книги из ГПНТБ / Фисенко, Г. Л. Укрепление откосов в карьерах

откоса. В противном случае в результате осыпей сваи обнажаются и перестают воспринимать давление вышележащих пород.

Аналогичный процесс происходит в случаях, когда откос усту­ па включает отдельные прослои сыпучих пород.

Глубина заделки концов свай в ненарушенный массив ниже потенциальной поверхности скольжения зависит от прочности по­ род и давления на сваи со стороны призмы обрушения. Эта глуби­ на в каждом конкретном случае определяется расчетом.

С подобной задачей в строительной практике сталкиваются ис­ следователи и проектировщики, определяя оптимальную глубину забивки свай, работающих на горизонтальную нагрузку. Наиболее известны в этой области работы профессоров И. Н. Прокофьева, Н. В. Яропольского, Н. В. Лалетина, В. Г. Березанцева, Б. Н. Жемочкина. Большие экспериментальные работы проведены ВНИИГС и Фундаментпроектом. Однако в связи со сложностью характера взаимодействия системы «свая — грунт» не решена проблема ра­ боты сваи на горизонтальную нагрузку.

Сваи, работающие на горизонтальную нагрузку, отличаются от свай, помещенных в деформирующийся массив, характером и рас­ пределением нагрузки. Кроме того, забивные сваи работают в ус­ ловиях полупространства, в то время как поверхность скольжения в массиве находится в замкнутом пространстве. Эти различия влияют на напряженное состояние среды в верхней зоне замка сваи, но ниже этой зоны условия не меняются.

Для решения поставленной задачи использовался метод проф. Б. Н. Жемочкина [24], примененный им для расчета заделки стержня в упругом полупространстве. Этот метод основан на пред­ положении, что деформации, возникающие в материале заделки (в нашем случае в горных породах), не выходят за пределы упру­ гих. С точки зрения точности метод Б. Н. Жемочкина относится к инженерным методам расчета. Теоретической его основой является курс сопротивления материалов, поэтому для расчетов принима­ ются следующие исходные условия (рис. IV. 13, а):

поперечное сечение сваи мало по сравнению с длиной и для расчета на изгиб применимы обычные формулы сопротивления материалов; при изгибе сваи ее поперечное сечение по всей длине остается неизменным, т. е. перемещения по ширине сваи всегда одинаковы; нагрузка на упругое полупространство распределяется равномерно по ширине сваи; поперечное сечение сваи может быть как прямоугольным, так и круглым.

Между сваей и стенками скважины (упругой средой) помешен ряд бесконечно малых абсолютно жестких «стержней-связей» на равных расстояниях друг от друга. Усилия от свай упругой среде передаются только через них. Чтобы сосредоточенные силы не вы­ зывали бесконечно больших перемещений, нагрузку равномерно распределяем по длине и ширине участков (с — длина, b — шири­

121

и горной породой, получается ступенчатой. Величина ступени тем

шесть участков (максимально 10).

Расчет производится в следующей последовательности. Услов­ ные связи заменяются силами Х0, Хи Х2,..., Хп. В точке 0 добавля­ ется закрепление-заделка (рис. IV, 13, б). Кроме сил X, неизвест­ ными будут также угол поворота сваи в заделке и ее перемещение...

"Т777

Уравнения составляются исходя из того, что суммарные переме­ щения по направлению каждой силы равны нулю. Например, пере­ мещение по направлению силы Х{ складывается из перемещения от действия всех сил, из перемещения от поворота сваи на угол фо, равного фоCLf и перемещения U0. Уравнение для i-ой силы X имеет вид:

ме этих уравнений, составляются еще два уравнения равновесия:

делке разбивается на пять-шесть участков, система содержит семьвосемь уравнений. Для ее решения необходимо предварительно рассчитать коэффициенты к каждой силе, входящей в уравнения,, а также определить величину деформаций — перемещения и угол поворота в каждом сечении.

На современном уровне развития методов решения сложных практических задач с помощью вычислительной техники наиболее целесообразным является использование различных графиков и таблиц, рассчитанных на ЭЦВМ для конкретных условий.

