Несущая способность и деформации свай и свайных фундаментов |
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.
где а - радиус сечения сваи,
Приведенный радиус Отношение
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
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 рв.
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. (18) откуда найдем, что равно (19)
(21)
(22) или из формулы (21) (23)
По формуле (19) По формуле (21) Следовательно, шаг свай рекомендуется в данном случае принять равным 3d. По любому диаметральному сечению должно соблюдаться условие равновесия внешних сил (см. рис. 48, б): Принимаем следующие допущения: -радиальное напряжение на наружном контуре кольца рн равно природному боковому давлению грунта на глубине H; (24)
(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); 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).
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, |