Яковлев П.И., Тюрин А.П., Фортученко Ю.А. Портовые гидротехнические сооружения

Подождите немного. Документ загружается.

Дли устройства сваи в грунт завивкой

или вибрированием погружается сталь-

ная труба диаметром 325—500 мм, снаб-

женная на конце инвентарным, само-

раскрывающимся при подъеме башма-

ком.

После погружения трубы с закрытым

наконечником на проектную глубину

в нее засыпается крупный или средней

крупности песок или песчано-гравий-

ная смесь, и труба при работающем виб-

раторе медленно поднимается; наконеч-

ник раскрывается, и песок под дейст-

вием собственного веса и вибрации вы-

сыпается в образованную трубой скважи-

ну. Для лучшего высыпания песка его

можно искусственно увлажнить, а в

трубу подать сжатый воздух (для этого

герметически закрывают верхний конец

трубы).

Сваи в плане размещаются в шахмат-

ном порядке на равных расстояниях

одна от другой. Проектирование заклю-

чается в определении этого расстояния,

диаметра и глубины свай. Расчет оса-

док фундамента при песчаных или грун-

товых сваях ведут обычными методами,

разработанными для естественного ос-

нования при повышенном значении моду-

ля деформации.

Песчаные сваи работают и как дрены,

что способствует упрочнению даже сла-

бых водонасыщенных глинистых грун-

тов. Благодаря применению песчаных

свай можно повысить расчетное сопро-

тивление грунта до 2—3 раз.

Гидровиброуплотнен ие при мен яется

в случаях, когда необходимо произвести

уплотнение песка на глубину более

1,5 м. Для этого применяются высоко-

частотные вибраторы или специально

запроектированные или применяемые

для виброуплотнения бетона. Уплотне-

ние песка достигается в результате воз-

действия струи воды и вибрации.

Предварительно в грунт погружается

игла в виде стальной трубки диаметром

19—25 мм с перфорированной нижней

частью, в которую под давлением 0,4—

0,5 МПа подается вода. После появле-

ния воды на поверхности грунта (пол-

ное водонасыщение) рядом с иглой на

расстоянии 20—30 см устанавливается

вибробулава и под действием вибра-

ции погружается в грунт. После извле-

чения вибробуланы скважину шсмнз

ют песком, который снова вибрируют,

и так несколько раз.

Имеются специальные гидровибрато-

ры, в которых вода подается через соп-

ла, входящие в конструкцию гидровиб-

ратора. Такая гидровибрационная ус-

тановка состоит из подвешенного к кра-

ну мощного вибратора и насосной уста-

новки для подачи воды под давлением

0,6 МПа через шланги к соплам вибра-

тора.

При подаче воды через нижние сопла

вибратор под действием вибрации и

собственного веса погружается в грунт

на заданную глубину. Затем подача

воды через нижние сопла прекращается,

вода подается в грунт через верхние

сопла, и вибратор поднимают с оста-

новками через 30—40 см (при продол-

жающейся подаче воды) на 40—120 с в

зависимости от времени, необходимого

для уплотнения песка. При глубине уп-

лотнения 3 м радиус уплотнения 5

6 м и производител ьность такой установ-

ки около 400 м

уплотненного грунта в

1 ч. Благодаря уплотнению осадки фун-

дамента уменьшаются в несколько раз

(до 10 раз).

Заметим, что в мелкозернистых пес-

ках вибрационные методы не всегда эф-

фективны, а методика уплотнения пыле-

ватых песков разработана слабо.

Значительное влияние на эффект виб-

роуплотнения оказывает влажность пес-

ка. При незначительной влажности (3—

5 %) эффект вибрации оказывается ми-

нимальным, что объясняется возникно-

вением сил сцепления между частица-

ми, которые не могут быть преодолены

возникающими колебаниями. При влаж-

ности 15—18 % эффект уплотнения мак-

симален. Он практически такой же, как

и для сухого песка, у которого силы

сцепления равны нулю.

3. Песчаные подушки. Бла-

годаря использованию песчаных поду-

шек можно уменьшить глубину заложе-

ния фундаментов, снизить давление на

сильно сжимаемый естественный грунт

до приемлемого значения, уменьшить

осадки фундаментов и увеличить их ус-

тойчивость. Толщина песчаных подушек,

устраиваемых из крупного йли средне-

зернистого песка, колеблется от 0,5 до

6,5 м. В процессе возведения подушек

следует производить уплотнение песка

до плотности 1,65—1,7 г/см

. Размеры

песчаной подушки устанавливаются рас-

четом. Принимая распределение давле-

ний в подушке под углом 45—60° к вер-

тикали, добиваются, чтобы давление от

фундамента и веса подушки, передавае-

мое на подстилающие грунты, не пре-

вышало расчетного сопротивления этих

грунтов и чтобы была обеспечена ус-

тойчивость основания. Кроме того, зная

модули общей деформации песка и слоев

грунта /и эпюру распределения верти-

кальных напряжений в основании, сле-

дует убедиться в том, что осадка фун-

дамента не превышает допустимую для

данного сооружения.

