. J— показатель консистенции; е —коэффициент пористости.
2. Для плотных песков К (для оболочек и столбов) принимается на 30% больше наи-
большего значения для заданного вида грунта.
Коэффициент постели под нижним концом сваи в вертикальном
направлении
с________
осн — *
“оСН
(IX. 4а)
где Соси — коэффициент постели в основании сваи, тс/м3;
С — коэффициент постели грунта под подошвой сваи диаметром 5 м,
тс/м3;
^осн — диаметр (толщина) сваи, а для свай с уширенной пятой — наиболь-
ший диаметр уширения, м.
Для нескального грунта при глубине h расположения подошвы
сваи, считая от расчетной поверхности грунта, меньшим или рав-
ным 10 м
С= 10/С, (IX.46)
а при h > 10 м
C—hK- (IX. 4в)
Здесь коэффициент пропорциональности К принимают по табл.
IX. 1 (как для оболочек, столбов и плиты)-
Для скальных пород значение С принимают в зависимости от
прочности породы: при 7?Сж=Ю0 тс/м2 С=3-104 тс/м3; при /?Сж=
= 2500 тс/м2 С=1,5-106 тс/м3; при промежуточных значениях Ёых
величину С определяют по линейной интерполяции.
Деформация (изгиб) свай в грунте зависит от упругих свойств
грунта и размеров сваи и характеризуется коэффициентом де-
250
Таблица IX.2
осоооооооооооооооооооооооооо
ФОООП'^ФСОО(>1т1'ФСООСМтГфСООСМ’’^ФсОО(М’еФООО
ффффффффффЬЬ-NNNOOCOOOOOOOO
”!3'''T,M«^FxF-’TxFxF’,5F'-rTFTF’<3*TF^F~r-^’^TF'’rxFTFTFxFxFxF^rxF
ooooocoocoooooocoooooocooooо
(ОССЧ010Ь-ОС?Ь«ССО^ЮСОСОЮ — 1.0Ь-ЬЮ^СФОС?(000
lOCMOb'.tO'^'^lOCDOO — lOC^xFOb-iOCOCMCMCOiOCO’—’0.—’N-xF
N OO DIO о’t OG CM ь —' Ю С Ю О Tt-O V О T*cn т+ О Ю -< ю П
10000Г'-Г'-С0о0с00сэ00—•—<—’О)СЧС0С0’+'’^10ООГ'-Г'-00
— —• — — — — OJ CM OJ СМ см CM OJ OJ CM CM CM OJ CM OJ OJ OJ СМ
ОООООООООСОООООООООООООООООО
OOI’^FOOOOCN’^COOOOOJ'^FOoOOCM-rOOOOOJxFOOOOCMxF
СОСОООООООСЛ0СПС7)СПОО00О.—« — —’—’ — СМСМСМСМСМСОСОСО
COCOCOCOCOCOCOCOcOCO'^tF'^FtFtF'^tFtFtFtFtFtFtFtFtF'^^^
oooooooooooooooooooooooooooo
ЮСМ *^F —LOOOOOOOOOOOOOCDOOOOO
со-еоюеэсмфтгсоФ o.o см — о о — см о — о со со о см о о г-
•» • •* * •* •* «ь » » а •* m М
СМСО^ООСМШОсООО'^ГООсООООЬ-ООООоООСООСО^О
СГ>СО tn NO CM N C>CNN О Ф ф СО —' т* (s. О Ф N О СО Ф О СО
Ь QOXCOCCOCnOiQiOOOO — —< — -^CMCMCMCOCOcOxF^TrtQiO
OOOOOQO0OOOO0O
-т (D ОО О D) ’ТФСООСМ’^ФООО
CM CM CM со со СО СО со -+1 VF -Г -t* »с
СОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСО
оооооооооооооо
(N’tCDCOOCN’^CDQOOcM-eCDCO
ф ЮФ >ОФ ФО CD(D b- NN t4' Г'
СО со СО со со СО со со со со со со СО со
ООО0ООООООООООО0ОООООООООО0О
lOOOOlQOvptOiOiOOOCNOOcOCMOOJ^iOOlO^OO'^roOxFOlCM
OCMCOcOCOOCM’-'COOOr^COCOCMTFCiOOOOOOr-Oi'M^COr^.tQr.
ЬООСП^ффОО^-1^Ь^фОЮОф-<qOtF—’СПСОтГСОСЧ—’
ФФЬ-ОО-нСМ'ФЮФООО^^тМОЬ.ЗСОГМФЮЬСП-'ФЮЬ
фф^ф^^^,''’тт*’е’е^ффффффффффффь.ь-ьь'
OOOOOOOOQOOO00OOOOO0OOOOOOOO
OO0OJ'^0OOOC4’T,OoOOe4*F0OOOOJxFOOOOC4'*^0OOOC4
ФЬ.Ы-.Ь-Г^ООсОООСОсООФФОСПООООО-'-н-'-’^СМ'М
СЧСМСЧСМСЧСМСЧСЧСЧСМСМСМСМСМСЧСЧСОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСО
ООООООООООООООООО0ООО0ОООООО
ФфСО^ф^О*ТфЮ^ — oOiOCO—’O^-^Ot^OtO’^FOiO'^rO
tMxFOO'^-’-’O^CON-CO^—СМФСЧООСЧФСМ—'СЧОСЧО^О^
OOCOOOXFOOCMOO'^F—«OOIOCMCHN-IOCO— CncON-OOtQtOiOinO
CO^rxFiOOCON-r^OOOCnO^—'OJCO-^FiOOOr^OOCnO^CMCOTF
——•СЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСМСЧСЧСЧСОСОСОСОСО
0000000000000000000000000000
счтгФ(юо(М’еФсоог]-^Фсоо(М’еФос>0(М’^Фооосм-4'Ф
^^^^^(МПсМНФФФФф-е'^тГхГ-^ь'ЗфЮЮЮФФФФ
oicmcmcmcmcmoicmojoioioioiojojoioioioicmcmcmcmcmcmoicmcm
0000000000000000000000000000
O^OxFOOOO
ФСЧООФФСМФООФСО-'СС ООФФ0 Ь»ОСЧФФ(МЮ
CMOO—'ФФСМОФ^Ф — ФОФГЮСОСЛ — ЮФЬСЛФССтСМ^
соссо^юоФО;фФсм-'СМФФО-еоооф - - - - - - - •
XF 00 СО ОО СО
CNtFNO)->CO0CO —'^ЬОФФФФФОФЬООО’^-'СМСМСО
TF"’j4'’F'’FiOiOiOiOO^OOb«t>"t^’r^0OO000-^^^^^—’
0000000000000000000000000000
0OOOCM^t0OOOC4'*;^0OOOC4xF0OOOOJ'^FCpoo0OJ’^O0O
ЮфФФФФФЬ-Ь-Ь-Ь-ЬСбСОсОООСОфОС^ООООООО —<
—I — _ —-. .^СМСЧСМСЧСЧСЧ
О0ООООООООООООО0ОО0ООООО0ООО
СПЬФСО-’+ЮФО^ОЬ’ОФО-< СМ LQ — о 'О СМ О СМ —’ N- со
COxFOOl?5CDOCO0lQ'^FCO00000OO00r^.CMCO0COCO00'^r
CMOO^^OO0CO^000OOOOOOOJXFN-OTF0XFO0COOCnoO
СПСПО^^СМС0тГЮЮОГ^00О--<СМС0-’+'СС>Г'-00ОСМС0и0Г'-00О
—ICMCMCMCMCMCMCMCOCOCOCOCOCO-^'
00000000000000
0CMXFCPOOCCMXFOOOOCMTF0
00000 — — CM OJCMCM
00000000000000
OOOCM”^0oD0CM-?FCOOOOCM'^r
СМСОСОСОсОСОхг^ТтГ^^тиОиОЮ
00000O000000O0
—.^^счСМСМСМСМС0С0с0тГтГМ<101010ОС0Ь’»Г'’-С00С>
251
io*op» EJ a, M—1 108Wp, EJ a, M—1 10’Op, EJ a, M—’ 10«A>p, EJ a, M—1 10Wp, EJ a, M—’ io*op, EJ Прод a, M—1 олжение io8o0, ♦ ЕГ габл. IX.2 a, M—1
M-"° m— 8 m—8 m— ’ M—8 m—8 m—8
2882,9 0,4920 4852,5 0,5460 7776,0 0,6000 11964 0,6540 17790 0,7080 25691 0,7620 36179 0,8160 0,8180 0.8200
2942,0 0,4940 4942,0 0,5480 7906,5 0,6020 12143 0,6560 18042 0,7100 26030 0,7640 36624
3002,0 0,4960 5032,8 0,5500 8038,7 0,6040 12335 0,6580 18296 0,7120 26372 0,7660 37074
3063,0 0,4980 5125,0 0,5520 8172,7 0,6060 12523 0,6600 18556 0,7140 26718 0,7680 37528 0,8220 0.8240
3125,0 0,5000 5218,5 0,5540 8308,4 0,6080 12714 0,6620 18818 0,7160 27068 0,7700 37987
3188,0 Л Л F А /ч 0,5020 5313,4 0,5560 8446,0 0,6100 12907 0,6640 19082 0,7180 27421 0,7720 38450 0,8260
3252,0 0,5040 5409,7 0,5580 8585,3 0,6120 13103 0,6660 19349 0,7200 27778 0,7740 38918 0.8280
3317,1 0,5060 5507,3 0,5600 8726,5 0,6140 13301 0,6280 19619 0,7220 28139 0,7760 39390 0,8300 0,8320 0,8340 0.8360
3383,I 0,5080 5606,4 0,5620 8869,6 0,6160 13501 0,6700 19838 0,7240 28503 0,7780 39867
3450,3 0,5100 5706,8 0,5640 9014,5 0,6180 13704 0,6720 20169 0,7260 28872 0,7800 42349
3518,4 0,5120 5808,7 0,5660 9161,3 0,6200 13909 0,6740 30448 0,7280 29244 0,7820 40835
3587,7 0,5140 5912,1 0,5680 9310,1 0,6220 14117 0,6760 20731 0,7300 29620 0,7840 41326 0.8380
3658,0 3729,5 0,5160 0,5180 6016,9 6123,2 0,5700 0,5720 9460,7 9613,3 0,6640 0,6260 14327 14539 0,6780 0,6800 21016 21305 0,7320 0,7340 29999 30383 0,7860 0,7880 41821 42321 0,8400 0,8420
3802,0 0,5200 6231,0 0,5740 9767,8 0,6280 14754 0,6820 21597 0,7360 30771 0,7900 42826 0.8440
3875,7 0,5220 6340,3 0,5760 9924,4 0,6300 14972 0,6840 21892 0,7380 31162 0,7920 43336 0,8460
3950,5 0,5240 6451,2 0,5780 10083 0,6320 15192 0,6860 22190 0,7400 31557 0,7940 43851 0,8480
4026,5 0,5260 6563,6 0,5800 10243 0,6340 15415 0,6880 22492 0,7420 31957 0,7960 44371 0,8500
4103,6 0,5280 6677,5 0,5820, 10406 0,6360 15640 0,6900 22796 0,7440 32360 0,7980 44895 0,8520
4f82,0 0,5300 6793,0 0,5840 10571 0,6380 15868 0,6920 23104 0,7460 32768 0,8000 45424 0,8540
4261,5 0,5320 6910,2 0,5860 10738 0,6400 16099 0,6940 23416 0,7480 33180 0,8020 45959 0,8560
4342,2 0,5340 7028,9 0,5880 10906 0,6420 16332 0,6960 23730 0,7500 33595 0,8040 46498 0,8580
4424,I 0,5360 7149,2 0,5900 11077 0,6440 16568 0,6980 24049 0,7520 34015 0,8060 47043 0,8600
4507,3 0,5380 7271,2 0,5920 11250 0,6460 16807 0,7000 24370 0,7540 34440 0,8080 47592 0,8620
4591,7 0,5400 7394,9 0,5940 11426 0,6480 17048 0,7020 24695 0,7560 34868 0,8100 48147 0,8640
4677,3 0,5420 7520,2 0,5960 11597 0,6500 17693 0,7040 25023 ’ 0,7580 35300 0,8120 48707 0^8660
4764,5 0,5440 7647,3 0,5980 11783 0,6520 17540 0,7060 25355 0,7600 35737 0,8140 49272 0,8680
формации а и приведенной глубиной 7г (безразмер-
ной величиной):
h = ah,
где EI — поперечная жесткость ствола сван, тс-м2;
Ьр — расчетная ширина сваи, м;
h — действительная глубина погружения сваи в грунт, м.
(IX. 5а)
(IX. 56)
Значения коэффициента а в зависимости от величины подкорен-
ного выражения приведены в табл. IX.2.
Расчетная ширина сваи вводится для учета взаимного влияния
свай в фундаменте, формы и размеров их поперечного сечения:
для свай
Лр= Яф(1.5/1 + 0,5);
для оболочек и столбов
£Р= «ф(^4- 1)к'.
Коэффициент к' находят по формуле
(IX.6)
Здесь d— диаметр (толщина) ствола сваи, м;
Кф — коэффициент формы поперечного сечения, принимаемый для пря-
моугольных свай равным 1,0, для круглых — 0,9;
к*— коэффициент взаимного влияния свай, расположенных в ряду па-
раллельным плоскости действия внешних сил;
К\ — коэффициент, зависящий от числа лр оболочек (столбов) в ряду»
параллельном плоскости действия внешних сил, принимаемый при
пр, равном 1; 2; 3 и ^4, соответственно—1,0; 0,6; 0,5 и 0,45.
Lp — среднее расстояние в свету (на уровне поверхности грунта) меж-
ду оболочками (столбами), расположенными в ряду, м.
Если в разных рядах, параллельных плоскости действия внеш-
них сил, расположено разное количество оболочек (столбов), то
Рис. IX.3, Схема к определению расстояния £р при расположении свай в порядке:
а *- рядовом; б — шахматном
25»
к принимают равным меньшему из значений, полученных для раз-
ных рядов. При шахматном расположении свай и расстоянии меж-
ду осями соседних рядов меньше d+1 м расстояние Lp принимают
как для фиктивного ряда, полученного совмещением двух соседних
рядов (рис. IX.3). _
Как показывают точные расчеты при h^2 и опирании свай на
сжимаемый грунт, а также при 4 и опирании свай на скальную
породу или забуривании в нее фундаменты с достаточной точностью
можно рассчитывать как рамы с расположенными на некоторой
глубине условными закреплениями стоек (свай), не учитывая вза-
имодействия стоек с грунтом. Такие сваи можно называть гибкими.
При других значениях h непосредственный учет взаимодействия с
грунтом необходим.
IX.2. РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ ГИБКИХ СВАЙ
Расчетная схема. Расчетную схему фундамента принимают в виде
многостоечной рамы с бесконечно жестким ригелем (рис. IX.4).
Для ее расчета примем прямоугольную систему координат ZOXY.
Ось OZ направим вертикально (перпендикулярно к подошве плиты
ростверка), ось ОХ — вдоль продольной оси моста, ось OY — пер-
пендикулярно к оси моста. За положительные направления осей
примем направления, показанные стрелками на рис. IX.4. Начало
координат может быть расположено в любой точке. Будем считать
его в центре тяжести подошвы плиты. Все внешние силы приложим
к началу координат. Тогда на свайный фундамент будут действо-
вать:
в плоскости ZOX вертикальная сила N, горизонтальная сила Нх
и момент Му\
в плоскости ZOY горизонтальная сила Ну и момент Мх\
в плоскости XOY момент Мг.
Будем считать положительными силы, действующие вдоль по-
ложительных направлений координатных осей, а моменты, если они
направлены по часовой стрелке при взгляде с положительного кон-
ца оси, относительно которой действует момент (на рис. IX.4 по-
казаны положительные силы и моменты). Влияние на работу стоек
упругой среды (грунта) при гибких сваях учитываем косвенно пу-
тем замены действительной длины их условными расчетными дли-
нами.
При действии на сваю продольного усилия расчетная длина
сваи Ln, называемая длиной сжатия, определится по форму-
ле (рис. IX.5)
__ 7EF
£ЛГ“£о+ 1Озро •
Если свая имеет уширенную пяту, то
Ддг — Lq 4- h 4-
EF
CoChFо
(IX.7а)
(IX. 76)
254
Здесь Lo — свободная длина сваи, равная расстоянию от подошвы плиты
до поверхности грунта после его размыва, м;
Е — модуль упругости материала сваи, тс/м2;
F — площадь поперечного сечения ствола сваи, м2;
Ро—расчетная допускаемая нагрузка на сваю (см. п. IX.4), тс;
h — глубина погружения сваи в грунт, м;
Го — площадь опирания сваи, определяемая по наибольшему диамет-
ру пяты, м2;
Соси — коэффициент постели грунта под пятой (ем. п. VIII.1), тс/м8.
Полу эмпирические формулы (IX.7) учитывают влияние на про-
дольные деформации свай грунтовой среды (осадок грунта под их
нижними торцами).
При действии на верхний конец сваи поперечной силы или мо-
мента свая изгибается. В этом случае влияние упругой среды
(грунта) может быть с достаточной точностью учтено, если рас-
сматривать сваю как заделанную на некоторой глубине. Глубина
заделки, определяющая расчетную длину Lm сваи при ее изгибе,
называемую длиной изгиба, находят по формуле
2,25
Lq + , (IX. 8)
CL
где а — коэффициент деформации.
Положение каждой i-и сваи в фундаменте (рис. IX.6) опреде-
ляется координатами Xi и yi ее верхнего конца, углом наклона сваи
к вертикали б«Л и утлом ср;* ее проекций на координатную плоскость
XOY. Из рис. IX.6 следует:
tg*lx= tg bin cos 4ix\ 11
Ig biy — tg Zin sir? Y/jr»
(IX.9>
где fi,-*, 6iV — углы между вертикалью и
и ZOY соответственно.
проекцией t-й сваи на плоскости ZOX
Рис. IX.4. Расчет-
ная схема фунда-
мента из гибких
свай
Рис. IX.5. Схема к
расчету длин
«сжатия» и «изги-
ба» сваи
255
Рис. ГХ.6. Геометрические параметры
l-й сваи
Рис. IX.7. Геометрическая схема фун-
дамента
Угол бгП всегда считаем положительным. Так как наклон свай
практически не превышает 3: 1, то можно принимать cos6in=L
Угол (pi* условимся отсчитывать от положительного направления
оси ОХ в сторону положительного направления оси ОУ.
Расчет свайного фундамента удобно производить методом пере-
мещений. За -основную систему примем фундамент с условными
связями, закрепляющими начало координат (точку О на рис. IX.4).
За неизвестные примем перемещения начала координат в направ-
лении координатных осей и углы поворотов подошвы плиты вокруг
этих осей. Тогда расчет будет сведен к кинематически неопредели-
мой задаче с шестью неизвестными (по числу возможных в прост-
ранстве перемещений).
Во многих случаях достаточную точность дает расчет по пло-
ской схеме. Для получения плоских расчетных схем нужно рассмат-
ривать отдельно действие внешних сил в плоскостях ZOX и ZOY
(силу N можно отнести к любой из этих плоскостей), а сваи — их
длины и наклоны — проектировать на те же координатные плоско-
сти. При расчете по плоской схеме задача сводится к трижды ки-
нематически неопределимой.
Рассмотрим расчеты только плоских схем ’.
Расчет несимметричного фундамента. Рассмотрим расчет фун-
дамента (см. рис. IX.4) в плоскости ZOX (расчет в плоскости ZOY
аналогичен). В этой плоскости будут действовать силы N, Нх и Му>
приложенные к началу координат, которое совместимо с центром
тяжести подошвы плиты. Геометрическую схему (рис. IX.7) полу*
1 Расчеты пространственных схем ,см. К. С. Завриев, Г. С. Шапиро. Расчеты
фундаментов мостовых опор глубокого залегания. М., Транспорт, 1970. 215 с.,
а также Свайные фундаменты/Н. М. Глотов, А. А. «Пуга, К. С. Силин, К. С. Зав-
риев. М., Транспорт, 1975. 431 с.
256
чим, проектируя все сваи на плоскость ZOX. Расчетные длины каж-
дой сваи (см. рис. IX.5) найдутся по формулам:
__ г о cos fy/i .
IN— ** IN * ’
uv COS х
О COS Ъ-щ
cosSZx ’ ,
(IX. 10>
длина сжатия и изгиба сваи, определенная по формулам
(IX.7)—(IX.8).
Угол &гХ наклона проекции сваи к вертикали определим из фор-
мул (IX.9). Для плоской схемы ранее указанное правило отсчета
угла (fix приводит к следующему правилу знаков для угла бгх'-
если свая расположена справа от вертикали, проведенной через ее
верхний конец, то угол бгх положителен, если слева, то отрицате-
лен. В дальнейшем, для упрощения записи индекс х у угла
опустим.
Согласно методу перемещений закрепим начало координат ус-
ловными связями и за неизвестные примем его перемещения: вдоль
оси OZ — v; вдоль оси ОХ — и; поворот вокруг оси ОУ—р. Пере-
мещения v *и и примем положительными, если они совпадают с по-
ложительным направлением осей OZ и ОХ; перемещение р примем
положительным при повороте плиты по часовой стрелке.
Канонические уравнения будут:
Г4“ Гг/цИ 4~ ГЛА — О,
ruvv 4“ гиии 4" гнрР Нх — й;
Г&" + + гр₽Р — МУ. = 0
(IX. 11)
где Гтп — реакция m-й связи, вызванная единичным перемещением вдоль л-й
связи (например, Гри —реакция закрепления против поворота, вызы-
ваемая перемещением п=1, a ruv — реакция горизонтального закреп-
ления, вызванная перемещением и=1 ит, д.).
Величины г представляют собой суммарные силовые факторы
(силы и моменты), препятствующие единичным перемещениям
плиты. Они слагаются из сопротивления свай и грунта, окружаю-
щего плиту. Уравнение (IX.11) выражает условие равновесия всех
сил, приложенных к началу координат, или, что то же самое, отсут-
ствие сил в условных связях.
Найдем силы, препятствующие перемещениям плиты. Считая
сваю (рис. IX.8) жестко заделанной в плиту и грунт, дадим ее
верхнему концу единичные перемещения: продольные, нормальные
к оси сваи и угловые. Тогда в верхнем конце сваи возникнут уси-
лия:
при продольном перемещении — продольная сила
EFt
рп^ ——;
(IX. 12а)
257
1
Рис. IX.8. Схемы к определению характеристики t-й сваи
при перемещении, нормальном к оси.— поперечная сила
(IX. 126)
и момент
рз/ =
(IX. 12в)
12F/f
₽2i — . з
1М
при угловом перемещении — поперечная сила
6£/z
РЗ/= -72-
Чм
и момент
P4Z =
4£/z
^1М
(IX. 12г)
Здесь Fi — площадь поперечного сечения £-й сваи, м2;
Ц — момент инерции поперечного сечения i-й сваи относительно
ее центральной оси, перпендикулярной к оси ОХ, м4;
Lm, LiM — длина сжатия и длина изгиба r-й сваи, м.
Величины р называют характеристиками сваи.
Теперь рассмотрим i-ю сваю с координатой и углом наклона
6i (рис. IX.9, а) и найдем реактивные усилия в ней, возникающие
при единичных перемещениях плиты.
При перемещении и=1 (н=0, 0=0) верхний конец сваи полу-
чает перемещения (рис. IX.9, б): \
вдоль оси сваи
Дуу = v cos = cos Bz;
258
перпендикулярно к оси сваи
Aq == v sin Ъ[ = sin 6/
и в свае возникнут усилия, приложенные к верхней отсеченной ча-
сти;
л>мЛ'=рпс«^; '
Qi~ fzi^Q= Р2/ 8'п 8/5
Л//= P3/Aq= рз/ sin 8,-. (
(IX. 13а)
При перемещении u=l (t’=0, 0=0) перемещения верхнего кон-
ца сваи будут (рис. IX.9, в):
Ад, = и sin 8/ = sin bf;
и усилия в свае:
Aq = и cos 8/ = cos 8/
= РиАдг= P1Z sin Ъ,; '
Ql= PZi^Q — p2i'COS u,;
P3,Aq= РЗ/CCS 8Л ,
(IX. 136)
При перемещении (3=1 (u = 0, w=0) верхний конец сваи (рис.
1Х.9, г) переместится вдоль оси OZ на величину хф—Xi и повер-
нется на угол (3=1. От перемещения вдоль оси OZ в верхнем конце
сваи возникнут усилия:
^z = Pii^z^s а,-;
Qz = P2z-*4 sin 8,;
= P3z*z sin 8/.
От поворота на угол (3=1 усилия будут:
Qz = P3zi
Mi — р4/.
Следовательно, при перемещении (3= 1 в свае возникнут усилия:
= pipe, cos 8/;
Qi = ?2ixi sin 8/ ч- рз/;
ZIz= p3ixf sin 8Z 4- P4i- .
(IX. 13b)
Рис. IX.9. Схемы действия усилий в i-й свае при единичных перемещениях плиты
25!>
Рис. IX. 10. Схема сопротивления плиты единичным перемещениям
Направление усилий показано на рис. IX.9 стрелками.
При плите, заглубленной в грунт, сопротивление грунта пере-
мещениям учитывается только по торцовым граням плиты (гра-
ням, перпендикулярным к оси ОХ). Трения между грунтом и пли-
той, а также сопротивление грунта по подошве плиты не учитыва-
ют, что идет в небольшой запас прочности. В соответствии с этим,
а также в связи с тем, что угол (3 весьма мал, получим:
1) при перемещении и=\ (а=0, р==0) сопротивление в каждой
точке плиты равно uziK=Z\K (рис. IX. 10), следовательно:
Л1 л9
<? = bx С Kzxdzx + b2 f K(hx + z2)dz2 +... = 2 ^(с);
Al=6i | Kzx(h— zx)dzx + b2 i K(hx + г2)-(Л2—z$dz2 + ... = 2bSW
(IX. 14a)
2) при перемещении 0=1 (»=0, u=0) сопротивление в каждой
точке равно 0(Л—zx)Kzx=(h—zx)Kzx, следовательно:
Q=bx I Kzx(h — zi)dzi + b2 | Kfhi+zMfy—z2)dz2 + ... = 24s(C,;
M=b\ Kzx(h— z&dzx + b2 K(hx + z2)(A2 — z2Pdz2 + ... = 24/(c)-
(IX. 146)
Здесь F<c\ и /(с>— площадь, статический момент в момет инерции от-
носительно подошвы плиты (оси OY) эпюры коэффи-
циента постели каждого участка торцовой грани пли-
ты, на котором ее ширина 6=const.
В частном случае, когда ширина плиты постоянна по всей ее
высоте, получим:
Kbit3
2 bs<c> =
2
260
Теперь находим реакции г при единичных перемещениях плиты.
Для этого следует найти суммы проекций на оси OZ и ОХ сил и
моментов относительно оси OY, возникающих при единичных пе-
ремещениях. Пользуясь формулами (IX. 13) и (IX. 14) и обозначив
рог=рн—Ргь получим (см. рис. IX.9 и IX.10):
?vv = POZ COS^ Ь/ 4- 2 Р2х»
ruu ~ Poz sin^ 4* P2Z 4- 2
r₽₽ = 2 Poz*? cos2 + 2 P2Z*? 4-22 P3Z*Z sin bz 4- 2 P4Z 4- 2 ^(C);
гi/u —= /*mt — 2j Poz Ь/ sin Ь/J ы
rv₽=rpo= 2 poz-ч c°s2 6/ + 2 + 2 P3z sm ®«;
ru₽ — rPu — 2 Poz-*/ cos 8/ sin 6/ — 2 Рз/ cos 8г + 2*s(c)-
В этих формулах суммы распространяются на все сваи и на
всю торцовую грань плиты фундамента. В большинстве случаев
сваи фундамента имеют одинаковые размеры и, следовательно,
одинаковые характеристики жесткостей р. Тогда, вынося р за знаки
сумм и обозначая через п общее число свай, будем иметь:
7"w = ро 2 COS2 8/ + ZZp2,
fuu= Ро2 s*n2 8/ + ирг + 2 bF^;
r₽₽=P0 2XZCOs26‘+₽22Xi+2₽32Ji:isinBz + nP4 + 2W<C): , «
(IX. 15)
r№ = ruv = po 2j cos 8/ Sin 8/;
rvp = r₽» = Po 2 COs2 ®Z + P2 2 X« + ₽3 2 sin ®z;
ru₽=r₽u= po2JC/COs6/sin®i~f'32cos®i + 2*s(c).
Решая систему уравнений (IX.11), получим:
v — D 1 (^avN "b "b
u = 1 auN + + ^ИаимУ>
P = 1 (^flp^ + Нх^рн +
(IX. 16)
при
О — uuFpp 4- ЗГецГupr^p — Гuu'f^p — rvvr up — r ppr©u>
2
a^N = ruur pp гц^
avH = auN = rv₽ r«p rppzW
a<vM ~ rvurptt ruurг/pi
auM ~ rvvr&p
auM дрЯ = rv^rvu — rv^«р»
2
Лр2И = ruu rvu'
261
По известным перемещениям начала координат находят усилия
в .верхнем конце каждой сваи:
Ni = Piz Kv 4- ₽xz) cos fy 4- u sin &/];
Qi == P2ZI — (v + ₽*/) Sin 4- и cos fy] — рй₽;
(IX. T7)
Mi = P3z [(*> 4- Р-V/) sin — и cos ЭД + P4/P.
Усилия в верхнем отсеченном конце сваи приняты положитель-
ными: для продольной силы Ni, если проекция силы N* на ось OZ
противоположна положительному направлению оси OZ; для попе-
речной силы Qb если проекция силы Qi на ось ОХ противоположна
положительному направлению оси ОХ\ для момента Mif если мо-
мент Mi действует против часовой стрелки.
Усилия в сваях и давление грунта на торцовую грань плиты
фундамента совместно с внешними усилиями должны удовлетво-
рять уравнениям равновесия, что служит проверкой правильности
расчета. Эти уравнения будут:
проекция всех сил на ось OZ
5 Ni cos &t- — 2 Qi sin = N; (IX. 18a)
проекция всех сил на ось ОХ
2 Ni sin В/ + s Qi cos 4- и 2 *F(c) 4- ₽ 2 *>S(C) == Ях; (IX. 186)
момент всех сил относительно оси OY
cos — 2 Qixi sin 4- У Mi 4-« S 4- ₽ = My.
(IX. 18b)
Расчет симметричного фундамента и фундамента из вертикаль-
ных свай. Если в симметричной схеме плоскость ZOY расположить
в плоскости симметрии, то в единичных реакциях г обратятся в
ноль суммы, содержащие нечетные члены (члены с Хг или sinSf).
Тогда
rVU~ rUV~ r$V~ О
и система канонических уравнений будет:
гyijV — N — О,
гШ1и 4~ гцр р Нх — 0;
4- грр ₽ — Му=0.
Эта система может быть еще упрощена.
Дадим фундаменту перемещение и=1. Для этого следует (рис.
IX.11) приложить к началу координат горизонтальную силу гии и
момент гри (момент г$и обеспечивает горизонтальное перемещение
без поворота). Момент т$и можно заменить силой гии, приложен-
ной в точке С, на расстоянии
Гии
(IX. 19)
262
от точки О, Таким образом, если
начало координат перенести в точ-
ку С, то в новых координатах ре-
акция г^и обратится в ноль, так как
единичное горизонтальное пере-
мещение будет вызываться толь-
ко одной силой гии. Точка С на-
зывается упругим центром. Она
обладает тем свойством, что лю-
бая горизонтальная сила, прохо-
дящая через нее, вызывает только
поступательное перемещение пли-
ты (без поворота).
Перенеся в точку С начало ко-
ординат и обозначая все величи-
ны в осях ZCX, получим:
г рд = = 0; гw= rW9 гии = гии»
Рис. IX.11. Схема к определению уп-
ругого центра
rvu— гuv— rvp — 0-
Для.вычисления реакции грр нужно составить уравнение момен-
тов относительно точки С при повороте плиты на угол 0=1. В этом
случае на плиту действует момент грр и горизонтальная сила rup.
Момент этих сил относительно точки С
грр — грр сгии~
В новых осях координат канонические уравнения будут:
г" N — 0,
гииЦ Нх —
Грр р Му = 0
NИХ=НХ\ My^My-Hjj,
где v, и, р — перемещения точки С.
(IX.20)
Найдя из (IX. 19) неизвестные v, и и 0, определим перемещения
плиты (точки О):
v=v; u = и—рс; р=р.
(IX.21)
Подставляя эти значения в (IX.17), найдем усилия в сваях.
При вертикальных сваях sin6i=0 и cosб<=1, следова-
тельно, единичные реакции будут:
г vv— 2 Ри»
263
/•рр—2 ри-x?+2 р«+Xb/(e)
rvfi- У fUxb
ru$ = r₽u = — S ₽3z+2 *s(c).
Чтобы освободиться от побочной <реакции г®е=^®, достаточно
положить
5 P1PQ = 5 Л/ = 0.
bNi
Если рассматривать величину EFijLm как некоторую условную
площадь сечения i-й сваи, то левая часть записанного равенства
представит собой статический момент условных площадей свай
относительно оси ОУ и будут равны нулю тогда, когда ось
OY будет проходить через центр тяжести условных площадей свай.
Центр тяжести свай находят по общим правилам:
где Хи — расстояние от i-й сваи до произвольной оси I—I, параллельной
оси OY.
Если в фундаменте сваи одинаковые, то
Ось I—1 рекомендуется проводить через крайний ряд свай.
В симметричных схемах центральная ось свай совпадает с осью
симметрии ОУ. Поместив начало координат в центре тяжести свай,
получим
Грр — У рпхо/ “Ь 5 Р4/ + У
где Ха — расстояние от каждой сваи до центральной оси.
Остальные единичные реакции остаются без изменений. Чтобы
обратить в ноль побочную реакцию следует начало коор-
динат поместить в упругом центре.
По формуле (IX. 19) имеем
-2рзг+2^(с)
(IX.23)
264
В новых осях координат (с началом в упругом центре) окон-
чательно получим
- Л- - нх
; и=---
Г ии
р-Му _ ^у — сНх
г₽₽ ГР₽ сг«₽
Подставляя значения перемещений упругого центра F, й и р в
(IX.21), найдем перемещения точки О плиты, после чего по фор-
мулам (IX. 17) получим усилия в сваях.
Если плита не заглублена в грунт, то во всех приведенных выше
формулах нужно ее сопротивление положить равным нулю. Для
этого необходимо принять Ь = 0. Все расчеты легко программируют-
ся для выполнения их на ЭВМ.
Для фундаментов с одинаковыми вертикальными сваями и пли-
той, расположенной вне грунта, усилия в сваях и перемещения точ-
ки О плиты будут: продольные усилия
2V
п
Му + 0,5//х£. м
(IX. 24а)
изгибающие моменты в верхнем сечении
(Му Ч-
2п
(IX. 246)
2
О/
п
»
поперечная сила
(1Х.24в)
горизонтальное перемещение плиты
1 Нх1?м (Му Ч~ 0>5ЯхД^)
Т 12/п 2F / 2 \
--- -----------п
Ln \-----------/ -
угол поворота плиты вокруг оси OY
(IX. 25а)
Qi — нх •
Му J-
Ч-
(IX. 256)
п
Определение расчетных усилий в сваях с учетом фактического положения их
в пространстве. В результате расчета фундаментов как плоских систем находят
продольные и поперечные силы н изгибающие моменты, приложенные в расчет-
ных плоскостях ZOX и ZOF к верхним концам свай. Однако эти усилия не
всегда будут расчетными. Так, например, если свая наклонена только в плоско-
265
сти ZOY, то при расчете в плоскости ZOX эта свая проектируется в вертикаль-
ную и усилия в ней будут найдены в вертикальной плоскости, тогда как расчет-
ные усилия в свае должны быть расположены в плоскостях, образуемых про-
дольной осью сваи и главными осями инерции ее поперечного сечения. Поэтому
для проверки прочности свай необходимо усилия, полученные от заданного соче-
тания внешних нагрузок в расчетных плоскостях ZOX и ZOY, привести к уси-
лиям, действующим в плоскостях, проходящих через главные оси каждой сваи.
Рассмотрим общий случай, когда ось сваи расположена наклонно к коорди-
натным плоскостям ZOX и ZOY (рис. IX.12). Известные из расчета плоских
схем перемещения начала координат О обозначим через 1:
vz — продольное перемещение вдоль оси OZ;
их — то же, вдоль оси ОХ\
Uy — то же, вдоль оси OY-,
За — то же, вокруг оси ОХ\
}у— то же, вокруг оси OY.
<ак и ранее, продольные перемещения считаем положительными, если они
направлены вдоль положительного направления соответствующих осей, угловые
перемещения положительны при вращении по часовой стрелке при взгляде с по-
ложительного конца оси, относительно которой происходит вращение.
Центральные оси сваи с началом координат Оц расположенные в центре
тяжести поперечного сечения головы сваи, обозначим через OiXi и О1У1; про-
дольную ось сваи обозначим через OiZt. Проведем вспомогательные прямоуголь-
ные оси: вертикальную ось OiZ', ось О[Х\ совпадающую с осью ОЛ, и ось 0}Y'.
Легко видеть, что оси О1У1, OiZb O\Z‘ и O\Yr лежат в одной вертикальной
плоскости и что угол между осями O\Z' и OiZlt а также угол между осями
OtY' и О1У1 равны углу 6 наклона сваи и вертикали.
Перемещения верхнего конца сваи в координатах O^Z'X'Y' будут:
vz’ = vz + *₽</ + УРх\
Uy, = Ux cos 4x + Uy cos Чу,
и x,= ux sin 4x — Uy sin Чу,
Px, = Py cos fx + ₽</ COS 4yl
Py' = Py sin 4x— sin Чу-
Здесь x, у — координаты точки О(;
ip*, — углы наклона проекции оси сваи на плоскость OXY к осям
ОХ и OY.
