Явления, происходящие в грунте при погружении свай

При погружении свая вытесняет некоторый объем грунта. Это приводит к уплотнению окружающего ее грунта, что обычно наблюдается в рыхлых и средней плотности песках, а также в ненасыщенных водой пылевато-глинистых грунтах. Но и даже в этих грунтах при забивке свай вокруг нее может происходить небольшое поднятие дна котлована.

Глины и суглинки, в которых все поры заполнены водой, уплотняются только в результате отжатия поровой воды, т.к. вода из таких грунтов отжимается очень медленно, во время погружения наблюдается лишь незначительное уплотнение грунтов в результате выдавливания воды из пор и отжатия ее вдоль ствола сваи вверх, а также вследствие упругих объемных деформаций воды, содержащей воздух. Основная же деформация грунта развивается в виде смещения его части в стороны и вверх, что приводит к поднятию дна котлована.

По характеру взаимодействия: отдельные или куст.

При забивке свай в водонасыщенные глинистые грунты структура грунта вокруг сваи нарушается и это приводит к таким последствиям:

1. если связи между частями слабые, грунт водонасыщенный, происходит разжижение грунта. При забивке сваи легко погружаются в грунт и несущая способность сваи сразу после забивки низкая. После недельного перерыва вода из пор грунта отжимается, трение между грунтом и сваей увеличивается, несущая способность возрастает. Следовательно, происходит «засасывание» сваи. Отказ сваи (погружение сваи от одного удара) будет меньше. Этот отказ называют действительным отказом.

2. при забивке свай в плотные, маловлажные глинистые грунты свая с трудом идет в грунт, сразу после забивки ее несущая способность очень высокая, а после перерыва несущая способность сваи уменьшается за счет явления ползучести и релаксации грунта, которые приводят к включению в работу дополнительного объема грунта с уменьшением напряжений в грунте непосредственно около сваи.

Несущую способность сваи определяют: после недельного отдыха – для супесей и песков, 2-х недельного – для суглинков и для глин – не менее 3-х недель.

Релаксация напряжений – это явление уменьшения напряжений (расслабление напряжений) при постоянстве общей деформации.

При кустовом расположении свай проявляется их взаимное влияние друг на друга. Степень этого влияния зависит от расстояния между сваями.

Основное правило:

l ≥ 3d При этом необходимо выполнить расчет осадок свайного куста.

l = 3d

d – размер поперечного сечения сваи.

Рисунок 2.13.

1) разрушение слабого грунта;

2) увеличенные осадки по сравнению с одиночной сваей.

Отдельно от каждой сваи: от левой и от правой напряжения будут такими же, как и для одной сваи, в результате происходит наложение эпюр.

σ_z - нормальное напряжение в основании.

Эффект наложения эпюр - это негативный фактор.

Определение несущей способности сваи-стойки. Определение несущей способности висячей сваи. Расчет свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку. Порядок проектирования свайных фундаментов.

Несущую способность F_d, кН, сваи – стойки следует определять согласно п.4.1. СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» по формуле:

(2.1)

где:

γ_c - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый γ_c =1;

A - площадь отражения сваи на грунт или площадь поперечного сечения сваи у нижнего конца;

R - расчетное сопротивление крупнообломочного грунта или скальной породы под нижним концом сваи.

Для забивных, вдавливаемых и погружаемых вибрированием сваи принимаем R=20МПа; для набивных, буровых, свай-оболочек в зависимости от вида грунта по формуле 6 и 7 СНиП 2.02.03.-85.

Несущая способность висячей забивной сваи, работающей на сжимаемую нагрузку, зависящая от сопротивления грунта по ее нижним концом определяется по I-ой группе предельных состояний различными методами:

1. практическим с использованием таблиц СНиП;

2. динамическим;

3. методом статического зондирования;

4. способом пробных статических нагрузок.

Несущая способность висячей забивной сваи определяется согласно п.4.2. СНиП 2.02.03-85.

Четвертый – самый надежный, применяется в случаях строительства ответственных сооружений.

