Нагружение одиночной висячей сваи вызывает ее перемещение вниз, сопровождаемое включением в работу основания под ост­рием и на боковой поверхности ствола. Если острие сваи опи­рается на более плотный грунт, то в первую очередь в работу вступает грунт под острием сваи, который уплотняясь дает неко­торую осадку, вызывающую постепенное включение в работу и грунта по боковой поверхности ствола. Для полной реализации сил трения на боковой поверхности необходимо некоторое мини­мальное перемещение (сдвиговая осадка) сваи, величина кото­рого зависит от вида и состояния грунта. Чем слабее окружаю­щий сваю грунт, тем величина сдвиговой осадки больше. В за­висимости от грунта она колеблется в пределах от 2 до 25 мм.

В процессе развития сдвиговой осадки происходит одновре­менный рост сопротивления основания как под острием, так и по боковой поверхности. После достижения полной величины сдви­говой осадки предельное сопротивление грунта на боковой по­верхности остается постоянным, а под острием продолжает воз­растать по мере увеличения внешней нагрузки, что сопровож­дается дальнейшей осадкой основания.

Соотношение усилий, воспринимаемых грунтом под острием и по боковой поверхности сваи, зависит от ее размеров и от свойств прорезаемых грунтовых напластований. Чем прочнее и жестче грунт под острием сваи, тем большая доля нагрузки бу­дет на него передана. Если же нижний конец сваи заглублен в слабый грунт, основная часть нагрузки будет передаваться сваей через боковую поверхность. Это же происходит и в однородном грунте при сваях большой длины. Забивка сваи в песчаный грунт без применения подмыва приводит к уплотнению грунта, что  также способствует повышению роли сопротивления трения на боковой поверхности.

В зависимости от условий устройства сваи удельный вес соп­ротивления грунта под ее острием или на боковой поверхности может колебаться в пределах от 25 до 75%. В однородных песча­ных грунтах суммарное поверхностное трение, препятствующее погружению сваи, особенно длинной, как  правило,   превышает половину ее несущей способности; сопротивление же выдергива­нию значительно меньше половины несущей способности. Это объясняется тем, что при перемещении сваи вниз давление пес­чаного грунта на ее боковую поверхность увеличивается (про­исходит заклинивание частиц грунта), а при движении вверх - падает.

При забивке сваи вокруг ее ствола за счет большого давле­ния образуется плотная грунтовая «рубашка», которая погру­жается вместе со сваей. Толщина этой рубашки в зависимости от материала сваи, вида грунта и способа погружения составляет 3-10 мм. Благодаря этому повышается сопротивление сваи по боковой поверхности. Подобная «рубашка» образуется и вокруг ствола набивной сваи за счет неровностей поверхности ее ствола и вдавливания бетона в окружающий грунт.

Следует отметить, что при однородном грунте характер рас­пределения сопротивления трения в песке и глине будет совсем разным. Если в глине удельное сопротивление мало изменяется в зависимости от глубины (поскольку оно определяется главным образом сцеплением между «рубашкой» и окружающим грун­том), то в песке оно увеличивается почти пропорционально глу­бине, в связи с чем предельная несущая способность свай возра­стет примерно пропорционально квадрату глубины забивки.

Поскольку функциональная зависимость между удельным соп­ротивлением грунта на боковой поверхности сваи и ее длиной в песке и глине различна, вряд ли можно признать удачным сов­мещение значений величин нормативных сопротивлений осно­вания по боковой поверхности свай для песчаных и глинистых грунтов, как это сделано в СНиП II-Б. 5-67.

При забивке свай под ее острием происходит уплотнение грун­та на небольшую глубину, соразмерную только с диаметром сваи (до 3-4 d). В этой зоне в песчаных грунтах и супесях модуль сжимаемости грунта резко повышается, благодаря чему одиноч­ные сваи дают под нагрузкой малые осадки. Однако, при свай­ном фундаменте, состоящем из группы свай, в зависимости от его размеров в плане, активная зона распространяется на значитель­но большую глубину и включает в себя грунт, не подвергнутый уплотнению при забивке свай, из-за чего осадки свайных фунда­ментов намного превышают осадки одиночных свай в том же грунте.

В связи с этим данные о несущей способности одиночной сваи можно использовать только для определения числа свай в свай­ном фундаменте, назначения их длины и расстояния между ними, но они совершенно недостаточны для получения полного представления о работе свайного фундамента и о его возможных де­формациях, особенно при большой ширине ростверка и тем более при многослойном основании

Для  надежной  оценки  работы  свайного  фундамента данные о несущей способности свай следует рассматривать вместе с раз­резами буровых колонок и результатами исследований грунто­вых условий в пределах длины свай и сжимаемой толщи основа­ния свайного фундамента.