Перемещения верхнего конца сваи в осях O1ZIX1yI будут:
v_ = , cos b + и.., sin Б;
и„ — — v_, sin Б + utl, cos b;
Ui z У
1 Здесь подразумеваются перемещения, вызванные одновременным действи-
ем внешних сил в обеих плоскостях, при котором определение расчетных усилий
в сваях с учетом их фактического положения имеет практическое значение.
266
Рис. IX. 12. Схемы к определению уси-
лий в главных плоскостях сваи
Рис. IX. 13. Схема к расчету симмет-
ричного фундамента на кручение
Усилия в свае найдутся по формулам:
QX1 = Р2их, — рз₽&1;
₽2“Уз-рз₽ж,;
Mx,= P4₽x£— P3uy.’
Му> = ₽<₽»* - ₽3Кх„
(IX. 26)
где р — характеристики жесткости сваи.
Эти усилия действуют на верхнюю отсеченную часть сваи. За положитель-
ные приняты усилия, направления которых противоположны положительным
направлениям перемещений.
Определение наибольших моментов в свае. По длине сваи изги-
бающий момент ‘изменяется. В уровне поверхности грунта момент
= М. + QLq9
где М, Q — момент и поперечная сила в верхнем конце сваи.
Ниже поверхности грунта величина момента зависит от упру-,
гих свойств грунта, окружающего сваю, и ее жесткости. Прибли-
женно наибольшее значение этого момента может быть найдено по
формуле
М' = М + Q |Lq + — 1 (IX.27)
\ сс j
Коэффициент т определяют по табл. IX.3 в зависимости от ве-
личины а и Ла, а при Ла<3 также и от величины
hEI ’
267
Таблица IX.3
а /га>3,5 Ла=3 Ла =2,5 Ла=2
4=1,5-10“4 4=1,5-10“3 4=1,5.io-2 4=1,5-10“ 4 4=1,5-10“3 4=1,5- Ю—2
Коэффициент т
0,10 0,75 0,7 0,67 0,70 0,81 0,55 0,65 0,94
0,125 0,75 0,7 0,66 0,68 0,77 0,54 0,61 0,88
0,15 0,75 0,7 0,65 0,66 0,75 0,52 0,57 0,81
0,175 0,75 0,7 0,65 0,66 0,73 0,52 0,56 0,78
0,20 0,75 0,7 0,65 0,66 0,71 0,51 0,55 0,75
где Со — коэффициент постели грунта под нижним концом сваи, тс/м3;
/о — момент инерции торца сваи, м4.
Расчетным моментом будет больший из Ah и АГ.
Расчет симметричного фундамента на кручение. Если на симметричный фун-
дамент с йезаглубленной плитой в горизонтальной плоскости XOY действует
крутящий момент Мг (рис. IX. 13), перемещение плиты и усилия в сваях могут
быть определены следующим образом
При повороте плиты в плоскости XOY (вокруг оси OZ) на угол ф голова t-й
1/~ 2 , 2
сваи повернется на угол ф и переместится нормально к радиусу рх- = у х1 + yt
на величину иг-=фр,-.
Разложим перемещения головы сваи на перемещения в двух плоскостях,
каждая из которых проходит через ось сваи O1Zl и одну из главных осей инер-
ции ее поперечного сечения ОЛ или Перемещение ф разложим на пере-
мещение в плоскости Z]O\Xi
ф' = ф sin Ь/
и на перемещение в плоскости ViOiXj
ф" = ф cos Ь/.
Перемещение щ разложим на перемещение в плоскости Z^OiYi'.
и'= <ppZCOS (Yi + tti)
и на перемещение в плоскости ZiOiXc.
«"=фр/ Sin (<fi + aj).
Здесь б/—угол наклона оси сваи к вертикали в плоскости ZiOiKr,
oti — угол между положительным направлением оси ОХ и радиу-
сом рг;
<рг — угол между проекцией на плоскость XOY положительного на-
правления оси сваи O\Z\ и положительным направлением оси OY,
В результате этих перемещений в свае возникнут следующие усилия, препят-
ствующие кручению (повороту плиты):
от перемещения ф' — изгибающий момент и поперечная сила в плоскости
ZtO.Xc.
= — —-—— ф sin 8/,
LM
6ЕГ
Ой = — —ФEir* ъг>
LM
1 Несимметричные фундаменты нужно рассчитывать как пространственные.
268
от перемещения ф"— крутящий момент в плоскости VtOrXi
GIq
М^, = — “— Ф cos
LM
от перемещения и' — продольная и поперечная силы в плоскости ZiOjKij
EF
Nu1i = —- фр/ cos (у/ + ci/) sin Б/,
£JV
12£/
Qw --------Tb-5- ФР/ cos (yz + uz) sin if,
LM
от перемещения и" — изгибающий момент н поперечная сила в плоскости
2,0, Л',:
6£/„
Л4„» ------ФР/ sin (4i + “/):
12£Zj/.
<?«-= — —7з— Ф₽/ (sin V/ + «/)•
ь/л
Здесь Iv t — момент инерции поперечного сечения i-й сваи относительно
оси 01 Уь
/Х1 — то же, относительно оси ОЛ;
/0-—полярный момент инерции поперечного сечения i-й сваи;
G — модуль сдвига материала сваи (для железобетона О=0,4Е).
Остальные обозначения прежние.
За положительные усилия в сваях приняты: продольная сила — сжимающая;
изгибающий момент и поперечная сила, если они вращают отсеченную часть
сваи по часовой стрелке прн взгляде на сваю с положительного конца главной
оси инерции поперечного сечения сваи, перпендикулярной к плоскости действия
изгибающего момента и поперечной силы; крутящий момент — при кручении
отсеченной части сваи по часовой стрелке при взгляде с положительного на-
правления оси OiZ|.
Беря проекции усилий в сваях на плоскость XOY и составляя уравнение
равновесия, выражающее равенство нулю суммы моментов всех сил относи*
тельно точки О, получим
у, [ — (Му 4- Ми„) sin ii + Му cos 6/ — (Qy + C^..) p’t +
+ (Nu, sin 6, — Qu„ cos 8,) p-] = Мг,
где плечи:
Pi = pi sin (4i + «,);
Pi = pt cos (у/ + at).
Знак 2 означает суммирование по всем сваям.
Обозначая через М значение выражения в квадратных скобках при ф=1,
можно записать
откуда ф = Мг: У М,
Определив таким образом угол поворота плиты фундамента, по приведенным
выше формулам можно найти усилия в сваях.
269
IX.3. РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ СВАЙ
КОНЕЧНОЙ ЖЕСТКОСТИ
Расчет столба конечной жесткости. По излагаемой методике
рассчитывают фундаменты, учитывая совместные деформации
свай и окружающего их грунта. Такой более точный расчет необ-
ходим, если величина й —аЛ<2 м при опирании свай на сжимае-
мый грунт и Й<4 м при опирании на несжимаемый грунт. Расчет-
ные схемы таких фундаментов показаны на рис. IX. 1. Основным,
их элементом служит столб, заделанный в упругую среду — грунт,/
деформации которого необходимо изучить в первую очередь.
Рассмотрим столб шириной нагруженный в уровне поверх-
ности грунта горизонтальной силой Но и моментом ЛГо- Оси коор-
динат расположим, как показано на рис. 1ХЛ4. Дифференциальное
уравнение изогнутой оси столба при коэффициенте постели, пропор-
циональном глубине, будет
dAy
El + Kb^zy = 0. (IX. 28)
dzl
Решением этого уравнения является функция
~ А1л л Но
У,-+ + + <1Х29>
Здесь EI — жесткость столба на изгиб;
К— коэффициент пропорциональности (см. п. VIII.1);
до, <Ро — прогиб и угол поворота сечения столба при 2=0;
а — коэффициент деформации см. формулу (1Х.5а), численные зна-
чения которого приведены в табл. IX.2;
B^CiDi — функции влияния безразмерного аргумента z=az.
Рис. IX. 14. Расчетная схема одиноч-
ного столба
Рис. IX. 15. Деформация основания
столба
270
Функции влияния выражаются следующими сходящимися ря-
дами с бесконечным числом членов:
гю
5!
101
zis
15!
Z2O
20!
6!
Z16
12------
. 16!
211
2!
7!
Z12
12!
• 13-----
17!
22!
=----—4 —
1 3! 81
>43 >48
---—4-9.14------
13! 18!
Z23
23!
Последовательно дифференцируя функцию (IX.29)
Л40
v2EI
получим:
4z
а
То
а
агЕ1
(IX. 30а)
а2Е1
I°-B3 + J^-c3 + -^-D3-
a a2EI 6 &EI 5’
(IX.306)
Qz
аЗЕ!
То
а
-----
а3Е1 4’
(IX.30B)
о2Е/
где А2 ..., В2 ..., С2 .. л, D2 ..., D4 — функции влияния, полученные соот-
ветствующим дифференцированием
Значения функций влияния и их производных для аргумента от
О до 5 приведены в табл. IX.4.
В выражениях (IX.29) и (IX.30) положительными приняты:
прогиб yz в положительном направлении оси ОУ; угол поворота <pz
при повороте сечения против часовой стрелки (на рис. IX. 14 угол
«Фо отрицателен); момент Mz при растяжении левых волокон столба
(при кривизне выпуклостью в сторону отрицательной оси ОУ); по-
перечная сила Qz при действии на верхнюю отсеченную часть в на-
правлении отрицательной оси ОУ.
Полученное решение в строительной механике называют реше-
нием в форме метода начальных параметров; за последние приня-
ты прогиб ус, угол поворота фо, изгибающий момент Л4о и попереч-
ная сила Qo- Неизвестные начальные параметры ус и фо определя-
ют из условий опирания нижнего конца столба. Рассмотрим два
случая опирания.
Первый случай: подошва столба расположена в нескаль-
ном грунте или опирается на скалу без заделки в нее (рис. IX. 15).
Под действием внешних сил MG и HQ подошва повернется на неко-
торый угол фд. На элементарную площадь dFQCn подошвы (основа-
ния) столба будет действовать реактивное давление
dNу УТЛ^оск^7осн-
271
Это давление создает элементарный момент относительно оси,
проходящей через центр тяжести подошвы перпендикулярно к пло-
скости VOZ:
rfAf = tydN у = осн-
Момент Ми от отпора грунта по подошве столба получим сум-
мированием элементарных моментов, распространенных на всю
площадь подошвы:
M.fi~ у dM = —осн^осн- (IX.31а}
^осн
Здесь Сосн — коэффициент постели грунта в вертикальном направлении на»
глубине h {см. формулу (IX.4, а)];
/осн — момент инерции площади подошвы столба.
Знак минус в выражении (1Х.31а) связан с тем, что положитель-
ный момент Mh от отпора грунта по подошве столба возникает при
отрицательном угле <рл ее поворота.
Выражение (1Х.31а) является одним из условий для определе-
ния начальных параметров. Вторым условием будет
(ix.3i6>
(силой трения по подошве столба пренебрегаем).
Второй случай: нижний конец столба заделан в скальный
грунт. В этом случае начальные параметры находятся шз условий:
2М=0; (1Х.32а>
(IX.326}
При заделке столба в скальную породу глубину его заложения
принимают
h— hc 4- ДА,
где hc — глубина расположения поверхности скальной породы;
ЛА — дополнительная глубина, равная 0,52? при забуривании в слабые раку-
шечники или мергель, 2)/3 при забуривании в известняк или песчаник
н равная нулю прн забуривании в кристаллические породы (D — диа-
метр столба).
Найдем единичные перемещения столба в уровне поверхности*
грунта, вызванные действием силы //0=1 (Л1о=0).
При опирании столба на нескальный грунт или скалу (без за-
буривания в нее) используем выражения (1Х.31а) и (1Х.30а), иа
которых следует:
(То 1 \
$0^2 4" ^2 4" о г?» ^21«
а а?Е1 )
Подставляя это выражение © выражение (IX.306), получаем:
^ОСН-/ осн f ,, Vo п . 1 \ Vo п , 1 п
—-— [|И(И2 +----- в2+ I = !t/flл3 + —- Вз+ Зр.’ Въ-
аЕ1 \ а а?Е1 ) а arEl
(IX. 33a}
272
—-— • - • - _ - - .. ... . Таблица IX.4
Значения функций влияния ----------------
Z С1 t 1 Cl Z>1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,5 4 4,5 м5 W 1,00000 1,00000 1,00000 0,99998 0,99991 0,99974 0,99935 0,99860 0,99727 0,99508 0,99167 0,98658 0,97927 0,96908 0,95523 0,93681 0,91280 0,88201 0,84313 0,79467 0,73502 0,57491 0,34691 0,03314 -0,38548 —0,92809 -2,92799 -5,85333 -9,05936 -10,39410 0,00000 0,10000 0,20000 0,30000 0,39999 0,49996 0,59987 0,69967 0,79927 0,89852 0,99722 1,09508 1,19171 1,28660 1,37910 1,46839 1,55346 1,63307 1,70575 1,76972 1,82294 1,88709 1,874»0 1,75473 1,49037 1,03679 -1,27172 —5,94097 —13,41600 -22,47610 0,00000 0,00500 0,00500 0,04000 0,08000 0,12500 0,17998 0,24495 0,31988 0,40472 0,49941 0,60384 0,71787 0,84127 0,97373 1,11384 1,26403 1,42061 1,58362 1,75190 1,92402 2,27217 2,60882 2,90670 3,12843 3,22471 2,46304 —0,92677 -8,77276 —22,42780 0,00000 0,00017 0,00133 0,00450 0,01067 0,02083 0,03600 0,05716 0,08532 0,12146 0,16657 0,22163 0,28758 0,36536 0,45588 0,55997 0,67842 0,81193 0,96109 1,12637 1,30801 1,72042 2,19535 2,72365 3,28769 3,85838 4,97982 4,51780 0,25502 —11,15810 0,00000 0,00000 —0,00007 -0,00034 -0,00107 -0,00260 —0,00540 -0,01000 —0,01707 —0,02733 —0,04167 —0,06096 —0,08632 -0,11883 —0,15973 -0,21030 -0,27194 —0,34604 -0,43412 -0,53768 —0,65822 -0,95616 —1,33889 -1,81479 -2,38756 —3,05319 —4,98062 —6,53316 —5,60969 1,79465 1,00000 1,00000 1,00000 0,99996 0,99983 0,99948 0,99870 0,99720 0,99454 0,99016 0,98333 0,97317 0,95855 0,93817 0,91047 0,87365 0,82.565 0,76413 0,68645 0,58967 0,47061 0,15127 -0,30273 -0,92602 -1,75483 -2,82410 -6,70806 -12,15810 -17,41190 —17,21760 0,00000 0,10000 0,20000 0,30000 0,39998 0,49994 0,59981 0,69951 0,79891 0,89779 0,99583 1,09262 1,18756 1,27990 1,36865 1,45259 1,53020 1,59963 1,65867 1,70468 1,73457 1,73110 1,61286 1,33485 0,84177 0,068360 -3,58647 -10,60840 -21,30210 -32,96950 0,00000 0,00500 0,02000 0,04500 0,08000 0,12499 0,17998 0,24494 0,31983 0,40462 0,49921 0,60346 0,71716 0,84002 0,97163 1,11145 1,25872 1,41247 1,57150 1,73422 1,89872 2,22299 2,51874 2,74972 2,86653 2,80406 1,27018 -3,76647 -14,52750 -32,21610
ND
Продолжение табл. IX.4
Значения функций влияния
Z Дя В, С, п, С4 Г>4
0 0,00000 0,00000 1,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 1,00000
0,1 —0,00017 -0,00001 1,00000 0,10000 -0,00500 —0,00033 -0,00001 1,00000
0,2 -0,00133 -0,00013 0,99999 0,20000 -0,02000 -0,00267 -0,00020 0,99999
0,3 -0,00450 —0,00067 0,99994 0,30000 -0,04500 -0,00900 -0,00101 0,99992
0,4 -0,01067 -0,00213 0,99974 0,39998 —0,08000 —0,02133 —0,00320 0,99966
0,5 —0,02083 -0,00521 0,99922 0,49991 —0,12499 -0,04167 -0,00781 0,99896
0,6 —0,03600 —0,01080 0,99806 0,59974 -0,17991 —0,01799 —0,01620 0,99741
0,7 -0,05716 -0,02001 0,99580 0,69935 —0,24490 -0,11433 -0,03001 0,99440
0,8 -0,08532 -0,03412 0,99181 0,79854 -0,31975 -0,17060 —0,05120 0,98908
0,9 -0,12144 —0,05466 0,98524 0,89705 —0,40443 -0,24284 -0,08198 0,98032
1 —0,16652 -0,08329 0,97501 0,99445 —0,49881 -0,33298 -0,12493 0,96661
1,1 -0,22152 -0,12192 0,95975 1,09016 -0,60268 -0,44292 -0,18285 0,94634
1,2 —0,28737 -0,17260 0,93783 1,18342 -0,71573 -0,57450 -0,25886 0,91712
1,3 —О;36496 —0,23760 0,90727 1,27320 -0,83753 -0,72950 —0,3.5631 0,87638
1,4 —0,45515 -0,31933 0,86573 1,35821 —0,96746 -0,90954 -0,47883 0,82102
1,5 —0,55870 -0,42039 0,81054 1,43680 -1,10468 —1,11609 —0,63027 0,74745
1,6 -0,67629 —0,54348 0,73859 1,50695 — 1,24808 —1,35042 —0,81466 0,65156
1,7 -0,80848 —0,69144 0,64637 1,56621 -1,39623 —1,61346 —1,03616 0,52871
1,8 —0,95564 -0,86715 0,52997 1,61162 -1,54728 —1,90577 —1,29909 0,37368
1,9 —1,11796 —1,07357 0,38503 1,63969 — 1,69889 —2,22745 —1,60770 0,18071
2 —1,29535 -1,31361 0,20676 1,64628 -1,84818 —2,57798 —1,96620 — 0,05652
2,2 -L69334 -1,90567 —0,27087 1,57538 —2,12481 —3,35952 —2,84858 — 0,69158
2,4 —2,14117 -2,66329 —0,94885 1,35201 -2,33901 —4,22811 —3,97323 — 1,59151
2,6 —2,62126 -3,59987 — 1,87734 0,91679 -2,43695 —5,14023 —5,35541 — 2,82106
2,8 -3', 10341 -4,71748 -3,10791 0,19729 -2,34558 —6,02299 —6,99007 — 4,44491
3 -3; 54058 —5,99979 -4,68788 -0,89126 -1,96928 —6,76460 —8,84029 — 6,51972
3,5 —3,91921 -9,54357 -10,34040 -5,85402 1,07408 —6,78895 —13,69240 —13,82610
4 — 1,61428 —11,73070 -17,91860 -15,07550 9,24368 —0,35762 —5,61050 —23,14040
4,5 6,63993 —7,60958 -24,08430 -28,48410 25,23210 19,89220 —6,09194 —29,10540
5 24,97670 11,94850 -19,60110 -41,35540 49,08510 62,70540 30,07450 —27,67640
Из выражений (ТХ.ЗОв) и (IX.316) следует, что
. । То R , 1
*/<04 -h — В4 -h —
a as>EI
D4=0.
(IX.336)
Совместным решением уравнений (1Х.ЗЗа) и (IX.336) нахо-
дим единичные перемещения столба в уровне поверхности грунта:
^//// = #0 И ^МН ~
(0) _ —____.
&EI
(Вз£)4 — В4Р3) + Кь (В2Р4 — B4D2)
(А3В4 — Л4В3) + Kh (А2В4 — А4В2)
(A3D4 — A4D3) + Kh {A2D4 — A4D2)
МН —
&EI
- , осн 1 осн
при Kh— —— • —Г~
аЕ /
(Л3В4 — Л4В3) + Kh (А2В4 — А4В2)
Если на столб действует только момент Л4о=1 (Яо=О),
гично можно получить (^5niw= — То)
(IX. 34а)
(IX. 346)
(1Х.34в)
анало-
R(0) 1 (Л3С4 — Л4С3) -ь Kh (А2С4 — А4С2) |Y .
MM aEI (Л3В4-Л4В3) + ^(Л2В4-Л4В2) '
Перемещение определяем по формуле (IX.346).
Величина Kh определяет влияние сопротивления грунта пово-
роту подошвы столба на его перемещения в уровне поверхности
грунта. Анализ показал, что, когда при опирании фундамента на
нескальный грунт й = ай^3, а при опирании на скалу ft=aft^3,5,
без ущерба для точности расчета можно принимать /G=0.
Если столб заделан в скальную породу, то, учитывая условия
(1Х.32а) и (IX.326), аналогично будем иметь:
ио) __ 1 . B2Pi—-В^
нн~ cfiEI ’ A2B1 — A1B2 ’
(0) _ ъ(0)____1 ^2^1 В1С2
мн- нм а2Е1 ‘ Л2В1 —Л1В2 ’
(0)____* Л2С1 — Л1С2
aEI ’ А2В1~А1В2 ‘
(1.36а)
(IX.366)
(1Х.36в)
В выражениях 6<0> значения функций влияния А, В, С и D с со-
ответствующими индексами берутся для аргумента z = aft.
Численные значения выражений, входящих в формулы для оп-
ределения приведены в табл. IX.5.
Зная перемещения столба на уровне поверхности грунта от еди-
ничных усилий, можно определить перемещения на том же уровне
от силы и момента 7И0:
Й/о = НОЪ<МГ + А106<Д; ?о = - (Н(А + МсА). (IX .37)
С помощью выражений (IX.306) и (1Х.30в) строят эпюры изги-
бающих моментов и поперечных сил в сечениях столба.
Горизонтальные'давления на грунт по боковой поверхности
столба
Кг + — Bi + zA (IX.38)
\ a o2ri aPEI j
275
Таблица IX.5
Значения величин ига исчисления 8е
*F SjD4— —BiDi 5iCi—5iCi AiCi—A1C1
АЯВ<-—A A>Z)4—A<D> AiZ)<—A<Dt Л1С4—А<СЯ A1C4—A4C1 A |JBi—AiBt AjJBi—At5| A t2fy“A
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и 12
0- 0,00000 0,00000 1,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000
0,1 0,00002 0,00000 1,00000 0,00500 0,00033 0,00003 0,00500 0,00050 0,00033 0,005,0 0,10000
0,2 0,00040 0,00000 1,00004 0,02000 0,00267 0,00033 0,02000 0,00400 0,00269 0,02000 0,20000
0,3 0,00203 0,00001 1,00029 0,04500 . 0,00900 0,00169 0,04500 0,01350 0,00900 0,04500 0,30000
0,4 0,00640 0,00006 1,00120 0,07999 0,02133 0,00533 0,08001 0,03200 0,02133 0,07999 0,39996
0,5 0,01563 0,00022 1,00365 0,12504 0,04167 0,01303 0,12505 0,06251 0,04165 0,12495 0,49988
0,6 0,03240 0,00065 1,00917 0,18013 0,07203 0,02701 0,18020 0,10804 0,07192 0,17983 0,59962
0,7 0,06006 0,00163 1,01962 0,24535 0,10443 0,05004 0,24559 0,17161 0,11406 0,24488 0,69902
0,8 0,10248 0,00365 1,03824 0,32091 0,17094 0,08539 0,32150 0,25632 0,16985 0,31867 0,79783
0,9 0,16426 0,00738 1,06893 0,40709 0.24374 0,13685 0,40842 0,36533 0,24092 0,40199 0,89562
1 0,25062 0,01390 1,11679 0,50436 0,33507 0,20873 0,50714 0,50194 0,32855 0,49374 0,99179
1,1 0,36747 0,02464 1,18823 0,61351 0,44739 0,30600 0,61893 0,66965 0,43341 0,59294 1,08560
1,2 0,52158 0,041.56 1,29111 0,73565 0,58346 0,43412 0,74562 0,87232 0,55589 0,69811 1,17605
1.3 0,72057 0,06724 1,43498 0,87244 0,74650 0,59940 0,88991 1,11429 0,69488 0,80737 1,26199
1.4 0,97317 0,10504 1,63125 1,02612 0,94032 0,80887 1,05550 1,40059 0,84855 0,91831 1,34213
1.5 1,28938 0,15916 1,89349 1,19981 1,16960 1,07061 1,24752 1,73720 1,01382 1,02816 1,41516
1 6 1,68091 0,23497 2,23776 1,39771 1,44015 1,38379 1,42277 2,13135 1,18632 1,13380 1,47990
1 7 2,16145 0,33904 2,68296 1,62522 1,75934 1,78918 1,74019 2,39200 1,36088 1,23219 1,53540
1 А 2,74734 0,47951 3,25143 1,88946 2,13653 2,26933 2,06147 3,13039 1,53179 1,32058 1,58115
1 Q 3,45833 0,66632 3,96945 2,19944 2,58362 2,84909 2,45147 3,76049 1,69343 1,39688 1,61718
9 4,31831 0,91158 4,86824 2,56664 3,11583 3,54638 2,92905 4,49999 1.,84091 1,45979 1,64405
2 2 6,61044 1,63962 7,36356 3,53366 4,61846 5,38469 4,24806 6,40196 2,08041 1,54549 1,67490
2 4 9,95510 2,82366 11,13130 4,95288 6,57004 8,02219 6,28800 9,09220 2,23974 1,58566 1,68520
2.6 14,86800 4,70118 16,74660 7,07178 9,62890 11,82060 9,46294 12,97190 2,32965 1,59617 1,68865
2.8 22,15710 7,62658 25,06510 10,25420 14,25710 17,33630 14,40320 18,66360 2,37119 1,59262 1,68717
з 33,08790 12,13530 37,38070 15,09220 21,32850 25,42750 22,06800 27,12570 2,38548 1,58606 1,69051
3.5 92,20900 36,85800 101,36900 41,01820 60,47600 67,49820 64,76960 72,04850 2,38891 1,58435 1,71100
4 266,06100 109,01200 279,99600 114,72200 176,70900 185,99600 190,83400 200,04700 2,40074 1,59979 1,73218
4.5 788,09100 324,08800 795,76400 327,74900 525,45500 529,83100 567,24700 571,66600 2,41681 1,61296 1,74308
5 2382,00000 979,67800 2324,47000 956,66200 1588,4300 1549,61000 1713,28000 1672,28000 2,42582 1,61823 -1,74620 -
Расчет фундамента из несколь-
ких столбов конечной жесткости.
Рассмотрим симметричный фун-
дамент, состоящий из нескольких
вертикальных столбов, объеди-
ненных сверху распределительной
плитой бесконечно большой жест-
кости (рис. IX.16). Действующие
на фундамент внешние силы при-
водим к точке О — центру тяже-
сти подошвы плиты (рисунок со-
ответствует расчету в плоскости
ZOX). Выражения перемещений
столба (со свободной головой) на
уровне низа плиты от единичных
усилий, приложенных к тому же
уровню, имеют следующий вид.
1. Прн действии горизонталь-
ной силы Яж= 1;
горизонтальное перемещение
/3
а - —
НИ~ЪЕ1
Рис. IX. 16. Расчетная схема плоской
продольной рамы
угловое перемещение
_ и - . -4- а<°>
2. При действии момента Л1У=1:
горизонтальное перемещение
^нм~
угловое перемещение
EI
Вертикальное перемещение головы столба, вызванное силой
N = 1, будет складываться из деформаций тела столба и основания.
Пренебрегая силами трения по боковой поверхности столба, это
перемещение
£0 -4“ h ^осн
ЪРР — FF + с F ПРИ -
V0CHJ ОСН
где EF — жесткость столба на сжатие;
KD — коэффициент, учитывающий уменьшение деформации основания с
уменьшением площади подошвы столба;
docs — диаметр подошвы столба, м.
При единичном горизонтальном перемещении плиты в голове
столба возникнут горизонтальная сила рнн и момент рмн; эти силы
277
найдем из системы уравнений (угловое перемещение равно нулю):
?НН*НН + = 1; °-
Отсюда
$НН ~~ R ъ »2 »
°нн°м М ~~ ° мн
ВЛШ
?МН — ъ 5, >2 •
6НН°ММ ЪМН
(IX. 39а)
(IX.396)
Усилия рмм и рнм в голове столба от единичного углового пе-
ремещения плиты получим из уравнений:
Рлиивмм + ?НМЪМН~ Рлшв/ш + ?нмънн °»
Откуда
^нн
?мм t * *2 »
°нн°мм ~ Ьш
______ънм
Н7И ^нн^мм s *нм
(IX, 40а)
(IX.406)
Как и следовало ожидать, &мн = 1)нм.
Сила qpp от единичного вертикального перемещения
Р рр~
ЪРР
(IX. 41)
Кц
EI
осн1 осн
Усилия р нужно вычислить для всех столбов. Суммарные еди-
ничные реакции метода перемещений, возникающие при вертикаль-
ном и = 1 и горизонтальном и—\ перемещениях точки О плиты, а
также при повороте 0=1 плиты относительно той же точки, бу-
дут:
rwv—Xj Ррр> Гии.—^?НН'
ГР₽ = 5 + 5 л2РРР’ Гпр == r$u = 5 ?МН* .
(IX.42)
Неизвестные перемещения плиты о, и и ₽ определяются кано-
ническими уравнениями (IX.11) метода перемещений, решив кото-
рые, получим:
АГ ги^^у
----; и — ---------------------;
Г VV ГииГрр ^пр
гии,Му Ги$Нх |
гииг^ р rLp J
(IX.43)
278
Изложенный способ расчета
фундаментов из нескольких стол-
бов отличается от расчета высо-
ких свайных ростверков тем, что
у нем распределенное сопротив-
ление грунта не заменяется ус-
ловными жесткими закреплени-
ями.
Канд. техн, наук К. С. Заври-
евым проведен анализ возможно-
сти использования условных жест-
ких закреплений при расчете фун-
даментов из столбов. Анализ по-
казал, что при глубине заложения Рис. IX.17. график для определения
столбов, отвечающей условию глубины Лм расположения условной
h=ah<2, перемещения фунда- заделки столбов
мента (а, и, и р), а также усилия
Л', Н и М, действующие на голову каждого из столбов, можно оп-
ределять по формулам гибких свай (см. п. IX.2), если расчетные
длины столбов на изгиб £м и сжатие LN определять по формулам:
4- hM\
— Lq -|- h +
(IX. 44)
где hM — глубина (от поверхности грунта) расположения условного жесткого
закрепления против горизонтальных смещений и поворотов столба, оп-
ределяемая по графику (рис. IX. 17) в зависимости от коэффициента
а= : (£/).
Использование расчетных длин, вычисляемых по формуле
(1Х.44), обеспечивает достаточно хорошее совпадение результатов
расчета, основанного на использовании условных жестких закреп-
лений, с соответствующими результатами расчета, учитывающего
распределенное сопротивление грунта перемещениям столбов.
Исключение составляет определение величины наибольшего момен-
та Мн, действующего на части столба, заделанной в грунте. Эту
величину Мн К. С. Завриев рекомендует определять по формуле
Мн= М + Q (£0 + (IX. 45)
где hMм — глубина, определяемая по табл. IX.6 в зависимости от а и z=aht
а при z=ah<3 также и от значения коэффициента т)=К/Осн: (£/),
учитывающего влияние сопротивления грунта повороту подошвы
столба на величину Мн-
Формула (IX.45) основана на схеме, в которой столб на глуби-
не hMM рассматривается заделанным, а выше этой глубины сво-
бодным от грунта.
Способ, основанный на использовании условных жестких за-
креплений, не охватывает случаев расчета фундаментов со столба-
ми, погруженными через толщу нескальных грунтов и забуренны-
ми в скальную породу.
279
Таблица IX.6
а z>3,5 z=3 z=2,6 z=2,0
1,5-10-4 T- 1,5-10 ~ 3 т,=1,5-10-~2 ^=1,5-10—4 ^=1,5-10—3 r,=1,5-10—2
Глубина M
0.1 7,3 6,9 6,5 6,8 7,8 5,3 6,3 9,0
0,125 5,9 5,7 5,4 5,6 6,4 4,4 5,1 7,2
0,15 5 4,6 4,3 4,4 5,0 3,5 3,8 5,4 4.5
0,175 4,3 4,0 3,7 3,8 4,2 3,o 3,2
0,2 3,7 3,5 3,2 3,3 3,5 2,6 2,7 3,7
0,225 3,3 3,1 2,9 2,9 3,2 —
0,25 3 2,8 2,6 2,6 2,8 — —• —
0,275 2,7 2,5 2,3 — — —
0,3 2,5 — — — — — — —
0,325 2,3 — — - — — —
0,35 2,1 — — — — — —
0,4 1,8 —- — — — —— — —
Плиту можно считать абсолютно жесткой, если ее толщина йп
составляет не менее одной четверти расстояния LKp между осями
крайних столбов, расположенных в расчетной плоскости.
Если расчет ведется только на горизонтальную силу Нх (при
Му = 0), плиту принимают абсолютно жесткой при условии
где /п — момент инерции поперечного сечения плиты относительно оси, нор-
мальной к плоскости действия сил;
L — расстояние между столбами в расчетной плоскости;
LM — расчетная длина столба на изгиб;
/с — суммарный момент инерции столбов, расположенных в одном ряду,
нормальном плоскости действия сил.
Если плиту ростверка нельзя считать абсолютно жесткой, то
фундамент рассчитывают как раму с упругой заделкой стоек на
уровне поверхности грунта. Упругая заделка стоек характеризует-
ся единичными перемещениями которые определяют по фор-
мулам (IX.34) — (IX.36). Раму рассчитывают по общим правилам
строительной механики, причем жесткость плиты (ригеля рамы)
учитывают только на участках между столбами в свету.
IX.4. ПРОВЕРКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
ФУНДАМЕНТОВ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОПОР
Проверка несущей способности свай по грунту. Полученная в ре-
зультате расчета фундамента осевая сжимающая нагрузка на сваю»
сваю-оболочку или сваю-столб должна удовлетворять условию
Ш
Ршах 4“
(IX. 46)
280
где Pq — расчетная допускаемая нагрузка на сваю, тс;
Ртах— наибольшая сжимающая нагрузка на сваю в уровне подошвы плиты
фундамента, тс;
G — вес сваи с учетом взвешивания в воде, тс;
Ф— несущая способность сваи по грунту (см. п. VIII.2, VIII.3), тс;
kr — коэффициент надежности;
т — коэффициент условия работы.
Для мостов, если сваи опираются на нескальный грунт и плита
фундамента не заглублена в грунт, коэффициент надежности
принимают в зависимости от числа свай в фундаменте:
Число свай в фундамен-
те ..............1—5
Кв • •,..•••.••-1,7о
6—10 11—20 >20
1,65 1,6 1,4
При опирании свай на скальное основание, а также при плите,
заглубленной в грунт в любых грунтовых условиях, коэффициент
надежности кн=1,4.
При расчетах фундамента на основные сочетания нагрузок ко-
эффициент условия работы т=1. При расчетах на остальные со-
четания нагрузок в сваях, опертых на нескальные грунты, коэффи-
циент условия работы принимается по табл. IX.7 в зависимости от
плоской схемы фундамента и отношения
Луу — Рmln • Ртах
где Pmin — усилие в наименее нагруженной свае фундамента (при растяжении
со знаком минус);
/’шах — усилия в наиболее нагруженной свае фундамента из числа свайных
рядов пг, расположенных в плоскости перпендикулярной к плоскости
действия внешних сил.
Усилия Pmin и Ртах соответствуют одному и тому же сочетанию
нагрузок.
Таблица IX.7
Фундаменты с вертикальными сваями Фундаменты с наклонными сваями
Значение п Число рядов в фундаменте
N 4 5—7 >8 5—7 >8
Коэффициент условия работы т
1,1 1,15 1,2 1,1 1,15
0,1</2дг<0,3 1,1 1,15 1,15 1,1 1,1
/2дг>0,3 1,1 1,1 1,1 1,1 Ы
Примечания. 1. Плоскую схему фундамента получают, проектируя сваи на плос-
кость действия внешних сил.
2. Для случаев, не охваченных таблицей, нужно принимать т—1.
281
Если в свае (оболочке или столбе) возникают растягивающие
усилия, то сваю проверяют на выдергивание по формуле
т
I/’mini-о Фв. (IX.47)
ЛГН
где Фв — несущая способность сваи на выдергивание по формуле (VII 1.9);
кн — коэффициент надежности, принимаемый при любых грунтах и положе-
ниях плиты фундамента в зависимости только от числа свай в фунда-
менте согласно формуле (IX.46), но не менее кн=2 при расчетах на
основные сочетания нагрузок;
т—коэффициент условия работы, принимаемый равным 1.
При постоянных нагрузках работа свай на выдергивание не до-
пускается.
Кроме проверки работы сваи на продольные осевые усилия не-
обходимо проверить прочность (устойчивость) грунта, окружаю-
щего сваю, на действие горизонтальных давлений, передаваемых
сваей. Эта проверка необходима для любых свай, за исключением
свай толщиной d^0,6 м, погруженных в грунт на глубину более
10 d. Приближенно сопротивление грунта в горизонтальном направ-
лении может быть принято равным разности в рассматриваемом
уровне пассивного и активного давления грунта, определяемых по
теории Кулона. Исходя из зтого горизонтальное давление должно
удовлетворять условию
4
< ВД2-------- (Yiz tg + ecj) (IX.48)
cos Ti
Л1п “Ь -Л^вр
при —--------------—»
fd&n “Ь Мвр
где 41 — коэффициент, равный 0,7 для мостов с распорными пролетными строе-
ниями (например, арочными) и равный 1, во всех остальных случаях;
42 — коэффициент, учитывающий долю постоянной нагрузки в суммарной;
Yi — расчетное значение объемного веса грунта с учетом взвешивания в
воде, тс/м3;
<рт — расчетное значение угла внутреннего трения грунта, град;
а — расчетное значение сцепления грунта, тс/м2;
g— коэффициент, равный при забивных сваях и сваях-оболочках 0,6,
а при всех остальных видах свай равен 0,3;
Мп — момент от внешних постоянных нагрузок в уровне нижних концов
свай, тс-м;
Мвг — то же, от внешних временных нагрузок, тс*м;
п — коэффициент, равный 4_при Ti^2,5 и равный 2,5 при 7г^5 (для про-
межуточных значений h коэффициент п находят по линейной интер-
поляции).
