Бартоломей - Прогноз осадок свайных фундаментов

А.А.Бартоломей, И.М.Омельчак, Б.С. Юшков
ПРОГНОЗ ОСАДОК СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
Под редакцией чл.-корр. РАН
засл. деят. науки и техники проф. А.А. Бартоломея
Москва Стройиздат 1994

Приведены результаты комплексных  экспериментально-теоретических исследований осадок и несущей способности свайных фундаментов, основные закономерности их взаимодействия с  окружающим грунтом. Изложены методы определения напряжений в активной зоне, полных осадок и осадок во времени ленточных свайных фундаментов и кустов свай с учетом приложения  нагрузки внутри массива и вида эпюр ее передачи по боковой  поверхности и в плоскости острия свай, параметров фундамента,  структурной прочности грунта, сжимаемости газосодержащей жидкости, реологических параметров грунта основания. Рассмотрены  методика и опыт проектирования свайных фундаментов исходя из предельно допустимых осадок зданий.

Для инженерно-технических и научных работников научно- исследовательских, проектных и строительных организаций.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время свайные фундаменты получили  широкое распространение в промышленном и гражданском  строительстве, особенно в сложных инженерно-геологических  условиях. Удельный вес свайных фундаментов составляет 26,6% общего объема фундаментов и достигает 40% в  промышленном строительстве и 50—70% в жилищном. Затраты на свайные фундаменты составляют ежегодно десятки  миллиардов рублей.

В последние годы выполнен значительный объем  экспериментальных и теоретических исследований по свайным  фундаментам, что позволило существенно усовершенствовать нормы их проектирования (СНиП 2.02.03-85). За последние 15 лет нормативные значения расчетных сопротивлений под нижними концами свай увеличились на 7—29%, а несущая способность свай — в 1,3—1,5 раза. Большие работы  проведены по совершенствованию методов расчета свай по физико - механическим характеристикам грунтов и данным  зондирования. Принятый в нормах метод определения несущей  способности свай обеспечивает получение достаточно надежных результатов, во всяком случае более надежных, чем по  зарубежным методам (коэффициенты надежности и  коэффициенты запаса в отечественных нормах принимаются от 1 до 1,4, а в зарубежных нормах от .1,5 до 2,5). Следует отметить, что применение свайных фундаментов не. всегда увязывается с грунтовыми условиями строительных площадок и  экономически целесообразно. Нередки случаи завышения, а иногда и занижения несущей способности свай, сваи погружаются  неправильно и часть свай не доходит до проектной отметки "дна котлована" на несколько метров ("попы").

В настоящее время объем применения прогрессивных  видов свай (предварительно напряженных, пирамидальных, свай-колонн, составных, набивных и др.) составляет 1,9 млн м2, или 27,1% общего объема свай всех видов. Объем использования предварительно напряженных свай, в том числе без поперечного армирования, составляет лишь около 20%, тогда как проведенные нами исследования и  имеющийся опыт показывают, что применение этих свай может  достичь минимум 50%. Практически не используются  пустотелые сваи, в частности квадратные с круглой полостью и полые круглые, в том числе конические, применение которых позволяет снизить расход бетона на 25—30%.. Между тем по данным ВНИИ оснований и подземных сооружений  технически возможным и экономически обоснованным является  использование таких свай в объеме 3,5 млн м2 в год. Ведутся исследования действительной работы тавровых и  пирамидальных свай с консолями для зданий и сооружений с  распорными нагрузками, свай с переменным по длине  поперечным сечением, одинаково эффективно работающих на  вертикальные и горизонтальные нагрузки, свай с развернутым поперечным сечением, позволяющих уменьшить силы  негативного трения. В отечественном строительстве используются в основном забивные сваи.

Несмотря на имеющуюся тенденцию распространения  набивных свай, их удельный вес в целом по стране в общем объеме всех видов свай составляет пока 12%. Редко  применяются короткие набивные конические, пирамидальные,  цилиндрические сваи, позволяющие в большей мере  использовать несущую способность основания. Заслуживают большего внимания сваи в пробитых скважинах. Отсутствие  современного оборудования является препятствием для использования в массовом строительстве набивных свай в водонасыщенных грунтах.

Давно разработаны и применяются безростверковые свайные фундаменты, позволяющие снизить стоимость работ на 10%. Однако объем их применения составляет 6 млн м-  общей площади, или 14,3% общего объема жилых зданий,  возводимых на свайных фундаментах (в Перми свыше 50%). Следует отметить отставание и в разработке оборудования для погружения забивных и устройства набивных сваи. Для массового строительства необходимы паровоздушные молоты с массой ударной части 10 т, а для строительства  уникальных сооружений — с массой ударной части до 50 и 200 т.

