книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

принимается равным значению, указанному в табл. 11.2, но со знаком минус, а для торфа — минус 5 кПа. Если вероятность возникновения или полной реализации сил отрицательного трения невелика, например при небольшой высоте подсыпки, то значения/ для грунтов, расположенных выше слоя торфа, умножают на коэф­ фициент 0,4. Подробно методика учета сил отрицательного трения для различных условий его возникновения изложена в СНиП 2.02.03 — 85.

Определение несущей способности свай по результатам полевых исследований. Определенная при испытании сваи статической или динамической нагрузкой Величина ее предельного сопротивления является частны м значением и обозначается через Fu. Чтобы избежать случайного результата, проводят ряд испытаний свай в одинаковых грунтовых усдовиях и после статистической обработ­ ки полученных результатов в соответствии с ГОСТ 20522 — 75 находят норм ативное значение предельного сопротивления сваи Fu, „. Тогда по известной величине FUi „ несущ ая способность

сваи Fdопределяется из выражения

где ус— коэффициент условий работы, принимаемый для сжима­ ющих и горизонтальных нагрузок ус= 1; для выдергивающих нагру­ зок — как в формуле (11.6); ys — коэффициент надежности по грун­ ту, определяемый по методике ГОСТа.

Если число свай, испытанных в одинаковых грунтовых условиях, составляет менее шести, нормативное значение предельного сопро­ тивления сваи Fu, апринимается равным наименьшему предельному

сопротивлению, получаемому по результатам испытаний, а коэф­ фициент надежности по грунту yg=1.

Динамический метод. Динамический метод заключается в опре­ делении несущей способности сваи по величине ее отказа на отмет­ ке, близкой к проектной (см. § 11.2).

Впервые теоретическая зависимость между скоростью погруже­ ния сваи в грунт при забивке, характеризуемой величиной отказа, и ее сопротивлением была установлена в 1.917 г. Н. М. Герсевановым. Н. М. Герсеванов исходил из того, что работа, совершаемая свободно падающим молотом, GH (где G — вес ударной части молота, Я — высота падения молота), затрачивается на преодоле­ ние сопротивления грунта погружению сваи; на упругие дефор­ мации системы «молот — свая — грунт», которая может быть вы­ ражена через высоту отскока молота после удара h; на превращение части энергии в тепловую, разрушение головы сваи и т. п., что характеризуется коэффициентом, а. В общем виде эта зависимость записывается следующим образом:

301

где Fu— предельное сопротивление сваи вертикальной нагрузке, кН; sa— отказ сваи, м.

После ряда упрощающих допущений и преобразований из этого уравнения получена формула для определения предельного со­ противления сваи по результатам ее испытания динамической нагрузкой

где у — коэффициент, зависящий от упругих свойств материала сваи, принимаемый для железобетонных свай rj= 1500 кПа, для

молота, кН-м, принимаемая для молотов одиночного действия Ed=GH, для дизель-молотов — от 0,9 до 0,4 GH\ (rD— полный вес молота или вибропогружателя, кН; в — коэффициент восста­ новления удара, зависящий от материала соударяющихся тел (при забивке железобетонных свай с применением наголовника с де­ ревянным вкладышем е2=0,2); qt — вес сваи с наголовником, кН; q2— вес подбабка, кН.

Отказ сваи в формуле (11.9) определяется либо по одномуудару молота, либо, что чаще, вычисляется как среднее арифметическое значение погружения сваи от серии ударов, называемой залогом . Число ударов в залоге рекомендуется принимать для молотов подвесных и одиночного действия 4...5, для молотов двойного действия — не более 10. Если используется вибропогружатель, то за отказ принимают величину погружения сваи за 1 мин его работы.

Для правильного определения отказа динамические испытания проводят после отдыха сваи. Продолжительность отдыха зависит от грунтовых условий строительной площадки (см. § 11.2).

