Тормозящие и касательные силы, действующие на сваи

Тормозящие и касательные силы, действующие на сваи

В процессе набухания грунта нейтральная точка перемещается по высоте, и поэтому изменяется отношение между активной зоной и зоной торможения, а следовательно, и отношение между тормозящими силами и касательными силами, стремящимися поднять сваю.

Рассмотрим характер изменения этих зон по времени, т. е. определим перемещение нейтральной точки при набухании грунта. С этой целью приведены кривые 1 послойных перемещений слоев грунта в различные промежутки времени от начала замачивания до полной стабилизации подъема, вызванного набуханием. После установления постоянного соотношения между действующими зонами перемещения сваи будет совпадать с подъемом слоя грунта, расположенного на глубине, равной 0,5 длины сваи.

Проведенные опыты

Ранее отмечалось, что подъем свай будет больше подъема слоев грунта, расположенных в плоскости торца сваи, и что грунт не оказывает дополнительного давления на торец сваи, подъем которой обусловливается только перемещением грунта по боковой поверхности в активной зоне. Приведенные особенности работы сваи справедливы для случаев, когда длина сваи меньше набухающей толщи грунта. Если часть сваи заглублена в ненабухающий слой грунта, то в процессе замачивания этот слой будет тормозить подъем сваи. Очевидно, можно подобрать такую глубину заделки сваи в ненабухающий слой грунта, при которой силы торможения будут равны силам выпора. Тогда подъем сваи не происходит, а нейтральная точка будет располагаться на границе набухающего и ненабухающего слоев грунта.

Для изучения влияния на работу сваи действующей нагрузки проведены опыты в Керчи и Волгограде. В Керчи на сарматских глинах устроены сваи диаметром 200 мм и длиной 4 м. Были устроены обычные сваи и сваи с освобожденным торцом. На эти сваи была передана нагрузка, равная 14; 25; 50 и 60 кН. Кроме того, устраивали набивные сваи длиной 2 м, на которые передавалась нагрузка, равная 19; 31; 46 и 75 кН, а также забивные сваи (погруженные без лидирующих скважин) длиной 5 м с нагрузкой на каждую сваю 50; 100 и 150 кН. При испытании набивных свай грунт замачивался в пределах толщи, превышающей на 1 м длину сваи, а при испытании забивных свай замачиваемая толща составляла 10 м.

Сопоставление подъема свай длиной 4 м с разной нагрузкой и послойных перемещений грунта показало, что с увеличением нагрузки N на сваю длина зоны торможения Ij уменьшается. При определенной нагрузке вдоль всей сваи при набухании грунта действуют касальные силы одного знака, приводящие к ее выпору.

Проведенными исследованиями установлено: при увеличении нагрузки на сваю подъем ее тем меньше, чем больше передаваемая нагрузка; величина подъема зависит от свойств и толщины промачиваемого слоя грунта; при определенной нагрузке подъем сваи не происходит, а наблюдается ее осадка. Так, в сарматских глинах при нагрузке 56 кЕ произошла осадка набивных свай. Следовательно, существует критическая удельная нагрузка по боковой поверхности, которая уравновешивает силы выпора, в результате чего подъем свай не происходит.

Эксперименты показали, что удельная сила выпора не является постоянной, а изменяется во времени; это подтвердилось испытаниями свай при нагрузке 50 кН. В начальный момент замачивания в результате равенства касательных сил от внешней нагрузки и сил трения (выпора) между боковой поверхностью сваи и грунта за счет перемещения массива происходит подъем сваи. В дальнейшем начинается осадка сваи, несмотря на продолжающийся подъем грунта. Можно предположить, что удельные силы выпора уменьшаются во времени и не уравновешивают силы от внешней нагрузки. Отсюда следует, что не представляется возможным подобрать внешнюю нагрузку, при которой будет отсутствовать подъем сваи.
Силы, действующие на сваи при набухании грунта, изучались для двух возможных в практике случаев; при действии постоянной нагрузки на сваю, когда последняя может подниматься с грунтом (hsw>p > 0); при невозможности подъема сваи (hsw р = 0).

С этой целью в котлованах площадью не менее 50 м устраивали сваи следующим образом. В первом случае сваи одной длины загружали разной нагрузкой, а во втором устраивали анкерную систему с грузом, которая служила упором при подъеме свай разной длины. Для определения касательных сил по боковой поверхности устраивали сваи с освобожденным торцом, а для определения касательных и нормальных сил сваи, торец которых опирался на грунт.