В портовых гидротехнических соо-

ружениях широко применяются по-

душки из рваного камня (каменные пос-

тели), которые работают аналогично пес-

чаным подушкам.

Физические методы улучшения ос-

нований. Понижение уровня

грунтовых вод. Уровень по-

нижается путем откачки воды из ко-

лодцев или с помощью иглофильтровых

установок. Этим методом можно обжать

слои грунта, лежащие на глубине не-

скольких десятков метров, на площади в

несколько квадратных километров, соз-

дав общую нагрузку предварительного

обжатия грунтов, исчисляемую миллио-

нами килоньютон.

Вертикальные дрены.

В толще водонасыщенного глинистого

грунта на расстоянии 2—5 м одна от дру-

гой на глубину до 20 м делаются сква-

жины диаметром 420—600 мм, засыпае-

мые песком. Скважины проходятся с

помощью копров, используемых для уст-

ройства набивных бетонных свай и обо-

рудованных молотом для забивки и изв-

лечения металлического сердечника

с раскрывающимся наконечником

(рис. 6.1, б).

Поскольку время уплотнения водо-

насыщенных грунтов прямо пропорцио-

нально квадрату расстояния до дренаж-

ной поверхности, то при использовании

дрен уменьшаются пути фильтрации и

резко сокращается время уплотнения.

Над дренами устраивается песчаная по-

душка толщиной не менее 0,6 1 м,

предназначенная для сбора воды т

дрен и служащая для прилегающего

грунта в качестве горизонтального дре-

нажа. В отличие от песчаных свай при

устройстве дрен стремятся не уплот-

нять окружающий грунт с тем, чтобы

не ухудшать его водопроницаемость.

Таким образом, дрены применяются для

ускорения процесса уплотнения сла-

бых глинистых грунтов под действием

веса насыпей или нагрузок от сооруже-

ния. Они устраиваются при больших

площадях загружения (земляные насы-

пи под железные и автомобильные доро-

ги, территория под склады в морских

портах, основания оградительных соору-

жений и т. д.).

Начиная с 1947 г. с целью уменьшения

трудоемкости работ применяются кар-

тонные дрены поперечным сечением Зх

X 100 мм, имеющие внутренние продоль-

ные каналы площадью до 3 мм

Дрены выпускаются в виде намотан

ных на барабан лент длиной до 400 м,

массой погонной длины 1 м около 0.2 кг

и устанавливаются в грунт с помощью

специальных высокопроизводительных

машин (до 400 дрен на глубину до 6 м

за смену).

Опыт применения показал, что три-

четыре картонные дрены по эффектив-

ности эквивалентны одной песчаной диа-

метром 50 см. Такие дрены широко при-

менялись в Японии при освоении участ-

ков, отвоеванных у моря (в Токийской

бухте, в порту Кобе и др.).

Электроосмос. Ускорить

процесс уплотнения (консолидации) во-

донасыщенных глинистых грунтов с коэф-

фициентом фильтрации меньше НУ"

см/с

можно путем повышения проницаемости

грунтов, т. е. увеличения коэффициен-

та фильтрации. Для этого через грунт ^

при рабочем напряжении 30—60 В

пропускают постоянный электрический

ток. При этом часть имеющейся в грун-

те прочно связанной воды становится

свободной, площадь пор увеличивается

и коэффициент фильтрации возрастает

в 10—100 (у илов) раз. Передвижение

воды происходит от анода к катоду.

качестве которого обычно используют-

ся иглофильтры (стальные трубы диа-

метром 38 мм и длиной до 8,5 м), в

соединенные к отсасывающему насосу«

Анодами служат такие же стальные тру-

бы. Объем воды, поступающей к като-

ду, пропорционален количеству элект-

ричества (расход электроэнергии на осу-

шение 1 м

грунта составляет от 2 до

40 кВт-ч).

Методы закрепления слабых грунтов.

Общим для этих методов является то,

что повышение прочности и уменьшение

сжимаемости происходит не путем раз-

рушения структуры грунта и увеличе-

ния плотности, а благодаря повышению

сцепления между частицами грунта.

Цементация грунта.

Производится посредством нагнетания

цементного раствора через погружаемые

в грунт инъекторы— стальные трубы

диаметром 19—38 мм, расстояние между

которыми колеблется в пределах от

1 до 3 м. Впоследствии в пределах рас-

пространения раствора получают ока-

меневший грунт, прочность которого

1,00—3,50 МПа. Иногда при помощи

•цементации устраиваются отдельные

фундаменты (в виде столбов) из закреп-

ленного грунта.

Цементацию применяют для закреп-

ления рыхлых средне- и крупнозернис-

тых песков, песчано-гравийных, галеч-

никовых и гравийных отложений. Осо-

бенно рациональна цементация в тре-

щиноватых скальных породах с разме-

ром трещин не менее 0,2 мм. Радиус за-

крепления в зависимости от вида грун-

та колеблется от 0^3 до 1 м (по трещинам

1,5 м и больше). Требуемое давление на

погонную длину 1 м погружения инъек-

тора колеблется от 0,025 до 0,1 МПа. Ко-

личество цементного раствора составля-

ет 20—40 % от объема закрепляемого

грунта.