На рис. IV. 14 приведены графики, рассчитанные для определе­ ния необходимой длины замков свай набивного типа. Арматурой

122

в сваях такого типа служат бывшие в употреблении железнодо­ рожные рельсы тяжелого типа. В связи с тем что упругие харак­ теристики горных пород, для укрепления которых применяется свайная крепь, близки, оказалось возможным рассчитать такие графики. То же самое относится и к сваям набивного типа, в ко­ торых в качестве арматуры применяются рельсы тяжелого типа и, следовательно, упругие характеристики свай также мало отлича­ ются. Но необходимо учитывать, что значения длин замков, полу­ чаемые по этим графикам, приближенны.

а

При работе свай на горизонтальную нагрузку породы на неко­ торую глубину от поверхности деформируются в результате сдви­ га. По данным проф. В. Г. Березанцева [7], глубина зоны сдвига

а = (0,16 — 0,20) h,

где h — длина замка сваи.

Опыты-свидетельствуют о том, что даже в грунтах среднего ка­ чества необратимые деформации распространяются только на не­ которую глубину от поверхности. Ниже зоны сдвига происходит уплотнение грунта и пластические деформации постепенно перехо­ дят в упругие. Следовательно, если глубину заделки замка сваи увеличивать соответственно мощности зоны остаточных деформа­ ций (зоны сдвига), то он окажется в зоне упругих деформаций.

няемые на карьерах сваи с арматурой из рельсов тяжелого типа).

123

Для пользования графиками необходимо знать предельное со­ противление пород сжатию, а также величину давления призмы обрушения; при работе свай на срез — величину перерезывающей силы, при изгибе — величину изгибающего момента и перерезываю­ щей силы.

Порядок пользования графиками следующий. По оси абсцисс находится точка с соответствующим предельным сопротивлением пород сжатию. Эта точка может оказаться справа или слева от кривой интересующего нас изгибающего момента или поперечной силы. В первом случае принимается глубина заделки, соответ­ ствующая давлению горных пород (точка пересечения кривой мо­ мента и силы с осью ординат). Во втором случае предельное со­ противление пород сжатию меньше напряжений, вызываемых дав­ лением призмы обрушения. Следовательно, сваю необходимо за­ глубить ниже зоны разрушения пород. Для нахождения глубины этой зоны из точки на оси абсцисс проводится прямая, параллель­ ная оси ординат, до пересечения с нужной кривой момента или по­ перечной силы, а из точки их пересечения — прямая, параллельная оси абсцисс, до пересечения с осью ординат. Полученное таким образом приращение глубины суммируется с постоянной глубиной для данной кривой момента или силы. Промежуточные значения получаются интерполированием.

данным напряжением, а слева от нее — кривую с соответствующим моментом. Искомая глубина заделки от действия изгибающего мо­ мента hi = l,25 м. На графике IV, 14,6 перерезывающей силе Q= = 50 тс соответствует глубина заделки /12 = 0,55 м. Напряжения при этом намного меньше заданных. Тогда полная глубина заделки замка сваи h = 1,25+0,55= 1,8 м.

При том же значении изгибающего момента Дсж=400 кгс/см2. На графике рис. IV. 14, а, находим приращение глубины Aftj = = 0,53 м. Тогда полная глубина h = 1,25 + 0,53 + 0,55 = 2,33 м.

Из графика рис. IV. 14, б видно, что при отсутствии изгибаю­ щих моментов, даже при больших значениях поперечной силы, максимальная глубина заделки сваи составляет 0,75 м.

По данным В. С. Миронова 141], оптимальная глубина забивки свай в грунты средней прочности составляет 4—5 м. Увеличение глубины заметного эффекта не оказывает. То же самое наблюда­ ется на моделях уступа, изготовленных из оптически активных ма­ териалов и укрепленных сваями различной длины. Таким образом, минимальную глубину, с учетом некоторого запаса, можно прини­

124

пробуренные скважины арматуры того или иного вида и ее после­ дующего бетонирования.

Работы по установке свай подразделяются на три этапа: а) бурение скважин под сваи;

б) спуск арматуры в скважину и подготовка скважины к бе­ тонированию или цементации;

в) заливка в скважину предварительно изготовленного бетона или цементного раствора с одновременной цементацией окружаю­ щих сваю пород.

В качестве гибкой арматуры используются стальные стержни, периодического профиля (см. табл. IV. 5). Связанные поперечной арматурой (хомутами), они образуют каркас, который опускают в скважину и заливают бетоном. Рабочие стержни изготовляют из горячекатанной стали периодического профиля, преимущественно классов А:11-^А-П1. Расчетные сопротивления сталей, прини­ маемые для железобетонных конструкций, приведены в табл. IV. 6- [59].

