Что вызывает забивка свай в глинистых грунтах

11.2. Взаимодействие свай с окружающим грунтом

Взаимодействие свай с окружающим грунтом носит сложный характер и зависит как от процессов, происходящих в грунте при устройстве свайных фундаментов, так и при их работе под действием эксплуатационных нагрузок. Эти процессы оказывают влияние на несущую способность и осадки свайного фундамента, от их правильного учета во многом зависит

точность расчета и экономическая эффективность применения свай.

Процессы, происходящие в грунте при устройстве свайных фундаментов, по данным исследований В. Н. Голубкова, А. А. Луги, Б. И. Далматова и др., зависят от типа свай, грунтовых условий, технологии погружения и изготовления свай и т. п. Так, сплошная свая при погружении вытесняет объем грунта, равный ее объему, в результате чего грунт около сваи уплотняется, а часть его вытесняется вверх, вызывая подъем поверхности грунта вокруг свай. В рыхлых песках и песках средней плотности, а также в ненасыщенных водой глинистых грунтах, уплотнение которых протекает быстро, перемещение грунта вверх незначительно и приводит лишь к небольшому подъему поверхности грунта. В водонасыщенных глинах и суглинках уплотнение происходит только в результате отжима воды из пор грунта и, поскольку этот процесс протекает медленно, за время погружения свай грунт не успевает уплотняться и большая его часть вытесняется вверх, что сопровождается значительным подъемом поверхности грунта в пределах свайного поля.

Зона уплотнения грунта вокруг забивных свай сплошного сечения имеет радиус порядка трех диаметров сваи. Откопка опытных свай показала, что эта зона неоднородна: непосредственно около сваи грунт имеет нарушенную структуру и сильно уплотнен, по мере удаления от сваи структура и плотность грунта приближаются к естественной. Под нижним концом сваи зона уплотненного грунта имеет форму, близкую к сферической, и распространяется на глубину до 3. 4 диаметров сваи. Если по проекту нижние концы сваи забиваются в плотные пески, то, как показали опыты X. Кишиды (Япония) и А. В. Пилягина, наблюдается обратное явление :— разуплотнение грунта.

Учитывая явление уплотнения грунта при погружении свай, рекомендуют такую последовательность их забивки. Во всех случаях, а в плотных грунтах особенно, забивку следует вести от середины свайного поля к его периметру. Если это правило не соблюдается, средние сваи не всегда удается погрузить до заданной глубины из-за сильного уплотнения грунта, вызванного забивкой предыдущих свай.

При забивке полой сваи образовавшаяся уже в начале погружения грунтовая пробка приводит к формированию конусообразного грунтового ядра, играющего роль заострения сплошной сваи. В результате характер деформации грунта вокруг полой сваи будет таким же, как и вокруг сплошной. Если в процессе погружения грунт удаляется из полой сваи, уплотнение окружающего грунта будет незначительным и он сохранит структуру, близкую к природной.

В случае свай, изготовленных на месте, процессы, происходящие в грунте, зависят от применяемой технологии. Если при устройстве скважины используется бурение, это не приводит к изменению плотности и структуры грунта вокруг свай. Если же скважина

формируется внедрением инвентарной трубы или каким-либо другим способом, сопровождающимся отжатием грунта в стороны, то характер деформации грунта вокруг сваи будет примерно таким же, как и вокруг сплошной сваи.

Как показала практика, изменение структуры и плотности грунта при забивке свай может сопровождаться временным увеличением или уменьшением сопротивления сваи ее погружению. Здесь большое значение имеют не только свойства самого грунта, но и способы погружения сваи.

Как правило, при забивке свая сначала погружается в грунт очень легко и быстро. По мере погружения возрастают силы трения по ее боковой поверхности и сопротивление грунта под нижним концом. В результате скорость погружения замедляется. При молотах ударного Действия скорость погружения сваи принято характеризовать величиной ее погружения от одного удара, называемой отказом сваи. По величине отказа, который замеряется при достижении сваей проектной отметки, можно судить о ее сопротивлении, поскольку чем меньше отказ, тем, очевидно, больше несущая способность сваи. Однако для правильной оценки несущей способности сваи по величине отказа следует учитывать ряд специфических процессов, происходящих в окружающем грунте при ее забивке.