(IX. 49)
Давление crz вычисляют по формуле (1Х.38а) для z, отсчитывае-
мых от поверхности грунта при незаглубленной плите и от подош-
вы плиты при заглубленной плите. Неравенство (IX.48J нужно
проверять: при й^2,5 на глубинах z=h/3 и z=h, а при /г>2,5 на
глубине z=0,85/a, где а находят по формуле (1Х.5а).
Расчеты показывают, что при h^2,5 для свай, опертых на сжи-
маемый грунт и при h^4 и опирании на несжимаемый грунт мож-
но ограничиться проверкой по формуле (IX.48) горизон-
282
тальных давлений на глубине 2о=Ло/3 (где ft0=2,5/a),
горизонтальное давление на этой глубине по формуле
2 (6Л10 4- 5QqA0)
cz0 = or ,2 с»
ВЫЧИСЛЯЯ
(IX. 50)
где Af0, Qo — момент и поперечная сила, возникающие в свае на уровне поверх-
__ ности грунта (при z=0);
£— коэффициент, при Л^4 равный 0,7, а при 2,5<7г^4 вычисляемый
по формуле £=1,5—0,2Й.
Если плита фундамента заглублена в грунт, то нужно проверить
прочность (устойчивость) грунта, окружающего плиту, по фор-
муле
4
<jn= uKhH < зд- ; — YjMg'Pp (IX.51)
где и — горизонтальное перемещение плиты в уровне ее подошвы, м;
К — коэффициент пропорциональности для плиты по табл. IX. 1, тс/м4;
— высота части плиты, заглубленной в грунт, м;
41, 42 — те же, что в формуле (IX.48).
При вычислении коэффициента т]2 по формуле (1X49) коэффи-
циент п принимают равным 2,5.
Если столб забурен в скалу, то прочность заделки проверяют
по формуле (VIII.7), в которой расчетное сопротивление скальной
породы
^сж / h3 \
—~ + 1,5 Ьсе (IX.52)
Kp \ ^8 /
где ке — коэффициент, учитывающий влияние момента Mh в уровне расчетной
заделкн столба на прочность скальной породы.
Остальные обозначения — см. формулу (VIII.6).
Коэффициент ке принимают по графику рис. IX. 18 в зависимо-
сти от относительного эксцентриситета e/d2. Эксцентриситет
е- Ph (1+ h3r
(IX.53)
где Mh, Ph, Qh — момент, продольная и поперечная силы в уровне расчетной
заделки столба.
Проверка прочности (трещиностойкости) свай. В общем случае
эпюры изгибающих моментов Mz и поперечных сил Qz в сваях, необ-
ходимые для расчета свай на прочность (трещиностойкость), на-
ходят по формулам (IX.306) и (1Х.30в). В фундаментах из гибких
свай с плитой, расположенной над поверхностью грунта, наиболь-
ший изгибающий момент в свае может быть найден по приближен-
ной формуле (IX.27).
Прочность (трещиностойкость) сваи на совместное действие
продольной силы и изгибающего момента проверяют по правилам
расчета конструкций.
283
Рис. IX. 18. График коэффи-
циента Ке
3
Рис. IX. 19. Расположение расчетных
радиальных сечений оболочки
При проверке сваи на продольный изгиб сваю считают жестко
заделанной в сечении, расположенном от подошвы плиты фунда-
мента на расстоянии
2
11 IО а
а
где /о — длина сваи от поверхности грунта до подошвы плиты, м;
а — коэффициент деформации, вычисляемый по формуле (1Х.5а), м.
Если свая забурена в саклу и 2/а>!, где I — глубина погруже-
ния сваи в грунт, то принимают l\=lo+l.
Верхний конец может быть принят жестко заделанным, если
перемещения подошвы плиты как вдоль, так и поперек оси моста
ограничены сваями, наклонными в обоих направлениях. В этом
случае свободная длина сваи при проверке на продольный изгиб
равна 0,5 При отсутствии наклонных свай хотя бы в одном из
указанных направлений, а также если перемещениям плиты не
препятствуют пролетные строения моста (например, при катковых
опорных частях), верхний конец сваи нужно принять незакреплен-
ным и тогда свободная длина сваи будет равна 2
В полых оболочках необходима проверка прочности и трещино-
стойкости радиальных сечений. Если из оболочки на глубине z от
поверхности грунта двумя горизонтальными сечениями вырезать
элемент (кольцо), то действующее на оболочку одностороннее ре-
активное горизонтальное давление грунта az будет уравновешено
касательными силами, возникающими в торцах выделенного эле-
мента. В результате стенки выделенного кольца оболочки будут
испытывать изгиб и сжатие или растяжение. С точностью, доста-
точной для практических целей, можно ограничиться проверкой
радиальных сечений (рис. IX.19), усилия в которых, отнесенные к
1 м высоты оболочки, находятся по формулам, полученным
Г. С. Шпиро:
в сечении I—1
м 1 == > кiMP;
в сечении 2—2
284
в сечении 3—3
= — ЛГ3=Х/3а^р,
Здесь М — изгибающие моменты (положительные моменты растягивают
внутренние волокна оболочки), тс-м/м;
N — нормальные силы (за положительные приняты сжимающие си-
лы), тс/м;
/, i — коэффициенты, определяемые по графику (рис. IX.20) в зависи-
мости от параметра
Ed / Во \з
KzRcpbp \ /
Z — коэффициент, учитывающий пространственные условия работы
оболочки;
Gz — горизонтальное давление грунта иа глубине z;
bp — расчетная ширина оболочки, м;
/?Ср — средний радиус поперечного сечения оболочки, м;
Е — модуль упругости материала оболочки, тс/м2;
d — наружный диаметр оболочки, м;
б0— толщина стенки оболочки, м;
К — коэффициент пропорциональности коэффициента постели грунта
в горизонтальном направлении.
Коэффициент Л принимают равным 0,75 для сечений, располо-
женных выше уровня, где az=0, а также для всех сечений, если
нижняя часть оболочки заполнена бетоном. Для остальных сечений
принимается Х=1.
Проверка давлений на грунт по подошве фундамента. Давления
на грунт под отдельными сваями накладываются друг на друга и
создают суммарное напряженное состояние грунта в уровне ниж-
них концов свай — подошве фундамента. Если эти напряжения
превзойдут несущую способность грунтов основания, то возможны
недопустимые осадки и крены всего фундамента вместе с грунтом,
заключенным между сваями. Давления по подошве принято опре-
делять, рассматривая свайный фундамент как условный массивный
прямоугольный параллелепипед, очерченный (рис. IX.21) контуром
abed (аналогично очерчивают контур в плоскости, перпендикуляр-
ной к чертежу).
Размеры подошвы условного фундамента будут:
Обозначения A, a, h и ф см. на рис. IX.21.
Угол
но не более угла наклона к вертикали крайних свай.
Средний угол внутреннего трения
hi
Vrp= h
где <pii — расчетный угол внутреннего трения i-ro слоя грунта;
hi — мощность i-ro слоя грунта (сумма распространяется на глубину h по-
гружения свай).
285
Рис. IX.20. Графики для расчета радиальных сечений оболочек
Фундамент рассматривают
как абсолютно жесткий, трение
между его гранями и окружаю-
щим грунтом не учитывают. В
этих предположениях несущую
способность фундамента про-
веряют по формулам
среднее напряжение на
грунт
*ср=—- (IX.54)
АВ
наибольшее напряжение на
грунт
а)
б)
Рис. IX.21. Схема условного свайного
массива:
а — при заглубленной плите; б — при плите,
расположенной вне грунта
°шах —•
АВ
6Л (ЗЛТ + 2Hh)
(IX.55)
ОСН
Здесь 7V — суммарное давление в уровне подошвы, включая вес свай и вес
грунта в объеме условного фундамента;
Н, М — горизонтальная составляющая внешней расчетной нагрузки и ее
момент в уровне расчетной поверхности грунта;
h — глубина заложения подошвы условного фундамента;
К — коэффициент пропорциональности горизонтального коэффициента
постели грунта (принимается по табл. IX. 1 как для оболочек и
столбов);
Сосн — коэффициент постели грунта в основании фундамента [см. фор-
мулы (IX.4)];
В— несущая способность грунтов основания, определяемая по услов-
ным сопротивлениям грунтов [см. формулу (II.9)].
Аналогично проверяют давление на грунт в плоскости, нормаль-
ной к чертежу.
Проверка устойчивости на глубинный сдвиг. Свайные фундаме-
нты рассчитывают на глубинный сдвиг, так же как и фундаменты
мелкого заложения (см. п. IV.3), по круглоцилиндрическим по-
верхностям.
Если цилиндрическая поверхность скольжения пересекает сваи,
то запас устойчивости сопротивление свай глубинному сдвигу не
учитывают-
Проверка перемещений фундаментов и опор. Осадки свайных
фундаментов находятся по общей методике расчета осадок (см.
п. П.З), рассматривая фундамент как условный массив (см. рис.
IX.21). Крены фундаментов ограничивают допустимыми горизон-
тальными перемещениями подферменных площадок опор.
1 Формулы получают простыми преобразованиями формул расчета массив-
ных фундаментов (см. п. Х.4).
287
При фундаментах из гибких свай горизонтальные перемещения
верха опоры
Дг ~Ь Р^оп ~Ь Воп ♦ (IX • 56)
где и, р — горизонтальное и угловое перемещение плиты фундамента;
Лоп — расстояние от подошвы плиты до верха опоры;
боп — горизонтальные перемещения верха опоры вследствие деформации ее
фундаментной части.
Перемещение боп находят, рассматривая надфундаментную
часть опоры как консоль, заделанную в плиту фундамента.
В фундаментах из свай конечной жесткости (оболочек, стол-
бов) с плитой, расположенной выше грунта, нужно к деформациям
уо и <ро части сваи, расположенной в грунте, добавлять деформации
сваи, накапливающиеся на участке выше поверхности грунта.
IX.5. НАЗНАЧЕНИЕ СХЕМЫ СВАЙНОГО
ФУНДАМЕНТА
В свайных фундаментах перемещения плиты (а следовательно, и
всей опоры) и усилия в сваях в большой степени зависят от распо-
ложения свай, их жесткости и углов наклона. Выбирая схему фун-
дамента. необходимо обеспечить наиболее экономичную конструк-
цию, обладающую достаточной прочностью и жесткостью и удоб-
ную в производственном отношении. Для фундаментов-опор мостов
эта задача осложняется тем, что на опоры внешние нагрузки дей-
ствуют в различных сочетаниях, отличающихся как величиной и
направлением сил, так и точками их приложения; при проектиро-
вании же необходимо найти такое решение, при котором фунда-
мент обеспечивал бы надежность опоры при любых сочетаниях на-
грузок.
Выбор наиболее рациональной схемы фундамента решают пу-
тем составления ряда вариантов, их сопоставления и анализа.
Большое облегчение в этой работе приносят ЭВМ, с помощью
которых выполняют весьма трудоемкие арифметические вычи-
сления.
При назначении схем фундамента прежде всего необходимо
выбрать высотное расположение плиты. В руслах рек, при глубине
воды во время производства работ свыше 2—3 м, плиту обычно
не заглубляют в грунт. При таком расположении плиты отпадает
необходимость в разработке котлована, что значительно упрощает
строительные работы.
При глубинах воды более 5 м повышенное расположение плиты
нужно считать неизбежным.
На поймах рек и при мелководье плиту, как правило, полностью
или частично заглубляют в грунт, располагая обрез фундамента в
зависимости от уровня ледостава, толщины льда и других требо-
ваний.
288
При постройке эстакад, путепроводов и других аналогичных
сооружений, а также устоев мостов, часто плиты заменяют риге-
лем опоры рамной конструкции, стойками которых служат сваи.
При небольших пролетах эстакад такое решение наиболее эконо-
мично. В городских условиях по архитектурным соображениям пли-
ту обычно располагают в грунте.
Следует заметить, что плита, заглубленная в грунт, в значитель-
ной степени увеличивает жесткость фундамента и уменьшает уси-
лия в сваях от горизонтальных сил и моментов, так как значитель-
ную долю этих воздействий плита своими лобовыми гранями непо-
средственно передает грунту. Поэтому в фундаментах с заглублен-
ной плитой во многих случаях оказывается возможным использо-
вать сваи небольшого поперечного сечения. При глубоких размывах
дна это достоинство заглубленной плиты, очевидно, теряется.
Анализ вариантов с различным расположением и размерами
свай и выбор оптимального решения наиболее просто решается
для симметричных плоских схем. С известной осторожностью его-
можно распространить и на несимметричные и пространственные
схемы.
В первом приближении, задаваясь видом свай, число их в фун-
даменте мостовой опоры можно определить по формуле
N
п = ---/,
Л)
где t — коэффициент, равный 1,3—1,6;
N — наименьшее вертикальное давление в уровне подошвы плиты;
т
Ро — допускаемая нагрузка на сваю по грунту, равная -Ф.
/<н
Вид свай и их размеры необходимо согласовывать с напласто-
ванием грунтов. Длину свай нужно назначать такой, чтобы они опи-
рались по возможности на плотные грунты. Размеры поперечного
сечения ствола свай зависят главным образом от уровня располо-
жения плиты и плотности верхних слоев грунта: чем больше сво-
бодная длина свай и чем меньше плотность грунтов, тем более же-
сткими должны быть сваи.
Разместив в плане по подошве плиты полученное число свай и
соблюдая при этом нормативные требования, нужно проверить
возможность осуществления простейшей схемы с вертикальными
сваями. Во многих случаях в опорах автодорожных мостов фунда-
менты с вертикальными сваями оказываются вполне приемлемы-
ми. Однако когда по условию обеспечения горизонтальной жестко-
сти опоры или обеспечения прочности (трещиностойкости) свай на
изгиб требуется увеличить число свай, то целесообразно все или
часть свай дать наклонными-
Применением наклонных свай можно достичь значительного
повышения горизонтальной жесткости опоры и уменьшения изги-
бающих моментов в поперечных сечениях свай без увеличения их
числа и размеров.
289
.1
Рис. IX.22. Характерные схемы (/—VI) расположения свай
Фундаменты с наклонными сваями могут иметь разнообразные
схемы (рис. IX.22). На схемах под каждой из четырех свай следует
подразумевать группу свай, оси которых на соответствующую ко-
ординатную плоскость проектируются в одну линию. Наметив не-
сколько схем, можно определить усилия в сваях по следующим
формулам, полученным в предположении шарнирного закрепления
концов свай:
положение упругого центра
sin 6/ cos2 В/
с =----------------;
S Sin2 COS 6/
продольные усилия в сваях
р _ N cos 8f Нх sin Myfpi
1 2 cos3 В/ 2 sin2 cos В/ SP2pz
где My' — момент внешних сил относительно упругого центра;
Рр» — плечо продольной силы в свае относительно упругого центра.
Схемы должны по возможности обеспечивать простоту произ-
водства работ. Исходя из этого нужно иметь возможно меньшее
число наклонных свай и минимальное число различных углов их
наклона. Оптимальными в этом отношении будут схемы, в которых
все сваи погружены с одинаковым уклоном, т. е. схемы I и IV (см.
рис. IX.22). Достаточно удобна часто применяющаяся схема II с
вертикальными и наклонными сваями, расположенными дальше от
оси симметрии. Схема III, в которой вертикальные сваи удалены
от оси симметрии ростверка, менее удобна; она возможна только
при расположении вертикальных и наклонных свай в разных ря-
дах. Наибольшие осложнения при погружении свай могут вызвать
схема V, в которой меняются углы наклона, и козловая схема V/;
разные углы требуют изменения наклонов стрелы копра, а для
погружения свай с наклоном под плиту возникают затруднения в
размещении копрового оборудования.
Наклон свай нужно назначать в пределах 3 : 1—8 : 1; в практи-
ке освоено погружение свай не положе 3:1. При крутом располо-
жении свай (более 8:1) незначительные отклонения свай от про-
290
ектного положения могут резко отразиться на усилиях в сваях и
перемещениях фундамента. Поэтому наклон круга 8 : 1 применять
не рекомендуется.
Для анализа статической работы фундаментов с плитой вне
грунта А. А. Царьков рекомендует пользоваться так называемыми
характерными центрами. Одним из характерных центров является
упругий, положение которого определяется выражением (IX. 19).
Другим характерным центром служит точка О «нулевых перемеще-
ний», расположенная по оси симметрии на расстоянии Ф от подош-
вы плиты:
Точка нулевых перемещений обладает тем свойством, что при
горизонтальной силе, действующей в уровне подошвы плиты, точка
О не перемещается и плита поворачивается вокруг оси, проходя-
щей через эту точку; если же горизонтальная сила приложена в
точке нулевых перемещений, то плита поворачивается вокруг оси,
проходящей через центр подошвы плиты.
На основе проведенного исследования А. А. Царьков пришел к
выводу, что схемы рациональны, для которых удовлетворяется
неравенство 1,1<9<0,9 О. В этом неравенстве q—MyIHx — расстоя-
ние от подошвы плиты до силы Нх.
На положение упругого центра и точки нулевых перемещений
влияют углы наклона свай, взаимное расположение свай с разными
наклонами, длины сжатия и изгиба и размеры поперечных сечений
свай. Не останавливаясь подробно на влиянии каждого из этих
факторов, рассмотрим в общих чертах особенность и область при-
менения схем !, приведенных на рис. IX.22.
1. Ростверки с вертикальными сваями (схема I) геометрически
неизменяемы только за счет жесткости свай и окружающего грун-
та. Если бы сваи на концах имели шарниры, а грунт отсутствовал,
то система была бы изменяемой при действии горизонтальных сил.
Следовательно, область применения этой схемы ограничивается
небольшой длиной изгиба свай при значительном развитии их по-
перечных сечений.
2. Жесткость фундамента значительно возрастет при наклонных
сваях. Однако если оси свай пересекаются в одной точке (схема
V), то при шарнирных закреплениях концов свай система также
геометрически изменяема. Если сваи заделаны в плите и в грун-
те, то такие схемы неизменяемы только благодаря жесткости свай,
т. е. их способности воспринимать изгиб. Так как в производствен-
ном отношении схема V неудачна, применять ее не рекомендуется;
она может быть оправдана только в случаях, когда плоская схема
имеет две или три сваи. Схема IV, в которой сваи имеют одинако-
4 Детальный анализ схем можно найти в работах А. А. Царькова, И. Я. Те*
на, К. С. Заврнева и др.
291
вый наклон, обладают значительной жесткостью. Еще большей
жесткостью обладает козловая схема IV.
Схемы II и III с наклонными и вертикальными сваями во мно-
гих случаях способны обеспечить необходимую жесткость, причем
ростверк по схеме III лучше сопротивляется внешним моментам,
и потому эта схема, как правило, является более рациональной по
сравнению со схемой II.
3. Продольные усилия в сваях от вертикальных сил распреде-
ляются между сваями во всех схемах более или менее равномерно.
При увеличении наклона продольные усилия в схемах IV и VI воз-
растают, в схемах же II и III усилия в наклонных сваях уменьша-
ются за счет увеличения усилий в вертикальных сваях.
При действии на фундамент горизонтальной силы увеличение
угла наклона свай приводит к уменьшению продольных усилий и
изгибающих моментов в сваях.
4. Изменение длины изгиба свай в наибольшей степени отра-
жается на результатах расчета с одними вертикальными сваями и
в наименьшей степени на результатах расчета со схемами козло-
вого типа. Изменение же длины свай на сжатие, наоборот, в не-
большей степени отражается на результатах расчета со схемами
козлового типа и в наименьшей — на результатах расчета с одни-
ми вертикальными сваями.
Главах ФУНДАМЕНТЫ ИЗ ОПУСКНЫХ
КОЛОДЦЕВ
Х.1. КОНСТРУКЦИЯ КОЛОДЦЕВ
Опускной колодец представляет собой погружаемую в грунт замк-
нутую в плане оболочку, открытую сверху и снизу, под защитой
которой разрабатывают грунт и выдают его наружу. После опу-
скания до прочных слоев грунта внутренние полости колодцев
полностью или частично заполняют бетоном и затем сверху воз-
водят надфундаментную часть сооружения (см. рис. 1.4). Колодцы
могут быть выполнены из дерева, каменной кладки, бетона, желе-
зобетона и стали. В настоящее время преимущественно применяют
бетонные и железобетонные колодцы, наиболее дешевые и удобные
в производственном отношении.
Если силы трения, возникающие при погружении колодца меж-
ду его поверхностью и грунтом, должны быть преодолены весом
колодца, то его конструкция делается массивной, преимуществен-
но из слабоармированной бетонной кладки. Такие колодцы носят
названия массивных.
Опускные колодцы применяют при залегании прочных грунтов
на глубине больше 5—8 м, когда устройство фундамента в откры-
том котловане становится трудновыполнимым из-за сложности его
крепления, а применение свай не обеспечивает надлежащей проч-
ности и жесткости фундамента.
Фундамент из опускного колодца выгодно отличается от фунда-
мента в открытом котловане еще и тем, что при погружении ко-
лодца на глубину, превышающую в 1,5—2 раза размеры его в пла-
не, исключается возможность потери устойчивости грунтов основа-
ния с выпиранием их на поверхность, что значительно повышает
сопротивление грунтов основания. Кроме этого, в процессе погру-
жения удается сохранить прилегание грунта к колодцу по высоте;
это обеспечивает заделку фундамента и возможность передачи им
значительных горизонтальных сил. По сравнению со сваями колод-
цы имеют значительно большие поперечные сечения и, следова-
тельно, большую жесткость, что особенно важно при глубоких раз-
мывах дна реки, а также при слабых верхних слоях грунта, не
обеспечивающих заделку свай при работе их на горизонтальные
силы.
Техника опускания колодцев позволяет погружать их на глуби-
ны в несколько десятков метров. Есть примеры опускания колод-
цев на 70—80 м ниже рабочего уровня воды, причем эта глубина
не может считаться предельной.
При легко проходимых (без твердых включений) грунтах про-
цесс опускания колодцев прост и не требует сложного оборудова-
293
Рис. Х.1. Очертание колодцев:
1 — иадфундаментиая часть; 2—плита; 3 — опускной колодец; 4 — заполнение шахт колод-
ца; 5 — томпонажная подушка; 6 — шахта
ния. Применение колодцев оказывается особенно выгодным при
небольшом числе однотипных опор моста, когда использование
сложного технологического оборудования — вибропогружателей,
буровых станков и прочего — экономически не оправдано, а также
когда доставка материалов и оборудования затруднительна из-за
удаленности строительного объекта.
Однако опускание колодцев вызывает значительные осложне-
ния, если встречаются препятствия в виде прослоек скальных по-
род или плотных грунтов, крупных валунов, погребенных стволов
деревьев и т. д. Аналогичные затруднения возникают при посадке
колодца на скальные породы. Обычно скала не залегает строго
горизонтально и равномерно опереть колодец на скалу по всему
периметру не. всегда удается; кроме этого, верхние слои скальных
грунтов часто разрушены и подлежат удалению. В этих условиях
применение опускных колодцев сопряжено со специальными слож-
ными работами, а в ряде случаев с переоборудованием колодца
в кессон. К недостаткам массивных опускных колодцев нужно от-
нести также большой объем бетонной кладки, необходимый для их
погружения под действием собственного веса и как следствие не-
доиспользование прочностных свойств материала фундамента при
его работе в составе сооружения. Кроме этого, возведение фунда-
ментов из опускных колодцев обычно требует большой затраты
времени.
Массивные колодцы (рис. Х.1) состоят из наружных и внутрен-
них стен, образующих шахты, внутри которых разрабатывают
грунт в процессе погружения колодца. После опускания колодца
шахты на полную высоту или только в нижней части заполняют
294
бетоном, что создает сплошную площадь опирания фундамента на
грунты основания.
Размеры колодца поверху определяются размерами надфунда-
ментной части опоры.
Для того чтобы при случайных отклонениях колодца от про-
ектного положения можно было верхнюю часть опоры располо-
жить точно по проекту, обрезы фундамента на массивных колод-
цах принимают равными не менее '/so глубины погружения и не
менее 40 см. Максимальная величина обрезов не ограничивается,
так как в верхней части колодца обычно располагают мощную
распределительную железобетонную плиту, на которую опирает-
ся надфундаментная часть.
В уровне подошвы размеры определяются давлениями на грун-
ты основания. Эти давления не должны превышать расчетных со-
противлений грунтов (см. гл. II). В плане очертание колодца дела-
ют симметричным. Всякая асимметрия осложняет погружение ко-
лодца, ведет к перекосам и смещениям его осей с проектного
положения. В этом отношении наилучшим очертанием является
круговое, которое к тому же обладает при заданной площади осно-
вания Наименьшим наружным периметром, что уменьшает силы
трения по боковой поверхности колодца, возникающие при его по-
гружении. Круглые колодцы, диаметр которых может достигать
20—30 м, применяют главным образом в промышленном строи-
тельстве под отдельные тяжелые конструкции и оборудование
(сильно нагруженные колонны, тяжелые машины и пр.), а также
для подземных сооружений, например насосных станций, глубоких
резервуаров, хранилищ и т. д.
В мостостроении круглые массивные колодцы применяют редко,
так как они плохо вписываются в вытянутую в плане форму опор.
Возможно погрузить под опору несколько круглых колодцев не-
большого диаметра (рис. Х.1, а). Это может оказаться целесообраз-
ным при опирании на наклонно залегающие скальные породы, ко-
гда небольшие колодцы легче опереть на скалу всей площадью
основания с небольшим объемом дорогих работ по разработке
скальных грунтов. Однако опускание нескольких мелких колодцев
вместо одного колодца большего диаметра сопряжено с рядом за-
труднений и всегда приводит к увеличению сроков возведения фун-
дамента; кроме этого, круглые колодцы относительно небольших
размеров значительно выгоднее делать тонкостенными и погружать
их вибропогружателями.
Под опоры мостов наиболее часто применяют массивные колод-
цы вытянутого очертания в плане: прямоугольные (рис. Х.1, б),
с короткими сторонами, очерченными по полуокружностям (рис.
Х.1, в), с закругленными углами (рис. Х.1, г). Отношение сторон
колодца не следует принимать более 3:1, так как сильно вытяну-
тые колодцы при погружении легко кренятся и уходят с проектных
осей; обычно отношение сторон составляет от 2,5: 1 до 1,5: 1.
Прямоугольные колодцы более просты в изготовлении, но опус-
кание их труднее; поэтому прямоугольное очертание назначают
295
при опускании колодца в легкопроходимых грунтах на небольшую
глубину, порядка 8—10 м. Колодцы глубиной 15 м и более реко-
мендуется делать с закругленными углами, а еще лучше с очер-
танием коротких сторон по полуокружностям.
В наружных стенах колодца возникают значительные по вели-
чине изгибающие моменты от горизонтального давления грунта.
Для уменьшения этих моментов ставят внутренние стены. Рассто-
яния между стенами — размеры шахт — должны быть достаточны
для нормальной работы применяемых землеройных снарядов. При
разработке грунта грейферами наименьшие размеры шахт должны
быть больше размера грейфера в раскрытом виде (по диагонали}
по крайней мере на 0,5 м. Обычно шахты делают размером не ме-
нее 2—2,5 м и не более 4—5 м.
Толщину стен колодца назначают из расчета преодоления сил
трения собственным весом и принимают равным для наружных
стен 1—2 м и для внутренних 0,8—1,5 м. В сильно армированных
(железобетонных) колодцах толщина стен может быть уменьшена.
Очертание наружной поверхности колодца в вертикальной плос-
кости назначают в зависимости от величины сил трения, возника-
ющих в процессе опускания. При глубине опускания до 8—10 м
силы трения невелики и легко преодолеваются собственным весом
колодца с вертикальными гранями (см. рис. Х.1, б). При большей
глубине опускания для уменьшения сил трения боковые грани де-
лают наклонными или ступенчатыми (см. рис. Х.1, в, г). Наклон
боковых граней не следует назначать более Vioo; при больших ук-
лонах колодец при опускании недостаточно устойчив и легко кре-
нится и смещается с проектных осей. Для защемления колодца
в грунте и придания ему устойчивости нижнюю его часть на высо-
ту не менее 3—4 м всегда делают вертикальной. Ступенчатое очер-
тание желательно также вписывать в уклон Vioo-
Наличие наклонных или ступенчатых граней, снижая силы тре-
ния при погружении колодца, значительно ухудшает условия за-
делки фундамента в грунте, уменьшая его несущую способность
при действии вертикальных и особенно горизонтальных сил. По-
этому в опорах мостов независимо от глубины опускания рекомен-
дуется делать колодцы с вертикальными гранями, в особенности
при погружении в плотные и связаные грунты, а для снижения
сил трения применять специальные меры.
Нижнюю часть наружных стен, называемую консолью, делают
переменного сечения (рис. Х.2, а). Наклон внутренней грани кон-
соли к вертикальной плоскости принимают в пределах 50—30°.
В рыхлых грунтах при толщине стен более 1 м внутреннюю грань
консоли иногда делают ломаного очертания (рис. Х.2, б).'
Консоль обычно заканчивается горизонтальной площадкой-бан-
кеткой. Ширина банкетки в зависимости от плотности проходимых
грунтов назначается равной 10—30 см. Для предохранения от по-
вреждений банкетку укрепляют стальными уголками или швелле-
рами. При грунтах средней плотности по наружному контуру кон-
соли располагают нож, сваренный или склепанный из стальных
296
Рнс. Х.2. Очертание консолей и ножей колодца
листов и уголков. В колодцах, погружаемых в плотные грунты,
рекомендуются остроконечные ножи (рис. Х.2, в). Конструкцию
ножей нужно надежно закреплять анкерами из арматурной стали
диаметром 20—25 мм.
Внутренние стены также заканчивают заострением (рис. Х.З).
Чтобы не допустить опирания колодца на грунт по внутренним
стенам, их располагают выше низа наружных стен не менее чем на
0,5 м. Для сообщения между шахтами во внутренних стенах остав-
ляют сквозные проемы. Выше консоли, на расстоянии не менее
2,2 м от банкетки, в стенах устраивают штрабы глубиной 30—25 см
и высотой 0,8—1 м. Штрабы необходимы для лучшего сцепления
между кладкой заполнения шахт и стенами, а также для устрой-
ства перекрытия шахт (потолка), когда колодец приходится пере-
делывать в кессон для разработ-
ки труднопроходимых грунтов
под сжатым воздухом. Чтобы по-
толок кессона можно было бы за-
бетонировать выше уровня воды
в шахтах, штрабы иногда распо-
лагают не только в низу колодца,
но и в верхних его участках.
Стены массивных колодцев
армируют вертикальной и гори-
зонтальной арматурой в соответ-
ствии с расчетом колодца на уси-
лия, возникающие в нем при по-
гружении.
После опускания колодца
шахты заполняют бетонной клад-
кой на всю высоту или частично
(только в нижней части). При не-
большой глубине опускания, ко-
гда объем шахт мал, их заполня-
Рис. Х.З. Конструкция нижней части
стен колодца
297
ют кладкой полностью. Так как напряжения в теле фундамента
обычно невелики, то заполняют бетоном марки не выше 150 с до-
бавлением бутового камня. Если откачать воду из шахт не удается,
то предварительно укладывают слой подводного бетона толщиной
не менее высоты консоли и не менее 0,8—1,3 наименьшего размера
шахты. В верхней части колодца на высоту возможного промер-
зания кладки заполнение делают из прочного морозостойкого
бетона.
В высоких колодцах шахты не заполняют кладкой, ограничи-
ваясь устройством только нижней подушки из бетона марки 200—
250, которая создает сплошную подошву фундамента. В этом слу-
чае остальной объем шахт оставляют пустым или заполняют пес-
ком. Для предупреждения фильтрации грунтовых вод через стены
колодца рекомендуется песок смешивать с мазутом или битумом.
Сверху стены колодца перекрывают распределительной плитой;
низ плиты должен быть расположен ниже глубины промерзания
кладки не менее чем на 0,25 м.
Массивные колодцы могут быть монолитными и сборными.
Монолитные колодцы делают из бетона марки не ниже 200.
Бетонируют их секциями в процессе опускания. Высоту первой сек-
ции принимают равной не более 0,8—1 6, где b — меньший размер
колодца в плане; остальные секции назначают высотой 3—5 м.
Конструкция монолитного колодца высотой 30,76 м приведена
на рис. Х.4. В плане меньшие стороны колодца очерчены по полу-
окружности; наружная поверхность колодца принята вертикальной
с одним уступом, расположенным на высоте 8 м от банкетки. Тол-
щина наружных стен равна 1,6 м. а выше уступа— 1,35 м. В верх-
ней части стен с внутренней стороны предусмотрены горизонталь-
ные площадки, на которые опирается верхняя распределительная
плита.* Внутренняя грань консоли расположена наклонно под уг-
лом 30° к вертикали. Высота консоли — 2,5 м. Банкетт шириной
17 см усилена ножом из уголка и приваренного к нему листа тол-
щиной 20 мм (см. деталь ножа). Нож надежно закреплен в клад-
ке консоли стальными полосами сечением 200X6 мм и анкерами
из арматурной стали диаметром 16 мм. По периметру консоли по-
лосы расположены через 50 см.
Внутренними стенами толщиной 1 м колодец разбит на шесть
шахт. Для сообщения между шахтами во внутренних стенах ос-
тавлены проемы шириной 1,4 м.
Колодец сооружали наращиванием секций высотой от 3,6 до
4,2 м. Несмотря на значительную толщину стен, колодец сильно
армирован. Вертикальная арматура диаметром 16 мм, предохра-
няющая колодец от разрыва при опускании, поставлена по пери-
метру внутренних стен через 30 см, наружных через 20 см. Количе-
ство горизонтальной арматуры в наружных стенах по высоте меня-
ется: внизу, где горизонтальные давления грунта на стены
наибольшие, поставлены стержни диаметром 25 мм через 20 см,
далее расстояние между стержнями увеличено до 25 см, а верхняя
часть армирована стержнями 20 мм, поставленными тоже через
298
Рис. Х.4. Армирование массивного колодца:
1 — полосовая сталь 200X6 мм длиной 1350 мм через 50 см; 2 — анкеры 0 16 мм
25 см. Внутренние стены по высоте армированы равномерно стер-
жнями диаметром 16 мм, расположенными через 30 см.
Особенно сильно армирована консоль: с внутренней стороны
поставлено по 10 стержней, с наружной — по 5 стержней диаметром
25 мм на 1 пог. м периметра консоли. Арматура консоли связана
хомутами диаметром 8 мм.
После опускания колодца нижняя часть шахт на высоту 3 м
была заполнена подводным бетоном; после откачки воды уклады-
валась еще бетонная подушка толщиной 4,2 м. Остальная часть
шахт оставлена без заполнения.
Существенный недостаток монолитных колодцев, снижающий
темп их погружения, заключается в необходимости выдержки оче-
299
редной забетонированной секции до приобретения бетоном проч-
ности, близкой к проектной; на это непроизводительно расходуется
до 10—15 сут и более, в течение которых колодец не опускают.
Этот недостаток устранен в сборных конструкциях массивных ко-
лодцев.
Пример сборного железобетонного колодца размером 3,2Х
Х7.62 м высотой 5,04 м приведен на рис. Х.5. Колодец разбит на
десять монтажных блоков трех марок. Высота всех блоков одина-
кова и равна 1 м. Толщина наружных стен верхних блоков приня-
Рис. Х.5. Конструкция сборного колодца:
/ — уголок 100X100X16 мм; 2 —накладка 200X100X10 мм; 3 —закладной лист 200X200X10 мм;
** песок; 5 -*• бурый уголь; 6 — песок с гравием; 7 —• трещиноватый разборный известия^
300
та равной 30 см, двух нижних — 40 см, толщина внутренних стен
блоков —15 см. Наружные стены нижних блоков имеют консоль
с банкеткой шириной 10 см, усиленной прокатным уголком 100Х
X100X16 мм. Блоки армированы арматурными сетками из стер-
жней диаметром 8 и 12 мм. Консоль армирована вертикальными
стрежнями диаметром 18 мм из стали марки Ст.5 и горизонталь-
ной распределительной арматурой диаметром 12 мм. Марка бетона
блоков — 200. Наибольшая масса монтажного элемента (блока) —
11,3 т.
Соединение блоков предусмотрено на сварке закладных сталь-
ных частей с перекрытием стыков накладками. Горизонтальные
и вертикальные швы между блоками заполняют цементным рас-
твором в процессе установки блоков. После погружения колодец
полностью заполняют бетоном марки 150; в нижней части уклады-
вают подушку высотой 1,5 м из подводного бетона.
В приведенном примере членение колодца на монтажные бло-
ки принято горизонтальным, что характерно для фундаментов
опор мостов, имеющих небольшие размеры в плане. В промышлен-
ном строительстве опускных сооружений больших размеров (емко-
стей для хранения жидкого топлива, насосных станций и пр.) часто
применяют вертикальное членение. В этом случае колодец собира-
ют из железобетонных плит, объединяемых бетонированием верти-
кальных швов. Нижнюю консольную часть делают монолитной-
Х.2. ПОСТРОЙКА ФУНДАМЕНТОВ
ИЗ МАССИВНЫХ КОЛОДЦЕВ
Устройство фундамента из массивного колодца состоит из изготов-
ления колодца, погружения его в грунт и заполнения шахт.
Монолитные колодцы обычно изготовляют непосредственно над
местом их погружения на предварительно подготовленной строи-
тельной площадке, удобной для производства всех работ. На мест-
ности, свободной от воды, например на пойме реки, в районе по-
гружения колодца убирают растительный покров, планируют по-
верхность земли и -обеспечивают надежное основание для изготов-
ления первой секции колодца. Основание должно быть прочным,
выдерживать давление не менее 1,5—2 кгс/см2 и не давать неравно-
мерных осадок при бетонировании колодца.
Верхние слабые слои грунта удаляют и заменяют песчаной по-
душкой толщиной 0,3—0,6 м с тщательным уплотнением песка.