Первый – на начальной стадии проектирования.

Второй и третий - для уточнения 1-го способа.

Практический метод. Несущая способность висячей сваи определяется как сумма двух слагаемых – сопротивления грунта под ее нижним концом давлению и сопротивления грунта сдвигу по ее боковой поверхности:

, (2.2)

где:

γ_c - коэффициент условий работы свай в грунте, применяемый γ_c =1;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, применяемое по таблице 1 СНиП 2.02.03-85 (в зависимости от глубины погружения нижнего конца сваи и вида грунта);

A - площадь опирания сваи на грунт, м²;

u - наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа. Применяемое по таблице 2 СНиП в зависимости от средней глубины расположения слоя грунта и его вида;

h_i - толщина i-го слоя грунта в пределах длины сваи;

γ_cr и γ_cf - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на (по) боковой поверхности сваи, зависящих от способа ее погружения.

Динамический метод. Чем глубже погружается свая, забиваемая свайным молотом, тем больше сопротивление оказывает грунт ее внедрению. В результате от каждого удара получается все меньший и меньший отказ, который следует определять после «отдыха».
Динамические испытания свай после «отдыха» регламентированы ГОСТ 5686—78 и СНиП 2.02.03—85(свайные фундаменты). Добивку свай после «отдыха» производят свайным молотом массой в 1,5...1,25 раза больше массы сваи, а при длинных сваях - молотом с массой не менее массы испытываемой сваи.

Работа, совершаемая при ударе свайного молота о голову сваи, GН (где G — масса ударной части молота; Н — высота его падения) расходуется на погружение сваи, на упругие деформации системы молот - свая - грунт, частично на превращение механической энергии в тепловую и на разрушение головы сваи. В общем виде это положение записывается в виде урав­нения:

(2.3)

где F _и - предельное сопротивление сваи погружению в грунт;

S_а — отказ сваи после «отдыха»;

h — высота отскока свайного молота после удара, зависящая от упругих деформаций системы молот-свая-грунт;

α - коэф­фициент, характеризующий потери работы на разрушение головы сваи и другие потери.

В результате принятия ряда допущений и преобразования этого выражения Н. М. Герсеванов получил формулу для пре­дельного сопротивления сваи, которая с небольшими изменения­ми приводится в СНиП для отказов свай S_а ≥ 0,002 м в сле­дующем виде:

(2.4)

где η - коэффициент, зависящий от упругих свойств материала сваи, принимаемый для железобетонных свай равным 1500 кН/м², для деревянных свай - 1000 кН/м²;

A - площадь поперечного сечения сваи с включением пустот, м²;

М - коэффициент, принимаемый в зависимости от грунта под нижним концом сваи по СНиПу;

Е_d — расчетная энергия удара свайного молота, принимаемая для молота одиночного действия равной GН, для трубчатого дизель - молота—0,9GH и штангового дизель - молота - 0,4GH, кДж;

е²— коэффициент восстановления удара, принимаемый при забивке равным 0,2;

т₁ — масса молота;

т₂ — масса сваи с наголовником, т;

т₃ — масса подбабка, т;

S_a - остаточный отказ - погружение сваи от одного удара, м.

При малых значениях отказа (S_a < 0,002 м) необходимо учитывать упругие деформации системы свая - грунт. Для этого с помощью отказомера замеряют упругий отказ S_еl и остаточный отказ S_а. Это позволяет определить частное значение предельного сопротивления сваи по формулее:

(2.5)

здесь коэффициент

(2.6)

где n _p и n_f - коэффициенты перехода от динамического (включая вязкое сопротивление грунта) к статическому сопротивлению грунта соответственно под нижним концом и по боковой поверхности сваи (обычно принимают n _p = 0,00025 с*м/кН, n_f = 0,025 с*м/кН);

A_f - площадь боковой поверхности сваи, соприкасающейся с грунтом, м²;

g - ускорение свободного падения, принимаемое равным 9,81 м/с²;

H - высота падения ударной части молота, м;

h - высота первого отскока молота, принимается для дизель - молотов штанговых h=0,6м, для трубчатых - h = 0,4 м, для других молотов = 0;

m₄ - масса ударной части молота, т.

