Прогноз осадок свайных фундаментов

Для расчета осадок свайных фундаментов решены плоская и пространственные задачи теории упругости, теории фильтрационной консолидации и теории наследственной ползучести [6].

5.8.1. Расчет осадок ленточных свайных фундаментов

Расчет осадок ленточных свайных фундаментов необходимо выполнять в том случае, если сваи прорезают глинистые грунты различной консистенции и опираются нижними концами на пески средней плотности и глинистые грунты мягкопластичной, тугопластичной и полутвердой консистенции. При опирании нижних концов свай на крупнообломочные и плотные песчаные грунты и глинистые грунты твердой консистенции расчет осадок свайных фундаментов гражданских зданий можно не производить, так как осадки в этих случаях будут незначительными.

При расстоянии между сваями три - четыре диаметра осадка ленточных свайных фундаментов определяется по формуле

, (5.80)

где S – осадка свайного фундамента, см; P – нагрузка на свайный фундамент, кН/см; ; (здесь Е_у – модуль деформации грунта активной зоны с учетом уплотнения грунта под сваями в результате их забивки) (пример 15).

Модуль деформации грунта в уплотненной зоне рекомендуется определять по данным испытания обычных свай, свай-штампов, элементов ленточных свайных фундаментов или по данным зондирования с учетом глубины приложения нагрузки, вида эпюр передачи ее через боковую поверхность и в плоскости острия, размеров фундаментов, коэффициента бокового расширения грунта или по данным рис.5.18.

Значения безразмерной составляющей d₀ табулированы для различных случаев передачи нагрузки по боковой поверхности и в плоскости острия свай в зависимости от коэффициента бокового расширения грунта n₀ = 0,2; 0,3; 0,35; 0,4 и 0,5; приведенной ширины свайного фундамента d ₀/ l = b= 0,025; 0,05; 0,1; 0,15…0,4, т.е. для одно-, двух- и трехрядных свайных фундаментов с длиной свай 6-24 м, и приведенной глубины расположения границы активной зоны z ₀/ l = 1,1; 1,2,…, 3. Для промежуточных значений b, n₀, z ₀/ l значения d₀ находим путем интерполяции (табл. IV.7 приложения IV).

Определение значений d₀ (рис.5.19). Находим границу активной зоны на глубине, где напряжения равны структурной прочности грунта, или на глубине, где дополнительные напряжения не превышают 0,01 МПа. Проводим линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения с линией приведенной ширины фундамента b= d ₀/ l и опускаем перпендикуляр до линии коэффициента бокового расширения грунта n₀. Из точки пересечения проводим линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения оси ординат, на которой получаем значение d₀. Осадку определяем по формуле (5.80).

5.8.2. Учет взаимного влияния свай и рядов свай при их работе в составе фундамента

Результаты решения плоской задачи можно использовать для определения осадки ленточных фундаментов при расстоянии между сваями 3…4 d (d – диаметр сваи), т.е. когда сваи и зажатый между сваями грунт работают как единый массив.

В двух- и трехрядных свайных фундаментах расстояние между сваями, как правило, 3 d, поэтому осадку этих фундаментов можно рассчитывать по данному методу.

В однорядных свайных фундаментах расстояние между сваями часто составляет 6 d и более. В этом случае свайный фундамент и грунт нельзя рассматривать как единый массив, и решения плоской задачи неприменимы для расчета осадок. Однако и при расстоянии между сваями более 5…6 d необходимо учитывать взаимовлияние свай, которое можно определить по разработанному автором практическому методу [6].

Осадка одиночной сваи определяется из условия, что напряженная зона вокруг свай имеет вид конуса с основанием на отметке острия. Зная глубину погружения свай и угол распределения напряжений (угол a, по данным В.Н.Голубкова, 1961), находим площадь передачи нагрузки в плоскости нижних концов свай. Напряжения в активной зоне определяются на основании решения задачи Р.Миндлина. Дополнительные напряжения от влияния соседних свай, находящихся в составе фундамента, вычисляют методом угловых точек по таблице Н.М.Дорошкевич (1961) или непосредственно по разработанному нами методу (А.А.Бартоломей и др., 1972). При расчете осадок учитывается, что модуль деформации грунта под острием на глубине 3 d значительно выше природного, причем в уплотненной зоне взаимовлияние свай не происходит, т.к. модуль деформации уплотненного грунта значительно больше природного. Для упрощения расчетов были вычислены дополнительные напряжения в активной зоне свай длиной 4…12 м, при расстоянии между ними 2…12 d и при нагрузках 100…600 кН. На рис.5.20 приведен сводный график для определения коэффициента взаимовлияния свай.

