Исследования горизонтально нагруженных свай

Исследования горизонтально нагруженных свай

Для экспериментальных исследований было изготовлено 22 одиночные забивные и буронабивные сваи и 20 свайных кустов с низким и высоким ростверками. Сваи имели длину 3-6 м, размер поперечного сечения 30×30 см и диаметр 0,5 и 0,6 м. Испытания на горизонтальную нагрузку и совместное действие горизонтальной и вертикальной нагрузок проводились со сваями одного сечения, но разной глубины заложения и сваями разного сечения, но одинаковой глубины заложения. Это позволило установить зависимость их несущей способности от величины заглубления, поперечного сечения и вида действующих нагрузок.

Полученные значения несущей способности сравнивали с несущей способностью таких же свай, но находящихся в составе свайных фундаментов с ростверками, что позволило установить влияние ростверка.
На опытной площадке залегают глинистые грунты четвертичного и неогенового возрастов. Четвертичные глины небольшим слоем перекрывают неогеновые отложения, представленные глинами аральской свиты, толщина слоя которых вскрыта на глубину 10 м. Природная влажность глин твердой консистенции соответствует 0,26, плотность грунта — 1,96 г/см3, Wp = 0,26 и WL = 0,56.

Увеличение глубины заложения свай с 3 до 6 м приводит к повышению их сопротивляемости горизонтальным нагрузкам на 2 — 30 %. В то же время при увеличении диаметра ствола сваи с 50 до 60 см ее несущая способность повышается на 65 %. Таким образом, при расчете свайных фундаментов на горизонтальные нагрузки целесообразно повышать жесткость ствола сваи, увеличивая его поперечное сечение.

Зависимость перемещения свай от горизонтальной нагрузки

Зависимость между Pg и Р для жестких свай, имеет вид: Pg = 0,108 Р + Pg; для свай конечной жесткости: Pg = 0,08Р + + Pg; где Pg — фактическая несущая способность свай на горизонтальную нагрузку с учетом действия вертикальных сил; Pg — несущая способность сваи на горизонтальную нагрузку при отсутствии вертикальных сил.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о положительном влиянии вертикальной нагрузки на несущую способность горизонтально нагруженных свай. Так, при вертикальной нагрузке, равной расчетной, сопротивляемость указанных свай горизонтальным нагрузкам увеличивается в 2 раза. Увеличение сопротивляемости свай горизонтальным воздействиям при действии вертикальной нагрузки объясняется повышением сопротивления ее сдвигу вследствие увеличения и развития сил трения и сцепления по боковой поверхности под торцом сваи.

Действие горизонтальной нагрузки на сваю вызывает ее поворот вокруг ’’нулевой точки”, что приводит к появлению момента от касательных сил, действующих при вертикальной нагрузке по боковой поверхности ствола сваи. Этот момент направлен в сторону, противоположную действию горизонтальных нагрузок, и является удерживающей силой. Наиболее существенное влияние на сопротивляемость коротких свай гори-зонтальным нагрузкам оказывает торец сваи. Вследствие действия вертикальной нагрузки под торцом сваи происходит уплотнение грунта, что приводит к увеличению коэффициента постели грунта под подошвой сваи в вертикальном и горизонтальном направлениях и увеличению сил трения.

Непосредственные замеры расстояния у от поверхности грунта до точки нулевых смещений, производимые с помощью тонкого стального щупа, показали, что при вертикальной нагрузке ’’нулевая точка” понижается.

Исследования на горизонтальные нагрузки проводились со свайными фундаментами из забивных и буронабивных железо-бетонных свай. Глубина заложения свай принята равной от 3 до 7,7 м, расстояние между сваями — 3d. Испытывались кусты из двух, четырех и шести свай с низким и высоким ростверками.

Для установления кустового эффекта проведены сравнения испытания одиночных свай и свай в кусте на действие горизонтальных нагрузок. При этом рассматривались сваи с различной глубиной заложения и различного поперечного сечения.

