рдловин у глинистих ґрунтах з IL >0,2 складає 0,5-1,3 м/хв при осьовому зусил-

лі 30 кН. Із підвищенням значення показника текучості ґрунту швидкість проходження суттєво зростає. Несуча здатність таких паль у 2-2,8 разу вища від буронабивних паль тих же розмірів. Близький до методу гвинтового і спосіб улаштування паль розкочуванням свердловин.

14.3.ВИЗНАЧЕННЯ НЕСУЧОЇ ЗДАТНОСТІ ПАЛЬ І ФУНДАМЕНТІВ

Усучасній практиці проектування фундаментів їх несучу здатність визначають різними способами залежно від стадії розроблення проекту. У початковій стадії проектування несучу здатність фундаментів визначають за фізикомеханічними характеристиками ґрунтів розрахунковим методом. При проведенні польових дослідних робіт на стадії розроблення робочого проекту використовують методи зондування та статичних випробувань пробних паль і фундаментів. У процесі занурювання паль при будівництві використовують метод динамічних випробувань.

Розрахунковий метод оснований на застосуванні формули (12.4), яка визначає складові загальної несучої здатності фундаменту, виготовленого без виймання ґрунту, за рахунок опору підошви фундаменту, опору тертя за бічною поверхнею та розпору ґрунту похилими гранями фундаменту. Для деяких видів фундаментів залежно від конструктивних особливостей, а також від інженерногеологічних умов будівельного майданчика складові формули (12.4) втрачають своє практичне значення. Так, для паль із вертикальними гранями (i=0) формула (12.4) набуває вигляду

Якщо в основі палі (фундаменту) залягають ґрунти високої несучої здатності, які практично не деформуються, її несуча здатність визначається в основному першим членом і має вигляд

Іноді такі палі називають палями-стояками.

Існують численні формули для визначення несучої здатності фундаментів різних форм. Однак при уважному аналізі їх можна звести до загального вигляду (12.4). Відмінність полягає лише в підході до визначення характеристик R, f, E та в урахуванні геометричних особливостей фундаменту і способу його влаштування. Так, для паль із розширенням ( A – площа поперечного перерізу розширення), якщо воно утворене втрамбовуванням жорсткого матеріалу, – γcR =1,2, вибурюванням – γcR =0,8, камуфлетним вибухом – γcR =1,3.

При визначенні розрахункового опору основи R залежно від глибини закладання фундаменту приймають відповідну розрахункову схему руйнування ґрунту (див. розділ 8). Для глибоких фундаментів і паль величину R відповідно до норм приймають за таблицями експериментальних значень; величину f також визначають за аналогічними таблицями.

Несучу здатність фундаментів і паль визначають за результатами зон-

дування, застосовуючи різні схеми його проведення. Існують такі способи зон-

384

дування: динамічне, конусами-зондами, зондами з фіксованою муфтою тертя, великомасштабними палями-зондами тощо (див. розділ 5). Нижче розглянемо метод визначення несучої здатності забивних призматичних паль за результатами статичного зондування розширеним конічним наконечником. Методику проведення зондування розглянуто у розділі 5. Опір ґрунту є узагальненою характеристикою механічних властивостей ґрунтів. Залежність між цією величиною і розрахунковим опором ґрунту у вістрі палі R представляють як

де λ – перехідний коефіцієнт; qs – опір ґрунту конуса.

Згідно з дослідженнями, величина λ коливається в досить широких межах і залежить від численних факторів, зокрема від виду ґрунту, його стану, параметрів зондувальної установки, способу занурювання (влаштування) паль тощо. Формулу для визначення поодинокого значення граничного опору палі-стояка за даними статичного зондування можна представити у вигляді

де qs0 – опір ґрунту конуса в площині вістря палі, що визначається за графіком

зондування як середня величина в інтервалі, розташованому на один діаметр палі вище і чотири діаметри нижче від позначки вістря палі; A – площа поперечного перерізу палі (розширення фундаменту).

Розрахунковий опір ґрунту за бічною поверхнею забивних паль f, як і розрахунковий опір ґрунту під нижніми кінцями R, є узагальненою характеристикою механічних властивостей ґрунту, й між ними існує однозначна залежність. Згідно зі СНиП 2.02.03-85 “Свайные фундаменты”, для пісків та глинистих ґрунтів ця залежність має вигляд

при числі парних значень n=100 коефіцієнт лінійної кореляції r=0,98, середнє квадратичне відхилення ±σ=±3 кПа. Це свідчить про тісний лінійний зв’язок, близький до функціонального. Таким чином, за відомим значенням R за допомогою залежності (14.5) можна визначити f.