Для уменьшения глубины опускания колодца может оказаться вы-
годным предварительно разработать открытый без креплений кот-
лован, на дйе которого и начать возведение первой секции. Глуби-
на котлована ограничивается уровнем грунтовых вод — дно котло-
вана должно быть выше грунтовых вод на 0,5—1 м. На местности,
покрытой водой, под колодец отсыпают искусственные островки из
песчаного или гравелистого грунта (рис. Х.6). При глубине воды
до 1,5—2 м островки могут быть отсыпаны с естественными отко-
301
Рис. Х.6. Схемы островков для опускного колодца:
1 — первая секция колодца; 2 — островок; 3 — струенаправляющие щиты; 4 — шпунт; 5
маячные сваи; 6 —подкосы; 7 ~ горизонтальные схватки; в —стальной шпунт
сами, если скорость течения воды в реке не превышает следующих
значений:
Для островков из мелкого песка........................ 0,3 м/с
» » » крупного » 0,8 »
» » » среднего гравия . . . ................ 1,2 »
» » » крупного » 1,5 »
Если скорости течения превышают указанные, откосы островков
могут быть укреплены каменной наброской, деревянными щитами
с пригрузкой камнем, фашинными тюфяками и пр. Защита остров-
ка от размыва в необходимых случаях достигается ограждением
302
его с верховой стороны легкими струенаправляющими козловыми
перемычками (рис. Х.6, а). Верх островка должен возвышаться над
наивысшим (за время работ) уровнем воды минимум на 0,5 м. Раз-
меры островка в плане назначают такими, чтобы между колодцем
и бровкой оставалась свободная берма шириной не менее 2 м-
Островки с естественными откосами требуют большого объема
песка и сильно стесняют русло реки, что увеличивает скорость тече-
ния и опасность размыва. Поэтому при глубине воды более 2 м
островки отсыпают в ограждениях.
При глубинах до 5—6 м ограждения делают из деревянного
шпунта, усиленного наружными маячными сваями и подкосами
(рис. X. 6, б). Глубина забивки шпунта принимается равной 0,6—
0,9 высоты островка, но не менее 2 м. Шпунт делают плотным с
треугольным или прямоугольным гребнем и пазом, надежно предо-
храняющим островок от вымывания песка. Толщина шпунта (в см)
может быть определена по формуле
6= (14 16) \ а,
где Н — высота островка, м;
V — объемный вес грунта островка с учетом взвешивания в воде, тс/м3;
о— расчетное сопротивление древесины, примерно равное 150 кгс/см2.
Маячные сваи диаметром не менее 22 см забивают по перимет-
ру островка через 2—2,5 м. Размеры островка поверху принимают
такими, чтобы колодец располагался вне призмы обрушения грун-
та засыпки. Исходя из этого расстояние от колодца до шпунта
(ширина свободной бермы) должно удовлетворять неравенству
а > Н tg (45° — 0,5<р).
Учитывая полное насыщение песка водой, угол внутреннего
трения <р песчаного заполнения принимают равным 15—20°.
Для удобства производства работ между шпунтом и колодцем
оставляют свободную берму шириной не менее 1,5 м.
Если глубина воды превышает 6 м, то островки ограждают ря-
жами или стальным, шпунтом- При стальном шпунте островки вы-
годно делать цилиндрическими (рис. Х.6, в). Такие шпунтовые ог-
раждения не требуют креплений и позволяют применять мелкие
профили шпунта, например плоские, замки которых могут работать
на растяжение. Наибольшие растягивающие усилия в шпунтовой
цилиндрической стенке, возникающие на уровне дна реки,
Давление р определяется по формуле
Здесь р — горизонтальное давление засыпки островка, тс/м2;
D— диаметр островка, м;
Q — вес первой секции колодца, тс.
303
Рис. Х.7. Разработка грунта в шахтах:
а — грейфером; b — эрлифтом;
1 — грейфер; 2 — пульповод; 3 — воздуходувная труба; 4 — компрессор; 5 — эрлифт
Сила N не должна превышать расчетное сопротивление замков
на разрыв, принимаемое равным 100 тс/м (при коэффициенте за-
паса, равном 2).
Стальной шпунт забивают на глубину, при которой он не мо-
жет быть подмытым при размыве дна реки. Если грунты ложа ре-
ки слабые с углом внутреннего трения <р'<30°, то глубину t забив-
ки проверяют на выпирание грунта из-под островка по формуле
t= j 5 _£____________1________
’ Тн 2 [tg4 (45° + 0,5у') — 1] ’
где q— давление от веса островка и колодца на уровне дна реки, тс/м2;
ун — объемный вес грунта дна реки, тс/м3.
Цилиндрические островки в стальном шпунте применяют при
глубине воды до 10—15 м.
Для обслуживания работ по изготовлению и опусканию колод-
ца применяют стационарные или самоходные краны грузоподъем-
ностью от 6 до 12 т. Краны располагают на специальных подкра-
новых подмостях (рис. Х.7) или при достаточной глубине воды на
плавучих средствах. Краны должны иметь длину стрелы, обеспе-
чивающую работу на всей площади колодца. Кроме стреловых,
возможно также применение плавучих (козловых) кранов; их
удобно использовать не только для возведения фундамента, но и
надфундаментной части опоры-
При погружении колодца вокруг него на поверхности земли
обычно наблюдаются просадки. При неблагоприятных грунтовых
условиях и неудачном способе работ размеры просадок могут
быть весьма значительными. Проф. К. Сечи (Венгрия) описывает
случай, когда при опускании колодца образовалась воронка диа-
метром 30 м с глубиной 4,5 м. При расположении вблизи колодца
304
строительного оборудования нужно учитывать возможность таких
просадок грунта (в частности, стационарные краны надо распо-
лагать на надежных свайных подмостях). Монолитные колодцы
бетонируют секциями. Опалубку первой секции устанавливают на
горизонтальные лежни-подкладки, которые укладывают строго по
уровню на подготовленное песчаное основание. Подкладки распо-
лагают под стенками колодца на взаимном расстоянии 0,5—1 м
с таким расчетом, чтобы давление под ними на грунт от веса забе-
тонированной конструкции не превышало 1 кгс/см2.
Особенно тщательно нужно укладывать подкладки под наруж-
ными стенами, так как эти подкладки удаляют в последнюю оче-
редь. Подкладки втапливают в грунт наполовину своей высоты и
плотно подбивают песком.
Опалубку делают обычно деревянной, сборно-разборной конст-
рукции из отдельных щитов. Для уменьшения сил трения, возника-
ющих при опускании колодца, его наружная поверхность должна
быть ровной и гладкой. Для этого внешнюю опалубку наружных
стен делают плотной и прочной; обшивку рекомендуется выполнять
из вертикальных досок со строганой поверхностью, обращенной
к бетону, или же обшить ее с этой стороны фанерой или кровель-
ной сталью.
При большом числе одинаковых колодцев опалубку выгодно де-
лать металлической. Возможно также бетонировать в скользящей
опалубке, особенно при простом очертании колодца в плане с не-
большим числом внутренних стен.
Бетонную смесь укладывают в опалубку обычным способом с
применением вибрации. Чтобы избежать местных просадок осно-
вания, бетонирование ведут по всей площади колодца равномерны-
ми слоями, не допуская отставания в бетонировании отдельных
участков стен.
После приобретения бетоном необходимой прочности опалубку
разбирают и колодец снимают с подкладок. Снятие с подкладок —
ответственная операция, так как при удалении подкладок без оп-
ределенной заранее разработанной последовательности колодец
может разрушиться. В первую очередь убирают подкладки из-под
внутренних стен. После этого удаляют подкладки из-под наружных
стен: сначала из-под торцовых (коротких) и затем продольных
(длинных). Подкладки из-под продольных стен сначала удаляют
через одну, а затем остальные, симметрично относительно послед-
них четырех (двух под каждой продольной стеной). Последние
подкладки называются фиксированными.
Положение фиксированных подкладок определяют расчетом ко-
лодца на изгиб. По мере удаления подкладок под консоли стен
плотно подбивают песок.
Колодец по высоте наращивают секциями после погружения в
грунт предыдущих. Основанием для изготовления очередной сек-
ции служит нижняя, уже погруженная. На время наращивания
погружение монолитного колодца прекращают. Этой непроизводи-.
тельной потери времени удается избежать в сборных конструкциях
305
кол-одцев, в которых стены из заранее изготовленных блоков можно
монтировать без длительных перерывов опускания колодца.
Массивные колодцы погружают в грунт по мере разработки
грунта в шахтах.
В большинстве случаев приходится грунт разрабатывать без
откачки воды из шахт колодца, так как интенсивный водоотлив
разрыхляет грунт и снижает его несущую способность. Кроме это-,
го, рыхлые мелкозернистые грунты, особенно илистые и плавунные,
прорываются внутрь шахт, что приводит к значительному увеличе-
нию объема земляных работ. Для предупреждения прорыва необ-
ходимо шахты затапливать, искусственно поддерживая уровень
воды в них на 3—4 м выше уровня воды в реке. Опускание с водо-
отливом можно только в устойчивых грунтах, исключающих воз-
можность их разуплотнения и при поступлении воды не более
0,75—1 м3/ч на 1 м2 площади колодца.
В мелкозернистые и пылеватые пески на местности, непокрытой
водой, колодцы можно погружать, понижая уровень грунтовых вод
иглофильтрами или глубинными насосами, располагая их по на-
ружному периметру колодцев. При таком способе все работы внут-
ри шахт могут быть выполнены насухо, без опасного разрыхления
грунта в основаниях колодцев.
Связные, а также крупнозернистые пески, галечник, гравий и
тому подобные грунты разрабатывают обычно грейфером. Вес
грейфера и форму его челюстей выбирают в соответствии с видом
грунта; в отечественном мостостроении наиболее распространены
двух- и трехчелюстные грейферы емкостью 0,75 и 1 м3, приспособ-
ленные для разработки тяжелых грунтов и захвата крупных пред-
метов (камней и пр.).
Несвязные мелкозернистые грунты рекомендуется разрабаты-
вать с помощью гидроэлеваторов или эрлифтов, разрыхляя грунт
в необходимых случаях струей воды.
Грунт из шахт удаляют равномерно по всей площади колодца»
не допуская разности уровней грунта в отдельных шахтах более
0,5 м. В мягких и слабых породах грунт не выбирают ниже банкет-
ки; в грунтах связных допускается углубление дна выработки ни-
же ножа, но не более чем ца 0,5 м.
Встречаемые препятствия (валуны, стволы деревьев и т. п.)
при опускании колодца без водоотлива подмывают струей воды и
сдвигают внутрь шахты и затем извлекают грейфером. Если таким
способом устранить препятствие не удается, то его подрывают или
разрушают водолазы. .
Вертикальность погружения колодца и положение его осей
проверяют геодезическими инструментами систематически через
каждый метр- Если обнаруживают крены или смещения осей, то
принимают меры по исправлению положения колодца. Положение
колодца выправляют более интенсивной подборкой грунта из-под
стен, погрузившихся на меньшую глубину, оттяжкой колодца тро-
сами, односторонней пригрузкой грунтом с поверхности земли и
другими аналогичными приемами.
306
При опускании в плотные грунты колодец может быть затерт
в грунте и его веса не хватит для дальнейшего погружения. В этих
случаях увеличивают вес колодца или уменьшают силы трения.
Увеличение веса может быть достигнуто наращиванием следу-
ющей очередной секции или дополнительной пригрузкой камнем,
бетонными массивами и пр., которые укладывают на платформы,
подвешенные к стенам колодца.
Для снижения сил трения существует несколько способов.
Одной из радикальных мер, облегчающих погружение, служит
применение подмывных устройств. Подмывное устройство состоит
из системы вертикальных и горизонтальных труб, закладываемых
в штрабах наружных стен, от которых отходят отвод с наконечни-
ками, подающими воду для размыва грунта и смачивания поверх-
ности колодца (рис. Х.8). Водоподводящая сеть в плане и по вы-
соте делится на самостоятельно дейстующие секции (I — IV), что
позволяет производить односторонний подмыв и легко исправлять
положение колодца при его отклонениях от проектного. Воду по-
дают от насосной станции в кольцевую магистраль, которая гиб-
кими шлангами соединена с вертикальными стояками. Внизу к
стоякам присоединяют горизонтальные трубы, от которых через
каждый 1—2 м отходят подмывные трубки с наконечниками. Ниж-
ний ярус служит для размыва грунта внутри колодца под ножом;
его подмывные трубки выходят на внутреннюю поверхность консо-
ли на расстоянии 50—100 см от банкетки. Остальные ярусы рас-
полагают на высоте через 3—6 м с выводом подмывных трубок на
наружную поверхность колодца.
Расчет подмывного устройства (расход и напор воды, диаметр
труб и пр.) может быть произведен по аналогии с расчетом подмы-
ва свай. Одновременно с водой в зону размыва грунта рекоменду-
ется подавать сжатый воздух. Подмыв грунта уменьшает силы
трения на 20—40%.
За последние годы с успехом используется предложение канд.
техн, наук Н. В. Озерова (1945 г.) применять при погружении
колодцев рубашку из глинистого раствора (тиксотропную рубаш-
ку). В этом случае в зазор между колодцем и грунтом, образуемый
в нижней части наружных стен уступом шириной до 15 см, пода-
ется глинистый раствор, который полностью уничтожает трение.
После погружения колодца зазор может быть заполнен гравием,
щебнем или тощим цементным раствором. Этим способом в Женеве
успешно был опущен на глубину 28 м уникальный колодец диамет-
ром 57 м под автомобильный гараж.
Для тиксотропных рубашек опускных колодцев применяют гли-
нистые растворы плотностью 1,1—1,25 г/см3, вязкостью 20—50 с,
содержанием песка не более 1—4% и другими показателями1
в зависимости от вида проходимых колодцем грунтов. Для подачи
раствора вокруг колодца устанавливают стальную форшахту на
бетонном основании (рис. Х.9), за которую самотеком подают
1 Строительство мостов и труб. М., Транспорт, 1975. 599 с. (Справочник).
307
Рис. Х.8. Подмывное устройство:
/ — кольцевая водопроводная сеть; 2 — гибкие шланги; 4 —• стояки; 3 — подмывные трубки»
5, 6, 7 — разводящие трубы соответственно 1, 2 и 3-го ярусов;
J—JV — разобщенные секции
Рис. Х.9. Тиксотропная рубашка ко-
лодца:
1 — бетонное основание; 2 — анкер; 3 —
крепежный угблок; 4 — листовая резина;
5 — форшахта; 6 — глинистый раствор; 7 —
наружная стена* колодца
раствор. При глубине опускания
колодца более 20 м раствор по-
дают под давлением 2—5 кгс/см2
через трубки диаметром 4—5 см,
расположенные равномерно по
периметру колодца на взаимном
расстоянии 3—5 м.
Чтобы глинистый раствор не
вытекал в шахты, рекомендуется
консоли колодца делать остроко-
нечными, глубоко проникающими
в грунт, а также искусственно
повышать гидростатическое дав-
ление внутри колодца, заполняя
его водой. Для этой же цели на
уступе колодца устанавливают
манжеты из резины толщиной
10—15 мм. Для уменьшения воз-
можности вытекания раствора за-
зор между грунтом и колодцем
можно делить на изолированные
секторы, делая вертикальные реб-
ра, толщиной, равной ширине за-
зора. Если все же вытекание рас-
твора избежать не удается, то
следует изменить состав раство-
ра, увеличив его вязкость. Ис-
пользование тиксотропных руба-
шек открывает широкие возмож-
ности применения дешевых тон-
костенных колодцев.
После опускания колодца на проектную глубину в шахтах ук-
ладывают нижнюю бетонную подушку. При работах без водоотли-
ва бетонную смесь укладывают способом ВПТ; толщина слоя под-
водного бетона должна быть в 1,5 раза больше наименьшего раз-
мера шахт. Остальные работы по заполнению шахт ведут после
откачки воды.
Так как обрез фундамента опускного колодца, как правило,
располагают ниже уровня меженных вод минимум на 0,5 м, верх-
нюю распределительную плиту приходится бетонировать под за-
щитой временной перемычки. Конструкция деревянной перемычки
высотой 2,4 м, показанная на рис. Х.10, состоит из вертикальных
стоек размером 18X20 см и обшивки из досок толщиной 4 см. Для
водонепроницаемости ограждения кромки досок шпунтуют и тща-
тельно конопатят, после чего покрывают горячим битумом.
При глубине воды более 6—10 м, когда по тем или иным при-
чинам устройство островка оказывается дорогим или трудно осу-
ществимым, первая секция опускного колодца может быть изго-
товлена или на подмостях над местом опускания, или же на бере-
309
A-A
Б-Б
Рис. X.10. Конструкция перемычки:
/ — брусья 18X20 см; 2 — анкеры 0 -16; 3 —• шайбы
гу и доставлена по воде. На подмостях изготовляют только легкие
железобетонные колодцы. Опускают их на дно с помощью тяжей
и винтов. Колодец, изготовленный на берегу, подвешивают к об-
стройке понтонов и на плаву доставляют к месту опускания; на
понтонах же располагают грузоподъемные средства для погру-
жения колодца на дно реки (рис. Х.11).
310
У В 1
Рис. Х.11. Стадии (J, Л) погружения
колодца с плавучих подмостей:
1 — плашкоут; 2 — основание; 3 — вышка;
4 — грузовые балки; 5 — полиспаст; 6 — пе-
ремычка; 7 — колодец
При значительной глубине во-
ды (15 м и более) иногда оказы-
вается экономически выгодным
применить наплавной колодец,
который представляет собой кон-
струкцию, способную самостоя-
тельно держаться на воде.. После
изготовления и спуска на воду
его буксируют к месту опускания,
закрепляют на якорях и баллас-
тируя, постепенно сажают на дно
реки. Затем опускают в грунт
обычным способом, наращивая
стены. *
Плавучесть первой секции на- < .
плавного колодца может быть
обеспечена одним, из следующих
способов.
Шахты первой секции снизу
закрывают временным водоне-
проницаемым днищем (рис. Х.12,
а). Высоту наружных стен назна-
чают такой, чтобы молодец бы остойчив и при кренах не заливал-
ся водой; в необходимых случаях стены могут быть наращены водо-
непроницаемой перемычкой (деревянной или стальной). Погружа-
ют колодец на дно постепенным затоплением шахт с одновремен-
ным наращиванием стен. Когда колодец станет на грунт, днище
удаляют (разбирают или подрывают). Колодцы такого вида не
рекомендуются при слабых грунтах дна реки. Стены первой секции
иногда делают пустотелыми из железобетона или стали и этим
обеспечивают ее плавучесть (рис. Х.12, б). В этом случае погруже-
Рис. Х.12. Схемы наплавных колодцев:
1 — колодец; 2 — перемычка; 3 — временный пол; 4 — стены колодца; 5 — бетон заполне-
ния; 6 — массивная часть стен; 7 — заполнение шахт; 8 — стальные перемычки; 9 — съемные
колпаки; 10 — вода
311
ние на дно достигается балластировкой пустот водой с последую-
щим заполнением их бетоном.
Плавучесть может быть обеспечена сжатым воздухом, который
нагнетают в шахты, закрытые сверху герметическими колпаками
(рис. Х.12, в). Такой способ был применен при постройке опор
Оклендского моста в Сан-Франциско (1933—1934 гг.), где потре-
бовалось опустить колодец на 72,6 м ниже уровня воды при глуби-
не залива 32 м. Колодец состоял из 28 стальных цилиндров диа-
метром 4,57 м, соединенных системой балок и связей. Простран-
ство между цилиндрами и между цилиндрами и наружной обшив-
кой заполняли бетонной смесью. Бетонное заполнение образовало
ножевую часть колодца и его внутренние стены, стальные же ци-
линдры использовали в качестве шахт. На время, необходимое для
буксировки колодца, погружения его’на дно и частичного опуска-
ния в грунт, цилиндры сверху были закрыты сферическими колпа-
ками. В образовавшиеся замкнутые полости подавали сжатый воз-
дух с давлением до 2,8 кгс/см2, который, вытесняя воду, обеспечи-
вал плавучесть конструкции. По мере опускания цилиндры
поочередно наращивали и колпаки переставляли выше.
Х.З. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ОПУСКНЫХ КОЛОДЦЕВ
На колодец при погружении в грунт действуют усилия, на которые
его конструкция должна быть рассчитана. Нагрузки, вызывающие
эти усилия, относят к строительным и при проверке прочности ко-
лодца на эти нагрузки расчетные сопротивления материалов — бе-
тона и арматурной стали — могут быть повышены на 10%.
Усилия, действующие на колодец в процессе его опускания, за-
висят от ряда случайных причин и не поддаются точному учету.
Это вынуждает принимать условные расчетные схемы, выработан-
ные практикой проектирования и проверенные опытом возведения
колодцев. Во многом эти расчеты идут в запас прочности. Однако
некоторый запас в данном случае необходим, так как исправления,
ремонт и усиление колодца во время его погружения крайне за-
труднительны, а иногда и невозможны.
Расчет колодца состоит из ряда проверок.
Проверка веса колодца, необходимого для преодоления сил
трения при погружении. Вес колодца должен превышать силы тре-
ния не менее чем на 15%, т. е.
Q>1,157\ (Х.1)
где Q — вес колодца, вычисленный с коэффициентом перегрузки п=1,1;
Т — сила трения грунта о наружную поверхность колодца.
При опускании без водоотлива вес колодца принимают с уче-
том взвешивания в воде. В этом случае объемный вес кладки, по-
груженной в воду, равен уб—Уи> (где уб— объемный вес бетона;
yw — объемный вес воды = 1 тс/м3).
312
Рис. Х.13. Графики удельных сил трения fi:
а — песчаных грунтов; б — глинистых грунтов;
/ — пески гравелистые, крупные и средней крупности при е<0,55; 2 — то же, при
0,55 <е<0.7; 3 — то же, при е>0,7, пески мелкие при 0,6<е<0,75, пески пылеватые при
0,6<е<0,8; 4 — пески мелкие при е>0,75. пески пылеаатые при е>0,8; 5 — глины при
/£ <0,5, суглинки при /£<0,25; 6 — супеси и суглинки при 0,25</£ <0,75, глины при
>0.5; 7 — илы. суглинки прн J д>0,75
При определении силы Т колодец по высоте делят на участки,
границами которых служат границы слоев разных грунтов и места,
в которых меняется сечение колодца. Сила
7* = 2 ifii»
где hit Ui — высота и наружный периметр £-й части колодца;
f г — удельная сила трения на глубине hi.
Знак суммы распространяется на полную глубину опускания,
считая от верха островка. Удельные силы трения зависящие от
вида грунта и глубины Аг- середины рассматриваемого участка, оп-
ределяют по графику (рис. Х.13). При опускании колодца с под-
мывом силы трения уменьшают на 25%.
Проверка колодца на разрыв при затирании в грунте. На раз-
рыв по горизонтальным сечениям колодец проверяют тогда, когда
верхняя его часть может оказаться зажатой в грунте и колодец
после удаления грунта из-под банкетки повиснет. Предположим,
что колодец зажат верхним слоем грунта толщиной х (рис.
Х.14, а). Это будет возможно, если
q (hx + х) — uf2x < ufihi,
где q — вес 1 пог. м колодца по высоте;
fi — удельная сила трения верхнего слоя грунта;
1г — удельная сила трения нижележащего грунта.
Наибольшее значение х0 глубины х, при которой верхняя часть
колодца может быть зажатой в грунте, определяется равенством
q + х0) — uf2xG = ufihi.
Из этого равенства следует
*о=------т-
q — uf2
313
а наибольшее растягивающее усилие в сечении колодца на гранив
це двух слоев грунта будет
5 = {д—«Л) *о = (к/1 — д) fa-
Вес q колодца нужно исчислять с коэффициентом перегрузки
л=0,9 и учитывать потери веса в воде при опускании без водоот-
лива.
По усилию S подбирают вертикальную арматуру, устанавлива;
емую равномерно по периметру стен. При этом сопротивление бе-
тона разрыву не учитывают, так как в швах между секциями (ра-
бочие швы бетонирования) прочность бетона на растяжение мала.
Проверка прочности стен на изгиб в вертикальной плоскости.
На изгиб в вертикальной плоскости проверяют наружные стены
первой секции, высоту h которой обычно назначают равной 0,8 Ь,
где b меньшая сторона колодца (рис. Х.14, б). Если колодец опус-
кают с водоотливом и имеется возможность следить за опиранием
его на грунт, то ограничиваются расчетом первой секции как двух-
консольной балки, опертой на фиксированные подкладки. Стены
колодца работают на изгиб от собственного веса. Вес продольных
Эп. М
Рис. Х.14. Схемы к расчету колодца
314
Рис. Х.15. Схемы к рас-
чету консолей и стен
стен учитывают как равномерно распределенную нагрузку, попе-
речных стен как сосредоточенные силы. Вес колодца принимают
с коэффициентом перегрузки п=1,1. Расстояние между фиксиро-
ванными подкладками подбирают таким, чтобы изгибающие мо-
менты над опорами и в середине пролета были равны друг другу.
Если отношение сторон колодца а:Ъ^1,5, то это достигается при
расстоянии между фиксированными подкладками, примерно рав-
ном 0,7 а.
При опускании колодца без водоотлива дополнительно рассмат-
ривают наиболее невыгодные возможные случаи опирания первой
секции колодца: колодец оперт по торцовым стенам (рис. Х.14, в)
и колодец оперт по середине продольных стен (рис. Х.14, а). Изги-
бающие моменты в обоих случаях опирания определяют с коэффи-
циентом перегрузки п=1,1 и с учетом взвешивания в воде.
По наибольшему значению изгибающего момента Afmax прове-
ряют прочность наружных продольных стен:
Minax
W
при W — 2
М2
(Х.З)
где W — момент сопротивления наружных стен;
6 — толщина наружной стены;
/?р — расчетное сопротивление бетона растяжению, соответствующее той
марке бетона, которую ои имеет к моменту опускания первой секции.
Если растягивающие напряжения в бетоне превышают расчет-
ное сопротивление на растяжение, то необходимо поставить в верху
и в низу продольных стен горизонтальную арматуру или увеличить
высоту секции.
315
Проверка прочности консоли. Расчет консоли колодца на проч-
ность производят для двух случаев ее работы. В первом слу-
чае колодец опущен на проектную глубину, грунт из-под банкетки
выбран и под действием наружного давления грунта и воды кон-
соль изгибается внутрь колодца (рис. Х.15, б).
Горизонтальное давление на консоль зависит от условий погру-
жения колодца. Если колодец опускают с водоотливом, то давле-
ние воды в водопроницаемых грунтах учитывают полностью, а в
водонепроницаемых грунтах — в размере 70% гидростатического.
При погружении колодца без водотлива давление воды снаружи
учитывают полностью, а изнутри колодца в размере 50% гидро-
статического.
Таким образом, горизонтальное давление на 1 пог. м периметра
колодца на глубине у (рис. X. 15, а) от рабочего уровня воды бу-
дет:
при опускании с водоотливом в водонасыщенных грунтах
Ру = Ргр.1/ + Рв.у = Тгр-взв tg2 (45° — 0,5?) + (X. 4а>
при опускании с водоотливом в водонепроницаемых грунтах
Ру = ^гр.£/ + ®’7Рв.у= ТгрЯ tg2(45° — 0,5у) + о,7^vw; (Х.46)
при опускании без водоотлива
Ру = Ргр.у + °’5Ач/ = Yrp.B3B# tg (45° — °’5?) + (Х.4в>
Здесь ру — давление на глубине у;
Ргр.1/, Рв.у — давление грунта и воды на той же глубине;
у — объемный вес грунта;
Твзв объемный вес грунта с учетом взвешивания в воде;
Yw — удельный вес воды, равный 1 тс/м3;
<р— угол внутреннего трения грунта, град.
Для получения наибольшего горизонтального давления нужно
вес грунта принимать с коэффициентом перегрузки п=1,2, а угол
внутреннего трения грунта — равным нормативному значению ф®.
Полагая в выражениях (Х.4) глубину у равной проектной глу-
бине погружения колодца Н и Н—hK (где Ак — высота консоли),
получим давления на консоль р/ и р2' (см. рис. Х.15, б).
Кроме горизонтального давления, по наружной поверхности
консоли будет действовать сила трения. Так как колодец при по-
добранном грунте из-под банкетки удерживается только трением,
то на консоль приходится сила
где Q — вес всего колодца с коэффициентом перегрузки п=0,9 и с учетом взве-
шивания в воде (при погружении без водоотлива).
Во втором случае работы консоли колодец опущен напо-
ловину проектной глубины, наращен очередной секцией высотой
4—6 м и консоль врезана в грунт на 1 м (рис. Х.15, в). В этих ус-
ловиях консоль изгибается наружу.
316
Горизонтальное давление на консоль с наружной стороны опре-
деляют тоже по формулам (Х.4), но с коэффициентами перегрузки
веса грунта п=0,9. При этом горизонтальное давление снаружи
не должно быть более 70% гидростатического. Таким образом, под-
ставляя в формулы (Х.4) вместо у величину 0,5 Н и 0,5 Н—hx>
получим давление pi" и р2", которые не должны превышать соот-
ветственно 0,5-0,7 Hyw= 0;35 Hyw и 0,7 (0,5 Н—hK) yw. С внутрен-
ней стороны на консоль, погруженную в грунт на 1 м, будут дейст-
вовать следующие силы.
От веса колодца будет передаваться вертикальная сила
V=Q'-7'2,
где О' — вес кладки, приходящийся на 1 пог. м периметра колодца, высота ко-
торого равна сумме половины проектной глубины и высоты очередной
секции (вес вычисляют с коэффициентом перегрузки л=1,1, а при опус-
кании без водоотлива с учетом взвешивания в воде);
Т2 — силы трения по боковой поверхности.
Силы трения учитывают в минимальном размере, принимая их
не более 50% активного горизонтального давления грунта и не бо-
лее величин, приведенных выше для проверки веса колодца. Таким
образом,
72= 0,25угр//| tg2 (45° — 0,5?) < fHv (X. 5)
при 771=0,5 77.
При вычислении Т2 объемный вес грунта принимают с коэффи-
циентом перегрузки п=0,9 и учитывают взвешивающее действие
воды (в водонасыщенных грунтах).
Давление V распределится между банкеткой и наклонной по-
верхностью консоли.
На наклонную поверхность реактивное давление грунта дейст-
вует в виде нормальной силы 7? и силы трения, равной 7? tg р (где
р — угол трения между кладкой и грунтом). Эти силы дадут рав-
нодействующую /?' (см. многоугольник силы на рис. Х.15, в), кото-
рая, в свою очередь, можно разложить на вертикальную силу У?
и горизонтальную 77», причем
77»= V2tg(a —₽),
где а — угол наклона внутренней поверхности консоли к горизонту.
Угол трения р принимают равным углу внутреннего трения
грунта <р”. Сила 77» считается приложенной на высоте */з м от бан-
кетки. Вертикальные силы Vi и У2, действующие на банкетку и на-
клонную поверхность консоли, в сумме равны
Vi + У2 = У-
Полагая, что сила Vi распределяется по прямоугольной эпюре,
а сила У2 — по треугольной, можно написать, что
К1_ 2^2
с m
при m = tga,
317
где с — ширина банкетки;
т — проекция наклонной поверхности консоли высотой 1 м.
Решая последние два уравнения, найдем:
Vi = V ———;
2с 4- т
Кроме перечисленных сил, на консоль с наружной стороны бу-
дет действовать сила трения
При определении внутренних усилий считают, что консоль в
верхнем сечении I—/ заделана в наружные стены (см. рис. Х.15).
Если низ внутренних стен расположен на высоте не более 0,5 м от
банкетки или они имеют вертикальные вуты, усилия в сечениях
консоли определяют с учетом того, что последние вместе с внутрен-
ними стенами колодца образуют горизонтальную раму.
Для упрощения расчета можно рассматривать консоль отдель-
но как балку, заделанную в верхнем сечении, и как элемент го-
ризонтальной рамы. Совместная работа конструкций при этом
учитывается коэффициентом /ч и которые вводятся к горизон-
тальным нагрузкам.
Понижающий коэффициент iq используют при расчете консоли
как заделанной балки и вычисляют по формуле
0.1Z?
Л? + 0,05/?
(Х.7а)
а коэффициент используют при расчете рамы и вычисляют по
формуле
,х и>
где 1\ — наибольшее расстояние между внутренними стенками;
/2 — то же, наименьшее.
Если внутренние стены от банкетки расположены выше 0,5 м,
то консоль рассчитывают только как заделанную балку и тогда
Л1=1. При расчете консоли как заделанной балки усилия в сече-
нии I — I на 1 пог. м консоли в плане находят по следующим
формулам.
В первом случае работы консоли (см. рис. Х.15, б): изгибающий
момент
&p\ + foKx-Ti JL
(Х.8а)
318
сжимающая сила N' ~ Т\;
поперечная сила Q = 0,5 (pj + р^) Лк#1-
Во втором случае работы консоли (см. рис. Х.15,
ющий момент
(Х.86)
(Х.8в)
в): изгиба-
(Х.9а)
(Х.96)
(Х.9в)
сжимающая сила N" = Vj + V2 + ^210
поперечная сила Q" = 0,5 (рг + р%) hKKi — Hv.
По моменту М' находят арматуру, устанавливаемую с наруж-
ной стороны консоли, по моменту М"— с внутренней стороны.
Расчет консоли на горизонтальные нагрузки (с коэффициентом
А-г) как замкнутой рамы производится так же, как и стен на изгиб
в горизонтальной плоскости.
Проверка прочности стен на сжатие и изгиб в горизонтальной
плоскости. В горизонтальной плоскости стены колодца испытывают
равномерно распределенные давления со стороны грунта, опреде-
ляемые по формулам (Х.4). При определении наибольших давле-
ний принимают объемный вес грунта с коэффициентом перегруз-
ки п=1,2.
Для расчета стен условно выделяют двумя горизонтальными
сечениями I — I и II — II участок высотой б (рис. Х.15, г) и на-
грузку на участок стены собирают с высоты Лк+б. При этом давле-
ния, действующие на консоль, вводят с коэффициентом К\. В ре-
зультате на стены будет действовать горизонтальная уравновешен-
ная нагрузка интенсивностью
Лк#1-
(Х.10)
В плане стены образуют замкнутые рамы, которые рассчитыва-
ют по общим правилам строительной механики. Формулы узловых
моментов и продольных сил для наиболее часто встречающихся
схем опускных колодцев приведены в табл. Х.1.
Для приближенных расчетов рам с несколькими внутренними
стенами величину моментов на опорах и посередине пролетов на-
ружных стен можно вычислять по формуле
М 0,083pZ3,
где I — расстояние между осями стен.
Продольные сжимающие силы определяют как реакции в си-
стеме с шарнирными узлами.
319
Таблица Х.1
Схема колодца
Формулы для расчета стен опускного колодца (равномерно
распределенная нагрузка, нормальная к стенам)
Изгибающие моменты Продольные силы
~ ^АА ~ — ^ВВ
р№ а3 + За2— 1
~12 2 + а *
Мвв ~ О
МВА~
pt2 2 + Зла + 12а2
24 2 + ал
Мва МАв
9
Nba =Рг>
320
Продолжение табл. Х.1
Формулы для расчета стен опускного колодца (равномерно
распределенная нагрузка, нормальная К стенам)
Схема колодца
Изгибающие моменты
Продольные силы
а (а3 4- 2гд2л 4-
а =----------------------
4 (а2 + ran 4- 2г2)
+ 12r^z 4- 2г3зт)
4 (а2 4- ran 4- 2г2) ’
4а3 4- 6га2зт 4-
В =----------------------
6 (а2 4- ran 4- 2г2)
4- 24г2я 4- Зг3зт
6 (а2 4- ran 4- 2г2) ’
2а3 4- Зга2зт 4- \2г2а
6 (2а 4- т)
а2 4- ran 4- 2г2
2а 4- гп
^вв —
NВА = РП
NAB==P<a + r') —
Примечание. В таблице за положительные
внутренние волокна, и продольные силы сжимающие,
сил указывают, к какому элементу относятся усилия,
мента указывает узел, в котором действует момент.
принятые моменты, растягивающие
Индексы у моментов н продольных
причем первая буква индекса у мо-
Толщину стен цилиндрического кольца проверяют по формуле
Ляме
(ХЛ1)
\ Г Ко — /
где г — внутренний радиус колодца;
7?о— расчетное сопротивление материала колодца на центральное сжатие.
Аналогично рассчитывают остальные секции колодца.
По расчету стен на сжатие и изгиб в горизонтальных плоскос-
тях назначают горизонтальную арматуру колодца.
Проверка колодца на всплытие. При погружении колодца в во-
донасыщенные грунты после устройства нижней подушки и осуше-
ния шахт, на подошву его будет действовать гидростатическое дав-
ление воды, направленное снизу вверх. От всплытия колодец удер-
живают его вес и силы трения по наружной поверхности. При про-
321
верке на всплытие силы трения учитывают в половинном размере.
Колодец будет гарантирован от всплытия, если
Q + 0,57
LJ Г? 1
где Q — вес колодца с нижней подушкой с коэффициентом перегрузки 0,9 (без
учета взвешивания в воде);
Т — силы трения по наружной поверхности колодца;
//в — расстояние от уровня поверхностных или грунтовых вод до низа иожа;
F — площадь колодца, ограниченная наружным периметром иожа.
Особенности расчета колодцев, погружаемых в тиксотропных
рубашках. На возможность погружения колодца под действием
собственного веса проверяют по формуле (Х.1), в которой силы
трения учитывают только по поверхности консоли (трение в пре-
делах рубашки принимают равным нулю). Схемы действия сил
трения в зависимости от вида грунтов и глубины погружения низа
консоли приведены на рис. Х.15.
Стены и консоль колодца должны быть рассчитаны на горизон-
тальное давление грунта и гидростатическое давление глинистого
раствора. Консоль и стены ниже тиксотропной рубашки с наруж-
ной стороны испытывают горизонтальное давление грунта, кото-
рое принимают равным давлению грунта в состоянии покоя:
РУ=пЬуу, (Х.12)
где у — объемный вес грунта, тс/м3;
у — расстояние от поверхности грунта до рассматриваемого сечения колод-
ца, м;
£ — коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя, равный для
крупное бл ом очных грунтов 0,3, песков и супесей 0,4, суглинков 0,5 и
глин 0,7;
п— коэффициент перегрузки, равный 1,1 или 0,9.