Битумизация грунтов.

В основном применяется для обеспече-

ния водонепроницаемости в тех случаях,

когда вследствие высоких скоростей те-

чения грунтовой воды (100 м/сут и бо-

лее) или их агрессивности выполнить

цементацию невозможно. Битумизация

может производиться в крупнообломоч-

ных грунтах (щебень, галька), в трещи-

новатых скальных породах и чистых

крупнозернистых песках. Различают два

способа: горячую битумизацию и эмуль-

сионный Способ.

Первый способ пригоден только дли

трещиноватых скальных пород, выполня-

ется с помощью ннъекторов, располага-

ющихся в пробуренных скважинах на

расстоянии 0,75—2 м одна от другой и

состоящих из двух труб: внешней диа-

метром 100 мм и внутренней 50 мм.

На отметке, выше которой не требуется

битумизации, между трубами делается

цементная пробка, ниже которой опус-

кается только внутренняя трубка. Твер-

дый (или твердопластичный) битум при

разогревании до 200° обращается в под-

вижную жидкость и под давлением 2,5—

3,5 МПа проникает по трещинам иногда

на расстояние до 100 м от инъектора.

При эмульсионном способе, примени-

мом также и в песчаных грунтах, через

инъекторы нагнетается холодная би-

тумная эмульсия, состоящая из битума

(60—65 %), воды и небольшого количест-

ва эмульсатора, способствующего рас-

щеплению битума в воде на мельчай-

шие взвешенные частицы.

Силикатизация грун-

т о в. Через инъекторы, т. е. перфори-

рованные стальные трубы с внутренним

диаметром 19—38 мм, располагаемые

на расстоянии 0,5—1,5 м одна от другой,

с помощью насосов под давлением 0,5—

1,5 МПа в грунт нагнетаются химичес-

кие растворы (два или один), которые

впоследствии отвердевают и закрепля-

ют грунт.

В песчаные грунты нагнетаются два

раствора: силикат натрия, т. е. жидкое

стекло (45 %), и хлористый кальций

(55 %). При общем расходе реагентов

200—250 л на 1 м

закрепляемого грун-

та достигается предел прочности на

сжатие для упрочненного грунта 1,5—

3,5 МПа.

В плывуны нагнетают слабый раст-

вор фосфорной кислоты с добавлением

жидкого стекла (соотношение 3,5: I)

и после закрепления получают грунт с

пределом прочности 0,4—0,5 МПа.

В лёссовые грунты нагнетают раствор

жидкого стекла, который, вступая в

реакцию с содержащимися в этих грун-

тах солями кальция, обеспечивает за-

крепленному грунту предел прочности

0,6—0,8 МПа. Силикатизация успешно

применялась на строительстве Москов-

ского метрополитена им. В. И. Ленина.

113

С помощью однорастворной силикатиза-

ции в 1954—1956 гг. удалось прекра-

тить неравномерные осадки здания Одес-

ского театра оперы и балета, продол-

жавшиеся до этого в течение 50 лет.

Термическое закрепле-

ние (обжиг) грунтов. Приме-

няется для закрепления просадочных

(лёссовых) грунтов и производится через

пробуренные скважины диаметром 10—

20 см, глубиной 6—15 м на расстоянии

2—3 м одна от другой. Скважины герме-

тически закрываются затворами с ка-

мерами сгорания, куда подается воздух

(10—40 м

/ч на погонную длину

м сква-

жины) и соляровое масло (в среднем

100 кг на погонную длину 1 м скважи-

ны). Термическая обработка производит-

ся непрерывно в течение 5—10 сут. В ре-

зультате образуется коническая свая из

кирпичеподобного непросадочного ма-

териала прочностью около 10 МПа и

диаметром наверху 1,5—2,5 м и внизу

0,5—1 м. Термическая обработка долж-

на осуществляться до слоя непросадоч-

ного грунта.

§ 6.2. КОНСТРУКЦИИ СВАЙ

И СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

Виды свай и свайных

фундаментов. Группа свай, объе-

диненная в верхней части железобетон-

ным, бетонным, металлическим или де-

ревянным растверком (надстройкой),

представляет собой свайный фундамент.

Ростверк служит для сбора нагрузок

Рис. 6.2. Свайные фундаменты:

а низкий ростверк иа сваях-стойках; б

—

высокий

ростверк иа висячих сваях; / — поверхность грунта;

2 — ростверк

114

от сооружения и распределения их

ду сваями, которые передают щ f

грузки на грунт. Ростверк обычно ц!

ет вид плиты. Иногда, как, наприм*

в устоях мостов, он не выделяется

объема опоры.

Различают низкий и высокий свайку

ростверки. Подошва низкого ростверк

(рис. 6.2, а) располагается ниже поверх-

ности грунта, поэтому фактически щ

висячих сваях часть нагрузки там

ростверк передает непосредственно ц

грунт. Эти ростверки типичны для гра*.