При забивке свай в маловлажные пески плотные и средней плотности под нижним концом сваи образуется переуплотненная упругая зона, препятствующая погружению, что приводит к быстрому уменьшению отказа свай вплоть до нулевого значения и дальнейшая попытка забить сваю может привести к разрушению ее ствола. Если прекратить забивку, то через некоторое время в результате релаксации напряжений сопротивление грунта под нижним концом сваи снизится. Поэтому, если через несколько дней снова возобновить забивку, свая опять начнет легко погружаться в грунт.

Описанное явление носит название ложного отказа, время, необходимое для релаксации напряжений, называется отдыхом сваи, а отказ, определенный после отдыха сваи и характеризующий ее действительную несущую способность,— действительным отказом.

Продолжительность отдыха для песчаных грунтов составляет 3. 5 сут.

Образования переуплотненной зоны грунта, препятствующей погружению сваи, можно избежать применяя молоты двойного действия или вибропогружатели. При сотрясениях грунта, вызываемых частыми ударами молотов двойного действия, уплотненная зона грунта под нижним концом сваи практически не образуется, а при вибрации, создаваемой вибропогружателем, резко снижаются силы внутреннего трения в песке и он становится подвижным, приобретая свойства жидкости.

При забивке свай в глинистые грунты часть связной воды переходит в свободную, грунт на контакте со сваей разжижается (тиксотропное разжижение структуры) и сопротивление погружению сваи снижается. Если прекратить забивку, то через некоторое время структура грунта восстанавливается и несущая способность сваи значительно возрастает. Это явление называют засасыванием сваи. Практика показала, что для получения действительного отказа в глинистых грунтах необходим отдых сваи, продолжительность которого составляет для супесей 5. 10 сут, для суглинков — 15. 20 сут, для глин—25. 30 сут и более.

Тиксотропные явления при забивке свай в глинистые грунты можно в значительной мере снизить, если погружение производить молотами одиночного действия с большим весом ударной части и небольшой частотой ударов.

При погружении свай в гравелистые и не насыщенные водой глинистые грунты отдых сваи мало влияет на величину отказа, т. е. не приводит к изменению несущей способности сваи.

Процессы, происходящие в грунте при работе свай под нагрузкой, не менее сложны, особенно в случае висячих свай.

Известно, что вертикальная нагрузка, воспринимаемая висячей сваей, передается на грунт через ее боковую-поверхность и нижний конец. В результате в грунте вокруг сваи возникает напряженная зона, имеющая сложное криволинейное очертание (рис. 11.10, а). Эпюра вертикальных нормальных напряжений о; на уровне нижнего конца свай имеет выпуклую форму. Принято считать, что напряжения о-г распределяются по площади, равной основанию конуса, образующая которого составляет со сваей угол х, зависящий от сил трения грунта по ее боковой поверхности.

При редком расположении свай в кусте напряженные зоны грунта вокруг них не пересекаются и все сваи работают независимо, как одиночные. При небольшом расстоянии между сваями (как показали опыты, менее 6(1, где б? — диаметр сваи) происходит наложение напряжений, вследствие чего давление на грунт в уровне нижних концов свай возрастает (рис. 11.10,6). Одновременно с увеличением давления под кустом свай формируется и значительно большая по сравнению с одиночной сваей общая активная зона сжатия грунта. Вследствие этих двух причин при одинаковой нагрузке осадка сваи куста при совместной работе свай будет всегда заметно превышать осадку одиночной сваи.

