д.т.н. Чурадзе Т.К., к.т.н. Грдзелишвили М.В.,

докторант – Сухиташвили Э.З., докторант - Цоцолашвили М.М.,      

докторант – Джамагидзе Р.Г.

Грузинский Технический Университет, Грузия

Метод расчета свай на вертикальную нагрузку

Удельная доля использования свайных фундаментов в строительстве мостов весьма значительна, что требует дальнейшего усовершенствования технических решений по их проектированию и как высококачественного выполнения рабочих процессов по их устройству, так и внедрения новых прогрессивных технологий (1;2).

На сегодняшний день, согласно действующим в нашей стране строительным нормам  по проектированию свайных фундаментов (СниП 2.02.03-85), исходя из порядка заглубления в грунтовый массив сваи делятся на следующие пять видов:

·               Забивные сваи, которые в укладывают грунтовый массив с использованием мощных динамических ударов, вибропогружателей и напорных устройств, т.е. их устройство в грунтовом массиве происходит без выемки грунта. Забиваемые сваи могут быть железобетонными, деревянными и металлическими. К числу забивных свай относятся и железобетонные сваи-оболочки, которые имеют открытую нижнюю часть, однако они закладываются в грунтовый массив путем забивания, т.е. не осуществляется (или только частично осуществляется) выемка грунта из внутренней части корпуса оболочки.

·               Сваи-оболочки, которые укладываются в грунтовый массив с использованием вибропогружателей, и погружение которых  в грунт происходит путем последовательной выемки грунта из внутренней части их корпуса и в конце – частичным или полным заполнением бетоном полученных пустот. Сваи-оболочки изготавливаются только из железо­бетона.

·               Набивные сваи, которые укладываются в колодцы, предвари-тельно устроенные в грунтовом массиве, с последующим заполнением бетоном или железобетоном. В этом случае укладка колодцев происходит без выемки грунта, т.е. осуществляется принудительное расширение стенок колодца в грунтовом массиве путем сжатия.

·               Буровые сваи, которые укладываются в колодцы, предвари-тельно пробуренные в грунтовом массиве, с последующим заполнением бетоном или железобетоном (в свою очередь, буровые сваи, согласно порядку их устройства делятся на 7 видов, из которых мы рассмотрим только буронабивные сваи).   

·               Винтовые сваи, которые укладываются ввинчиванием предвари­тельно изготовленных металлических свай в грунтовый массив.  

Целю исследования является разработка инженерного метода расчета несущей способности подвесных буронабивных свай, который основывается на следующем:

Нагрузки, действующие на буронабивные сваи, передаются окружающему грунту с помощью сил трения, которые возникают на поверхности сваи, а также тем сопротивлением, которое возникает в вершине сваи (рис. 1). Т.е. сила трения, которая возникает между подвесной сваей и окружающим ее грунтом, включает грунт в совместную со сваей статическую работу. Таким образом, вследствие осадки сваи из-за действующей нагрузки происходит уплотнение окружающего сваю грунта. Очертания контура деформированной уплотненной зоны зависят от длины сваи и от свойств грунта, а также от той технологии, по которой осуществляется устройство свай. Согласно нормам, форма этой зоны условно принята за конус с углом  при вершине (где φ – угол внутреннего трения).

  Для поставленной задачи исполозованы основопологающие методы строительной механики и механики грунтов.   

 

 

                            Рис. 1

 

Вокруг сваи возникает несущая (уплотненная) среда грунта, которая претерпевает деформации и воспринимает ту часть нагрузки внешних сил, которая передается ей силами трения, возникшими на поверхности сваи.     

Составим расчетную схему (математическую модель), исходя из того условия, что после действия силы Р на сваю окружающий грунт испытывает упругие деформации, и эти деформации с ростом глубины становятся все больше. В целом, перемещение любого верхнего слоя меньше перемещения нижнего слоя, что легко доказывается (поскольку силы трения, возникшие на поверхности сваи, увеличиваются с глубиной). 

Рассмотрим следующую расчетную схему: свая погружена на глубину h и на нее действует сила Р, вследствие чего на поверхности сваи возникает сила трения F(T) (рис. 2), которая создает в окружающем грунте дополни­тельные  нормальные напряжения .