Замеренный как величина погружения сваи от одного удара молота отказ $, является остаточным отказом, поскольку вследст-. вне упругих деформаций системы «свая — грунт» практически все­ гда имеет место еще и упругий отказ $,/, который можно определить

с помощью прибора, называемого отказомером. Если остаточный отказ sa превышает 0,002 м, то расчет предельного сопротивления сваи ведется без учета упругого отказа по формуле (11.9). Если же $,<0,002 м, такой учет необходим. Формула для определения пре­ дельного сопротивления сваи с учетом упругого отказа приведена

в СНиП 2.02.03— 85 «Свайные фундаменты».

Динамический метод на практике часто применяется для конт­ роля за сопротивлением свай при их забивке или контрольной

302

ДООИВКе ПОСЛ6 ОТДЫЛй. п с и и л ь з у л и ь л ^ ь М С д д у lUDjiwjauvin. W DUU

и величиной отказа, установленную формулой (11.9), можно, зная несущую способность сваи Fj и характеристики сваебойного обору­ дования, вычислить соответствующий проектный отказ, обозначив его как sp.

Формула (11.9), решенная относительно отказа, имеет вид

Определенная по формуле (11.10) величина проектного отказа $р является контрольной цифрой: фактический отказ, по данным дина­ мических испытаний, должен быть равен проектному или меньше его. В противном случае свая будет иметь недостаточную несущую способность, что потребует внесения соответствующих исправлений в проект.

Контрольной добивке после отдыха подвергается 2% от общего числа свай на площадке.

Метод испытания свай вертикальной статической нагрузкой, не­ смотря на сложность, длительность и значительную стоимость, позволяет наиболее точно установить предельное сопротивление сваи с учетом всех геологических и гидрогеологических условий строительной площадки. Метод используется либо с целью устано­ вления предельного сопротивления сваи, необходимого для после­

303

ром для домкрата служит мощная сварная металлическая балка, соединенная с анкерными сваями, забитыми в грунт на расстоянии, достаточном, чтобы быть вне напряженной зоны, образующейся при загрузке испытуемой'сваи. Осадка сваи измеряется прогибомерами с точностью до 0,1 мм.

При испытании вертикальную нагрузку на сваю увеличивают

1 1 ступенями, равными — от ожидаемого предельного сопротив­

ления сваи. Каждая последующая ступень нагрузки прикладывается после условной стабилизации осадки сваи на предыдущей ступени. Осадка считается условно стабилизировавшейся, если ее прираще­ ние не превышает 0,1 мм за 1 ч наблюдения для песчаных грунтов и за 2 ч для глинистых.

По данным испытания вычерчивается график зависимости осад­ ки от нагрузки, по которому определяется предельное сопротивле­ ние испытываемой сваи (рис. 11.13, б).

Практика показала, что графики испытаний свай делятся на два типа. Для графиков типа 1 характерен резкий перелом, после которого осадканепрерывновозрастает без увеличениянагрузки. Запредельную нагрузку Fuв этом случае принимают ту, которая вызвала непрерыв­ ную осадку (срыв сваи). Для графиков типа 2 характерно плавное очертание без резкихпереломов, что затрудняет определениепредель­ ной нагрузки. Предельнойв этом случае считается такая нагрузка, под воздействием которой испытываемая свая получила осадку я

s=&UiM, (Н .И )

где £ — переходной коэффициент, sK mt — предельное значение сре­

дней осадки фундамента проектируемого здания или сооружения, устанавливаемое по СНиП 2.02.01 — S3 (может приниматься как su по данным табл. 9.2).

Коэффициент £ комплексно учитывает ряд факторов: несоответ­ ствие между осадкой одиночной сваи и сваи в кусте (см. § 11.2), кратковременность испытания сваи статической нагрузкой по срав­ нению с длительностью эксплуатации здания и т. п. Значение этого коэффициента устанавливается наблюдениями за осадками зданий на свайных фундаментах и в настоящее время принимается равным

£=0,2.

