ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Определение достоверной величины сил негативного трения (f _n) является до настоящего времени непростой задачей. Объясняется это обилием факторов, влияющих на величину суммарных сил негативного трения, и трудностями, связанными с их учетом при совокупном воздействии. К таким факторам можно отнести:

вид грунта и его физико-механические свойства; тип свай, их форму и длину, а также состояние их боковой поверхности;

способ установки свай (забивка, задавливание, установка в предварительно пробуренные скважины и т.д.);

продолжительность воздействия грунта на сваю;

величину полезной нагрузки на сваю;

величину дополнительной нагрузки на грунт в виде планиро­вочной насыпи или отвалов складируемых материалов;

податливость (деформативность) основания под торцом сваи и т.д..

Прочностные характеристики грунта (угол внутреннего трения и сцепление внутри грунтового массива и на контакте с бо­ковой поверхностью сваи), определяемые в зависимости от вида грунта и его плотности - влажности, в первую очередь и непосредственно обусловливают величину удельных сил негативного трения.

Не менее важную роль играют и деформационные характеристики, от которых зависит осадка околосвайного грунта и соответственно его смешение относительно сваи. На одних глубинах это смещение может превысить некоторую пороговую величину, при которой удельные силы негативного трения достигают предельных значений, а на других - оно может быть менее этой пороговой величины и соответственно значения будут менее предельных. Отсюда следует, что неоднородность основания также влияет на величинуf _n.

Различие свай по материалу (деревянные, металлические, железобетонные) приводит не только к различной их сжимаемости, но и обусловливает обычно (если не приняты специальные меры) разную шероховатость боковой поверхности свай, что влияет на значениеf _n. На величину же суммарных сил негативного тренияF _nвлияет непосредственно конфигурация поперечного сечения свай (круглая, квадратная, двутавровая и т.п.), а также их длина. При объединении свай в кусты их расположение в плане и шаг также могут отразиться на значенииf _n.

Влияние способа установки свай проявляется, прежде всего, в уплотнении грунта вокруг сваи и разрушении его природной структуры в контактной зоне. Способ установки может содействовать, в известной мере, проявлению осадки околосвайного грунта при забивке, что уменьшит последующую его осадку.

Продолжительность воздействия грунта сказывается на величине дополнительной пригрузки сваи в тех случаях, когда окружающие сваю грунты медленно консолидируются по мере оттаивания основания. В пер­вом случае непрерывно увеличивается величина осадки грунта, что приводит к соответствующему увеличению относительного сме­щения, а во втором - по мере оттаивания грунта, увеличивается часть длины свай, в пределах которой возникают силы негатив­ного трения.

Наличие полезной нагрузки на сваю приводит к соответствующей осадке сваи, то есть к уменьшению величины смещения грунта относительно сваи; в некоторых случаях это может при­вести к полной ликвидации сил негативного трения (временной или окончательной - это зависит от завершения процесса уплотнения грунта). Дополнительная нагрузка на грунт увеличивает не только его осадку, но и эффективные давления, от которых непосредственно зависит величинаf _n.

Степень податливости основания под торцом определяет не только вид сваи (свая-стойка на несжимаемом основании или висячая свая), но и возможность полного или периодического исчезновения действия сил негативного трения и возникновения сил положительного трения на части или полной длине сваи.

Обилие действующих факторов усложняет определение достоверных значений удельных и суммарных сил негативного трения, причем, если учет факторов, связанных с геометрическими размерами свой и их конфигурацией, а также с величиной нагрузки на сваи и грунт, не представляет особых трудностей, то учет факторов, зависящих от физико-механических свойств грунта и особенностей его взаимодействия на контакте с боковой поверхностью сваи, создает наибольшие трудности и влечет за собой ряд проблем.

При определении сил негативного трения обычно используют следующие характеристики грунта: удельный вес грунтаg, угол внутреннего трения грунта , угол сдвига его по материалу сваи _m, коэффициент бокового давления грунта в состоянии покояx_o, величина порогового относительного смещенияd_o, называемая в дальнейшем сдвиговым перемещениемD.

