Учет негативного (отрицательного) трения грунта на боковой поверхности висячих свай

5.14. Силами негативного (отрицательного) трения называются силы, возникающие на боковой поверхности сваи при осадке околосвайного грунта и направленные вертикально вниз.

К п. 5.14. Процесс возникновения негативного трения характеризуется тем, что осадка грунта около сваи и соответственно скорость его осадки значительно превышают осадку сваи и ее скорость протекания от действующей нагрузки. В этом случае грунт около свай как бы нависает на них, а дополнительная нагрузка прибавляется к внешней нагрузке, приложенной к сваям. Это явление, как правило, происходит в случае прорезания сваями сильносжимаемых грунтов большой мощности при наличии пригрузки грунта вокруг них.

Осадка околосвайного грунта может быть вызвана:

намывом или подсыпкой грунта, выполняемыми при повышении территории строительства или при ее инженерной подготовке, когда сильносжимаемые грунты залегают на поверхности;

загрузкой поверхности грунта или пола, основанного на грунте, значительной полезной нагрузкой. Этот случай особенно опасен, если пригружение произведено во время эксплуатации сооружения;

увеличением собственного веса грунта при искусственном или естественном понижении уровня грунтовых вод на площадке; естественной консолидацией грунтовой толщи; уплотнением грунтов под динамической нагрузкой; возведением рядом с сооружением на сваях сооружения на фундаментах мелкого заложения.

Силы отрицательного трения действуют на боковой поверхности сваи в пределах участка ее длины, где скорость осадки околосвайного грунта V_грпревышает скорость осадки свайного фундаментаV_ф,т. е.

V_гp > V_ф.

Осадка полностью водонасыщенных мелких песков и супесей, илов, заторфованных грунтов и торфов, происходящая под действием сплошной равномерно распределенной нагрузки территории, см. может быть определена на основе теории фильтрационной консолидации по формуле

, (20)

где

; (21)

z— координата глубины рассматриваемой точки от подошвы слоя, см;

h— толщина сжимаемого слоя, расположенного между фильтрующим слоем и недренированным скальным основанием, или 2hмежду фильтрующими слоями, см;

а_о— коэффициент относительной сжимаемости, см²/кгс;

q — интенсивность внешней равномерно распределенной нагрузки, кгс/см²;

t — время, с;

с_v— коэффициент консолидации, см²/с:

; (22)

_ср— средний коэффициент пористости;

у_в— объемный вес воды, кгс/см³;

а — коэффициент сжимаемости, см²/кгс;

k_фкоэффициент фильтрации, см/с, определяемый при изысканиях, или принимаемый равным для приближенных расчетов из табл. 12.

Таблица 12

N п.п.	Грунт	Коэффициент фильтрации, см/с
1	Песок пылеватый	(0,6 — 6) 10-3
2	« мелкозернистый	(1,2 — 3) 10-2
3	« среднезернистый	(2,5 — 6)10-2
4	« крупнозернистый	(4  8,5)10-2
5	Супесь	(0,1  1,2)10-3
6	Суглинок	(0,5 — 0,05)10-3
7	Глина	Менее 1  10-6
8	Торф малоразложившийся	(1 — 5) 10-3
9	Торф среднеразложившийся	(0,2 — 1,2)10-3
0	Торф сильноразложившийся	(0,12 — 0,18) 10-4

,

где _н— начальный коэффициент пористости.

Пример 19. Определить зону действия сил отрицательного трения, действующих на свайный фундамент сооружения, возводимого через 0,5 года после намыва территории, при завершении строительства в течение 1 года или 1,5 лет.

Сваи длиной 18 м забиты с поверхности намываемого грунта. Величина предельных деформаций сооружения S_m=8 см, причем к окончанию строительства осадка сооружения ожидается равной 0,4S_пр= 4 см, а скорость осадки сооружения принята равномерной, т. е. при завершении строительства в течение 1 года она составитv_ф= 4 см/год, а в течение 1,5 лет — 2,7 см/год.