Внастоящее время развивается один из перспективных методов расчета несущей способности свай по графикам s—f(F), но получен­ ным не экспериментальным, а аналитическим путем на основе де­ формационной теории пластичности (А. А. Бартоломей, И. П. Бой­ ко и др.). Развитие вычислительной техники сделало возможным

численную реализацию этих решений. Практический метод постро­ ения таких графиков с учетом нелинейности деформируемости грун­ тов разработан на кафедре механики грунтов, оснований и фун­ даментов МИСИ (М. В. Малышев, Н. М. Дорошкевич).

304

Метод статического зондирования грунтов, а настоящее врем» все большее распространение получает метод статического зонди­ рования, как более дешевый и быстрый по сравнению с методом испытания свай статическими нагрузками.

Статическое зондирование заключается во вдавливании в грунт стандартного зонда, состоящего из штанги с конусом на конце (диаметр основания конуса 36 мм, площадь 10 см2, угол заострения 60°). Конструкция зонда позволяет измерять не только общее со­ противление его погружению, но и величину лобового сопротивле­ ния конуса. Учитывая, что характер деформации грунтов при вдав­ ливании свай и при погружении конического зонда статической нагрузкой аналогичен, полученные данные о сопротивлении грунта вдавливанию зонда можно использовать для определения предель­ ных сопротивлений свай.

В случае песчаных грунтов и супесей метод обладает достаточ­ ной точностью. В водонасыщенных глинистых грунтах, когда струк­ тура грунта, нарушенная внедрением зонда, не успевает восстано­ виться, полученные данные, особенно это касается трения по боко­ вой поверхности, следует использовать с большей осторожностью. Однако по мере развития метода и накопления опытных данных его точность и в водонасыщенных глинистых грунтах повышается.

Наряду с зондами для определения несущей способности свай используются также специальные эталонные сваи сечением 10 х х 10 см двух типов, один из которых позволяет замерять сопротив­ ление грунта только под острием эталонной сваи, а второй — под острием и по ее боковой поверхности.

Методика определения несущей способности свай по резуль­ татам статического зондирования и испытаний эталонных свай изложена в СНиП 2.02.03 — 85.

11.4. Расчет несущей способности свай при действии горизонтальных нагрузок

Причиной значительных горизонтальных нагрузок на фундамен­ ты могут быть тормозные нагрузки от кранов в цехах с тяжелым крановым оборудованием, температурные расширения технологи­ ческих трубопроводов предприятий нефтехимической и нефтегазо­ вой промышленности, односторонний обрыв проводов у ЛЭП, волновые воздействия и навал судов у причальных сооружений и т. д. Очевидно, что во всех этих случаях оценка несущей способ­ ности свай на горизонтальную нагрузку имеет весьма существенное значение.

В настоящее время несущая способность сваи на горизонталь­ ную нагрузку определяется либо методом испытания пробной на­ грузкой, либо одним из математических методов расчета.

Метод испытания свай пробной статической нагрузкой позволяет наиболее точно установить действительное сопротивление сваи дей-

305

0)

Рис. 11.14. Испытаниясвай горизонтальнойнагрузкой:

1 — опытная свая; 2 — гидравлический домкрат; 3 — прогибомер; 4 — упор из статического груза

ствию горизонтального усилия. При проведении испытаний гори­ зонтальные усилия на сваю создаются, как правило, гидравличес­ кими домкратами, установленными либо между двумя забитыми сваями, либо между опытной сваей и упором из статического груза, чаще всего из железобетонных блоков (рис. 11.14, а). Нагрузка на сваю увеличивается ступенями, горизонтальные перемещения сваи на каждой ступени нагрузки фиксируются прогибомерами. Каждая ступень нагрузки выдерживается до условной стабилизации гори­ зонтальных перемещений.

По результатам испытаний строятся графики зависимости гори­ зонтальных перемещений сваи от нагрузок (рис. 11.14, б), по кото­ рым и определяется предельное сопротивление сваи.

