9. Несущая способность сваи по грунту и методы ее определения.

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, происходящее в грунте при устройстве свайных фун­даментов, 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 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 сваа, 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 составляет5 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 (тик сотропное 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 10 сут; для суглинков —20сут, 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 а₂ на уровне нижне­го конца свай имеет выпуклую форму. Принято считать, что напря­жения с₂ распределяются по площади, равной основанию конуса, образующая которого составляет со сваей угол а, 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 6d, где d — 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 сторо­ ны, 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.

Расчет несущей способности свай

при действии вертикальных нагрузок

Сваи-стойки. Поскольку потеря несущей способности сваей- стойкой может произойти либо в результате разрушения грунта под. ее нижним концом, либо в результате разрушения самой сваи, ее расчет на вертикальную нагрузку проводится по двум условиям: по условию прочности материала ствола сваи и по условию прочности грунта под нижним концом сваи. За несущую способность сваи в проекте принимается меньшая величина.

Висячие сваи. Расчет несущей способности вертикально нагру­женных висячих свай производится, как правило, только по прочно­сти грунта, так как по прочности материала сваи она всегда заведо­мо выше.

Сопротивление висячей сваи по грунту принято определять либо расчетом по таблицам СНиП 2. 02. 03 — 85, либо по результатам полевых исследований.

Расчет по таблицам СНиПа, широко применяемый в практике проектирования и известный под названием «практического мето­да», позволяет определять несущую способность сваи по данным геологических изысканий. К полевым исследованиям относятся ис­пытания свай динамическими и статическими нагрузками, а также испытания грунтов статическим зондированием и эталонной сваей.

Определение несущей способности свай по результатам полевых исследований. Определенная при испытании сваи статической или динамической нагрузкой величина ее предельного сопротивления является частным значением и обозначается через F_u. Чтобы избежать случайного результата, проводят ряд испытаний свай в одинаковых грунтовых условиях и после статистической обработ­ки полученных результатов в соответствии с ГОСТ 20522 — 75 находят нормативное значение предельного сопротивления сваи F_Ui Тогда по известной величине F_Uj „ несущая способность.

Динамический метод. Динамический метод заключается в опре­делении несущей способности сваи по величине ее отказа на отмет­ке, близкой к проектной.

Метод испытания свай вертикальной статической нагрузкой, не­смотря на сложность, длительность и значительную стоимость, позволяет наиболее точно установить предельное сопротивление сваи с учетом всех геологических и гидрогеологических условий строительной площадки. Метод используется либо с целью устано­вления предельного сопротивления сваи, необходимого для после­дующего расчета фундамента, либо с целью проверки на ме­сте несущей способности сваи, определенной каким-либо дру­гим методом, например прак­тическим. Так, по ГОСТ 5686 — 78* проверке подверга­ется до 1% общего числа по­гружаемых свай, но не менее двух, если их число меньше 100. В случае применения свай, изготовленных в грунте, испы­тания вертикальной нагрузкой могут также проводиться для контроля качества их исполне­ний.

Причиной значительных горизонтальных нагрузок на фундамен­ты могут быть тормозные нагрузки от кранов в цехах с тяжелым крановым оборудованием, температурные расширения технологи­ческих трубопроводов предприятий нефтехимической и нефтегазо­вой промышленности, односторонний обрыв проводов у ЛЭП, волновые воздействия и навал судов у причальных сооружений и т. д. Очевидно, что во всех этих случаях оценка несущей способ­ности свай на горизонтальную нагрузку имеет весьма существенное значение.

В настоящее время несущая способность сваи на горизонталь­ную нагрузку определяется либо методом испытания пробной на­грузкой, либо одним из математических методов расчета.

Метод испытания свай пробной статической нагрузкой позволяет наиболее точно установить действительное сопротивление сваи дей ствию горизонтального усилия. При проведении испытаний гори­зонтальные усилия на сваю создаются, как правило, гидравличес­кими домкратами, установленными либо между двумя забитыми сваями, либо между опытной сваей и упором из статического груза, чаще всего из железобетонных блоков (рис. 11. 14, а). Нагрузка на сваю увеличивается ступенями, горизонтальные перемещения сваи на каждой ступени нагрузки фиксируются прогибомерами. Каждая ступень нагрузки выдерживается до условной стабилизации гори­зонтальных перемещений.

Математические методы расчета свай на горизонтальные нагруз­ки можно разделить на две группы в зависимости от характера деформаций свай в грунте.

Первая группа методов разработана для коротких жестких свай, которые под действием горизонтальной нагрузки поворачиваются в грунте без изгиба, как это показано на рис. 11. 15, а. Разрушение системы «свая — грунт» происходит за счет потери устойчивости грунтом основания. Расчет базируется на положениях теории пре­дельного равновесия грунтов. За предельную принимается такая горизонтальная нагрузка, при которой реактивный отпор грунта у нижнего конца сваи достигнет предельного значения.

Вторая группа методов разработана для свай, которые под

действием горизонтальных нагрузок из гибаются в грунте (рис. 11. 15, б). Со­противление таких свай, называемых длинными гибкими, определяется про­чностью материала сваи на изгиб. Ме­тоды расчета второй группы, как прави­ло, основаны на использовании модели местных упругих деформаций.