Таким образом, величина осадки фундамента из висячих свай определяется свойствами грунтов подстилающих слоев, напря­жениями под остриями свай, общей величиной нагрузки на свай­ный фундамент и его размерами. Следует учитывать и влияние соседних свайных фундаментов.

Если основания фундаментов очень глубокого заложения можно рассчитывать только по деформациям, то при определе­нии несущей способности одиночных свай наряду с расчетом по деформациям необходимо рассматривать и условия достижения предельного состояния основания по прочности.

Для определения сопротивления одиночных висячих свай иногда пользуются теоретическими методами. Такие методы и соот­ветствующие расчетные формулы разработаны многими автора­ми. Расчетные теоретические формулы обычно исполь­зуют только физико-механические характеристики грунтов свай­ного основания и основываются на различных допущениях, с большей или меньшей степенью достоверности отражающих фи­зический характер работы сваи. Общим для этих формул являет­ся принцип суммирования сопротивления основания под остри­ем и на боковой поверхности сваи для определения полной не­сущей способности. Имеются некоторые данные о том, что такой подход к определению полного сопротивления сваи, не учитываю­щий взаимного влияния деформаций в грунте основания, возни­кающих под ее острием и на боковой поверхности, не совсем оп­равдан. Однако погрешность расчетов, вытекающая из этого до­пущения, по-видимому, значительно меньшая, чем от многих других предпосылок, на которых построены расчетные формулы.

Не вдаваясь в подробный анализ этих формул, отметим только что в них принято распределять трение по боковой поверхности свай по треугольной эпюре, что, повидимому, дает несколько за­вышенные значения величин бокового давления в песках и вовсе не соответствует условиям работы сваи в глинах.

Пока еще нет экспериментальных и теоретических данных о законе распределений горизонтального давления грунта по не­подвижной цилиндрической поверхности. Отмечая это, В. Г. Березанцев предлагает в порядке первого приближения для по­строения эпюры горизонтального давления песчаного грунта, вызывающего силы трения вдоль вертикальной цилиндрической поверхности, пользоваться результатами его решения осесимметричной задачи для предельного состояния, согласно которым эта эпюра имеет нелинейный характер.

Исходя из приведенных выше соображений, для ориентировоч­ных расчетов до получения более достоверных данных, по-видимому, можно принять параболический закон распределения дав­ления песчаного грунта по боковой поверхности цилиндрической сваи. Для определения предельного сопротивления грунта под концом цилиндрической сваи в песчаном грунте можно восполь­зоваться методом В. Г. Березанцева.
Предельная нагрузка на сваю по острию определяется по тео­ретической формуле

(17)

где     а - радиус сечения сваи,
- объемный вес грунта основания   (с учетом взвеши­вающего действия воды для водонасыщенного песка) в т/м³;
А_к1 - коэффициент,   определяемый   по   графику   на   рис. 47, а, причем, при пользовании графиком угол внут­реннего трения грунта следует уменьшать на 2° вви­ду возможного   некоторого   разуплотнения   грунта при наступлении предельного состояния;
А_т и В_т, - коэффициенты, определяемые   по   графику  на   рис. 47, б;
- средняя интенсивность пригрузки на основание от сил трения, передаваемых на грунт по боковой по­верхности сваи,  принимаемая равной  
где:  - среднее значение удельной силы трения на боковой поверхности ствола сваи. Для сваи квадратного сечения с размерами bхbрасчетный радиус равен . Для определения несущей способности основания  по острию сваи  рекомендуется делить на коэффициент запаса .
Пример. Определим несущую способность железобетонной сваи сечением 0,35x0,35 м, забитой в водонасыщенный пылеватый песок средней плотности на глубину 10 м
Характеристики песка:

Приведенный радиус

Отношение 
По графику на рис. 47, а находим для , а по графику на рис. 47, б и   . Средняя интенсив­ность пригрузки

По формуле (17)

Несущая способность сваи по острию

Забивка свай в плотный песок без подмыва или предваритель­ного бурения лидерной скважины на глубину более 5-6 мтрудно осуществима, а при минимальной пористости

Рис.   47   Графики к расчету предельного сопротивления основания по острию сваи в песчаном грунте

песка практиче­ски невозможна.