Диаметр применяемых стержней обычно колеблется от 6 до 40 мм. В качестве поперечной арматуры применяется круглая сталь марки Ст. 0 и Ст. 3 диаметром — 6—8 мм.

тов вязаных каркасов расчетное сопротивление проволоки принимается как для горячека­ таной стали класса A-I (п. 1).

125

Для жесткой арматуры используется прокат из уголков швел­ леров и двутавров, а также железнодорожные рельсы. Наиболее целесообразным является применение рельсов типа Р-43, Р-50.

После установки арматуры скважина заполняется бетонной сме- -сью, состоящей из вяжущего материала, воды и заполнителей. В качестве заполнителей используется щебень, гравий и песок. Для -бетона, используемого в железобетонных сваях, применяется ще­ бень с размером фракций 40 мм.

К группе цементов, применяемых для приготовления бетонов и

.растворов, относятся все виды портландцементов, шлакопортландцементов, глиноземистые цементы и др.

Сопротивления бетона при расчете конструкций на прочность приведены в табл. IV. 7 [59].

с применением автоматического и полуавтоматического дозирова­ ния составляющих смеси,— 1,1;

б) для глиноземных цементов при расчете изделий на растя­ жение — 0,7;

в) для железобетонных свай любого диаметра, изготовляемых непосредственно в скважинах в вертикальном положении, — 0,85;

г) при диаметре свай менее 300 мм — 0,85.

Бурение скважин для свай может производиться любым из бу­ ровых станков, имеющихся на карьере. Выбор станка определя­ ется необходимым диаметром и типом сваи. В настоящее время на карьерах широко применяются станки для бурения скважин диа­ метром 100—110 мм (БМК-4, СБМК-5, БА-100, НКР и др.) и диа­ метром 200—300 мм (канатно-ударного и шарошечного бурения).

Для укрепления откосов применяют сваи различных диамет­ ров — от 250 до 1000 мм.

Из перечисленных способов бурения скважин под сваи пред­ почтение следует отдавать вращательному, так как при этом спо­ собе достигается большая производительность бурения, трещины

126

в массиве не засоряются раздробленной породой. Кроме того, на­ ряду с укреплением пород сваями производится и их цементация.

В скважины, пробуренные и очищенные, опускается арматура; спуск ее производится с помощью автокрана и бульдозера. Подъ­ емный крюк автокрана крепится к арматуре (рельс, двутавр и др.) на такой длине, чтобы обеспечить ее подъем над скважиной. После спуска арматуры на 2/з длины она расклинивается в скважине но­ жом бульдозера и производится отцепка подъемного троса. Под действием собственного веса арматура падает в скважину. Она устанавливается так, чтобы плоскость наибольшей жесткости рас­ полагалась в плоскости действия сдвигающей силы. Для лучшего скольжения рельса в скважине конец его заостряется. Пространст­ во между арматурой и стенками скважины заполняется бетоном (для случая, когда не преследуется цель цементации окружающих пород). Состав бетона подбирается таким образом, чтобы обеспе­ чить заданные свойства бетонной смеси при наименьшем расходе цемента. Изготовляется он из вяжущих заполнителей и добавок, удовлетворяющих требованиям СНиП 1-В, 3-62.

При укладке бетона для лучшего наполнения скважины приме­ няют электровибраторы.

В тех случаях, когда укрепление ослабленных участков железо­ бетонными сваями ведется с одновременной цементацией массива, работы выполняются в следующем порядке. После спуска армату­ ры в скважину пространство между арматурой и стенками скважи­ ны заполняется щебнем с размером зерен не более 40 мм. Устье скважины закрывается бетонной пробкой высотой 1,5—2 м с забе­ тонированной в ней трубкой-кондуктором (рис. IV. 15). Затем про­ изводится нагнетание цементного раствора.