данских и промышленных сооружений

У высокого свайного ростверка

(рис. 6.2, б) подошва находится выше

поверхности грунта. На местности, по-

крытой водой, такие ростверки возво-

дятся обычно без перемычек, благодаря

чему они с давних пор получили исклю-

чительно широкое применение в пор.

товом гидротехническом строительстве

и в мостостроении.

Свая представляет собой

элемент

в фор-

ме стержня, длина которого может до-

стигать 50—60 м, поперечный размер

не

превышает 100—120 см, предназначен

ный для передачи нагрузки от сооруже-

ния на грунт основания и с этой целью

погруженный в него.

По характеру работы и условию

пере

дачи нагрузки на грунт различают

сваи-

стойки (см. рис. 6.2, а) и висячие сваи

(рис. 6.2, б). Первые нижними концами

опираются на плотный, практически не-

сжимаемый грунт, который через тор-

цы воспринимает всю нагрузку от сван.

При этом боковая поверхность сваи в

передаче нагрузки не участвует. Вися-

чие сваи передают нагрузку на грунт

боковыми поверхностями и торцами.

По характеру действующего усилм

различают сваи, работающие на осе-

вые усилия и воспринимающие попереч-

ные и комбинированные силовые воз-

действия, т. е. подвергающиеся попе-

речному изгибу.

По направлению погружения разли-

чают сваи вертикальные и наклонные с

наклоном от 20 : 1 до 1:1. Сваи, имею-

щие наклон в разные стороны и распо-

ложенные настолько близко, что их осе-

вые. линии пересекаются в пределах

ростверка, называются козловыми.

В аналогичном положении наклоненные

Рис. 6.3. Виды свай:

- квадратная с круглой полостью; б — трубчатая; «—пирамидальная; г железобетонная

уширеиием на конце; д — бетонная внбронабивная с уширенной пятой, е - винтовая

сваи с вертикальными иногда называют

полукозловыми.

По материалу сваи могут быть желе-

зобетонными, металлическими, деревян-

ными, бетонными и комбинированными

(например, деревянная свая ниже уров-

ня грунтовых вод и железобетонная или

стальная трубчатая в верхней части и

ДР-)-

По- форме поперечного сечения при-

меняются сваи квадратные, круглые,

прямоугольные, треугольные, много-

угольные, пустотелые (рис. 6.3, а), труб-

чатые (рис. 6.3, б), двутавровые, крес-

тообразные и др. Специальную группу

составляют шпунтовые сваи.

В зависимости от продольного профи-

ля они могут быть постоянного (цилинд-

рические призматические) и перемен-

ного сечения, пирамидальные (рис. 6.3,в),

с местным ушнрением (рис. 6.3, г), с

уширенной пятой (рис. 6.3, <?), телеско-

пические и др. Сваи могут готовиться за-

ранее (призматические железобетонные)

или бетонироваться непосредственно на

месте путем заполнения бетоном сква-

жин в грунте (набивные сваи) (см.

рис. 6.3, д).

По способу погружения различают

сваи забивные, которые погружаются за-

бивкой молотами, подмывом водой, виб-

рированием, вдавливанием, вдавлива-

нием в пробуренные лидерные скважины,

вибровдавл иванием, комби н и рова н ным

способом; винтовые погружаются в грунт

с помощью специальных установок

(рис. 6.3, е) и набивные (см. рис. 6.3, д).

Область применения

свай. Железобетонные забивные сваи

являются наиболее распространенными

и могут быть квадратного сечения —

сплошные и с круглой полостью (см.

рис. 6.3, а); круглого — полые с откры-

тым и закрытым нижним концом (см.

рис. 6.3, б); прямоугольного — сплош-

ные; конические и пирамидальные. Они

могут иметь форму трубы, собираться из

отдельных звеньев и погружаться с отк*

рытым нижним концом, так называемые

оболочки. Четкого определения терми-

нов «полая открытая свая» и «оболочка»

нет. Условно границей между ними мож-

но считать диаметр 100—120 см. Широ-

ко применяемые в морском гидротехни-

ческом строительстве железобетонные

элементы диаметром 160 см получили

общепринятое наименование сваи-обо-

лочки.

Наиболее распространными являют-

ся сплошные призматические квадрат-

ные сваи, изготавливаемые из обычного

или предварительно напряженного же-

лезобетона размером сечения от 20 х

х20 см до 50 x 50 см (с интервалом че-

рез 5 см) и длиной от 3 до 24 м и более

с интервалом длины в 0,5 м для свай

длиной до 6 м и с интервалом в 1 м для

свай большей длины. Учитывая возник-

новение динамических усилий, головная

часть сваи усиливается путем установки

распределительных арматурных сеток и

уменьшения шага хомутов. В сваях ши-

роко применяется предварительное на-

пряжение арматуры, благодаря чему

можно уменьшить расход стали и повы-

сить трещиностойкость свай.

