Исследование деформаций свайных кустов

Исследование деформаций свайных кустов

Экспериментальная площадка в г. Ермаке представлена однородным слоем аральских глин толщиной 70 м, залегающих под покровными суглинками толщиной 0,2 —2 м, уровень подземных вод находится на глубине 25 — 30 м.

В основу проведения экспериментов положена методика определения деформаций — подъемов и сил выпора одиночных свай. Продолжительность замачивания принимали из условия, что для аральских глин практически завершилась полная стабилизация процесса набухания. Грунт в котловане замачивали водой через скважины диаметром 150 мм, глубиной 7 м. На вертикальную вдавливающую и горизонтальную нагрузки кусты и одиночные сваи испытывали гидравлическими домкратами с помощью анкерной системы.

Исследования проводились с целью определения подъема свайных кустов при набухании грунта в результате его замачивания. Подъем кустов исследовался для двух случаев: 1) при действии внешней нагрузки и 2) при ее отсутствии в зависимости от длины свай и числа их в кусте. Параллельно с определением подъема кустов замерялся подъем поверхности котлована и слоев грунта по глубине в массиве, вблизи ростверка и в пределах подошвы ростверка. Кроме того, с целью сравнения результатов исследовался подъем одиночных свай тех же параметров, что и свай в кустах. Для проведения исследований были изготовлены свайные кусты с высоким ростверком из четырех, пяти и шести свай диаметром 250 мм, длиной 3,5 м и одиночные сваи длиной 3 — 6 м.

Подъем слоев грунта, свайных кустов и одиночных свай

При замачивании грунта происходит одновременный подъем всех слоев, который уменьшается с глубиной. Так, для слоя грунта, расположенного на глубине 6 м, подъем составил всего 11,5 мм при подъеме поверхности дна котлована на 147 мм. Коэффициент, характеризующий степень уменьшения подъема слоев с глубиной для аральских глин равен 0,35 м”1. На основании экспериментов установлено, что нижняя граница зоны набухания для аральских глин находится на глубине 6 — 7 м. Наибольшая скорость набухания всех слоев грунта наблюдается в первый месяц замачивания.

Скорость подъема поверхности при этом уменьшается во времени с 2,3 мм/сут в первый месяц замачивания до 0,31 мм/сут после 3 мес замачивания. Если сравнить результаты экспериментов, проведенных с одиночными сваями и свайными кустами, то можно сделать вывод, что подъем кустов меньше подъема одиночных свай. Например, подъем сваи длиной 3 м составил 105 мм, а подъем куста из свай такой же длины — 80 мм. Из зависимостей подъема одиночных свай и свайных кустов от глубины заложения свай следует, что с увеличением длины свай разности подъемов одиночных свай и кустов уменьшается.

Так, при длине свай 5 м разность подъемов составила 11 мм, а при длине свай, равной толщине зоны набухания, — всего 2 мм.

Набухающие верхние слои грунта поднимаются наиболее интенсивно и на большую величину, чем сваи и свайные фундаменты. На уровне подошвы свай слои грунта лишь до определенного момента способствуют подъему свайных фундаментов, после чего препятствуют ему, т. е. подтверждаются ранее полученные данные о наличии тормозящего эффекта, обусловленного неравномерным подъемом грунта по глубине.

На каждую сваю в кусте при набухании грунта в активной зоне действуют касательные силы выпора, стремящиеся поднять сваю. Ниже нейтральной точки, где перемещения слоев грунта равны подъему свай, возникают касательные силы, препятствующие подъему сваи (зона торможения). Активная зона одиночной сваи больше, чем активная зона для куста в целом, в связи с чем и подъем одиночных свай больше подъема свайного куста из свай такой же длины. Однако при увеличении длины свай подъем свайных кустов и одиночных свай уменьшается и при сваях длиной 6 м активная зона и зона торможения для кустов и одиночных свай примерно равны. Таким образом, в процессе набухания грунта и подъема свай и кустов происходят перераспределение касательных сил в активной зоне и зоне торможения, изменение величин самих зон по длине свай.

Сравнивая деформации — подъемы кустов с подъемами одиночных свай, можно сделать вывод, что при равных длинах одиночных свай и свай в кустах подъем сваи значительно больше подъема куста. При увеличении длины одиночных свай и свай в кусте их подъемы при прочих равных условиях оказываются практически одинаковыми.

Подъем кустов свай

Наблюдения за подъемами кустов с разным числом свай при одинаковой глубине их заложения показали, что число свай в кусте существенно влияет на подъем кустов. Установлено, что с увеличением числа свай в кусте подъем кустов уменьшается. Эта зависимость имеет нелинейный характер: по мере увеличения числа свай подъем кустов уменьшается меньше, чем подъем кустов с малым числом свай. Очевидно, что при определенном числе свай в кусте его подъем стабилизируется и дальнейшее увеличение числа свай не будет влиять на подъем куста.

