Особенности работы свай в набухающих грунтах

Особенности работы свай в набухающих грунтах

Одним из методов, обеспечивающих нормальную эксплуатацию сооружений на набухающих грунтах, является полная или частичная прорезка таких грунтов свайными фундаментами. В этом случае можно снизить или полностью избежать подъема здания. Однако опыт применения свай в том числе и за рубежом, показывает, что и в случае применения свай наблюдаются деформации сооружений.

Это объясняется тем, что при проектировании не учитываются в полной мере особенности деформаций грунта при набухании. Работа свайных фундаментов исследовалась с целью изучения: несущей способности свай и набухающих грунтах природного сложения и после их замачивания; деформаций — подъемов свай при набухании грунта; сил выпора, действующих на сваю при подъеме грунта; деформаций грунта около сваи. Эксперименты с набивными и забивными сваями, со сваями с уширенным основанием и со свайными кустами проводились на площадках, сложенных различными видами глин.

Определение бокового сопротивления

Для определения сопротивления по боковой поверхности набивные сваи устраивали таким образом, чтобы исключалась работа ее торца. Для этого в пробуренную скважину устанавливали диск с приваренным стержнем, который закреплялся на поверхности. Зазор между забоем скважины и диском составлял 25 — 30 см. После установки диска скважину заполняли бетоном и получали сваю с освобожденным нижним торцом. В сваях с уширенным основанием полость устраивали, применяя специальный уширитель или раздавливающий агрегат конструкции А.М. Ягудина.

Эксперименты проводились в основном с набивными сваями. Полученные при этом закономерности работы свай могут быть распространены и на забивные сваи. Это обусловлено тем, что забивные сваи погружают в набухающие грунты с применением лидирующих скважин, а следовательно, сопротивления по боковой поверхности забивных и набивных свай практически равны между собой.

Для подтверждения этого положения проведены специальные эксперименты в районе Джезказгана. Железобетонные сваи забивали в пробуренные скважины таким образом, чтобы между забоем скважины и сваей оставался зазор, равный 20 — 30 см. На этой же площадке устраивали набивные сваи с освобожденным нижним торцом. Экспериментами установлено, что отношение сопротивления по боковой поверхности забивных и набивных свай составляет 1,04 — 1,17, т. е. условия работы этих свай практически не отличаются.

Исследования несущих способностей свай

Несущую способность набивных свай исследовали в грунтах природного сложения, а также после их набухания, вызванного замачиванием. С этой целью в специально разрабатываемых котлованах устраивали обычные сваи и сваи с освобожденным нижним торцом. В этом же котловане на анкерных сваях монтировали установку для статического испытания свай. Установка загружалась бетонными блоками, общая масса которых составляла около 100 т. Статические испытания проводили гидравлическими домкратами ДГ-100. Осадку свай измеряли прогибомерами системы Максимова.

Несущую способность свай в замоченном грунте определяли аналогичным способом с той разнице, что после устройства свай грунт предварительно замачивали через дренажные скважины в течение 5-10 мес. В замоченных набухающих грунтах так же, как и в грунтах природного сложения, в общей несущей способности основную роль играет боковая поверхность, на долю которой приходится 0,6 — 0,9 общей предельной нагрузки.

Сравнение результатов испытаний свай в грунтах природного сложения и после замачивания показывает, что в последнем случае несущая способность свай существенно снижается. Снижение несущей способности свай после замачивания зависит от вида набухающего грунта и длины сваи. При этом с увеличением последней уменьшается разница в несущей способности свай в природном и замоченном грунте. Это объясняется тем, что с увеличением глубины значительно уменьшается набухание грунта, вследствие чего уменьшается различие в прочностных характеристиках природного и замоченного грунта. Очевидно, ниже зоны набухания, где разуплотнения грунта не происходит, нормативное сопротивление грунта по боковой поверхности и под торцом сваи при замачивании практически не изменится.

Исследования, проведенные с забивными сваями в хвалынских глинах, также подтверждают снижение сопротивления по боковой поверхности сваи после набухания. Эта величина для грунта природного сложения составила около 60 к Па, а после набухания — 22 кПа. Последнее значение сопротивления по боковой поверхности сваи хорошо согласуется с результатами испытаний набивных свай в замоченных грунтах, что также указывает на отсутствие разницы между работой забивной и набивной сваи в набухающих грунтах.

В результате силы трения между боковой поверхностью сваи и грунтом при перемещении последнего происходит подъем сваи, величина которого зависит, в частности,от ее длины и передаваемой нагрузки.
Влияние длины свай на величину их подъема изучалось на набивных и забивных сваях в Керчи, Волгограде и Джезказгане. В любой рассматриваемый момент времени подъем свай без нагрузки больше подъема слоя грунта, расположенного на уровне торца сваи. Следовательно, грунт при набухании не оказывает давления на торец сваи, а ее подъем обусловлен только перемещением слоев грунта в пределах боковой поверхности. Это подтверждается также сравнением данных испытаний обычных свай с освобожденным нижним “торцом. Подъем свай при прочих равных условиях оказывается одинаковым независимо от того, участвует в работе торец сваи или не участвует.

Выявленные зависимости

На основе проведенных экспериментов построена зависимость относительного подъема сваи (отношение подъема свай к подъему поверхности) от их длины. Во всех грунтах с увеличением длины сваи уменьшается их подъем. Причем эта зависимость имеет нелинейный характер: по мере увеличения длины свай подъем уменьшается меньше, чем подъем коротких свай. Очевидно, что при определенной длине сваи подъем ее будет отсутствовать.

Уменьшение подъема сваи при возрастании ее длины можно объяснить следующим образом. Предположим, что свая устроена в слое набухающего грунта, который увлажняется в пределах всей толщи. Перемещение сваи будет определяться подъемом слоев грунта в пределах всей толщи. В свою очередь слои грунта по глубине поднимаются неодинаково: наибольший подъем происходит в верхней части массива, а с глубиной подъем уменьшается. Поэтому верхние слои стремятся поднять сваю на максимальную величину, а нижние — на минимальную, в результате чего нижние слои будут тормозить подъем свай. Следовательно, имеющий место ’’тормозящий эффект” обусловлен неравномерным подъемом грунта по глубине.

Рассмотрим это явление на примере подъема ненагруженной сваи длиной 7 м. В результате набухания грунта в массиве происходит подъем слоев, величина которого уменьшается по глубине. Перемещение грунта в верхней части сваи значительно больше, чем подъем сваи. С увеличением глубины различие в подъемах слоев грунта и сваи уменьшается, и на глубине АО, т. е. в точке О (нейтральная точка), подъем сваи равен подъему грунта. Следовательно, подъем грунта на участке АО приводит к возникновению касательных вертикальных сил по боковой поверхности сваи, стремящихся поднять ее.

Слои грунта, расположенные ниже нейтральной точки, поднимаются меньше, чем свая, в результате чего на участке ОВ возникает отрицательное трение, препятствующее подъему сваи. Значит, при набухании грунта по длине сваи действуют две зоны с разными направлениями касательных сил: активная зона ОА и зона торможения ОВ.