В слабых грунтах весьма эффективно

применение свай с местными ушире-

ниями (см. рис. 6.3, г), которые разме-

щаются по длине сваи в местах залега-

ния плотных слоев грунта и увеличивают

несущую способность до 1,5—2 раз.

Весьма эффективны в гражданском

строительстве пирамидальные сваи дли-

о ив

ной 1—5 м с размером в подошве 5x5

или

х 10 см и с размерами в голове от

50 x 50 до 80X80 см (см. рис. 6.3, в).

Можно полагать, что при использовании

таких свай для подкрановых путей в

портах в случае реконструкции удастся

ликвидировать деформативность сущест-

вующих конструкций путей и резко по-

высить их эксплуатационную надеж-

ность.

Размеры сечения прямоугольных свай

могут быть, например, 20x40 и 25 X

х50 см. Квадратные сваи с круглой по-

лостью могут иметь размеры сечения

25x25 и 30x30 см (пустотность 16—

22 %); сваи круглого сечения полые с

открытым нижним концом могут, на-

пример, иметь наружный диаметр 38,50

и 65 см при толщине стенки 7 см. При

использовании железобетонных свай в

морских портах следует предусматри-

вать меры по повышению их долговеч-

ности.

Деревянные сваи изготавливаются из

бревен хвойных пород. Во избежание

размочаливания головы сваи при уда-

рах на нее надевают бугель (обруч из

полосового железа). При забивке свай

в плотные грунты и в грунты с включе-

ниями конец сваи защищают металличе-

ским башмаком.

Сваи могут быть цельными — длиной

4,5—18 м, диаметром в верхнем отрубе

16—35 см; пакетными — из нескольких

бревен по длине и по поперечному се-

чению, длиной до 25 м, диаметром до

60 см; сращенными — из двух или трех

бревен по длине.

Для повышения несущей способности

рекомендуется делать местные уширения

из отрезков бревен, располагаемых вдоль

и поперек сваи и прикрепляемых к ней

болтами.

В зоне переменной влажности с целью

увеличения срока службы свай головы

свай следует размещать ниже границы

гниения. В этом случае при отсутствии

древоточцев долговечность свай вполне

достаточна.

Металлические сваи хорошо работают

на изгиб и на динамические нагрузки.

Чаще всего применяются стальные тру-

бы заводского изготовления диаметром

до 100 см и более, а также швеллеры и

широкополые двутавры с усилением до-

не

полнительными листами до коробчатого

сечения. В практике портостроения в ка-

честве таких свай довольно часто приме-

няются бывшие в употреблении рельсы

некондиционные трубы.

Утвержденной номенклатуры для ме-

таллических свай (за исключением шпун-

товых) нет. За рубежом стальные труб-

чатые сваи широко и успешно применя-

ются при строительстве различных глу-

боководных сооружений, в том числе и

причальных.

Винтовая свая (см. рис. 6.3, е) пред-

ставляет собой стальной или железо-

бетонный ствол, закрытый конусным на-

конечником или открытый снизу и снаб-

женный на конце одним или несколькими

витками стальных, чугунных или желе-

зобетонных винтовых лопастей. Шаг ло-

пасти зависит от плотности грунта.

С по-

вышением плотности он увеличивается.

Сваи могут погружаться вертикально и

наклонно. Высокая несущая способность

(при работе на сжимающие нагрузки до

10 000 кН и более), отсутствие сотрясе-

ний при погружении в грунт, наиболь-

шее по сравнению с другими типами

свай сопротивление выдергивающим уси-

лиям — это положительные свойства

винтовых свай.

В СССР для свай, закрытых снизу,

применяются стальные оболочки диа-

метром от 275 мм (с лопастями диаметром

до 1 м) до 1200 мм (с лопастями диамет-

ром 2,5 м). Для завинчивания свай при-

меняется машина M3C-13 на базе авто-

мобиля КрАЗ-214. Скорость завинчива-

ния сваи составляет до 7,3 об/мин, угол

наклона сваи до 45° и производитель-

ность до 8 свай в смену при длине свай

6 м и диаметре лопасти 0,8 м. Крупные

сваи-оболочки погружаются при помо-

щи специального электрокабестана, под-

держиваемого над сваей краном.

Винтовые сваи применяются в порто-

строении (при мощной толще слабого

грунта), при строительстве мостов, ли-

ний электропередач, в качестве анкерных

опор при сооружении мачт и лесосплав-

ных устройств и т. д.

Так, например, в Одессе был возведен

пирс портового элеватора на 7 кустах

(в кусте 6 опор) наклонных (наклон 5 ; 1)

винтовых металлических цилиндров дли-

ной до 40 м с железобетонным заполне-

нием, имевших наружный . диаметр

1020 мм, диаметр лопасти 2,2 м, расчет-

ную нагрузку на сваю 5000 кН.

§ и. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СВАЙ

И СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

Общие сведения. Различают

несущую способность свай или сопро-

тивление сваи по условию прочности ее

материала, которая часто имеет решаю-

щее значение для свай-стоек, и по усло-

вию прочности удерживающего сваю

грунта, являющуюся расчетной при

проектировании висячих свай. По мате-

риалу свая рассчитывается на осевое

усилие как центрально сжатый стер-

жень, Кроме того, в ряде случаев при-

ходится учитывать изгибающий момент

и поперечную силу.

