Патент на изобретение №2334843

(54) СЕЙСМОСТОЙКИЙ СВАЙНЫЙ ФУНДАМЕНТ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении сейсмостойких свайных фундаментов зданий и сооружений в сейсмических районах с интенсивностью землетрясений 7, 8 и 9 баллов. Сейсмостойкий свайный фундамент состоит из располагающихся рядами свай с оголовками, промежуточной подушки из гранулированных материалов, монолитного ростверка. Подошву монолитного железобетонного ростверка располагают на отметке спланированной поверхности грунта, его верх совмещают с отметкой подошвы пола здания. Между подошвой ростверка и промежуточной подушкой из гранулированных материалов располагают скользящий слой. С внутренней стороны здания боковую и верхнюю горизонтальную поверхность ростверка отделяют от окружающей среды слоем легкого бетона. Ширину ростверка принимают такой, чтобы от наружных граней оголовков крайних рядов свай до наружных граней ростверка в каждую сторону расстояние было равным величине остаточного смещения от землетрясения U₀(I) мм, которое определяют из зависимости lg U₀=-4,6+0,78 I, где I – балльность землетрясения, причем количество рядов свай в ленточном фундаменте не менее двух, а в отдельно стоящем фундаменте под колонну количество свай не менее четырех. Технический результат состоит в уменьшении горизонтальных сейсмических воздействий на надземную часть здания. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении сейсмостойких свайных фундаментов зданий и сооружений в сейсмических районах с интенсивностью землетрясений 7; 8 и 9 баллов.

Известна конструкция свайного фундамента, состоящего из группы свай, монолитного железобетонного ростверка, жестко соединенного с головами свай, расположенной выше ростверка части фундамента (подколонник – в случае отдельно стоящего фундамента или стена ленточного фундамента), на которую передается нагрузка от здания. Такая конструкция фундамента имеет следующие недостатки. На сваи, монолитный ростверк и подземную часть фундамента передается сейсмическое воздействие от окружающего их грунта, который при прохождении сейсмических волн совершает колебания и получает остаточные сейсмические смещения. Сваи, обладающие малой массой, потенциально могли бы колебаться и перемещаться вместе с грунтом. Но из-за жесткого соединения с ростверком и всей массой здания, обладающей огромной инерцией, в них возникают срезающие усилия. Действующие нормы (СНиП 2.02.03-85*. Свайные фундаменты / Госстрой России. – М.: ФГУП ЦПП, 2004. – 46 с.) определяют снижение несущей способности таких свай при расчете на особое сочетание усилий примерно на 25…30%. Из работы выключается боковая поверхность свай длиной h_d ниже соединения свай с ростверком, длина этого участка может достигать 5,3 м (Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика. М.: Стройиздат, 1985. С.289). Снижается расчетное сопротивление грунта под нижним концом свай – R_eq=R_eq1. Коэффициент условий работы _eq1 при заглублении свай в полутвердые и тугопластичные глинистые грунты с увеличением расчетной сейсмичности здания с 7 до 9 баллов уменьшается с 0,95 до 0,7.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой конструкции фундамента является выбранный в качестве прототипа свайный фундамент с промежуточной подушкой (Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика. -М: Стройиздат, 1985. П.12.3; Ильичев В.А., Монголов Ю.В., Шаевич В.М. Свайные фундаменты в сейсмических районах. М., 1983). Он состоит из свай с оголовками, промежуточной подушки из гранулированных материалов (щебня, гравия, песка крупного и средней крупности) толщиной 40…60 см выше оголовков, уплотненных до максимально возможного значения плотности. На промежуточную подушку опираются монолитный ростверк, выше которого в ленточном фундаменте расположены стены фундамента, а в отдельно стоящем фундаменте – подколенник стаканного типа, составляющий с плитой ростверка единое целое. При расположении между подошвой ростверка и головами свай промежуточной подушки сваи, будучи не связаны с монолитным ростверком и всей массой здания, получают возможность при землетрясении колебаться и перемещаться вместе с окружающим грунтом. В них не возникает срезающих усилий, в свою очередь, при горизонтальных остаточных смещениях грунта дополнительное горизонтальное усилие не передается от свай на ростверк. В результате увеличилась несущая способность свай (в соответствии с действующим СНиП 2.02.03-85*. Свайные фундаменты. М., 2004): расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности f_eq действует по всей длине сваи (то есть h_d=0), а расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи не только не уменьшается (см. ранее, _eq]=0,7…0,95), а увеличилось – _eq1=1,2 (СНиП 2.02.03-85*, п.11.14). Все параметры фундамента, включая количество свай, расстояния между рядами свай и между сваями в ряду, определяется методом подбора: задаются всеми параметрами свайного фундамента, по формуле СНиП определяют расчетную нагрузку на сваю N, кН и проверяют, чтобы она не превосходила допускаемую нагрузку на сваю Р=F_d/_k (см. далее), и чтобы запас несущей способности был в пределах 10%. Упомянутые два уравнения приводятся в СНиП 2.02.03-85*. Свайные фундаменты. М., 2004 – формулы (2) и (3). Расчетная нагрузка на сваю N, кН для фундамента с вертикальными сваями определяется по формуле