В водонасыщенных грунтах объемный вес грунта определяют
с учетом взвешивания грунта в воде. В этом случае отдельно учи-
тывают еще горизонтальное давление воды.
Стены в пределах тиксотропной рубашки до замены ее цементо-
песчанным раствором (или другим материалом) испытывают гид-
ростатическое давление глинистого раствора
Ргу = ПУгУ»
где уг — удельный вес глинистого раствора, тс/м3;
п — коэффициент перегрузки, равный 1,2 или 0,9.
После вытеснения глинистого раствора цементопесчаным стены
испытывают давление грунта, определяемое по формуле (Х.4).
При расчете на всплытие необходимо учитывать последова-
тельность ведения работ. Если шахты осушают до вытеснения гли-
нистого раствора, то силы трения, учитываемые в половинном раз-
мере, возникают только по высоте от низа колодца до тиксотроп-
ной рубашки. Если шахты осушают после замены рубашки
цементопесчаным раствором, то силы трения учитывают также и
по поверхности раствора в размере 2 тс/м2. На всплытие проверка
производится по формуле (Х.12).
322
Х.4. РАСЧЕТ МАССИВНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
ИЗ ОПУСКНЫХ КОЛОДЦЕВ
При расчете массивных фундаментов глубокого заложения учиты-
вают, что внешние силовые воздействия передаются грунту не толь-
ко подошвой, но и их боковыми гранями.
При действии силы N, приложенной в центре тяжести подошвы
фундамента, давление на грунт основания
оси
(Х.13)
В силу N входит вес фундамента и грунта на его уступах с уче-
том взвешивания в воде. Силу трения Т учитывают только при
опирании фундамента на сжимаемые грунты. Ее величина нахо-
дится по формуле
Т’=о,5и2ЛЛл (Х.14)
Здесь Т — сопротивление грунта по боковым граням фундамента (силы
трения), тс;
Foe и — площадь подошвы, м2;
— расчетная несущая способность грунтов основания, тс/м2 (см.
п. II.2);
и — внешний периметр поперечного сечения фундамента, м;
fi — нормативная сила трения для середины i-ro слоя грунта (при-
нимают по табл. VIIIJ2 с ди/=1);
hi — мощность i-ro слоя грунта, м.
При определении сил трения середину i-ro слоя нужно отсчи-
тывать от поверхности грунта после его местного размыва у опоры.
На действие горизонтальных сил и моментов массивные фунда-
менты рассчитывают, учитывая сопротивление грунта горизонталь-
ным перемещениям фундамента. Так же, как и в свайных фунда-
ментах, грунт рассматривают как линейно-деформируемую среду
с коэффициентом постели, возрастающим с глубиной по линейно-
му закону-
Если _при этом приведенная глубина погружения фун-
дамента Л=сА^2,5, то при определении давлений на грунт фун-
дамент можно считать абсолютно жестким (EJ=oo) и пренебре-
гать его собственными деформациями-
Коэффициент а находят по формуле (1Х.5а), а значения коэф-
фициента пропорциональности К — по формулам (IX.3). Расчетная
•ширина для колодцев
^ф(£>-Ы),
где D — размер фундамента (у поверхности грунта) в направлении, нормаль-
ном к действию внешних сил, м;
«Ф — коэффициент формы, учитывающий очертание фундамента в плайе
(рис. Х.16).
Расчет бесконечно жесткого фундамента в уп-
ругой среде — грунте производится следующим образом. Горизон-
323
K9= f,D
Рф=
*9= 1-0,1%
тальные силы и моменты, дей*
ствующие на фундамент, могут
быть приведены к силе Н (рис.
Х.17), расположенной на вы-
соте Л1 от поверхности грунта.
Высота
>И0
Рис. Х.16. Характерные сечения ко-
лодца и их коэффициенты формы
Рис. Х.17. Расчетная схема абсолют-
но жесткого столба
Под действием силы Н фун-
дамент повернется как твердое
тело вокруг некоторой точки
01 на угол со. Горизонтальное
перемещение на глубине z от
поверхности грунта будет
4г = (*0~*)
Здесь Af0— момент внешних сил
относительно сече-
ния колодца в уров-
не поверхности грун-
та;
20 — ордината точки
При повороте фундамента
возникнут реактивные давле-
ния грунта по его боковой по
верхности:
Чг= Кг (z0 — 2)tgw,
а также реактивные давления
по подошве
ву = Сос^У tgы •
Для определения неизвестных величин z0 и tg со составим урав-
нения равновесия, выражающие равенства нулю действующих го-
ризонтальных нагрузок и их моментов относительно точки О:
h
I <szbpdz = bpK tg<o
Л
С z (zq — z) dz = — h/3) bpKh2 tg w;
h
Hhx= — I cj)pzdz+ l =
0 Fj
осн
h
= — bpKtg<* J z2(z0 —z)rfz+ C0CHtgw J !/2^r0CH =
® ^OCH
= — (z0/3 — Л/4) tg <0 + CocaI 0CH tg <d,
где /©сн — момент инерции подошвы.
324
Решая совместно эти уравнения, получим:
_ р<>р/г2 (ЗЛ — 4/it) 4-12/рсн
Z° ~ tybph (2h 4- ЗЛО ’
12₽7/ (2Л 4- ЗЛО Н
tp со = *--------------- =
s Kh ($bv№ 4- 36/осн) АЛЛ
„ Kh
при ₽=—------
t-'OCH
4- 36/рс и
и = 12? (2/1 +ЗЛО
Зная Zo и tg со, находим давления на грунт:
горизонтальные
н
°‘=nz<z°-z)’
вертикальные
Н
Си — ---------------------------- У-
у Л?
Суммарные краевые давления по подошве фундамента
Gmax— coi о л
min рЛ
(Х.15а)
(Х.156)
(Х.16а)
(Х.166)
(Х.17а)
(Х.176)
(Х.17в)
где По — давления на грунт от действующих на столб вертикальных осевых на-
грузок;
yi — расстояние от центральной оси подошвы столба до наиболее (или наи-
менее) напряженной точки подошвы.
При действии на столб внешнего момента Мо расчетные форму-
лы получим, если в приведенных выше выражениях положим
Н—0, Й1=со. и Hhi—Mo- Тогда будем иметь:
2
г0=—(Х.18а)
О
При ^=-7гМ3₽ + /осн-
do
РАГ0
А'ЛВ ’
Мо
(Х.186)
(Х.19а)
(Х.196)
(Х.20)
Суммарные краевые давления на грунт по подошве
„ _1_ А/о
Gmax — с0 ± гэ 1 •
Ulin о
(Х.19в)
325
Таблица Х.2
ah
Обозначение
коэффициента
*2
*1
#2
2,2
*2
Кх
К2
Ki
*2
К2
Л+Л1
h
2 3 5 оо
1 1 1 1
1,1 1,1 1,1 1,1
1,1 1,1 1,1 1,1
1,2 1,2 1,2 1,3
1,1 1,1 1,1 1,2
1,3 1,4 1,4 1,4
1,2 1,2 1,2 1,2
1,5 1,6 1,6 1,7
1,2 1,3 1,3 1,3
1,8 1,9 1,9 2
1,3 1.4 1,4 1,4
1,9 2,1 2,2 2,3
должны быть не более R или
Максимальные давления ащах
1,2 R (см. п. II.2).
Горизонтальные давления на глубинах z—h[2 и z=h должны
удовлетворять условиям:
ГЛ/3 Ills
п'* COS <р
®л < И’Зг--(Yi* tg Ti + *j I-
cos у /
Обозначения см. в п. IX.4.
Изгибающий момент в сечении фундамента на глубине z
верхности грунта при действии силы Н
Z
= н\hi + z 1---^—(2^-z) .
( L 1ЛАп JJ
Наибольший момент возникает на глубине zM, которую
найти из уравнения
dMz
--— = 0.
dz
(Х.21>
ОТ по-
(Х.22>
можно
2
о
В результате подстановки найденного (путем подбора) значе-
ния zM в формулу (Х.22) можно получить максимальный момент
Afzmax, по которому совместно с нормальной силой нужно прове-
рять фундамент на прочность.
326
При определении перемещений фундамента
выше поверхности грунта можно считать его
абсолютно жестким лишь при /г=аЛ<1,6. Из
сопоставления результатов расчетов абсолют-
но жестких и конечной жесткости столбов по-
лучена следующая приближенная формула, по
которой определяют горизонтальное переме-
щение верха опоры при l,6=^aft=^2,5:
д = (/qz0 + k?L) tg<0 4- b, (Х.23)
где Ki — коэффициент, учитывающий влияние конечной
жесткости фундамента иа горизонтальное не-,
ремещение в -уровне поверхности грунта;
Кг — то же, и а угол поворота того же сечения;
L — расстояние от поверхности грунта до верха
опоры;
6 — горизонтальное перемещение верха опоры от
деформаций, накапливаемых по высоте L (как
в балке длиной L с заделанным нижним кон-
цом).
Рис. Х.18. Схема к
расчету осадок
массивного фун-
дамента
Значения коэффициентов Ki и к2 в зависимости от параметров
h + hi
ah и —-— приведены в табл. Х.2.
Вертикальные перемещения — осадки находят методом послой-
ного суммирования (см. п. П.З). Вертикальное давление на грунт
при этом считают равномерно распределенным на условной подо-
шве, размеры которой находят в предположении распределения
сил трения под углом 0,25<р”р, где — средневзвешенное значе-
ние углов внутреннего трения грунтов, пройденных фундаментом
только в пределах его вертикальных граней от подошвы до перво-
го уступа (рис. Х.18).
Глава XI
КЕССОННЫЕ ФУНДАМЕНТЫ
XI.1. КОНСТРУКЦИЯ И ВОЗВЕДЕНИЕ
КЕССОННЫХ ФУНДАМЕНТОВ
Кессонный способ проходки грунтов применяют в различных об-
ластях строительства (шахтостроения, туннелестроении и пр.),
когда необходимо с помощью сжатого воздуха отжать воду и осу-
шить рабочее место для производства земляных работ.
В современном мостостроении к этому методу фундирования
прибегают в крайне редких случаях — при сложных геологических
и гидрогеологических условиях, характерных прослойками скаль-
ных пород или наличием твердых включений в водонасыщенном
грунте, представляющих непреодолимое препятствие для погру-
жения свай, массивных колодцев или тонкостенных оболочек.
К недостаткам кессонного способа прежде всего относятся вред-
ные условия работ под сжатым воздухом, вызывающие серьезные
нарушения нормальной деятельности организма (так называемая
кессонная болезнь). Кроме этого, кессонные фундаменты трудоем-
ки, требуют большого объема монолитного бетона, а для опускания
кессона необходимо сложное оборудование. По объемам работ и
стоимости кессонные фундаменты оказываются дороже фундамен-
тов других видов. Достоинство кессонной проходки грунтов — воз-
можность преодоления любых препятствий и надежного опирания
подошвы фундамента на несущие породы, а также возможность
детального обследования и наиболее достоверного определения не-
сущей способности грунтов, залегающих в основании фундамента.
При возведении кессонного фундамента опоры моста (рис.
XI. 1) в рабочую камеру кессона, в которой разрабатывают грунт,
подают от компрессорной установки сжатый воздух, отжимающий
из грунта воду. По мере удаления грунта кессон опускается. Одно-
временно наверху, выше уровня воды, ведут кладку тела фунда-
мента, называемую надкессонной. Сообщение с рабочей камерой
обеспечивается через шлюзовой аппарат и шахтные трубы, уста-
новленные в шахтных колодцах. После опускания кессона до про-
ектной отметки рабочую камеру заполняют бетоном, шахтные тру-
бы со шлюзовым аппаратом демонтируют и шахтные колодцы бе-
тонируют или засыпают песком.
Давление воздуха в камере кессона зависит от глубины погру-
жения, считая от уровня грунтовой воды или воды в реке. Давле-
ние, равное 1 кгс/см2, создается весом столба воды высотой
10,33 м. Следовательно, для осушения рабочей камеры и отжатия
воды из грунта необходимо на каждые 10,33 м погружения иметь
в кессоне добавочное давление в 1 кгс/см2. Организм человека мо-
жет выдержать до 4 кгс/см2 добавочного давления; поэтому макси-
328
Рис. XI. 1. Схема возведения кессонного фундамента:
/ — рабочая камера кессона; 2 — кессон; 3 — надкессонная кладка; 4 — шахтные трубы; 5 -*
сифонная труба; 6 — шлюзовой аппарат; 7 — надпотолочный кран; 8 — воздухоочиститель;
9— воздухосборник; Ю— воздуходувные трубы; 11—компрессор
мальная глубина погружения кессона ниже уровня воды не может
быть более 40 м. Однако с увеличением глубины погружения рез-
ко снижается время пребывания рабочих под сжатым воздухом.
Если под добавочным давлением до 1,75 кгс/см2 разрешается на-
ходиться не свыше 7 ч в сутки, то под давлением от 3,5 до 4 кгс/см2
максимальное время пребывания составляет только 2 ч, из которых
непосредственная физическая работа занимает около 1 ч. В связи
с этим стоимость кессонных работ с увеличением глубины повыша-
ется и в экономическом отношении глубину погружения в 35 м
считают предельной.
329
Кессон состоит из потолка и стен, называемых консолями (рис;.
XI.2).
В плане форма кессонов обычно прямоугольная (реже с полу-
круглыми торцами), с отношением сторон до 1:4. Кессоны не-
большой площади иногда выполняют круглыми.
В настоящее время кессоны делают только из железобетона.
Раньше их изготовляли из стали, дерева, каменной кладки, бетона,
армированного брусьями или рейками (деревобетон).
Конструкция железобетонных кессонов может быть массивной
или ребристой. Массивные кессоны со сплошным потолком (рис-
XI.2, а) толщиной до 1,5—2 м применяют при опускании с естест-
венной поверхности земли или с искусственных островков. При ши-
рине кессона более 12—16 м для уменьшения веса потолок делают
ребристым (рис. XI.2, б) из продольных и поперечных ребер и
нижней плиты толщиной 30—50 см, а для облегчения укладки бе-
тонной смеси ширину ребер назначают равной 0,5—1 м. Легкие
кессоны, погружаемые с воды (рис. XI.2, е) или с подмостей, дела-
ют из тонкостенных ребер и плит толщиной 15—40 см.
По санитарным нормам наименьшая высота рабочей камеры
кессона равна 2,2 м. Толщина консолей в месте примыкания к по-
толку обычно составляет 1,5—2 м. Консоль заканчивается банкет-
кой шириной 25 см, усиленной ножом из листовой и профильной
стали. Конструкцию ножей, так же как и в опускных колодцах (см.
рис. Х.2), назначают в зависимости от плотности проходимых
грунтов.
Внутреннюю поверхность консолей делают наклонной; наклон
первого участка на высоту около 50 см от банкетки принимают
равным 1:1.
Марку бетона кессонов назначают, как правило, не менее 200.
Кессоны армируют в соответствии с расчетом на усилия, возника-
ющие в процессе возведения фундамента. Пример армирования
массивного кессона береговой опоры городского арочного моста
приведен на рис. XL3. Размеры кессона в плане 10X23 м, толщина
потолка 1,6 м, консолей 1,75 м. Рабочая арматура потолка рас-
положена вдоль короткой стороны кессона; нижняя арматура при-
нята диаметром 30 мм, верхняя — 20 мм. Стержни распредели-
тельной арматуры диаметром 10 мм поставлены через 20 см.
Верхняя и нижняя арматуры связаны между собой хомутами диа-
метром 8 мм. Консоли армированы вертикальными стержнями диа-
метром 30 и 20 мм, расположенными по наружной и внутренней
поверхности.
Внизу консолей вдоль длинной стороны уложена продольная
рабочая арматура диаметром 30 мм, обеспечивающая прочность
кессона на изгиб в момент снятия его с подкладок.
Для надкессонной бетонной кладки на потолке кессона уста-
навливали деревянную опалубку. Опалубку прочно соединяли с
потолком, так как она предохраняет свежеуложенную бетонную
кладку от разрыва при опускании кессона. Для этого по периметру
потолка укладывали брусья, к которым гвоздями прибивали доски
330
Рис. XI.2. Схемы кессонов:
1 — потолок; 2 — консоль; 3 — перемычка
опалубки. Брусья закрепляли к потолку анкерными болтами (см.
узел / на рис. XI.3).
Опалубку надкессонной кладки делают из вертикальных досок
толщиной 4—5 см, одновременно стыкуемых на горизонтальных
ребрах в количестве не более 50%. Надкессонную кладку выполня-
ют из бетона марки 150—200. Она может быть сплошной или с
пустотами, как показано на рис. XI.4. Для уменьшения сил трения,
KLW!L wooo
Рис. XI.3. Армирование массивного кессона
331
Рис. XI.4. Опора моста на кессонном фундаменте
возникающих при опускании кессона, в уровне потолка оставляют
уступ шириной до 50 см, а боковым граням надкессонной кладки
придают наклонное или ступенчатое очертание. Вверху в уровне
обреза фундамента ширину уступа принимают не менее 0,015 пол-
ной глубины опускания кессона и не менее 25 см, а для наплавных
кессонов ширину дополнительно увеличивают минимум на 25 см.
За счет уступа в уровне обреза фундамента ликвидируются не-
точности при опускании кессона и смещения осей опоры с проект-
ного положения.
Для сообщения с рабочей камерой служат шахтные трубы и
шлюзовой аппарат (рис. XL5), который состоит из центральной ка-
меры и пассажирских и материальных прикамерков. Пассажирские
прикамерки предназначены для прохода (шлюзования и вышлю-
зования) людей, материальные — для выдачи грунта и подачи ма-
териалов в рабочую камеру. Число прикамерков определяется про-
изводительностью кессонирования, но их должно быть не менее
двух — одного пассажирского и одного материального. Шлюзовой
аппарат изготовляют из листовой стали толщиной 10—12 мм; кон-
332
1,48
Рис. XL5. Шлюзовой аппарат с шахтной трубой:
А ~ центральная камера; Б — пассажирский прикамерок; В — материальный прикамерок;
/ — лестница; 2 — пассажирский лаз; 3 — материальный лаз; 4 — бадья; 5 — вагонетка; 6 *
внутренние дверцы; 7 — наружные дверцы; 8 — электромотор
струкция его должна обеспечивать полную герметичность. Масса
аппарата примерно 12 т.
Процесс шлюзования и вышлюзования рабочих происходит сле-
дующим образом. В центральной камере давление воздуха, рав-
ное давлению воздуха в рабочей камере кессона, всегда выше ат-
мосферного. Чтобы войти в центральную камеру, давление воздуха
в пассажирском прикамерке снижают до нормального, после чего
наружная дверь прикамерка легко открывается, а дверь между
центральной камерой и прикамерком плотно прижимается к сте-
нам внутренним давлением. Войдя в прикамерок и закрыв за со-
бой наружнюю дверь, рабочие, открывая воздухопроводный кран,
постепенно увеличивают давление и, когда оно сравняется с дав-
лением в центральной камере, открывают промежуточную дверь и
проходят внутрь шлюзового аппарата. Вышлюзовывание протекает
в обратном порядке.
Переход от нормального давления в повышенное и обратно тре-
бует определенного времени, необходимого для приспособления
организма к новым условиям. Это время, регламентируемое сани-
тарными правилами ведения кессонных работ» и составляет от 5 до
60 мин в зависимости от давления в кессоне.
Работа материального прикамерка протекает так же, как и
пассажирского, но без ограничения времени на шлюзование и вы-
шлюзовывание грузов.
Снизу к центральной камере присоединена шахтная труба.
Шахтную трубу собирают из звеньев высотой 2—1,5 м на фланце-
вых болтовых соединениях с прокладкой в стыках резины. По вер-
тикали труба разделена на пассажирский и материальный лазы.
В пассажирском лазе расположены лестницы со ступенями из
круглой стали; к стенкам материального лаза прикреплены на-
правляющие планки для движения бадьи с грунтом и строитель-
ными материалами. Подъем и опускание бадьи происходят подъ-
емником, расположенным на потолке центральной камеры. В по-
толке кессона оставлено отверстие для шахтной трубы. При нара-
щивании трубы это отверстие герметически закрывают специальной
крышкой, называемой декелем. Шахтную трубу прочно прикрепля-
ют к потолку кессона, рассчитывая крепление на отрыв трубы дав-
лением воздуха. Первое звено шахтной трубы присоединяют ан-
керными болтами, забетонированными в потолке кессона.
В надкессонной кладке для шахтных труб оставляют шахтные
колодцы. Свободный просвет между трубой и кладкой должен
быть не менее 10 см.
Число шлюзовых аппаратов зависит от площади кессона; при
постройке мостов на каждые 100 м2 площади кессона устанавлива-
ют не менее одного аппарата.
Установка для снабжения кессона сжатым воздухом состоит из
компрессорной станции, воздухосборников и воздухопроводных
труб и шлангов (см. рис. XI.1).
Компрессорная станция может быть стационарной, расположен-
ной на берегу, или передвижной на плавучих средствах (понтонах,
334
баржах); плавучие станции применяют при опускании кессонов
в русле широких и глубоких рек. Компрессоры применяют с рабо-
чим давлением, не превышающим 4—6 кгс/см2, но с большой произ-
водительностью; их обеспечивают двумя независимыми источника-
ми энергии (электродвигателями или паросиловыми установками),
один из которых является запасным — аварийным. Воздух посту-
пает в компрессор через фильтр, где он очищается от пыли, копоти
и пр. Из компрессора воздух проходит в воздухосборники —
стальные цилиндрические резервуары. Воздухосборники предна-
значены для хранения сжатого воздуха, отделения от него машин-
ного масла и смягчения пневмоударов, неизбежных при работе
компрессоров. На воздухосборниках устанавливают манометры и
предохранительные клапаны для автоматического выпуска лишне-
го воздуха. Объем воздухосборников должен быть не менее 20-се-
кундной производительности компрессоров и не менее 3 м3.
Из воздухосборников воздух, пройдя специальный маслоотде-
литель, поступает в воздухопроводные стальные трубы диаметром
75—100 мм. Трубы прокладывают в две дублирующие линии на
случай порчи одной из них. Укладывают их с уклоном; в понижен-
ных местах устанавливают краны для выпуска воды и масла, от-
делившихся от воздуха. Зимой трубы утепляют.
У кессона трубы разветвляют на две линии: по одной воздух
подается в шлюзовой аппарат, по другой — в камеру кессона че-
рез вертикальные стояки. Соединяют воздухопроводные трубы со
шлюзовым аппаратом и стояками гибкими шлангами. Трубы дол-
жны иметь обратные клапаны, препятствующие выходу воздуха
из кессона при случайных остановках компрессоров.
Для выпуска испорченного воздуха, резкого снижения давления
в кессоне и для удаления воды, если ее не удается отжать в грунт
(например, в плотных глинах), устанавливают сифонные трубы.
Сифонную трубу снабжают запорным вентилем, расположенным
в рабочей камере.
Для обеспечения нормальных условий работы рабочая камера
и шлюзовые аппараты обеспечивают электроосвещением, телефон-
ной связью и звуковыми и световыми сигналами.
Снабжение кессона сжатым воздухом рассчитывают по следу-
ющим формулам.
Избыточное давление в камере кессона (в кгс/см2)
Расчетный объем воздуха, подаваемый по правилам техники
безопасности, должен составлять (в м3/ч)
V! = 25 и.
Производственный расход воздуха (в м3/ч)
V2= с + ₽и).
335
Здесь Н — гидростатический напор воды иа уровне ножа кессона, м;
п — число людей, одновременно работающих под повышенным дав-
лением в рабочей камере и шлюзовых аппаратах (в зависимости
от категории грунтов состав рабочей бригады на один шлюзовой
аппарат составляет от 7 до 17 чел.);
с — коэффициент, учитывающий потери воздуха иа шлюзование грун-
та и равный 1,25;
а — часовая потеря воздуха через 1 м2 потолка и стен кессона, при-
нимаемая равной 0,67—0,35 м3/ч;
F — площадь внутренней поверхности кессона (потолка и стен), м2;
Р — часовая потеря воздуха через 1 пог. м, иожа, принимаемая для
иескальных грунтов 1—3 м3/ч, для скальных — 4—6 м3/ч;
и — периметр кессона (по ножу), м.
По наибольшему расходу воздуха и давлению в камере кессона
назначают число компрессоров и их марку; один компрессор ста-
вят запасным.
Как и массивные опускные колодцы, кессоны бетонируют или
над местом их погружения, или в стороне, на берегу, с последу-
ющей доставкой к месту погружения по воде. В первом случае для
изготовления кессона на поверхности земли подготавливают осно-
вание, а при наличии воды глубиной до 6—8 м отсыпают островки
(см. рис. Х.6). Далее устанавливают опалубку, арматуру и укла-
дывают бетонную смесь. После приобретения бетоном необходимой
прочности опалубку разбирают и кессон снимают с подкладок.
Эту операцию производят осторожно, в заранее продуманной по-
следовательности по аналогии с опускными колодцами.
Монтируют шлюзовые аппараты и шахтные трубы с помощью
кранов грузоподъемностью 12—15 т. Для этой цели могут быть ис-
пользованы как стреловые самоходные или стационарные краны,
так и козловые. При размещении кранов нужно иметь в виду, что
вокруг кессона обычно наблюдаются просадки грунта, которые
могут нарушить нормальную работу крана. При отсутствии кранов
промышленного изготовления можно, как это часто делалось при
опускании кессонов под опоры мостов, собрать деревянный пор-
тальный кран на потолке кессона.
Смонтированное оборудование для подачи сжатого воздуха —
воздухосборники, воздухопроводные трубы, шахтные трубы, шлю-
зовой аппарат — перед началом работ проверяют (опрессовыва-
ют) давлением, в 2 раза превышающим наибольшее давление, не-
обходимое для погружения кессона до проектной отметки.
Грунты в камере кессона разрабатывают ручным механизиро-
ванным инструментом с применением в необходимых случаях
взрывных работ (при скальных грунтах). Грунт выдают бадьями,
которые в грузовом прикамерке опоражнивают в вагонетку для вы-
дачи его наружу. При разработке грунта следят за равномерным
погружением кессона.
Если наблюдаются перекосы и крены, то замедляют подборку
грунта с одной стороны кессона и усилшзают с противоположной;
в необходимых случаях под потолок подводят шпальные клетки.
По мере опускания кессон может быть зажат грунтом настоль-
ко, что удаление грунта из-под банкетки перестанет обеспечивать
336
Рис. Х1.6. Гидромеханизация кессонных
работ:
1 — шлюзовой аппарат; 2 — пульповод; 3 — гидро-
монитор; 4 — гндроэлеватор
погружение кессона. В
этом случае прибегают к
форсированной посадке,
достигаемой снижением
давления воздуха в рабо-
чей камере, который вы-
пускают через сифонные
трубы. Величина каждой
форсированной посадки
не должна превышать
50 см; снижать давление
воздуха не нужно более
чем на 50%. Пребывание
людей в кессоне при фор-
сированных посадках за-
прещается.
Грунты, поддающиеся
размыву, разрабатывают
способами гидромехани-
зации. Для этого в рабо-
чей камере кессона поме-
щают гидромониторы и
гидроэлеваторы, снабжае-
мые напорной водой от
насосной станции (рис. XI.6). Гидромониторы размывают грунт и
направляют его к всасывающему патрубку гидроэлеваторов. Пуль-
па гидр.оэлеваторами выдается наружу по пульповодным трубам.
Предельный радиус действия гидромонитора составляет для пес-
чаных грунтов 10—12 м, для глинистых — 6—7 м.
Обычно одним гидромонитором обслуживают участок пло-
щадью 150—250 м2 при сыпучих легко размываемых грунтах и
100—150 м2 при глинах и супесях.
Количество гидроэлеваторов определяется их производитель-
ностью; как правило, на каждый шлюзовой аппарат нужно иметь
один гидроэлеватор.
Размыв грунта гидромониторами ведут от середины кессона к
ножу, обеспечивая уклон, необходимый для стока пульпы к зумп-
фу. Из зумпфа пульпа засасывается гидроэлеватором. Глубина
зумпфа должна быть не менее чем на 20 см больше высоты всасы-
вающей части гидроэлеватора.
Расход воды при гидромеханизации кессонных работ составля-
ет от 4 до 20 м3 на 1 м3 грунта при давлении от 1 до 15 кгс/см2.
Впервые гидромеханизация кессонных работ была осуществле-
на в 1930 г. в Германии. В СССР этот метод был освоен при по-
стройке москворецких мостов в Москве (1938 г.). Впервые в мос-
тостроении при постройке моста через р. Днепр в Киеве было осу-
ществлено «слепое» опускание кессонов в песчаных грунтах, при
котором все управление гидромеханизацией было сосредоточено
вне камеры кессона и грунт разрабатывали без рабочих в рабочей
337
камере. Это позволило сократить число кессонщиков в 5—6 раз и
добиться рекордной скорости погружения кессонов до 7 м в сутки
вместо обычных 1—1,5 м.
После достижения кессоном проектной отметки в его камере
исследуют грунты основания контрольным бурением или испыта-
нием штампом. Если грунты по своей прочности соответствуют
принятым в проекте, то кессонирование прекращают и приступают
к заполнению рабочей камеры бутобетонной кладкой М-150—
200.
Кладку ведут от ножа к шахтным трубам, плотно подбивая ее
под потолок кессона. Когда камера полностью забетонирована, для
заполнения возможных неплотностей между потолком и кладкой
в шахтные трубы подают жидкий цементный раствор в объеме
1,5—2 м3. Повышая давление воздуха и открывая одновременно
наружные краны сифонных труб, обеспечивают вдавливание рас-
твора в кладку. Эту операцию повторяют до тех пор, пока раствор
не перестанет поступать в рабочую камеру. Затем разбирают шахт-
ные трубы и шлюзовой аппарат, после чего шахтные колодцы бето-
нируют или заполняют песком.
При глубине воды более 8—12 м, когда устройство островка со-
пряжено со значительными трудностями, применяют кессоны, опус-
каемые с подмостей или с воды. В настоящее время в этих усло-
виях наиболее часто прибегают к наплавным кессонам. Наплавные
кессоны изготавляют или на берегу, или в доках. Для уменьшения
веса и обеспечения плавучести их делают облегченными, пустоте-
лыми (см. рис. XI.2, в). По периметру кессоны наращивают водо-
непроницаемой деревянной перемычкой. Высота перемычки зави-
сит от глубины воды в месте погружения кессона и должна быть
достаточной для посадки кессона на дно реки и погружения в грунт-
Забетонированный на берегу кессон вместе с собранными на
его потолке шахтными трубами и шлюзовыми аппаратами выводят
на воду. Для этого кессон спускают или по стапелям, или прорыва-
ют канал, затапливая место изготовления кессона; для этой цели
иногда пользуются высоким уровнем воды в весенние паводки.
Далее кессоны буксируют к месту опускания. Посадку на дно про-
изводят стравливанием воздуха и частичным заполнением бетон-
ной смесью пустот в конструкции консолей кессона. После того как
кессон будет надежно пригружен надпотолочной кладкой, можно
отжать из рабочей камеры воду и приступить к разработке грунта.
Кессонные работы нужно выполнять в строгом соответствии с
инструкциями и соблюдать правила техники безопасности-
Х1.2. РАСЧЕТ КЕССОНОВ^
Размеры кессона в плане определяют расчетом фундамента на
действие внешних эксплуатационных нагрузок.
В процессе погружения кессон испытывает значительные на-
грузки кратковременного действия, на которые должны быть про-
верены его прочность и трещиностойкость. Проверки производят
338
л
Рис. XI.7. Схемы к расчету кессона
на расчетные нагрузки; при этом расчетные сопротивления мате-
риалов повышают на 10%.
Кессон рассчитывают на следующие четыре случая:
I. Кессон опущен до проектной отметки, нож погружен в грунт
на 0,5 м, давление в камере равно гидростатическому на уровне
ножа.
II. Кессон опущен до проектной отметки, грунт из-под ножа вы-
бран и давление в камере понижено на 50% (форсированная по-
садка).
III. Кессон опирается на грунт по периметру ножа, потолок на-
гружен слоем кладки высотой 1,5 м.
IV. Кессон стоит на четырех фиксированных подкладках.
По первым двум расчетным случаям проверяют прочность кон-1
соли в месте примыкания к потолку, по третьему случаю — проч-
ность потолка, по четвертому — прочность кессона на изгиб (пе-
релом).
I. Расчетный случай. Расчет консоли по сечению /— /на изгиб
наружу (рис. XL7, а). В сечении I — I на 1 пог. м длины консоли
в плане действуют следующие усилия.
1. Вес консоли. Разбивая консоль на простейшие геометриче-
ские фигуры, вычисляем вес консоли QK и его момент 7ИК относи-
тельно оси, проходящей через середину сечения / — / (точку О).
339
2. Вертикальное реактивное давление грунта на 1 пог. м банкет-
ки и скошенной части консоли
v1 + v2=q_ s — т,
где Q — вес кессона, надкессоиной кладки и грунта на ее обрезах, тс/м;
S — давление воздуха на потолок кессона, тс/м;
Т — сила трения иа наружной поверхности кессона и надкессонной кладки»
тс/м.
Вес кессона и надкессонной кладки вычисляют с коэффициен-
том перегрузки 1,1, а вес грунта на обрезах — с учетом насыщения
его водой, принимая расчетный объемный вес равным 2 тс/м3. Вес
на 1 пог. м ножа
Давление воздуха
Силу трения Т учитывают в минимальном размере; она должна
быть не более 50% активного давления грунта и не более сил тре-
ния, возникающих при опускании кессона, т. е.
т < ТЮВН2 tg2(45° --J-) < fH.
тг \ /
Здесь 2Qi — суммарный вес кессона, надкессонной кладки и грунта на об-
резах, тс;
U — периметр кессона по ножу, м;
Q — площадь кессона по периметру иожа, м2;
— глубина погружения ножа, считая от рабочего горизонта воды
в реке, м;
утг — объемный вес воды, равный 1 тс/м3;
увзв — вес грунта с учетом взвешивания в воде, с коэффициентом пе-
регрузки и=0,9, тс/м3;
Н — глубина погружения кессона, считая от поверхности грунта, м;
<р — нормативный угол внутреннего трения грунта;
f — силы трения при опускании кессона, оин могут быть приняты
по графикам (см. рис. Х.13), тс/м2.
Реактивное давление грунта V распределяется между банкет-
кой и скошенной частью консоли.
На банкетку приходится сила определяемая формулой
(Х.ба), на скошенную часть — сила V2, определяемая формулой
(Х-бб).
Момент этих сил относительно точки О
340
3. Сила трения по боковой поверхности консоли
Момент этой силы относительно точки О
Л4Тк = — 0,57’ Kd.
4. Вертикальное давление воздуха на консоль
^кв=
Момент этой силы относительно точки О равен нулю.
5. Горизонтальное давление грунта на скошенную часть кон-
соли
Гг= r2tg(a —<р),
где a — угол наклона поверхности консоли, обычно равный 45°.
Момент силы Уг относительно точки О
6. Горизонтальное давление воздуха на консоль и его момент
относительно точки О:
SKr —
Ms кг —
0,5£кгЛк.
7. Горизонтальное давление грунта и воды на консоль и его мо-
мент относительно точки О:
Е — 0,5 (/^ -Ь Р?)\
Здесь
Р\ = Увзв^ 1&2 (45° "р-) вТ|р
\ 1
Ръ — Увзв — М tg2 ^45° ~ + (Ив Лк) Yu?-
В этих формулах объемный вес уВзв грунта вводится с коэф-
фициентом перегрузки 0,9.
В результате перечисленных воздействий в сечении / — / воз-
никают усилия:
сжимающая сила N=—QK+ V+TK+SKB;
изгибающий момент Af=MK+Mv+MTK+^vT4-MSKr+ME;
поперечная сила Q = Vr+5Hr—Е-
На эти усилия, вызывающие внецентренное сжатие, проверяют
прочность и трещиностойкость консоли в сечении / — /и находят
341
количество арматуры, которую надо расположить с внутренней
стороны консоли.
II расчетный случай. Расчет консоли по сечению / — /на изгиб
внутрь кессона (рис. XL7, б). В сечении I — /на 1 пог. м консоли
действуют следующие усилия.
1. Вес консоли, определяемый с коэффициентом перегрузки 0,9,
и его момент относительно точки О:
Qk’~ Q*
°’9 о' лл °’9
. Мк — Мк
2. Сила трения по боковой поверхности консоли
к
Так как грунт из-под ножа выбран, кессон удерживается в рав-
новесии только силами трения по боковой поверхности и давлени-
ем воздуха, сниженным до 50% по сравнению с гидростатическим.
В этом случае сила трения
T'—Q' — 0,5S при =
где Q' — вес, приходящийся на 1 пог. м консоли, кессона, надкессонной кладки
и грунта на его обрезах (вычисляется с коэффициентом перегрузки 0,9),
тс.
Момент от силы трения относительно точки О
= — 0,57'rf.
1 t\ л
3. Вертикальное давление воздуха на консоль
SKB— 0,5//в£/у^7.
4. Горизонтальное давление воздуха на консоль и его момент
относительно точки О:
SKr = 0,5//вЛку^; -М5,кг = 0,5SKr hK.
5. Горизонтальное давление Е на консоль грунта и воды с на-
ружной стороны кессона и момент его МЕ относительно точки О
вычисляют так же, как в первом расчетном случае, но с коэффици-
ентом перегрузки 1,2.
В результате в сечении / — / во II расчетном случае возника-
ют усилия:
сжимающая сила
изгибающий момент
M'=M'K + M’r,K + M'SKr + M’E;
поперечная сила
Q' = 0,5S'r-£'.
342
По этим усилиям проверяют прочность и трещиностойкость кон-
соли, а также находят количество арматуры с наружной стороны
консоли.
Ill расчетный случай. Проверка прочности потолка кессона
(рис. XI.7, в). На кессон действуют собственный вес и вес надкес-
сонной кладки высотой 1,5 м. Объемный вес кладки кессона при-
нимают равным 2,4 тс/м3, надкессонной кладки (свежеуложенной
бетонной смеси) —2,5 тс/м3; коэффициент перегрузки 1,1.
