Касательные силы выпора свай

Касательные силы выпора свай

Изучение касательных сил выпора, действующих на сваи, расположенные в кусте, имеет важное значение для выявления характера работы свайного фундамента. До настоящего времени изучались касательные силы выпора, действующие на одиночные сваи, расположенные в однородном массиве набухающего грунта. Однако уже при изучении подъема свайных кустов в процессе набухания грунта были установлены значительные различия в характере работы кустов и одиночных свай. Поэтому представляет интерес детальное изучение развития касательных сил выпора, а также напряжений выпора по боковой поверхности расположенных в кусте свай, объединенных ростверком, в процессе набухания грунта.

Изучение подъема свайных кустов

При набухании грунта на свайный куст действуют суммарные касательные силы выпора Т, складывающиеся из касательных сил выпора Тр, действующих на каждую сваю. Касательные силы выпора исследовали для свайных кустов из пяти свай длиной 2; 3 и 5 м, расположенных друг от друга на расстоянии 3d и имеющих высокий ростверк.

На основании экспериментов построены зависимости суммарных касательных сил выпора Т, действующих на свайный куст при набухании грунта, от времени замачивания. Из этих зависимостей видно, что в начальный период набухания глин касательные силы выпора увеличиваются, а затем уменьшаются. После стабилизации набухания касательные силы выпора составляют 23 — 29 % значений сил Т. Характер изменения касательных сил выпора, действующих на свайный куст в целом, определяет характер изменения суммарных сил выпора F. В табл. 5.22 приведены значения касательных сил выпора Т в различные периоды замачивания.

Снижение сил выпора после достижения максимальных касательных сил объясняется тем, что при подъеме происходит проскальзывание грунта относительно боковой поверхности неподвижных свай. В плоскости торца свайного куста действуют нормальные силы выпора Np зависящие от подъема слоя грунта на уровне подошвы куста, равные сумме сил, действующих на каждую сваю.

С увеличением длины свай в кусте нормальные силы выпора уменьшаются, так как подъем слоев грунта с глубиной уменьшается. Так, при длине свай в кусте 3 м нормальные силы в 2,8 раза больше, чем при длине 5 м. Нормальные силы выпора через 2 мес после начала замачивания достигают своего максимального значения, после чего остаются постоянными и составляют 3—28% касательных сил.

Из экспериментов следует, что решающее значение имеют касательные силы выпора. Нормальные силы выпора необходимо учитывать при небольшой длине свай в фундаменте. Так, при длине свай в кусте, равной 2 м, нормальные силы выпора значительны — 60 кН. При увеличении длины сваи нормальные силы выпора быстро уменьшаются. Так, при сваях длиной 5 м нормальные силы, действующие на уровне подошвы свайного фундамента, составляют 15 кН, что в 4 раза меньше, чем для куста из свай длиной 2 м. Отсюда следует, что при длине свай в кусте 5 м и более нормальными силами выпора можно пренебречь.

Кроме суммарных касательных силы выпора Т, действующих на куст в делом, в ходе экспериментов определяли касательные силы выпора, действующие на каждую сваю в кусте. Характеры изменения касательных сил для средней и крайней сваи несколько отличаются друг от друга. Максимальные значения касательных сил для средних свай значительно меньше, чем для крайних хотя условия замачивания практически одинаковы.

После достижения максимальных значений силы выпора для средних свай изменяются по линейному закону. При увеличении длины свай максимальные силы выпора увеличиваются как для крайней, так и для средней сваи в кусте. Так, при росте длины свай в кусте с 3 до 5 м силы, действующие на крайнюю сваю, увеличиваются почти в 2 раза, а силы, действующие на среднюю сваю, в 1,5 раза. Минимальные значения сил выпора, соответствующие стабилизации процесса набухания, составляют в среднем 20 % значений Ттах для крайних свай в кусте и 25 % для средних.

При росте перемещений поверхности грунта касательные силы возрастают до максимального значения, затем, несмотря на продолжающийся подъем грунта, силы выпора быстро падают до минимального значения. Необходимо отметить некоторые различия в развитии и значениях сил выпора для крайних и средних свай в кусте при подъеме поверхности грунта. Во-первых, силы выпора для крайних свай с подъемом поверхности растут быстрее, чем для средних свай и намного превышают их; во-вторых, числа выпора для крайних свай достигают максимальных значении при большем подъеме поверхности грунта; в-третьих, для крайних свай в кусте наблюдается более быстрое падение значении касательных сил после достижения выпора.

Максимальные касательные силы выпора, действующие на отдельные сваи в кусте увеличиваются с длиной сваи. Эта зависимость в исследуемом диапазоне длин свай линейна и для крайних свай в кусте значения выпора растут с увеличением длины свай более значительно, чем для средних. С ростом длины свай разность этих значений увеличивается.

Минимальные значения касательных сил выпора с ростом длины свай увеличиваются как для крайних, так и для средних свай в кусте, однако их значения несущественно отличаются друг от друга.

Экспериментально изучен характер распределения касательных сил по длине свай в кусте в процессе набухания грунта. Характер распределения касательных сил и напряжений выпора остается в процессе набухания грунта практически одинаковым. Вся боковая поверхность свай после замачивания одновременно включается в работу. Касательные напряжения выпора увеличиваются с глубиной до максимального значения на расстоянии 0,31 для крайней сваи в кусте и 0,51 для средней сваи, после чего уменьшаются.

При дальнейшем набухании грунта максимальные напряжения выпора смещаются к торцу свай и на период стабилизации набухания располагаются на расстоянии 0,61 от поверхности грунта. Увеличение касательных напряжений с глубиной и их преобладание в нижней части свай на момент стабилизации набухания объясняется тем, что при набухании наименьшее разуплотнение грунта, а следовательно, и падение провдостных и деформационных характеристик происходит в нижних слоях массива. Кроме того, с глубиной увеличивается горизонтальное давление набухания, что также способствует росту напряжений выпора.

Значения напряжений выпора

Значения т и f отличаются друг от друга в среднем на 16%. Изменение касательных напряжений выпора во времени обусловлено перемещением грунта при набухании, что вытекает из зависимости касательных напряжений, действующих на различной глубине, от перемещения слоя грунта, расположенного на этой глубине. Изменение напряжений выпора, действующих на крайнюю и среднюю сваи в кусте при перемещении поверхности грунта, показывает, что в начальной стадии перемещения напряжения выпора возрастают, а их значения обусловлены силами сцепления и трения грунта.

После достижения максимального значения ттах напряжения уменьшаются, т. е. при дальнейшем увеличении подъема поверхности существенного изменения напряжений выпора не происходит. Следует отметить, что падение напряжений выпора для крайней сваи в кусте более значительно. На начальных участках кривых нарастание касательных напряжений происходит пропорционально перемещению грунта относительно неподвижной сваи, затем эта закономерность нарушается. Такой характер изменения касательных напряжений наблюдается в интервале глубин 0 — 3 м. Значения касательных напряжений с ростом глубины в указанном интервале для крайних свай в кусте значительно отличаются от значений т для средних свай.

Максимальные и минимальные значения касательных напряжений

С увеличением глубины при небольших перемещениях напряжения выпора практически не изменяются. В интервале глубин 3 — 5 м процесс стабилизации касательных напряжений по стволам свай в кусте происходит иначе, чем в верхних частях свай. Можно выделить достаточно большой участок до hsws = 15 : 17 мм, где касательные напряжения прямо пропорциональны перемещениям. При этом для средней сваи в кусте участок падения напряжений отсутствует и, следовательно, распределение касательных напряжений выпора по длине свай является неравномерным.