ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Исследования взаимодействия забивных призматических свай с оттаиваю­щими глинистыми грунтами велись посредством испытаний статической на­грузкой в натурных условиях 42-х опытных свай. При обработке результатов испытаний учитывают две стадии работы сваи во взаимодействии с окружающим ее оттаивающим вечномерзлым грунтом.

Наiстадии работы сваи, когда полностью оттаян грунт вдоль боковой поверхности сваи и под ее острием начинает уплотняться и оседать. Так как грунт у боковой поверхности сваи уплотняется под собственным весом, а грунт под острием сваи уплотняется не только под собственным весом, но и под действием внешней нагрузки, передаваемой сваей, то скорость осадки грунта под острием сваи и соответственно скорость осадки сваиv_свзначительно превышает скорость осадки грунтаv_гру боковой поверхности сваи. При этом за счет перемещения сваи вниз относительно окружающего грунта вдоль боковой поверхности сваи развиваются силы "положительного" тренияf _iот, которые вместе с сопротивлениемrпод острием сваи обуславливают несущую способность основания сваи на данной стадии. Из-за невысоких фильтрационных свойств оттаивающих глинистых грунтов продолжительностьiстадии составляет 2-3 и более месяцев. Осадки сваи в концеiстадии достигает величиныs₁.

Наiiстадии работы уплотнение грунта под острием сваи завершается, и осадка сваи приобретает тенденцию к затуханию, в то время как уплотнение оттаявшего грунта вдоль боковой поверхности сваи еще продолжается. Поэтому в пределах большей части длины сваиh₁скорость осадки грунта вдоль боковой поверхности сваи начинает превышать скорость осадки сваи. Происходит осадка грунта относительно сваи, и вдоль боковой поверхности сваи развивающая силы отрицательного трения, направленные вниз, дополнительно пригружающие сваю усилием Р _отр, в результате чего несущая способность основания сваи уменьшается, увеличивается осадка сваи на величинуds_отр.

В связи с тем, что продолжительность значительного числа полевых испытаний свай статической нагрузкой составляет 1.5-2 месяца, то во время испытаний происходитiстадия работы сваи. 2-я же стадия работы сваи во многих случаях находится за пределами продолжительности испытания сваи. В связи с этим при определении несущей способности основания сваи следует учитыватьiiстадию работы сваи, так как на этой стадии наблюдается уменьшение несущей способности сваи, дополнительная ее осадка. Уменьшение несущей способности основания сваи происходит как за счет дополнительного пригруза сваи силами отрицательного трения, развивающимися в пределах большей части рабочей длины сваи, так и за счет ликвидации сил "положительного" трения на этом участке.

С учетом указанных факторов несущую способность оснований свай в оттаивающих глинистых грунтах следует определять по формуле

, (1)

гдеf _un- предельное сопротивление сваи, определяемое по графику "нагрузка-осадка сваи" приd=xЧs_пр.ср.;

u- наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

f _i- расчетное сопротивление i-го слоя оттаивающего грунта основания на боковой поверхности сваи (силы «положительного» трения), кН/м ²;

h_i- толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

g_ci-коэффициент условия работы грунта на боковой поверхности сваи, учитывающий влияние способа погружения свай на расчетное сопротивление грунта;

f _ni- отрицательное (негативное) трение, вызываемое осадкой i-го слоя оттаивающего вечномерзлого грунта, МПа.

По результатам испытаний опытных свай статической нагрузкой в оттаивающих глинистых грунтах построены графики зависимости осадки свай от нагрузки s=f(p). Эти графики и соответствующие им опытные сваи можно разбить на три группы.

Сваи первой группы имеют осадку не более 10 мм под нагрузкой до 1300 кН и опираются нижним концом на глинистые грунты массивной криотекстуры с суммарной влажностью до 0.15.

Вторая группа свай имеет осадку 10-20 мм под нагрузкой до 1040 кН. Сваи опираются нижним концом на глинистые грунты массивной криогенной текстуры с суммарной влажностью от 0.15 до 0.20.

Осадка свай, входящих в третью группу под нагрузкой до 1060 кН, превышает 20 мм. Сваи опираются нижним концом на глинистые грунты массивной криогенной текстуры с суммарной влажностью, превышающей 0.20.

Из графиков видно, что при опирании опытной сваи №3 на элювиальную супесь пластичную с прослойкой водонасыщенного пылеватого песка толщиной 1.2 м, расположенной на глубине 1.4 ниже острия сваи, при нагрузке 800 кН несущая способность основания исчерпывается, происходит срыв сваи. Главной причиной срыва сваи в данном случае послужило неглубокое залегание от острия сваи слабого подстилающего грунта (элювиальный пылеватый песок, при оттаивании насыщенный водой).