Геологические условия площадки и характеристики грунтовых напластований представлены в табл. 13.

Таблица13

№ слоя	Наименование грунта	Относительная отметка, м		Толщи­на слоя, м	Объем­ный вес, гс/см3	Коэффи­циент порис­тости	Коэффи­циент сжима­емости, cм2/кгс	Коэффи­циент относи­тельной сжима­	Коэффи­циент фильт­рации Кф, см/с	Коэффи­циент консо­лида­ции,
		кровли	подош­вы					емости, см2/кгс		см2/с
1	Намывной песок средней крупности, средней плотности	0	5	5	2	0,62	—	—	—	—
2	Ил супесчаный	—5	—8	3	1,75	0,95	0,035	0,017	510-5	2,85
3	Песок средней крупности, средней плотности	—8	9,5	1,5	2,03	0,54	0,008	0,005	510-2	
4	Глина мягко­пластичная заторфованная	9,5	15,5	6	1,57	1,55	0,15	0,06	810-8	1,3610-8
5	Песок средней крупности, средней плотности	—15,5	—28	12,5	2,03	0,54	0,008	0,005	510-2	

Сваи заглублены на 2 м в слой № 5. Песчаные грунты для определения зоны действия сил отрицательного трения принимаем несжимаемыми.

Для супесчаного ила (слой № 2): М = 3,16 10^-4t (1/с), приt= 0,5 года = 1,5810⁷с.М = 510³, ае^-М0, т. е. осадка слоя № 2 практически стабилизируется до начала строительства.

Расчет скорости осадок мягкопластичной заторфованной глины (слой № 4) в различных временных интервалах, выполненный по вышеприведенным формулам, сведен в табл. 14.

Таблица14

Показатели	Время от начала намыва, лет
	0,5	1	1,5	2
М	0,59	l,17	1,76	2,34
е-м	0,554	0,31	0,172	0,096
Осадка грунта, Vр, см, при
z = 600	20	27	31	33,1
z = 400	12	17,3	20,2	21,2
z = 200	7	9,7	10,7	11,3
Скорость осадки грунта, Vp см/год, при:	-
z = 600	40	14	8,0	4,2
z = 400	24	10,6	5,8	2
z = 200	15,8	3,6	2	1,2

Осадка слоя № 4 обусловливает зону развития сил отрицательного трения, которая в соответствии с условием v_гр > v_фи данными табл. 14 при строительстве сроком 1 год распространяется до отм. — 12,5 м, так как через год после начала строительства приz = 300 см для слоя № 4, т. е. на отм. — 12,5 м, v_гр = 3,9см/год, а по условиюv_ф = 4 см/год. При завершении строительства в 1,5 года эта зона распространяется до отм. — 10,8 м.

5.15. Если в пределах длины погруженной части сваи залегают напластования торфа толщиной более 30 см и возможна планировка территории подсыпкой или иная ее загрузка, эквивалентная подсыпке, то расчетное сопротивление грунта f,расположенного выше подошвы наинизшего (в пределах длины погруженной части сваи) слоя торфа, принимается:

а) при подсыпках высотой менее 2 м для грунтовой подсыпки и слоев торфа — равным нулю, а для минеральных ненасыпных грунтов природного сложения — положительным значениям по табл. 2 (2);

б) при подсыпках высотой от 2 до 5 м для грунтов, включая подсыпку, — равным 0,4 от значений, указанных в табл. 2(2), взятых со знаком минус, а для торфа — минус 0,5 тс/м²(негативное трение);

в) при подсыпках высотой более 5 м для грунтов, включая подсыпку, — равным значениям, указанным в табл. 2(2), взятым со знаком минус, а для торфа — минус 0,5 тс/м²(негативное трение).