Точность определения F_и по формулам (2.4) и (2.5) зависит от наличия упругой прокладки в наголовнике, которая должна быть предварительно обмята несколькими ударами той же интенсивности, что и при определении отказа сваи.

Недостатком динамических испытаний является необходимость перехода от сопротивления сваи динамическому погружению к сопротивлению ее под действием статической нагрузки.

Метод статического зондирования. Метод статического зондирования позволяет оценивать сопротивление грунта погружению сваи как под нижним ее концом, так и по ее боковой поверхности. Для зондирования согласно ГОСТ 24942—81 в настоящее время применяют в основном три установки. В установке типа I, у которой зондировочный стандартный конус переходит в штангу, трение по грунту развивается по всей ее длине, а в установках типа II и III трение по грунту развивается только в нижней части штанги.

Сопротивление грунта прониканию зонда не идентично сопротивлению грунта загружаемой свае, так как при внедрении зонда вокруг нее нарушается структура грунта, которая не может сразу восстановиться. По этой причине результаты статического зондирования насыщенных водой пылевато-глинистых грунтов не отражают работы свай, особенно в отношении трения боковой поверхности сваи о грунт.

В то же время при песчаных грунтах и супесях результаты статического зондирования позволяют достаточно точно определять несущую способность свай. В остальных случаях правильнее предварительно установить корреляционную зависимость между нагрузкой, требующейся для погружения зонда, и несущей способностью свай.

Удельное сопротивление грунта под нижним концом сваи определяют по формуле:

, (2.7)

где:β₁ - переходный коэффициент от сопротивления грунта под зондом при его погружении к сопротивлению грунта под забивной сваей после «отдыха»;

q_s - среднее значение сопротивления грунта под наконечником зонда на участке, расположенном на 1d выше и на 4d ниже нижнего конца свай (d — сторона или диаметр сваи)

Таблица2.1

Среднее удельное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи определяют из выражений:

При установке типа l

, (2.8)

При установках типов ll и lll

, (2.9)

Где и – переходные коэффициенты, принимаемые по таблице 2.2;

- среднее удельное сопротивление грунта по боковой поверхности зонта при погружении его на глубину забивки сваи;

- среднее удельное сопротивление грунта по боковой поверхности в пределах i-ого слоя;

h- глубина погружения сваи от поверхности грунта около нее

Таблица2.2

Зная R_s и f находят частное значение предельного сопротивления сваи в месте зондирования:

, (2.10)

Где: А – площадь поперечного сечения сваи у нижнего конца;

h – длина сваи в грунте;

u –периметр поперечного сечения сваи

При относительно однородных инженерно-геологических условиях по частным значениям предельного сопротивления сваи, установленным для всех мест зондирования, находят несущую способность сваи, работающей на сжимающую нагрузку:

, (2.11)

Где: – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1

n – число точек зондирования, в которых по формуле (2.10) найдены частные значения предельного сопротивления сваи ;

- коэффициент безопасности по грунту

При резких изменениях напластования грунтов в пределах одной строительной площадки последнюю разбивают на части, имеющие приблизительно однородные инженерно-геологические условия, и для каждой такой части определяют F.

Более точные значения частного предельного сопротивления сваи длиной до 12 м можно найти испытанием грунтов с помощью эталонной сваи, если длина проектируемых свай не превышает 12 м. Тогда, проведя испытания в соответствии с ГОСТ 24942-81, получают предельное сопротивление эталонной сваи F и вычисляют предельное сопротивление натурных свай такой же длины по формуле:

, (2.12)

где: u и u_sp – периметр поперечного сечения соответственно натурной сваи и эталонной сваи;

- коэффициент, принимаемый равным 1 для всех грунтов, кроме плотных песков (для них =1,25).

Еще точнее F_u устанавливается испытанием натурных свай статической нагрузкой.

Метод испытания свай статической нагрузкой.