На підставі виразу (12.4) з урахуванням залежностей (14.3) і (14.5) формулу для визначення поодинокого значення граничного опору фундаментів, які виготовляють без виймання ґрунту, за результатами статичного зондування розширеним наконечником можна представити у вигляді

де θ та θsi – коефіцієнти, що враховують характер деформацій в основі фунда-

ментів, значення яких для різних видів фундаментів установлені за статистичним аналізом результатів їх статичних випробувань та зондування ґрунту; зокрема для забивних призматичних паль θ і θsi дорівнюють одиниці, для фунда-

ментів у пробитих свердловинах θ =0,1…0,25, а θsi =0,7…1,0 залежно від значення qs ; u – периметр поперечного перерізу палі, м; λ – перехідний коефіцієнт

для кожного шару ґрунту в межах довжини палі; qsi – опір кожного шару ґрун-

385

λ

Рис. 14.21. Криві залежності λ=f(qs):

1 – суглинки та глини; 2 – супісок; 3 – пісок

Рис. 14.22. Загальний вигляд платформи для

навантаження фундаментів гідродомкратом

ту в межах довжини палі, кПа; n – кількість несучих шарів ґрунту в межах довжини палі.

На рис. 14.21 наведені графіки залежності коефіцієнта λ від значення qs і

типу ґрунту. Графіки встановлені за узагальненими результатами паралельних випробувань ґрунтів зондуванням та статичних випробувань паль, проведених у центральній частині України.

Несуча здатність Fd забивної призматичної палі за даними статичного зондування дорівнює

де γc – коефіцієнт умов роботи; γc =1; γ g – коефіцієнт надійності; n – число

точок зондування (не менше ніж 5).

Статичні випробування фундаментів проводять із метою визначення їх несучої здатності в конкретних ґрунтових умовах будівельного майданчика. Розміри фундаментів для випробувань призначають за даними розрахунків або зондування. Випробування полягає в ступінчастому завантаженні фундаменту вертикальним (горизонтальним, моментним) навантаженням і вимірюванні при цьому відповідної деформації. Кожен ступінь навантаження витримують до умовної стабілізації деформації фундаменту. Регламент умовної стабілізації деформації встановлюється стандартами на статичні випробування.

Навантаження фундаментів звичайно проводять одним із двох способів: безпосереднім навантаженням фундаменту тарованими за масою вантажами або гідравлічним домкратом з упором у платформу з навантаженням, що перевищує припустиме навантаження на фундамент.

На рис. 14.22 показана платформа, завантажена фундаментними блоками

386

загальною масою 170 т. Осідання фундаменту вимірюють двома прогиномірами з точністю до 0,1 мм і для подальшого аналізу приймають середнє значення. На рис. 14.23 показана схема статичного випробування фундаменту в пробитій свердловині шляхом навантаження тарованими вантажами.

Результати статичних випробувань фундаментів представляють у вигляді графіків залежності осідання з часом для кожного ступеня навантаження (рис. 14.24). За ними можна судити про характер затухання осідання з часом.

Математично описати ці криві можна цілим рядом феноменологічних залежностей (можна згадати п. 9.7), зокрема з використанням рівняння стану, параметри якого отримують шляхом багатофакторного аналізу,

Kθ ∞

де γ – деформація (осідання фундаменту); t – час; A – величина деформації за одиницю часу (t=1); b – показник, що визначає вид функції (14.8); δ – параметр, що зв’язує термодинамічну енергію та напругу; K – стала Больцмана; θ – абсолютна температура (K ); P∞ – межа довготривалої міцності (несуча здатність

фундаменту при t → ∞); P – навантаження на фундамент за час t. Параметрами рівняння, що характеризує НДС у часі, є b, A, δ( Kθ ), P∞ .

За даними графіків на рис. 14.24 складають систему рівнянь і визначають реологічні характеристики. Цей підхід дозволяє прогнозувати в часі несучу здатність та деформації фундаментів за результатами їх статичних випробувань.

Згідно зі стандартами, несучу здатність фундаменту за даними статичних випробувань визначають з урахуванням графіка залежності осідання – навантаження (рис. 14.25). При осіданні ∆ =ςSu , де коефіцієнт ς , що враховує мож-

387

де η – коефіцієнт, що залежить від гнучкості матеріалу фундаменту; A – площа поперечного перерізу фундаменту; M – коефіцієнт, що враховує спосіб занурювання (виготовлення) фундаменту; Ed – розрахункова енергія удару молота

(трамбівки, віброзанурювача); Sa – відказ фундаменту; m1 – вага молота (трамбівки, віброзанурювача); ε – коефіцієнт поновлення удару; m2 – вага фундаменту й наголовника; m3 – вага підбабка.