При испытании опытной сваи № 7 под нагрузкой 1000 кН произошел срыв сваи, причиной которому послужило наличие ниже острия сваи, на глубине 1,8 м от него, прослойки сильно выветрелого, до состояния угольной крошки, бурого угля толщиной 0,8 м.

Срыв под нагрузкой 1000 кН опытной сваи № 9 обусловлен присутствием более слабого подстилающего слоя из элювиальной супеси, при оттаивании пластичной (i _l=0,7).

При испытании опытных свай, в основании которых ниже острия не были встречены слабые подстилающие слои грунта даже при более высоких нагрузках (по сравнению с опытными сваями №№ 3, 7, 9) порядка 1300 кН срыва свай не наблюдалось, а графики s=f(p) имеют вид пологих кривых. В большинстве случаев под острием опытных свай залегает вечномерзлый элювиальный суглинок массивной криогенной текстуры, с редкими прослойками льда.

Построены графики изменения осадки свай во времени под ступенчато-возрастающей нагрузкой для опытных свай, погруженных в оттаивающие вечномерзлые глинистые грунты. Из графиков видно, что продолжительность испытаний составляет от 14 до 54 суток, а средняя продолжительность испытания равна 28 суткам. Наибольшая скорость нарастания суммарной осадки свай под нагрузкой наблюдается на этапе ступенчатого загружения свай в оттаявшем грунте, так как нагрузки, действующие на сваи на этом этапе, велики и по своему значению приближаются к предельным.

Проведены исследования взаимодействия системы "свая-грунтовое основание" на каждом этапе испытаний в вечномерзлом, оттаивающем и оттаявшем глинистом грунте. Построены графики зависимости суммарной осадки свай от суммарной нагрузки на сваю на 1, 2, 3 этапах проведения испытаний в оттаивающих элювиальных суглинках (элювий алевролитов). На первом этапе испытаний зависимость s ₁=f(n ₁) имеет криволинейный характер. Кривая 1 показывает, что деформируемость вечномерзлого суглинка массивной криогенной текстуры с температурой минус 0.2-0.5°c, суммарной влажностью 0.12-0.18, коэффициентом пористости 0.53-0.62, под нагрузкой до 640 кН весьма незначительна, осадка сваи под этой нагрузкой не превышает 3 мм. Кривые 2 и3 свидетельствуют о том, что при увеличении суммарной влажности и коэффициента пористости вечномерзлого суглинка, находящегося под торцом свай, деформируемость основания существенно возрастает. Например, (кривая 20 при суммарной влажности грунта 0.18-0.22, коэффициенте пористости 0.62-0.68, под той же нагрузкой кН осадка сваи уже достигла 8.4 мм. При передаче нагрузки торцом сваи на элювиальный суглинок с суммарной влажностью 0.22-0.27, коэффициентом пористости 0.68-0.75 (кривая 3) мы видим, что под нагрузкой 500 кН осадка сваи уже превышает 15 мм.

Построены графики зависимостейs_П=f(n_П). Для второго этапа испытаний, когда нагрузка на сваю поддерживается во время всего испытания постоянной, а вечномерзлый грунт, окружающий сваю, постепенно, послойно, сверху вниз оттаивается электронагревателями. Сжимаемость при оттаивании под нагрузкой элювиальных суглинков, имеющих суммарную влажность 0.12-0.18, коэффициент пористости 0.53-0.62, показатель текучести (-0.8)-(-0.1), под торцом забивных свай весьма незначительна. Осадка сваи под нагрузкой в 660 кН не превышала 6 мм (кривая 4). При возрастании количественных значений названных показателей физических свойств вечномерзлых элювиальных суглинков сжимаемость при оттаивании грунтов под торцом сваи сильно возрастает. Например, на кривой 5 осадка свай под нагрузкой 520 кН достигла 21 мм, а на кривой 6 под нагрузкой 300 кН осадка свай превысила величину 34 мм.

При проведенииiiiэтапа испытаний к оттаявшим грунтам, расположенным под торцом сваи, прикладывалась нагрузка величиной 1300 кН. Как и на двух предыдущих этапах характер деформирования оттаявших грунтов под нагрузкой, передаваемой нижним концом сваи, зависит от физических характеристик вечномерзлого грунта - суммарной влажности, коэффициента пористости, показателя текучести. При возрастании значений названных физических характеристик деформируемость грунтов и соответственно осадки свай под нагрузкой существенно увеличиваются .

