ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Сваи, входящие в состав фундаментов зданий и сооружений, построенных на вечно­мерзлых грунтах по принципу ii (с допущением оттаивания грунтов в процессе эксплуа­тации сооружения) условно проходят девять стадий своего взаимодействия с основанием.

На первой стадии несущая способность основания сваи обуслов­лена расчет­ным давлением на мерзлый грунт под нижним концом сваи и рас­четным сопротивлением грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания сваи. Определя­ется несущая способность сваи, f _u по известной формуле СНиП 2.02.04-88

, (1)

гдеg_t- температурный коэффициент;

g_с- коэффициент условий работы основания;

r _f- расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи;

А - площадь опирания сваи на грунт;

r _af,i- расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора

сдвигу по боковой поверхности смерзания сваи в пределахi-го слоя

грунта;

А _af,i- площадь поверхности смерзания i-го слоя грунта по боковой

поверхности сваи;

n- число выделенных при расчете слоев.

Вторая стадия характеризуется началом оттаивания вечномерзлых грунтов, окружающих сваю. Несущая способность основания сваи в данном случае может быть оценена по следующей формуле

, (2)

гдеg_p- коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности сваи в

пределах зоны оттаивания, определяемый по опытным данным (с

учетом способа погружения сваи) или по существующим нормам;

u _p- периметр поперечного сечения сваи;

f _n,i- отрицательное (негативное) трение i-го слоя оттаивающего грунта по

боковой поверхности сваи;

h _i- толщина i-го слоя оттаивающего грунта.

На третьей стадии ореол оттаивания уже достиг острия сваи, и несущая способность основания сваи определяется выражением

, (3)

Четвертая стадия характеризуется продвижением ореола оттаивания ниже острия сваи. При этом вследствие оттаивания грунта под острием сваи происходит интенсивное его уплотнение и осадка сваи. Несущая способность основания сваи в данном случае определяется по формуле

, (4)

гдеg_crиg_cf- коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи;

r _thg- расчетное сопротивление оттаивающего грунта под нижним концом сваи;

u- периметр поперечного сечения сваи;

f _i- расчетное сопротивление i-го слоя оттаивающего грунта основания на боковой поверхности сваи.

На пятой стадии ореол оттаивания опускается на значительную глубину ниже острия сваи. Скорость оттаивания и уплотнения грунта под нижним концом сваи заметно снижается и, соответственно, падает скорость осадки сваи. В пределах верхней части ствола сваи скорость осадки оттаявшего грунта ( v _s), окружающего, превышает скорость осадки сваи ( v _p), a ниже некоторой точки, которую мы называем "нулевой", наоборот, скорость осадки сваи превышает скорость осадки грунта. Рассчитывается несущая способность основания сваи на этой стадии по формуле

, (5)

При дальнейшем продвижении ореола оттаивания в грунт ниже острия сваи (стадия yi) скорость оттаивания грунта и осадки сваи становится минимальной в то время, как уплотнение и, соответственно, осадка грунта, расположенного ниже острия сваи продолжается, происходит перемещение грунта относительно ствола сваи, приводящее к развитию отрицательного трения. Оценка несущей способности сваи выполняется по формуле

, (6)

Стадия yii характеризуется полным оттаиванием грунтов под острием сваи; развитием на боковой поверхности сваи как сил отрицательного, так и положительного трения. Несущая способность основания определяется по формуле

, (7)

где r _thd- расчетное сопротивление оттаявшего грунта под острием сваи.

На восьмой стадии уплотнение оттаявшего грунта под нижним концом сваи приближается к завершению, а уплотнение грунта, расположенного выше острия сваи еще продолжается, что способствует развитию на боковой поверхности сваи отрицатель­ного трения. Оценка несущей способности основания сваи производится по формуле

, (8)

По мере завершения консолидации грунта в основании сваи (как выше, так и ниже ост­рия сваи) развивается девятая стадия взаимодействия сваи с грунтом основания. При расчете несущей способности основания сваи используется расчетная схема висячей сваи

, (9)

Рассмотрев несущую способность сваи на каждой из девяти стадий ее взаимодействия с грунтом основания следует отметить, что наиболее неблагоприятные условия для работы сваи складываются на iy...yiii стадиях. Исследуем каждую из указанных стадий в отдельно­сти.

