Строительные решения / Свайные и свайно-плитные фундаменты с учетом ТНПА РБ.  (Прочитано 467 раз)

Сложность при проектировании свайных фундаментов в настоящее время вызывает отсутствие единого нормативного документа, включающего общие положения при расчете проектировании свай и свайных фундаментов и описывающего технологические особенности устройства разных видов свай.

В настоящее время основным ТНПА, регламентирующим проектирование оснований и фундаментов является ТКП 45-5.01-254-2012 «Основания и фундаменты зданий и сооружений. Основные положения», вышедшее взамен СНБ 5.01.01-99 «Основания и фундаменты зданий и сооружений».

Вместо советского СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» с начала 2000-х в Беларуси был введен ряд отдельных пособий с СНБ 5.01.01-99 для проектирования разных видов свай:
- П1-2000 «Проектирование и устройство фундаментов из забивных пирамидальных свай»;
- П2-2000 «Проектирование забивных и набивных свай по результатам зондирования грунтов»;
- П4-2000 «Проектирование забивных свай»;
- П13-01 «Проектирование и устройство буронабивных свай»;
- П18-04 «Проектирование и устройство буроинъекционных анкеров и свай»;
- П19-04 «Проектирование и устройство фундаментов из свай набивных с уплотненным основанием».

В настоящее время пособия П1-2000 и П4-2000 объединены в ТКП 45-5.01-256-2012 «Сваи забивные. Правила проектирования и устройства».

Как видим, уже в названиях данных пособий нет однообразия: в одном случае «проектирование свай», во втором — «проектирование и устройство свай», в третьем — «проектирование и устройство фундаментов из свай». Внутреннее содержание данных пособий, разработанных разными авторами, имеет разную структуру и массу ссылок друг на друга, затрудняющих работу с данными пособиями, особенно при замене некоторых из них на новые ТКП.

К недостаткам действующей нормативной базы по проектированию свайных фундаментов следует отнести:
- отсутствие четкой классификации свай и свайных фундаментов;
- отсутствие допусков отклонений свай от проектного положения, кроме пособия П19-04;
- методика учета работы ростверка описана только в ТКП по забивным сваям, в пособиях по проектированию других свай она отсутствует;
- нет указаний по определению расстояний от забивной сваи до существующих зданий и сооружений;
- необоснованное ограничение глубины выштампованных свай в П19-04 до 3-7м;
- отсутствие однозначных указаний по количеству свай подвергаемых испытаниям статической нагрузкой;
- отсутствие в большинстве ТНПА (кроме П13-01) методов расчета осадки одиночных свай;
- отсутствие методов расчета осадки свайных фундаментов с учетом работы сил трения вдоль боковых поверхностей свай и их взаимного влияния.

В связи с указанными недостатками и противоречиями в действующих ТНПА острым становится вопрос их доработки и объединения в единый нормативный документ, аналогичный российским СП.

В презентации будут рассмотрены основные положения проектирования свайных фундаментов в соответствии с действующими нормами Республики Беларусь и способы преодоления указанных выше недостатков и противоречий с учетом мирового и отечественного опыта устройства и мониторинга таких фундаментов.

В последнее время, в связи с увеличением этажности строящихся зданий, все чаще применяются свайно-плитные фундаменты (СПФ) передающие нагрузку на основание как сваями, так и фундаментной плитой. В ТКП 45-5.01-254-2012 определена область применения СПФ (таблица 5.1) и даны общие указания по их расчету и проектированию (п. 7.1.17). В приложении В ТКП 45-5.01-256-2012 даны более детальные указания по учету сопротивления грунта в основании ростверка и расчету осадки свайного фундамента с несущим ростверком.

Основной проблемой расчета свайно-плитного фундамента является учет взаимодействия свай в группе и взаимодействия фундаментной плиты со сваями. При отсутствии четкой методики учета этих взаимодействий на этапе проектирования можно свести до минимума взаимное влияние элементов СПФ увеличив шаг свай до 7d (d – диаметр сваи), а длину свай принять больше глубины сжимаемой толщи основания. В таком случае СПФ можно рассчитывать как фундаментную плиту на естественном основании, а сваи учитываются как упругие стержни, жесткость которых может быть определена исходя из расчета осадки одиночной сваи.