где N_d – расчетная сжимающая сила, кН;

М_х, M_y – расчетные изгибающие моменты, кНм; относительно главных центральных осей х и у плана свай в плоскости подошвы ростверка;

n – число свай в фундаменте;

x_i, у_i – расстояния от главных осей до оси каждой сваи, м;

х, у – расстояния от главных осей до оси каждой сваи, для которой вычисляют расчетную нагрузку, м.

Одиночную сваю в составе фундамента следует рассчитывать исходя из условия

где N – расчетная нагрузка, передаваемая на сваю, определяемая в соответствии с формулой (1);

F_d – расчетная несущая способность грунта основания одиночной сваи, называемая в дальнейшем несущей способностью сваи;

_к – коэффициент надежности, принимаемый равным 1,2; 1,25; 1,4 в зависимости от способа определения несущей способности сваи.

При учете в сочетаниях усилий кратковременных нагрузок (ветровых, крановых, сейсмических) воспринимаемую крайними сваями нагрузку допускается повышать на 20%:

Формула (3) – для случая, когда момент действует в одной плоскости. Но такая конструкция фундамента имеет следующие недостатки. На вертикальные поверхности ростверка и подземных частей фундамента, заглубленного в грунт, будут действовать горизонтальные сейсмические нагрузки, которые будут передаваться и на надземную часть здания. При радиальных остаточных сейсмических смещениях грунта U_o

будут также происходить смещения свай и промежуточной подготовки относительно ростверка. В случае ленточного фундамента под стену применение однорядного расположения свай становится невозможным – между центром стены и центром этого ряда свай появляется – в результате остаточных смещений по (4) – эксцентриситет. К подошве ростверка будут приложены огромные горизонтальные силы трения, достигающие 40% от вертикальной составляющей сейсмической нагрузки N_a – коэффициент трения сыпучего материала промежуточной подушки по бетону – 0,4 (Основания, фундаменты и подземные сооружения, 1985, п.12.3). Затруднено проектирование здания, а именно расчет устойчивости (несмещаемости) всего здания. Обычно при действии на объект горизонтальных сил его смещению препятствуют силы трения по подошве фундамента, направленные в противоположном этим горизонтальным силам направлении. Но во время процесса смещения грунта силы трения будут иметь одинаковое направление с силами, воздействующими на вертикальные поверхности подземной части фундамента.

Целью данного изобретения является уменьшение горизонтальных сейсмических воздействий на надземную часть здания.