Что касается несущей способности свай куста, то, с одной стороны, дополнительное уплотнение грунта, вызванное забивкой соседних свай, приводит к ее увеличению, а с другой —^осадка грунта межсвайного пространства в результате совместной работы свай и осадки грунта под подошвой ростверка приводит к ее уменьшению, поскольку снижаются силы трения по боковым поверхностям свай. Что в итоге больше скажется на несущей способности сваи куста, зависит от многих условий и не всегда легко прогнозируется. Однако опыт показывает, что в глинистых грунтах, а также мелких и пылеватых песках несущая способность сваи в кусте, как правило, уменьшается по сравнению с несущей способностью одиночной сваи, а в песках крупных и средней крупности — увеличивается.

Описанные следствия совместной работы свай в кустах принято называть кустовым эффектом. Кустовой эффект проявляется не только при вертикальных, но и при других видах нагрузок на фундаменты, например горизонтальных. Влияние кустового эффекта на работу свайных фундаментов сложно, иногда противоречиво и требует тщательного экспериментального изучения.

Изменение начальных свойств грунтов при погружении свай, зависимость этих изменений от технологии устройства свайных фундаментов и используемого оборудования, взаимное влияние свай при их совместной работе в кустах, включение в ряде случаев в работу низкого ростверка и многое другое предопределили чрезвычайно сложный характер взаимодействия свай с грунтовым основанием, не поддающийся строгому математическому описанию. Поэтому для решения практических задач фундаментостроения действительные условия совместной работы свай и грунтового основания как единого комплекса заменяют расчетными схемами и моделями, содержащими различные упрощающие допущения и предпосылки. Естественно, что по мере накопления и обобщения опытных данных и совершенствования аналитических методов исследований применяемые в настоящее время на практике условные схемы и методы расчета развиваются. Это позволяет снизить заложенные в них «запасы на незнание», расширить область эффективного применения свай и сделать свайные фундаменты более дешевыми и конкурентоспособными по сравнению с другими типами фундаментов.

Нарушение структуры глинистых грунтов при забивке свай

Условия взаимодействия между сваями и окружающим их грунтом являются одним из важнейших вопросов, рассматриваемых при проектировании свайных фундаментов, особенно когда сваями прорезываются пласты глинистых грунтов. Структура таких грунтов в непосредственной близости от свай, как показано на рис. 15.1, сильно нарушается. Общее смещение слоев грунта не может быть при этом столь значительным, как в случае весьма глубокого котлована; тем не менее оно обычно оказывается достаточным, чтобы вызвать вредную осадку структурных глин. Подобное явление наблюдалось при возведении здания, к которому относится рис. 15.1. Сваи в виде стальных труб были забиты здесь до пласта ортштейна через толщу ленточной глины мощностью более 100 футов. Вокруг здания в результате смещения грунта произошел выпор. При этом траншеи под фундаментом оказались заполненными грунтом. Коэффициент структурной прочности таких глин является значительным и в среднем достигает S>5. В здании проектировалось устройство подвального помещения, причем его полы и внутренние стены должны были располагаться непосредственно на грунте. Очевидно, предполагалось, что он достаточно для этого надежен, так как при отрывке котлована под подвал был удален слой естественного грунта мощностью около 6 футов. Однако вскоре в полах и перегородках появились трещины. Положение трещин показало, что центральная часть полов осела вместе с расположенным под ними грунтом, в то время как краевые части полов, опиравшиеся на насадки свай, были от такой осадки застрахованы. Тщательные наблюдения за осадкой специальных реперов, заложенных в толще нарушенной в своем залегании глины, показали, что ее повторная консолидация под действием собственного веса продолжалась здесь в течение нескольких лет. Для поддержания пола на заданном уровне было проведено нагнетание под него глинистого раствора.

He до конца консолидированная глина или глина с нарушенной структурой может вызывать перегрузку свай-стоек из-за влияния так называемого отрицательного трения. Этот термин применяется для обозначения сил трения, действующих по поверхности свай и направленных книзу, в противоположность обычному положению, когда окружающий сваи грунт обеспечивает по крайней мере некоторую для них опору за счет сил трения, направленных вверх. Особенно опасное состояние может возникнуть, когда сваи забиваются через свежеуложенную насыпь, например, из шлака или гравия и подстилающую ее пластичную глину до лежащего на некоторой глубине слоя прочного грунта. В подобных случаях при консолидации глинистого слоя на сваи может передаться за счет отрицательного трения полный вес насыпи, что в некоторых случаях может приводить к поломке свай. При таких условиях следует избегать устройства свайных фундаментов, особенно если некоторые сваи забиваются с наклоном.

