ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Широкое применение свайных фундаментов в районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов деятельного слоя делает актуальной проблему обеспечения устойчивости этих фундаментов при действии на них сил морозного пучения. Наибольшую озабоченность в этом плане вызывают ненагруженные и малонагруженные свайные фундаменты зданий и сооружений, находящихся на начальной стадии строительства, когда большая часть надземных конструкций еще не возведена.

Во многих случаях сопротивление свайных фундаментов воздействию касательных сил морозного пучения очень низкое. Способствует этому технология погружения свай, практикуемая на многих стройках Забайкалья. В соответствии с этой технологией, сваи погружаются в предварительно пробуренные лидерные скважины. Диаметр лидерных скважин в большинстве случаев превышает наибольший размер поперечного сечения свай. Сваи опускаются на забой скважины и затем забиваются в грунт ниже забоя на глубину 0.5-2.0 м (реже на большую глубину). После забивки сваи пазухи между ее боковой поверхностью и стенками скважины заполняются шламом или песчано-цементным раствором.

Установлено, что во многих случаях пазухи оказываются заполненными раствором или шламом лишь в пределах деятельного слоя (до глубины 3-4 м от поверхности земли), ниже, довольно часто, заполнение отсутствует.

При промерзании пучинистого грунта на сваю действуют значительные по величине касательные силы морозного пучения. Силы, удерживающие ненагруженную сваю от выпучивания, обусловлены трением боковой поверхности сваи о грунт, расположенный ниже деятельного слоя. В основном удерживающие силы формируются на участке ствола сваи, находящемся в грунте ниже забоя скважины. Учитывая, что длина такого участка невелика (0.5-2.0 м), а значительная часть ствола сваи не соприкасается с грунтом, то удерживающая сила нередко оказывается меньше касательной силы морозного пучения. Вследствие этого ненагруженные или слабонагруженные фундаменты подвергаются деформациям пучения, как правило, неравномерным.

В Забайкалье известны случаи, когда свайные фундаменты подвергались значительным деформациям морозного пучения. В качестве примера можно привести деформации свайных фундаментов с монолитным железобетонным ленточным ростверком строящегося 45-квартирного 5-этажного крупнопанельного жилого дома в районе школы № 17 г. Читы.

Площадка находится на правом берегу р. Читы, на первой надпойменной террасе. Грунты деятельного слоя исследуемой площадки представлены аллювиальными отложениями. До глубины 2.3 м залегают суглинки мягкопластичной консистенции, ниже, до глубины 3.6 м - гравийный грунт с супесчаным заполнителем, подстилаемый элювиальным суглинком полутвердой консистенции (до глубины 5.0 м), ниже - твердой консистенции, с редкими прослоями песчаников разной степени выветрелости (продукты выветривания алевролитов и песчаников юрско-мелового возраста).

Нормативная глубина сезонного промерзания 3.6 м, глинистые грунты деятельного слоя изменяются от средне- до сильнопучинистых, крупнообломочные грунты - слабопучинистые.

Сваи железобетонные призматические с квадратным поперечным сечением 30х30 см, длиной 12 м (С 12-30), погружались в предварительно пробуренные скважины диаметром 500 мм, глубиной 9.0-10.0 м. Проходка скважин производилась станком ударно-канатного действия УКС-2. Установленные в скважинах сваи добивались в грунт ниже забоя скважины на глубину 0.5-1.5 м с помощью дизель-молота С-996. Фундаменты с однорядным расположением свай и шагом 1.5 м.

Погружение свай и устройство монолитного железобетонного ростверка сечением 0.5х0.6 м были выполнены, соответственно, зимой в 1979-80 г.г. и летом 1980 г. Устройство зазора между подошвой ростверка и поверхностью грунта в котловане не предусматривалось. По ряду причин дальнейшее возведение здания было приостановлено. В мае 1982 года, перед тем как продолжить строительство жилого дома, было проведено обследование фундаментов и испытание свай статической вдавливающей и выдергивающей нагрузками.