Забивные сваи следует рассчитывать

на усилия, возникающие в них в про-

цессе изготовления, складирования и

транспортирования, при подъеме тра-

версой за две точки, удаленные от кон-

цов сваи на 0,21 ее длины,-и при подъеме

на копер за одну точку, удаленную от

головы сваи на 0,3 ее длины.

Из двух значений несущей способно-

сти по материалу и по грунту за расчет-

ное принимается меньшее значение. Ис-

ходя из экономических соображений сле-

дует стремится к тому, чтобы оба зна-

чения сопротивления сваи были макси-

мально близки.

Расчет свайных фундаментов и их ос-

нований производят по предельным со-

стояниям двух групп:

а) по первой группе — по прочности

свай и свайных растверков; по несущей

способности грунта основания свайных

фундаментов и свай; по устойчивости ос-

нований свайных фундаментов в целом

при горизонтальных нагрузках, а также

при основаниях, ограниченных нисходя-

щими откосами;

б) по второй группе — по осадкам ос-

нований свайных фундаментов от вер-

тикальных нагрузок; по перемещениям

свай от действия вертикальных, гори-

зонтальных нагрузок и моментов; по

образованию или раскрытию трещин в

элементах железобетонных конструкций.

Особенно важны такие расчеты при

значительной площади фундамента (эле-

ваторы, склады и др,), когда мощность

сжимаемой толщи велика и в пределах

этой толщи могут оказаться сильно

сжимаемые прослойки грунта.

Несущая способность

сваи-стойки. Несущая способ-

ность железобетонной призматической

сплошной сваи N

, кН, по условию проч-

ности материала при рассмотрении сваи

как центрально-сжатого стержня

где Vr 0>9—i —\ коэффициент условий

работы;

Ф — коэффициент, учитывающий осо-

бенности загружения, гибкость

и др. (для свай, полностью нахо-

дящихся & грунте, ф !);

Rup расчетное сопротивление бетона

при осевом сжатии, кПа;

А — площадь поперечного бетонного

сечения, м

;

с — расчетное сопротивление арма-

туры сжатию, кПа;

Aq — площадь сечения арматуры, м

Расчетное сопротивление Р, кН, сваи-

стойки вертикальной нагрузке по усло-

вию прочности грунта:

Ш (IV Y*) ЯЛ.

где Yc~ I — коэффициент условий работы;

уg --1,4 — коэффициент надежности по

грунту;

R — расчетное сопротивление грун-

та под концом сваи, кПа;

А — площадь опирания сваи на

грунт, м

Следует заметить, что в связи с уплот-

нением грунта при погружении свай и

изменениями в условиях деформируе-

мости основания значения Й для свай

значительно выше, чем для фундамен-

тов на естественном основании.

В строительной практике наиболее

распространенными являются три мето-

да определения несущей способности

одиночной висячей сваи но грунту, ко-

торые обычно называют так: статический,

динамический и пробных нагрузок.

Статический метод оп-

ределения несущей спо-

собности висячей сваи по

грунт у. Этот метод можно назвать

расчетом сваи по характеристикам грун-

та основания.

Расчетное сопротивление сваи на вер-

тикальную сжимающую нагрузку /\ кН,

определяется как сумма сопротивлений

грунта основания под торцом сваи (про-

изведение площади поперечного сече-

ния на расчетное сопротивление грунта

у острия сваи) и по ее боковой поверх-

ности (суммарная сила трения равна

площади боковой поверхности на удель-

ную силу трения между сваей и грунтом).

Таким образом, для условий разно-

слойного грунта

P-ib/t*)

(YCR

YС/ /i h),

где

Ye —1

— коэффициент условии работы

сваи;

— коэффициент надежности по

грунту;

УcR> Уcf — коэффициенты условий работы

грунта под нижним концом и

по боковой поверхности сваи,

учитывающие влияние способа

погружения свай на значение

/ и R (для свай, погружаемых

забивкой Ycfl ^ Yc/ ~ ')'»

R — расчетное сопротивление грун-

та под нижним концом сваи,

кПа;

А — площадь поперечного сечения

сваи, м

;

и — наружный периметр попереч-

ного сечения сваи, м;

fi — расчетное сопротивление /-го

слоя грунта ТОЛЩИНОЙ по

боковой поверхности сваи,

кПа.

При известном значении Р глубину

забивки сваи можно определить подбо-

ром из приведенного уравнения. При

однородном грунте

' P-(Ve/Vr)y

(Ус/yg)

U y

ffi

В том случае, если известен слой грун-

та в котором должна находиться кон-

цевая часть сваи, то полная глубина за-

бивки сваи

i- 1

» - V i,.

р- (Ус/г*) fc* S ЩШ&

)

(Ус/У#)

Уе/f l

Ш- I

где £ /| —суммарная высота слоев грунта,

t расположенных над кровлей

слоя /.