Так на кривой 7 осадка сваи под нагрузкой 1000 кН не превышала 4 мм, на кривой 8 осадка сваи под нагрузкой 1000 кН составила 17 мм, кривая 9 показывает осадку свай под такой же нагрузкой 42 мм и, наконец, кривая 10 характеризует наибольшие осадки свай под нагрузкой. Например, при величине нагрузки 660 кН осадка свай превысила 58 мм. Осредненные физические характеристики грунтов, показавших при испытаниях большую деформируемость, сопровождавшуюся высокими значениями осадки свай под нагрузкой, были следующими: суммарная влажность 0.22-0.27, коэффициент пористости 0.72-0.75, показатель текучести 0.15-0.3.

Сопоставляя работу системы «свая - грунтовое основание» на всех трех этапах испытаний нетрудно увидеть, что наиболее интенсивно протекает процесс деформирования основания и осадок свай под нагрузкой на втором этапе испытания сваи, в оттаивающем вечномерзлом грунте, кривые 5 и 6). Это объясняется разупрочнением вечномерзлых грунтов в момент их оттаивания и соответственно повышенной деформируемостью оттаивающих грунтов под нагрузкой.

Построены графики изменения осадки во времени под постоянной нагрузкой в 100 кН на этапе оттаивания вечномерзлых глинистых грунтов вокруг сваи и под ее острием. Здесь же показаны схемы опытных свай, литологические колонки грунтовых оснований. Продолжительность данного этапа проведения испытаний свай составляла от 16 суток (сваи №№ 9, 13) до 34 суток (свая № 1). Суммарные осадки опытных свай в конце этапа испытаний изменялись от 2.7 мм (свая№ 9) до 10.8 мм (свая № 3). В опытах высокую сжимаемость при оттаивании под нагрузкой сваи (№ 3) показала вечномерзлая элювиальная супесь с суммарной влажностью 0..214, коэффициентом пористости 0.744.

Минимальную сжимаемость при оттаивании под нагрузкой в 100 кН (свая № 3) показали вечномерзлые элювиальные суглинки с суммарной влажностью 0.159, коэффициентом пористости 0.573. Во всех случаях при нагрузке на сваю 100 кН по окончании оттаивания вечномерзлого грунта под нижним ее концом через 4-14 суток наблюдалась стабилизация осадки сваи.

Как отмечалось ранее, для большей достоверности определения несущей способности оттаивающих грунтов в основании свай необходимо, чтобы во время оттаивания вечномерзлого грунта вокруг опытной сваи к ней была приложена нагрузка, близкая к реальной, действующей от проектируемого здания или сооружения. В этой связи были поставлены эксперименты, в которых на опытные сваи действовали постоянные нагрузки величиной от 250 до 660 кН. Построены графики изменения осадки свай во времени под постоянной нагрузкой на этапе оттаивания вечномерзлых глинистых грунтов. Минимальная продолжительность испытаний составляла 7 суток (свая №4), максимальная - около 25 суток (свая № 19). Значения суммарных осадок свай изменялись от 1.12 мм под нагрузкой 600 кН (свая № 7) до 25.3 мм под нагрузкой 300 кН (свая № 19).

По результатам экспериментов установлено, что низкой сжимаемостью при оттаивании под нагрузкой от сваи обладают вечномерзлые элювиальные суглинки массивной криогенной текстуры с суммарной влажностью 0.141-0.171, коэффициентом пористости 0.573-0.648. Высокой сжимаемостью при оттаивании обладают вечномерзлые элювиальные суглинки и глины с суммарной влажностью 0.216-0.254 и более, коэффициентом пористости 0.769-0.881.

Построены графики:

а) изменения глубины оттаивания вечномерзлого грунта вокруг опытной сваи № 39;

б) изменения осадки сваи под нагрузкой 640 кН во времени.

Суммарная осадка в опыте составляла 2.48 мм. Процесс осадки сваи протекал неравномерно, скорость осадки сваи на трех отрезках времени возрастала до максимума, а затем падала почти до нуля. Такое скачкообразное развитие осадки сваи объясняется влиянием многих факторов, в частности, неравномерностью сжимаемости при оттаивании отдельных слоев вечномерзлого грунта, окружающего сваю; некоторым развитием сил отрицательного трения, неравномерным продвижением вниз ореола оттаивания вечномерзлого грунта и других факторов. При достижении ореолом оттаивания вечномерзлых грунтов уровня острия сваи скорость осадки сваи резко возрастает, по окончании оттаивания грунта осадка сваи все еще продолжается, затухание происходит лишь через 2-10 суток после прекращения оттаивания грунта.