книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

Рис. 11.9. Последовательность изготовления сваи Страуса:

а — бурение скважины под защитой обсадной трубы; б, в — соответственно бетонирование с трамбованием и постепенным извлечением обсадной трубы; г — готовая свая

роко применяются инвентарные обсадные трубы, нижний конец которых при погружении закрывается чугунным или железобетон­ ным съемным башмаком, который при подъеме трубы остается в грунте, образуя острие сваи. В сваях типа Франки роль башмака выполняет бетонная пробка, которая заполняет нижний конец об­ садной трубы. Погружение трубы в грунт производится сильными ударами по пробке специальной трамбовкой. На проектной отметке трубу удерживают тросами от дальнейшего погружения, а пробка частично выбивается в грунт, образуя уширенную грушевидную пяту в 1,5...2 диаметра трубы.

Сваи с неизвлекаем ой оболочкой применяют, когда отсут­ ствует возможность качественного изготовления свай с извлекаемой оболочкой. Такие условия создаются на площадках, сложенных водонасыщенными глинистыми грунтами текучей консистенции с прослойками песков и супесей, где под напором подземных вод ствол сваи на отдельных участках может быть разрушен во время твердения бетонной смеси.

Сваи с неизвлекаемой оболочкой стоят дорого и используются в основном в гидротехническом и транспортном строительстве.

11.2. Взаимодействие свай с окружающим грунтом

Взаимодействие свай с окружающим грунтом носит сложный

зывают влияние на несущую способность и осадки свайного фундамента, от их правильного учета во многом зависит

291

точность расчета и экономическая эффективность применения свай.

Процессы, происходящие в грунте при устройстве свайных фун­ даментов, по данным исследований В. Н. Голубкова, А. А. Луги, Б. И. Далматова и др., зависят от типа свай, грунтовых условий, технологии погружения и изготовления свай и т. п. Так, сплошная свая при погружении вытесняет объем грунта, равный ее объему, в результате чего хрунт около сваи уплотняется, а часть его вытес­ няется вверх, вызывая подъем поверхности грунта вокруг свай. В рыхлых песках и песках средней плотности, а также в ненасыщен­ ных водой глинистых грунтах, уплотнение которых протекает быст­ ро, перемещение грунта вверх незначительно и приводит лишь к небольшому подъему поверхности грунта. В водонасыщенных глинах и суглинках уплотнение происходит только в результате отжима воды из пор грунта и, поскольку этот процесс протекает медленно, за время погружения свай грунт не успевает уплотняться и большая его часть вытесняется вверх, что сопровождается значи­ тельным подъемом поверхности грунта в пределах свайного поля.

Зона уплотнениягрунта вокруг забивных свай сплошного сече­ ния имеет радиус порядка трех диаметров сваи. Откопка опытных свай показала, что эта зона неоднородна: непосредственно около сваи грунт имеет нарушенную структуру и сильно уплотнен, по мере удаления от сваи структура и плотность грунта приближаются к естественной. Под нижним концом сваи зона уплотненного фунта имеет форму, близкую к сферической, и распространяется на глуби­ ну до 3...4 диаметров сваи. Если по проекту нижние концы сваи забиваются в плотные пески, то, как показали опыты X. Кипшды (Япония) и А. В. Пилягина, наблюдается обратное явление — разу­ плотнение грунта. .

Учитывая явление уплотнения грунта при погружении свай, ре­ комендуют такую последовательность их забивки. Во всех случаях, а в плотных грунтах особенно, забивку следует вести от середины свайного поля к его периметру. Если это правило не соблюдается, средние сван не всегда удается погрузить до заданной глубины из-за сильного уплотнения грунта, вызванного забивкой предыдущих свай.

При забивке полой сваи образовавшаяся уже в начале погруже­ ния грунтовая пробка приводит к формированию конусообразного грунтового ядра, играющего роль заострения сплошной сваи. В ре­ зультате характер деформации грунта вокруг полой сваи будет таким же, как и вокруг сплошной. Если в процессе погружения грунт удаляется из полой сван, уплотнение окружающего грунта будет незначительным и он сохранит структуру, близкую к природной.