В связи с возрастанием объемов применения свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях требуются разработка и внедрение новых эффективных  технологий и методов погружения свай. На основании  всесторонних экспериментальных и теоретических исследований разработан принципиально новый способ погружения Свай с использованием импульсных установок, разработана  механизированная безотходная технология забивки свай и внедрен в строительную практику способ устройства свайных  фундаментов с погружением свай до заданных отметок. На ближайшие годы намечены следующие основные  направления в разработке технологии возведения свайных  фундаментов: разработка комплектов и серийный выпуск импульсных установок для погружения свай и оборудования для механизированной безотходной технологии, обеспечивающих  автоматическую забивку свай до проектной отметки, а при необходимости и их срезку; разработка конструкций составных модульных свай; создание надежных методов контроля качества свайных фундаментов; разработка индустриальных конструкций длинномерных предварительно напряженных свай, составных свай-колонн, технологии устройства буронабивных и набивных свай в  пробитых скважинах, буроинъекционных свай; разработка комплектов оборудования для вдавливания многосекционных свай при усилении фундаментов  реконструируемых зданий и сооружений.

В последние годы проведены многочисленные  комплексные, модельные, полунатурные и натурные полевые  исследования взаимодействия свай и свайных фундаментов с  окружающим грунтом. В результате проведенных исследований выявлены изменения физико-механических свойств грунтов в результате забивки свай, закономерности распределения сил трения по боковой поверхности свай и сопротивления  острия при их работе в различных грунтовых условиях и в  составе различных фундаментов, установлено взаимовлияние свай в составе фундаментов и взаимовлияние свайных  фундаментов в зависимости от количества свай в их составе, длины свай, расстояния между фундаментами, определены зоны  уплотнения вокруг свай и в плоскости острия, послойные  деформации в активной зоне. Частично определены  реологические параметры оснований активной зоны свайных  фундаментов в зависимости от грунтовых условий, длины свай,  параметров свайного фундамента и величины действующей  нагрузки.

Для правильного прогнозирования совместной работы  оснований, фундаментов и надземных конструкций необходимо иметь надежные методы прогноза осадок во времени и  неравномерных осадок, правильно определять несущую  способность и оценивать устойчивость фундаментов. На основании комплексных  экспериментально-теоретических исследований во ВНИИОСП, МИСИ, ЛИСИ, ППИ, СаратовПИ, МарПИ, Укрспецпроекте и других организациях разработаны методы прогноза осадок свай и свайных  фундаментов от действия постоянных, переменных и  технологических нагрузок с учетом взаимовлияния, деформативных свойств грунтов и геометрических параметров фундаментов и ;методы расчета несущей способности и устойчивости свай и свайных фундаментов.

Однако в отношении оценки несущей способности свай и свайных фундаментов, их проектирования, прогноза осадок, крена, неравномерных осадок во времени имеется много нерешенных вопросов, особенно в сложных  инженерно-геологических условиях, объем строительства которых в ближайшие годы достигнет более 50%. Кроме того, анализ отечественного фундаментостроения показывает, что несмотря на  достигнутые успехи в области теоретических разработок Технический уровень массового строительства не соответствует  современным требованиям.

Сравнительный анализ конструктивных решений  фундаментов аналогичных сооружений в близких  инженерно-геологических условиях в нашей стране и передовых зарубежных странах показывает, что несмотря на более высокий общий теоретический уровень исследований по механике грунтов и фундаментостроению при одинаковых нагрузках наши  фундаментные конструкции более материалоемки. Создавшееся положение объясняется следующими причинами: в большинстве зарубежных стран нет обязательных  регламентирующих норм на расчет и проектирование  гражданских и промышленных зданий и сооружений, кроме особо  ответственных (здание АЭС, массивные опоры, высотные  сооружения); инженерно-изыскательские, исследовательские,  проектные и строительные работы ведутся одними фирмами; строительные нормы и правила, обязательные для расчета фундаментов в нашей стране, не в состоянии охватить  широчайший диапазон изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий взаимодействия фундаментов и грунтов, особенностей нагружения, прогноза и учета  реальных длительных процессов взаимодействия системы  основание — фундамент — сооружение. В результате  запроектированные по СНиП фундаментные конструкции не всегда  отвечают оптимальным критериям по стоимости и трудоемкости. Намечены следующие основные направления дальнейших работ по проектированию и расчету свай и свайных  фундаментов.