В случае, когда консолидация грунта от подсыпки или пригрузки территории к моменту возведения надземной части зданий или сооружений (включая свайный ростверк) завершилась или возможная величина осадки грунта, окружающего сваи, после указанного момента в результате остаточной консолидации не будет превышать половины предельно допускаемой величины осадки для проектируемого здания или сооружения, то сопротивление грунта на боковой поверхности сваи или сваи-оболочки допускается принимать положительным вне зависимости от наличия или отсутствия прослоек торфа. Для прослоек торфа величину fследует принимать равной 0,5 тс/м².

Если известны коэффициенты консолидации и модули деформации торфов, залегающих в пределах длины погруженной части сваи, и возможно определение величины осадки основания от воздействия пригрузки территории для каждого слоя грунта, то при определении несущей способности сваи или сваи-оболочки допускается учитывать силы сопротивления грунта с отрицательным знаком (негативное трение) не от уровня подошвы нижнего слоя торфа, а начиная от верхнего уровня слоя грунта, величина дополнительной осадки которого от пригрузки территории (определенной, начиная с момента времени передачи на сваю расчетной нагрузки) составляет половину предельно допускаемой величины осадки для проектируемого здания или сооружения.

К п. 5.15. При определении зоны действия силы отрицательного трения исходят из того, что, как правило, максимальная скорость осадки околосвайного грунта развивается в предпостроечный и строительный периоды, когда действие силы отрицательного трения на сваи и их осадка под действием этих сил незначительно влияют на последующую эксплуатацию фундаментов. Кроме того, определенная осадка допускается нормами. Исходя из изложенного, в расчете учитывают действие сил отрицательного трения, расположенных только выше плоскости, проходящей через слой грунта, для которого выполняется условие

S_гр S_гр=S_пр S_ф.стр, (23)

где S_гp— стабилизированная осадка слоя грунта, определяемая по указаниям главы СНиП II-15-74 или по формуле (20) приt=;

S_гp — осадка слоя околосвайного грунта, происшедшая к моменту окончания строительства здания или сооружения, определяемая по формуле (20);

S_пp — величина предельных деформаций оснований, принимаемая по табл. 18 СНиП II-15-74;

S_ф.стр— осадка свайного фундамента, происшедшая к моменту окончания строительства здания или сооружения.

Для зданий и сооружений, передающих нагрузки на фундамент в основном от собственного веса конструкции, допускается принимать S_ф.стр = 0,5S_пр.

При действии сил отрицательного трения расчет свай и свайных фундаментов производят по второму предельному состоянию (по деформациям) по формуле (16) СНиП 11-15-74. Для одиночных свай это условие считается выполненным, если

где N — расчетная нагрузка, тc, на одну сваю, определяемая при проектировании зданий или сооружений;

k_н — коэффициент надежности, принимаемый равнымk_н= 1,4;

Ф — расчетная несущая способность, тс, грунта основания сваи, расположенного ниже действия силы отрицательного трения, определяемые по формулам СНиП II-17-77 или по результатам полевых испытаний;

Р_отр — расчетное значение силы отрицательного трения, действующей на боковой поверхности свай, те, определяемое по формуле (24) или по результатам полевых исследований;

Р_отр = m_ouk_pjf_ojl_j, (24)

где m_o— коэффициент условий работы сваи в оседающем грунте, учитывающий уплотнение околосвайного грунта при забивке свай, принимаемый для песчаных грунтов 1,1, а для глинистых 1;

u— периметр поперечного сечения сваи, м;

k_pj— коэффициент реализации, учитывающий уменьшение сил отрицательного трения с уменьшением разности осадокj-го слоя околосвайного грунта и сваи, принимаемый: для висячих свайk_pj=1,а для свай-стоек k_pj=1 при S_гpj  S_o

и приS_грj < S_o;

S_грj — осадкаj-го слоя грунта, см, после забивки сваи;

S_o — осадка грунта относительно сваи, при которой полностью реализуются силы отрицательного трения, принимаемая 5 см;

f_oj— расчетное сопротивление,j-го слоя оседающего грунта на боковой поверхности сваи, т/м², определяемое по табл. 2(2) СНиП II-17-77;

l_j— толщинаj-го слоя грунта, м, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи и расположенного в пределах части длины сваи от уровня планировки до уровня нейтральной точки.

