книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

Изменение начальных свойств грунтов при погружении свай, зависимость этих изменений от технологии устройства свай­ ных фундаментов и использу­ емого оборудования, взаимное влияние свай при их совмест­ ной работе в кустах, включение в ряде случаев в работу низ­ кого ростверка и многое другое предопределили чрезвычайно сложный характер взаимодей­ ствия свай с грунтовым основа­ нием, не поддающийся строго­ му математическому описанию. Поэтому для решения практи­ ческих задач фундаментостроения действительные условия

совместной работы свай и грунтового основания как единого комп­ лекса заменяют расчетными схемами и моделями, содержащи­ ми различные упрощающие допущения и предпосылки. Естест­ венно, что по мере накопления и обобщения опытных данных и совершенствования аналитических методов исследований при­ меняемые в настоящее время на практике условные схемы и мето­ ды расчета развиваются. Это позволяет снизить заложенные в них «запасы на незнание», расширить область эффективного при­ менения свай и сделать свайные фундаменты более дешевыми и конкурентоспособными по сравнению с другими типами фунда­ ментов.

11.3. Расчет несущей способности сван при действии вертикальных нагрузок

Сван-стойки. Поскольку потеря несущей способности сваейстойкой 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.

По прочности материала сваи рассчитываются как центрально сжатые стержни. При низком ростверке расчет ведется без учета продольного изгиба сваи, за исключением случаев залегания с пове­ рхности мощных слоев очень слабых грунтов (торф, ил), а при

высоком ростверке — с учетом продольного изгиба на участке сваи, не окруженном грунтом.

Несущая способность по материалу наиболее широко приме­ няемых в строительстве железобетонных призматических свай рас­ считывается по формуле

где ф — коэффициент продольного изгиба, обычно принимаемый ср= 1; уе— коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,85 для свай сечением менее 0,3 х 0,3 м и уе= 1 — для свай большего сечения; ут— коэффициент условий работы бетона, принимаемый ym= 1 для всех видов свай, кроме буронабивных, для которых: ут =0,9 в случае, если при бурении скважин и изготовлении свай используются извлекаемые обсадные трубы и отсутствует вода в скважинах, и ут=0,8 в том же случае, но при бетонировании под водой; ут=0,7 в грунтах, бурение скважин и изготовление свай в которых ведется под глинистым раствором; Яь — расчетное со­ противление бетона осевому сжатию, зависящее от его класса, кПа; А — площадь поперечного сечения сваи, м2; уа— коэффициент условий работы арматуры, принимаемый уа= 1; Rs — расчетное со­ противление сжатию арматуры, кПа, принимаемое по СНиП 2.02.01 — 84; Аа— площадь сечения арматуры, м2.

По прочности грунта под нижним концом сваи несущая способ­

где ус=1 — коэффициент условий работы сваи в грунте; R — рас­ четное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа; А — площадь опирания сваи на грунт, м2.

Расчетное сопротивление грунта R для всех видов забивных свай принимается равным 20 МПа. Для набивных свай, если они опи­ раются на прочную скальную породу, R определяется по фор­ муле

а для свай, заделанных в невыветрелую скальную породу на глуби­ ну не менее 0,5 м,— по формуле

где Re. „ — нормативное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта в водонасыщенном состоянии, кПа; yg=

322

= 1,4 — коэффициент надежности по грунту; ld— глубина заделки сваи в скальный грунт, м; df — наружный диаметр заделанной в скальный грунт части сваи, м.

Если в основании набивных свай залегают грунты, вскрытие которых при устройстве скважины приводит к их разуплотнению (плотные глинистые или выветрелые скальные), то для них расчет­ ное сопротивление R устанавливается только по результатам ис­ пытаний штампами или по результатам испытаний свай статичес­ кой нагрузкой.

Висячие сван. Расчет несущей способности вертикально нагру­ женных висячих свай производится, как правило, только по прочно­ сти грунта, так как по прочности материала сваи она всегда заведо­ мо 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 ме­ тода», позволяет определять несущую способность сваи по дан­ ным геологических изысканий. К полевым исследованиям отно­ сятся испытания свай динамическими и статическими нагрузками, а также испытания грунтов статическим зондированием и эталон­ ной сваей.

