Выпор свай под нагрузкой

Выпор свай под нагрузкой

При набухании грунта в зависимости от величины подъема сваи меняется соотношение касательных сил выпора в активной зоне и зоне торможения. Рассмотрим характер изменения этих зон в процессе набухания грунта на примере четвертичных глин. Анализ данных эксперимента показывает, что в процессе набухания грунта активная зона уменьшается, приближаясь к определенной постоянной величине. Следует отметить, что в первый месяц замачивания подъем свай практически совпадает с перемещением слоев грунта на уровне центра уширения.

Определение свободного подъема свай

Со временем в результате все увеличивающейся неравномерности деформаций набухания грунта по глубине в зону торможения переходит первый снизу слой, а затем второй, третий и т.д., при этом в первые 15 — 20 сут после начала замачивания уровень проскальзывания сваи относительно нижних слоев грунта (нулевая точка) резко поднимается. Это обусловлено наличием значительного запаса касательных сил выпора, стремящихся поднять сваю, по сравнению с силами тарможения.

Аналогичные исследования по определению свободного подъема свай были проведены в аральских глинах, для которых подъем свай таких же параметров больше, чем в четвертичных глинах, из-за большего набухания аральских глин. Эксперименты показали, что увеличение глубины заложения сваи в большей степени влияет на снижение ее подъема, чем увеличение диаметра уширения. Так, при увеличении глубины заложения сваи с диаметром уширения 0,8 м с 3 м до 6 м подъем уменьшается в 3,5 раза, а при увеличении диаметра уширения с 0,4 до 1 м сваи длиной 4 м уменьшается в 2 раза.

Объясняется это тем, что с ростом длины сваи увеличивается массив грунта над уширением, который препятствует подъему, при этом само уширение будет находиться в зоне незначительного подъема грунта. Следовательно, увеличивая длину сваи, можно значительно уменьшить ее подъем под действием сил выпора. Исходя из этого при проектировании свай с уширенной пятой в глинистых набухающих грунтах для уменьшения деформаций фундаментов необходимо в качестве основного переменного параметра использовать глубину заложения сваи.

Результаты определения подъема свай с различной внешней нагрузкой показали, что подъем свай тем меньше, чем больше нагрузка. Объясняется это увеличением напряжений с ростом нагрузки в слоях грунта, расположенных под уширенным осно-ванием, что приводит к уменьшению деформаций набухания грунта, т. е. к снижению подъема соответствующих слоев, а следовательно, и сваи. При этом при равных нагрузках подъем свай с уширением меньше, чем свай без уширения. Так, при нагрузке 11,2 кН подъем сваи с уширением составил 8, а без уширения — 15 мм.

При действии внешней нагрузки часть сил выпора компенсируется этой нагрузкой, вследствие чего величина активной зоны увеличивается, приближасясь к длине сваи. При нагрузке на сваю 55 кН (для свай с уширением) вдоль ее длины будет формироваться только активная зона, и, следовательно, подъем таких свай будет происходить главным образом за счет перемещения слоев грунта ниже уширения. Силы, действующие на сваю при набухании грунта, изучались для случая невозможности ее подъема (hSW)p = 0), т. е. определялись максимальные силы выпора.

Влияние глубины заложения сваи

Для исследования влияния глубины заложения сваи и диаметра пяты на суммарные, нормальные и касательные силы выпора в Джезказгане и Ермаке испытывали буронабивные сваи длиной 3 — 6 м с диаметром уширения 0,8 м и сваи длиной 4 м без уширения и с уширением 0,6; 0,8 и 1 м. В аральских глинах изучалось влияние только диаметра уширения на силы выпора. Диаметр ствола опытных свай равен 0,4 м.
Деформации слоев грунта вокруг неподвижной сваи при набухании определялись поверхностными и глубинными марками, установленными на глубине 0,2; 2,4 и 6 м и на расстоянии 10; 20 и 30 см от сваи.