Поставленная цель достигается следующим образом. Подошву монолитного железобетонного ростверка располагают на отметке спланированной поверхности грунта, его верх совмещают с отметкой подошвы пола здания, между подошвой ростверка и промежуточной подготовкой располагают скользящий слой, с внутренней стороны здания боковую и верхнюю горизонтальную поверхность ростверка отделяют от окружающей среды слоем легкого бетона, а ширину ростверка принимают такой, чтобы от наружных граней оголовков крайних рядов свай до наружных граней ростверка в каждую сторону расстояние было равным U_о(I), мм, которое определяют из зависимости lgU_o=-4,6+0,78I, где I – балльность землетрясения, причем количество рядов свай в ленточном фундаменте – не менее двух, а в отдельно стоящем фундаменте под колонну количество свай – не менее четырех.

Особенности предлагаемой конструкции фундамента показаны – см. фиг.1 – на примере свайного сейсмостойкого ленточного фундамента, изображенного на момент окончания его возведения. На фиг.2 изображен этот же фундамент после землетрясения; эпицентр в данной ситуации расположен слева от фундамента, сваи получили смещение на величину U_о(I) вправо от центра стены.

Сейсмостойкий свайный фундамент (фиг.1) состоит из нескольких рядов свай 1 (в данном примере показан фундамент с двухрядным расположением свай), которые выполняются с монолитными железобетонными оголовками 2. В состав фундамента входит монолитный железобетонный ростверк 3, промежуточная подушка 4 из гранулированных материалов (щебня, песчано-гравийной смеси, песков гравелистого, крупного или средней крупности), уплотненных тонкими слоями до максимальной плотности, и скользящий слой 5. Для уменьшения горизонтальных сейсмических воздействий, передаваемых на здание, подошва ростверка совмещена с отметкой спланированной поверхности DL, а верх ростверка совпадает с отметкой подошвы подготовки под пол первого этажа. Как и в прототипе, основной несущий элемент фундаментов – сваи 1 с оголовками 2 – разъединены с ростверком 3 промежуточной подушкой 4, что позволяет им колебаться и получать остаточные смещения вместе с окружающим грунтом. На момент окончания возведения фундамента между геометрической осью (центром) фундамента 6 и геометрической осью 7 ростверка 3 и стены надземной части здания 8, которые (геометрические оси 6 и 7) в идеале должны совпадать, может существовать случайный эксцентриситет е, связанный с отклонением при производстве работ центра 7 ростверка от проектного положения. Его величина может быть принята равной 1…2 см. Так как рабочим материалом ростверка 3 является железобетон с применением тяжелого бетона, то ростверк 3 будет являться мостиком холода. Во избежание конденсации влаги на холодных поверхностях ростверка 3 внутри помещения его боковую и верхнюю поверхности отделяют от окружающей среды слоем легкого и теплого бетона 9; верх этого слоя совпадает с отметкой пола здания 10 – отметка ±0,000 на фиг.1 и 2.

На фиг.2 изображен этот же фундамент на момент окончания активной фазы землетрясения, когда сваи 1, промежуточная подготовка 4 получат такие же остаточные смещения (по (4)), как и окружающий грунт. Эксцентриситет между центрами 7 (ростверка 3 и стены 8 надземной части здания) и 6 свай 1 увеличился на величину U_о(I) по (4). Для семи-, восьми- и девятибалльных землетрясений остаточные смещения равны соответственно: U_o(7)=7,24 мм, U_o(8)=43,7 мм, U₀(9)=263,0 мм. С учетом этих смещений ширина ростверка, которую рекомендуется принимать равной расстоянию между наружными гранями оголовков крайних рядов свай, увеличиваем в каждую сторону на величину U₀(I). А при определении расстояния между рядами свай 1 и между сваями 1 в ряду учитывают не только вертикальную составляющую сейсмической нагрузки N_a, но и дополнительный сейсмический момент M_eq.