Результаты испытаний на горизонтальную нагрузку одиночных свай и свай в кусте

Во всех рассмотренных фундаментах несущая способность сваи в кусте в 1,6 — 1,9 раза больше, чем несущая способность одиночной сваи.

Повышение сопротивляемости свай в фундаменте при действии горизонтальных нагрузок объясняется следующими факторами:

  • условия и характер работы одиночной сваи и сваи в кусте отличаются друг от друга и наиболее характерно это проявляется у фундаментов из жестких свай;
  • низкий ростверк свайного фундамента вступает в совместную работу с грунтом основания и воспринимает часть горизонтальной нагрузки;
  • заделка головы низкой сваи в ростверк оказывает значительное влияние на сопротивляемость изгибу ее ствола, вследствие чего повышается величина заделки сваи в грунте.

Результаты испытаний на горизонтальные нагрузки свайных кустов с низким и высоким ростверками показывает, что низкий ростверк увеличивает несущую способность фундамента до 37 %.
Очевидно, что степень участия ростверка в работе свайного фундамента будет тем выше, чем более плотные грунты залегают вблизи поверхности и чем больше рабочая площадь ростверка, характерируемая разность между общей площадью ростверка и суммарной площадью сечения свай.

Для установления характера работы горизонтально нагруженных свайных фундаментов с низким ростверком выполнены специальные испытания. Эти испытания показали, что при действии горизонтальной нагрузки вертикальные перемещения свайного фундамента происходят вследствие возникающего при этом момента, а горизонтальные перемещения вызываются горизонтальной силой. В этом случае возникают как сжимающие, так и растягивающие напряжения, которые приводят свайный фундамент к повороту вокруг некоторой точки. При этом наблюдаются подъем части ростверка со стороны действия напряжений и его опускание с противоположной стороны.

При действии на фундамент только горизонтальной силы центр поворота (ЦП) смещается в сторону сжатых свай. Такое положение ЦП объясняется неодинаковой сопротивляемостью свай на вдавливание и выдергивание. Потеря устойчивости фундамента наступает в результате преодоления сил сопротивления свай выдергиванию, расположенных со стороны действия горизонтальной нагрузки, а также смятия грунта в месте его контакта с ростверком фундамента.

По результатам испытания установлена зависимость влияния глубины забивки свай на несущую способность фундаментов при действии горизонтальных нагрузок. Можно сделать вывод, что для свайных фундаментов из забивных свай с низким ростверком увеличение глубины забивки начиная с 7 — 7,5 м перестает практически оказывать влияние на повышение сопротивляемости фундаментов. Это объясняется значительной длиной изгибаемой части сваи в свайном фундаменте.

По результатам выполненных испытаний буронабивных и забивных одиночных свай и фундаментов из них установлено значительное влияние жесткости поперечного сечения стволов на сопротивляемость свай горизонтальным нагрузкам.

Значения предельной горизонтальной нагрузки на сваи и свайные кусты

При осмотре ростверка, находящегося под нагрузкой 1000 кН, по боковым граням (расположенным вдоль действия горизонтальной силы) обнаружены трещины, которые находились по оси расположения свай и проходили от низа к верху ростверка. Данные испытаний показывают следующее:

  • глубина заделки головы свай в ростверк и повышение жесткости их поперечного сечения играют существенную роль в общем сопротивлении свайного фундамента горизонтальным нагрузкам;
  • низкий ростверк фундамента, вступая в совместную работу с грунтом, может воспринимать до 35 % горизонтальной нагрузки;
  • несмотря на высокое сопротивление жестких сваи изгибу фундаменты под действием горизонтальных нагрузок могут получать большие смещения, которые недопустимы для сооружений, но в то же время, не вызывают их разрушения. Это положение требует в практике проектирования определять расчетные нагрузки исходя из прочности свай и допускаемых перемещений свайных фундаментов.