Наилучшим способом определения перечисленных характеристик грунтов является экспериментальный, выполняемый с грунтами идентичной плотности, гранулометрического состава, влажности и т.д., при соблюдении адекватности напряженного состояния в опытном образце грунта и в грунтовом массиве после погружения в него сваи. Однако соблюдать одновременно все эти условия практически невозможно. Например, угол внутреннего трения пес­ка зависит от целого ряда факторов: влажности грунта, гранулометрического состава и формы зерен, диапазона нормальных дав­лений, при котором производится сдвиг, вида испытаний (прямой сдвиг, трехосное сжатие, кручение, зондирование и т.д.), способа определения (трехосное напряженное состояние, плоская деформация, простой сдвиг), величины сдвиговой де­формации.

Некоторые неопределенности связаны с установлением поверхности сдвига грунта по свае. Чаще всего принимается, что на боковой поверхности сваи образуется плотная грунтовая рубашка и сдвиг происходит соответственно в грунте. Образование грунтовой рубашки зависит от условий погружения сваи и адге­зионной прочности грунта, которая, в свою очередь, зависит от материала сваи и шероховатости ее боковой поверхности. В связи с этим сдвиг окружающего сваю грунта может происходить как по грунту, так и непосредственно по контакту с материалом сваи.

Опытным путем установлено, что угол сдвига грунта _mпо металлической поверхности меньше аналогичного по бетонной, а по бетону меньше аналогичного по грунту. Выявлено влияние степени водонасыщения песчаного грунта и материала, по которому происходит сдвиг грунта, на величину _m. Отмечено также, различие в значениях _mталого и оттаивающего песчаного грунта. Величина коэффициента тренияtg_mобусловлена главным образом шероховатостью поверхности и практически не зависит от разновидности металла и плотности песка.

Для определения величины нормального давления, действующего на боковую поверхность сваи, необходимо располагать распределением по глубине горизонтального давления грунта и давления, обусловленного способом погружения сваи. Определение второй составляющей нормального давления является довольно сложной зада­чей, не имеющей до сих пор удовлетворительного решения. В тех случаях, когда его влиянием можно пренебречь (например, при буроопускных сваях), остается открытым вопрос о величине действующего на боковую поверхность сваи нормального давления грунта, для вычисления которого необходим коэф­фициент бокового давления грунта в состоянии покоя.

Экспериментальным путем установлено, что при однократном изменении направления сдвига суммарные силы трения по боковой поверхности свая уменьшаются. Испы­тания коротких свай во влажных песках на вдавливание и после­дующее выдергивание показали, что при этом силы трения умень­шились в 2.5 раза. На основании модельных испыта­ний свай в песках установлено, что переход от вдавливания к вы­дергиванию уменьшает силы трения до 2.6 раза в зависимости от диаметра сваи и глубины ее погружения. При погружении сваи вдавливанием или забивкой этот эффект может проявиться и на силах негативного трения, так как направление их действия сов­падает с направлением сил трения при выдергивании.

В значительной степени величина удельных сил негативного трения зависит от величины смещения грунта относительно сваи. Испытания на плоский сдвиг, трехосное сжатие, а также модель­ные и натурные испытания свай свидетельствуют о том, что мак­симальные силы трения, в том числе и негативного, реализуются после некоторого порогового смещения. Величина этого смещения зависит от вида грунта, его плотности и влажнос­ти, а также уровня напряженного состояния, способа и сценария нагружения грунтового массива.

Анализ опытных данных по негативному трению, свидетельствует, что эта величина не превышает 10 мм. С вопросом о величине относительного смещения близко связана и другая проблема - определение зоны действия сил негативного трения и положения нейтральной точки.

При проведении экспериментов выявлен скачкообразный рост сил негативного трения и последующие затухания этого роста, а в некоторых случаях и их уменьшение. Установлено, что связано это явление с разворотом частиц грунта в области контактного сдвига, сопро­вождаемым объемными деформациями грунта (дилатансией). При положительной дилатансии (увеличение объема грунта) нормальное давление грунта на боковую поверхность ствола сваи возрастает, что приводит к росту сил негативного трения. Отрицательная дилатансия (уменьшение объема грунта), наоборот, приводит к снижению обжатия ствола сваи, и, соответственно, к падению сил негативного трения.

В процессе сдвига грунта относительно ствола сваи, разворот частиц грунта происходит непрерывно. При этом расклинивание частиц грунта сменяется их более компактным расположением, снижающим нормальное давление на ствол сваи и силы негативного трения.

Использование полученных результатов будет способствовать совершенствованию проектных решений свайных фундаментов.