Отношение инженеров к использованию свай в глинистых грунтах в последние десятилетия существенно изменилось. В предшествующий период большой популярностью пользовался лозунг: «Когда сомневаешься, забивай сваи». А. Казагранде привлек внимание специалистов к вредным влияниям, которые оказывает забивка свай на глинистые грунты. Однако позже было показано, что не все его первоначальные обобщения справедливы. Так, например, оказалось, что не все глины при нарушении их структуры теряют прочность. Прочность некоторых разновидностей глин, снижающаяся на начальном этапе, со временем восстанавливается в результате их естественного упрочнения. Удаление грунта при устройстве котлованов для ячеистых фундаментов глубокого заложения не всегда является положительной альтернативой использованию свай.

Взгляды по этому вопросу коренным образом изменились после того, как в 1949 г. А.Е. Каммингс, Дж. Д. Керков и Р.Б. Пек сделали попытку показать, что забивка свай в глину не только не вредна, но даже приносит пользу. Их выводы основывались на косвенных рассуждениях. При испытаниях, на которые они ссылались в поддержку своего утверждения, не было выполнено никаких замеров осадки поверхности грунта. Это, а также и другие недостатки в их исследованиях были отмечены большинством специалистов, принявших участие в обсуждении их статьи. При этом были приведены конкретные данные, опровергающие выдвинутые ими обобщения.

Исходя из имеющихся в настоящее время данных могут быть предложены следующие рекомендации. Структурную прочность глинистых грунтов следует определять испытаниями на сжатие в одноосном напряженном состоянии. Если будет установлено, что грунт не обладает структурной прочностью или если она выражена в слабой степени, то забивка в него свай не должна вызывать какого-либо беспокойства в отношении возможного ослабления грунта. С другой стороны, если грунт относится к глинам с высокими значениями коэффициента структурной прочности, то на него нельзя полагаться как на надлежащую опору для висячих свай, полов или других элементов сооружения в тех случаях, когда при забивке свай-стоек, опирающихся на более прочный подстилающий пласт, структура глинистых грунтов нарушается. Глины, занимающие в этом среднее положение, образуют промежуточную группу. Применительно к ним пока не имеется достаточных данных для приведения конкретных рекомендаций. Некоторые полезные в этом отношении сведения можно получить при проведении испытаний свай пробными нагрузками.

• Типы свай и оборудования для их забивки
• Фундаменты зданий в районах вечной мерзлоты и сезонных дождей. Фундаменты холодильников предприятий и печей
• Подводные земляные и бетонные работы. Укладка бетона под воду с помощью труб
• Осушение котлованов, заложенных в песчаной толще. Понижение уровня грунтовых вод
• Меры по уменьшению и выравниванию осадок
• Глубина выемок в пластичных глинах лимитируется необходимостью предотвращения пучения их дна
• Открытые выемки в скальных породах и твердых глинах
• Гидроизоляция
• Строительное проектирование фундаментов мелкого заложения
• Выбор коэффициента запаса для глинистых грунтов

Что вызывает забивка свай в глинистых грунтах

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

где а — радиус сечения сваи,
— объемный вес грунта основания (с учетом взвеши­вающего действия воды для водонасыщенного песка) в т/м 3 ;
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 0,35×0,35 м, забитой в водонасыщенный пылеватый песок средней плотности на глубину 10 м
Характеристики песка:

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

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

откуда найдем, что равно

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

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

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

или из формулы (21)

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 (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,

после интегрирования получим

откуда найдем, что

или подставив , определяем

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

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.