В некоторых литературных источниках можно встретить условное разделение таких фундаментов на свайно-плитные (более 50% нагрузки передается на грунты сваями) и плитно-свайные (более 50% нагрузки передается фундаментной плитой).

В свайно-плитном фундаменте (СПФ) основным несущим элементом являются сваи. Расчет свайного поля выполняется по первой группе предельных состояний. С учетом коэффициентов надежности по нагрузке и сваи в СПФ будут недогружены, а их шаг составит около 3,5-4,5d. При таком шаге необходимо учитывать взаимное влияние элементов фундамента, которое будет существенно влиять на его осадку. Кроме усложнения расчетных схем могут возникнуть трудности с включением в работу фундаментной плиты. Как показал опыт устройства СПФ в г. Минске, при выполнении свай, верхняя часть основания часто бывает нарушена строительной техникой. Перед устройством бетонной подготовки под фундаментную плиту потребуется доуплотнение грунтов в этой зоне, а иногда и втрамбовывание щебня. В связи со стесненностью условий, значительный объем работ приходится выполнять вручную, что приводит к их удорожанию, особенно в зимний период.

При устройстве плитно-свайных фундаментов (ПСФ) их несущая способность обеспечивается сопротивлением грунта в основании плиты, а сваи требуются только для уменьшения осадки здания. Для достижения максимального эффекта сваи располагаются локально под колоннами и несущими стенами здания. Желательно под колонну устанавливать по одной буронабивной свае диаметром не менее 500мм и длиной превышающей глубину сжимаемой толщи грунта Нс в основании фундаментной плиты. При такой расстановке свай среднее расстояние между ними превысит 7d и их взаимное влияние можно не учитывать. Наиболее достоверно жесткость свай можно определить по графикам испытаний опытных свай статическими нагрузками. При невозможности или нерациональности устройства свай длиной более Нс потребуется корректировка их жесткости с учетом осадки основания под ее нижним концом.

Плитно-свайные фундаменты (ПСФ) с локальным расположением свай под несущими элементами каркаса здания обладают рядом преимуществ в сравнении со свайно-плитными (СПФ). Во-первых, простота расчетной схемы. При достаточно большом шаге сваи работают как одиночные, а фундамент рассчитывается как плита на естественном основании. Сваи можно заменить обратной реакцией, равной допускаемой нагрузке на сваю, полученной по результатам испытаний статической нагрузкой с учетом коэффициента надежности γk. Во-вторых, поверхность дна котлована гораздо меньше подвержено разрушению строительной техникой, а если требуется доуплотнение верхнего слоя грунта, расстояние между сваями позволяет механизировать эти работы. В-третьих, при устройстве локальных свай под несущими элементами каркаса уменьшаются моментные усилия в фундаментной плите и, соответственно, снижается ее армирование. Стоимость фундаментной плиты в этом случае гораздо меньше, чем при устройстве СПФ и даже плиты на естественном основании.

Для оценки эффективности устройства локальных буронабивных свай в основании фундаментной плиты были выполнены расчеты фрагмента плитно-свайного фундамента (рисунок 1) с использованием программного комплекса ЛИРА САПР 2014 с системой ГРУНТ.


Рисунок 1 – Фрагмент плитно-свайного фундамента.

Шаг колонн в продольном и поперечном направлениях принят 4,5м, размеры плиты в плане приняты 15,5м.

Фрагмент загружен равномерно распределенной нагрузкой, принятой таким образом, чтобы среднее давление под подошвой плиты составляло 400 кПа. Варьировались толщина плиты (h1=0,45м, h2=0,60м и h3=0,90м) и модуль деформации грунта основания (Е1=10МПа, Е2=12,5МПа, Е3=15МПа, Е4=17,5МПа и Е5=20МПа).

Система Грунт ориентирована на автоматическое определение переменного по площади фундаментной плиты коэффициента постели. С помощью итерационного метода производилось уточнение давления под подошвой фундамента. Для ПСФ модель была дополнена конечными элементами КЭ56 в местах расположения свай (рисунок 2).