При расчете фундаментов, состоящих из нескольких свай, подвергающихся действию сил отрицательного трения, в число расчетных нагрузок, действующих на условный фундамент, включается величина расчетного значения сил отрицательного трения, действующих на куст свай:

(25)

где U — периметр куста, м, по наружным граням свай, расположенных в крайних рядах;

k_pj, l_j, f_oj — обозначения те же, что и в формуле (24).

Силы отрицательного трения, действующие на сваи внутри куста, не могут превосходить веса грунта, расположенного внутри куста, который при расчете свайных фундаментов (в соответствии с п. 7.1 СНиП II-17-77) включается в собственный вес условного фундамента. Поэтому их учитывают только по периметру куста.

Пример 20. По данным примера 19 определить расчетную нагрузку свайных фундаментов, состоящих из 9 свай (3  3) с шагом 1,2 м. Сваи сечением 35  35 см, длиной 18 м. Острие сваи на отм. — 17,5 м.

Решение.В примере 19 зона действия силы отрицательного трения при строительстве в течение 1 года распространяется до отм. — 12,5 м, а при строительстве в течение 1,5 лет — до отм. — 10,8 м. Таким образом, расчетные силы сопротивления в соответствии с формулой [7(7)] и табл. 1(1) и 2(2) СНиП. 11-17-77 составляет соответственно:

Ф_{t = f} = 1[1  436  0,1225 + 0,35  4 (1  2  3 +

+ 1  7,4  2)]9 = 743 тс;

Ф_{t = 1,5}=l[1  436  0,1225 + 0,35  4(l  2  4,7 + 1 7,4  2)] 9 = 783 тc.

По формуле (23) определим зону учитываемых в расчете сил отрицательного трения.

Стабилизированная осадка слоя № 4 —

S_гр=a_oqh =0,06  1 600 = 36 см:

для t = 1 годS_гр= 31 см;

» t =1,5 годаS_гр= 33,1 »

»t =1годS_гр S_гр= 5 см >S_прS_ф.стр= 84 = 4 см;

» t=1,5 годаS_гр S_гр= 2,9 см<4 см.

Таким образом, при строительстве продолжительностью 1,5 года силы отрицательного трения могут в расчете не учитываться, так как условие (23) выполняется на кровле сильносжимаемого слоя, т. е. тс.

Интерполируя данные табл. 14 для продолжительности строительства в 1 год, определяем, что зона учитываемых в расчете сил отрицательного трения распространяется выше отм. — 11,5 м, так как осадка грунта на этой отметке составляет S_гр= 20,2 см, a S_гр = 24 см,

S_гр S_гр= 24 — 20,2 = 3,8 см < 4 см;

U=(l,22 + 0,35)4 = 11 м;

k_pj= 1.

Из табл. 2(2) СНиП II-17-77 для слоя № 1:

f_oj1 = 4,5 тс/м²;f_oj2= 0,5 тс/м²;f_oj3 = 5,8 тс/м²;f_oj4 = 1,9 тс/м²;

Р_к.oтp= 111(54,5 + 30,5 + 1,55,8 + 21,9) = 402 тс;

тс.

Таким образом, в рассмотренных примерах зона действия силы отрицательного трения при завершении строительства в 1 год распространяется до отм. — 12,5 м, а зона учитываемых в расчете сил отрицательного трения — до отм. — 11,5 м. При завершении строительства в 1,5 года зона действия силы отрицательного трения распространяется до отм. — 10,8м, но в расчете их можно не учитывать, так как они не могут вызвать недопустимую осадку фундамента.

Этим объясняется и существенная разница в расчетной нагрузке на свайный фундамент — 626 тс при строительстве в течении 1,5 лет и всего 208 тс при строительстве в течение 1 года.