С целью определения характера распределения касательных сил по длине был применен принцип разделения свай по высоте специальными месдозами, что позволяло определить силы на отдельных участках. Давление на торец сваи измеряли с помощью месдозы. Суммарные силы выпора определяли динамометрами или месдозами, установленными на оголовке свай и упирающимися в анкерную балку. С целью изучения влияния площади боковой поверхности проведены испытания свай длиной 400 см и диаметром 200; 300 и 400 мм.

В экспериментах применяли месдозы, в которых предусматривались дополнительные элементы, обеспечивающие герметизацию датчиков от влаги. Месдоза представляет собой рабочий цилиндр высотой 50 мм с внутренним диаметром 80 мм. К этому цилиндру с помощью винтов прикрепляют с двух сторон опорные плиты диаметром 200 мм. Для защиты рабочего цилиндра от воздействия грунта применяют наружный цилиндр диаметром 198 мм, который прикреплен к верхней опорной плите. На внутренней стороне рабочего цилиндра наклеивали проволочные датчики сопротивления. Компенсационные датчики располагали на верхней плите.

С целью предохранения от увлажнения датчики изолировали эпоксидной смолой, а все внутреннее пространство заполняли техническим вазелином. Для герметизации выводов проводов применяли специальные патрубки, заливаемые смолой и кабельной мастикой.

Относительные деформации тензодатчиков измеряли прибором АИД-1м, обеспечивающим точность измерений 1×1 (Г5. При этой конструкции месдозы точность измерения усилий, действующих на нее, составляла 0,2 кН. Погрешность измерения, связан¬ная с точностью прибора, составляла, например, при усилии на торец сваи, равном 15 кН, около 1,5 %.

Для оценки погрешности измерений вследствие разности деформаций тела сваи и месдозы сопоставлялись площади боковой поверхности свай без месдоз и площадь месдоз. Размеры показывают, что ошибка измерения при установке в сваю месдоз не превышает 7 %. Для подтверждения этого были проведены специальные опыты со сваями длиной 5 и 6 м, не имеющими по длине месдоз, а также опыты со сваями, имеющими месдозы. Возможное отклонение суммарных сил выпора в сваях с месдозами не превышает 4%.

Распределение касательных сил по боковой поверхности сваи

Изучение характера распределения касательных сил по боковой поверхности проводилось в Керчи на сваях длиной 4 м, на которые была передана нагрузка, равная 14; 25; 40 и 65 кН. Замачивание грунта вокруг свай осуществлялось в течение 6 мес на глубину 6 м. После приложения внешней нагрузки возникают касательные силы, которые закономерно возрастают с глубиной до максимального значения, достигнув которого, эти силы уменьшаются. Нормальные силы по торцу сваи составляют 2,5 — 8 % общей нагрузки.

После замачивания грунта характер распределения сил существенно изменяется. При незначительной нагрузке происходит перераспределение касательных сил по длине, причем эти силы действуют только в верхней части сваи. С увеличением нагрузки длина зоны, в которой действуют касательные силы, возрастает. При нагрузке, равной 65 кН, вдоль всей сваи действуют касательные силы.

Таким образом, непосредственное измерение касательных сил показывает, что по длине сваи формируются две характерные зоны с разными направлениями действующих сил: активная и торможения. В зависимости от внешней нагрузки изменяется соотношение длины этих зон и при нагрузке 65 кН вдоль всей боковой поверхности сваи как до замачивания, так и в процессе набухания грунта действуют касательные силы. Кроме того, эксперименты показали, что в процессе набухания грунта нормальные силы, действующие на торец сваи, отсутствуют. Последние, очевидно, возникают в том случае, когда слой грунта в плоскости торца свай будет подниматься на большую величину, чем свая. Это отвечает условию, когда нейтральная точка расположена ниже торца сваи.

Предельная нагрузка на сваю длиной 4 м в замоченных сарматских глинах составляет 70 кН. Следовательно, при нагрузках, близких к предельным, вдоль всей сваи действуют касательные силы одного знака, т. е. имеется только активная зона, а нормальные силы по торцу отсутствуют. При этом характер эпюры этих сил как до замачивания, так и в процессе набухания практически не изменяется.

Во всех рассмотренных случаях, несмотря на перераспределение касательных сил по длине сваи, в процессе набухания грунта наблюдается равновесие между внешними силами и касательными силами по боковой поверхности. Подъем сваи в этом случае обусловлен подъемом грунта и силами трения между сваей и грунтом.

Исследование действующих сил на неподвижную сваю (hsw,g = 0) проводилось на трех площадках: в Керчи (сваи длиной I = 3 4- 6 м), в Волгограде (1 = 1 т 2,5 м) и в Ермаке (1 = 1 -f- 7 м). При этом для определения нормальных и каса¬тельных сил эксперименты проводили на обычных сваях и сваях с освобожденным торцом. Одновременно изучали перемещения слоев грунта по глубине.

