Сваи с уширенным основанием

Сваи с уширенным основанием

В зарубежной практике строительства на набухающих грунтах находят широкое применение набивные сваи с уширенным основанием. Такие сваи, получившие название ’’техасских фундаментов”, прорезают, как правило, всю толщу набухающих грунтов. Наблюдения за 12 жилыми зданиями, построенными в Южно-Африканской Республике на сваях длиной 3 — 9 м с уширением, показали, что некоторые здания поднялись на 85 мм. Это привело к деформациями несущих конструкций. Указывается, что причиной подъема является отрыв ствола от уширения из-за недостаточного его армирования.

Сваи с уширением

Характер работы свай с уширением отличается от характера работы обычных свай. Если такая свая устроена в набухающих грунтах после увлажнения, то несущая способность ее значительно меньше, чем свай в грунтах природной влажности. С другой стороны, при замачивании набухающего грунта наблюдается подъем свай тем меньший, чем больше действующая на них нагрузка. При этом снижения несущей способности сваи не происходит.

Это объясняется тем, что такая свая работает как заглубленный фундамент, в основании которого грунт набухает в тех случаях, когда действующее напряжение меньше давления набухания. При этом ствол коротких набивных свай с уширением практически не участвует в работе. После набухания грунта в слоях ниже уширения устанавливается состояние равновесия между внутренними силами, вызванными расклинивающим действием гидратных пленок, и внешними силами от нагрузки, передаваемой на сваи.
Таким образом, отличие проектирования свай с уширением от проектирования обычных свай состоит в том, что при определении несущей способности этих свай исходят из характеристик природного неувлажненного грунта, а несущей способности последних из характеристик увлажненного набухшего грунта.

Отсюда следует, что несущая способность свай с уширением существенно больше, чем обычных. Например, в хвалынских глинах допустимая нагрузка на обычную сваю диаметром 30 см, длиной 6 м составляет 150 — 200 кН, а на сваю с уширением диаметром 120 см,длиной 3,5 м — 750 кН. Для восприятия такой нагрузки необходимо устроить четыре обычных сваи, расход бетона на которые увеличивается в 1,5 раза.
Изучение подъема свай с уширенным основанием проводилось в сарматских глинах. Ствол сваи имел диаметр 400 мм, а диаметр уширения был равен 1200 мм. После устройства скважины и уширения в полость укладывался отдельными порциями бетон с последующим уплотнением его глубинным вибратором. В одном из опытных котлованов были устроены по две сваи длиной 3 и 5 м. При этом одна из свай каждой длины армировалась стержнями диаметром 200 мм, а другая свая не имела арматуры. В результате набухания грунта был зафиксирован подъем свай.

С уменьшением толщины слоя грунта, расположенного ниже уширения, подъем сваи снижается. С другой стороны, эти данные показывают, что подъем ствола происходит на большую величину, чем подъем уширения, вследствие действия сил выпора, возникающих вдоль боковой поверхности ствола. В результате действия этих сил в сваях, не имеющих арматуры, произошло разрушение ствола сваи возле уширения.

Благодаря наличию уширения уменьшается подъем сваи в результате анкеровки в набухающем грунте. Так, 3-метровая свая с армированием составляет 0,71 от подъема ствола неармированной сваи, т. е. сваи, где уширение не препятствует подъему. С возрастанием глубины эта разница увеличивается, так как включается в работу лежащий выше слой большей толщины.

Подтверждением этого является тот факт, что подъем неармированной сваи длиной 5 м составляет всего 0,54 от подъема ствола неармированной сваи.

Исследования свай

Экспериментальные исследования свай с уширением проводились, кроме того, на двух разновидностях глинистых набухающих грунтов — четвертичных (Джезказган) и аральских (Ермак) . На основании изысканий установлено, что инженерно-геологические условия первой площадки характеризуются одно¬родными по своему строению литологическими разрезами. С поверхности слоем толщиной 0,5 — 1,5 м залегают серовато-бурые суглинки, далее слоем 12 — 15 м залегают четвертичные красно-бурые и зеленовато-серые глины, подстилаемые мощными слоями серых и пестро-цветных глин третичного возраста с прослойками разнозернистых песков.