Увеличение длины свай в кусте сказывается на подъеме кустов более значительно, чем увеличение числа свай в кусте. При сопоставлении данных опыта можно сделать вывод, что оптимальным является вариант свайного куста из пяти свай длиной 5 — 6 м. В этом случае подъем куста без нагружки минимальный.
Проведено испытание кустов из пяти свай постоянной длины с различной внешней нагрузкой, равной 40; 100 и 200 кН.

Перемещения свайных кустов

При отсутствии нагрузки куст из пяти свай после 4 мес замачивания поднялся на 75 мм, а при нагрузке 40 кН подъем составил 61 мм. В начале процесса набухания (1,5 — 2 мес) при нагрузке 100 кН куст поднялся на 34 мм, а затем дал осадку, равную 27 мм. Таким образом, после 4 мес замачивания свайный куст с указанной нагрузкой имел подъем всего 7 мм. При дальнейшем возрастании нагрузки до 200 кН свайный куст после 2 мес замачивания имел подъем, равный 19 мм, но затем начал давать осадку провального характера, составившую 85 мм.

Анализируя результаты эксперимента, можно сделать вы¬вод, что подъем свайных кустов при набухании грунта невозможно устранить путем увеличения нагрузки. Пока внешняя нагрузка меньше развивающихся при набухании сил выпора, подъем куста продолжается, затем при дальнейшем разупрочнении грунта свайный куст начинает давать осадку.

Отсюда следует, что если нагрузку на свайный куст назначать из условия полного предотвращения его подъема, то эта нагрузка будет больше предельной по сопротивлению набухшего грунта, а это приведет к осадкам свайного фундамента провального характера. Значит, внешняя нагрузка на свайный фундамент должна быть меньше сопротивления набухшего грунта и действующих на него сил выпора. Следовательно, неизбежен подъем свайного фундамента: в этом случае требуется расчет возможных деформаций — подъемов свайных фундаментов.

При действии на свайный куст внешней нагрузки сокращается время, необходимое для стабилизации подъема. Например, время, необходимое для стабилизации подъема свайного куста с нагрузкой 40; 100 и 200 кН, соответственно 1; 1,5 и 2 мес меньше времени стабилизации ненагруженного свайного фундамента.
Наличие куста свай в грунте влияет на характер его деформаций около каждой сваи.

Исследование характера деформаций грунта проводилось путем измерения послойных перемещений грунта на различном расстоянии от свай. Расстояние между глубинными марками было принято равным 10 — 12 см. Наблюдения за перемещениями поверхности и слоев грунта в пределах куста и за его пределами около каждой сваи показа ли неравномерный характер изгиба — депланации грунта при отсутствии перемещения куста. Для этого устраивалась анкерная система с балкой, служившей упором при подъеме куста и обеспечивавшей неподвижность куста.

Видно, что по мере удаления от средней сваи депланация грунта уменьшается, а затем снова растет при приближении к крайней свае. На расстоянии 1,5с1 от сваи к центру ростверка грунт депланируется, что очевидно связано с влиянием друг на друга свай, расположенных в кусте. Действительно, при расстоянии 20 30 см от боковой поверхности свай в сторону массива наблюдается депланация, поэтому при расстоянии между сваями в кусте, равном 3ci (d = 250 мм), в середине пролета между сваями наблюдается депланация грунта.

Депланация грунта как около средней сваи в кусте, так и около крайней, уменьшается с ростом глубины заложения слоя, при этом для последней сваи в несколько меньшей степени. Разность между депланацией грунта указанных свай с глубиной уменьшается. Так, на глубине 2 м она составила 3 мм, а 4 м — 0,5 мм. Максимальная замеренная разница в подъеме поверхности грунта около средней сваи и на значительном расстоянии от нее составила 15 мм. Одновременно с депланацией при набухании грунта происходит перемещение, проскальзывание слоен относительно каждой сваи в кусте.

С увеличением подъема грунта проскальзывание его по боковой поверхности свай возрастает. Так, при перемещении поверхности грунта, равном 25 мм, депланация составляет 4 мм,а проскальзывание— 21 мм при подъеме поверхности 105 мм депланация и проскальзывание составляют соответственно 9,5 и 95,5 мм.
Депланация достигает своего максимального значения в первые 1,5-2 мес замачивания, т. е. в период наибольшей интенсивности процесса набухания. При дальнейшем замачивании депланация поверхности на различных расстояниях от свай стабилизируется, грунт перемещается с сохранением: изогнутого очертания. На депланацию грунта сказывается взаимовлияние свай, расположенных на кусте.

Так, депланация поверхности крайней сваи со стороны массива в 3 раза меньше, чем в пределах ростверка. Около средней сваи д сила наци я поверхности еще более значительна, чем у крайней сваи со стороны грунтового массива. Очевидно, что с увеличением числа свай в кусте влияние их на депланацию грунта будет более значительным, а следовательно, подъем куста будет уменьшаться.

Площадь условного фундамента в основном зависит от числа свай и в некоторой степени от длины свай. Из рисунка видно, что с увеличением площади F подъем уменьшается. Таким образом, ’’кустовой эффект” оказывает значительное влияние на деформации подъемы свайных фундаментов. Учет этого явления при проектировании свайных оснований позволит уменьшить число свай в фундаментах исходя из расчета по деформациям.