Сваи расставлялись под несущими вертикальными конструкциями в пределах пирамиды продавливания фундаментной плиты. Количество свай назначалось из условия восприятия ими 30-35% от общей нагрузки от здания, а расстановка пропорционально грузовым площадям. Жесткость КЭ56 по направлению действия вертикальной нагрузки назначалась с учетом расчетной нагрузки на сваю N=1000кН и максимальной осадки сваи s=16мм. Жесткость получена делением расчетной нагрузки на максимальную осадку К=62500кН/м. Результаты расчета осадки фрагментов плитных фундаментов на естественном основании и ПСФ приведены в таблице 1. При передаче 30-35% нагрузки на сваи осадка фундамента уменьшилась в среднем в 2 раза. С увеличением модуля деформации основания усилия в сваях уменьшаются, а доля нагрузки, воспринимаемая плитой – увеличивается.


Рисунок 2 – Общий вид расчетной модели.


Таблица 1 – Результаты расчета осадок фундаментов.

Для оценки экономического эффекта применения плитно-свайного фундамента, с помощью программы САПФИР КОНСТРУКЦИИ определялся объем армирования плит. На рисунках 3, 4 и 5 приведены графики зависимости объема армирования от модуля деформации грунта в диапазоне от 10МПа до 20МПа.для плит соответственно толщиной h1=0,45м, h2=0,60м и h3=0,90м.


Рисунок 3 – Расход арматуры для плитного и плитно-свайного фундаментов при толщине плиты h1=0,45м.


Рисунок 4– Расход арматуры для плитного и плитно-свайного фундаментов при толщине плиты h2=0,60м.


Рисунок 5 – Расход арматуры для плитного и плитно-свайного фундаментов при толщине плиты h3=0,90м.

Результаты расчета расхода арматуры на устройство плитно-свайных фундаментов показали, что при устройстве локальных свай в основании фундаментной плиты значительно уменьшились моментные усилия в плите и соответственно расход арматуры снизился от 21% до 35%.


Рисунок 6 – Схема расположения несущих элементов каркаса и нормативных нагрузок на обрезы фундаментных плит 19-ти этажного жилого дома;
Рисунок 7 – КЭ-модель монолитного каркаса многоэтажного жилого дом.

Для оценки эффективности устройства локальных буронабивных свай в основании плиты 19-тиэтажного жилого дома в комплексе «Маяк Минска» с использованием программного комплекса ЛИРА САПР 2014 была создана его КЭ-модель (рисунки 6 и 7). Были выполнены расчеты вариантов здания с фундаментной плитой на естественном основании и плитно-свайного фундамента. На основе данных по расходу материалов была составлена калькуляция затрат для устройства двух вариантов фундамента. Стоимость плитно-свайного фундамента за счет экономии арматуры оказалась на 7,5% меньше стоимости фундаментной плиты без свай даже с учетом того, что в варианте с ПСФ учитывались работы по устройству 89 буронабивных свай диаметром 426мм, длиной 9-10м и уплотнению верхнего слоя основания.

Выводы по результатам внедрения СПФ и ПСФ:
1. Анализ выполненных до настоящего времени научных исследований показал, что при включении в работу фундаментной плиты часть нагрузки от сооружения передается на верхние слои основания межсвайного пространства. Осадка плитно-свайного фундамента существенно снижается по сравнению с традиционным плитным фундаментом.

2. Проведенные расчеты плитно-свайных фундаментов позволили установить, что при устройстве локальных свай под вертикальными несущими конструкциями здания его осадка значительно уменьшается. Даже при передаче на сваи 30% нагрузки от здания его осадка снижается в 2 раза.

3. При устройстве локальных свай армирование фундаментной плиты может быть уменьшено на 20-35% в сравнении с вариантом на естественном основании. Эта экономия компенсирует дополнительные затраты на устройство свай, а в некоторых случаях, как показали расчеты, стоимость плитно-свайного фундамента может оказаться меньше стоимости плиты без свай.

Автор: Сернов Вячеслав Александрович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Геотехника и экология в строительстве», БНТУ.
emedia.by

📱Размещаем вакансии в Телеграм-канале!
Теперь, размещая вакансии на Proekt.by мы дублируем их в нашем Телеграм-канале с ~5000 подписчиками. Преимущество - мгновенный охват огромной аудитории - специалистов стройотрасли.