В 8-балльной сейсмической зоне, в здании с жесткой конструктивной схемой под центрально нагруженной средней продольной стеной в уровне подошвы ростверка (на отметке DL) погонная нагрузка к основному сочетанию усилий q_I=720 кН/м; напластования грунтов: ИГЭ-1 – песок мелкий, рыхлый, h₁=4,0 м; ИГЭ-2 – супесь пластичная, консистенция I_L=0,4, коэффициент пористости е=0,75; ИГЭ-3 – глина полутвердая, I_L=0,1, коэффициент пористости е=0,80. Грунты ИГЭ-1 и ИГЭ-2 относятся (в соответствии с табл.1 СНиП II-7-81*) к III категории, их суммарная мощность – 6 м составляет более половины в 10-метровом основании, следовательно, все основание относится к III категории по сейсмическим свойствам, а сейсмичность объекта I=8+1=9 баллов. Тогда (согласно п.3.37 СНиП П-7-81*) вертикальная сейсмическая нагрузка составит 30% соответствующей вертикальной статической нагрузки, то есть q_I,_eq=720·1,3=936 кН/м. Приняв отметку низа оголовка на глубине 0,9 м от подошвы ростверка и сваю С7-30, на 1,6 м заглубленную в полутвердую глину, получаем по формулам и таблицам СНиП 2.02.03-85* несущую способность F_d=812,2 кН, а допускаемую нагрузку на сваю Р=F_d/_k=812,2/1,4=580,2 кН. Соответствующие значения к расчету на особое сочетание усилий – на сейсмику: F_d,eq=882,6 кН, Р_eq=630,4 кН, 1,2 Р_eq=756,5 кН. Расчетное значение шага свай на основное сочетание нагрузок а=Р/q_I=580,2/720=0,806 м. Из расчета на основное сочетание нагрузок принимаем двухрядное расположение свай (в шахматном порядке): расстояние между рядами свай 2 y_N=0,45 м, фактическое расстояние между осями свай должно быть не менее трех диаметров свай 3×0,3=0,9 м; L=(0,80²+0,45²)^0,5=0,92 м. В каждом ряду сваи через 1,6 м, фактический шаг свай – а=0,80 м.

Расчет на особое сочетание усилий. В начале землетрясения остаточные смещения близки к нулю (то есть действует только вертикальная составляющую сейсмической нагрузки N_a).

При a_N=0,80 м среднее значение нагрузки на сваю составит N_d,eq=936×0,8=748,8 кН>Р_eq=630,4 кН, что недопустимо. Шаг свай a_N (при N_eq>0 и M_eq=0) двухрядного свайного фундамента

а расстояние между двумя рядами свай

.

По (5) и (6) a_N=630,4 кН/936 кН/м=0,674 м, 2y_N=0,596 м; принимаем a_N=0,65 м и расстояние между двумя рядами свай 2у_N=0,65 м, у_N=0,325 м расстояние между осями свай по диагонали L=0,65×2^0,5=0,92 м, что больше 0,9 м.

В настоящее время считается, что направление действия сейсмических сил может быть произвольным; принимаем наихудший вариант – остаточные смещения будут нормальными к продольной оси стены и фундамента. При двухрядном расположении свай в ленточном свайном фундаменте из условия – максимальная нагрузка на сваю N_св.max (в соответствии с п.3.10; 3.11 СНиП 2.02.03-85*, М., 2004) не должна превосходить 1,2P_eq – следует:

где a_NM – шаг свай с учетом действия N и М; a_NMa_N.