Вслучае свай, изготовленных на месте, процессы, происходящие

вгрунте, зависят от применяемой технологии. Если при устройстве скважины используется бурение, это не приводит к изменению штотности и структуры грунта вокруг свай. Если же скважина

292

формируется внедрением инвентарной трубы или каким-либо дру­ гим способом, сопровождающимся отжатием грунта в стороны, то характер деформации грунта вокруг сваи будет примерно таким же, как и вокруг сплошной сваи.

Как показала практика, изменение структуры и плотности грун­ та при забивке свай может сопровождаться временным увеличением или уменьшением сопротивления сваи ее погружению. Здесь боль­ шое значение имеют не только свойства самого грунта, но и спосо­ бы погружения сваи.

Как правило, при забивке свая сначала погружается в грунт очень легко и быстро. По мере погружения возрастают силы трения по ее боковой поверхности и сопротивление грунта под нижним концом. В результате скорость погружения замедляется. При моло­ тах ударного Действия скорость погружения сваи принято харак­ теризовать величиной ее погружения от одного удара, называемой отказом сваи. По величине отказа, который замеряется при до­ стижении сваей проектной отметки, можно судить о ее сопротивле­ нии, поскольку чем меньше отказ, тем, очевидно, больше несущая способность сваи. Одаа1ю.^^ТфАвидьно£ оценки несущей способ­ ности сваи по величине отказа следует учитывать ряд специфичес­ ких процессов, происходящих в окружающем грунте при ее забивке.

При забивке свай в маловлажные пески плотные и Средней плотности под нижним концом сваи образуется переуплотненная упругая зона, препятствующая погружению, что приводит к быст­ рому уменьшению отказа свай вплоть до нулевого значения и даль­ нейшая попытка забить сваю может привести к разрушению ее ствола. Если прекратить забивку, то через некоторое время в ре­ зультате релаксации напряжений сопротивление грунта под нижним концом сваи снизится. Поэтому, если через несколько дней снова возобновить забивку, свая опять начнет легко погружаться в грунт.

Описанное явление носит название лож ного отказа, время, необходимое для релаксации напряжений, называется отды хом сваи, а отказ, определенный после отдыха сваи и характеризующий ее действительную несущую способность,— действительны м о тк азо м ..

Продолжительность отдыха для песчаных грунтов составляет 3...5 сут.

Образования переуплотненной зоны грунта, препятствующей погружению сваи, можно избежать применяя молоты двойного действия или вибропогружатели. При сотрясениях грунта, вызыва­ емых частыми ударами молотов двойного действия, уплотненная зона грунта цоднижним концом сваи практическине образуется, а при вибрации, создаваемой вибропогружателем, резко снижаются силы внутреннего трения в песке и он становится подвижным, приобретая свойства жидкости.

При забивке свай в глинистые грунты часть связной воды пере­ ходит в свободную, грунт на контакте со сваей разжижается (тик-

293

забивке свай в глинистые грунты можно в значительной мере снизить, если погружение производить молотами одиночного дейст­ вия с большим весом ударной части и небольшой частотой ударов.

При погружении свай в гравелистые и не насыщенные водой глинистые грунты отдых сваи мало влияет на величину отказа, т. е. не приводит к изменению несущей способности сваи.

Процессы, происходящие в грунте при работе свай под нагрузкой, не менее сложны, особенно в случае висячих свай.

Известно, что вертикальная нагрузка, воспринимаемая висячей сваей, передается на грунт через ее боковую поверхность и нижний конец. В результате в грунте вокруг сваи возникает напряженная зона, имеющая сложное криволинейное очертание (рис. 11.10, а). Эпюра вертикальных нормальных напряжений а2на уровне нижне-. го конца свай имеет выпуклую форму. Принято считать, что напря­ жения аг распределяются по площади, равной основанию конуса, образующая которого составляет со сваей угол а, зависящий от сил трения грунта по ее боковой поверхности.

При редком расположении свай в кусте напряженные зоны грун­ та вокруг них не пересекаются и все сваи работают независимо, как одиночные. При небольшом расстоянии между сваями (как показа­ ли опыты, менее 6d, где d — диаметр сваи) происходит наложение напряжений,, вследствие чего давление на грунт в уровне нижних концов свай возрастает (рис. 11.10,6). Одновременно с увеличением давления под кустом свай формируется и значительно большая по сравнению с одиночной сваей общая активная зона сжатия грунта. Вследствие этих двух причин при одинаковой нагрузке осадка сваи куста при совместной работе свай будет всегда заметно превышать осадку одиночной сваи.