П рактический метод. Сжимающие нагрузки. Практичес­ кий метод определения несущей способности висячей сваи базирует­ ся на обобщении результатов испытаний большого числа обыч­ ных и специальных свай вертикальной статической нагрузкой, про­ веденных в различных грунтовых условиях с целью установления предельных значений сил трения, возникающих между сваей и окру­ жающим грунтом, и предельного сопротивления грунта под ее концом. В результате составлены таблицы расчетных сопротивле­ ний грунтов, которые позволяют определить сопротивление боко­ вой поверхности и нижнего конца сваи и, просуммировав получен­ ные значения по формуле (11.5), найти ее несущую способность

где уе — коэффициент условий работы сваи в грунте; ycR, уе/— коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта (табл. 11.3); R — расчетное сопротивление под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по табл. 11.1; А — площадь поперечного сечения сваи, м2; и — периметр поперечного сечения сваи, u \ f — расчетное сопротивление /-го слоя грунта основания по боковой поверхности

323

сваи, кПа, принимаемое по табл. 11.2; А,- — толщина i-ro слоя грунта, соприкасающе­ гося с боковой поверхно­ стью сваи, м (рис. 11.11).

В формуле (11.5) первое слагаемое представляет со­ противление нижнего конца сваи, второе — сопротивле­ ние боковой поверхности.

При определении несу­ щей способности сваи прак­ тическим методом особое внимание надо уделять пра­ вильности оценки физикомеханических свойств грун­ тов, особенно показателя те­ кучести глинистых, который оказывает значительное вли­ яние на результат расчета.

Таблица 11.1. Р а с ч е т е сопротолеш а грунта R, кП а,

324

Il значения R определяют интерполяцией. 3. Для плотных песковзначенияR следуетувеличить

Т аб л и ц а 11.2. Расчетные сопропнлеш г р уя п /ь кПя,

по боковой поверхвосп эябшныхсвай

Примечания: 1. Для промежуточных глубин ц и промежуточных значений показателя текучести II значения ft определяют интерполяцией. 2. Для плотных песков значенияft необ­ ходимо увеличить на 30%. 3. Толщину слоев при членении толщи грунтов для определения ft следует принимать не более 2 м.

По формуле (11.5) рассчитывают сваи постоянного сечения по длине или булавовидные. При расчете булавовидных свай за пери­ метр и на участке ствола принимают периметр его поперечного сечения, а на участке уширения — периметр поперечного сечения упшрения.

Несущую способность пирамидальных и ромбовидных свай определяют с учетом дополнительного сопротивления грунта, вы­ званного наклоном боковых граней сваи и зависящего от модуля его деформации. Методика расчета таких свай практическим мето­ дом изложена в СНиП 2.02.03 — 85.

Несущую способность висячих свай, изготовленных в грунте, также можно рассчитывать по формуле (11.5), но при других значе­ ниях входящих в нее коэффициентов и расчетных сопротивлений грунтов (см. СНиП 2.02.03 — 85).

Выдергивающее нагрузки. Бош свая работает на выдергива­ ющую нагрузку (опоры технологических трубопроводов н ЛЭП, анкерные устройства и т. п.), то ее несущая способностоь опре­ деляется только сопротивлением трению по боковой поверхности и рассчитывается по формуле

325

где уе— коэффициент условий работы, принимаемый ус=0,6 для свай, погружаемых в грунт на глубину менее 4 м, ус=0,8 на глу­ бину 4 м и более; остальные обозначения те же, что и в формуле (11.5).

Таблица 11.3. Коэффициенты условий работы грунта при расчете несущей способности свай

Примечание. Более полные данные о коэффициентах уец в уег приведены в СНвП 2.02.03 — 85.

Учет отрицательных сил трения на боковой поверхности сваи. Если в силу тех иди иных причин осадка окружающего сваю грунта будет превышать осадку самой сваи, то на ее боковой поверхности возникнут силы трения, направленные не вверх, как обычно, а вниз. Такое трение называют отрицательным трением.

Отрицательное трение может возникнуть при различных обсто­ ятельствах. Обычно это происходит при загружении поверхности грунта около сваи длительно действующей нагрузкой (планировка территории подсыпкой, нагружение пола по грунту полезной на­ грузкой и т. д.). Вероятность возникновения отрицательного трения значительно возрастает, если в пределах глубины погружения сваи имеется слой слабых сильносжимаемых грунтов, например торфа. Деформация слоя торфа может быть настолько большой, что выше-

326

лежащие слои грунта зависнут на свае, дополнительно пригружая ее (рис. 11.12).

Несущая способность сваи с учетом сил отрицательного трения определяется по той же формуле (11.5), но при этом расчетное сопротивление f для грунта, расположенного выше слоя торфа, принимается равным значению, указанному в табл. 11.2, но со знаком минус, а для торфа — минус 5 кПа. Если вероятность возникновения или полной реализации сил отрицательного трения невелика, например при небольшой высоте подсыпки, то значения f для грунтов, расположенных выше слоя торфа, умножают на коэффициент 0,4. Подробно методика учета сил отрицательного трения для различных условий его возникновения изложена в СНиП 2.02.03 — 85.