Из рассмотренных разновидностей глинистых грунтов наиболее высокой степенью набухания и усадки обладают красно-бурые и зеленовато-серые глины. Исходя из этого все лабораторные и натурные экспериментальные исследования проводились именно в этих грунтах. Четвертичные глины опытной площадки имели следующие физико-механические свойства:

На второй площадке с поверхности или под небольшим слоем (1,5 — 2 м) элювиально-делювиальных образований залегают отложения аральской свиты, которые служат основанием большинства зданий и сооружений, построенных в данном районе. Аральская свита представлена твердыми и полутвердыми глинами зеленовато-голубовато-серого, иногда темно-серого цвета, которые залегают слоем толщиной 40 — 50 м. Их грануло-метрический состав следующий: глинистых частиц содержится 50%, пылеватых и песчаных соответственно — 35 и 15 %. Глины сильно ожелезнены, содержат известковые и марганцевые включения. Общее содержание солей в глинах составляет 3 — 4%, из них большая часть приходится на карбонаты и гипс. Подземные воды расположены на глубине 20 — 25 м.

Основной задачей данных исследований являлось установление величины подъема свай в зависимости от диаметра уширенной пяты и глубины ее заложения. Для обоих разновидностей глинистых набухающих грунтов глубина заложения опытных свая составляла в одной серии опытов 3; 4; 5 и 6 м при постоянном диаметре уширения 0,8 м; другой серии опытов при глубине 4 м диаметр уширения изменялся от 0,4 до 1,0 м с интервалом 0,2 м. Параллельно испытывались сваи разной длины без уширения. Расстояние между сваями назначалось из условия исключения взаимного влияния свай и составляло 2,5 м.

Для интенсивного увлажнения набухающий грунт замачивали через скважины диаметром 400 мм и глубиной 8 м (Джезказган) и 10 м (Ермак), которые располагали параллельно каждому ряду свай на расстоянии 1,5 м. В среднем на 3 — 3,5 м2 площади дна котлована приходилась одна скважина. Скважины заполняли щебнем с крупностью частиц 20 — 40 мм. Дно котлована во избежание заливания скважин покрывали слоем мелко¬го щебня толщиной 8—10 см.

После замачивания начался подъем всех слоев, так как при данном методе замачивания с поверхности через скважины набухание происходит одновременно во всем массиве. С глубиной перемещений грунта уменьшается и уже на глубине 8 м практически отсутствует. Так, для аральских глин при подъеме поверхности дна котлована, равном 128 мм, перемещение слоя грунта на глубине 8 м составило только 9 мм. Скорость подъема поверхности грунта во времени уменьшается и если в первый месяц замачивания она составила 1,3 для четвертичных глин и 1,9 мм/сут для аральских глин, то по истечении 2 мес замачивания она составила соответственно 0,5 и 0,6 мм/сут.

Отличие скорости набухания и общей продолжительности замачивания для четвертичных и аральских глин объясняется различием в их текстурных особенностях. Аральские глины набухают быстрее благодаря содержанию песчаных включений, способствующих более интенсивному обводнению глинистых частиц. В отличие от аральских глин четвертичные глины по своей текстуре представляют сплошной монолитаый массив, в котором процесс увлажнения грунта протекает значительно медленнее.

Наиболее интенсивно набухание происходит в первые 2 — 3 мес. В течение этого времени перемещение верхних слоев (от 0 до 4 м) составило 80 — 95 % конечной величины подъема соответствующего слоя грунта.
Для завершения процесса набухания грунта при непрерывном искусственном увлажнении требуется длительное время — 12 мес для четвертичных глин и 9 для аральских глин.

Верхние слои грунта, подверженные более интенсивному набуханию, поднимаются на большую величину, чем свая, а слои грунта, расположенные на уровне центра уширения, перемещаются меньше, чем свая. Если рассмотреть работу двух сравнительно небольших по мощности слоев, станет ясно, что верхний слой должен поднять сваю на величину, большую, чем может поднять ее нижний слой. Поэтому нижний слой будет способствовать подъему сваи в пределах своих возможностей, после чего начнет препятствовать ее подъему.

Аналогичное явление происходит повсеместно на всех участках по длине сваи. Это объясняется наличием различных абсолютных значений возможных деформаций набухания отдельных слоев грунта на глубине. В точке О подъем сваи совпадает с подъемом слоя грунта, которому соответствует равновесие касательных сил, возникающих по боковой поверхности ствола сваи выше этого слоя вследствие проскальзывания грунта вверх относительно сваи, и касательных сил по стволу ниже рассматриваемого слоя, направленных вниз и возникающих вследствие проскальзывания сваи относительно лежащих ниже слоев грунта.

