Любой фундамент должен обладать достаточной несущей спо­собностью, для того чтобы воспринимать нагрузки от сооружения. Различают несущую способность фундамента по условию прочно­сти материала (по материалу) и по условию прочности грунта осно­вания (по грунту).
Ниже кратко освещены факторы, оказывающие наиболее суще­ственное влияние на несущую способность по грунту фундаментов и одиночных свай, воспринимающих осевую сжимающую нагрузку.

В процессе принудительного заглубления каждая свая закры­тым нижним концом вначале сжимает грунт в направлении ее по­гружения, а затем отжимает (выжимает) в стороны, уплотняя его. В результате этого вокруг сваи образуется зона грунта с повышен­ной по сравнению с природной плотностью, а следовательно, с бо­лее высокими напряжениями. О примерных размерах и форме такой зоны, а также степени уплотнения грунта можно судить по данным зондирования грунтового массива вокруг стальной сваи диаметром 0,4 м с бетонной пробкой внутри, забитой в рыхлые крупнозернистые пески на глубину 5,1 м. На рис. 6.1 показана гра­ничная поверхность природной плотности песка и поверхности 2, 4, 8, в точках которых напряжения под зондом в 2, 4, 8 раз превышают напряжения в песке природной плотности.

Вследствие большого отпора нижележащей толщи грунт из-под острия погружаемой сваи отжимается по криволинейным поверх­ностям в направлении меньшего сопротивления, а именно в стороны и вверх. Под воздействием вытесняемого грунта искривляются (де-планируются) поверхности слоев, прорезаемых сваей. Наибольшие искривления наблюдаются вблизи верхнего, а наименьшие у ниж­него концов сваи (рис. 6.2,а).

Отмеченный характер депланации поверхности слоев вокруг погружаемой сваи легко прослеживается в лотке с прозрачной стенкой на модели грунтового массива с тонкими прослойками мела. Используя метод «фотофиксации», в таком лотке выявляют также траектории смещения частиц грунта (рис. 6.2,6).

В зависимости от направления и величины перемещения частиц различают четыре характерные зоны деформации грунтового массива вокруг погружаемой сваи (см. рис. 6.2,6). Первая зона пред­ставляет слой грунта толщиной 0,2-1 см, примыкающего непо­средственно к боковой поверхности сваи. Характерной особенно­стью этой зоны является переменная величина смещения частиц грунта в направлении погружения сваи от максимума вблизи ее поверхности до минимума на границе со второй зоной. По этой границе происходит сдвиг сваи относительно грунта.

Во второй зоне частицы грунта, отжимаемые острием сваи (а при плоском торце - конусом из сильно уплотненного грунта) сме­щаются в сторону и вверх (см. рис. 6.2,6). Эта зона характерна большими сдвигами частиц (пластического течения) грунта, сильно нарушенного острием сваи. В третьей зоне грунт уплотняется в результате смещения частиц в радиальном направлении (см. рис. 6.2,6). Четвертая зона является областью упругих деформаций грунта.

Размеры и очертания характерных зон уплотнения могут суще­ственно изменяться в зависимости от свойств грунтов, формы, се­чения и длины сваи, способа заглубления ее в грунт, а также про­должительности перерыва между окончанием погружения сваи и передачей на нее внешней нагрузки. С повышением природной плот­ности грунтов увеличиваются размеры характерных зон.

Вокруг полых свай и оболочек, погруженных с выемкой грунта, сохраняется плотность грунтов, близкая к природной. Поэтому ха­рактерные зоны имеют значительно меньшие размеры по сравне­нию со сваями, погруженными с закрытым концом.

Рис. 6.1. Масштабная схема зон уплотнения песка вокруг сваи

Рис. 6.2. Характер деформации грунта вокруг сваи, погружаемой в грунт

Рис. 6.3. Характер напряженного состояния грунта вокруг нагруженной сваи

Рис. 6.4. Характер изменения сжима­ющих усилий по длине погруженной висячей сваи с увеличением внешней нагрузки: 1-3 - кривые изменения усилий

Воздействующая на сваю (внешняя) осевая сжимающая нагрузка передается на окружаю­щий массив грунта по поверхно­стям давления (рис. 6.3, а), кото­рые являются поверхностями главных нормальных напряжений. Форма и размеры этих поверхно­стей зависят от свойств грунтов, сечения, длины и способа погру­жения сваи.