Что вызывает забивка свай в глинистых грунтах

Погружение свай в различных грунтах происходит различно. В маловлажных или сухих песчаных грунтах при забивке свай быстро наступает отказ. После перерыва в бойке свай отказ возрастает. Таким образом, первоначальный отказ не является истинным. В практике строительства он получил название «ложного». Это явление объясняется тем, что при забивке свай происходит вытеснение воды и уплотнение грунта как вокруг ствола, так и у острия свай. Истинный отказ свай в таких песчаных грунтах может быть получен через 2—3 дня после окончания забивки.

В водонасыщенных песчаных грунтах явление ложного отказа не наблюдается. Но погружение свай в этих грунтах происходит с трудом, так как невозможно удалить воду в окружающую среду. Таким образом, во всех песчаных грунтах погружение свай сопряжено с большими трудностями.

Молоты большого веса в песчаных грунтах не дают эффекта. После погружения сваи на некоторую глубину молот начинает подпрыгивать, и погружение сваи прекращается. Дальнейшие попытки погрузить сваю приводят к ее разрушению. Поэтому, чтобы погрузить сваю в песчаиый грунт, применяют подмыв, так как при подмыве происходит постоянное движение потока воды по поверхности ствола сваи, уменьшающее силы трения и лобового сопротивления. Подмыв не приводит к уменьшению несущей способности свай в песчаных грунтах (при обязательной добивке свай при отключенном подмыве), за исключением мелких и пылеватых песков. Это объясняется тем, что в песчаных грунтах при забивке свай переход связанной воды в свободную и наоборот происходит быстро, чем обусловливается быстрое восстановление их структуры. Кроме того, песчаные грунты не могут поглощать воду в объеме, большем объема пор, а избыточная вода при добивке сваи, если выключен подмыв, выходит наружу.

Этим следует объяснить высокую несущую способность забивных свай в песчаных грунтах. Поэтому подмыв часто применяют в песчаных грунтах. Заметное снижение прочности при подмыве происходит в пылеватых и мелких песках, но это не имеет решающего значения, так как подошву свай всегда доводят до кровли более плотных грунтов.

Интенсивность вытеснения воды и, следовательно, уплотнение грунта тем выше, чем больше частота ударов сваебойного агрегата. Поэтому погружать сваи в песчаные грунты рекомендуется виброударными машинами. Некоторые опытные работы подтверждают это положение.

По СН 200—62 несущая способность свай, погружаемых в песчаные грунты вибропогружателем, увеличивается на 10% по сравнению со сваями, погружаемыми молотом; в действитель: ности же она увеличивается до 30%. Для погружения свай в песчаные грунты при отсутствии виброударных машин предпочтение следует отдавать молотам, которые имеют небольшую кинетическую энергию, но большую частоту ударов. К ним относятся дизельные молоты, а затем молоты двойного действия.

Множество типоразмеров виброударных машин требует разумного подхода к их выбору. Например, на ряде строительств установлено, что для погружения шпунтовых свай в водонасы-щенных песках на глубину до 10—12 м выгодно применять высокочастотные вибраторы, так как в этих грунтах решающее значение имеет сила трения. Для плотных песков высокочастотные вибраторы менее эффективны, так как здесь решающее значение имеет не сила трения, а лобовое сопротивление; чтобы преодолеть его, требуются вибраторы большой мощности (по величине импульса удара и возмущающей силы). С увеличением размера свай влияние частоты вибрации уменьшается; поэтому для погружения свай большого размера применяют низкочастотные вибраторы средней и большой мощности.

В песчаные грунты трубчатые сваи можно погружать как с закрытым, так с открытым концом. При погружении свай с открытым концом в нижней части образуется плотная песчаная пробка, которая способствует дополнительному уплотнению грунтового основания. Поэтому трубчатые сваи диаметром до 80 см с сохранением грунтового ядра из песков относят к категории обычных забивных свай, т. е. их несущая способность по грунту принимается как для свай, погружаемых с закрытым концом. Высота пробки должна быть не менее трех диаметров ствола сваи.