Толща грунта, расположенная выше нулевой точки и вызывающая подъем сваи в результате действия касательных сил выпора по боковой поверхности ствола, получила название активной зоны. Нижние слои грунта создают отрицательное трение, препятствующее подъему сваи, и образуют зону торможения. Таким образом, нулевая точка делит массив набухающего грунта по длине сваи на две зоны с разными направлениями касательных сил. Подъем сваи также происходит под действием нормальных сил выпора, действующих на торец или уширенное основание сваи.

Результаты экспериментов

Эксперименты показали, что наибольшее значение подъема 52 мм имела свая без уширения, которая перемещается главным образом под действием касательных сил выпора. Подтверждением этого является превышение в любой момент времени подъема сваи над перемещением слоя грунта на уровне ее торца. Сравнение величин подъема сваи с освобожденным концом и обычной сваи показало, что они отличаются незначительно, следовательно, нормальные силы выпора, действующие на торец, не оказывают существенного влияния на возрастание подъема сваи.

Установлено, что с увеличением глубины заложения свай и диаметра уширения подъем их уменьшается. Так, увеличение диаметра уширения с 0,4 до 0,8 м для сваи длиной 4 м приводит к снижению подъема сваи в 1,5 раза. Подъем сваи длиной 6 м практически отсутствует (всего 13 мм) и незначительно отличается от подъема грунта на уровне центра уширения. Следовательно, подъем такой сваи будет определяться в основном перемещением слоев грунта ниже уширения.

Для выявления факторов, вызывающих уменьшение подъема свай с уширением по сравнению с подъемом обычных свай, рассмотрим силы, действующие на сваю при набухании грунта. Силами, вызывающими подъем сваи, являются касательные силы по стволу сваи в активной зоне Та и нормальные силы N], действующие на уширенное основание. Силами, препятствующими подъему сваи, являются касательные силы в зоне торможения Tt, собственный вес сваи Рр, нагрузка, приложенная к свае N, и вес грунта над уширением Р в объеме конуса АВСД. Когда 2 Та + убудет больше 2Tt + +°Рр + Pg + N, свая поднимается.

До тех пор, пока касательные силы выпора не превзойдут величину сил, препятствующих перемещению сваи, подъем ее будет определяться перемещением грунта, расположенного ниже уширения. Угол наклона образующей конуса к вертикальной оси зависит от угла внутреннего трения и сил сцепления между частицами грунта. Прочностные характеристики набухающего грунта с глубиной изменяются, поэтому образующая конуса будет иметь вид ломаной линии с разным наклоном отдельных участков к вертикальной оси. Эксперименты показали, что свая с уширенной пятой в набухающем грунте работает как анкер, пригруженный весом грунта над уширением в объеме конуса АВСД, который играет основную роль в снижении подъема сваи.

В процессе набухания грунта нулевая точка перемещается по высоте, при этом меняется соотношение между активной зоной и зоной торможения.

Проведенные эксперименты показали, что с увеличением диаметра уширения величина зоны торможения уменьшается, так как часть боковой поверхности исключается из работы на подъем сваи в результате образования пригрузочного конуса большого объема, а следовательно, и веса. Для сваи длиной 4 м и диаметром 1 м нулевая точка находится на глубине 3,1 м от поверхности грунта, т. е. практически вдоль всей сваи расположена только активная зона.

Следовательно, при некотором значении диаметра уширения в течение всего процесса набухания подъем сваи будет определяться перемещением слоев грунта, расположенных ниже уширения, но это перемещение будет меньше, чем при отсутствии сваи, так как в данном случае на грунт будет действовать дополнительное давление от собственного веса сваи и весе грунта над уширением.

Для четвертичных глин при 1 = 4м это будет наблюдаться при D = 1,2 -f 1,3 м. С увеличением глубины заложения сваи растет активная зона, величина которой приближается к длине сваи. Так, если для I = 3 м отношение 1а/1 составляет только 0,43, то уже для 1=6 — 0,88, т. е. в 2 раза больше. Таким образом, при определенной глубине заложения сваи, значительно меньшей, чем для свай без уширения, вдоль всей ее длины будет формироваться только активная зона.