 

Рис. 2

 

Каждая частица верхнего слоя грунта, которая расположена у поверхности сваи, силами трения перемещается вниз и оказывает дополнительный нажим на грунт, расположенный в нижних слоях. Т.е., как мы отметили выше, при контакте сваи и окружающего грунта возникают допонительные нормальные напряжения, которые склады­ваются с напряжениями, вызванными естественным давлением (рис.2). 

Попытаемся рассчитать дополнительные контактные напряжения  на поверхности сваи периметром П, возникшие из-за сил трения на глубине . С этой целью вырежем на глубине ξ элемент dz и рассмотрим нормальное напряжение на глубине , дополнительное вызванное им, которое будет равно:

                                                  (1)

– значение элементарной контактной силы трения, которая возникает на поверхности сваи длиной , т.е. dt= , где  – сила трения, возникшая на 1 м2, вызванная естественным давлением на поверхность сваи.

F(z) – площадь уплотненного дна конуса распространения давления на глубину z, k – коэффициент, который должен отражать закономерность распределения напряжений, вызванных силами трения на глубине z.

Полное суммарное контактное нормальное напряжение, которое возникает в окружающем сваю грунте на глубине zo, будет равняться:

                       

                                        =q+           

                                                                                    (2)

где – интенсивность действующей нагрузки поверхности земли;

 – вызванное естественным давлением нормальное напряже­ние на глубине .

Т.е. для установления функциональной зависимости между силами, действуюшими на сваю и величинами нормальных контактных напряжений, дополнительно вызванных ими в окружающем сваю грунте нами был введен следующий механизм их взаимодействия (рис. 3).

В результате воздействия осевых сил на поверхность сваи она претерпевает осадку, вследствие чего на поверхности сваи возникают силы трения (рис. 3, а), которые действуют на окружающий сваю грунт и вызывают уплотнение определенной массы вокруг нее (рис. 1). Как это уже определено нормами, мы тоже принимаем за область распростра­нения давления вокруг сваи конус с углом  при вершине (где φ – угол внутреннего трения окружающего грунта). В первом приближении криволинейную осадку окружающего грунта принимаем за прямо­линейную (рис. 3, б).

Данную упрощенную схему взаимодействия между сваей и окружа-ющим грунтом можно принять как первое приближение, которое позволит нам провести определенный анализ несущей способности свай и дать ответ на результаты некоторых экспериментальных опытов.

    

Рис. 3

Пользуясь вышеуказанными допущениями, можно составить следу­ю­щую упрощенную математическую модель:    

Вычислим дополнительные нормальные напряжения, возникшие в окружающем сваю грунте диаметром D из-за действия силы Р на глубине Z.

С этой целью вырежем на глубине Y (схема в) элемент сваи dT, на поверхности которого из-за естественного давления возникнет сила трения , которая должна равняться dT= или dT=; которая должна быть уравновешена реакцией dF, развившейся из-за силы dT на глубине Z. С учетом вышеуказанного допущения о том, что окружающий грунт испытывает линейную дефор-мацию (тогда, соответственно, эпюра напряжений тоже будет прямоли­нейной), можно записать:

;

Если учесть, что  , получим:

или

поскольку dT = dF, получим:

т.е.

т.е.

или  

Таким образом, исходя из вышеуказанных допущений, дополни­тельное нормальное напряжение в окружающем сваю грунте меняется по следующему закону:    

Рассмотрим на конкретном примере закономерность изменения нор-мальных напряжений в окружающем сваю грунте, находящемся в кон-такте со сваей. 

Возьмем H=10                , получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4

Выводы - научная навизна и теоретическое значение исследование состоит в установлении  возникновении дополнительных нормальных контактных напряжений вызываемые силами трения, которые возникают на поверхности сваи, растут нелинейно, а после определенной глубины практически не увеличиваются, чем можно частично объяснить то несоответствие в изменении сил трения. В дальнейшем предполагается разработать перспективный современный метод расчета устойчивости склонов.

 

 

Литература

1.     Jto T., Matsui T. Methods to estimate laterally force action on stabilizing piles.// “Soils and Foundations”, 1975 – v.15, №4 – pp. 43-59.

2.     Чурадзе Т.К., Талиашвили Д.Т. К вопросу взаимодействия ополз-невого массива со сваями.// «Транспорт», №3, Тбилиси, 2005. – с. 47-48.