Установлено, что депланация зависит от общего подъема грунта на данной глубине, при этом наибольшую депланацию имеют слои, расположенные непосредственно у боковой поверхности сваи. В процессе набухания грунта увеличивается разница в перемещениях слоев около сваи, при этом наибольшие значения депланации соответствуют максимальным силам выпора, действующим по стволу сваи.
На определенном расстоянии от сваи в зависимости от глубины рассматриваемого слоя депланации грунта не наблюдается.

Так, депланация поверхности грунта на расстоянии примерно 20 — 30 см от сваи практически отсутствует, т. е. имеют место те же зависимости, что и для сваи без уширения. С увеличением длины возрастает площадь боковой поверхности сваи и, следовательно, силы Т, а значение N, уменьшается вследствие снижения набухания грунта с глубиной. С увеличением диаметра уширения сваи доля нормальных сил выпора возрастает и составляет в среднем для двух рассмотренных разновидностей глин 9,5 % — при D = 0,4 м и 32 % — при D = 10 м. Максимальное значение удельных касательных сил выпора практически не зависит от длины сваи и диаметра уширения, а определяется свойствами набухающего грунта и составляет в среднем для четвертичных глин 0,031 и для аральских — 0,035 МПа.

Следует отметить, что удельные нормальные силы выпора с увеличением длины сваи резко уменьшаются и составляют 0,114 МПа при 1 = 3 и 0,036 МПа при 1=6м. Следовательно, при определенной глубине заложения сваи, равной мощности набуха-ющей толщи, или внешней нагрузке на сваю, превышающей ве-личину суммарной силы выпора, нормальные силы выпора прак-тически равны нулю, так как действующее напряжение будет больше давления набухания грунта.

Рассмотрим характер изменения сил выпора во времени на примере экспериментальных исследований, выполненных в Джезказгане. Сразу после замачивания суммарные и касательные силы выпора возрастают до максимальных значений, после чего они уменьшаются до определенного значения, несмотря на то, что подъем грунта еще не завершился. Сопоставление кривых подъема слоев грунта касательные силы достигают своего максимального значения при подъеме поверхности грунта на 75 — 80 мм для четвертичных глин и на 65 — 70 мм для аральских глин, что в среднем составляет соответственно 73 и 54% конечной величины подъема.

Средние касательные силы выпора

Рассмотрим закономерности изменения средних удельных касательных сил выпора по длине сваи в процессе набухания четвертичных глин для свай длиной 4 м без уширения (d = = 0,4 м) и с уширением диаметром 0,8 м. Анализ эпюр свидетельствует о том, что при подъеме грунта во всех слоях касательные напряжения сначала возрастают до максимального значения, после чего происходит их спад, при этом максимальнее напряжения действуют в нижних слоях.

Экспериментальные исследования показали, что нормальные силы выпора увеличиваются в процессе набухания грунта и достигают своего максимального значения после завершения подъема слоев, расположенных ниже уширения сваи.

Следует отметить, что существующая методика расчета нормальных сил выпора не учитывает влияния формы и метода устройства уширения на значения и характер распределения контактных давлений набухания грунта под уширением сваи. Отсутствие таких исследований приводит к необходимости для каждого конкретного случая проводить испытания по определению сил выпора и подъема сваи.
Для изучения данного вопроса в Джезказгане были проведены специальные опыты с бетонными штампами трех различных конструкций: цилиндрическим, грибовидным и сферическим.

Выбор формы штампа определялся конструкцией набивных фундаментов. Например, цилиндрический штамп принят с целью исследования распределения контактных давлений набухания под торцов буронабивных фундаментов без уширения; грибовидный и сферический штампы соответствовали форме уширений, полученных механическими расширителями режущего типа и камуфлетным взрывом.

Для проведения опыта устраивали шесть скважин, которые заполняли щебнем с крупностью частиц 20 — 40 мм. Дно котлована во избежание заиливания скважин засыпали слоем мелкого щебня. Грунт замачивался в течение 5 мес до получения максимальных значений сил выпора. По полученным усредненным данным построены эпюры распределения контактных давлений под штампами различной формы при набухании грунта из которых видно, что форма штампа оказывает существенное влияние на характер распределения и конечные значения контактных давлений. Так, максимальная сила выпора для цилиндрического штампа составила 40 кН при среднем давлении набухания 0,1 МПа.