Обследование технического состояния свайных фундаментов, находившихся в ненагруженном состоянии более двух лет, позволило установить отрицательное воздействие сил морозного пучения на устойчивость фундаментов и прочность их материала. Сложившаяся неблагоприятная ситуация усугублялась тем, что из-за плохой организации поверхностного стока, происходило систематическое подтопление котлована водами атмосферных осадков и техногенными водами (из-за частых аварий, проложенных неподалеку, инженерных сетей). Отмечена повышенная предзимняя влажность глинистых грунтов деятельного слоя, способствовавшая переходу их в категорию чрезмернопучинистых.

По результатам обследования выявлены значительные неравномерные деформации фундаментов, обусловленные действием на сваи касательных сил морозного пучения, а также значительных по величине нормальных сил, развивавшихся под подошвой ростверков, соприкасавшихся с поверхностью грунтов дна котлована. Выпучивание свай составило 4.5-10.0 см. Между подошвой ростверка и поверхностью грунта дна котлована образовался зазор величиной до 15 см (в летнее время), сокращающийся в зимнее время до 1-3 см. В нижней, растянутой зоне пролетной части монолитных железобетонных ростверков образовались трещины с максимальной шириной раскрытия до 4 мм.

Для выявления несущей способности свай, входящих в состав фундаментов, подверженных деформациям морозного пучения, проведены испытания свай №№ 1 и 2 статической вдавливающей нагрузкой. Свая № 1 марки С 12-30 была погружена в скважину глубиной 10.1 м, затем была произведена ее добивка на 1.4 м в грунт ниже забоя скважины. Свая № 2 погружалась в скважину диаметром 500 мм глубиной 10.4 м, с последующей добивкой в грунт ниже забоя скважины на 0.9 м. Согласно проекту опирание свай должно было осуществляться на суглинки твердой консистенции плотного сложения (элювий алевролитов) с модулем деформации 35 МПа. Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю, принята в проекте равной 720 кН.

Перед началом испытаний свай участки ростверков длиной около 100 см, расположенные над опытными сваями, разрезались с целью отсечения от соседних участков ростверка. Нагрузка на сваи передавалась гидравлическими домкратами ДГ-200 через отсеченные участки ростверков.

Под действием нагрузки в 450 кН и выше скорость осадки сваи резко возросла. На ступени нагрузки в 500 кН суммарная осадка сваи удвоилась, достигнув величины 47.16 мм. Максимальная нагрузка, приложенная к свае, составила 550 кН. Стабилизация осадки сваи на данной ступени нагрузки не наступила. Ступень нагрузки выдерживалась всего 21 мин, и испытание сваи было прекращено из-за разрушения ростверка, в котором появились наклонные трещины с шириной раскрытия до 13 мм. Большая осадка (89.92 мм) сваи, запроектированной как свая-стойка, опирающаяся на малосжимаемый грунт, свидетельствуют о том, что свая подверглась значительным деформациям морозного пучения, нарушившим ее опирание на плотный грунт.

К свае № 2 прикладывалось две ступени статической вдавливающей нагрузки в 100 и 200 кН. Под нагрузкой в 100 кН осадка сваи составила 15.88 мм. При приложении второй ступени нагрузки произошел срыв сваи и ее суммарная осадка достигла 223.13 мм, без каких-либо признаков затухания. Вероятной причиной высоких значений осадки сваи № 2 явилось следующее: повреждение сваи в процессе ее забивки; выпучивание ее, при промерзании сильнопучинистого грунта деятельного слоя.

Для определения трения по боковой поверхности сваи № 2, а также извлечения сваи на поверхность земли, с целью ее визуального обследования, были проведены испытания сваи статической выдергивающей нагрузкой. Выдергивающая нагрузка прикладывалась ступенями по 20 кН. Под нагрузкой в 60 кН величина перемещения сваи составила 12 мм. При приложении усилия в 80 кН произошел срыв сваи и выдергивающая нагрузка при которой свая монотонно перемещалась вверх составила 41 кН. С помощью гидравлического домкрата, а затем автокрана, верхняя часть ствола сваи длиной 2.8 м была извлечена на поверхность.

При обследовании сваи версия о вероятной причине большой осадки сваи, изложенная выше, полностью подтвердилась. По результатам проведенных исследований было принято решение не возобновлять строительство здания без специальных мероприятий по усилению фундаментов.

Использование полученных результатов позволит повысить надежность и экономичность проектных решений свайных фундаментов в пучинистых грунтах.