ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Несущая способность и устойчивость свай, погруженных в веч­номерзлые грунты, оттаивающие во время эксплуатации здания или сооружения, в значительной степени зависят от величины сил нега­тивного трения, f _n,i, развивающихся на боковой поверхности свай. Силы негативного трения дополнительно пригружают сваю и образуют­ся при перемещении вниз относительно ее ствола оседающего при от­таивании вечномерзлого грунта, расположенного в околосвайном пространстве.

При проектировании свайных фундаментов на оттаивающих грун­тах возникают большие трудности в определении этих сил. Действую­щий в настоящее время СНиП 2.02.04-88 "Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах" предусматривает определение сил негативного трения "по опытным данным", а при отсутствии оных, допускает "принимать расчетные значения f _n,i, по табл. 2 СНиП 2.02.03-85".

Для региональных условий Забайкалья, характеризующихся чрез­вычайной пестротой и сложностью в литологическом и геокриологи­ческом отношении, опытные данные, о которых упоминается в СНиПе, практически отсутствуют. Табличные же значения f _n,i,, как показала практика, чересчур далеки от действительных значений и в подавля­ющем большинстве случаев приводят к существенному завышению сил негативного трения. Вследствие этого запроектированные свайные фундаменты отличаются неоправдано высокой стоимостью и материало­емкостью.

Чтобы ликвидировать указанный пробел проведены теоретические и экспериментальные исследования сил негативного трения в натур­ных и лабораторных условиях.

Проведено сопоставление экспериментальных и рас­четных значений удельных сил негативного трения. Установлено, что осредненные значения удельных сил негативного трения fn , рассчи­танные по СНиП в 1.5-2.1 раза превышают опытные значения.

Кроме того, выявлено, что силы негативного трения существенно зависят от соотношения размеров поперечного сечения сваи и диа­метра лидерной скважины. На сваи, погруженные в лидерные скважины диаметр которых больше наибольшего размера поперечного сечения сваи (при заполнении пазух шламом) действуют силы негативного трения в 1.74-2.23 раза меньшие, чем на сваи забитые в скважины диаметр которых больше наименьшего и меньше наибольшего попереч­ного сечения сваи.

Проведена серия опытов (около 100) в лабораторных условиях, целью которых явилось исследование зависимости сил негативного трения от формы поперечного сечения и материала свай.

Анализ графиков парной зависимости "перемещение грунта-нега­тивное трение" в опытах с железобетонными сваями позволил устано­вить, что на первом этапе наблюдается быстрый рост сил негатив­ного трения и, при достижении некоторого максимума, наблюдается резкий спад этих сил. Крутизна ниспадающей ветви несколько мень­ше, чем у нарастающей. Явной тенденции к затуханию на ниспадающей ветви кривой не отмечается. Максимальное значение сил негативно-

го трения составило 14.85 кПа, среднее значение - 7.16 кПа.

В опытах со стальными моделями свай, в отличие от первых, после достижения силами негативного трения максимума f _n,maxспад этих сил происходит более плавно и значительно медленнее. Макси­мальная величина удельных сил негативного трения составила 8.77 кПа, а среднее значение - 4.99 кПа.

При испытании дюралюминиевых моделей свай установлено, что характер зависимости "перемещение грунта-негативное трение" ана­логичен, полученной в опытах со стальными сваями. Максимальное значение сил негативного трения составило 8.93 кПа, среднее зна­чение - 5.01 кПа.

Установлено, что в среднем силы негативного трения, развива­ющиеся на боковой поверхности железобетонных свай, погруженных в песчаные грунты, в 1.4 раза превышают силы трения, действующие на металлические сваи.

В связи со слабой изученностью работы кустов свай в мерзлых, и, особенно, в оттаивающих грунтах проведены экспериментально-те­оретические исследования этой проблемы. Известно, что работа кус­тов свай существенно отличается от работы одиночных свай. Это обусловлено влиянием, так называемого, кустового эффекта. Уста­новлено, что нагрузка на сваи распределяется неравномерно в зави­симости от жесткости ростверка, числа свай, расстояния между ними и состояния мерзлого и оттаивающего грунта. Как правило, наиболее нагруженными являются сваи, удаленные от центра ростверка, наи­менее нагруженные - сваи внутри куста. Например, в кустах из 9 свай наибольшую нагрузку воспринимают угловые сваи, на 25-30 % меньшую средние сваи ряда, на 50-60 % меньшую - центральные сваи.

Льдонасыщенные оттаивающие грунты под действием собственного веса уплотняются и оседают, нависая на боковой поверхности свай, дополнительно нагружая их. В результате снижается несущая способ­ность как отдельной сваи, так и куста в целом и развивается их дополнительная осадка. При этом сила негативного трения зависит от разности перемещений грунта основания и сваи, от прочностных и деформационных свойств грунтов, режима и скорости оттаивания и замачивания основания, расстояния между сваями в кусте, других факторов. Скорость оттаивания основания определяет интенсивность развития сил негативного трения. Чем медленее граница талой зоны продвигается вниз, тем полнее реализуется эта сила на боковой по­верхности сваи.

При малых относительных перемещениях сваи и грунтаd_z, ког­да на рассматриваемом участке ее длины еще не произошло полного развития сил негативного трения f _n,z , их значения будут во мно­гом определяться не только величинами указанных относительных пе­ремещений, но и соотношением скоростей развития осадки грунта и сваи.

При длительном развитии сил негативного трения, в процессе которого на рассматриваемом участке сваи относительные перемеще­ния грунта и сваи превзойдут значения так называемой "сдвиговой осадки", влияние соотношения скоростей осадки сваи и грунта не только уменьшится, но и приобретет слабопрогнозируемый характер. Если в какой-то момент времени на данном участке сваи будет отме­чаться нулевая скорость развития относительных перемещенийd_z, то это будет свидетельствовать лишь о неизменности величины нега­тивного трения на рассматриваемом участке в данный момент времени.

При прочих равных условиях суммарное значение сил негативно­го трения, развивающихся на боковой поверхности одиночной сваи, существенно больше сил негативного трения, действующих на сваи, находящиеся в составе куста. В свою очередь, последние подвержены неравномерному воздействию сил негативного трения. Наименее под­верженными действию сил негативного трения являются сваи, распо­ложенные в центре куста, за ними идут сваи внутреннего ряда, да­лее промежуточные сваи наружного ряда и наиболее нагруженными оказываются угловые сваи.

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