Определение несущей способности свай по результатам полевых исследований. Определенная при испытании сваи статической или динамической нагрузкой величина ее предельного сопротивления является частны м значением и обозначается через Fu. Чтобы избежать случайного результата, проводят ряд испытаний свай в одинаковых грунтовых условиях и после статистической обработ­ ки полученных результатов в соответствии с ГОСТ 20522 — 96 находят норм ативное значение предельного сопротивления сваи FUi„. Тогда по известной величине FUi „несущая способность сваи Fdопределяется из выражения

327

щей способности сваи по величине ее отказа на отметке, близкой к проектной (см. § 112).

Впервые теоретическая зависимость между скоростью погруже­ ния сваи в грунт при забивке, характеризуемой величиной отказа, и ее сопротивлением была установлена в 1917 г. Н. М. Герсевановым. Н. М. Герсеванов исходил из того, что работа, совершаемая свободно падающим молотом, GN (где G — вес ударной части молота, Н — высота падения молота), затрачивается на преодоле­ ние сопротивления грунта погружению сваи; на упругие дефор­ мации системы «молот — свая — грунт», которая может быть вы­ ражена через высоту отскока молота после удара Л; на превращение части энергии в тепловую, разрушение головы сваи и т. п., что характеризуется коэффициентом а. В общем виде эта зависимость записывается следующим образом:

где Fu— предельное сопротивление сваи вертикальной нагрузке, кН; sa— отказ сваи, м.

После ряда упрощающих допущений и преобразований из этого уравнения получена формула для определения предельного со­ противления сваи по результатам ее испытания динамической нагрузкой

где rj— коэффициент, зависящий от упругих свойств материала сваи, принимаемый для железобетонных свай г/=1500 кПа, для деревянных свай г;=1000 кПа; А — площадь поперечного сечения сваи, м2; М — коэффициент, учитывающий способ погружения сваи, для забивных свай М = 1; Ed— расчетная энергия удара молота, кН м, принимаемая для молотов одиночного действия Ed=GH, для дизель-молотов — от 0,9 до 0,4 GN; qx— полный вес молота или вибропогружателя, кН; е — коэффициент восстановле­ ния удара, зависящий от материала соударяющихся тел (при забив­ ке железобетонных свай с применением наголовника с деревянным вкладышем е2=0,2); q2 — вес сваи с наголовником, кН; q3— вес подбабка, кН.

Отказ сваи в формуле (11.9) определяется либо но одному удару молота, либо, что чаще, вычисляется как среднее арифметическое значение погружения сваи от серии ударов, называемой зало ­ гом. Число ударов в залоге рекомендуется принимать для моло­ тов подвесных и одиночного действия 4...5, для молотов двой­ ного действия — не более 10. Если используется вибропогружатель,

328

то за отказ принимают величину погружения сваи за 1 мин его работы.

Для правильного определения отказа динамические испытания проводят после отдыха сваи. Продолжительность отдыха зависит от грунтовых условий строительной площадки' (см. § 11.2).

Замеренный как величина погружения сваи от одного удара молота отказ sa является остаточным отказом, поскольку вследст­ вие упругих деформаций системы «свая — грунт» практически всегда имеет место еще и упругий отказ S&который можно опреде­ лить с помощью прибора, называемого отказомером. Если остаточ­ ный отказ saпревышает 0,002 м, то расчет предельного сопротивле­ ния сваи ведется без учета упругого отказа по формуле (11.90). Если же sa<0,002 м, такой учет необходим. Формула для определения предельного сопротивления сваи с учетом упругого отказа sd приве­ дена в СНиП 2.02.03 — 8S «Свайные фундаменты».

Динамический метод на практике часто применяется для конт­ роля за сопротивлением свай при их забивке или контрольной добивке после отдыха. Используя связь между сопротивлением сваи и величиной отказа, установленную формулой (11.9), можно, зная несущую способность сваи Fd и характеристики сваебойного обо­ рудования, вычислить соответствующий проектный отказ, обозна­ чив его как sp.

Формула (11.9), решенная относительно отказа, имеет вид

tjA E jM 9i+e* (92+93)

(11.10)

РFd(FjlM+TiA) 01+?2+9з

Определенная по формуле (11.10) величина проектного отказа sp является контрольной цифрой: фактический отказ, по данным динамических испытаний, должен быть равен проектному или мень­ ше его. В противном случае свая будет иметь недостаточную несу­ щую способность, что потребует внесения соответствующих исправ­ лений в проект.

Контрольной добивке после отдыха подвергается 2% от общего числа свай на площадке.

Метод испытания свай вертикальной статической нагрузкой, не­ смотря 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 устано­ вления предельного сопротивления сваи, необходимого для после­ дующего расчета фундамента, либо с целью проверки на месте несущей способности сваи, определенной каким-либо другим мето­ дом, например практическим. Так, по ГОСТ 5686 — 94* проверке подвергается до 1% общего числа погружаемых свай, но не менее двух, если их число меньше 100. В случае применения свай, изготов-

329