За предельное сопротивление сваи Fu принимается нагрузка на одну ступень менее той, без увеличения которой перемещения сваи непрерывно возрастают. Несущую способность горизонтально на­ груженных свай по результатам испытаний определяют по формуле (11.7) при коэффициенте условий работы ус—1.

Математические методы расчета свай на горизонтальные нагруз­ ки можно разделить на две группы в зависимости от характера деформаций свай в грунте.

Первая группа методов разработана для коротких жестких свай, которые под действием горизонтальной нагрузки поворачиваются в грунте без изгиба, как это показано на рис. 11.15, а. Разрушение системы «свая — грунт» происходит за счет потери устойчивости грунтом основания. Расчет базируется на положениях теории пре­ дельного равновесия грунтов. За предельную принимается такая горизонтальная нагрузка, при которой реактивный отпор грунта у нижнего конца сваи достигнет предельного значения.

Вторая группа методов разработана для свай, которые под

106

действием горизонтальных нагрузок из­ гибаются в грунте (рис. 11.15, б). Со­ противление таких свай, называемых длинными гибкими, определяется про­ чностью материала сваи на изгиб. Ме­ тоды расчета второй группы, как прави­ ло, основаны на использовании модели местных упругих деформаций (см. § 5.2).

Математические методы второй группы весьма многочисленны. Из них наиболее широко используется на прак­ тике инженерный метод расчета, изло­ женный в СНиП 2.02.03 — 85. По этому методу вертикальная свая рассматрива­ ется как балка на упругом основании, загруженная на одном конце. Грунт

представлен линейно деформируемой средой, характеризуемой ко­ эффициентом постели, увеличивающимся пропорционально глуби­ не. При этих условиях на основании решений строительной меха­ ники получены формулы для определения горизонтальных переме­ щений сваи и угла ее поворота на уровне поверхности грунта (ыр и t/rp), а также для определения изгибающих моментов и поперечных сил в любом сечении по ее длине. Решения получены как для свай со свободной головой, так и для свай,,защемленных в ростверк.

При отнесении свай к той или иной категории жесткости следует учитывать не только длину сваи и жесткость ее поперечного сече­ ния, но и деформативные свойства грунта, поскольку одна и та же свая, работающая в слабом грунте как короткая жесткая, в прочном грунте будет вести себя как длинная гибкая.

В настоящее время общепринято деление свай на гибкие и жест­ кие производить по так называемой приведенной глубине погруже­

где I — фактическая глубина погружения сваи в грунт, м; К — коэф­ фициент пропорциональности, кН/м4, принимаемый в зависимости от вида грунта по табл. 1 Приложения 1 СНиП 2.02.03 — 85; Ьр— условная ширина сваи, м, которая учитывает пространствен­ ный характер ее работы и принимается равной bv= 1-,5</+0,5 м, где d — диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи, м; ус— коэффициент условий работы; E I— жесткость поперечного сечения сваи на изгиб, кН ■м .

При /< 1 сваи рассматриваются как короткие жесткие, при /> 1 — как длинные гибкие.

Несущую способность горизонтально нагруженного Куста свай

307

по нормативным документам допускается определять как сумму сопротивлений одиночных свал. При этом допущении не учитывает­ ся снижение сопротивления сваи куста по сравнению с одиночной за счет совместной работы свай в фундаменте (см. «кустовой эффект» § 11.2). Точность решения может быть повышена При введении в расчет коэффициента взаимовлияния свай Къь<1. Значения это­

го коэффициента либо принимаются по таблицам, составленным В. Б. Шахиревым, либо определяются по эмпирической формуле, полученной на основании обработки большого числа опытов В. В. Знаменским и А. В. Конновым.