Несущая способность по грунту за*

бивной сваи и сваи-оболочки, работаю-

щих на выдергивание,

118

*du УгЧТуг/ h /|,

где Yr 0,6—0,8 — коэффициент услоций

работы.

Изложенный метод исходит из весьма

грубых представлений о работе сваи в

грунте. В действительности определить

какая часть нагрузки передается через

торец сваи, а какая через боковую по-

верхность, исключительно трудно. Это

соотношение будет зависеть не только от

глубины забивки и свойств окружаю-

щего грунта, но оно будет изменяться и

в процессе нагружения сваи по мере

увеличения ее осадки.

Для решения этой сложной задачи, в

частности, необходимо знать значение и

направление смещения частичек грунта

относительно сваи в различных точках

ее длины. В ряде случаев силы трения

могут иметь обратное направление. Воз-

никает так называемое отрицательное

трение.

Это может проявляться, напри-

мер, в случае, когда острием свая опи-

рается на прочный слой грунта, а осад-

ка вышележащих слоев будет значи-

тельной (больше, чем осадка сваи). При

этих условиях не только не будет пере-

даваться часть внешней нагрузки через

боковую поверхность сваи, но, наоборот,

оседающие массы грунта передадут свае

дополнительную нагрузку и будут ухуд-

шать ее работу.

Поскольку надежных методов теоре-

тического решения всех этих исключи-

тельно сложных вопросов нет, необхо-

димо пользоваться приведенным спо-

собом только для предварительного

определения несущей способности сван

с условием, что она будет в дальней-

шем уточнена в процессе забивки на

основе динамического метода расчета

свай.

Динамический метод оп-

ределения несущей спо-

собности свай. Основан на свя-

зи, существующей между энергией удара

молота и значением погружения сваи

в грунт от одного удара, называемой

отказом. Чем меньше отказ, т. е. чем

меньше погружается свая от удара мо-

лота, тем лучше она удерживается грун-

том.

Предложено более 80 различных фор

мул, выражающий эту связь. Расс*

ИРформулу Н. М. Герсеванова, пред-

ложенную в 1916 г. и рекомендованную

СНиП 2.02.03-85.

Н М. Герсеванов исходил из следую-

щего уравнения работ

GH F' S

Щ Oh

aGH,

работа падающей ударной части

молота (С — вес падающей час-

ти, кН; Н — расчетная высота

падения, м), кДж;

работа затрачиваемая на пре-

одоление сопротивления грун-

та погружению сваи (/*' —

предельное сопротивление сваи

вертикальной нагрузке, кН;

— отказ, м), кДж;

работа, расходуемая на упругие

деформации (А — высота под-

скока молота после одного уда-

ра, м), кДж;

работа, израсходованная на не-

упругие деформации (смятие

головы сваи и подбабка), на

нагревание и прочие потери,

оцениваемая коэффициентом а

в долях от работы молота, кДж.

Выполнив ряд преобразований, из

этого уравнения можно определить пре-

дельное сопротивление сваи F' при ис-

пытании ее динамической нагрузкой:

цАМ

Ш" 1

у ^ Т|Д5

Щ+Щ+Щ

где II— 800—1500 кПа — коэффициент;

А — площадь поперечного сечения

сваи, ограниченная наружным

контуром, м

;

М — коэффициент (при забивке свай мо-

лотами ударного действия М —1);

Ed (0,4—1,0) GH — расчетная энергия

удара молота, кДж;

т, — полный вес молота, кН;

р — коэффициент восстановления удара

(при молотах ударного действия р

—

*f Ш

— вес сваи и наголовника, кН;

— вес подбабка, кН;

— фактический отказ, м.

Соотношение между весом сваи и ве-

сом молота колеблется в пределах

C/m, 0

7-~l,5.

Несущая способность сваи

где Yr I коэффициент условий работы;

Yin 1 коэффициент надежности по

грунту.

Расчетное сопротивление сваи по грун-

ту

Р- Fd/У*.

где у

1,4 — коэффициент надежности по

грунту.

Динамический метод используется для

контроля достаточности глубины забив-

ки свай в процессе возведения сооруже-

ния. Зная параметры сваебойного обо-

рудования, можно определить проект-

ный (требуемый) отказ сваи

_ ,,

(ygP/M) (ygP/M + чА)

m, + m

-f

Найденное по этой формуле для задан-

ной нагрузки на сваю значение расчет-

ного отказа указывается в проекте и яв-

ляется контрольным. Для того чтобы

забитые сваи имели несущую способ-

ность не ниже проектной, необходимо,

чтобы измеренные истинные отказы (т. е.

отказы после отдыха сваи в отличие от

отказов до отдыха сваи, называемые лож-

ными) были не более расчетного.

При забивке свай с наклоном (до 3 :

: 1) высоту падения молота Н уменьшают

на 20 благодаря чему учитывается

дополнительная потеря части энергии

на трение движущихся частей молота.