Если отношение сторон кессона в плане Л/В^2, то потолок рас-
считывают как свободно опертую балку пролетом В. Если отноше-
ние сторон А!В<2, то потолок рассчитывают как плиту, опертую
по четырем сторонам. В этом случае усилия в потолке при его рас-
чете как балки пролетом В приближенно можно определить по
формулам:
А4 А4
Мв= Мов A4 + Bi', QB = Q0B А4 + В4'
а при его расчете как блоки пролетом А:
В4 В4
МА=ММ А4 + В4’ Qa=Qm А4 + &4’
где МОв, Qob — усилия в однопролетной балке пролетом В;
Мод, Qoa — то же, пролетом А.
По моментам и поперечным силам проверяют прочность и тре-
щиностойкость потолка.
IV расчетный случай. Проверка кессона на перелом (изгиб).
Когда кессон стоит на четырех фиксированных подкладках, распо-
ложенных под более длинными сторонами, он работает как двух-
консольная балка (рис. XI.7, г). Расстояние между фиксированны-
ми подкладками назначают таким, чтобы растягивающие напряже-
ния в верхних волокнах потолка над опорами и в нижних
волокнах консолей в середине кессона были бы равны между со-
бой. Для массивных кессонов это расстояние можно принимать
равным 0,6 А-
Нагрузками при расчете на перелом являются: вес потолка и
продольных консолей — равномерно распределенная нагрузка;
вес поперечных консолей — сосредоточенные силы. Коэффициент
перегрузки принимают равным 1,1.
По моментам проверяют прочность и трещиностойкость кессона
как железобетонной конструкции с шириной сечения В. В необхо-
димых случаях укладывают у банкетки продольную арматуру
вдоль длинных сторон кессона.
Кроме этого, проверяют сечение, как бетонное, учитывая растя-
нутую зону и приведенное к бетону сечение арматуры. При этой
проверке растяжение в бетоне не должно превышать 7,2 кгс/см2
при марке бетона 200.
Кессоны ребристой конструкции рассчитывают аналогично, вы-
резая участок шириной, равной расстоянию между вертикальными
ребрами.
343
Глава XII
ФУНДАМЕНТЫ В ОСОБЫХ
УСЛОВИЯХ
ХИЛ. ФУНДАМЕНТЫ НА ПРОСАДОЧНЫХ
И НАБУХАЮЩИХ ГРУНТАХ
При увлажнении просадочных и набухающих грунтов наблюдают*
ся значительные и, как правило, неравномерные деформации по-
строенных на них сооружений. Деформации (просадки и набуха-
ние) возникают при изменении влажности этих грунтов. На посто-
янных водотоках русловые и пойменные грунты обводнены настоль-
ко, что последующее их увлажнение, например на поймах, не вызы-
вает просадок или набухания. Поэтому фундаменты опор мостов
через постоянные водотоки в этих грунтовых условиях проектируют
и возводят обычными методами. Постройка путепроводов, эстакад,
труб и мостов через периодические водотоки (особенно в засушли-
вых районах, например в Средней Азии), а также зданий различ-
ного назначения требует особых мер, исключающих или снижа-
ющих деформации сооружений при замачивании этих грунтов во-
дой. Наиболее радикальной мерой предупреждения просадок лёс-
совых и лёссовидных грунтов и пучения набухающих глин являет-
ся проходка всей их толщи фундаментом.
При небольшой мощности просадочных или набухающих грун-
тов это легко достигается устройством фундаментов мелкого за-
ложения. Для уменьшения объема фундаментов часто прибегают
к замене грунтов, устанавливая фундамент на грунтовую подуш-
ку. При просадочных грунтах подушку делают из местного перемя-
того и увлажненного грунта, лишенного, тем самым, просадочных
свойств. При набухающих грунтах подушку отсыпают из песка,
желательно крупнозернистого.
Если просадочные или набухающие грунты залегают мощным
слоем, то эстакады, путепроводы и другие аналогичные сооруже-
ния возводят на фундаментах глубокого заложения, преимущест-
венно свайных. При проектировании свайных фундаментов нужно
иметь в виду, что при замачивании просадочных грунтов и их про-
садке по поверхности свай возникает отрицательное трение, при-
гружающее сваи. Отрицательное трение может достигать 1 тс/м2.
В набухающих глинистых грунтах силы трения между сваей и
грунтом могут достигать 2 тс/м2 и более. Эти силы, развивающие-
ся при набухании грунтов также необходимо учитывать при расче-
те свайных фундаментов. При небольших сжимающих нагрузках
может возникнуть растяжение свай, и тогда они должны быть про-
верены на трещиностойкость. Мерами, предохраняющими фунда-
мент от выпучивания, служат заделка свай в нижележащие слои
344
грунта, увеличение сжимаю-
щих нагрузок на сваи пу-
тем возможного уменьше-
ния их числа в фундаменте
и расположение плиты фун-
дамента выше поверхности
грунта.
Однако не всегда в ус-
ловиях просадочных или на-
бухающих грунтов необхо-
димы фундаменты глубоко-
го заложения с прорезкой их
толщи. Имеется много при-
меров возведения крупных
промышленных сооружений
с фундаментами, заложен-
ными в толще таких грун-
Рис. XII. 1. Графики к определению ти-
па грунтовых условий по просадочности:
1 — природное давление; 2 — начальное про-
садочное давление
тов.
В строительном отношении просадочные грунты подразделяют
на два типа. К первому типу по просадочности относят грунты»
просадка которых от собственного веса при замачивании не пре-
вышает 5 см. Ко второму типу по просадочности от носят грунты,
просадка которых происходит преимущественно в нижней толще
просадочного грунта и превышает 5 см. Для определения типа
строительной площадки (по просадочности) строится график из-
менения по глубине природного и начального просадочных давле-
ний (рис. XII.1). По графикам к первому типу по просадочности
относят грунты, в которых начальное просадочное давление пре-
вышает природное только в нижней части просадочного грунта
толщиной не более 2 м и если просадка не превышает 5 см (рис.
XII.1, а). В противном случае (рис. XII.1, б) грунтовые условия
относят ко второму типу.
Просадка от собственного веса замоченного грунта
пр. гр S ^np./Af.
Суммирование распространяется на всю толщу просадочного
грунта. Грунтовые условия второго типа менее благоприятны для
возведения сооружений, требуют более сложных и дорогих мер по
предупреждению деформаций.
При замачивании просадочные грунты проседают, если давле-
ние в них от веса вышележащего грунта и добавочных давлений,
передаваемых фундаментом, превышают начальные просадочные
давления, т. е.
Р~ P6z “Ь Ptoz А.р-
Здесь бпр.» — относительная просадка i-ro слоя грунта, определяемая в ла-
бораторных условиях;
hi — мощность i-ro слоя грунта;
Рбг — давление на глубине г от веса вышележащей толщи грунта;
Poz — то же, от давления передаваемого фундаментом;
Рпр — начальное просадочное давление.
345
Если по всей толще просадочного грунта начальное просадоч-
ное давление не превышено, то просадка отсутствует и фундамен-
ты проектируют как в обычных грунтовых условиях. Если же про-
садки возможны, то фундаменты и их основания проектируют с
учетом возможных деформаций просадочных грунтов.
Для зданий высотой не более трех этажей и нагрузкой на фун-
даменты стен до 10 тс/м грунты по прочности (устойчивости) раз-
решается проверять с использованием условных расчетных давле-
ний Яо, полагая в формуле (II.9) Kt =>0,05 и к2=0,5. Значения /?о
просадочных грунтов приведены в табл. XII. 1.
Деформации фундаментов в общем случае нагружения слага-
ются из обжатия грунтов So до их замачивания, просадки Snp в ре-
зультате замачивания и So' последующего обжатия грунта после
изменения его природных характеристик (модуля общей деформа-
ции и объемного веса). Суммарная деформация основания не дол-
жна превышать допустимой для сооружения. Осадки So и So' на-
ходятся по общим правилам (см. п. II.3).
Просадка грунта
^ир = ^ир. (XII. 1)
Коэффициент условия работы принимают равным 1 для фун-
даментов с шириной подошвы 12 м и более. Для ленточных фунда-
ментов шириной до 3 м и прямоугольных шириной 5 м и менее
т= 0,5 4- 1,5(р — рпр).
Здесь бСр.г — относительная просадочность грунта в пределах деформируе-
мой зоны от природного давления и давления от фундамента
в середине f-го слоя грунта;
hi — толшина f-ro слоя, см;
т— коэффициент условия работы;
р — среднее давление по подошве фундамента, кгс/см2.
Для других размеров фундаментов т находят по интерполяции.
Суммирование в формуле (XII. 1) распространяют на толщину
деформируемой зоны, начиная от подошвы фундамента до уровня,
Таблица XII.1
Г рунт Грунты природного сложения с объемным весом скелета, ТсК, тс/м8 Грунты уплотненные с объемным весом скелета, ТсК. тс/м3
1,35 1,55 1,60 1,70
Расчетные давления Ко просадочных грунтов, кгс/см2
Супесь Суглинок Глина 3(1,5) 3,5(1,8) 4(2,0) 3,5(1,6) 4(2) 4,5 (2,2) 2 2,5 3 2,5 3 3,5
Примечания. 1. В скобках приведены значения Ко просадочных грунтов со сте-
пенью влажности G > 0.S, а также при меньшей влажности и при возможности замачивания.
Без скобок даны Ко при G <0,5 и невозможности замачивания.
2. Для промежуточных значений G н усК значения Ко определяются интерполяцией.
346
на котором давление ют фундамента и веса грунта равны началь-
ному просадочному давлению.
Приведенные расчеты осадок и просадок относятся к верти-
кальным деформациям. По контуру же просадочной чаши, обра-
зуемой при частичном замачивании территории, возникают нерав-
номерные просадки и горизонтальные сдвиги Ч
При заложении фундаментов в пределах деформируемой зоны
просадочных грунтов основными мерами предупреждения дефор-
маций сооружения являются устранение просадочных свойств грун-
тов и конструктивные и водозащитные мероприятия.
В пределах небольшой деформируемой зоны просадку устраня-
ют уплотнением грунтов трамбовками, устройством грунтовых по-
душек, химическим или термическим закреплением (см. п. III.3).
Просадочность по всей толще грунта устраняют предварительным
замачиванием нижних слоев и уплотнением верхних, грунтовыми
сваями, а также химическими и другими способами. К конструк-
тивным мерам прежде всего относят защиту грунтов от увлажне-
ния на прилегающей к фундаментам территории путем ее плани-
ровки и устройство по контуру зданий отмосток. Для предупреж-
дения последствий неравномерных осадок разбивают здания
осадочными швами на отдельные отсеки одинаковой высоты, близ-
кими к квадратному очертанию в плане, по обрезу фундаментов и
в уровне междуэтажных перекрытий устраивают сплошные желе-
зобетонные пояса толщиной 15—40 см. Фундаменты рекомендуется
делать монолитными или сборно-монолитными. В промышленных
зданиях с мокрыми технологическими процессами предусматривают
отвод производственных вод в ливневую канализацию.
При проектировании фундаментов в толще набухающих грун-
тов учитывают низкую сопротивляемость водонасыщенных глин
внешним нагрузкам. Расчетную несущую способность глин опреде-
ляют по формуле (11.12) при характеристиках <р и с, соответству-
ющих полному водонасыщению грунта. Давление по подошве фун-
дамента может превышать при этом расчетное сопротивление грун-
та до 20%, что будет только способствовать снижению деформаций
сооружения при набухании глин.
Подъем фундамента при набухании
~ У (XII.2)
где бнг — относительное набухание /-го слоя;
hi — толщина t-го слоя;
т — коэффициент условия работы, равный 0,8 при давлении под подошвой
фундамента 0,5 кгс/см1 2 и 0,6 прн давлении 3 кгс/см2 (при промежу-
точных давлениях т находят интерполяцией).
Сумма в формуле (XII.2) распространяется на всю зону набу-
хания, толщина которой определяется равенством давлений на
уровне нижней границы зоны давлению набухания грунта. Давле-
ние набухания грунта находится опытным путем.
1 Расчеты этих деформаций подробно изложены в «Руководстве по проек-
тированию оснований зданий и сооружений» (М., Стройиздат, 1977. 375 с.).
347
При локальном увлажнении грунтов нужно учитывать дополни-
тельное давление от веса неувлажненного грунта, расположенного
за пределами замоченной площади. Для исключения или снижения
деформаций набухания применяют те же меры, что и при просадоч-
ных грунтах.
XII.2. ФУНДАМЕНТЫ НА СИЛЬНО
СЖИМАЕМЫХ ГРУНТАХ
К сильно сжимаемым грунтам относят торфы и заторфованные
грунты, илы, ленточные глины, насыпные грунты.
При небольшой глубине и неглубоком залегании таких грунтов
их проходят фундаментами мелкого заложения, заменяя при необ-
ходимости нижние слои песчаным, хорошо утрамбованным грун-
том. Жилые малоэтажные здания часто возводят на песчаных по-
душках, снижающих давления ни нижележащие слабые грунты.
Прибегают также к механическим и химическим мерам уплотнения
и укрепления грунтов (см. гл- III)♦
Мосты, эстакады и тому подобные сооружения, как правило,
возводят на свайных фундаментах. Сваями рекомендуется прохо-
дить всю толщу слабых грунтов и опирать их на плотные мине-
ральные грунты. Если несущая способность минеральных грунтов
мала, то возможно применение свай с уширенными нижними кон-
цами. В деревянных сваях нижние концы усиливают прирубами
(рис. XII.2). Прирубы и болтовые прикрепления их к стволу сваи
должны быть проверены расчетом на усилие
zvnp — р »
где N — усилие, действующее в нижнем конце сваи;
Гпр — площадь опирания на грунт прируба;
F — суммарная площадь опирания на грунт нижнего конца сваи.
В железобетонных сваях уширение может быть забетонировано
вместе со стволом сваи (рис. ХП.З, а) или сделано отдельно в виде
наконечника, объединяемого со сваей омоноличиванием (рис.
ХХ.З, б).
Несущую способность свай, погруженных в сильно сжимаемые
грунты, определяют пробной забивкой и статическими испытания-
ми. Для предварительных расчетов несущая способность может
быть найдена по формуле (VIII.5). При этом необходимо учиты-
вать, что в заторфованных и торфяных грунтах по стволу сваи
развиваются отрицательные силы трения, дополнительно нагружа-
ющие сваю. Торфы слабо сопротивляются горизонтальным нагруз-
кам. Поэтому сваи в торфяных грунтах приходится располагать
преимущественно наклонно и фундаменты рассчитывать без учета
заглубления плиты в грунт.
В илах и ленточных глинах происходит засасывание сваи в те-
чение 1—2 мес. В висячих сваях, опертых на сжимаемые грунты,
348
Рис. XII.2. Деревянные сваи с уши-
ренными концами:
/ — прируб; 2 — болт; 3 — свая
Рис. XI 1.3. Железобетонные сваи с
уширенными концами:
1 — раствор омонолнчнвакия; 2 — свая
силами трения после засасывания воспринимается до 95% всей
нагрузки. Статические испытания таких свай нужно проводить
после завершения консолидации грунта, когда несущая способ-
ность свай достигает наибольшего значения.
Свайные фундаменты должны быть проверены расчетом как ус-
ловные жесткие массивы (см. п. IX.4).
XII.3. ФУНДАМЕНТЫ В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ
Сооружения, расположенные в районах, подверженных землетря-
сениям, испытывают сейсмические нагрузки, на которые они дол-
жны быть рассчитаны. Сейсмические нагрузки являются нагрузка-
ми инерционными и возникают при колебаниях, вызванных земле-
тресениями. Землетрясения возникают в результате сложных гео-
логических процессов, сопровождающихся глубинными сдвигами
и перемещениями горных пород. Центр этих процессов (гипо-
центр) обычно лежит на глубине 10—50 км от поверхности земли.
Глубинные сдвиги, в той или иной степени проявляющиеся на зем-
ной поверхности, протекают в течение коротких промежутков вре-
мени и носят ударный (импульсный) характер, вызывая в толще
земной коры продольные и поперечные упругие сейсмические
349
Рис. XI 1.4. Синусоидальная кривая
сейсмических колебаний
волны колебания. Продольные
волны сжатия-растяжения вызы-
вают перемещения частиц грунта
вдоль направления движения
волны, поперечные волны сдвига
вызывают поперечные колебания.
Кроме этих основных видов волн,
при землетрясениях в верхних
слоях земли образуются поверх-
ностные волны Рэлея с хаотиче-
ским перемещением частиц грун-
та.
Скорость распространения
волн зависит от вида грунта. В
аллювиальных, насыщенных водой песках скорость продольных
еолн примерно равна 200 м/с, в сыпучих грунтах (гравий, песок) —
600—800 м/с, глинах— 1800 м/с, известняках и песчаниках—2500—
4300 м/с, кристаллических скальных породах — 5000—6000 м/с.
Скорость поперечных волн меньше продольных в 1,7—2 раза.
Достигая земной поверхности, упругие волны вызывают колеба-
тельные движения верхних слоев грунта и расположенных на них
сооружений.
Колебательные движения имеют синусоидальный характер
(рис. XII.4) и могут быть выражены формулой
\у = A sin
2л:
где у — отклонение от положения равновесия в момент времени t\
А — наибольшая амплитуда колебаний;
7’ — период колебаний.
Упругие волны распространяются из гипоцентра по концентри-
ческим сферам и на земную поверхность выходят под разными уг-
лами. В точке, лежащей на земном радиусе, проходящем через
гипоцентр (эта точка называется эпицентром), угол равен 90° и
колебания нормальны к поверхности земли, т. е. вертикальны. Все
же остальные точки колеблются под некоторым углом к земной
поверхности, и движения их могут быть разложены на нормальные
(вертикальные) и касательные (горизонтальные).
Инерционные силы, возникающие при колебаниях, равны мас-
се М тела, умноженной на ускорение со. Ускорение
dty 4л2 2л
<о=------- —------A sin ---t,
dt% Т'2 Т
Наибольшее ускорение будет при
2л
sin = ± 1.
350
Следовательно, наибольшая величина инерционной силы
е лд n ^тах Р 4Лл2
5 — AfwmaX — Р — ’ _о > (XII.3)
g g Т2
где Р — вес тела;
g — ускорение силы тяжести.
Силы S носят название сейсмических сил. Величина их, а сле-
довательно, и разрушительное действие землетрясения тем боль-
ше, чем больше амплитуда А и чем меньше период колебаний Т.
В большинстве случаев период колебаний при землетрясениях со-
ставляет 1—2 с, редко 4 с. Амплитуда колебаний зависит от вида
грунтов: в скальных породах амплитуда обычно не превышает 2—
5 мм, в рыхлых — 25 мм. При катастрофических землетрясениях
амплитуда может достигать 200—225 мм.
Сейсмические силы могут действовать в любых направлениях.
Наиболее опасны горизонтальные силы, вызывающие изгиб, опро-
кидывание и сдвиг сооружений. Вертикальные силы менее опасны,
так как они отражаются только на величине сжимающих напря-
жений, увеличивая или уменьшая их в течение короткого отрезка
времени на 20—30%» что не может привести к разрушению мате-
риала. Поэтому сейсмостойкость сооружений обычно проверяют
только на действие горизонтальных сейсмических сил. В тех слу-
чаях когда вертикальные силы велики и могут разрушить соору-
жения, вызвав растяжение и разрыв элементов конструкции (на-
пример, анкерных болтов), учет их обязателен. Учет вертикальных
сейсмических сил обязателен при проверке устойчивости опор на
опрокидывание и сдвиг.
В расчетном отношении интенсивность землетрясений харак-
теризуется коэффициентом сейсмичности кс, равным отношению
наибольшего ускорения сотах к ускорению силы тяжести g, т. е.
/ЛГТГ ЛЧ
кс =-----\ (XII.4)
g
В СССР принята 12-балльная оценка землетрясений, причем
землетрясения силой в 6 баллов и меньше не опасны для соору-
жений и могут не учитываться при их проектировании и построй-
ке. Каждому баллу соответствует свой коэффициент сейсмичности:
Балл сейсмичности............ 7
Коэффициент сейсмичности кс 0,025
Ускорение (Отах, см/с2.......10,1—25
8 9
0,05 0,1
25,1—50 50,1—101
Балльность возможных землетрясений зависит от географиче-
ского пункта. В СНиП П-А. 12-62 приведены карты сейсмического
районирования СССР и список населенных пунктов с указанием
сейсмичности в баллах. Однако в зависимости от местных условий
сила землетрясения может оказаться больше нормативной или
меньше, поэтому балл сейсмичности в каждом отдельном случае
уточняют, учитывая геологическую и гидрогеологическую обста-
новку. Сейсмическая характеристика строительной площадки в за-
351
Таблица XII.2
Сейсмичность района в баллах
Категория
грунта по
сейсмичяэсти
Грунты
7 8 9
Уточненная балльность
I Скальные, полускальные по- 6 7 8
II роды и крупнообломочные осо- бо плотные грунты при глуби- не грунтовых вод ft> 15 м Глины, суглинки, пески при 7 8 9
ft>8 м, крупнообломочные грунты при 6<ft<10 м Глины, суглинки, пески, су- песи при ft <4 м, крупнообло- мочные грунты при ft<3 м 8 9 >9
висимости от этих условий и сейсмического географического райо-
на или пункта приведена в табл. XII.2.
В сейсмическом отношении наиболее благоприятны прочные
невыветренные скальные породы и плотные маловлажные круп-
нообломочные грунты. Неблагоприятны мелкие насыщенные во-
дой пески, пластичные глинистые и макропористые грунты. При
выборе места расположения сооружений нужно избегать ущелий,
участков с обрывистыми берегами и оврагами и тем более районов
оползней, осыпей, плывунов и т. д.
По установленному баллу сейсмичности места постройки наз-
начают расчетный балл сооружения. Расчетный балл зависит от
значимости того или иного сооружения. Для мостов и труб расчет-
ная сейсмичность принимается согласно табл. ХП.З.
Особенность расчета сооружений на сейсмические воздействия
сводится к определению сейсмических сил. Рассмотрим метод оп-
ределения этих сил для расчета фундаментов и оснований массив-
ных опор.
Если деформации надфундаментной части опоры малы по срав-
нению с перемещениями основания, колебания опоры можно рас-
сматривать как колебания абсолютно жесткого тела с массой
(рис. XII.5, а):
. м — т\ 4- Ш2 4- ... — —“ -4- —“ 4- ... (ХП.5)
g g
где т2, ... — массы отдельных частей опоры с расположенными на ней про-
летными строениями и временными нагрузками;
Р2 — веса отдельных частей опоры, пролетных строений, временных
нагрузок.
Уровень, на котором расположена масса 7И, находят по фор-
муле
м
352
Колебания опоры в одной из плоскостей, например вдоль мо-
ста, могут быть разложены на вертикальные, горизонтальные и уг-
ловые. Периоды этих колебаний определяют по общей формуле
колебаний системы с одной степенью свободы
7 = 2л /^-ш=2л/ш-
(XII.7)
Для определения горизонтальных сейсмических сил, вызванных
горизонтальными и угловыми колебаниями, необходимо найти со-
ответствующие 6. Если опора расположена на фундаменте мелкого
заложения, то при горизонтальных колебаниях (рис. XII.5, б)
Ъх= (XIL8)
Здесь к — коэффициент жесткости основания;
б — перемещение массы Л4, вызванное единичной силой;
Сх — коэффициент пропорциональности упругого сдвига основания,
кгс/см3;
F — площадь подошвы фундамента, см2.
Таблица ХП.З
Сейсмичность пункта строительства в* баллах
Сооружения
Расчетная балльность
1. Большие мосты на железных и ав-
томобильных дорогах общей сети I и II
категорий, на скоростных городских до-
рогах и магистральных улицах общего-
родского значения
2. То же, III и IV категорий и на ма-
гистральных улицах районного значе-
ния, а также средние мосты на желез-
ных и автомобильных дорогах общей се-
ти I и II категорий, на скоростных го-
родских дорогах и магистральных ули-
цах общегородского значения
3. Средние мосты на железных и ав-
томобильных дорогах общей сети III и
IV категорий, на магистральных улицах
районного значения и на дорогах про-
мышленных предприятий, малые мосты,
трубы, подпорные стенки и деревянные
мосты на дорогах всех категорий
Примечания. 1. Указанные в п. 1 большие мосты в районах с сейсмичностью
9 баллов и особо ответственные большие мосты на дорогах прочих категорий в районах с
сейсмичностью 8 и 9 баллов должны возводиться с дополнительными антисейсмическими
мероприятиями по специальным проектам.
2. В тех случаях» когда разрушение перечисленных в п. 3 сооружений может быть со-
пряжено с длительным перерывом движения, расчетная сейсмичность этих сооружений
(кроме деревянных мостов) должна назначаться по п. 2.
3. Сооружения первой группы прн сейсмичности площадки строительства 9 баллов рас-
считывают иа нагрузки, соответствующие сейсмичности в 9 баллов, с введением коэффи-
циента 1,5.
353
б;
в)
Рис. XI 1.5. Схемы к расчету сейсми-
ческих воздействий
При угловых колебаниях горизонтальное перемещение бф мас-
сы находят следующим образом.
При действии на массу М силы, равной единице, в уровне по-
дошвы фундамента возникнет момент, равный Ло (рис. XII.5, в),
и подошва повернется на угол
где Сф — коэффициент пропорциональности упругого неравномерного сжатия
основания, кгс/см3;
1 — момент инерции подошвы фундамента относительно оси, нормальной
к плоскости колебаний, см4.
Искомое горизонтальное перемещение
Ьф/
(XII.9)
Подставляя в формулу (XII.7) значения б, найдем периоды
колебаний опоры (в см):
(XII. 10а)
(XII. 106)
354
Величину сейсмической силы S, приложенной к массе М, опре-
деляют по формуле
(XII. 11)
при коэффициентах динамики:
Значения коэффициентов динамики принимают не менее 0,8 и не
более 3. Для опор высотой h от поверхности грунта более 15 м ди-
намический коэффициент умножают на коэффициент условия ра-
боты mh= 1+0,03 (h—15), но не более 1,4. При расчете устоев вво-
дят коэффициент условия работы, равный 1,5.
В выражения периодов колебаний (XII. 10) входят коэффици-
енты пропорциональности грунтов оснований, характеризующие
упругие свойства грунтов при действии кратковременных нагру-
зок. Коэффициенты пропорциональности зависят не только от вида
грунтов, но и от давлений на них, а также от размеров площади
подошвы фундамента. Значения этих коэффициентов при отсутст-
вии экспериментальных данных принимают равными:
Сх~ 0,7С/, Сф—2Сг,
где Cz — кцэффициент пропорциональности при равномерном сжатии, зависящий
от расчетного сопротивления грунта:
Расчетное сопротивле-
ние грунта, кгс/см2 . . 2 3 4 5 10 250
Cz, тс/м3 .............. 400 500 600 700 30 000 1500 000
Если площадь подошвы фундамента менее 10 м2, то величина
Cz умножается нау^ 10/F (где F — площадь подошвы, м2). На со-
вместное действие силы S и остальных сил, действующих на опо-
ру, производят проверку давления на грунт и расчеты устойчиво-
сти опоры на сдвиг и опрокидывание. При расчетах, учитывающих
совместные вертикальные и горизонтальные сейсмические силы,
сейсмический коэффициент кс для вертикальных сил принимают
с понижающим коэффициентом 0,5, а для горизонтальных сил —
Таблица XII.4
Грунты основания Значения коэффициента mvr. при расчетах
прочности грунтов устойчивости на опрокидывание
Связные с Jr <0,25 и скальные породы Связные с 0,25Jr г^0,5 и плотные несвяз- ные грунты Связные с Jr >0,5 и несвязные средней плотно- сти, а также пылеватые плотные и средней плот- ности пески 1,2 1,0 0,7 0,75 0,55 0,4
355
0,9. Кратковременность действия сейсмических сил и их ударный
характер учитывают коэффициентом условия работы /Пкр, значе-
ния которого приведены в табл. XII.4. При расчете на плоский
сдвиг вводится коэффициент условия работы 0,75 независимо от
вида грунтов основания.
При других видах фундаментов (фундаменты из опускных ко-
лодцев, из оболочек, свайные и пр.) расчет ведут по аналогии
с изложенным, но значения и 5^ определяют из соответствую-
щих расчетов данного вида фундамента. Если опору нельзя счи-
тать абсолютно жесткой, то ее проверяют на сейсмичность по об-
щим методам динамики сооружений, как систему с одной или
двумя (еще реже тремя) степенями свободы.
При расчете искусственных сооружений на сейсмическую на-
грузку учитывают постоянную нормативную нагрузку без учета
гидростатического давления- Временную подвижную нагрузку (ав-
томобили и толпа) учитывают с коэффициентом перегрузки, но без
динамического коэффициента; при этом вводят коэффициент 0,7.
Воздействие подвижной временной нагрузки учитывают как в вер-
тикальном (вес автомобилей), так и в горизонтальном (тормозные
силы, боковые удары и пр.) направлениях с введением соответст-
вующих коэффициентов перегрузок.
При расчете опор, воспринимающих горизонтальное давление
грунта (например, устоев), величины сейсмических давлений сы-
пучего грунта определяют по формулам:
активное давление
= (1 +2тсс tg<p)pa;
пассивное давление
q = УзО — 2xrc tg <p) pn,
где pa, рп — активное и пассивное давление грунта без учета сейсмического воз-
действия;
ср — расчетный угол внутреннего трения грунта.
Для повышения сейсмостойкости мостов их опоры нужно осно-
вывать на коренных породах. Фундаменты должны иметь жесткую,
желательно массивную конструкцию. Фундаменты с плитой, рас-
положенной вне грунта, разрешается выполнять только с наклон-
ными сваями как вдоль, так и поперек моста.
Глава XIII ФУНДАМЕНТЫ
НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
XIII.1. ОСОБЕННОСТИ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Мерзлыми называют все виды грунтов с отрицательной тем-
пературой, минеральные частицы которых сцементированы льдом.
Грунты, имеющие отрицательную температуру, но не содержа-
щие льда, называют морозными.
Строительные свойства морозных грунтов — сухих песков,
скальных пород и т. п. — мало отличаются ют аналогичных грунтов
с положительной температурой, и фундаменты на них возводят
обычными способами.
В зависимости от времени, в течение которого мерзлые грунты
находятся в замерзшем состоянии, их принято называть сезон-
номерзлыми и многолетнемерзлыми или вечномерзлыми.
Сезонномерзлые грунты периодически меняют свое состояние:
в теплое время года они оттаивают, а в холодное замерзают. Веч-
номерзлые грунты независимо от времени года находятся в за-
мерзшем состоянии в течение нескольких десятков и более лет,
оставаясь мерзлыми на всем протяжении срока службы зданий и
сооружений. Если грунты по тем или иным причинам, обычно слу-
чайным, не успевают оттаять в летний период и сохраняют отри-
цательную температуру два-три года, то их называют перелет-
ками.
Формирование вечномерзлых грунтов относится к ледниковому
и послеледниковому периодам. Они занимают около 24% суши
земного шара. В СССР они распространены в северных и северо-
восточных районах и занимают более 10,5 млн. км2, что составляет
около 47% всей территории страны.
По своему строению вечномерзлая толща может быть непре-
рывной (рис. XIII. 1, а) или слоистой (рис. XIII.1, в), если
слои мерзлого грунта перемежаются с прослойками талого; рас-
пространение мерзлоты может быть сплошным, а также в виде
отдельных линз, окруженных талым грунтом; в сплошной мерз-
лоте могут встречаться острова талого грунта (рис. XIII.1,6).
Верхний слой грунта в районах вечной мерзлоты, оттаивающий
летом и замерзающий зимой, носит название деятельного
слоя. Деятельный слой в зимний период может достигать верх-
него уровня вечной мерзлоты и сливаться с ней (см. рис. XIII.1 а);
такая мерзлота носит название сливающейся. Наряду со сливаю-
щейся мерзлотой встречается мерзлота несливающаяся, когда меж-
ду вечной мерзлотой и деятельным слоем в период наибольшего
его промерзания остается слой талого грунта (см. рис. XIII.1,6).
В первом случае толщина деятельного слоя определяется глуби-
357
Рис. XIII.2. График экстремальных
температур вечномерзлых грунтов
Рис. XIII. 1. Схемы строения вечно-
мерзлых грунтов:
1 — вечномерзлый грунт; 2 — деятельный
слой: 3 — граница вечной мерзлоты; 4 —
талый грунт
ной летнего оттаивания, во втором случае — глубиной
зимнего промерзания.
Мощность деятельного слоя зависит от многих причин.
Ориентировочные значения толщин деятельного слоя в зависи-
мости от вида грунтов и географического района приведены
в табл. XIII.1.
Глубина сезонного оттаивания и промерзания в большей сте-
пени определяется местными условиями: видом и структурой грун-
тов, растительным и снеговым покровом, ориентацией по отноше-
нию к солнечным лучам, степенью затененности, температурным
режимом эксплуатируемых сооружений и т. д. Наибольшая тол-
щина деятельного слоя наблюдается в песчаных грунтах, наимень-
шая— в торфяных; глинистые грунты промерзают несколько мень-
ше песчаных. Значительно влияет на промерзание влажность грун-
тов, причем более влажные грунты промерзают на меньшую глу-
бину.
Густой растительный покров — моховой, травянистый, кустар-
никовый— защищает грунты от воздействия солнечных лучей, сох-
раняет влагу и тем самым уменьшает глубину их оттаивания в ве-
сенне-летние периоды. В особенности велико влияние мохового по-
крова; мох способствует задерживанию воды, на оттаивание ко-
торой в замерзшем состоянии затрачивается большое количество
тепловой энергии. Так, на одной строительной площадке после уда-
ления мохового покрова глубина летнего оттаивания грунтов уве-
личилась с 40 до 150 см. Снежный покров тоже уменьшает глубину
сезонного оттаивания грунта, так как на таяние снега затрачива-
ется много тепла весенне-летнего периода.
На северных склонах, а также в затененных местах при прочих
одинаковых условиях мощность деятельного слоя всегда меньше.
Русла крупных и средних рек и водоемов в районах распро-
странения вечной мерзлоты сложены на большую глубину талыми
грунтами. Мелкие реки и периодические водотоки зимой промер-
358
Таблица XIII.1
Толщина деятельного слоя, м
Район распространения мерзлоты
Песчаный грунт Глинистый грунт
На побережье Северного Ледовитого
океана
Севернее 55-й параллели
Южнее » »
0,7—1,5
1,5—2,3
1,8-3
зают до дна, и их русла на той или иной глубине подстилаются
вечномерзлым грунтом.
Снизу вечную мерзлоту подстилают талые грунты. Мощность
слоя вечномерзлых грунтов составляет от нескольких метров в юж-
ных районах до сотен метров в северных; на Крайнем Севере тол-
ща мерзлоты составляет более 500 м.
Температура верхних слоев грунта не остается постоянной.
В пределах деятельного слоя (рис. XIII.2) она отрицательна в зим-
ний период и положительна летом. На уровне верхней границы
вечной мерзлоты (на глубине наибольшего оттаивания) и ниже,
до глубины 10—15 м, она также изменяется сезонно, но остается
отрицательной. В более глубоких слоях сезонные колебания отсут-
ствуют и температура повышается в соответствии с геотермическим
градиентом, равным 0,02—0,35° С/м. Температура грунта на уровне
так называемых нулевых годовых амплитуд зависит от географи-
ческой широты местности и колеблется от 0°С в южных районах
до —16° С в северных. Для практических расчетов глубина слоя
вечномерзлого грунта с нулевыми годовыми амплитудами прини-
мается равной 10 м. На этой глубине температура колеблется
столь мало, что изменение ее не имеет практического значения.
Температура грунтов вблизи верхней границы вечной мерзло-
ты близка к 0° С и редко снижается ниже —4, —5° С.
Напластование грунтов в районах вечной мерзлоты крайне раз-
нообразно. Наряду с четвертичными отложениями, представлен-
ными обычно пылеватыми супесями, суглинками, мелкозернистыми
песками, встречаются слои гравия и гальки, крупнозернистых пес-
ков, глин нередко с включением валунов и пр. Часто наблюдается
нарушение в залегании пород—переслаивание различных видов
грунта, выклинивание пластов и т. д.
Гидрология вечномерзлых грунтов характерна тремя видами
грунтовых вод: надмерзлотными, межмерзлотнымп и
подмерзлотными. Надмерзлотные воды расположены в тол-
ще деятельного слоя. Так как мерзлый грунт практически водоне-
проницаем, то грунты деятельного слоя отличаются значительной
влажностью и часто переувлажнены. Межмерзлотные воды, нахо-
дящиеся в толще вечной мерзлоты, могут быть в жидком и твер-
дом состоянии. Они питаются или атмосферными осадками или
напорной подмерзлотной водой. Вода в жидком состоянии протека-
359
a)
б)
6)
Рис. XIII.3, Текстуры вечномерзлых грунтов
ет по талым жилам. Лед залегает в виде отдельных кристаллов,
тонких прослоек, линз. Слои чистого льда могут достигать толщи-
ны 10—20 м и более и простираться на несколько десятков квад-
ратных метров.
Основной фактор, определяющий свойства мерзлых грунтов,—•
образование в них ледяных связей между минеральными части-
цами. От количества и температуры замерзшей воды непосредст-
венно зависят такие характеристики, как прочность, деформатив-
ность, теплоемкость и другие физико-технические показатели.
Расположение замерзшей воды в грунте определяет криоген-
ную текстуру грунта. В природе встречается массивная текстура
(рис. ХШ.З, а), когда лед равномерно заполняет поры грунта,
слоистая (рис. ХШ.З, б), при которой лед расположен в виде линз
и прослоек, ориентированных в одном направлении, и сетчатая
(рис. ХШ.З, в), характеризуемая ледяными включениями различ-
ной ориентации. Между включениями чистого льда располагается
массивная текстура мерзлого грунта. В скальных породах лед за-
полняет только трещины.
Исследованиями установлено, что в мерзлых грунтах количе-
ство воды, перешедшей в лед, зависит от вида грунта и величины
отрицательной температуры.
