ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Исследования сил негативного трения проводились в грунтовом лотке размером в плане 520 ґ 600 мм, высотой 1310 мм. Принципиальная схема установки представлена на рис. 1 и 2.

Продолжительность опыта составила свыше 228 суток. По результатам опыта построены графики изменения во времени Т удельных значений сил негативного трения fn и осадки s грунтовой М 4 и поверхностной М 5 марок (рис. 3). Максимальное удельное значение сил негативного трения fn,max составило 15.5 кПа. Суммарная негативная сила трения fn в опыте достигла 1872.26 Н. Суммарная осадка грунтовых марок М 1 - М 4 составила 45.16 - 45.64 мм, осадка поверхностной марки М 5 достигла 34.99 мм.

На графиках зависимости s = f(t) мы наблюдаем существенное отставание осадки поверхностной сваи М 5 от осадки грунтовой марки М 4 (рис. 3). Например, по истечении 120 суток опыта осадка марки М 5 составила лишь 0.46 мм, в то время как осадка марки М 4 достигла 11.01 мм. Объясняется это тем, что поверхностная марка М 5 находится около железобетонной модели сваи, а грунтовая марка М 4 расположена значительно дальше от сваи, в углу лотка (рис. 2).

Исходя из этого, мы видим, что грунт, расположенный у стенок лотка (марка М 4) беспрепятственно смещается вниз, по мере осадки подвижного днища лотка. Этому способствует наличие между стенками лотка и массивом грунта двух слоев полиэтиленовой пленки, промазанных с тыльной стороны антифрикционным составом (солидолом). Грунт, расположенный около модели сваи, из-за значительного трения об ее боковую поверхность, запаздывает с перемещениями вниз по сравнению с периферийными зонами грунта, как бы "виснет" на свае, передавая на ее ствол вдавливающее усилие, которое принято называть негативной силой трения.

График зависимости fn = f(t) свидетельствует о значительном развитии сил негативного трения на боковой поверхности сваи в период "зависания" на нем околосвайного грунта. К концу этого периода удельные значения силы негативного трения достигли 11.1 кПа. Затем произошло проскальзывание грунта в пределах конуса, основание которого совпадает с поверхностью грунта в лотке (марка М 5). Далее происходил плавный рост осадки s и грунтовой марки М 4, и поверхностной марки М 5, сопровождаемый плавным ростом сил негативного трения fn .

В пределах отрезка оси абсцисс протяженностью 180 суток (рис. 3) на графике зависимости fn = f(t) отмечено два скачкообразного увеличения сил негативного трения, сменяющегося некоторым спадом этих значений. Например, после быстрого роста сил негативного трения fn до 12.38 кПа зафиксирован их спад до 11.54 кПа, после чего продолжалось плавное увеличение этих сил.

Указанные увеличения сил негативного трения совпадали по времени со значительным ростом скорости осадки грунтовых марок, т.е. происходили на фоне значительных подвижек грунта, сопровождаемых, обычно его объемными деформациями, дилатансией. После значительного сдвига грунта происходило замедление его перемещений, сопровождаемое некоторым снижением сил негативного трения, сменяемым затем медленным их ростом.

На 180-е сутки испытаний произошел сдвиг (осадка) грунта в лотке, грунтовая марка М 4 переместилась вниз на 17.06 мм, а поверхностная марка М 5 - на 16.88 мм. При этом был зафиксирован значительный рост сил негативного трения fn (с 12.98 до 14.05 кПа). При замедлении перемещений грунта наблюдался, как и в предыдущих случаях, небольшой спад сил негативного трения fn (14.05 до 13.54 кПа).

Во время опыта в интервале от 180 до 212 суток было отмечено четыре эпизода, касающегося интенсивного увеличения сил негативного трения fn и последующего их спада. Наиболее значительный - последний (при Т = 212 сут) когда значение fn претерпело подъем и падение в следующих пределах от 14.87 до 15.46 и обратно - до 14.09 кПа.

Таким образом, сдвиг массива песчаного грунта в лотке относительно ствола сваи происходит в условиях его некоторого зависания в околосвайной зоне, сопровождается нарушением его сложения с взаимным поворотом и заклиниванием его зерен. Зона нарушений сложения грунта локализуется в некотором слое ограниченной толщины (от 3 до 15 мм). За пределами этого слоя первоначальная структура грунта не претерпевает больших изменений.