Указанные формулы выведены для моло-

тов одиночного действия (паровых, воз-

душных, подвесных). В дизель-молотах

энергия удара затрачивается еще на

сжатие воздуха в камере воспламенения

горючего, поэтому вместо GH ставится

численное значение энергии одного уда-

ра, расходуемое на погружение сваи,

приведенное в паспорте дизель-молота.

При использовании молотов двойного

действия в приведенную методику необ-

ходимо внести поправки или произвести

добивку сваи молотом одиночного дей-

ствия. При использовании вибропогру-

жения следует воспользоваться указа-

ниями СНиП 2.02.03—85.

При работе по рассмотренной методи-

ке необходимо делать перерывы в бойке

сваи (так называемый «отдых» сваи).

В маловлажных чистых песчаных и гра-

велистых грунтах плотных и средней

плотности по мере погружения отказ

часто достигает нулевого значения (даль-

где ОН —

F'Sa ~

Gh —

aGH -

нейшая забивка Невозможна), что объяс-

няется образованием местного грушевид-

ного уплотнения под концом сваи. Од-

нако после отдыха здесь наступает разуп-

лотнение, и сваю можно вновь погружать

путем ее добивки, причем отказ возрас-

тает.

В глинистых и плывунных пылева-

тых грунтах возникает противоположное

явление: динамическое воздействие вы-

зывает разжижение окружающего грун-

та и с увеличением глубины забивки от-

каз почти не уменьшается, а может и

увеличиться. В процессе отдыха грунт

восстанавливает структуру (сваю «заса-

сывает»), и отказы уменьшаются. В хо-

рошо фильтрующих водонасыщенных

чистых песчаных игравелистых грунтах

отдых практически не влияет на раз-

мер отказа.

Добивка сваи после отдыха должна

производиться редкими ударами (5—

10 ударов с интервалами 2—5 мин).

Длительность отдыха сваи должна со-

ставлять не менее б сут для глинистых

и не менее 3 сут для песчаных грунтов.

Определение несущей

способности свай по грун-

ту способом статических

пробных н а г р у з о к. Динами-

ческий метод далеко не всегда правиль-

но характеризует действительную не-

сущую способность сваи. Относительно

лучшие результаты получаются при дос-

тижении нижними концами свай пес-

чаных грунтов. Результаты, получаемые

в глинистых грунтах, следует рассмат-

ривать как весьма условные.

Метод статических пробных нагрузок

хотя и является дорогим и трудоемким,

но дает наиболее надежные и достовер-

ные результаты. Его рекомендуется ис-

пользовать при сложных геологических

условиях, возведении ответственных соо-

ружений, большом количестве свай, за-

биваемых в сходных геологических ус-

ловиях.

Испытания состоят в измерениях пе-

ремещений свай под действием статиче-

ской нагрузки, осуществляемой после

погружения и отдыха сваи путем за-

гружения платформы, устроенной на

голове сваи, или с помощью гидравличе-

ских домкратов. Домкраты размещают

между головой сваи и упорными балка'

ми, удерживаемыми группой бункерных

свай (4—6 свай), которые специально

для

этой цели забивают вокруг испытуемой

сваи (для этого целесообразно использо-

вать соседние сваи возводимого свайного

фундамента). Свая погружается ступе

нями. Значение ступеней нагрузки вы-

бирается

от ожидаемой пре-

дельной нагрузки, которая предвари-

тельно подсчитывается теоретически.

В процессе нагружения с точностью

0,01 мм измеряются перемещения сваи.

Для этого используются прогибомеры

системы Максимова и Аистова, индика-

торы часового типа, штангенглубиноме-

ры, нивелиры и другие приборы. Сле-

дующую степень нагрузки начинают осу-

ществлять только после наступления ус-

ловной стабилизации осадки от предыду-

щей ступени. Считают, что стабилиза-

ция наступила, если осадка увеличива-

ется менее чем на 0,01 мм за последние

2 ч для глинистых грунтов и 1 ч для пес-

чаных.

По полученным опытным дан-

ным строится график осадки сваи от

нагрузки (рис. 6.4, а). За предельное

нормативное сопротивление F

свай при-

нимают такую нагрузку, при увеличении

которой резко возрастают осадки при

малом изменении нагрузки.

Для мостов значение F

рекомендуется

принимать таким, при котором следую-

щая ступень нагрузки (критическая на-

грузка) увеличит осадки более чем в

5 раз по сравнению с предыдущей сту-

пенью или вызовет длительную (более

суток) незатухающую осадку.

Для других сооружений это значение

может соответствовать нагрузке, при

которой осадка сваи равна 0,1 S

(рис. 6.4, б), где 5„

— предельно до-

пустимая средняя осадка фундамента.

Испытания производятся в соответствии

с ГОСТ 5686—78 «Сваи пробные. Мето-

ды испытаний». Заметим, что на основа-

нии проведенных испытаний часто стро-

ится также график нарастания осадок

сваи во времени.

По аналогии с динамическим методом

несущая способность сваи F

и расчет-

ное сопротивление сваи Р определяются

так:

Vt*

^hY^i: