Особенности работы свай в набухающих грунтах
Одним из методов, обеспечивающих нормальную эксплуатацию сооружений на набухающих грунтах, является полная или частичная прорезка таких грунтов свайными фундаментами. В этом случае можно снизить или полностью избежать подъема здания. Однако опыт применения свай в том числе и за рубежом, показывает, что и в случае применения свай наблюдаются деформации сооружений.
Это объясняется тем, что при проектировании не учитываются в полной мере особенности деформаций грунта при набухании. Работа свайных фундаментов исследовалась с целью изучения: несущей способности свай и набухающих грунтах природного сложения и после их замачивания; деформаций — подъемов свай при набухании грунта; сил выпора, действующих на сваю при подъеме грунта; деформаций грунта около сваи. Эксперименты с набивными и забивными сваями, со сваями с уширенным основанием и со свайными кустами проводились на площадках, сложенных различными видами глин.
Определение бокового сопротивления
Для определения сопротивления по боковой поверхности набивные сваи устраивали таким образом, чтобы исключалась работа ее торца. Для этого в пробуренную скважину устанавливали диск с приваренным стержнем, который закреплялся на поверхности. Зазор между забоем скважины и диском составлял 25 — 30 см. После установки диска скважину заполняли бетоном и получали сваю с освобожденным нижним торцом. В сваях с уширенным основанием полость устраивали, применяя специальный уширитель или раздавливающий агрегат конструкции А.М. Ягудина.
Эксперименты проводились в основном с набивными сваями. Полученные при этом закономерности работы свай могут быть распространены и на забивные сваи. Это обусловлено тем, что забивные сваи погружают в набухающие грунты с применением лидирующих скважин, а следовательно, сопротивления по боковой поверхности забивных и набивных свай практически равны между собой.
Для подтверждения этого положения проведены специальные эксперименты в районе Джезказгана. Железобетонные сваи забивали в пробуренные скважины таким образом, чтобы между забоем скважины и сваей оставался зазор, равный 20 — 30 см. На этой же площадке устраивали набивные сваи с освобожденным нижним торцом. Экспериментами установлено, что отношение сопротивления по боковой поверхности забивных и набивных свай составляет 1,04 — 1,17, т. е. условия работы этих свай практически не отличаются.
Исследования несущих способностей свай
Несущую способность набивных свай исследовали в грунтах природного сложения, а также после их набухания, вызванного замачиванием. С этой целью в специально разрабатываемых котлованах устраивали обычные сваи и сваи с освобожденным нижним торцом. В этом же котловане на анкерных сваях монтировали установку для статического испытания свай. Установка загружалась бетонными блоками, общая масса которых составляла около 100 т. Статические испытания проводили гидравлическими домкратами ДГ-100. Осадку свай измеряли прогибомерами системы Максимова.
Несущую способность свай в замоченном грунте определяли аналогичным способом с той разнице, что после устройства свай грунт предварительно замачивали через дренажные скважины в течение 5-10 мес. В замоченных набухающих грунтах так же, как и в грунтах природного сложения, в общей несущей способности основную роль играет боковая поверхность, на долю которой приходится 0,6 — 0,9 общей предельной нагрузки.
Сравнение результатов испытаний свай в грунтах природного сложения и после замачивания показывает, что в последнем случае несущая способность свай существенно снижается. Снижение несущей способности свай после замачивания зависит от вида набухающего грунта и длины сваи. При этом с увеличением последней уменьшается разница в несущей способности свай в природном и замоченном грунте. Это объясняется тем, что с увеличением глубины значительно уменьшается набухание грунта, вследствие чего уменьшается различие в прочностных характеристиках природного и замоченного грунта. Очевидно, ниже зоны набухания, где разуплотнения грунта не происходит, нормативное сопротивление грунта по боковой поверхности и под торцом сваи при замачивании практически не изменится.
Исследования, проведенные с забивными сваями в хвалынских глинах, также подтверждают снижение сопротивления по боковой поверхности сваи после набухания. Эта величина для грунта природного сложения составила около 60 к Па, а после набухания — 22 кПа. Последнее значение сопротивления по боковой поверхности сваи хорошо согласуется с результатами испытаний набивных свай в замоченных грунтах, что также указывает на отсутствие разницы между работой забивной и набивной сваи в набухающих грунтах.
В результате силы трения между боковой поверхностью сваи и грунтом при перемещении последнего происходит подъем сваи, величина которого зависит, в частности,от ее длины и передаваемой нагрузки.
Влияние длины свай на величину их подъема изучалось на набивных и забивных сваях в Керчи, Волгограде и Джезказгане. В любой рассматриваемый момент времени подъем свай без нагрузки больше подъема слоя грунта, расположенного на уровне торца сваи. Следовательно, грунт при набухании не оказывает давления на торец сваи, а ее подъем обусловлен только перемещением слоев грунта в пределах боковой поверхности. Это подтверждается также сравнением данных испытаний обычных свай с освобожденным нижним “торцом. Подъем свай при прочих равных условиях оказывается одинаковым независимо от того, участвует в работе торец сваи или не участвует.
Выявленные зависимости
На основе проведенных экспериментов построена зависимость относительного подъема сваи (отношение подъема свай к подъему поверхности) от их длины. Во всех грунтах с увеличением длины сваи уменьшается их подъем. Причем эта зависимость имеет нелинейный характер: по мере увеличения длины свай подъем уменьшается меньше, чем подъем коротких свай. Очевидно, что при определенной длине сваи подъем ее будет отсутствовать.
Уменьшение подъема сваи при возрастании ее длины можно объяснить следующим образом. Предположим, что свая устроена в слое набухающего грунта, который увлажняется в пределах всей толщи. Перемещение сваи будет определяться подъемом слоев грунта в пределах всей толщи. В свою очередь слои грунта по глубине поднимаются неодинаково: наибольший подъем происходит в верхней части массива, а с глубиной подъем уменьшается. Поэтому верхние слои стремятся поднять сваю на максимальную величину, а нижние — на минимальную, в результате чего нижние слои будут тормозить подъем свай. Следовательно, имеющий место ’’тормозящий эффект” обусловлен неравномерным подъемом грунта по глубине.
Рассмотрим это явление на примере подъема ненагруженной сваи длиной 7 м. В результате набухания грунта в массиве происходит подъем слоев, величина которого уменьшается по глубине. Перемещение грунта в верхней части сваи значительно больше, чем подъем сваи. С увеличением глубины различие в подъемах слоев грунта и сваи уменьшается, и на глубине АО, т. е. в точке О (нейтральная точка), подъем сваи равен подъему грунта. Следовательно, подъем грунта на участке АО приводит к возникновению касательных вертикальных сил по боковой поверхности сваи, стремящихся поднять ее.
Слои грунта, расположенные ниже нейтральной точки, поднимаются меньше, чем свая, в результате чего на участке ОВ возникает отрицательное трение, препятствующее подъему сваи. Значит, при набухании грунта по длине сваи действуют две зоны с разными направлениями касательных сил: активная зона ОА и зона торможения ОВ.
Источник
Фундамент при набухающих грунтах
В практике строительства принято устраивать ростверк выше поверхности грунта, чтобы исключить влияние подъема грунта на ростверк. Назначаемая на сваю допустимая нагрузка является минимальной, так как принимается для замоченного грунта. Поэтому встает вопрос о возможности увеличения нагрузки, передаваемой на свайный фундамент. Очевидно, устраивая низкий ростверк, опираемый на грунт, можно увеличить несущую способность сваи. При этом необходимо иметь в виду, что на ростверк будет передаваться дополнительное давление, вызванное набуханием грунта.
Ранее было показано, что при подъеме сваи вдоль ее боковой поверхности формируются две зоны с разными направлениями касательных сил — активная и торможения. С увеличением действующей на сваю нагрузки уменьшается длина зоны торможения. Если ненагруженная свая имеет низкий ростверк, то характер распределения зон по длине сваи будет иным.
В этом случае ростверк будет следовать за перемещением верхнего слоя грунта, расположенного непосредственно под ним. Подъем этого слоя будет наибольшим, так как с глубиной подъем грунта уменьшается. Поскольку свая соединена с ростверком, то последний будет поднимать сваю. При этом подъем сваи будет больше подъема грунта, расположенного вдоль всей длины сваи. Вследствие опережающего подъема сваи вдоль ее боковой поверхности возникнут касательные силы, которые будут препятствовать ее перемещению, т. е. вдоль всей сваи сформируется зона торможения. В свою очередь, вследствие тормозящего действия сваи уменьшится подъем ростверка. Следовательно, подъем сваи с низким ростверком будет больше подъема сваи с высоким ростверком, но меньше подъема свободной поверхности грунта.
Если на сваю с низким ростверком передать нагрузку N, то при этом уменьшится подъем как ростверка, так и сваи. За счет этого в верхней части сваи слои грунта будут перемещаться на большую величину, чем свая, что приведет к формированию активной зоны. На некоторой глубине перемещения сваи и грунта равны между собой, что отвечает местоположению нейтральной точки.
Ниже этой точки формируется зона торможения, где касательные силы препятствуют подъему сваи. На верхнем участке сваи, непосредственно примыкающем к ростверку, возникают напряжения, которые могут превышать давление набухания. Иными словами, в верхней части сваи грунт под ростверком не набухает и, следовательно, не возникают касательные силы выпора. С увеличением нагрузки на сваю величина этой нейтральной зоны возрастает.
Таким образом, при устройстве низкого ростверка на набухающих грунтах на сваи можно передавать большие нагрузки, не опасаясь возникновения провальных осадок сваи при замачивании набухающих грунтов, как это наблюдается при устройстве высокого ростверка. Однако необходимо иметь в виду, что при этом подъем сваи возрастает.
Поэтому сваи с низким ростверком могут применяться, если их подъем будет меньше допустимого для данного вооружения. Подъем может быть уменьшен за счет заанкеривания свай в нижние ненабухающие грунты, но при этом следует производить расчет свай на растягивающие усилия.
Экспериментальная проверка работы свай с низким ростверком была проведена на хвалынских глинах. Для определения сил выпора в опытном котловане на разную глубину было забито шесть железобетонных свай сечением 30×30 см. На оголовках трех свай был устроен низкий ростверк размером 110×110 см, опирающийся на грунт, а на оголовках трех других — высокий на расстоянии 25 см от поверхности. Для восприятия сил выпора была устроена анкерная система из свай и металлической рамы, поверх которой укладывается груз. Между ростверками и упорной балкой устанавливались специальные месдозы с тензо-датчиками для замера суммарных сил выпора. Замачивание хвалынских глин осуществлялось через дренажные скважины длиной 4 м с одновременным замером сил выпора.
Испытания свай показали следующее:
- защемление сваи с высоким ростверком в ненабухающие грунты на 1,5 м практически компенсирует силы выпора, действующие по боковой поверхности свай;
- нормальные силы выпора, действующие на торец 3-метровой сваи с высоким ростверком, составлет 25% суммарных сил выпора;
- суммарные силы выпора висячих (не прорезающих набухающие грунты) свай с низким ростверком в 2,1 — 3,4 раза больше сил выпора сваи с высоким ростверком;
- в результате опирания низкого ростверка на грунт сила выпора, действующая на сваю и ростверк, возрастает на 110 — 190 кН, т. е. на ростверк действуют большие силы, чем на сваи;
- при этом максимальное замеренное давление, действующее на ростверк при набухании, составило 0,17 МПа. Следует отметить, что абсолютные значения сил выпора, видимо, занижены за счет возможного прогиба упорных балок.
После завершения процесса набухания (подъем поверхности дна котлована составил при этом 110 мм) произвели статическое испытание свай. В результате вовлечения в работу ростверка уменьшаются осадки свай.
Несущая способность свай с низким ростверком в 1,35 — 1,75 раза больше, чем обычных свай. При этом с увеличением длины эта разница уменьшается, т. е. основная нагрузка будет восприниматься длинными сваями, а не ростверком.
Изучение подъемов свай с низким и высоким ростверком проводилось на фрагментах фундаментов, включающих по три железобетонные сваи, объединенные между собой высоким или низким ростверком. Всего было изготовлено четыре пары фрагментов с длиной свай 3,5; 4,5; 6 и 7 м.
После 90 сут замачивания через дренажные скважины длиной 4 м произошел подъем свай.
Следует отметить, что через несколько дней после начала замачивания вследствие недостаточного армирования свай с ростверком произошел отрыв низкого ростверка от свай длиной 7 м. Поэтому ростверк следовал за подъемом грунта, чем и объясняются его значительные перемещения. Анализируя данные эксперимента, можно отметить следующее:
- подъем свай с высоким ростверком уменьшается с возрастанием длины свай, при этом в случае защемления в ненабухающие грунты на глубиподъем свай с низким ростверком в 1,4 — 2,2 раза больше подъема свай с высоким ростверком;
- с увеличением длины свай с низким ростверком уменьшается величина подъема;
- на низкий ростверк передается давление, вызванное подъемом грунта под ним, в результате чего при недостаточном армировании происходит отрыв ростверка от оголовков свай.
С целью выявления влияния нагрузки на подъем свай с низким ростверком в отдельном котловане были устроены две пары фрагментов фундаментов из трех свай длиной 4,5 м с низким ростверком и две пары аналогичных фрагментов с высокими ростверками. Две пары фрагментов — один с высоким и один с низким ростверком были загружены нагрузкой 400 кН на каждый, а две другие — 600 кН. После 5 сут замачивания наблюдался подъем всех свай, который уменьшался с возрастанием нагрузки. Предотвратить подъем свай с низким ростверком можно, увеличив нагрузку до 1200 кН или длину сваи до 11 — 12 м.
Приведенные экспериментальные данные подтверждают характер совместной работы свай с ростверком, опирающимся на грунт. В этом случае можно полнее использовать несущую способность грунта; однако при подъеме происходит как бы самоторможение сил. Таким образом, при устройстве свай целесообразно опирать ростверк на грунт, что приведет к значительному увеличению несущей способности.
В этом случае существенно упрощается производство работ, а также резко сокращается расход пиломатериалов. При этом необходимо иметь в виду, что при неполной прорезке сваями набухающего грунта подъем свай с низким ростверком будет в отдельных случаях больше, чем с высоким. И наконец, при таком опирании ростверка необходимо осуществлять армирование свай по длине для восприятия растягивающих усилий, возникающих при набухании грунта. Особое внимание должно быть уделено соединению свай с ростверком.
Источник