При погружении свай-оболочек и колодцев-оболочек также следует сохранять песчаную лробку. С увеличением размеров оболочек степень уплотнения песчаной пробки уменьшается, эта пробка способствует сохранению плотности грунтового основания, образовавшейся вследствие воздействия вибрации. Песчаная пробка затрудняет погружение оболочек; поэтому грунт из внутренней полости оболочек следует удалять, но при извлечении грунта необходимо оставлять пробку высотой не менее 3 м. Извлечение всего грунта до уровня ножа оболочки требует дополнительной затраты труда и материалов и, самое главное, ухудшает работу фундамента. Это важное обстоятельство должно быть учтено при проектировании фундаментов на оболочках.

Погружение свай в глинистые грунты связано с рядом особенностей. При забивке свай в глинистые грунты также возникает ложный отказ. Но в этом случае происходит явление, обратное наблюдаемому в песчаных грунтах: при непрерывной забивке свай получается увеличенный отказ, а после отдыха, наоборот, меньший отказ. Это можно объяснить тем, что при погружении свай в глинистые грунты происходит нарушение сил сцепления между частицами грунта и переход связанной воды в свободную, которая, двигаясь по поверхности ствола свай, уменьшает силы трения.

Статическое приложение усилия нарушает структуру грунтов текучей консистенции; в них происходит тиксотропное разупрочнение, т. е. они разжижаются. Если грунты пластичной консистенции, то от действия статической нагрузки они только размягчаются. Разжижение этих грунтов возможно при вибрации, а если грунты полутвердой консистенции, то только при сильной вибрации. Разжижение в грунтах полутвердой консистенции наступает в результате превращения части связанной воды в свободную. Поэтому в глинистых грунтах подмыв и вибропогружение не всегда желательны, так как они снижают несущую способность свай по грунту. По СН 200—62 при вибропогружении свай их несущая способность уменьшается путем введения коэффициентов: для супесей — 0,9, для суглинков — 0,7 и для глины — 0,6. При добивке свай подмыв не допускается. Добивку сваи до проектной глубины нужно производить ударом молота одиночного действия, который имеет большую энергию единичного удара и небольшую частоту.

Погружение свай в глинистые грунты с закрытым концом иногда сопряжено с большими трудностями. В таких случаях сваи погружают с открытым концом. По СН 200—62 разрешается учитывать грунтовое ядро из глинистых грунтов, если свая с открытым концом погружена ударом молота при выключенном подмыве. Но подошвы свай в таких случаях не рекомендуется закладывать в грунтах текучей консистенции.

Глинистые грунты обладают большими силами сцепления. В некоторых случаях они настолько велики, что при забивке свая возвращается вместе с молотом в прежнее положение. Чтобы преодолеть силы сцепления, требуется увеличить число ударов молота. Но от чрезмерного увеличения числа ударов, например при вибрации, происходит разжижение грунтов.

Глинистые грунты, как указано выше, могут содержать большое количество свободной воды, объем которой может превосходить объем пор. В таких грунтах, т. е. в водонасыщенных, погружение свай независимо от их степени плотности чрезвычайно затруднено, так как такие грунты не уплотняются. Погружение свай в них возможно, если есть выход потока воды по поверхности ствола сваи наружу.

Глинистые грунты, которые содержат только физически связанную воду, уплотняются в процессе погружения свай. В таких грунтах во время погружения часть физически связанной воды переходит в свободную, которая способствует погружению свай, а свободные поры уплотняются.

В природных условиях глинистые грунты дочетвертичного возраста, как и некоторые четвертичные, например ледниковые, содержат только физически связанную воду. При погружении свай такие грунты разжижаются; поэтому в них эффективно применять забивные сваи. В такие грунты можно забивать также сваи с открытым концом, оставляя грунтовое ядро. Несущую способность последних принимают как для свай, погруженных с закрытыми концами.

Глинистые грунты, которые легко разжижаются, должны быть удалены из внутренней полости оболочек. Упрочнять такие грунты после разуплотнения в результате ударов или вибрации можно, используя химическое воздействие. Предпосылкой этому служит способность глинистых грунтов к реакции взаимного обмена катионами, находящимися в окружающей воде. Однако этот вопрос не привлек еще внимания химиков и строителей, хотя и заслуживает большого внимания.