Відказом називається величина занурювання фундаменту від одного удару молота. При роботі з віброзанурювачем – це величина занурювання фундаменту за одну хвилину його роботи, а при пробиванні свердловини (котловану) або втрамбовуванні щебеню – величина занурювання трамбівки при її падінні з фіксованої висоти.

Несучу здатність фундаментів за результатами їх статичних і динамічних випробувань визначають за формулою

де γc – коефіцієнт умов роботи; γ g – коефіцієнт надійності для ґрунту.

Під “відпочинком” фундаментів, які виготовляють без виймання ґрунту, звичайно розуміють період, що починається з моменту влаштування й характеризується зміною їх несучої здатності. Досвід зведення цих фундаментів і паль показав, що їх опір у мілких та пилуватих пісках із часом зменшується, в глинистих ґрунтах – зростає й лише в крупних пісках залишається незмінним.

У піщаних ґрунтах при забиванні фундаментів різко зростає їх опір занурюванню, аж до повного їх зупинення. Цей опір створює помилковий відказ. Через деякий час (3-6 діб) при повторному забиванні виявляється збільшення відказу порівняно з величиною в кінці забивання фундаменту до “відпочинку”. У цей період несуча здатність знижується в кілька разів. Якщо не врахувати явище помилкового відказу при випробуваннях фундаментів, це може призвести до серйозних ускладнень при будівництві та експлуатації споруди.

У водонасичених глинистих ґрунтах при занурюванні фундаментів і трамбівок відбуваються явища, пов’язані зі втратою їх міцності. У результаті фундамент занурюється в ґрунт легко при відказах, які набагато перевищують проектні. Після “відпочинку” фундаментів протягом 3-4 тижнів їх несуча здатність зростає у 2-4 рази. Явище помилкового відказу при занурюванні фундаментів у водонасичені глинисті ґрунти відбувається через руйнування структури навколишнього ґрунту в межах зони впливу. Після припинення динамічних впливів відбувається поновлення зворотних структурних зв’язків, а оскільки процесу розрідження відповідає зміцнення за рахунок збільшення щільності складу, то опір збільшується порівняно з ґрунтом природного складу.

Із збільшенням застосування набивних паль у пробитих, продавлених і розкочених свердловинах та з камуфлетним розширенням, фундаментів у витрамбуваних та віброштампованих котлованах, забивних блоків й інших із різними методами впливу на ґрунт при їх улаштуванні та значними геометричними розмірами актуальнішим стає питання урахування параметрів цього явища

389

при визначенні несучої здатності таких фундаментів.

Слід зазначити, що терміни відпочинку паль, які рекомендують різні дослідники, мають дуже великі діапазони: для супісків – 2-10 діб, суглинків – 2-30, глин – 20-180, мулів – 20-80 тощо. З аналізу кількісних тенденцій зміни несучої здатності різних видів ґрунтів і паль було зроблено висновок про близькість експериментальних результатів, отриманих різними дослідниками в аналогічних умовах. Причини розбіжностей у часі “відпочинку” паль полягають у тому, що: а) експерименти проводились у межах одного виду ґрунтів, але кожний раз в інших його різновидах чи станах; б) при цьому вивчались різні за видом, розмірами та способом занурення палі; в) застосовувались різні способи випробування паль; г) несуча здатність паль оцінювалась за різними критеріями; д) терміни “відпочинку” паль приймались при різних відсоткових величинах несучої здатності від її кінцевого значення.

Щодо природи зміцнення глинистого ґрунту з часом навколо фундаментів також є кілька тверджень:

а) механічне розсмоктування водної плівки, яка утворюється під час заглиблення на бічній поверхні палі;

б) процес консолідації навколишнього ґрунту, котрий пов’язано з розсіюванням поро-

вого тиску, що виникає при заглибленні палі; в) тиксотропні процеси, які відбуваються в ґрунті навколо палі;

г) за сучасними міркуваннями динамічне знеміцнювання ґрунту зони впливу, що виникає при влаштуванні фундаментів, є синтезом тиксотропного, характерного для тонкодисперсних водонасичених глин із коагуляційним типом контактів між частинками, та гравітаційного, характерного для чистого піску, руйнування з наступним відновленням ґрунтових зв’язків (за професором В. І. Осиповим – “пливунне розрідження ґрунту”) процесів. Зміцнення глинистого ґрунту навколо фундаментів, які виготовляють без виймання ґрунту, відразу після їх улаштування носить переважно тиксотропний характер, а наступне повільне зростання міцності ґрунту пов’язане з розвитком гравітаційних процесів.

