§ 49. Определение несущей способности свай, оболочек и столбов
Несущую способность свай всех видов, оболочек и столбов определяют как наименьшее из значений несущей способности, полученных по следующим двум условиям: 1) из условия сопротивления грунта основания свай, оболочек и столбов в соответствии с требованиями СНиП 2.02.03—85; 2) из условия сопротивления материала свай, оболочек и столбов в соответствии с требованиями СНиП по проектированию бетонных и железобетонных или деревянных конструкций, а при проектировании мостов и труб под насыпями также СНиП 2.05.03—84. В данной главе рассматривается только несущая способность грунта основания свай, оболочек и столбов.
Если к голове сваи или оболочки прикладывать постепенно увеличивающуюся продольную нагрузку, то при некотором значении этой нагрузки будут наблюдаться большие резко возрастающие просадки сваи. Это связано с исчерпанием сопротивления сваи по грунту. Нагрузка Fu, при которой начинаются такие просадки, называется предельным сопротивлением сваи по грунту. Величина Fu может быть определена по нормативным документам, найдена в результате статического испытания пробных свай, установлена по результатам динамического испытания свай или статического зондирования грунта. Ниже рассматриваются эти способы определения Fu.
Предельное сопротивление Fu сжатой сваи по грунту складывается из сопротивления грунта по боковой поверхности сваи и сопротивления грунта под ее нижним концом.
Определение несущей способности по СНиП 2.02.03—85. Несущую способность Fu, кН, свай-стоек (забивной квадратной, прямоугольной или полой круглой диаметром до 0,8 м, набивной, буровой и оболочки), опирающихся на малосжимаемый грунт, следует определять по формуле
Fu = γcRA (8.1)
где γc — коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1; R — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи-стойки; кПа; А — площадь опирания на грунт сваи или оболочки, м , принимаемая для свай сплошного сечения равной площади поперечного сечения, а для полых круглых свай и оболочек равной площади поперечного сечения нетто при отсутствии заполнения их полости бетоном и площади поперечного сечения брутто при заполнении этой полости бетоном.
Определение несущей способности по результатам полевых испытаний. Статические испытания проводят с целью проверки и уточнения значений расчетных сопротивлений свай (оболочек), подсчитанных по нормам. Часто результаты статических испытаний позволяют повысить расчетные сопротивления свай (по сравнению с подсчитанными по нормам), уменьшить их число или длину. В связи с этим испытания целесообразно проводить в начальный период устройства свайных фундаментов, когда еще не поздно внести изменения в проект.
К статическим испытаниям свай приступают не ранее чем через 3—6 суток после их погружения, а при бетонировании свай на месте их устройства, например набивных и буровых свай,— не ранее, чем бетон достигнет достаточной прочности.
Испытываемую на сжатие сваю загружают с помощью гидравлического домкрата, установленного на голову сваи и упирающегося в расположенную над ним балку анкерного устройства. Реактивные усилия воспринимают четыре — шесть анкерных свай. Принципиальная схема установки для испытания сваи не отличается от применяемой при испытании штампом грунта в шурфе (см. рис. 3.6). Осадку испытываемой сваи измеряют с помощью двух прогибомеров, прикрепленных к независимой реперной системе, удаленной от испытываемой и анкерных свай с тем, чтобы в процессе испытания реперная система была неподвижной. Для реперной системы можно использовать шпунтовое ограждение котлована, сваи, забитые в основание, и т. д.
Нагрузку на сваю прикладывают ступенями, равными 1/10— 1/15 ожидаемого предельного сопротивления сваи. Каждую ступень нагрузки выдерживают до затухания перемещения испытываемой сваи, после чего нагрузку повышают на очередную ступень. Перемещение (осадку) сваи при данной ступени нагрузки считают затухшим (стабилизированным), если оно увеличилось не более чем на 0,1 мм за последние 30 мин (при опирании сваи на крупнообломочные, песчаные и твердые глинистые грунты) или за последний час (при опирании на глинистые грунты других видов). Отсчеты показаний по прогибомерам берут через каждые 15—30 мин. По полученным результатам строят график испытания сваи (рис. 8.26), на котором отмечают стабилизированные осадки сваи, соответствующие всем ступеням нагрузок.
Рис. 8.26. График испытания сваи на сжатие 1 - общая осадка от нагрузки А; 2 — общая осадка от нагрузки Б; 3 — ступень нагрузки: 4 — осадка за ступень; 5 — предельная нагрузка; 6 — критическая нагрузка
Нагрузку, при которой осадка сваи длительно (1 сут и более) не затухает или резко возрастает (по сравнению с осадкой за предыдущую ступень), называют критической, а нагрузку на одну ступень меньше критической — предельной Fu.
Делением предельной нагрузки Fu на коэффициент надежности γn определяют значение расчетного сопротивления сваи по грунту Fd.
В случае когда элементы фундамента моста, т. е. сваи, оболочки или столбы, опираются на нескальный грунт и ростверк расположен над его поверхностью, значения γn следует принимать в зависимости от числа n элементов в фундаменте.
После достижения критической нагрузки обычно производят разгрузку сваи. При этом нагрузку, приложенную к голове сваи, уменьшают ступенями в 2—3 раза большими, чем при загружении сваи (нижняя кривая на рис. 8.26). Каждую нагрузку выдерживают до стабилизации перемещения (подъема) головы сваи.
Статические испытания позволяют получить наиболее достоверные значения предельных сопротивлений свай. Однако этот способ является наиболее дорогим и трудоемким.
При забивке сваи осадка ее от одного удара (называемая отказом) тем меньше, чем больше при прочих равных условиях несущая способность сваи. На связи между отказом и несущей способностью сваи по грунту основан динамический метод ее испытания. Сущность этого метода заключается в измерении осадки сваи от нескольких ударов молота по ней и вычислении отказа (т. е. осадки от одного удара). По величине отказа, пользуясь специальной формулой, вычисляют затем несущую способность сваи по грунту.
При погружении сваи происходят изменения в состоянии грунта, связанные с уплотнением грунта вокруг сваи и динамическими воздействиями на него во время ее забивки. В водонасыщенных глинистых грунтах вокруг сваи образуется зона разжиженного грунта, нарушаются связи между частицами грунтов. В результате этого сопротивление грунта погружению сваи уменьшается. После забивки сваи происходит постепенное увеличение ее несущей способности. Это может длиться годами, однако основное увеличение несущей способности происходит в первый период времени после забивки, примерно равный 5 суткам для супесей, 15 суткам для суглинков и 25 суткам для глин. Процесс увеличения во времени несущей способности свай называют засасыванием свай.
В песчаных грунтах в процессе забивки сваи вода отжимается в стороны, а вокруг сваи и под нею образуется сильно уплотненная зона напряженного грунта. Во время отдыха сваи напряжения постепенно рассасываются, в результате чего несущая способность сваи уменьшается. Этот процесс, называемый рассасыванием свай, заканчивается в основном через несколько суток после забивки сваи.
В связи с явлениями засасывания и рассасывания динамические испытания свай следует проводить не ранее чем через 3 суток после забивки свай при песчаных грунтах и 6 суток при глинистых грунтах.