Забивка свай в песчаные грунты вызывает его дополнительное уплотнение, в результате чего вокруг каждой сваи образуется цилиндр из уплотненного песка, который вместе со сваей работает как глубокая опора. В то же время на некотором расстоя­нии от сваи плотность грунта остается неизменной. Наиболее ра­циональным представляется такое размещение свай в кусте, при котором цилиндры из уплотненного песка касались бы друг дру­га. Более редкое размещение свай приведет  к неоправданному увеличению размеров роствер­ка, а слишком густое, при кото­ром зоны уплотнения значи­тельно перекрывают друг дру­га, - затруднит забивку свай и снизит эффективность исполь­зования их несущей способно­сти.

Чтобы определить, на каком именно расстоянии от сваи круглого поперечного сечения, забитой в песок средней плот­ности, произойдет уплотнение грунта, выполним необходимые расчеты, приняв следующие до­пущения:

- у поверхности сваи радиусом rплотность песка достигнет максимального возможного значения, т. е. его пористость будет минимальной;

- в пределах уплотненной зоны с внутренним радиусом rи на­ружным - Rпористость песка изменяется от минимального до первоначального ее значения по линейному закону.

Рассмотрим песчаный цилиндр вокруг сваи, высотой hо = 1, имеющий внутренний радиус r и наружный R(рис. 48, а). Вто­рое допущение будет удовлетворено, если принять, что

Рис. 48. Схемы к расчету несущей способности забивных свай в песча­ном грунте по боковой поверхности: а - для определения величины R; б - для определения горизонтального давления грунта на сваю р_в.

песок вы­тесненный сваей в объеме , распределится на поверх­ности цилиндра в виде усеченного конуса с цилиндрическим от­верстием радиусом r с объемом V₁, и втиснут по вертикали в пес­чаный цилиндр.
Если условно вырезать элементарную вертикальную призму песчаного грунта у боковой поверхности сваи высотой с площадью поперечного сечения dF, то в этой призме содержится грунтовый скелет в объеме , где - коэффициент пористости природного грунта. После уплотнения тот же объем грунтового скелета разместится и в призме с объемом dFh₀, но при коэффициенте пористости .
Приравняв объемы, занимаемые грунтовым скелетом до и после уплотнения, получим выражение

(18)

откуда найдем, что равно

(19)

Из формулы (19) видно, что чем плотнее грунт, тем больше значение k.
Для того, чтобы найти величину наружного радиуса зоны уп­лотнения R, приравняем объем цилиндра к объему усеченного ко­нуса с цилиндрическим отверстием

(20)

После простейших   преобразований   и   решения   квадратного уравнения и подстановки k вместо   найдем, что

(21)

Из формулы (21) видно, что чем выше начальная плотность грунта (чем больше k), тем шире зона уплотнения при забивке сваи и тем больше должен быть рациональный шаг свай.
Отношение наружного радиуса уплотненной зоны к ее внут­реннему радиусу обозначим через п, тогда

(22)

или из формулы (21)

(23)

Пример. Найдем наружный диаметр Dуплотненной зоны песка, если забитая в него свая имеет диаметр d=30 см; коэф­фициент пористости песка в природном сложении , а при максимальной плотности .

По формуле (19)         

По формуле (21)      
По формуле (22)       

Следовательно, шаг свай рекомендуется в данном случае при­нять равным 3d.
Для определения горизонтального давления песка, уплотненно­го забивкой сваи, на ее боковой поверхности рассмотрим условия равновесия горизонтального слоя из уплотненного песка в виде кольца с наружным и внутренним радиусами R и r, высотой
h₀ = 1 (см. рис. 48, а) на некоторой глубине H от поверхности земли.

По любому диаметральному сечению должно соблюдаться ус­ловие равновесия внешних сил (см. рис. 48, б):
-давления снаружи на кольцо окружающего грунта;
-реактивного давления сваи на внутреннюю поверхность кольца;
-давления, заменяющего давление грунта отсеченной части кольца.

Принимаем следующие допущения:

-радиальное напряжение на наружном контуре кольца р_н равно природному боковому давлению грунта на глубине H;
-кольцевые напряжения по диаметральному сечению кольца распределяются по линейному закону от нуля у поверхности сваи (поскольку растягивающие усилия песок не воспринимает) до величины, равной р_н у наружного контура кольца;
-касательные напряжения по горизонтальным плоскостям не учитываются ввиду их малой величины.
Условие равновесия всех сил, спроектированных на ось у,

(24)

после интегрирования получим

(25)

откуда найдем, что

(26)

или подставив , определяем

(27)

Найдем отношение для предыдущего примера.