Статистичний матеріал за різновидами фундаментів, які виготовляють без виймання ґрунту, отримано шляхом одноразових статичних випробувань за методикою ДСТУ Б В.2.1- 2-95 фундаментів-близнюків із термінами “відпочинку” від 1 доби до 2 років на ряді дослі д- них ділянок, складених глинистими ґрунтами. В усіх випадках зростання несучої здатності фундаментів у процесі їх “відпочинку” мало згасаючий і незворотний у часі характер. Параметри цього процесу (тривалість, інтенсивність розвитку тощо) залежать від трьох взаємопов’язаних груп чинників:

1)методу впливу на ґрунт при влаштуванні фундаментів, а саме характеру й тривалості дії динамічного навантаження, – при однакових інших умовах період “відпочинку” найменший для фундаментів, створених методом статичного впливу на ґрунт (палі, що заглиблюють удавлюванням, набивні палі у продавлених і розкочених свердловинах тощо), більший для фундаментів, створених методом ударного впливу на ґрунт (забивні палі, блоки, набивні палі в пробитих свердловинах, фундаменти у витрамбуваних котлованах, штучні основи з поверхневим і глибинним ущільненням ґрунту), й найбільших для фундаментів, створених за допомогою вибуху (набивні палі з камуфлетним розширенням) та шляхом вібраційного впливу на ґрунт (віброзанурені палі, палі і фундаменти у віброштампованих котлованах);

2)розмірів зони впливу фундаментів, які при відношенні ℓ/d≤4, де ℓ – довжина палі чи

глибина свердловини (котловану), d – діаметр поперечного перерізу палі чи розширення ФУ, можуть бути зведені до площі поперечного перерізу цієї зони Azi, м2, а при ℓ/d>4 – ще й до значення ℓ, м. При цьому

де Dzi – діаметр зони впливу фундаменту, м; Ad – площа поперечного перерізу фундаменту чи його розширення, м2. Значення Dzi залежить від розмірів поперечного перерізу фундаменту та характеристик ґрунту. За наявності попередніх досліджень величину Dzi визнача-

390

ють за емпіричними формулами, наприклад для пірамідальних паль залежно від кута внутрішнього тертя ґрунту φ:

а для набивних паль у пробитих свердловинах, фундаментів у витрамбуваних котлованах залежно від коефіцієнта пористості ґрунту ea та його мінімального значення ea .min (біля бічної

поверхні чи під підошвою фундаменту):

Більш перспективним методом визначення параметрів зони впливу фундаментів, які виготовляють без виймання ґрунту, є математичне моделювання НДС основи при влаштуванні фундаментів. Цей підхід докладно висвітлено в п. 10.5;

3) мінералогічних та фізико-хімічних властивостей ґрунту, а саме дисперсності частинок, кристалічної будови глинистих мінералів, вмісту органічних речовин, валентності обмінних катіонів та їх концентрації в поровому розчині, показника pH середовища, щільності, вологості ґрунту, температурних факторів, коефіцієнта фільтрації ґрунту й ін. (наприклад, підвищення концентрації одновалентних обмінних катіонів K+ та Na+, які мають диспергуючий (стабілізуючий) ефект, більше ніж 100…150 мг/л у поровому розчині призводить до зменшення тривалості відпочинку).

За оптимальний час “відпочинку” фундаментів, які виготовляють без виймання ґрунту, T, діб, згідно з пропозицією професора Б. І. Далматова приймався термін, що відповідає набору ними 95% несучої здатності від її кінцевої величини. Для всіх видів фундаментів, що досліджувались, крім віброзанурених паль, при ℓ/d≤4:

де A та C – коефіцієнти, що залежать від способу влаштування фундаменту для забивних пірамідальних і конічних паль A=23 доби; C=0,75 1/м2 (при коефіцієнті кореляції r=0,83); для фундаментів у пробитих свердловинах і витрамбуваних котлованах A=12,5 діб; C=0,5 1/м2

(r=0,97); I L – показник текучості ґрунту; ke.i – коефіцієнт, який ураховує диспергуючий ефект катіонів K+ та Na+ у поровому розчині (ke.i ≤1).

До речі, експериментальні дані можливо інтерпретувати й інакше, наприклад для забивних пірамідальних і конічних паль:

де L= 207 діб/м2; 1 =0,43; 2 =0,7 при r=0,98.

При ℓ/d>4 оптимальний час “відпочинку” фундаментів може бути визначено як:

де, наприклад, a0=81,55%; a1=42,76% – для забивних пірамідальних паль, a0=55,79%; a1=43,64% – для фундаментів у пробитих свердловинах і витрамбуваних котлованах.

Приріст несучої здатності фундаментів у цей момент визначають за експоненційною

391