1. Разработка единой системы требований к инженерно- геологическим изысканиям для свайных фундаментов,  оформлению материалов изысканий, а также системы их 

хранения и поиска, т.е. банка инженерно-геологических данных.

2. Разработка надежных методов оценки несущей  способности различных свай по данным статического зондирования и испытания длинноразмерных (по длине свай) моделей свай. Оценка по этим испытаниям реологических параметров  основания фундаментов.

3. Изменение существующего порядка финансирования работ по забивке и испытаниям опытных свай на стадии изысканий.

4. Уточнение понятия предельной несущей способности различных свай по грунту. Надо иметь в виду, что несущая способность свайных фундаментов при расстоянии между  сваями, равном трем диаметрам, может быть правильно оценена только исходя из предельно допустимых осадок зданий и  сооружений.

5. Районирование грунтов по инженерно-геологическим свойствам, обеспечивающее вариантное проектирование  фундаментов. Шире внедрять региональные рекомендации по  рациональному проектированию свайных фундаментов.

6. Разработка и внедрение единой унифицированной  системы автоматизированного проектирования свайных  фундаментов.

7. Разработка типовых проектов свайных фундаментов для зданий и сооружений массового применения на  основании вариантного метода и оптимизации решений на ЭВМ.

8. Разработка единой унифицированной программы  прогноза осадок одиночных свай, ленточных свайных  фундаментов и кустов свай в рамках нелинейной теории  наследственной ползучести и теории фильтрационной консолидации  методом конечных элементов.

9. Проведение комплексных  экспериментально-теоретических исследований несущей способности и осадок свай и свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях (просадочных, набухающих, засоленных и  загипсованных, закарстованных, насыпных и слабых водонасыщенных и заторфованных грунтах).

Экспериментальные исследования показывают, что  несущая способность свайных фундаментов из висячих свай  может быть правильно оценена только исходя из предельно  допустимых осадок зданий и сооружений. Однако методы  расчета осадок различных свайных фундаментов  разработаны еще недостаточно, поэтому приведенные в книге результаты всесторонних экспериментальных исследований осадок и  несущей способности свайных фундаментов, методы прогноза осадок и методика проектирования свайных фундаментов  исходя из предельно допустимых осадок зданий и сооружений с учетом закономерностей взаимодействия свай с окружающим грунтом и реологических параметров грунта основания  имеют большое научное и практическое значение.

Комплексные экспериментально-теоретические  исследования осадок свайных фундаментов и взаимодействия свай с окружающим грунтом позволили в натурных условиях  уточнить физическую сущность процесса увеличения несущей способности свай и свайных фундаментов во времени;  установить изменение физико-механических свойств грунтов в  уплотненной зоне; изучить закономерности распределения сил трения по боковой поверхности свай свайных фундаментов при их работе в различных грунтовых условиях; выявить  закономерности развития осадок центрально и внецентренно загруженных свайных фундаментов в зависимости от расстояния между сваями, их длины; установить взаимное влияние свайных фундаментов, фактические осадки зданий; изучить напряженно-деформированное состояние активной зоны.

На основании аналитических решений разработаны  методы определения несущей способности свайных фундаментов во времени при их работе в водонасыщенных глинистых грунтах; методы определения напряжений в активной зоне; методы расчета полных осадок и осадок во времени  ленточных свайных фундаментов и кустов свай с учетом  приложения нагрузки внутри массива и закономерностей передачи ее по боковой поверхности и в плоскости острия свай,  параметров фундаментов, коэффициента бокового расширения  грунта, структурной прочности грунта, сжимаемости газосодержащей жидкости и других факторов; получены формулы  расчета осадок свай и свайных фундаментов во времени с учетом нелинейных свойств грунта и предложена методика  проектирования свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам зданий и сооружений.

Результаты проведенных комплексных натурных  исследований взаимодействия свайных фундаментов с окружающим грунтом, их осадок и напряженно-деформированного  состояния активной зоны позволяют учитывать при  проектировании свайных фундаментов увеличение несущей способности свай и свайных фундаментов во времени, изменения физико- механических свойств грунтов в результате забивки свай,  закономерности распределения сил трения по боковой  поверхности и сопротивления острия, проверять и разрабатывать новые методы определения напряжений и расчета осадок фундаментов.