Рассмотрим результаты испытаний опытных свай длиной 3 — 6 м. Грунт замачивался через скважины на глубину 7 м в течение 7,5 мес. После замачивания возникают силы выпора, которые возрастают во времени до максимального значения Fmax, после чего эти силы уменьшаются до определенного значения Fmin, которое остается постоянной, несмотря на продолжающийся подъем грунта. Данные испытаний свай с освобожденным торцом позволяют проследить развитие касательных сил Т, действующих по боковой поверхности сваи при набухании грунта. Как видно, характер изменения этих сил аналогичен характеру суммарных сил выпора. Характер изменения нор¬мальных сил N],, действующих на торец сваи, отличается от рассмотренного выше (рис. 5.6, в). Так, с увеличением подъема грунта эти силы возрастают во времени. Стабилизация нормальных сил наступает после того, как прекращается подъем слоев, расположенных ниже торца сваи.

Полученный экспериментальным путем характер изменения касательных сил можно объяснить следующим. При откопке опытных свай после набухания грунта установлено, что при подъеме массива плоскость сдвига расположена в слое грунта, примыкающем к свае. Следовательно, подъему грунта при набухании оказывают сопротивление как силы сцепления, так и внутреннего трения грунта. При определенном перемещении — подъеме грунта происходит нарушение структурных связей грунта.

Поэтому дальнейшему перемещению грунта оказывают сопротивление силы внутреннего трения, которые, как известно, не зависят от величины деформации. В данном случае наблюдаются процессы, аналогичные имеющимся при сдвиге грунта.

Таким образом, максимальные значения сил выпора соответствуют мобилизации всех внутренних сил сопротивления грунта, а максимальные — действию сил трения скольжения. Кроме того, в процессе набухания грунта возникают сопутствующие факторы, влияющие на закономерности этого процесса. К ним относятся снижение прочностных характеристик грунта и возникновение горизонтального давления набухания.

Результаты

Проведенные эксперименты показали следующее:

  • силы выпора зависят от вида грунта;
  • с увеличением длины сваи возрастают суммарные силы выпора;
  • максимальные касательные силы выпора для свай длиной более 1,5 м составляют 0,86 — 0,99 суммарных сил выпора, а минимальные — 0,75 — 0,98;
  • с увеличением длины свай преобладающими являются касательные силы, а нормальные силы практически не оказывают влияния на работу свай;
  • с увеличением подъема поверхности практически линейно возрастают касательные силы выпора;
  • с увеличением длины сваи касательные силы возрастают при перемещении грунта быстрее, чем у коротких свай;
  • перемещение грунта, при котором касательные силы достигают максимального значения, не зависит от длины свай, а определяется свойствами грунта и составляет для аральских глин 56 мм, для хвалынских — 74 и для сарматских — 86 мм;
  • с увеличением длины сваи линейно возрастают касательные (максимальные и минимальные) силы выпора;
  • максимальное среднее касательное напряжение выпора не зависит от длины сваи, а определяется видом грунта и составляет для хвалынских глин 37 кПа, для сарматских — 33 и для аральских — 45 кПа (минимальные значения равны соответственно 22; 21 и 31 кПа).

Характер изменения касательных сил по боковой поверхности свай при набухании грунта и данные статических испытаний подтверждают ранее высказанное положение о том, что предотвратить подъем свай путем увеличения нагрузки на них не представляется возможным. В самом деле, подъем сваи не будет происходить в случае приложения внешней нагрузки, равной Fmax. В процессе набухания силы выпора уменьшаются до значения Fmin, и, следовательно, уменьшается несущая способность свай. Значит, если на сваю действует нагрузка, способная уравновесить силы выпора, то в процессе набухания грунта произойдет осадка сваи.

Предотвратить эту осадку можно путем уменьшения нагрузки на сваю до значения Fm^, т. е. при определении несущей способности сваи следует исходить из минимальных значений сил выпора. Однако в этом случае в процессе набухания максимальные силы выпора Fmax будут превышать внешнюю нагрузку N = Fmjn и, таким образом, произойдет подъем сваи.

Комплексные исследования закономерностей работы свай в набухающих грунтах опровергают положение о возможности устранения подъема сваи путем увеличения нагрузки. Очевидно, минимальные значения касательных сил выпора должны соответствовать сопротивлению по боковой поверхности сваи для замоченного грунта, а максимальные — сопротивлению грунта природной влажности.