Нагруженная свая оказывает давление на окружающий ее мас­сив грунта, в каждой точке кото­рого из-за этого возникают, кро­ме активных, равные по величине, но противоположные по знаку ре­активные напряжения (сопротив­ления) грунта: нормальные 0о в уровне низа сваи, нормальные (обжимающие) ае и касательные т на ее боковой поверхности (рис.6.3, б). Этот массив называют зоной активного давления нагружен ной сваи на грунт или сокращенно активной зоной.

Экспериментальными исследованиями выявлено, что касатель­ные силы сопротивления (силы трения) грунта включаются в рабо­ту при смещении (осадке) сваи на несколько миллиметров. При осадке верха сваи на 0,5-2 см происходит ее сдвиг относительно грунта и как следствие этого срыв сил трения. При этом величина сил трения несвязных грунтов о сваю после срыва почти не изме­няется, связных уменьшается на 10-20%, а в ряде случаев и больше.

По мере увеличения нагрузки Р на сваю вначале включается в работу боковая поверхность, а затем - нижний конец сваи. До приложения внешней нагрузки свая находится в сжатом состоянии от воздействия остаточных (после прекращения ее принудительно­го заглубления) нормальных и касательных сил сопротивления грунта (рис. 6.4). С возрастанием внешней нагрузки увеличивается сжимающее усилие в верхней и нижней частях сваи и включаются в работу (положительные) силы трения грунта о ее боковую по­верхность (см. рис. 6.4).

Рассмотренные закономерности относятся к напряженному со­стоянию грунта вокруг одиночной сваи. Но фундаменты сооруже­ний представляют группы (кусты) свай, объединенных плитой. Чтобы уменьшить размеры плиты, сваи размещают на сближенных расстояниях так, чтобы существенно не снижать их несущей спо­собности. Экспериментами установлено, что сваи лучше размещать на расстояниях, при которых эпюры нормальных давлений в уров­не нижнего конца свай взаимно соприкасаются, не пересекаясь

Рис. 6.5. Эпюры сжимающих напряжений в уровне низа свай в зависимости от
их взаимного положения

Рис. 6.6. Влияние ширины фунда­мента на размеры активной зоны и характер распределения напря­жений в ней:
1 - напряжения в грунте, составляю­щие более 75% от напряжений в уров­не подошвы плиты фундамента мелко­го заложения; 2 - то же, от 50 до 75%: 3 - от 25 до 50%; 4 -менее 25%

Рис. 6.7. Изменение характера эпюр сил трения т грунтов о боко­вую поверхность свай с разной глубиной погружения h

(рис. 6.5,а). Однако выполнение этого условия связано с необхо­димостью значительного увеличения размеров плиты. Поэтому наиболее часто вертикальные сваи в фундаментах размещают на уменьшенных расстояниях (рис. 6.5, б), при которых эпюры нормаль­ных напряжений накладываются, что приводит к суммированию давлений, а следовательно, к увеличению осадки куста свай. При наклонных сваях (рис. 6.5, в) их верхние концы можно располо­жить на расстояниях, минимально допустимых по условиям произ­водства работ, а нижние - на расстояниях, исключающих возмож­ность суммирования давлений.

В грунтовом массиве, окружающем свайные фундаменты, раз­меры активной зоны будут пропорциональны количеству рядов свай (рис. 6.6), аналогично фундаментам мелкого заложения, для кото­рых размеры этой зоны будут пропорциональны ширине их по­дошвы. При равных нагрузках на каждую из свай двух фундамен­тов осадка первого (рис. 6.6, а) в однородном по глубине массива грунте будет примерно в 2-3 раза меньше, чем второго (рис.6.6,б). Объясняется это влиянием большей по размерам активной зоны второго фундамента, в пределах которой грунт подвержен воздей­ствию сжимающих напряжений.