11.5. Расчет и проектирование свайных фундаментов

Основные положения расчета. Расчет свайных фундаментов и их оснований производят по двум группам предельных состояний:

по первой группе — по несущей способности грунта основания свай; по устойчивости грунтового массива со свайным фундамен­ том; по прочности материала свай и ростверков;

по второй группе — по осадкам свайных фундаментов от вер­ тикальных нагрузок; по перемещениям свай совместно с грунтом оснований от действия горизонтальных нагрузок и моментов; по образованию или раскрытию трещин в элементах железобетонных конструкций свайных фундаментов.

Расчет по несущей способности грунтов основания заключается в выполнении условия

(П.13)

где N — расчетная нагрузка, передаваемая на сваю, кН; Fj — несу­ щая способность сваи, определяемая любым из методов, изложен­ ных в § 11.3; yk — коэффициент надежности, принимаемый равным: 1,2 — если несущая способность сваи определена по результатам ее испытания статической нагрузкой; 1,25 — по результатам динами­ ческих испытаний, выполненных с учетом упругих деформаций гру­ нта, а также по результатам статического зондирования грунта или его испытания эталонной сваей или сваей-зондом; 1,4 — по резуль­ татам динамических испытаний свай, выполненных без учета уп­ ругих деформаций грунта, или расчетом практическим методом.

Проверку устойчивости свайного фундамента совместно с грун­ товым массивом производят только в случае передачи на свайные фундаменты больших горизонтальных нагрузок, а также если фун­ дамент расположен на косогоре или его основание имеет откосный профиль. Проверку производят по расчетной схеме сдвига грунта по круглоцилиндрической поверхности скольжения (см. § 6.3, 6.4).

Расчет свайных фундаментов по предельному состоянию второй группы (по деформациям) при действии вертикальных нагрузок производят исходя из условия

308

где s — деформация свайного фундамента (осадка и относительная разность осадок), определяемая расчетом; su— предельно допусти­ мое значение деформации свайного фундамента, устанавливаемое заданием на проектирование или определяемое по СНиП 2.02.01 — 83 (см. табл. 9.2). (

Фундаменты из свай, работающих как сваи-стойки, рассчиты­ вать по деформациям от вертикальных нагрузок не требуется.

Расчет по перемещениям свайных фундаментов от действия го­ ризонтальных нагрузок и моментов заключается в выполнении условий

где иря фр — расчетные значения соответственно горизонтального перемещения головы сваи, м, и угла ее поворота, рад (рис. 11.15); ии и фи— их предельные значения, устанавливаемые в задании на проектирование.

Расчет свай и ростверков по прочности материала производится в зависимости от применяемых материалов по соответствующим СНиПам и инструкциям.

Выбор конструкции свайного фундамента. Выбор конструкции свайного фундамента (вид свай, тип свайного фундамента и ро­ стверка) производится исходя из конкретных условий строительной площадки, характеризуемых материалами инженерных изысканий, конструктивными и технологическими особенностями проектиру­ емых зданий и сооружений, расчетных нагрузок, действующих на фундамент, а также на основе результатов сравнения возможных вариантов проектных решений.

Тип и вид свай выбираются в зависимости от инженерно-геоло­ гических условий строительной площадки и имеющегося оборудо­ вания для устройства свайных фундаментов.

Длина свай выбирается в зависимости от грунтовых условий строительной площадки и уровня расположения подошвы роствер­ ка. Нижние концы свай, как правило, заглубляют в плотные грунты с высокими расчетными характеристиками, прорезая напластования слабых грунтов. Заглубление забивных свай в грунт, принятый за основание под их нижние концы, должно быть не менее 1 м. Исключение составляют твердые глинистые грунты, гравелистые, крупные и средней крупности пески, в которых допускается иметь заглубление 0,5 м.

Тип свайного ростверка выбирается в зависимости от назначе­ ния и конструкции сооружения. Чаще устраиваются фундаменты с низким ростверком, высокие ростверки применяют в основном в опорах мостов и в портовых гидротехнических сооружениях (набе­ режные, пирсы и т. д.).

Глубину заложения подошвы низкого ростверка назначают в за­

309