Исследования свайных фундаментов на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок

Исследования свайных фундаментов на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок

Исследования свайных фундаментов на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок проводились с фундаментами из буронабивных жестких свай и забивных свай конечной жесткости.

Результаты статических испытаний фундаментов с низким ростверком на горизонтальную нагрузку при разных значениях вертикальных сил показали значительное влияние вертикальной нагрузки на несущую способность горизонтально нагруженных свайных фундаментов. Так, при вертикальной нагрузке, равной например 800 кН, несущая способность фундамента на горизонтальную нагрузку увеличилась почти в 1,5 раза по сравнению с несущей способностью фундамента при испытаниях его в отсутствие вертикальной нагрузки.

По результатам исследований выполнена математическая обработка результатов испытаний, которая подтвердила линейную связь между несущей способностью свайного фундамента на горизонтальную нагрузку и вертикальными силами.

Испытания показали, что сопротивление свай в кусте действию горизонтальной нагрузки превышает сопротивление одиночной сваи со свободной головой при одном и том же горизонтальном перемещении и зависит от типа ростверка (низкий и высокий) и вертикальной нагрузки. В случае совместного действия нагрузок центр поворота фундамента с низким ростверком располагается на уровне подошвы свай и смещен от его геометрической оси к внутреннему ряду свай со стороны приложения горизонтальной силы.

В этом случае сваи внутреннего ряда имеют незначительный подъем, так как часть выдергивающих усилий, приходящихся на этот ряд свай, уравновешивается вертикальной нагрузкой. Отсюда очевидно, что при увеличен вертикальной нагрузки повышается сопротивляемость свай, воспринимающих выдергивающие нагрузки. В то же время сваи внешнего ряда наряду с горизонтальной нагрузкой получают дополнительные вдавливающие усилия (от вертикальной нагрузки) , что характеризуется значительным опусканием ростверка. Поэтому при расчете фундамента необходимо проверять несущую способность отдельных наиболее нагруженных свай по грунту и прочности материала. При этом давления на грунт по подошве не должны превышать соответствующих расчетных сопротивлений.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что при расчете свайных фундаментов из жестких свай на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок необходимо исходить не только из допускаемых перемещений (в горизонтальном направлении), но и из предельного состояния грунта под подошвой наиболее нагруженных свай.

Увеличение сопротивляемости свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку при одновременном действии вертикальной нагрузки получено для фундаментов как с низким, так и с высоким ростверками.

Таким образом, увеличение несущей способности свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку при совместном действии нагрузок объясняется в первую очередь характером работы свай в кусте, а также совместной работой грунта и ростверка.

В эксперименте при действии на фундамент с низким ростверком вертикальной нагрузки Р = 800 кН доля участия грунта в работе ростверка на горизонтальную нагрузку еще более возросла (по сравнению с действием на фундамент Р = 0 и составила 46 %.

Результаты выполненных исследований подтвердили принятую схему работы фундаментов из жестких свай с ростверками. Установлено, что сваи, жестко заделанные в ростверк фундамента, при действии горизонтальной нагрузки не поворачиваются вокруг нулевой точки, а смещаются вместе с ними. На это указывают и полученные эпюры.

Из результатов исследований видно, что при действии вертикальной нагрузки снижается процент неравномерности распределения горизонтальных сил между сваями куста, однако он остается еще достаточно высоким, что необходимо учитывать при расчете свай по прочности.

Исследование работы низкого ростверка с помощью месдоз позволило установить характер его взаимодействия с основанием и определить значения контактных напряжений при различных ступенях горизонтальной нагрузки. Эпюры контактных давлений грунта по подошве ростверка показали, что при действии на фундамент горизонтальной нагрузки в контакт с грунтом вступает площадь ростверка, расположенная справа от оси центра поворота фундамента. Форма эпюры имеет криволинейное очертание, при этом ордината с нулевым значением проходит по оси поворота ростверка и увеличивается к краю его консоли.

Полученные результаты подтверждают, что часть горизонтальной нагрузки воспринимается ростверком, при этом в работе участвует не вся подошва ростверка, а его часть, находящаяся по одну сторону от центра поворота фундамента. Реактивный отпор грунта под подошвой ростверка зависит от характеристик грунта и рабочей площади ростверка.

Эпюры, полученные при испытании свайного фундамента на сочетание вертикальной и горизонтальной нагрузок указывают на совместную работу ростверка и грунта. Анализируя эпюры реактивного давления грунта под ростверком фундамента, необходимо отметить, что грунт под ростверком не увлекается сваями по их боковой поверхности и воспринимает давление от постоянной нагрузки. Так, на долю ростверка приходится до 40 % вертикальных сил.

С ростом горизонтальной нагрузки и перемещением фундамента происходит перераспределение контактных давлений под его подошвой, при этом со стороны действия силы давления на грунт уменьшаются и возрастают к противоположной грани роствека. При перемещении фундамента более 10 мм произошел отрыв ростверка от грунта, а при дальнейшем увеличении нагрузки площадь отрыва ростверка достигла своего максимального значения, граница которой проходит по оси центра поворота фундамента.
В настоящее время особенности работы горизонтально на-груженных свай в набухших грунтах изучены недостаточно. На практике принимают, что в результате набухания грунтов несущая способность таких свай уменьшается. Это приводит к неэффективным проектным решениям или ограничивает область применения свай.

Для уточнения этого вопроса были проведены полевые экспериментальные исследования взаимодействия горизонтально нагруженных свай с набухающими грунтами. Загрузка свай статическими горизонтальными нагрузками производилась с помощью домкратов. Каждая ступень нагрузки выдерживалась до условной стабилизации деформаций основания. Сваи диаметром 0,45; 0,65 и 0,80 м оборудовались месдозами конструкции ЦНИИСКа, которые устанавливали перед бетонированием свай с шагом 0,25 м по глубине. С помощью специальных приспособлений измеряли горизонтальные перемещения в сечениях через 0,25 м по длине сваи до глубины 2,5 м.

Перед испытаниями свай на горизонтальную нагрузку грунты в течение 3 мес замачивали водой через дренажные скважины глубиной 3,5 м, заполненные мелким щебнем. На 3 — 4 м2 площади котлована устраивали одну скважину.

Наблюдения за вертикальными перемещениями набухающих грунтов вели путем нивелирования поверхностных и глубинных марок. Нивелировка показала, что в результате набухания глин поверхность дна котлована поднялась в среднем на 67 мм, при этом около 80 % всего подъема обеспечивалось набуханием глин в поверхностном слое толщиной 2,5 м. Установлено, что наиболее интенсивно процесс набухания слоев происходит в течение первых двух месяцев замачивания. В дальнейшем наблюдалась стабилизация процесса набухания, например, за последние 15 сут замачивания дно котлована поднялось всего на 3 — 4 мм. Наибольшее приращение влажности грунтов происходило до глубины 2,5 м, т. е. в той же толще грунтового массива, которая определяла подъем поверхности грунта.