Наiyстадии ореол оттаивания, достигнув острия сваи, перемещается вниз. Несущая способность оттаявших грунтов под острием сваи определяется параметрами пре­дельного сопротивления грунта сдвигу для состояния приобретенного им непосредственно после оттаивания ( с _thg ,j_thg).

Сцепление с _thg, в частности, может быть определено методом шаровой пробы и должно соответствовать предельно длительному сопротивлению long c _thg .

Угол внутреннего трения (j_thg) определяется методом быстрого сдвига для недре­нированного и неуплотненного состояния грунта.

Несущая способность оттаявших грунтов должна оцениваться в наиболее опасном для устойчивости фундамента физическом состоянии, когда грунт еще не успел уплотниться под нагрузкой. Учитывая, что в момент оттаивания грунта его прочностные характеристики ( c _thg,j_thg) значительно снижаются (в зависимости от вида грунта, его влажности, криогенной текстуры, состава, строения, состояния), то, очевидно, что и несущая способность оттаявшего грунта под острием сваи на iy стадии является минимальной. Поэтому, если, нагрузка, передаваемая острием сваи, превысит какую-то предельную для данного конкретного грунта величину, то произойдет потеря несущей способности грунта под острием сваи, сопровождающаяся срывом сваи и максимальным развитием сил положительного трения, f, на ее боковой поверхности.

Пятая стадия характеризуется постепенным уплотнением грунта под острием сваи, замедлением осадки сваи под нагрузкой, развитием на боковой поверхности сваи сил отрицательного трения, вызывающих, в свою очередь, дополнительную осадку сваи. В случае появления высоких по величине сил отрицательного трения возможна потеря несущей способности оттаявшего грунта под острием сваи, срыв сваи.

На шестой стадии силы отрицательного трения воздействуют в пределах всей боковой поверхности сваи и достигают максимума в своем развитии. Вся нагрузка, воспринимаемая сваей, передается на грунт основания через острие сваи. Это обуславливает появление в грунте высоких нормальных и касательных напряжений, вызывающих дополнительное его уплотнение и осадку сваи, развитие в грунте зон предельного равновесия, а также, в определенных случаях, влекущих за собой либо потерю его несущей способности и просадку (срыв) сваи, либо излом сваи. Последнее представляет особую опасность в случае длинных составных сваи.

Результаты исследований, проведенных в неконсолидированных грунтах по­казали, что при анализе поведения свай и оценке их несущей способности сле­дует учитывать влияние дилатансии на условия развития контактной фильтра­ции и отрицательного трения по стволам свай.

К началу седьмой стадии грунт в основании сваи оттаивает пол­ностью. Консолидация грунта под острием сваи постепенно завершается. Грунт выше острия сваи еще продолжает уплотняться, особенно в верхних го­ризонтах. В этих условиях нулевая точка, разделяющая зоны действия поло­жительного и отрицательного трения медленно смещается вниз. Отставание во времени процесса консолидации грунта, расположенного выше острия сваи, объясняется тем, что уплотнение грунта происходит в основном под дейст­вием его собственного веса, в то время как грунт, залегающий под острием сваи, уплотняется не только под собственным весом, но и вследствие дейст­вия нагрузки, передаваемой острием сваи. К концу стадии нулевая точка дости­гает уровня острия сваи.

Восьмая стадия отличается тем, что усилия, воспринимаемые сваей (внешняя нагрузка, отрицательное трение), а также ее собственный вес переда­ются на оттаявший грунт острием сваи. В данном случае вся толща грунта, расположенного выше острия сваи, как бы повисает на свае. Возникает си­туация, аналогичная шестой стадии, со всеми вытекающими из этого последствиями. Однако, в отличие от шестой стадии в рассматриваемом случае на­грузка, передаваемая острием сваи воспринимается оттаявшим, уплотненным грунтом, консолидация которого уже практически завершилась. В этом слу­чае вероятность большой дополнительной осадки сваи очень незначительна, однако многократно возрастает вероятность излома длинных свай.

Рассматривая в целом все стадии взаимодействия элементов системы "свая-грунт" необходимо отметить, что наибольшая вероятность излома длинных свай существует на iii, yi и yiii стадиях взаимодействия сваи с оттаивающими грунтами оснований.

Вероятность потери несущей способности оттаивающего грунта под острием сваи особенно высока на yi стадии.

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