т. е. горизонтальное давление грунта на боковой поверхности свай вдвое превышает природное боковое давление в грунте.

Удельное сопротивление трения песчаного грунта на боковой поверхности сваи, если принять линейный (по треугольнику) за­кон распределения давления по ее длине, можно вычислить по формуле

(28)

где: - объемный вес песчаного грунта (в водонасыщенном со­стоянии берется с учетом взвешивающего действия грунтовой воды);
Н - глубина заложения от поверхности земли рассматри­ваемого слоя песка;
- расчетное значение угла внутреннего трения грунта;
- коэффициент бокового давления грунта;
п - отношение наружного радиуса уплотненной зоны к радиусу сваи ( ).
При глинистых грунтах рекомендуется определять сопро­тивление трения на боковой поверхности свай по испытаниям глин на одноосное сжатие; сопротивление сдвигу принимают рав­ным примерно половине прочности на одноосное сжатие.

Несущую способность свайного фундамента обычно определя­ют по сумме несущих способностей свай в ростверке и при цент­ральной нагрузке считают, что все они нагружены равномерно. Однако опыт показывает, что свайный ростверк больших размеров обычно искривляется и со временем приобретает форму, на­поминающую форму блюдца. Это свидетельствует о том, что сваи, расположенные вблизи наружного контура ростверка, об­ладают большей несущей способностью, чем размещенные в средней части. Отсюда можно заключить, что близко располо­женные сваи мешают работать друг другу, следовательно несу­щая способность сваи в кусте всегда ниже несущей способности одиночной сваи.

Эффект от применения свай в большой степени определяется шириной фундамента. Применение свай под узким фундаментом обеспечивает передачу нагрузки на значительно более глубоко расположенные слои грунта, которые, как правило, сильнее уп­лотнены и при одной и той же нагрузке дают меньшую осадку, чем выше расположенные (рис. 49, а).

Рис. 49 Нормальные давления в грун­те под фундаментами из висячих свай одинаковой длины при равной нагруз­ке на каждую в процентах от давле­ния по подошве фундамента
а - при узком фундаменте, б - при фундаменте, ширина которого значительно превышает длину сваи

Если ширина фундамента значительно превышает длину сваи, то в однородном грунте осадка свайного фундамента не будет сильно отличаться от осадки фундамента на естественном основа­нии (рис. 49, б), поскольку активная зона в том и другом слу­чае практически занимает одинаковое положение.

Применение сравнительно коротких свай под широким фунда­ментом может быть полезным только в том случае, когда они про­резают сильно сжимаемые прослойки и заглубляются в более прочный грунт.

При необходимости повысить несущую способность широкого свайного фундамента   иногда   применяют   сгущенную   забивку свай,   которая   в   большинстве случаев пользы не приносит.

Гораздо больший эффект мо­жет быть достигнут за счет увеличения длины свай, особен­но в мягких глинистых и дру­гих слабых грунтах, где сваи работают преимущественно за счет сопротивления грунта на их боковой поверхности.

Если ширина ростверка опре­деляется требуемым количест­вом свай, раздвижка их на расстояние более 4 d, как правило, невыгодна, так как достигаемое таким путем некоторое повыше­ние несущей способности свай не оправдывает значительного удорожания работ, вызванного увеличением размеров роствер­ка. Таким образом и в этом случае выгоднее увеличивать длину свай.

Для оценки влияния некоторых факторов на несущую способ­ность и деформации свай и свайных фундаментов нередко при­бегают к модельным исследованиям. Серьезным недостатком та­ких исследований является отсутствие обоснования масштаба моделирования. Особенно осторожно следует относиться к исполь­зованию результатов исследования свай на моделях малых раз­меров.

Чтобы качественно оценить принципиальную возможность рас­пространения результатов модельных испытаний свай на натуру, рекомендуется такие испытания выполнять на моделях в несколь­ких (хотя бы двух) масштабах.

Еще лучше, если полученные зависимости до использования их на практике, проверяются натурными испытаниями свай.

В заключение следует отметить, что принципиальных разли­чий в отношении деформаций оснований под свайными фунда­ментами иди фундаментами глубокого заложения не имеется. При одинаковых размерах и глубине заложения фундаментов обоих типов и одинаковой нагрузке на них, осадки оснований должны быть сходными по величине. Однако при выборе того или иного типа фундамента следует помнить,
что деформации основа­ний могут оказаться значительно больше расчетных из-за нарушения природной структуры грунта или при неправильном произ­водстве работ.