Бетонные и железобетонные шпоны по принципу работы анало­ гичны сваям, рассчитываемым на деформации среза. В отличие от свай, диаметр которых равен диаметру скважин, шпоны могут иметь увеличенный диаметр. Вначале бурят скважины обычного диаметра, а затем камуфлетными взрывами увеличивают полость до необходимых (или возможных) размеров. В скальных породах расширение создается в результате прострелки скважин, а в сла­ бых рыхлых породах — вследствие уплотнения среды вокруг сква­ жин. Вместе с образованием полости происходит уплотнение рых­ лых пород вокруг заряда. По данным П. А. Власова, радиус уплот­

ной скважины. С увеличением глубины расположения зоны сколь­ жения уменьшается коэффициент использования скважины, кото­ рый определяется по формуле

где I — высота шпона;

hi — глубина скважины.

127

Расчет шпон на срез производится по формулам (III.30), (IV.24).

Технология производства работ по сооружению бетонных шпон в полостях, образованных взрывами камуфлетных зарядов ВВ, включает: бурение скважин с обсадкой их трубами (в рыхлых по­ родах) с перфорацией в нижней части; заряжание и взрывание ка­ муфлетных зарядов в скважинах; нагне­ тание укрепляющего песчано-цементного

раствора.

передающая давление цементного раствора на рабочую жидкость проточной камеры; 4 —цементационная голов­

бень; 12 — скважина

Камуфлетное взрывание применяется и в строительной практике при сооружении свайных фундаментов. Технология сооружения свай с камуфлетной пятой, рекомендуемая в работе [66], преду­ сматривает заполнение скважин цементным раствором жидкой кон­ систенции еще до взрывания заряда. Раствор в данном случае слу­ жит забойкой.

Преимущество этого способа заключается в том, что обрушение стенок скважин в результате действия отраженной взрывной вол­ ны незначительно. Путем замера величины оседания бетона в скважине после взрыва, можно рассчитать объем образовавшейся

где V — объем бетона, вышедшего из цилиндрической части сква­ жины.

128

Диаметр зоны влияния взрыва в зависимости от состояния по­

где х' — коэффициент, определяющий соотношение силы взрывча­ того вещества и крепости пород у основания скважины; С{ — масса взрывчатого вещества, необходимого для разрушения 1 см2 сечения обсадной трубы; S nб — площадь обсадной трубы, см2.

Значения коэффициента х' для аммонитов в различных поро­ дах [66]:

■ Сопротивление сдвигу бетонных шпон, сооруженных по приве­ денной технологии, принимается в несколько раз большим сопро­ тивления сдвигу обычных свай, диаметр которых равен диаметру скважин.

Сопротивление бетона срезу, по данным лабораторных испыта­ ний, составляет 3—7 кгс/см2,. в зависимости от марки бетона. Для железобетонных шпон с различным процентом армирования и ка­ чеством арматуры сопротивление срезу принимается равным 0,5ч- -Т0,6 Rp (Rp — расчетное сопротивление железобетона растяже­ нию).

Сопротивление сдвигу породобетонных шпон зависит от соот­ ношения объема трещин и пустот, заполняемых бетоном, а также от сцепления между бетоном и породой в зоне сдвига. По данным лабораторных испытаний, это сцепление можно принять равным 2—3 кгс/см2 для пород типа аргиллитов, алевролитов, песчаников. Более точные значения для конкретных пород могут быть получены путем лабораторных или натурных испытаний.

Число бетонных шпон или породобетонных блоков, необходимых для укрепления участка, определится из формулы

§4. КОНТРФОРСЫ, ПОДПОРНЫЕ И ЗАЩИТНЫЕ СТЕНКИ

Ра с ч е т п о д д е р ж и в а ю щ и х . с о о р у ж е н и й . Контрфорсы из скальных пород выполняют роль пригрузки, оказывая стабили­ зирующее действие иа оползни. Сопротивление контрфорса сдвигу

определяется: объемным ве­ сом горных пород, из кото­ рых отсыпается контрфорс; геометрическими размерами контрфорса и его формой; величиной коэффициента трения в основании контр­ форса; углом внутреннего трения и сцеплением пород внутри контрфорса.

Общее сопротивление контрфорса сдвигу должно равняться оползневому дав­ лению с учетом запаса ус­ тойчивости. Наименьшее соотношение удерживающих и сдвигающих сил будет иметь место в основании контрфорса и зависеть от величины нормального дав­ ления (рис. IV.16). Усло­ вие устойчивости контрфор­ са против сдвига по осно­ ванию

поверхности скольжения. В простейшем случае, когда поверхность скольжения плоская, условие устойчивости контрфорса опреде­ лится по формуле

{ (cos Ф+ sin <р tg р„)