Фундамент при набухающих грунтах

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.