Различные виды нагрузок на свайные фундаменты и их расчеты

Свайный фундамент – это наиболее распространенный тип фундамента глубокого заложения, используемый для передачи структурных нагрузок, а именно осевой нагрузки и боковой нагрузки в более глубокие слои прочного грунта. Необходимо понимать типы нагрузок на сваи и механизм их передачи, чтобы выбрать и спроектировать подходящий тип свай.

Осевые нагрузки создают сжимающие или растягивающие усилия, которые действуют параллельно оси фундамента. Если свая вертикальна, то осевая нагрузка равна вертикально приложенной нагрузке. Боковые нагрузки создают моменты и сдвиги и последующий боковой прогиб свайного фундамента. Боковой прогиб вызывает боковое сопротивление в прилегающем грунте.

1. Осевые нагрузки

Осевая нагрузка может быть либо сжимающей (опускание), либо растягивающей (подъем). При сжимающей нагрузке глубокие фундаменты сопротивляются нагрузке за счет сопротивления трения и сопротивления носка опоры, как показано на рис. 1.

Однако, когда нагрузка растягивающая, сопротивление возникает за счет бокового трения и веса фундамента, как показано на рис. 1. В глубоких фундаментах с расширенным основанием восходящие нагрузки также сопротивляются за счет опоры вдоль потолка расширенного основания. Осевые нагрузки состоят из мертвой нагрузки, живой нагрузки, нагрузки от снега и льда, которые передаются от надстройки на свайный фундамент.

Осевые нагрузки на сваи

Мертвые и живые нагрузки

Мертвые нагрузки могут быть рассчитаны после того, как проектировщик конструкции предоставит все подробности о конструкции надстройки. Что касается живой нагрузки, то для расчета живой нагрузки используются действующие нормы, основанные на типе и назначении каждого помещения в здании.

Если такой информации нет, можно определить начальную оценку нагрузки на каждый этаж в случае высотных зданий, которая составляет от 10 до 15 кПа на этаж. Собственный вес свайного фундамента зависит от толщины плота, размеров и количества свай, а также удельного веса бетона.

2. Боковые нагрузки

Боковые нагрузки создают сдвиги и моменты в заглубленном фундаменте, как показано на рис. 2. Эти сдвиги и моменты создают боковые прогибы фундамента, которые в свою очередь мобилизуют боковое сопротивление в прилегающем грунте.

Величина этих боковых прогибов и сопротивлений, а также соответствующая несущая способность фундамента зависят от жесткости грунта и фундамента.

Свайные фундаменты обычно получают сопротивление боковым нагрузкам от пассивного сопротивления грунта на лицевой стороне оголовка, сдвига на основании оголовка и пассивного сопротивления грунта против стволов свай. Последний источник обычно является единственно надежным.

Боковые нагрузки на сваи

Ветровые нагрузки

Ветровая нагрузка создает значительную эксцентрическую нагрузку на план фундамента, как показано на рис. 3. Как правило, ветровая нагрузка на сооружение может рассматриваться как 1,5% от мертвой нагрузки или давления 2 кПа для высоких сооружений до 200м. Если конструкция выше 200 м, то для расчета давления ветра используется испытание в аэродинамической трубе. Различные стандарты предоставляют процедуры для оценки ветровой нагрузки, такие как ASCE7 и AS1170.2-2011.

Ветровая нагрузка на здания, передаваемая на свайный фундамент

Нагрузки при землетрясении

Подобно ветровой нагрузке, сейсмическая нагрузка создает большую эксцентрическую нагрузку на план фундамента. Этот тип нагрузки в основном горизонтальный и должен быть учтен при проектировании свай.

Проектировщик должен учитывать инерционные эффекты, связанные с нагрузками, приложенными к свае несущей конструкцией, кинематические эффекты, связанные с движениями грунта, вызванными землетрясением, действующими на сваю, возможную потерю опоры грунта во время землетрясения из-за разжижения или частичной потери прочности грунта. Нагрузки от землетрясения рассчитываются с помощью спектров отклика и динамического структурного анализа.

Нагрузки от землетрясения на свайный фундамент

Нагрузки от давления грунта

Нагрузки от давления грунта особенно связаны со стенами подвала и системой подконструкций. Начиная с самой ранней стадии проектирования, для расчета нагрузок от давления грунта можно использовать теорию давления грунта. Однако для детального и окончательного проектирования используется взаимодействие грунта и конструкции.

Нагрузки, вызванные движением грунта

Движение грунта является еще одной причиной боковых нагрузок, действующих на свайный фундамент. Желательно рассматривать взаимодействие между системой фундамента и источником движения грунта через величину движений грунта, а не пытаться напрямую преобразовать движение грунта в эквивалентную силу.

3. Другие нагрузки

Другие
источники нагрузок, которые необходимо учитывать, включают снег, лед, тепловое
эффекты, сильные удары и взрывы. Требования по учету таких нагрузок
изложены в соответствующих стандартах, регулирующих конструктивное проектирование зданий.

• Типы свай в зависимости от передачи нагрузки, функции, материала и грунта.
• Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
• Как защитить металлические кровельные панели в холодном климате?.
• Расстояние между сваями и трение кожи в конструкции свайной группы.
• Проектирование навесных стен для ветровых нагрузок – детали и расчеты.
• Стоимость свайного фундамента в сравнении с другими фундаментами для строительных проектов.
• Стальные свайные фундаменты – типы, конструкция и соединения.