Формула для расчета осадок ленточных свайных фундаментов с учетом взаимовлияния свай при различном расстоянии между сваями (первое слагаемое – осадка уплотненной зоны; второе – осадка грунта ниже уплотненной зоны) имеет вид

, (5.81)

где b – безразмерный коэффициент, корректирующий упрощенную схему расчета, ; h_y – толщина уплотненной зоны, равная 3 d, см; Е_у – модуль деформации грунта уплотненной зоны, определяемый по данным испытания сваи-штампа; Е ₀ – природный модуль деформации грунта на границе уплотненной зоны, кПа; Р ₀, Р ₁ – дополнительные к природным напряжения в грунте в плоскости нижнего конца сваи и на границе уплотненной зоны, кПа. Эти напряжения можно определить с учетом глубины приложения нагрузки по таблице Н.М.Дорошкевич (1961) или с учетом передачи нагрузки по боковой поверхности и в плоскости острия свай (А.А.Бартоломей, С.Я.Гусман и др., 1972)[6]; k ₀ – коэффициент, учитывающий взаимовлияние соседних свай и принимаемый по рис.5.20 в зависимости от длины свай и расстояния между сваями; n – число слоев, на которое разбивается сжимаемая толща основания; Е_i – модуль деформации i -го слоя, кПа; Р_i – полусумма вертикальных нормальных давлений, возникающих на верхней и нижней границах i -го слоя грунта от давления, передаваемого в плоскости острия свай, кПа; h_i – толщина i -го слоя грунта, см.

В крупнопанельных зданиях и зданиях повышенной этажности расстояние между внутренними поперечными рядами свай часто равно 2,6…3,2 м. В данном случае будет происходить взаимовлияние рядов свай, которое можно определить по методике [6].

Расчеты дополнительных напряжений в активной зоне от взаимовлияния фундаментов показали, что взаимовлияние ленточных свайных фундаментов необходимо учитывать при относительном расстоянии между рядами до x/l = 0,8 (х - расстояние между рядами свай; l - длина свай). Если не учитывать взаимовлияние рядов свай, то получаются значительные погрешности при определении осадок ленточных свайных фундаментов.

5.8.3. Определение осадок кустов свай

На основании решения пространственной задачи теории линейно-деформируемой среды с учетом закономерностей передачи нагрузки по боковой поверхности свай фундаментов и в плоскости острия свай, параметров свайных фундаментов получена следующая формула для определения осадок кустов свай:

, (5.82)

где S – осадка куста свай; Р – нагрузка на куст свай, кН; Е ₀ – модуль деформации грунта, кПа; l – длина свай, см. Принимается средневзвешенное значение Е ₀ до границы активной зоны с учетом уплотнения грунта под сваями.

Модуль деформации в уплотненной зоне можно определить по данным испытаний сваи-штампа по формуле

, (5.83)

где Р – нагрузка на сваю-штамп, кН; W ₀ – безразмерный коэффициент перемещений; S – осадка сваи-штампа, см; l – длина сваи, см.

Рис.5.21. Изменение W ₀ в зависимости от размеров фундамента, границы активной зоны при n₀ =0,35 и различных k ₂

Значения W ₀ для расчета осадок кустов свай через 0,2 z ₀/ l табулированы в зависимости от коэффициента бокового расширения грунта n₀ = 0,2; 0,3; 0,35; 0,4; 0,5, приведенной ширины куста свай 2 k ₂ = 2 b/l = 0,1; 0,5; 0,9, отношения сторон фундамента k ₁/ k ₂= 1, 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2; 2,5; 3; 4; 5; 10 и приведенной границы активной зоны z ₀/ l = 1,2; 1,4; 1,6;…4. Некоторые значения W ₀ для различных (b – ширина, а – длина фундамента) приведены на рис.5.21 и в табл. IV.8 приложения IV.

5.8.4. Расчет осадок свай и свайных фундаментов во времени при их работе в водонасыщенных грунтах

Выше рассмотрены методы расчета полных осадок кустов свай и ленточных свайных фундаментов, основанные на теории упругости с учетом приложения нагрузки внутри полупространства. Однако в практике проектирования часто возникает необходимость рассчитывать осадки фундаментов во времени, так как разность осадок во времени может быть больше предельно допустимой разности осадок. Кроме того, большое значение имеет скорость протекания осадок во времени. При медленном возрастании осадок фундаментов (даже значительных по величине) надземные конструкции зданий способны деформироваться пластически без нарушения сплошности элементов конструкции. Если же скорость осадок велика, то может произойти хрупкое разрушение отдельных элементов, что приведет к недопустимым деформациям всего здания. Поэтому расчет осадок во времени является одним из основных при проектировании фундаментов по предельным состояниям.