С учетом (5) имеем соотношения, показывающие как зависят шаг свай и расстояние между рядами свай от сейсмического эксцентриситета, которому пропорционален изгибающий момент -M_eq=N_ае_eq:

При проектировании в 7-ми- и 8-балльных сейсмических зонах сталкиваемся со случаями «малых эксцентриситетов»: из (8) следует, что при е_eq0,2 у_N,i шаг свай а_NM может быть принят таким же, как a_N. Принято 0,2у_N,I=0,2×0,325=0,065 м. Примем е=0,01 м, тогда в 7-балльной зоне е_eq=0,01+0,0073=0,0173 м<0,2у_N,i=0,065 м. А в 8-балльной зоне е_eq=0,01+0,0434=0,0534 м<0,2у_N,I=0,065 м. Следовательно, в 7-ми- и 8-балльных сейсмических зонах из-за малости остаточных сейсмических смещений параметры a_N=0,65 м и 2y_N=0,65 м, принятые с учетом действия только вертикальной составляющей сейсмической нагрузки (или на начальный момент землетрясения, когда U₀(I)=0), остаются без изменения. В 9-балльной сейсмической зоне e_eq=0,273 м>0,2у_N,I=0, 065 м, расстояния между сваями в ряду и между двумя рядами свай принимаем с учетом (8) и (9). Увеличим расстояние между рядами свай 2y_NM=0,80 м, у_NM=0,40 м; тогда по (8) шаг свай а_NM=0,460 м. Принимаем а_NM=0,45 м, 2 у_NM=0,80 м (отметим, что при расчете на основное сочетание нагрузок принимались размеры: a_N=0,80 м, 2у_NM=0,45 м, то есть при учете М_eq потребность в сваях возросла в 1,78 раза).

Проверим выполнение неравенства (3). Расчетный участок стены длиной l=0,45 м×6=2,7 м (6 свай в шахматном порядке, между рядами свай – 0,8 м), нагрузка N_d,eq=936×2,7=2527,2 кН, изгибающий момент из плоскости стены: М_eq=2527,2 кН×0,273 м=689,9 кН.м по(3).

N_max/min=2527,2/6±689,9×0,4/6×0,4²=412,2±287,46 кН.

Средняя нагрузка на сваю N_d,eq=412,2 кН<Р_eq=630,4 кН; N_max=699,46 кН<1,2Р_eq=756,5 кН. Свая не догружена на (57,04/756,5)×100%=7,5%<10%.

Отдельно стоящий фундамент под колонну целесообразнее выполнять не стаканного типа, а на выпусках арматуры из плитной части ростверка. Размеры b и l монолитного ростверка увеличиваются в каждую из четырех сторон на величину U₀(I) по сравнению с расстоянием между наружными гранями оголовков крайних рядов свай (последние размеры – согласно рекомендациям: Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика. -М.: Стройиздат, 1985, с.291 – без учета остаточных смещений грунта и свай при землетрясениях). Количество свай в фундаменте под колонну – не менее четырех, так как при расчете свайного фундамента остаточное смещение грунта вместе со сваями на величину U₀(I) возможно в любом направлении.

Формула изобретения

1. Сейсмостойкий свайный фундамент, состоящий из располагающихся рядами свай с оголовками, промежуточной подушки из гранулированных материалов, монолитного ростверка, отличающийся тем, что подошву монолитного железобетонного ростверка располагают на отметке спланированной поверхности грунта, его верх совмещают с отметкой подошвы пола здания, между подошвой ростверка и промежуточной подушкой из гранулированных материалов располагают скользящий слой, с внутренней стороны здания боковую и верхнюю горизонтальную поверхность ростверка отделяют от окружающей среды слоем легкого бетона, при этом ширину ростверка принимают такой, чтобы от наружных граней оголовков крайних рядов свай до наружных граней ростверка в каждую сторону расстояние было равным величине остаточного смещения от землетрясения U₀(I), мм, которое определяют из зависимости lg U₀=-4,6+0,78 I, где I – балльность землетрясения, причем количество рядов свай в ленточном фундаменте не менее двух, а в отдельно стоящем фундаменте под колонну количество свай не менее четырех.

2. Сейсмостойкий свайный фундамент по п.1, отличающийся тем, что арматура монолитного ростверка отдельно стоящего фундамента под колонну выполнена в виде армокаркаса, включающего поперечную арматуру и выпуски рабочей арматуры для соединения с рабочей арматурой колонны.

РИСУНКИ