Что касается несущей способности свай куста, то, с одной сторо-

294

ны, дополнительное уплотнение грунта, вызванное забивкой со­ седних свай, приводит к ее увеличению, а с другой — осадка грунта межсвайного пространства в результате совместной работы свай

иосадки грунта под подошвой ростверка приводит к ее уменьше­ нию, поскольку снижаются силы трения по боковым поверхностям свай. Что в итоге больше скажется на несущей способности сваи куста, зависит от многих условий и не всегда легко прогнозируется. Однако опыт показывает, что в глинистых грунтах, а также мелких

ипылеватых песках несущая способность сваи в кусте, как правило, уменьшается по сравнению с несущей способностью одиночной сваи, а в песках крупных и средней крупности — увеличивается.

Описанные следствия совместной работы свай в кустах принято называть кустовы м эффектом. Кустовой эффект проявляется не только при вертикальных, но и при других видах нагрузок на фундаменты, например горизонтальных. Влияние кустового эффек­

та на работу свайных фундаментов сложно, иногда противоречиво и требует тщательного экспериментального изучения.

Изменение начальных свойств грунтов при погружении свай, зависимость этих изменений от технологии устройства свайных фундаментов и используемого оборудования, взаимное влияние свай при их совместной работе в кустах, включение в ряде случаев в работу низкого ростверка и многое другое предопределили чре­ звычайно сложный характер взаимодействия свай с грунтовым ос­ нованием, не поддающийся строгому математическому описанию. Поэтому для решения практических задач фундаментостроения дей­ ствительные условия совместной работы свай и грунтового основа­ ния как единого комплекса заменяют расчетными схемами и моде­ лями, содержащими различные упрощающие допущения и предпо­ сылки. Естественно, что по мере накопления и обобщения опытных данных и совершенствования аналитических методов исследований применяемые в настоящее время на практике условные схемы и ме­ тоды расчета развиваются. Это позволяет снизить заложенные в них «запасы на незнание», расширить область эффективного при­ менения свай и сделать свайные фундаменты более дешевыми и кон­ курентоспособными по сравнению с другими типами фундаментов.

11.3. Расчет несущей способности свай при действии вертикальных нагрузок

Сваи-стойки. Поскольку потеря несущей способности сваейстойкой может произойти либо в результате разрушения грунта под

.ее нижним концом, либо в результате разрушения самой сваи, ее расчет на вертикальную нагрузку проводится по двум условиям: по условию прочности материала ствола сваи и по условию прочности грунта под нижним концом сваи. За несущую способность сваи в проекте принимается меньшая величина.

По прочности материала сваи рассчитываются как центрально

295

сжатые стержни. При низком ростверке расчет ведется без учета продольного изгиба сваи, за исключением случаев залегания с пове­ рхности мощных слоев очень слабых грунтов (торф, ил), а при высоком ростверке — с учетом продольного изгиба на участке сваи, не окруженном грунтом.

Несущая способность по материалу Fdm наиболее широко приме­

няемых в строительстве железобетонных призматических свай рас­ считывается по формуле

Fdm =(p(ycym R bA + ya R sA a) ,

где (р — коэффициент продольного изгиба, обычно принимаемый ( р — 1; у с — коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,85 для свай сечением менее 0,3 х 0,3 м и у с —1 — для свай боль­ шего сечения; у т — коэффициент условий работы бетона, принима­

емый у т = 1 для всех видов свай, кроме буронабивных, для которых: у т =0,9 в случае, если при бурении скважин и изготовлении свай

используются извлекаемые обсадные трубы и отсутствует вода в скважинах, и у т = 0,8 в том же случае, но при бетонировании под водой; у т = 0,7 в грунтах, бурение скважин и изготовление свай

в которых ведется под глинистым раствором; Яь — расчетное со­ противление бетона осевому сжатию, зависящее от его класса, кПа; А — площадь поперечного сечения сваи, м2; уа— коэффициент условий работы арматуры, принимаемый уа= 1; Rs — расчетное

сопротивление сжатию арматуры, кПа, принимаемое по СНиП 2.02.01 — 84; А а — площадь сечения арматуры, м2.