Разработанные методы расчета осадок и определения  напряжений наиболее полно учитывают действительную работу свайных фундаментов и позволяют с минимальной затратой времени рассчитывать полные осадки и осадки во времени, напряжения во всей активной зоне центрально и внецентренно нагруженных свайных фундаментов, взаимное  влияние фундаментов и проектировать свайные фундаменты по предельным состояниям.

Использование полученных данных в практике  строительства показало, что нагрузки на свайные фундаменты могут быть во многих случаях увеличены на 30—50%, а при контакте ростверка с грунтом в некоторых случаях более чем в 2 раза.

Внедрение результатов исследований и разработанных  рекомендаций в практику строительства, проектирование  свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам, учет увеличения несущей способности свай во времени и роли  ростверка в несущей способности фундаментов позволило  получить на стройках Главзападуралстроя и других объектах  значительный экономический эффект.

Анализ показывает, что внедрение прогрессивных  конструкций свай, вариантное проектирование и проектирование свайных фундаментов по предельно допустимым  деформациям позволят снизить сметную стоимость строительства  объектов на свайных фундаментах минимум на 15—20%. Сделанные в монографии выводы и рекомендации  относятся к центрально и внецентренно загруженным кустам свай и ленточным свайным фундаментам с одно-, двух- и трехрядным расположением свай при их работе в глинистых грунтах текуче-, мягко- и тугопластичной и полутвердой консистенции и песчаных грунтах рыхлого сложения и  средней плотности.

Глава 1. Комплексные экспериментальные исследования взаимодействия свайных фундаментов с окружающим грунтом

1.1. ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ОПЫТНЫЕ ПЛОЩАДКИ

Несмотря на широкое применение свайных фундаментов, еще недостаточно изучены многочисленные факторы,  влияющие на несущую способность и осадку свай при их работе в составе различных свайных фундаментов и в различных грунтовых условиях, особенно в глинистых грунтах. Это  объясняется чрезвычайной сложностью и трудоемкостью  проведения натурных испытаний свайных фундаментов. 

Большинство исследователей ставили перед собой задачи по  выявлению отдельных закономерностей, поэтому пока мало  проведено комплексных натурных исследований по изучению  процессов, протекающих в грунтах при забивке свай, по  определению изменения давлений в поровой воде и скелете грунта, увеличения несущей способности свай во времени, по  установлению распределения сил трения по боковой поверхности свай и сопротивления острия, напряженно-деформированного состояния активной зоны, изменения физико-механических свойств грунта, распределения нагрузки между сваями и  выявлению зависимости осадок свайных фундаментов от  различных факторов.

С целью исследования осадок и действительной работы свай в составе кустов и ленточных свайных фундаментов  авторами были проведены полевые испытания в различных грунтовых условиях одиночных свай, свай-штампов, тензосвай, свайных фундаментов при расположении свай в один и два ряда с расстоянием между сваями 3d и 6d (сваи сечением 25x25 и 30x30 см, длиной 5.—12 м), кустов из 4, 6, 9 свай, ленточного фундамента на естественном основании, штампов. Всего было проведено 22 комплексных исследования  различных ленточных свайных фундаментов, девяти кустов, 127 одиночных тензосвай и парных свай, свай-штампов. Опыты проводились в различных районах г. Перми и Пермской области при строительстве гражданских и  промышленных зданий и сооружений, а также на семи  специальных опытных площадках с различными грунтовыми  условиями. Кроме того, было проведено около 500 опытов с  мало- и крупномасштабными кустами, ленточными свайными фундаментами с расположением свай в один, два и три ряда в песчаных грунтах в лаборатории и в глинистых грунтах в полевых условиях (сваи диаметром 30 мм, длиной 350, 650 и 1000 мм, расстояние между сваями 3d и 6d).

Программой экспериментов предусматривалось  установить: процессы, происходящие в грунтах при забивке и после забивки свай; увеличение несущей способности свайных фундаментов при их работе в водонасыщенных глинистых грунтах; закономерности развития осадок центрально и внецентренно загруженных фундаментов; распределение нагрузки между сваями фундамента; несущую способность свай и свайных фундаментов в  различных грунтовых условиях при действии горизонтальной нагрузки; распределение нагрузки между боковой поверхностью и острием сваи; распределение сил трения по боковой поверхности свай при их работе в составе фундамента; напряжение под ростверком, в межсвайном пространстве и в активной зоне фундамента; зоны деформации грунта и распределения напряжений в активной зоне свайных фундаментов.