В зависимости от свойств грунтов и их состояния для расчета осадок фундаментов во времени принимают теорию ползучести и теорию фильтрационной консолидации с учетом сжимаемости поровой жидкости, структурной прочности грунта при сжатии, начального градиента напора, параметров ползучести.

При работе свай в водонасыщенных глинистых грунтах текучепластичной и мягкопластичной консистенции, содержащих в своих порах свободную воду и обладающих малыми структурными связями, осадка происходит в основном за счет отжатия воды из пор. Деформации, вызванные ползучестью скелета грунта, в данном случае незначительны, и осадки во времени можно получить, решая задачи фильтрационной консолидации.

При опирании свай на глинистые грунты тугопластичной, полутвердой и твердой консистенции, гравийные грунты с песчаным и глинистым заполнителем, аргиллит, алевролит осадки происходят в основном за счет ползучести. В работах (А.А.Бартоломей, Г.Б.Кузнецов, А.А.Поздеев, 1968; А.А.Бартоломей, 1970,1971,1982) даны методы расчета осадок свай и свайных фундаментов во времени с учетом ползучести грунтов при опирании свай на перечисленные выше виды грунтов, а в работах (А.А.Бартоломей, С.Я.Гусман, Н.Е.Рукавишникова, 1971; А.А.Бартоломей 1972, 1982) - методы определения осадок во времени по фильтрационной теории консолидации при работе свайных фундаментов в водонасыщенных глинистых грунтах.

В монографии А.А.Бартоломея [6] изложены результаты решения одномерной, плоской и пространственной задач теории фильтрационной консолидации для определения осадок свайных фундаментов во времени при различных случаях отжатия воды из активной зоны. Основные расчетные схемы приведены на рис.5.22.

Осадка ленточных свайных фундаментов во времени определяется по формуле

, (5.84)

а осадка кустов свай – по формуле

Рис.5.22. Расчетные схемы для определения осадок свайных фундаментов во времени

, (5.85)

где S _¥ – полные осадки свайных фундаментов, определенные по формулам (5.80) и (5.82), U – степень консолидации грунта для различных фундаментов и расчетных схем отжатия воды. Для степеней консолидации U = 0,2; 0,4; 0,6…0,99 составлены таблицы значений N (табл.IV.9, IV.10, IV.11 приложения IV; пример 16),

N = l c_vt, (5.86)

где l – коэффициент, имеющий размерность 1/см², c_v – коэффициент консолидации с учетом сжимаемости газосодержащей жидкости и структурной прочности грунта при сжатии. В монографии [6] приведены формулы и методика определения коэффициентов l и c_v для различных расчетных схем. Задаваясь различными значениями степени консолидации, можно по таблицам найти для принятой расчетной схемы значения N и из формулы (5.86) определить время, в течение которого достигается данная степень консолидации (см. пример 16), и осадку во времени.

5.8.5. Прогноз осадок свай и свайных фундаментов во времени с учетом ползучести грунтов

Нами разработаны приближенные методы расчета осадок свай и свайных фундаментов во времени с учетом ползучести грунта. Формулы для определения осадок свай во времени имеют вид:

при работе в песчаных грунтах

; (5.87)

а при работе в глинистых грунтах

. (5.88)

Для свайных фундаментов формулы (5.87) и (5.88) имеют вид

, (5.89)

, (5.90)

где ; (здесь осадка S ₀ измеренная через 15 мин после приложения нагрузки Р); k ₀ – коэффициент, учитывающий взаимовлияние свай, принимается по графику рис.5.20; величина b ₀ (в кН) подбирается исходя из предельных значений tg, arctg и предельной нагрузки на сваю P _пр;

; ,

S_n – осадка в момент времени t_n при нагрузке Р. Параметр l можно принять равным 0,7.

Определив по результатам испытания одной сваи при постоянной нагрузке коэффициенты А (1/время), В (1/см), D и l, можно по формулам (5.87), (5.88), (5.89) и (5.90) найти осадку свай и свайных фундаментов, загруженных различными нагрузками Р в любой момент времени.

Дата добавления: 2014-01-07