В чистых песках вода замерзает почти полностью при темпе-
ратуре 0°С: количество незамерзшей воды составляет всего лишь
0,2—2%, что практического значения не имеет.
Замерзание воды в глинистых грунтах протекает иначе. Снача-
ла при температуре от —0,2 до —0,4° С для глин пластичной кон-
систенции и от —0,6 до —1,2^6 для глин твердой консистенции
в лед переходит только свободная вода. При дальнейшем пониже-
нии температуры до —20° С, а для некоторых глин до —30° С за-
мерзает рыхлосвязная вода. Прочносвязная вода замерзает при
еще более низких температурах. Таким образом, в мерзлых гли-
нистых грунтах всегда присутствует незаМерзшая вода, количество
которой в зависимости от температуры составляет от 4 до 40—
50%.
Количество незамерзшей воды определяют опытным путем ка-
лориметрическим методом. Для ориентировочных расчетов при не-
засоленных грунтах можно пользоваться зависимостью
(XIII. 1а)
360
Таблица XIII.2
Г рунты Число пластичности УР Значения при температуре грунта, ®С
—0,3 —0,5 —1 —2 —4 -10
Крупнообломочные, пески, супеси Jp<0,02 0 0 0 0 0 . 0
Супеси 0,02<Jp<0,07 0,6 0,5 0,4 0,35 0,30 0,25
Суглинки 0,07<Jp<0,13 0,7 0,65 0,6 0,5 0,45 0,40
» 0,13</р<0,17 н 0,75 0,65 0,55 0,50 0,45
Глины Jp>0,17 н 0,95 0,90 0,65 0,60 0,55
Примечание. Буква н обозначает, что вся
вода в порах не
замерзшая.
Суммарная влажность, т. е. отношение веса всех видов воды
к весу скелета грунта,
Жс = Жв 4- Жг = Жв + Жц + Жн. (XIII. 16)
Здесь Жн — влажность грунта за счет незамерзшей воды;
Жр — влажность грунта на границе раскатывания;
Kw —коэффициент, принимаемый по табл. XIII.2;
Жв— влажность за счет ледяных включений (линз, прослоек), опреде-
ляемая по замерам прослоек льда или по формуле (XIII.16),
если известны Жс, Жц и Жн;
Жг — влажность грунта между ледяными включениями;
Жц — влажность за счет цементирующего порового льда.
Количество льда в грунте характеризуете^ относительной льди-
стостью io, равной отношению веса льда к весу всей воды, т. е.
Чем меньше относительная льдистость, тем больше в грунте не-
замерзшей воды и тем пластичнее грунт.
Мерзлый грунт характеризуется также льдистостью Лв — ко-
личеством ледяных включений. Льдистость определяют по фор-
муле
Уг^в
Ул + Yr О^с — О, 1^н)
(XIII. 1 в)
где уг — удельный вес частиц грунта, кгс/см3;
Ул — удельный вес льда, принимаемый равным 0,0009 кгс/см3.
Так, например, если Лв=0,2, то в грунте на каждый метр его
толщины содержится 20 см прослоек льда.
При замерзании грунтов их влажность перераспределяется;
вода подсасывается замерзающими слоями. Это явление, называе-
мое миграцией влаги, сказывается в переувлажнении верхних сло-
ев вечной мерзлоты, влажность которых вблизи верхней границы
361
нередко составляет 100—150%- Важное значение в вопросах уст-
ройства фундаментов имеет морозное пучение грунтов. Морозное
пучение грунтов объясняется увеличением объема 'воды при за-
мерзании, которое составляет около 9%. В результате миграции
количество замерзающей воды возрастает, что, в свою очередь,
увеличивает пучение.
Условия замерзания деятельного слоя в районах вечной мерз-
лоты аналогичны замерзанию грунта в сосуде. Некоторый элемен-
тарный объем грунта, расположенный на границе зимнего промер-
зания, может увеличиться в объеме только поднимая вверх выше-
лежащую часть грунта, так как с боков на него давят такие же
элементарные объемы, а снизу расположены малосжимаемые, во-
донепроницаемые, вечномерзлые грунты. Таким образом, при про-
мерзании деятельного слоя происходит поднятие поверхности зем-
ли, которое в зависимости от ряда случайных причин (например,
неравномерной влажности, различной теплопроводности отдель-
ных участков и т. д.) будет не везде одинаковым, сосредоточиваясь
в отдельных местах.
Наиболее пучинисты мелкозернистые пылеватые супеси и су-
глинки; пучение их может достигать десятков процентов. Глини-
стые грунты тоже характеризуются значительным пучением, которое
происходит в течение длительного времени по мере постепенного
замерзания поровой воды при понижении температуры. Наименее
подвержены пучению песчаные грунты. Крупнообломочные поро-
ды не пучатся.
Силы морозного пучения настолько велики, что при прочном
смерзании грунта с поверхностью фундамента они могут поднять
расположенное на нем сооружение. Пучение опор часто наблюда-
ется в деревянных мостах, которые при неблагоприятных условиях
в течение короткого времени могут стать непроезжими.
Тяжелые каменные и бетонные опоры реже подвергаются вы-
пучиванию, однако при соответствующих условиях и они могут
получить существенные перемещения. На рис. XIII.4, а показана
схема быка железнодорожного моста с пролетами по 10,67 м, ко-
торый силами морозного пучения за 15 лет (с 1913 по 1928 г.) был
поднят на 1,28 м. Подошва фундамента была заложена на вечно-
мерзлых грунтах на глубине 2,4 м от поверхности земли; толщина
деятельного слоя составляла 1,7 м. Деформации пучения проис-
ходили ежегодно, причем поднятый за зиму бык летом садился на
значительно меньшую величину.
Если нижняя часть фундамента прочно заделана в мерзлый
грунт, то возможен разрыв кладки (рис. XIII.4,б), что также на-
блюдалось на ряде мостов.
При неравномерном промерзании грунтов могут возникнуть го-
ризонтальные силы, вызывающие сдвиг, а иногда и срез фунда-
мента.
Глубина сезонного протаивания зависит от многих фак-
торов. Изысканиями на строительной площадке определяют есте-
ственную глубину сезонного протаивания в период гидрогеологи-
362
б)
Рис. XIII.4. Схемы деформаций опор силами морозного пучения:
/ — деятельный слой; 2 — вечная мерзлота; 3 — сквозная трещина в фундаменте; ПВ — тто-
дошва выпученного фундамента
ческих работ. Максимальную глубину протаивания, называемую
нормативной, с наибольшей достоверностью находят путем дли-
тельных наблюдений (в течение не менее 10 лет) за фактическим
оттаиванием грунтов без растительного и снежного покрова. Эти
наблюдения ведутся на специальных мерзлотных станциях. При
отсутствии многолетних наблюдений нормативная глубина протаи-
вания может быть определена теплотехническом расчетом, приве-
денным в СНиП П-18-76 «Основания и фундаменты зданий и со-
оружений в вечномерзлых грунтах».
Расчетную глубину сезонного протаивания, учитывающую есте-
ственный покров и тепловое влияние сооружения, находят по фор-
муле
Нт=т]Н*, (ХШ.2)
где — нормативная глубина сезонного протаивания;
т] — коэффициент теплового влияния сооружения.
Для мостовых опор коэффициент т} принимают в зависимости
от вида фундамента:
Массивные промежуточные опоры на фундаментах мелкого
заложения и свайных с плитой, заглубленной в грунт, при
ширине опоры по фасаду от 2 до 4 м....................... 1,3
То же, при ширине 4 м и более.................... 1,5
Фундаменты мелкого заложения рамно-стоечных опор,' столб-
чатые опоры, свайные с плитой без заглубления в грунт . . 1,2
Обсыпные устои всех типов........................ 1,0
Прочность и деформативность мерзлых грунтов зависят от мно-
гих факторов и прежде всего от вида и влажности грунта, его тем-
пературы и времени действия на грунт внешних сил.
По сжимаемости вечномерзлые грунты разделяются на твердо-
мерзлые и пластичномерзлые. Коэффициент сжимаемости твердо-
13* 363
мерзлых прочно сцементированных льдом грунтов не превышает
0,001 см2/кгс. К твердомерзлым грунтам относятся:
Крупиообломочные грунты, если их температура - . . .
То же, крупные и средней крупности пески..........
» мелкие и пылеватые пески......................
» супеси........................................
» суглинки......................................
» глины..................................... . .
<о°с
<—0,1° С
<—0,3° С
<—0,6° С
<—1,0° С
<—1,5° С
Пластичномерзлые грунты вследствие наличия в них значитель-
ного количества незамерзшей воды и пластичности льда обладают
вязкостью и их коэффициент сжимаемости составляет более
0,001 см2/кгс. К пластичномерзлым грунтам относятся глинистые
и песчаные грунты со степенью заполнения пор водой в жидком
и твердом состоянии G^0,8, если их температура находится в пре-
делах от 0° до значений, указанных для твердомерзлых грунтов.
Степень заполнения пор незамерзшей водой и льдом находят по
формуле
Yr (1 > 1^с Ч~ ^м)
^mYw
(ХШ.З)
где ем — коэффициент пористости мерзлого грунта;
Yw — удельный вес воды, равный 0,001 кгс/см3.
Прочность мерзлых грунтов зависит от связей между частица-
ми грунта, создаваемых льдом, заключенным в порах. Лед пред-
ставляет собой пластичновязкое тело и обладает незатухающей
ползучестью при любой нагрузке и температуре.
. Мерзлые грунты также обладают ползучестью, но их ползу-
честь затухающая и при ограниченной величине внешнего давле-
ния она не проявляется. Давление, при котором ползучесть отсут-
ствует, называется длительной прочностью мерзлого грунта.
При долговременном действии нагрузок прочностные свойства
мерзлого грунта значительно (в 5—10 раз, а при некоторых усло-
виях и более) меньше, чем при кратковременных воздействиях.
С понижением температуры прочность увеличивается. Прочность
возрастает с увеличением влажности грунта, однако до некоторо-
го предела льдонасыщения, после которого она снижается. На
снижение прочности большое влияние оказывает количество льдо-
включений. Во всех случаях мерзлый грунт значительно прочнее та-
кого же грунта в талом состоянии.
Длительная прочность определяется испытанием в течение не-
скольких часов образцов грунта в морозильных камерах шарико-
вым штампом (по Н. А. Цытовичу).
Для расчета фундаментов необходимо знать значение длитель-
ной прочности мерзлых грунтов на сжатие R (под подошвой фунда-
ментов, столбов и нижних концов свай) и сопротивления грунта
сдвигу /?см и Ясд. Для незасоленных грунтов эти сопротивления
приведены в табл. ХШ.З и XIII.4. При кратковременном действии
нагрузок сопротивления мерзлого грунта возрастают. Для мостов
при расчетах с учетом временных подвижных нагрузок указанные
364
Таблица XIII.3
Грунты
Расчетные сопротивления /?, кгс/см®, при температуре грунта ,С®
—0,3 -0,5 —1 -1,5 —2 -2,5 —3 —3,5 —4 —6 -8 —10
При льдистости Лв<0,2
Крупнообломочные и 5,5 9,5 12,5 14,5 16 18 19,5 20 22 26 29,533
пески крупные и средней крупности Пески мелкие и пыле- 4,5 9 11 13 14 16 17 18 22 25,5 28,5
ватые Супеси 3 5 7 8 10,5 11,5 13 14 15 19 22,525
Суглинки и глины 2,5 4,5 5,5 6,5 8 9 10 11 12 15,519 22
При льдистости Лв>0,2
Все виды указанных 2
грунтов
9,512,515,517,5
3
Таблица XIII.4
Грунты Температура грунта, °C
—0,3 —0,5 —1 -Ь5 —2 -2,5 —3 -3,5 —4 —6 —8 —10
Расчетные сопротивления R и кгс/смя СМ ** д
Песчаные Глинистые 0,5 0,8 0.4 0,5 0,8 1,2 0,6 0,8 1.3 1,7 1 1.2 1.6 2,1 1.3 1.5 2 2,4 1.5 1,7 2,3 2,7 1.8 1.9 2,6 3 2 2,1 ND I ND ОО I ND ОО I СО ND ICO 3,3 3,4 2,5 2,5 ОО СМ 1 * - со со со 1 1 4.4 4,8 3,4 3,4 5 5,4 3,8 3,8
Примечание. В числителе приведены расчетные сопротивления /?см мерзлых грун-
тов и грунтовых растворов сдвигу по поверхности смерзания с бетонными и деревянными
поверхностями, в знаменателе — расчетные сопротивления /?сд мерзлых грунтов и грунто-
вых растворов сдвигу по грунту нли грунтовому раствору.
в табл. ХШ.З и XIII.4 значения 7?, 7?См и 7?Сд принимают с повы-
шающим коэффициентом кв=1»75 для автодорожных мостов и
кв=1,3 для железнодорожных.
Сопротивления мерзлого грунта сжатию и сдвигу зависят от
температуры грунта на рассматриваемом уровне, максимальные
значения которой устанавливают натурными наблюдениями. При
отсутствии натурных наблюдений максимальная температура мер-
злого грунта /мз на глубине z от верхней границы вечной мерзлоты
может быть определена по формуле
/мз= (*о- *и.з)а*/ + *и.з, (XIII.4)
365
Таблица XIIL5
Глубина от верхней границы вечной мерз- лоты, м Значения коэффициентов для грунтов, при Глубина оТ верхней границы вечной мерз- лоты, м Значения коэффициентов для грунтов, при
/р<0,05 /p>O,OS /р<0,05 /р>0,05
ам °м az °м az ®м az
0 0 0 0 0 5 0,80 0,99 0,83 1,02
1 0,28 0,32 0,31 0,36 6 0,87 1,05 0,89 1,06
2 0,50 0,58 0,52 0,63 8 0,92 1,0 0,94 1,07
3 0,63 0,80 0,66 0,84 10 1,0 1,0 1,0 1,0
4 0,72 0,91 0,76 0,96
Таблица XIII.6
Вид конструкций Значения при
z=2 м 2<z<6 м z>6 м
Фундаменты массивных опор 0,7 0,9 1
Опоры рамно-стоечные и свайные фундаменты без заглубления плиты в грунт 0,9 1 1
Обсыпные устои 1 1 1
где /о — температура грунта на уровне нулевых амплитуд сезонных колебаний
(иа глубине 1(>—15 м), °C;
/и.з — температура начала замерзания грунтов, °C;
а — коэффициент, зависящий от теплофизических свойств грунтов и глу-
бины;
Kt — коэффициент, зависящий от теплового влияния сооружения.
Для незасоленных грунтов со степенью заполнения пор неза-
мерзшей водой и льдом G^0,8 можно принимать fH3=0. Коэффи*
циент а, приведенный в табл. XIII.5, принимается равным ам при
расчете максимальной температуры под подошвой фундамента
мелкого заложения и равным при расчете температуры по бо-
ковой поверхности сваи. Значения коэффициента для опор мос-
тов приведены в табл. XIII.6.
XIII.2. КОНСТРУКЦИЯ ФУНДАМЕНТОВ
НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
Практикой строительства выработано два принципа использова-
ния вечномерзлых грунтов в качестве оснований фундаментов —
вечномерзлые грунты используются в мерзлом состоянии в течение
всего срока службы сооружения (первый принцип) ив от-
таявшем или оттаивающем состоянии (второй принцип).
366
Возможность использования грунтов в том или ином состоянии за-
висит от многих факторов и прежде всего от температуры грунтов
и тепловыделения возводимого сооружения.
В твердомерзлых грунтах фундаменты опор мостов возводят по
первому принципу, сохраняя вечную мерзлоту под подошвой фун-
дамента. Любые твердомерзлые грунты с льдистостью Лв<0,2
представляют собой вполне надежное, малосжимаемое основание.
При большей льдистости, а тем более при залегании под подошвой
фундамента подземных льдов возможно развитие пластических
деформаций (осадок) опор. Такие грунты нужно фундаментами
проходить.
При сооружении опор с использованием грунтов по первому
принципу основное внимание должно быть обращено на сохране-
ние грунтов основания в мерзлом состоянии.
Пластичномерзлые грунты, имеющие температуру, близкую
к 0°С, в основаниях опор мостов используют исходя из второго
принципа в предположении полного их оттаивания. В этих усло-
виях фундаменты должны быть заложены на грунтах, малосжи-
маемых в оттаивающем и оттаявшем состоянии. К таким грунтам
относятся скальные породы, крупнообломочные отложения, плот-
ные пески, твердые и полутвердые глины и суглинки.
На повышение отрицательных температур грунтов в основа-
ниях фундаментов и возможность их оттаивания большое влияние
оказывает массивность фундаментов и надфундаментных частей
опор. Несмотря на то, что источником тепла для опор служат пре-
имущественно солнечные лучи, повышение максимальных темпе-
ратур грунтов в летний период возможно вследствие большой теп-
лопроводности материала опор (бетона). Поэтому в районах рас-
пространения вечной мерзлоты опоры средних и малых мостов, пу-
тепроводов и эстакад нужно проектировать из возможно меньше-
го числа массивных элементов. К таким конструкциям относятся
стоечные опоры с фундаментными подушками мелкого заложения
и надфундаментной частью из небольшого числа стоек, объединен-
ных вверху ригелем для опирания пролетных строений, а также
свайно-стоечные. Массивные монолитные или сборномонолитные
конструкции в этих климатических условиях не обеспечивают не-
обходимой надежности. Массивные конструкции могут быть при-
менены в русловых опорах постоянных водотоков, в русле которых
вечная мерзлота, как правило, отсутствует.
Фундаменты должны быть сборными, из заранее изготовленных
элементов с минимальным объемом бетонных работ по омоноли-
чиванию.
Для предупреждения возможности выпучивания фундаментов
силами морозного пучения нужно по возможности увеличивать
нагрузку на фундамент, заанкеровывать фундамент в толще грун-
тов, залегающих ниже деятельного слоя, в том числе и вечномерз-
лые грунты, а также применять конструктивные меры, снижающие
смерзание грунтов деятельного слоя с поверхностью фундамента
и уменьшающие силы морозного пучения.
367
Нагрузка на фундамент может быть увеличена разбивкой мо-
ста на меньшее число пролетов, перекрытых тяжелыми пролетны-
ми строениями, например железобетонными.
Заанкерование фундаментов мелкого заложения в толще грун-
тов возможно в северных районах с небольшой мощностью дея-
тельного слоя и неглубоким залеганием верхней границы вечной
мерзлоты. При большой глубине зимнего промерзания грунтов и
глубоком залегании верхней границы вечной мерзлоты заанкеро-
вание фундаментных подушек требует разработки глубоких кот-
лованов, что значительно усложняет и удорожает строительство.
Наиболее рациональны в этом отношении свайные фундаменты»
в которых сваи всегда можно погрузить на необходимую глубину.
К конструктивным мерам относятся покрытия в пределах дея-
тельного слоя поверхностей фундаментов специальными полимер-
ными обмазками, слабосмерзающимися с грунтом, и уменьшение
площади смерзания. Последнее достигается применением стоечных
опор с заглубленными фундаментными подушками, а также свай-
ных фундаментов с возможно меньшим числом свай. Для уменьше-
ния площади смерзания рекомендуется стойки и сваи делать
с круглым или многоугольным поперечным сечением.
К вспомогательным мерам защиты грунтов от оттаивания и
промерзания относятся сохранение растительного покрова (тра-
вяного, кустарникового, мохового) у опор мостов, а у опор путе-
проводов и эстакад мощение прилегающей территории, устройство
отмосток и асфальтовых покрытий, предохраняющих грунты от
увлажнения теплыми поверхностными водами.
При устройстве фундаментов мелкого заложения с непосред-
ственным опиранием на грунт нужно применять фундаментные
подушки, надежно соединяя с ними стойки опоры электросваркой
закладных частей.
Исходя из сохранения устойчивых отрицательных температур
грунтов, используемых по первому принципу, минимальная глуби-
на заложения фундаментных подушек должна превышать толщину
деятельного слоя не менее чем на 1 м. При несливающейся мерз-
лоте фундамент нужно заглублять не менее 1 м ниже уровня верх-
ней границы вечномерзлых грунтов.
Пример сборной опоры под железобетонное пролетное строение
автодорожного моста приведен на рис. XIII.5, а. Опора состоит из
двух железобетонных стоек шестигранного сечения и ригеля, на
которой установлены железобетонные балки. Стойки опираются на
железобетонные раздельные фундаментные подушки. Подушки за-
ложены в вечномерзлый грунт; под их подошвой уложен слой
щебня, толщиной 20 см. Пазухи котлована заполнены тщательно
утрамбованным местным талым грунтом. Объединение стоек
с фундаментными подушками (рис. XIII.5, б) выполнено сваркой
арматуры, выпущенной из тела подушек, со стальными закладны-
ми частями в стойках. Стыки обетонированы по арматурной сетке.
В современном строительстве в районах вечной мерзлоты, ос-
новываясь на опыте постройки мостов на Байкало-Амурской же-
368
лезнодорожной магистрали, чаще прибегают к устройству свайных
фундаментов. Плиту свайного фундамента рекомендуется не за-
глублять в грунт, а располагать выше поверхности грунта не ме-
нее 1 м (для обсыпных устоев — 0,5 м). Этим обеспечивается ми-
нимальное поступление тепла в грунт и сохранение его в мерзлом
состоянии, а также уменьшается возможность выпучивания фун-
дамента. Если заглубление плиты необходимо, например па водо-
токах с перемещающимися донными отложениями, истирающими
сваи, то низ плиты должен располагаться ниже наибольшей глу-
бины сезонного оттаивания — промерзания не менее 0,25 м.
Тип свай нужно применять с учетом температуры и состава
грунтов.
Забивные сваи с заостренным нижним концом удается по-
грузить в пластичномерзлые связные грунты без крупнообломоч-
ных включений с температурой не ниже: для супесей — 0,5° С, су-
глинков — 0,8° С/гл ин — 1,2° С.
При несвязных мерзлых грунтах, а также связных с более низ-
кой температурой и крупнообломочными включениями, в которые
забивка свай невозможна, приходится прибегать к бурозабивным
сваям, бурообсадным полым сваям и сваям-оболочкам, буроспуск-
ным сваям-столбам и опускным сваям.
Бурозабивные сваи (рис. XIII.6,а) погружают в грунт за-
бивкой в пробуренные лидерные скважины, диаметр которых на
I—2 см меньше наименьшего размера поперечного сечения сваи.
Рис. XII 1.5. Конструкция сборной стоечной опоры автодорожного моста и деталь
объединения стойки с фундаментной подушкой:
1 — деятельный слой (супесь); 2 — глина с включением щебня; 3—мергель с прослойками
льда; 4—насадка; 5 — стойка; 6 — фундаментная подушка; 7 — слой* щебня; 8— закладные
стальные полосы; 9 — арматурные выпуски
369
Рис. XIII.6. Виды свай в вечномерзлых грунтах:
/ — сплошная свая; 2 —скважина; 3 — свая-оболочка; 3— столб; 5 —раствор заполнения;
6 — оттаявший грунт
Такие сваи применяют при пластичномерзлых грунтах, когда за-
бить сваи без лидерной скважины оказывается невозможным. Бу-
розабивной способ погружения свай в наименьшей степени нару-
шает естественное строение грунтов и несколько уплотняет их, что
увеличивает несущую способность свай по грунту.
Бурообсадные полые сваи и сваи-оболочки (рис. XIIL6,6}
применяют, когда бурение лидерной скважины осложняется нали-
чием грунтовых вод или прослойками талых грунтов. В этом слу-
чае разбуривание забоя ведется через полость сваи, которая перио-
дически по мере углубления скважины осаживаются забивкой.
По опыту погружения бурозабивные и бурообсадные сваи и
оболочки применимы в грунтах с характеристиками, приведенны-
ми в табл. XIII.7.
Таблица XIIL7
Грунт Температура грунта при погружении свай, °C Содержание крупнообломоч- ных включений, %
Пылеватые пески >—0,3 <20
Супеси >—0,5 20—30
» От —0,5 до —0,8 «20
Суглинки >-0,8 20—30
» От —0,8 до —1,0 <20
Глины >—1,0 . 20—30
» От —1,0 до —1,5 <20
370
Буроопускные сваи-столбы (рис. ХШД'в) применяют,
когда погружение свай в лидерных скважинах диаметром, мень-
шим или равным наименьшему размеру сваи, невозможно. В этих
случаях заранее изготовленные сваи-столбы сплошного сечения
с плоским нижним концом погружают в предварительно разбурен-
ные скважины диаметром на 5—20 см большим диаметра столба.
Буроопускной способ применяют в твердомерзлых грунтах, в пла-
стичномерзлых с большим содержанием твердообломочных вклю-
чений, а также при забуривании свай в скальные породы.
Опускные сваи (рис. XIII.6,г) погружают с оттаиванием
твердомерзлых грунтов, содержащих не более 15% крупнообло-
мочных включений. Диаметр зоны оттаивания принимают не бо-
ле двух наибольших размеров поперечного сечения свай. Этот спо-
соб имеет ограниченное применение, так как при нем нарушается
температурный режим грунтов и на его восстановление, а также
на смерзание свай с грунтом требуется значительное время. Кро-
ме этого, твердые включения в оттаявшем грунте тонут, скаплива-
ются внизу и препятствуют погружению сваи.
Из различных видов свай в условиях вечной мерзлоты наиболь-
шее применение получили сваи и столбы сплошного поперечного
сечения. Пустотелые сваи и сваи-оболочки хотя и имеют меньшую
массу и при их использовании требуются краны и другое обору-
дование меньшей грузоподъемности, однако их необходимо запол-
нять бетонной смесью, укладка которой в осенне-зимний период
в условиях низких температур затруднена и сопряжена с допол-
нительными затратами материальных и денежных средств.
К конструкциям свай предъявляются более жесткие требования.
Так, марка бетона свай должна быть не менее 300. Бетон заполне-
ния пустотелых свай и свай-оболочек принимают марки не менее
200, а в пределах деятельного слоя — 300. Учитывая растяжение
свай силами морозного пучения, увеличивают и армирование свай.
Как показывают наблюдения, кустовое расположение свай с не-
большими расстояниями между ними может привести к существен-
ному потеплению грунтов. Поэтому, проектируя свайный фунда-
мент, нужно по возможности применять меньшее число свай, рас-
полагая их как можно дальше друг от друга.
Согласно СНиП II-18-76, наименьшее расстояние между осями
свай принимаются равными: для буроопускных и бурообсадных
свай — не менее двух диаметров скважины при ее диаметре, равном
или меньшем 1 м и не .менее диаметра скважины плюс 1 м при ее
диаметре более 1 м; для опускных и бурозабивных свай — не ме-
нее трех диаметров сваи.
Глубина погружения свай всех видов ниже толщи деятельного
слоя должна быть не менее 4 м. Сваи (столбы) должны быть на-
дежно заделаны в грунте. Для этого зазоры между сваями и по-
верхностью скважин заполняют цементно-песчаным или грунто-
вым раствором. В скальных породах зазоры заполняют цементно-
песчаным раствором марки 100—200, а в нескальных мерзлых
грунтах — марки 50—100. Раствор должен быть подвижным,
371
с осадкой стандартного конуса не менее 10—13 см. В грунтах, ис-
пользуемых по первому принципу, зазоры можно заполнять водо-
насыщенным песком с виброуплотнением. В пределах деятельного
слоя зазоры заполняют местным грунтом с тщательным уплотне-
нием.
Для противодействия силам морозного пучения поверхность
столбов в зоне заделки их в скальные породы или мерзлые грунты
рекомендуется делать рифленой, устраивая на длине не менее 2 м
от низа столба углубления шириной не менее 6 см и глубиной
3—4 см.
Схема промежуточной столбчатой опоры автодорожного моста
приведена на рис. XII 1.7. Опора выполнена из трех столбов вось-
мигранного сечения диаметром 60 см, погруженных в вечномер-
злый грунт на глубину 15,25 м от дневной поверхности грунта.
Столбы забурены в дресвяный слой с песчаным заполнением
с температурой, близкой к—1°С. Толщина деятельного слоя —
3,5 м. Для установки столбов бурили скважины диаметром 1 м.
Зазоры между поверхностью скважин и столбами заполняли на
высоту 7 м цементно-песчаным раствором, а выше — местным пес-
чаным грунтом. Все работы выполнялись зимой.
Рис. XIII.7. Стоечная опора автодорожного моста:
]—стойка; 2 — цементно-песчаный раствор; 3— деятельный слой (суглинок); 4 — верхняя
граница вечной мерзлоты; 5 — супесь; 6 — дресва с песчано-суглинистым заполнением
372
Береговые опоры мостов на
вечномерзлых грунтах рекомен-
дуется делать обсыпными. Конус
насыпи, отсыпаемый преимущест-
венно из крупнообломочного
карьерного грунта, не только за-’
щищает грунты от оттаивания,
но и повышает верхнюю границу
вечной мерзлоты. Конструкция
устоев может быть стоечной, коз-
лового типа с раздельными фун-
даментными подушками или
столбчатой со сборной шкафной
стенкой.
Устройство фундаментов про-
мышленных, жилых и других по-
добных зданий определяется
главным образом степенью их те-
пловыделения.
Рис. XIII.8. Подполье жилых и про-
мышленных зданий:
1 — наружная стена; 2 — перекрытие; 3
рандбалка; 4 — железобетонный фартук;
5 — продух; 6 — наголовник; 7 — стойка;
8 — отмостка; 9 — обшивка; 10 — стена;
11 — свая
Твердомерзлые грунты при за-
легании на небольшой глубине используют в качестве оснований
фундаментов, принимая меры против повышения их температуры.
Тепло, выделяемое зданием, наиболее просто отвести устройством
холодного подполья с естественной вентиляцией (подпольем назы-
вают часть здания между поверхностью грунта и перекрытием пер-
вого этажа). Высоту подполья от грунта до низа бал1ки перекрытия
принимают для жилых и общественных зданий шириной до 15 м не
менее 0,5 м, шириной 20 м и более, а также промышленных зданий
с повышенным тепловыделением (электростанции, котельные и
пр.) —не менее 1 м.
Подполье по наружному контуру здания закрывают железобе-
тонными подвесными фартуками (рис. XIII.8, а) или деревянными
(рис. ХШ.8, б) щитами с продухами для продувания воздуха. Пло-
щадь продухов определяют теплотехническими расчетами. Разме-
ры сторон продуха обычно принимают равными 0,2—0,5 м. Для
предохранения подполья от поступления теплого воздуха в лет-
ний период продухи закрывают. Если естественной вентиляции
оказывается недостаточно, то прибегают к побудительному возду-
хообмену, устанавливая в средних частях зданий вытяжные трубы.
В сложных и неблагоприятных условиях отапливаемое помеще-
ние поднимают над поверхностью грунта, оставляя первый этаж
здания неотапливаемым; располагают здания на грунтовых непу-
чинистых подсыпках, усиливают термоизоляцию перекрытия над
подпольем.
Фундаменты при сохранении вечномерзлых грунтов выполняют
в виде редко поставленных стоек, перекрытых рандбалками. Стой-
ки опирают па фундаментные подушки. Весьма целесообразно уст-
ройство свайных фундаментов с однорядным расположением свай
вдоль стен здания. Из различного вида свай все большее примене-
373
ние в последнее время находят буроопускные и бурозабивные
сваи.
Значительно сложнее строительство зданий по второму принци-
пу без сохранения мерзлого состояния грунтов. В этих условиях
фундаменты заделывают в малосжимаемые грунты (скалу, твер-
дые глины и т. д.), если они залегают на достигаемой глубине.
В противном случае фундаменты располагают в зоне оттаиваю-
щих грунтов, учитывая возможные осадки зданий. Если грунты
в процессе оттаивания сильно сжимаемы, а в оттаявшем состоянии
их осадки не вызывают допустимых деформаций зданий, то воз-
можно предпостроечное оттаивание грунтов водой, паром или
электротоком. Слабые, разжиженные грунты могут быть замене-
ны при этом подушками из карьерного непучинистого грунта.
Возведение зданий с учетом оттаивания грунтов в процессе их
эксплуатации возможно и применяется достаточно широко. В этом
случае учитывают неизбежные осадки зданий, которые, как пра-
вило, оказываются неравномерными. Для уменьшения и выравни-
вания осадок фундаменты под стены делают преимущественно
ленточными, в виде перекрестных лент или сплошными под всем
зданием. Надфундаментную часть зданий при этом приспосабли-
вают к неравномерным осадкам, применяя гибкие (шарнирные)
статически определимые конструктивные схемы.
ХШ.З. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЙКИ
ФУНДАМЕНТОВ В РАЙОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
Суровые климатические условия и специфические особенности
мерзлых грунтов усложняют и удорожают возведение фундамен-
тов в районах с вечномерзлыми грунтами и вынуждают прибегать
к особым способам производства работ.
Основное требование к работам по освоению строительной
площадки — сохранение природного температурного режима мерз-
лых грунтов. Для этого на территории строительства необходимо
по возможности сохранять травяной и особенно моховой покровы,
активно защищающие мерзлоту от оттаивания. При планировке
территории и разработке котлованов нужно предусматривать от-
вод поверхностных вод в низовую сторону водотока, устраивать,
следуя естественному уклону местности, преимущественно лотки,
огражденные валами из связных грунтов. Применение кюветов
и водоотводящих канав нужно по возможности избегать, так как
они способствуют местному протаиванию грунтов. Временные до-
роги, площадки под строительное оборудование и машины, склад-
ские помещения и т. д. для нормальной их эксплуатации в летний
период нужно устраивать на подсыпках толщиной 0,5—1 м из
крупнообломочных или карьерных непучинистых грунтов.
Разрабатывать котлованы рекомендуется в осенне-зимний пе-
риод, когда грунты деятельного слоя промерзают и отпадает необ-
ходимость в креплении стен котлована и осушении его от грунто-
374
Таблица XIII.8
Грунты Крутизна откосов при глубине котлована, м
<3 3—6
Сыпучемерзлые Пластнчномерзлые Т верд омерзл ые 1 --1,25 1 :0,5 1:0 1:1,5 1:0,67 1 х 0,1
вых вод. Кроме этого, вскрытие вечномерзлых грунтов в летнее
время неизбежно ведет к их оттаиванию и недопустимому сниже-
нию прочности оснований фундаментов.
В пределах толщи неоттаивающих вечномерзлых грунтов кот-
лованы разрабатывают с крутизной откосов не более приведенных
в табл. XIII.8.
В летних условиях стены котлована необходимо укреплять.
В качестве креплений применяют стальные шпунты, бездонные
ящики, закладные крепления и другие аналогичные конструкции.
Крепление значительно осложняет производство земляных работ,
и при постройке малых мостов, имеющих небольшие котлованы,
часто оказывается выгоднее устройство общего котлована под
две-три смежные опоры. Это позволяет более производительно ис-
пользовать землеройные машины (экскаваторы, бульдозеры).
При отрицательных температурах мерзлые грунты разрабаты-
вают механическим рыхлением, взрывами, оттаиванием и вымора-
живанием.
Взрывные работы применяют при сливающейся мерзлоте пос-
ле промерзания всей толщи деятельного слоя. В этих условиях
исключена опасность затопления выработки талыми надмерзлот-
ными водами. Из котлована разрыхленный взрывами грунт нужно
удалять до его смерзания, так как смерзшийся грунт не поддается
удалению ни бульдозером, ни экскаватором. После взрыва дно
котлована и его стены подчищают и выравнивают отбойными мо-
лотками. Для механического рыхления применяют главным обра-
зом механизмы ударного действия: дизель-молоты, снабженные
стальными клиньями, специальные виброклинья, тракторные рых-
лители. Рыхлению клиньями с большим трудом поддаются такие
грунты, как пылеватые пески, вязкие суглинки и глины.
Для оттаивания применяют электропрогрев, паропрогрев и ог-
невой способ. Грунты прогревают электрическим током как низ-
кого (120—380 В), так и высокого (до 1300 В) напряжения. Элек-
тродами служат стальные трубы диаметром до 200 мм. Продолжи-
тельность оттаивания составляет 3—4 сут для супесчаных и сугли-
нистых грунтов и 10—12 сут для глинистых грунтов; расход элек-
троэнергии от 20 до 50 кВт на 1 м3 грунта. Огневой способ заклю-
чается в сжигании жидкого топлива в стальных кожухах размером
ЗХО,6ХО,5 м, устанавливаемых на поверхности мерзлого грунта.
375
По мере оттаивания талый грунт убирают и кожухи переставляют
глубже. Оттаивать мерзлый грунт нужно осторожно» не доводя его
до уровня расположения подошвы фундамента, с тем, чтобы не
нарушить прочность вечномерзлых грунтов. Окончательную под-
готовку основания с выборкой нижних слоев грунта необходимо
вести вручную.
При разработке котлованов небольшой площади под опоры
мостов в период установившейся отрицательной температуры воз-
духа ниже —10° С применяют вымораживание грунта. При этом
способе полностью обеспечивается сохранение вечной мерзлоты.
Грунты вымораживают, постепенно удаляя верхние замерзшие
слои, сохраняя при этом мерзлыми дно и стенки выработки. Для
ускорения промерзания грунта котлован защищают от непосред-
ственного действия солнечных лучей, очищают от снега, забивают
в дно стальные трубы. Ориентировочные сроки промерзания грун-
тов зависят от температуры наружного воздуха:
Температура наружного
воздуха, °C........—10 —15 —30
Время промерзания, сут 1,5 1 0,5
При вымораживании нужно опасаться талых вод и затопления
ими котлована.
Дно вырытого котлована выравнивают гравийно-песчаным сло-
ем толщиной 15—20 см с поливкой его водой. На гравийно-песча-
ный слой устанавливают сборные фундаментные подушки. При не-
обходимости устройства монолитных фундаментов бетонную смесь
укладывают на термоизоляционный слой из деревянных брусьев,
предохраняющий мерзлоту от оттаивания и бетон от замерзания до
приобретения им проектной прочности. Для ускорения твердения
бетона рекомендуется применять быстросхватывающиеся цементы,
химические добавки, цементы повышенных марок. Возможен элек-
тропрогрев бетонной смеси до температуры 45—50° С с последую-
щим дозреванием в утепленной опалубке (по способу «термоса»).