Рисунок 2.14. Испытание свай статической нагрузкой: а – схема испытания;

б – зависимость осадки сваи от нагрузки

Несущую способность сваи при изысканиях можно определять путем испытания статической нагрузкой ее аналога (рисунок 2.14, а), погружаемого в грунт или изготовляемого в грунте (как предусмотрено в проекте). Для приложения нагрузки на сваю на некотором расстоянии от нее (вне зоны напряженного состояния грунта, возникающего при забивке сваи) забивают или ввинчивают инвентарные анкерные сваи 3, на которых закрепляют упорную балку 2. между балкой и головой испытываемой сваи помещают домкрат 1 и после отдыха передают на сваю нагрузку, обычно ступенями по 0,1…0,15 ожидаемой несущей способности.

Каждую ступень нагрузки выдерживают до условного затухания осадки сваи, согласно ГОСТ 5686-78. после этого прикладывают следующую ступень нагрузки. По результатам эксперимента строят графическую зависимость (рисунок 2.14, б). Иногда при некоторой нагрузке при осадке менее 20 мм происходит про­вальная осадка сваи — непрерывное погружение ее без затуха­ния скорости осадки (кривая 4). В таком случае эта нагрузка и будет соответствовать частному значению предельного сопротив­ления сваи. Труднее решить вопрос о значении предельного со­противления сваи, если ее осадка развивается в соответствии с кривой 5 (рисунок 2.14,б).

Для рассматриваемого случая в СНиП 2.02.03—85 даны две рекомендации:

- Для мостов и портовых гидротехнических сооружений принимают, что предельное сопротивление испытываемой сваи при вдавливании соответствует нагрузке, на одну ступень мень­шей нагрузки, при которой: приращение осадки за одну ступень загружения (при общей величине осадки более 40 мм) превышает в 5 раз и более при­ращение осадки, полученное за предшествующую ступень загружения; осадка не затухает в течение суток и более (при общей ве­личине ее более 40 мм).

- Для остальных свайных фундаментов и сооружений принимают, что предельное сопротивление испытываемой сваи вдав­ливающей нагрузке соответствует нагрузке, при которой эта свая получает осадку s, равную некоторой доле средней предельно допустимой осадки возводимого сооружения S_u.mt, т. е.

, (2.13)

— коэффициент перехода от осадки S _u.mt, к осадке испытываемой сваи до ее условного затухания, принимаемый равным 0,2 или с учетом опыта строительства.

При таком подходе расчет свайных фундаментов, который производится по первой группе предельных состояний (по прочности или устойчивости), связан с расчетом по второй группе предельных состояний (по деформациям). В этом случае предельное сопротивление свай на одной и той же строительной площадке при одних и тех же грунтовых условиях под неодинаковыми по конструкции сооружениями получается различным. Предельное сопротивление сваи должно характеризоваться предельным сопротивлением сдвигу ее боковой поверхности по грунту и предельным сопротивлением грунта под ее нижним концом давлению. По мере загрузки сваи возрастают реактивные силы по ее боковой поверхности и нижнему концу, свая получает небольшое перемещение (осадку). Когда перемещение ее относительно грунта достигнет некоторого значения, называемого нами с Ф.К.Лапшиным сдвиговой осадкой, сопротивление сдвигу ее боковой поверхности по грунту будет максимальным. Тогда, если сопротивление грунта в зоне нижнего конца сваи не может возрастать, свая получает провальную осадку. В большинстве же случаев сопротивление грунта под нижним концом сваи по мере увеличения ее осадки возрастает. Этим и объясняется, что осадка при испытании чаще всего соответствует кривой 5 (рисунок 2.14,б). Учитывая сказанное, для определения предельного сопротивления сваи целесообразно принять величину осадки, больше сдвиговой для любых грунтов. В Санкт-Петербурге рекомендуется принимать осадки, равные 40 мм, так как сдвиго­вая осадка ленточных глин составляет 25 мм

Положительный опыт строительства зданий на сваях, исходя из этого критерия (предельного сопротивления), свидетельствует о целесообразности его использования.