В контактном слое мы сталкиваемся в основном с пластическими деформациями, а за ее пределами - с упругими. Учитывая, что плоскость сдвига расположена не у поверхности, а внутри массива грунта, объемным деформациям сдвигаемого грунта препятствует упругий отпор грунта, за пределами зоны разрыхления. Расклинивание частиц этой зоны влечет за собой возникновение на ее поверхности дополнительных напряжений, накладывающихся на давления, существовавшие до сдвига. Эти напряжения принято называть дилатантными.

В целом нормальное напряжение sx (sy), воздействующее на боковую поверхность сваи (рис. 4), представляет собой сумму трех составляющих нормальных напряжений

,(1)

где sg- напряжение, от действия собственного веса грунта;

sp - напряжение от распора грунта при забивке в него сваи;

sd - дилатантная составляющая нормального давления грунта,

возникающая при сдвиге грунта относительно ствола сваи.

Напряжение от распора грунта при забивке в него сваи sp определяется исходя из того, что вокруг ствола возникают две зоны: а) зона пластических деформаций; б) зона упругих деформаций. Последняя постепенно переходит в зону ненарушенного грунта.

Напряжение sp со временем постепенно снижается, и с учетом ре­лаксации его определяют по специальной методике. Меньшее по величине давление будет возникать в случае, когда свая вытесняет только часть грунта в объеме ствола, например, при забивке ее в лидирую­щую скважину.

Дилатантная составляющая нормального давления грунта sd , возникаю­щая при сдвиге грунта относительно ствола сваи может быть определена по формуле

, (2)

где eel - модуль упругости плотного несвязного грунта;

dd - приращение толщины контактного слоя в состоянии предельного

равновесия вследствие его дилатансии при сдвиге;

n - коэффициент Пуассона; d - диаметр сваи;

dsh - толщина зоны сдвига, налипших на боковую поверхность сваи

частиц.

На рис. 5. представлены эпюры составляющих sg,sp ,sd нормальных напряжений, воздействующих на боковую поверхность сваи в процессе сдвига окружающего ее грунта. Приведена кинематическая схема контактного сдвига дилатирующего грунта.

По результатам опыта получены следующие средние значения составляющих нормальных напряжений: sg= 3.06 кПа;sp = 12.256 кПа; ,sd = 5.6 кПа. Определим дилатантную составляющую сил негативного трения fnd

Таким образом, дилатантная составляющая fnd удельных сил негативного трения, равная 3. 5 кПа, составляет 22.6 % от удельных сил негативного трения fn, равных 15.5 кПа. Учитывая, что опыты проводились в мелких песках и полученное значение дилатантной составляющей fnd достаточно большое, чтобы им можно было пренебречь, в расчетах сил негативного трения следует учитывать присутствие этой составляющей. Можно прогнозировать, еще большую долю fnd в крупнозернистых песках.

Исходя из этого, формула для определения удельных сил негативного трения fn приобретает следующий вид:

а) сваи, устраиваемые с полным или частичным вытеснением грунтов

, (3)

б) сваи, изготавливаемые с полным извлечением грунтов в пределах объема сваи

, (4)

Рис. 1. Схема установки для исследования сил негативного трения,

действующих на железобетонную модель сваи

Рис. 2. Схема расположения в грунтовом лотке (в плане) модели

сваи и грунтовых марок

Рис. 3. Изменение во времени Т сил негативного трения fn

осадки s грунтовой марки М 4 и поверхностной

марки М 5

Рис. 4. Схема нормальных напряжений, возникающих на боковой

поверхности сваи ( sg- напряжение, от действия собственного

веса грунта; sp - напряжение от распора грунта при забивке

в него сваи; sd - дилатантная составляющая нормального

давления грунта, возникающая при сдвиге грунта

относительно ствола сваи)

Рис. 5. Схема нормальных напряжений, воздействующих на боковую

поверхность сваи в процессе сдвига окружающего ее грунта

( sg- напряжение, от действия собственного веса грунта;

sp - напряжение от распора грунта при забивке в него сваи;

sd - дилатантная составляющая нормального давления грунта,

возникающая вследствие объемной деформации грунта при сдвиге

его относительно ствола сваи, s -осадка грунта)