По прочности грунта под нижним концом сваи несущая способ­ ность F d сваи-стойки определяется по формуле

где ус—1 — коэффициент условий работы сваи в грунте; R — рас­ четное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа; А — площадь опираыия сваи на грунт, м2.

Расчетное сопротивление грунта R для всех видов забивных свай принимается равным 20 МПа. Для набивных свай, если они опира­ ются на прочную скальную породу, R определяется по формуле

а для свай, заделанных в невыветрелую скальную породу на глуби­ ну не менее 0,5 м,— по формуле

где RCi „— нормативное значение предела прочности на одноосное

сжатие скального грунта в водонасыщенном состоянии, кПа; yg= 1,4 — коэффициент надежности по грунту; ld— глубина заделки

296

сваи в скальный грунт, м; df— наружный диаметр заделанной в скальный грунт части сваи, м.

Если в основании набивных свай залегают грунты, вскрытие которых при устройстве скважины приводит к их разуплотнению (плотные пылевато-глинистые или выветрелые скальные), то для них расчетное сопротивление R устанавливается только по резуль­ татам испытаний штампами или по результатам испытаний свай статической нагрузкой.

Висячие сваи. Расчет несущей способности вертикально нагру­ женных висячих свай производится, как правило, только по прочно­ сти грунта, так как по прочности материала сваи она всегда заведо­ мо выше.

Сопротивление висячей сваи по грунту принято определять либо расчетом по таблицам СНиП 2.02.03 — 85, либо по результатам полевых исследований.

Расчет по таблицам СНиПа, широко применяемый в практике проектирования и известный под названием «практического мето­ да», позволяет определять несущую способность сваи по данным геологических изысканий. К полевым исследованиям относятся ис­ пытания свай динамическими и статическими нагрузками, а также испытания грунтов статическим зондированием и эталонной сваей.

П рактический м етод. Сжимаю щ ие нагрузки. Практичес­ кий метод определения несущей способности висячей сваи базирует­ ся на обобщении результатов испытаний большого числа обычных и специальных свай вертикальной статической нагрузкой, проведен­ ных в различных грунтовых условиях с целью установления пре­ дельных значений сил трения, возникающих между сваей и окружа­ ющим грунтом, и предельного сопротивления грунта под ее кон­ цом. В результате составлены таблицы расчетных сопротивлений грунтов, которые позволяют определить сопротивление боковой поверхности и нижнего конца сваи и, просуммировав полученные значения по формуле (11.5), найти ее несущую способность Fj (кН):

где ус— коэффициент условий работы сваи в грунте; yCR, ус/ ~ ко­

эффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта (табл. 11.3); R — расчетное сопротивление под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по табл. 11.1; А — площадь поперечного сечения сваи, м2; и — периметр поперечного сечения сваи, м; f — расчетное со­ противление /-го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл. 11.2; А/ — толщина г-го слоя грун­ та, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м (рис. 11.11).

В формуле (11.5) первое слагаемое представляет сопротивление нижнего конца сваи, второе — сопротивление боковой поверхности.

297

Таблица 11.1. Расчетные сопротивления грунта R, кПа, под нижним концом забивных свай

Примечания: 1. Над чертой даны значения R для песчаных грунтов, под чертой — для глинистых. 2. Для промежуточных глубин Zn и промежуточных значений показателя текучести IL значения R определяют интерполяцией. 3. Для плотных песков значения R следует увеличить на 100%, если плотность устанавливалась по данным статического зондирования, и на 60%, но не более 20 МПа, если по другим видам инженерных изысканий.

298

Таблица 11.2. Расчетные сопротивления грунтаft, кПа, по боковой поверхности забнвных свай

Примечания: 1. Для промежуточных глубин Zj и промежуточных значений показателя текучести IL значения Л определяют интерполяцией. 2. Для плотных песков значения /) необ­ ходимо увеличить на 30%. 3. Толщину слоев при членении толщи грунтов для определения /; следует принимать не более 2 м.

Таблица 11.3. Коэффициенты условий работы грунта при расчете несущей способности свая

2.Погружение забивкой и вдавливанием в пробуренные лидерные скважины с заглублением концов свай не менее 1 м ниже

3.Погружение с подмывом в песчаные грунты при условии добивки свай на последнем этапе погружения без применения

Примечание. Более полные данные о коэффициентах уец и ус/ приведены в СНиП 2.02.03 — 85.

299