Бетонная смесь должна быть по возможности жесткой с осадкой
конуса не более 4—5 см. Бетонировать нужно на полную высоту
фундамента без перерыва, не допуская производственных швов,
значительно снижающих прочность кладки на растяжение.
Ранее указывалось, что забивные сваи можно погружать за-
бивкой только в пластичномерзлые грунты без твердых включе-
ний. В грунты с более низкой температурой сваи (столбы) погру-
жают в заранее пробуренные скважины или с предварительным
оттаиванием грунтов в зоне расположения сваи.
Бурение скважин производят станками ударно-канатного буре-
ния, турбобурами, и другими механизмами, в том числе установ-
ками «Като». Наиболее универсально ударно-канатное бурение
станками УКС и установками «Като», снабженными долотами. Од-
нако производительность такого бурения низка. Значительно про-
изводительней бурение турбобурами. При постройке малых и
средних мостов возможность их применения, особенно в зимний
376
период, когда водотоки промерзают до дна, осложняется отсутст-
вием воды, которая в больших количествах необходима для рабо-
ты турбобуров.
Бурение скважины начинают с установки обсадного патрубка
длиной 2—3 м, укрепляющего устье. Диаметр патрубка должен
превышать диаметр долота на 5—10 см. Дальнейшее бурение твер-
домерзлых устойчивых грунтов ведут без обсадных труб. Обсад-
ные трубы применяют при бурении сыпучемерзлых неустойчивых
грунтов и когда в мерзлой толще встречаются талые водонасы-
щенные прослойки.
При ударно-канатном бурении, для образования шлама приме-
няют глинистый раствор, для чего в скважину доливают воду
с температурой не ниже плюс 5—10° С. При меньшей температуре
на поверхности скважины и бурового инструмента намерзает лед.
Если льдистость грунта превышает 300—400 кг/м3, то воду подо-
гревают до 25—40° С. Количество подливаемой воды определяется
необходимостью иметь над забоем 1—2 м шлама.
В настоящее время в организациях Минтранстроя разрабаты-
вают п осваивают бурение, при котором удаление раздробленных
частиц грунта осуществляется сжатым воздухом, подаваемым в
забой скважины под большим давлением мощными компрессора-
ми.
В пробуренные скважины устанавливают сваи-столбы. Перед
установкой поверхность скважины очищают от намерзшего шлама
и льда электронагревателем или горячим воздухом, подаваемым
по шлангу от калорифера. Применение для этого горячей воды не
допускается. Устанавливаемые сваи очищают от льда, грязи и мас-
ляных пятен. Сваи опускают в скважины, заполненные цементно-
песчаным раствором. Количество раствора определяется расчетом
сваи на выпучивание: высота столба раствора, заполняющего за-
зор между поверхностями сваи и скважины должна быть доста-
точной для образования необходимых сил смерзания. По осталь-
ной высоте зазор заполняют раствором до уровня верхней границы
вечномерзлых грунтов.
Для контроля смерзания свай с грунтом одновременно с уста-
новкой последней по очередности сваи в зазор между сваей и
скважиной устанавливают термометрическую стальную трубку,
с помощью которой термометром систематически измеряют темпе-
ратуру раствора. Нижний конец трубки делают глухим, верхний
закрывают крышкой. После установки сваи и заполнения зазоров
раствором извлекают обсадные трубы и патрубок- Зазоры между
сваей и скважиной в пределах деятельного слоя заполняют местным
грунтом с тщательным уплотнением.
Погружение свай с предварительным протаиванием грунтов
допускается только в твердомерзлых грунтах, отрицательная тем-
пература которых со временем восстанавливается.
Грунты оттаивают паровой иглой диаметром 16—20 мм, пода-
вая через нее пар под давлением 2—3 кгс/см2. В полученную та-
377
Таблица XIIL9
Температура мерзлого грунта, °C
Лето-осень Зима-весна
Способ погружения свай (столбов) —0,5 —1 -1,5 —3,0 -0,5 —1 -1,5 —3
Ориентировочные сроки вмерзания свай (столбов), сут
В скважины, заполняемые 60 40 25 12 50 30 15 6
раствором С протаиванием грунта -« — 140 70 — — 120 50
Бурозабивной с добивкой 2 1 1 —— 1 1 1 1
молотом То же, вибропогружателем Забивка молотом или вибро- 20 10 7 3 15 8 5 3
2 1 — — 1 1 —
молотом То же, вибропогружателем 40 20 — — 30 20 — —
ким образом скважину, заполненную разжиженным грунтом, лег-
ко забивается свая и через некоторое время смерзается с ним.
Нагружение свай допускается только при полном смерзании их
с грунтом, когда температура раствора по показаниям термомет-
рических трубок сравняется с температурой мерзлого грунта. Ори-
ентировочные сроки смерзания приведены в табл. XIII.9.
XI 11.4. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ФУНДАМЕНТОВ
В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
Фундаменты, сооружаемые по второму принципу, т. е. без сохра-
нения вечной мерзлоты, рассчитывают так же, как и при обычных
грунтовых условиях по прочности (устойчивости) оснований или
осадкам, учитывая физико-механические свойства мерзлых грун-
тов в оттаивающем и оттаявшем состоянии, глубину и режим про-
таивания грунтов под сооружением и ряд других особенностей L
Фундаменты опор транспортных сооружений разрешается со-
оружать с использованием второго принципа только при залега-
нии в основаниях фундаментов малосжимаемых грунтов — скаль-
ных, крупнообломочных, плотных песков, твердых и полутвердых
глин1 2. Расчет оснований, сложенных такими грунтами, произво-
дится в предположении полного их оттаивания. Расчет фундамен-
тов в условиях сохранения вечной мерзлоты по первому принципу
имеет ряд особенностей.
Фундаменты мелкого заложения. При расчете давлений на
грунт фундаментов мелкого заложения учитывают силы смерзания
боковой поверхности нижнего уступа фундамента с вечномерзлым
грунтом. В этом случае при действии на фундамент центрально
1 См. специальную литературу и СНиП П-18-76.
2. Фундаменты опор мостов, расположенных в несливающейся мерзлоте, про-
ектируют по второму принципу.
378
Рис. XIIL9. Схемы к расчету фундаментов мелкого заложения
приложенной силы (рис. ХШ.9а) проверяют несущую способность
ги -
W (Ясм/7см “Ь ^?^7)>
(ХШ.5)
где N — расчетная максимальная нагрузка на подошву фундамента с учетом
веса фундамента и грунта на его уступах;
т — коэффициент условия работы, приведенный в табл. XIII. 10 и завися-
щий от глубины Лм заглубления фундамента в вечномерзлый грунт
и температуры грунта /о на уровне нулевых температур (практиче-
ски на глубине 10 м от верхней границы вечной мерзлоты);
кн — коэффициент надежности, равный 1,2;
Кем — расчетные силы смерзания по боковой поверхности фундамента вы-
сотой Лб с вечномерзлым грунтом;
R — расчетное сопротивление мерзлого грунта сжатию;
^см — плошадь поверхности смерзания;
F — площадь подошвы фундамента;
I, b — длина и ширина подошвы фундамента.
Таблица XIII.10
Виц фундамента Коэффициент т при заглублении фунда- мента в вечномерзлый грунт
<2 м >2 м
Фундамент мелкого заложения при 4^ —2° С 1.2 1.1
То же, при /о> —2° С 1,1 1
Сваи буроопускные и опускные — 1,1
Сваи бурозабивные, забивные и буро- обсадные " 1.2
Примечание. При расчетах на совместное действие постоянных и временных на-
грузок с повышенными расчетными сопротивлениями грунтов (кп>1) коэффициент т»1.
379
Расчетные силы смерзания 7?См берутся по табл. XII 1.4 при
температуре грунта на глубине 2=/гм—0,5/ге. Температуру грунта
на этом уровне определяют по формуле (XIII.4) с коэффициентом
а=ам- Расчетное сопротивление ^.мерзлого грунта сжатию прини-
мают по табл. XIII.3 при температуре грунта на глубине 2=ЛМ»
определяемой по формуле (XIIL4) с тем же коэффициентом
а=ам-
При действии внецентренно приложенной силы 7V (рис.
XIII.9, б) силы смерзания по боковой поверхности нижнего уступа
фундамента в предельном состоянии достигают своей максималь-
ной величины и воспринимают момент
AfCM = (* + 0,5/). (ХШ.6)
Тогда на подошву фундамента будет действовать сила N, при-
ложенная с эксцентриситетом
Aff Л'/См
N
где Ni— внешний расчетный момент, действующий иа фундамент, в уровне его
подошвы.
Прочность грунтов основания проверяют по формуле (см. п.
II.2):
N < — ЯЫ
(XIII. 7)
при I = I — 2е[.
Рис. ХШ.10. Схема к расчету
фундамента на выпучивание
В формулах (XIII.6) и (XIII.7) ко-
эффициент т принимают по табл.
ХШ.10, a R и 7?см — по табл. ХШ.З и
XIII.4 при температурах на тех же
уровнях, что и при центральном при-
ложении силы.
В приведенных расчетах силы смер-
зания 7?см учитывают только при об-
ратной засыпке пазух котлована влаж-
ным грунтом с уплотнением.
Кроме расчета прочности грунтов
основания, фундаменты должны быть
проверены на выпучивание силами мо-
розного пучения по формуле (рис.
ХШ.10)
TBHnF Q + 2V. (XIIL8)
Лиц
380
Таблица XIII.11
Виды грунта деятельного слоя Показатель консистенции Степень водонасыщения Расчетные вначения сил выпучи- вания твЫ11, кгс/см2, для бетон- ных поверхностей при толщине деятельного слоя, м
1 1 2 3
Глинистые /£>0,5 0,25</^-<0,5 /£<0,25 — 1,3 1.0 0,8 1,1 0,9 0,7 0,9 0,7 0,5
Пески мелкие и пыле- ватые 1 1 1 О>95 0,8<0<0,95 0,6 <G <0,8 1,3 1,0 0.8 1.1 0,9 0,7 0,9 0,7 0,5
Крупнообломочные с заполнителем из мелкого пылеватого песка или глинистого грунта в ко- личестве более 30% —— 1.0 0,9 0,7
То же, от 10 до 30% — —— 0,8 0,7 0,5
Примечания. I. При металлической необработанной поверхности ^ВЬ1П снижаются
на 20%, при деревянной — на 10%;
2. Для грунтов заполнения пазух котлованов т вЫП принимается по первой строке со-
ответствующей виду грунта заполнения.
Силы Q принимают
Q= 2 (Z + О
(XIII.9)
« (^М ^б) ^СД
Здесь Твып—расчетные значения касательных сил выпучивания, приведен-
ные в табл. XIII.11;
F — площадь боковой поверхности фундамента в пределах сезонно-
го протаивания — промерзания (деятельного слоя);
N — расчетная (с коэффициентом перегрузки 0,9) постояняная на-
грузка, включая вес фундамента и грунта на его уступах;
т— коэффициент условия работы, равный 1,2 и учитывающий
кратковременность действия сил пучения;
Q — силы смерзания фундамента с грунтом, препятствующие вы-
пучиванию;
/, b, he — размеры нижнего уступа фундамента;
Ясд — расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу, принимаемое
по табл. XIП.4 при температуре грунта 1м на глубине /гм—Ле
(при а=ам);
Кем — то же, что в формуле (XIII.5).
При пучении в сечении фундамента в уровне верхней границы
вечной мерзлоты возникает сила
ВЫ,^ N
(Х1П.10)
где N' — расчетная (минимальная) постоянная нагрузка от частей сооружения,
расположенных выше верхней границы вечной мерзлоты.
381
Таблица XIIL12
Грунты Глубина по- гружения сваи, м Температура грунта, °C
—0,3—0,5 —1 —1,5 —2,0 —2,5 —3 —3,5 —4 —6 —8 —10
Расчетные сопротивления мерзлых грунтов пол нижним концом сваи, кгс/см*
Льдистость <Z7B<0,2
Крупнообломоч- Любая 25 30 35 40 43 45 48 53 58 63 68 73
ные Пески крупной и » 15 18 21 24 25 27 28 31 34 37 46 55
вредней крупности Пески мелкие и пы- 3—5 8,5 13 14 15 17 19 19 20 21 26 30 35
леватые То же 10 10 15,5 16,5 17,5 20 21 22 23 25 30 35 40
» >15 11 17 18 19 22 23 24 25 27 33 38 43
Супеси 7,5 8,5 11 12 13 14 15 17 18 23 27 30
» 10 8,5 9,5 12,5 13,5 14,5 16 17 19 20 26 30 35
» >15 9,5 10,5 14 15 16 18 19 21 22 29 34 39
Суглинкн и глииы 6,5 7,5 8,5 9,5 11 12 13 14 15 18 23 28
То же 10 8 8,5 9,5 11 12,5 13,5 14,5 16 17 20 26 30
» >15 9 9,5 11 12,5 14 15 16 18 19 29 35
Льдистость 0,2^Лв^0,4
Все виды указан- 4 5 6 7.5 8,5 9,5 10 11 11,5 15 16 17
иых грунтов То же 10 4,5 5,5 7 8 9 10 10,5 11,5 12,5 16 17 18
» >15 5,5 6 7,5 8,5 9,5 10,5 11 13 13,5 17 18 19
Рис. XIIL11. Схема к расчету столбов, заделанных в скальную породу
382
Таблица XIII.13
Коэффициент аэ при числе пластичности грунта Z Коэффициент с~гпри числе пластичности грунта
<0,05 >0,05 <0,05 >0,05
0 — 5 0,57 0,59
1 — 6 0,62 0,65
2 0,32 0,35 8 0,71 0,75
3 0,43 0,45 10 0,77 0/82
4 0,50 0,54
Если сила Р>0, то сечение фундамента должно быть рассчи-
тано на эту силу на разрыв и трещиностойкость.
Свайные фундаменты. Несущую способность сваи, погруженной
в вечномерзлый грунт, находят по формуле
^=-7-(^ + 2лсм.г
Ли
^см./)
(ХШ.11)
где tn — коэффициент условия работы по табл. ХШ.10;
R — несущая способность мерзлого грунта под иижним концом сваи, оп-
ределяемая по табл. XIII.12 для температуры на глубине погружения
сваи, вычисляемой по формуле (XIIL4) при а=а2;
F — площадь поперечного сечения сваи (полые сваи и сваи-оболочки
должны быть заполнены внизу бетоном на высоту не меиее трех
диаметров сваи);
Rcma — сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по
поверхности смерзания для середины f-го слоя вечномерзлого грунта,
определяемое по табл. X1II.4 при температуре tz, иа глубине z от
верхней границы вечной мерзлоты до середины i-ro слоя, определяе-
мой по формуле (XIIL4) при а=а2;
Рсыл — площадь поверхности смерзания сваи с Z-м слоем вечномерзлого
грунта;
кв — коэффициент надежности, принимаемый не менее 1,2 для промыш-
ленных, жилых и т. п. зданий, а также для фундаментов мостов с
заглубленной в грунт плитой, а для фундаментов с незаглублениой
плитой в зависимости от числа свай в фундаменте.
Число свай в фундамен-
те .................... 1—5 6—10 11—20 >20
кв.................... 1,75 1,65 1,6 1,4
Сумма в формуле (XIII.11) распространяется на все слои грун-
та, слагающие толщу вечной мерзлоты в пределах погружения
сваи. Если в пределах заглубления сваи вечномерзлые грунты одно-
родны, то несущая способность сваи
Р = — (RF + ^см^см) - (Х1П. 12)
В этой формуле R находят по табл. XIII.3 для температуры грун-
та tz(a=az) на глубине погружения сваи, считая от верхней гра-
ницы вечной мерзлоты, a RCm— по табл. XIII.4 для той же темпе-
ратуры tz, но при а=Оэ (табл. XIII.13). Температуру грунта опре-
деляют по формуле (XIII.4).
знз
Несущая способность сваи и столба, заделанных в скальную
породу (рис. XIII. И а) и воспринимающих в уровне поверхности
породы сжимающую силу Nfl, поперечную -силу Qn и изгибающий
момент Mh независимо от числа свай (столбов) в фундаменте, мо-
жет быть определена аналогично формуле (IX.52).
Р=0,5Я“
F з^е»
(ХШ.13)
где 7?исж — временное сопротивление скалы одноосному сжатию в оттаявшем
водонасыщенном состоянии, тс/м2;
Л3 — глубина заделки сваи (столба) в породу, м;
d3 — диаметр заглубленной в породу части сваи (столба), м;
Гз — площадь подошвы заделанной части, м2;
лге — коэффициент, определяемый по рис. IX. 18;
0,5 — обобщенный коэффициент условия работы и безопасности по
грунту;
0,4—коэффициент, учитывающий возможное ослабление заделки в мерз-
лом скальном грунте.
Расчеты свайных фундаментов на совместное действие верти-
кальных и горизонтальных сил и моментов выполняется по обыч-
ной методике (см. гл. IX), принимая характеристики грунтов дея-
тельного слоя и пластичномерзлых грунтов такими, же как и для
немерзлых того же состава. При твердомерзлых грунтах сваи бу-
дут жестко заделанными в грунт на глубине, равной наибольшему
размеру поперечного сечения свай, считая от уровня, на котором
грунт можно рассматривать как твердомерзлый. На выпучивание
сваи (столбы), погруженные в нескальные грунты, рассчитывают
по формуле (XIII.8) аналогично фундаментам мелкого заложения.
Если свая (столб) заделана в скальную породу, то можно учиты-
вать заанкерование сваи. В этом случае предполагается, что прои-
зошел выкол скалы под углом ф к вертикали (рис. XIII. 11, б)
и образовалась анкерная плита диаметром
£>= dc-h2fc3tg’J'-
(ХШ.14)
Угол ф рекомендуется принимать для осадочных пород равным
20—25°, для остальных пород 25—30°. Дальнейший расчет на вы-
пучивание ведется по формуле (XIII.8). Прочность заделки сваи
в скалу должна быть при этом проверена на сдвиг цементно-песча-
ного раствора по поверхности скважины и сваи. Расчетные сопро-
тивления на сдвиг можно принимать равными:
По поверхности скважины ........................ 0,015 R
» гладкой поверхности сваи.................... 0,015 /?р
у> рифленой поверхности сваи.................... 0,06 /?р
ж—предел прочности скальной породы; /?р —
марка раствора по прочности).
При расчете заделки свай в скальную породу силы трения и
смерзания сваи с грунтом, расположенным выше поверхности
скальной породы, в запас прочности учитывать не нужно.
384
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Завриев К. С., Шпиро Г. С. Расчеты фундаментов мостовых
опор глубокого заложения. М., Транспорт, 1970, 215 с.
2. Инструкпия по проектированию вспомогательных сооружений и уст-
ройств для строительства мостов. ВНС 136—78. Минтрансстрой. М., Оргтрапо-
строй, 1978, 300 с.
3. Маслов Н. Н. Длительная устойчивость и деформация смешения
подпорных сооружений. М., Энергия, 1968. 160 с.
4. М а с л о в Н. Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.,
Высшая школа, 1968. 629 с.
5. Основания и фундамеиты/Н. А. Цытович, В. Г. Березаицев, Б. И. Дол-
матов. М., Высшая школа, 1970. 382 с.
6. Свайиые фундамеиты/Н. М. Глотов, А. А. Луга, К. С. Силин. К. С. Зав-
риев. М., Транспорт, 1975. 431 с.
7. С и л и н К. С., Глотов Н. М. Опускные колодцы. М., Транспорт,
1971. 224 с.
8. СНиП II-15—74. Основания здания и сооружений. М., Стройиздат,
1975. 64 с.
9. СНиП II-18-76. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М.,
Стройиздат, 1977. 45 с.
10. СНиП 11-17-77. Свайиые фундаменты. М., Стройиздат, 1978. 43 с.
11. Справочник. Строительство мостов и труб/И. С. Аксельрод, Н. М. Гло-
тов, И. С. Файиштейи и др.; Под ред. В. С. Кириллова. М., Транспорт, 1975.
599 с.
12. Технические условия проектирования железнодорожных автодорожных
и городских мостов и труб. СН 200-62. М., Трансжелдориздат, 1962. 328 с.
13. Ц ы т о в и ч Н. А. Механика грунтов. М., Высшая школа, 1973, 380 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Настоящий указатель имеет целью помочь читателю быстрее найти в книге
интересующие его сведения. В него включены основные понятия, встречающиеся
в тексте и относящиеся к вопросам проектирования и строительства фундамен-
тов преимущественно транспортных сооружений.
Ссылки в указателе даиы на страницы книги, где приведены те или иные
термины, а также раскрывается их смысл.
Рубрики указателя расположены в алфавитном порядке (буква за бук-
вой), причем алфавитизация соблюдается не только по первой букве, но и по
всем последующим, например:
Бетонолитные трубы
Битумизация грунтов
Бурение скважины
При этом принимаются во внимание предлоги, которые рассматриваются
наравне со словами. Рубрики, носящие относительно общий характер, сопровож-
даются дополнительными пояснениями (подрубриками), при помощи которых
осуществляется группировка ссылок. Подрубрики расположены в алфавитном
порядке, по тому же принципу, что и рубрики указателя, и снабжены ссылками
на страницы, например:
Заострение свай:
деревянных 151
железобетонных 155, 159
полых 159
Если в подрубриках, состоящих из двух или более слов, первые слова по-
вторяются, то они заменяются знаком тире, например:
опускных колодцев 298
плит свайных фундаментов 229
рабочей камеры кессона 338
свай 154
фундаментов мелкого заложения
72, 73
Бетонирование:
фундаментов в вечномерзлых грун-
тах 376
— в осушенном котловане 143
оболочек 216, 217
подводное 143—145
Бетонолитные трубы 144, 216
Битумизация грунтов 124
Бурение скважины:
в вечномерзлых грунтах 376, 377
реактивно-турбинное 225, 226
роторное 220—223
станками КАТО и БЕНОТО 218—»
220
Бугели 106, 152
Бутобетон 73
Бутовая кладка 73
Бытовое давление грунта 46
В
Вес грунта:
взвешенного водой 19
объемный 19
скелета 19
удельный 19
Вибромолоты 193, 194
Молоты:
дизельные трубчатые
— штанговые
А
Активная зона 50
----деформации ползучести 59, 60
Аммиачная замораживающая уста-
новка 123
Армирование:
монтажного блока 80
плнты свайного фундамента 176,
177
фундаментных подушек 78
Армирование свай:
буровых 173
сплошных напрягаемой арматурой
155, 156
— иеиапрягаемой арматурой 154,
155
полых 157
св ай-оболочек 161
Б
Балльность землетрясений 351, 352
Башмак заострения:
сваи 151
шпунтины 105
Бездонные ящики 131
Бетон:
кессонов 330
оболочек 161
386
Вибропогружатели 191, 192
Вибропогружеиие свай-оболочек 206—
209
Виды напластований грунтов 17
Влажность грунтов 25
Водонепроницаемые экраны 124
Водоотлив 133, 134
Возведение «стен в грунте» 146
Возмущающая сила вибропогружате-
лей 191
Выбор своебойиых снарядов 205, 206
Высота фундамента 3
Г
Геодезические разбивочные работы
97, 98
Геологические изыскания 16, 17
Гибкие фундаменты 76—78
Гидрожелонка 24
Гидрология вечномерзлых грунтов
359—361 _
Гидромеханизация земляных работ
140—142
Гидроэлеваторы 140, 141
Глинистые растворы 147, 222
Глубина заложения фундаментов 3,
74
— погружения свай 177
----шпунта 102
— промерзания грунта 74
Глубинный водоотлив 134—138
Грунтовые сваи 64, 65
Грунты:
глинистые 26, 27
заторфованные 30
крупиообломочные 24
набухающие 30, 31
песчаные 24—26
просадочные 29, 30
Д
Давление на грунты:
по подошве опускного колодца 323
----свайного фундамента 285—287
----столба 283
----фундамента мелкого заложе-
ния 83—85
под углом прямоугольной площадки
45, 46
Деформация пучения 362, 363
Деятельный слой 357, 359
Длина изгиба 255
— сжатия 254
Доверительная вероятность 20
Дополнительные давления 46—49
----от веса насыпи 49
Е
Единичные перемещения:
свай 357
столба 274—276
Естественные основании С
Ж
Железобетонные фундаменты 7Bt 70
3
Заделка свай в плиту 175
Закладное крепление 99—101
Замачивание грунтов:
набухающих 66
просадочных 65
Замораживание грунтов:
естественное 122
искусственное 123, 124
Заострение свай:
деревянных 151
железобетонных 155, 159
полых 159
сплошных 164
шпунтовых 105
Заполнение оболочек 162—164
— рабочей камеры кессона 338
— шахт опускного колодца 309
Зачистка дна котлована 142, 143
И
Иглофильтры 135
Изготовление:
кессонов 336
опускных колодцев 301—304
Инъектирование химических реакти-
вов 67, 68
Искусственно укрепленные основания
6
Испытания грунтов 17
— свай динамические 242—246
----статические 246, 247
К
Каркасы для погружения свай 200,
201
Кессоны 6
Кирпичные фундаменты 74
Классификация:
грунтов 22—31
свай 149—151
Кондукторы для погружения свай
201, 202
Копры 197—200
Конструкция:
кессона 330—331
консолей 296, 297, 330, 331
массивных фундаментов 75—77
опускного колодца 294—298
плиты свайного фундамента 174—
177
Котлованы:
без креплений 98, 99
в вечномерзлых грунтах 374—376
387
Крепление шпунтовых стен:
анкерные 103
распорное 103, 105, 106
цилиндрическое 108
Коэффициент:
бокового расширения грунта 18
вязкости глин 58
деформации 251
относительной сжимаемости 20
пористости 19
пропорциональности 248—250
рассеивания давлений 45
сейсмичности 351
сжимаемости 20
Л
Ленточный фундамент 4
Лес для деревянных свай 151
Ложные откосы свай 204, 205
Лопости винтовых свай 169
М
Массивные фундаменты 4
Материал фундаментов 72—74
Меры снижения трения 307
Механизм для срубки свай 231
Механическая суффозия 26
Модуль общей деформации грунтов
18, 20
Молоты:
двойного действия 187—189
дизельные трубчатые 190, 191
— штанговые 189, 190
одиночного действия 185—187
подвесные 185
Н
Набухающие грунты 30, 31
Наголовники 192, 193
Нагрузки на шпунтовые ограждения
111, 112
Надкессонная кладка 331
Назначение размеров ' фундаментов
74, 75
Нарушения:
нормального вибропогружения 215,
216
предельных состояний 13
Несвязные грунты 24—26
Несущая способность:
куста свай 234
свай на вдавливание 232—234
----выдергивание 233, 234
Ножи:
полых свай 159
оболочек 163
Номенклатура грунтов:
глинистых 27, 28
несвязных 24
скальных 23, 24
Нормы деформаций мостовых опор
86, 87
Нормативные предельные сопротив-
ления свай:
буровых и свай-оболочек 238—242
висячих 236
О
Обжиг грунтов 71
Оборудование для заполнения оболо-
чек 216
Обрез фундамента 3
Объемная ползучесть глин 57
Определение несущей способности
свай:
аналитически 235—242
динамическими испытаниями 243
статическими испытаниями 246
Опускные колодцы 5
Особенности строительства в СССР -
9, 10
Основание фундаментов 3
Основные характеристики грунтов 19
Островки 301—303
Отказ свай 203, 204
Относительное заглубление фунда-
мента 33
Отрицательное треиие 238
П
Перемещения свайного фундамента
261
Перемычки:
грунтовые 125—127
из бездонных ящиков 131
нз понтонов КС 131
инвентарные 131
ряжевые 130
смешанные 127—129
шпунтовые 129, 130
Периоды колебаний мбстовой опоры
353, 354
Песчаные подушки 62, 63
Песчаные сваи 64
Пластические области 32, 33
Плита свайного фундамента 174
Плотность грунтов 25
Погружение:
кессонов 336—338
оболочек 206—218
опускных колодцев 304—306
свай 202—205
Подмыв:
оболочек 212, 213
опускных колодцев 307
свай 194—196
Подошва фундамента 3
Показатель консистенции 19
Полевые изыскания 16
Порог ползучести 58
Потери прочности песчаных грунтов
33, 34
388
Предельные состояния 11—13
Приведенная глубина 251
Пример:
глубинного сдвига 12
кессона 330, 331
ленточного фундамента 80
опускного колодца 298—300
просадок устоя 13
сборного опускного колодца 300,
301
свайного фундамента 178
свайного устоя 178—179
столбчатого фундамента 372
фундамента в вечномерзлых грун-
тах 368
— из буровых свай 180, 181
----свай-оболочек 182, 183
— под стены здания 183, 184
Проверка:
веса опускного колодца 312, 313
горизонтальных давлений и а грунт
282, 283
давлений на подстилающий грунт
85
----сваи 280—282
заделки столба в скалу 293
крена опоры 86
опускного колодца на всплытие
321, 322
перемещений свайного фундамента
297, 298
прочности свай 283—284
устойчивости на опрокидывание 86
----сдвиг плоский 87
----глубинный 87, 88
Размещение свай в фундаменте 176,
177
Разработка грунта:
в кессонах 336—338
— котлованах 138, 139
— оболочках 209—212
— опускных колодцах 306, 307
Расчет давлений на грунт 83—85
Расчет деформаций во времени:
сдвига 58, 59
с учетом ползучести 57
фильтрационной консолидации 54—
56
Расчет водопонизительной установки
137, 138
— з акладного крепления'99—101
— камуфлетиого уширения 168
Расчет кессона:
консоли 339—342
на изгиб 343
потолка 343
Расчет кренов 60, 61
— опоры иа сейсмические силы
352—356
Расчет опускных колодцев:
в тиксотропных рубашках 322
консоли 316—319
иа разрыв 313, 314
стеи 314, 315, 319—321
Расчет осадок:
методом послойного суммирования
49, 50
— эквивалентного слоя 51, 54
при ограиичеииой толще грунта
50, 51
Расчет оснований по предельным со-
стояниям 14, 15
Расчет перемычек:
грунтовых 123
двухрядных 129
ряжевых 130
Расчет песчаного ядра 166
— подмыва свай L96
— просадок 60
Расчет прочности фундаментов:
приближенный 90—92
методом Б. Н. Жемочкина 93—96
— коэффициента постели 92, 93
Расчет свайных фундаментов:
исходные положения 248—253
на кручение 268, 269
расчетные схемы 254—256
— усилия в сваях 262
с вертикальными сваями 263—265
симметричных 262, 2Q3
Расчет фундаментов в вечномерзлых
грунтах:
мелкого заложения 378—382
свайных 382—384
Расчет фундаментов глубокого зало-
жения:
на горизонтальную силу 323—325
— изгибающий момент 325, 326
— продольную силу 323
Расчет фундаментов из столбов 270,
280
Расчет шпунтовых стен:
без крепления в несвязных грун-
тах 117, 118
----------связных грунтах 119
-----с томпонажиой подушкой 119
с многоярусным креплением 121,
122
с одним ярусом крепления в не-
связных грунтах 120
-----связных грунтах 120,
121
— цилиндрическим креплением 122
Расчетная глубина промерзания 74,
75
Расчетные схемы гибких фундамен-
тов 89
С
Сваи:
анкерные 151
буровые 170
бурообсадные 171
в вечномерзлых грунтах 369—372
389
— заторфованных грунтах 348 349
винтовые 168, 169
деревянные 151—154
железобетонные напряженные 155,
156
— ненапряженные 154, 155
— полые 160, 161
кому ф летные 167—169
с грунтовым ядром 165, 166
стальные 164
Франки 170, 171
ЦНИИС 172, 173
частотрамбованные 170
Сваи-оболочки 160—163
Сейсмические силы 349—351
Силикатизация грунтов:
двухрастворная 66
одиорастворная 67
Смолизация грунтов 67
Сплошные фундаменты 4
Стена в грунте 146—148
Степень:
влажности 19
консолидации 54, 55
Столбчатые опоры в вечномерзлых
грунтах 377
Стыки:
деревянных свай 152
полых свай и оболочек 157—159
стальных свай 164
Т
Технология:
бурения скважин 220—222, 224
заполнения оболочек 217
погружения оболочек 231
— свай 226—229
Тиксотропные рубашки 307—309
Типы просадочных грунтов 345
У
Удаление грунта из оболочек 209—
212
Уплотнение грунтов 63—65
Упругий центр свайного фундамента
363
Условные сопротивления грунтов 35,
36, 346
Устройство фундаментов в вечно-
мерзлых грунтах 366—368
Фазы деформаций грунтов 31—34
Фиксатор порога замедления 208, 209
Фиксированные подкладки 305
Фундаменты гибкие 76, 79, 80:
глубокого заложения 4—6
жесткие 76, 77
зданий 373—374
из буровых свай 180, 181
— свай-оболочек 182
мелкого заложения 3, 4
мостовых опор 76, 77
на набухающих грунтах 342
— просадочных грунтах 344
Функции влияния 270, 271
X
Характеристики:
вечномерзлых грунтов 357
свай 257, 258
Ц
Цементация грунтов 69—71
Ч
Число пластичности 19
Ш
Шахтные трубы 332
Шлюзовые аппараты 334
Шпунтовые ограждения 101—103
Шпунтовые сваи:
деревянные 103—105
железобетонные 110
пакетные 105
стальные 106, 107
Э
Эквивалентный слой 51—53
Электроосмос 65
Электрохимическое закрепление глин
69
Эрлифтирование грунта из оболочек
209—211
Эрлифты 141, 142
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава I. Общие сведения.......................................
1 .1. Основные понятия, классификация фундаментов и осно-
вании ..................................................
1. 2. Развитие и особенности современного фуидаментостроения
1.3 . Основы расчета фундаментов по предельным состояниям
Глава II. Естественные основания..............................
11 .1. Краткая характеристика грунтов...................
П.2. Расчетные сопротивления грунтов....................
И.З. Расчет деформаций естественных оснований...........
Глава III. Искусственно укрепленные основания.................
1 11.1. Замена и уплотнение грунтов.....................
11 1.2. Осушение и обводнение грунтов...................
111 .3. Закрепление слабых грунтов......................
Глава IV. Конструкция и расчет фундаментов мелкого заложения
IV. 1. Материал фундаментов.............................
IV .2. Конструкция фундаментов мелкого заложения........
1 V.3. Расчет фундаментов мелкого заложения.............
Глава V. Постройка фундаментов мелкого заложения..............
V.......................................................7.!. Геодезические работы..............................
V .2. Котлованы в сухих и маловлажных грунтах..........
V .3. Конструкция шпунтовых ограждений..................
V .4. Расчет шпунтовых ограждений.......................
V .5. Защита котлованов от грунтовых вод замораживанием II
битумизацией грунтов....................................
V .6. Перемычки.......................................
V .7. Осушение котлованов............................
V .8. Земляные работы при разработке котлованов......
V .9. Кладка фундаментов..............................
V .10. Устройство фундаментов методом «стена в грунте» .
Глава VI. Конструкция свайных фундаментов и свай..........
VIЛ. Классификация свай.............................
VI .2. Конструкция забивных свай...........
VI. 3. Конструкция винтовых свай....................
VI.4 . Конструкция буровых свай (столбов)...........
VI .5. Конструкция свайных фундаментов..............
Глава VII. Постройка свайных фундаментов . . .............
V II. 1. Оборудование и обустройства для погружения сппЙ
оболочек ...........................................
VI 1.2. Погружение свай.............................
V I 1.4. Изготовление буровых свай-столбов............
V I 1.5. Сооружение свайных фундаментов...............
Глава VIII. Несущая способность свай.........................
V III.l. Общие сведения..............................,
V III.2. Аналитический метод определения несущей способности
свай..................................................
V 7 II1.3. Динамические и статические испытания свай ... >
Глава IX. Расчет свайных фундаментов.........................
IX . 1. Основные положения расчета....................
I X.2. Расчет фундаментов из гибких свай........... .
IX.3. Расчет фундаментов из свай конечной жесткости . , .
IX.4. Проверка несущей способности фундаментов и перем**
щений опор...........................................,
IX.5. Назначение схемы свайного фундамента.............
Глава X. Фундаменты из опускных колодцев.....................
Х. 1. Конструкция колодцев.......................... . .
Х.2 . Постройка фундаментов из массивных колодцев .... м!
Х.З. Расчет прочности опускных колодцев................
Х.4 . Расчет массивных фундаментов из опускных колодцев . . ЗШ
Глава XL Кессоиые фундаменты.................................. 328
XI . 1. Конструкция и возведение кессонных фундаментов . . . ЗЭД
XI. 2. Расчет кессонов................................... 338
Глава XII. Фундаменты в особых условиях....................... 344
XII. 1. Фундаменты на просадочных и набухающих грунтах . 344
XI 1.2. Фундаменты на сильно сжимаемых грунтах......... 348
XI 1.3. Фудаменты в сейсмических районах................ 349
Глава XIII. Фундаменты на вечномерзлых грунтах................ 357
Х1П.1. Особенности вечномерзлых грунтов.................. 357
XI II.2. Конструкция фундаментов на вечномерзлых грунтах . 366
ХШ.З. Особенности постройки фундаментов в районах вечной
мерзлоты................................................. 374
XI11.4. Особенности расчета фундаментов в условиях вечной
мерзлоты................................................. 378
Список литературы............................................. 385
Предметный указатель.......................................... 386
Вячеслав Сергеевич Кириллов
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
Предметный указатель составил В. С. Кириллов
Рецензент Р. С. Шеляпин
Редактор Е. С. Голубкова.
Обложка художника Е. Н. Волкова
Технический редактор Р. А. Иванова
Корректор С. Н. Пафомоеа
ИБ № 1241
Сдано в набор 19.06.79. Подписано к печати 05.12.79. Т-21419
Формат бумаги 60Х90*/1б тнп. № 2. Гарн. литературная. Печ. высокая.
Печ. л. 24,5 Уч.-изд. л. 27,71. Тираж 20 000. Зак. тнп. 2644.
Цена 1 р. 30 к. Изд. № 1—1—1/15 № 9217
Изд-во «Транспорт», 107174, Москва, Басманный туп., 6а
Московская типография № 8 Союзполиграфпрома
при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли,
Хохловский пер., 7.