Несущая способность свай, погруженных в глинистый грунт, возрастает во времени. В практике это явление принято называть процессом «засасывания», а длительность периода, в течение которого происходит нарастание несущей способности свай до стабильной величины, называется «отдыхом». Продолжительность отдыха для разных грунтов различна — от нескольких дней до многих месяцев.

При забивке сваи молотом продолжительность отдыха составляет: для супесей — 5—10 дней, для суглинков—15— 20 дней, для тощих и пылеватых глин — 25—30 дней, для жирных глин — 30 дней и более. При забивке свай виброударными машинами продолжительность отдыха увеличивается, но этот вопрос еще недостаточно выяснен. Можно полагать, что с увеличением частоты ударов степень разжижения грунта увеличивается и соответственно увеличивается продолжительность отдыха. После наступления упрочнения грунтов их несущая способность увеличивается в 1,5—2 раза по сравнению с несущей способностью, наблюдаемой сразу после забивки свай. Однако в высокочувствительных глинах которые обладают повышенной тиксотропи-ей, такое упрочнение не происходит, и их несущая способность остается низкой. Поэтому в таких грунтах применять сваи нецелесообразно.

При увеличении влажности прочность глин падает. Поэтому подмыв в глинистых грунтах, в отличие от песчаных, снижает несущую способность. Кроме того, глинистые грунты, особенно глина, плохо размываются. По этой причине в глинистых грунтах подмыв не рекомендуется. Погружение свай в глинах и суглинках рекомендуется производить молотом, а не вибропогружателем. Молоты желательно применять тяжелые, с большой кинетической энергией, но с меньшим числом ударов, т. е. молоты одиночного действия. Погружение свай молотами и вибропогружателями в супесях дает одинаковый эффект.

При погружении свай вибропогружателем в глинах и суглинках происходит интенсивное выделение свободной воды, способствующей их разжижению. В настоящее время накоплен достаточно большой опыт, подтверждающий это положение.

На одной строительной площадке вибропогружателем ВП-3 были погружены две железобетонные трубчатые сваи диаметром 500 мм на глубину 18 м и две такие же сваи — шеститонным молотом одиночного действия с подмывом (на глубину 0,5 м добиты без подмыва). Грунт состоял из слабых ленточных суглинков мощностью 6—8 м и из верхнеморенных пылеватых суглинков средней плотности до глубины 16—19 м. Концы свай опирались на нижнеморенные плотные суглинки с включением гравия, гальки и валунов. Анализ испытаний этих свай показывает следующее: несущая способность свай, погруженных вибропогружателем, примерно на 40% ниже несущей способности свай, погруженных молотом; через 7 месяцев несущая способность свай, погруженных вибропогружателем, становится примерно равной несущей способности свай через месяц после погружения молотом; несущая способность свай, погруженных вибропогружателем, медленно нарастает во времени, что свидетельствует о наличии нарушенной зоны в подошве свай и о медленном восстановлений ее структуры; критическая нагрузка свай, погруженных на глубину 18 м в относительно плотные грунты, невысока. Это следует объяснить неправильной технологией погружения свай: в таких грунтах нельзя было применять подмыв; сваи нужно было погружать молотом одиночного действия без подмыва до отказа возможно на меньшую глубину или же применить сваи меньшего сечения, забивая их тем же молотом до плотных грунтов. При этом несущая способность свай была бы выше.



Рис. 1. Свая с камуфлетным уширением (вес заряда 3,5 кг, диаметр стыка сваи 55 см, диаметр уширения 1,65 м)

Правильный выбор сваебойного агрегата при погружении свай имеет большое практическое значение. Практику применения вибропогружателей (без дальнейшего их усовершенствования), как универсальных для всех грунтов, следует считать порочной. Как отмечалось неоднократно, молоты и виброудар должны не заменять, а дополнять друг друга.

Похожие публикации:
1. Fusion 360 листовой металл
2. Как крепить оргстекло к металлу
3. Как обрезать картинку в ревите
4. Как определить направление магнитной линии с помощью магнитной стрелки