При всестороннем изучении характера работы свайных фундаментов одним из основных условий является выбор площадок с однородными грунтами значительной мощности, что позволяет обобщить результаты исследований и избежать неправильных выводов. Специальные экспериментальные площадки выбирали с таким расчетом, чтобы можно было провести исследования в глинистых грунтах различной  консистенции и песчаных грунтах различной плотности.

Площадки А, В представлены четвертичными суглинками и глинами мягкопластичной консистенции мощностью 12 м. Ниже залегают водонасыщенные пески и гравийногалечниковые отложения, подстилаемые коренными породами (табл. 1.1). С целью исследования работы свай и свайных фундаментов в водонасыщенных глинистых грунтах  мягкопластичной консистенции были приняты экспериментальные сваи длиной 5—8 м.

В период экспериментов уровень грунтовых вод  находился на 0,15 м ниже поверхности площадки, что позволило проводить опыты в одинаковых условиях. Площадка Б сложена слоем суглинков различной  консистенции. С поверхности до глубины 5,5—7 м залегают аллювиально-делювиальные суглинки, консистенция которых  изменяется от полутвердой до тугопластичной, а на глубине 4—5 м находятся линзы суглинков текучепластичной и  текучей консистенции. Под слоем аллювиально-делювиальных суглинков залегают моренные суглинки тугопластичной консистенции с редким включением гравия, мощность слоя в среднем около 7 м. С глубины 13—14 м залегают галечники с включением глины (табл. 1.2). Площадка Г сложена слоем четвертичных суглинков  мягко- и тугопластичной консистенции мощностью 14 м. Ниже залегают гравийно-песчаные отложения, песчаник (см. табл. 1.2). Площадка Д сложена четвертичными суглинками и глинами, консистенция которых изменяется от полутвердой,  тугопластичной до мягко- и текучепластичной. Мощность слоя суглинков и глин 24—25 м. Ниже залегают коренные  породы, представленные аргиллитами. Грунтовые воды находятся на глубине 2,5—3,5 м.

Физико-механические свойства грунтов, отобранных через 1,5—2 м на глубину до 22 м, приведены в табл. 1.3. На  данной площадке были испытаны свайные фундаменты из свай сечением 30x30 см, длиной 12 м. Площадка Е представлена древнечетвертичными и  верхнепермскими отложениями. К древнечетвертичным  отложениям, которые приурочены к III и IV надпойменным  террасам р. Камы, относятся глины, суглинки, гравийные  отложения; к верхнепермским — аргиллитоподобные глины.  Мощность суглинков и глин 14 м. Их консистенция изменяется от тугопластичной до полутвердой (см. табл. 1.3). Грунтовые воды приурочены к песчано-гравийным отложениям. На  данной площадке были испытаны свайные фундаменты из свай сечением 30x30 см, длиной 6 и 12 м.

Площадка Ж сложена мелкозернистыми песками средней плотности. Мощность слоя 15—16 м. Ниже залегают  гравийно-галечниковые отложения, песчаники. Кроме натурных опытов в полевых условиях были  проведены исследования с мало- и крупномасштабными свайными фундаментами на экспериментальных площадках и в  лаборатории. В лаборатории опыты проводились в грунтовом лотке размером в плане 1,4x2 м. Основанием служил однородный пылеватый песок рыхлого сложения, средней плотности и плотный. Песок рыхлого сложения был получен в результате просеивания на наборе сит с высоты 20 см, песок средней плотности и плотный — путем уплотнения слоев толщиной по 10 см до рабочего значения объемной массы грунта,  соответствующей 1,75—1,8 т/м для песка средней плотности и 1,9—1,95 т/м — для плотного. Угол внутреннего трения  песка средней плотности составлял 26°. Гранулометрический  состав грунта: частиц крупнее 1мм — 2,45%; крупнее 0,5 мм— 20,35%; крупнее 0,25 мм— 24,2%; крупнее 0,1 мм — 27%, крупнее 0,05 мм — 26%.

В связи с тем что в процессе экспериментов изменяются плотность и влажность грунта, после каждой серии опытов грунт из лотка извлекали, а затем вновь укладывали, уплотняя до получения необходимой объемной массы, и одновременно увлажняли до первоначальной влажности A6—17%),

Это позволило провести все опыты в грунте примерно  одинаковой плотности и влажности и получить более достоверные результаты.

Для оценки точности результатов измерений определяли среднеквадратичную погрешность отдельных измерений, среднеквадратичную погрешность результата серии  измерений, абсолютную и относительную погрешности.  Коэффициент надежности был принят 0,95. Для обеспечения  достоверности результатов опыты проводились с пяти -шестикратной повторяемостью.