ИССЛЕДОВАНИЕ СВАЙ В ПРОБИТЫХ СКВАЖИНАХ

"Основание, фундаменты и механика грунтов" - 2001, №5 

ИССЛЕДОВАНИЕ СВАЙ В ПРОБИТЫХ СКВАЖИНАХ
ПРИ ПРОСАДКЕ ОКРУЖАЮЩИХ ГРУНТОВ

© И.К.Попсуенко

Разработано и апробировано оборудование для устройства свай в пробитых скважинах диаметром до 1 м в просадочных грунтах II типа. Проведен натурный эксперимент по исследованию одиночных и кустовых свай при длительном замачивании и просадках окружающих грунтов от собственного веса. Отмечено влияние уплотнения околосвайного грунта на уменьшение сил негативного трения и осадки свай в пробитых скважинах.


Экспериментальные исследования свай, а также усилий от сил негативного трения, возникающих на их боковой поверхности при просадке грунтов, проводились на опытном участке в Яванской долине в Таджикистане.
До глубины 12 м участок сложен лессовыми макропористыми грунтами II типа по просадочности с расчетной просадкой от собственного веса 55 см, плотностью 1370...1550 кг/м3 при природной влажности 0,05…0,14. Далее залегают слои погребенных плотных непросадочных суглинков мощностью 1...1,5 м с включением до 40% песка и валунов; ниже до разведанной глубины 28 м - лёссовидные грунты, утратившие свои просадочные свойства под воздействием природного давления.


В опытном котловане (рис.1) размерами 25x57 м в одном из торцов был устроен армированный массив грунта [1], включающий в себя 12 элементов-свай в пробитых скважинах с расстоянием в осях 4.5 м, а на противоположной стороне котлована выполнены одиночные сваи в пробитых скважинах С-1 и С-2. В каждую скважину диаметром 900...1000 мм было втрамбовано 1,5 м3 щебня порциями по 0,3...0,7 м3 с созданием уширений диаметром 1,2...1,35 м. Затем скважины послойно засыпались с трамбованием суглинисто-гравийной смесью засыпками высотой 1...1,2 м с объемным соотношением грунта и щебня 2:1, влажностью 0,16...0,20 и плотностью 1850…1950 кг/м3.
Пробивка скважин, втрамбовывание щебня в их нижнюю часть и послойное уплотнение засыпок осуществлялись цельнометаллическим ударным снарядом, навешанным на экскаватор 0-10011. Масса снаряда 4 т; диаметр ударного наконечника 720 мм; диаметр штанги 300 мм, длина 5,5 м. Перед пробивкой проводилось увлажнение грунта до оптимальной влажности через лидерные скважины. Вокруг пробитой скважины диаметром 0,9 м за счет вытеснения грунта формируется кольцевая зона уплотнения толщиной 0,8...0,9 м со средней плотностью 1700 кг/м3.
В стволы свай были заложены динамометры: в С-1 - на глубине 4,7 и 9,8 м; в С-2 - 4,9 и 10,8 м; в С-4 - 9 м; в С-5 - 7 и 10 м. Чувствительные элементы тензодинамометров изготовлялись, гидроизолировались и тарировались в соответствии с рекомендациями [2,3] и бетонировались враспор бетоном класса В-5. Силы негативного трения измерялись ежедневно в течение 4-х месяцев регистрирующим прибором ИДЦ-1 с параллельным контролем сопротивлений изоляции тензодатчиков. Для определения просадок грунтов площадка была оборудована

 

 

поверхностными марками, которые периодически нивелировались по II классу [4] относительно неподвижного репера.
Замачивание котлована осуществлялось равномерно по площади вокруг свай С-1 и С-2 и по односторонней схеме в зоне, прилегающей к армированному массиву в течение 112 дней при общем расходе 13700 м3 воды.
Просадки грунтов в котловане начали развиваться на 7-8 сут после начала замачивания со скоростью 0.5...2 мм/сут и происходили неравномерно в плане. К концу замачивания наибольшая просадка наблюдалась в юго-восточном углу котлована и составляла 640 мм, в средней части - 465 мм. Просадки грунтов естественной структуры, прилегающих к свае С-1, достигли в продольном направлении по лучу Б-Б - 59...126 мм (см. рис.1), в поперечном по лучу В-В - 60... 126 мм, а осадка самой сваи С-1 - 56 мм. Осадка сваи С-2 составила 120 мм, а просадка прилегающих к ней грунтов по продольному лучу Б-Б (рис.2) - 174...222 мм, в поперечном направлении - по лучу Г-Г 130...302 мм (см. рис.1). По боковой поверхности сваи С-1 образовался срыв грунта с относительным вертикальным смещением 37 мм. Смещение грунта относительно боковой поверхности сваи С-2 составило 84 мм. Осадки крайнего ряда свай армированного массива, прилегающих к котловану, составили 35 мм, глубина зоны развития наиболее интенсивных осадок поверхности вглубь массива -7 м; а наибольшая относительная неравномерность осадок между первым и вторым рядами сваи не превышала 0,003. В зоне грунтов, прилегающих к армированному массиву, разности просадок грунтов и осадок самого массива со срывом по его боковой поверхности не наблюдалось.
Кривая изменения просадок на конечном этапе её развития обращена выпуклостью вниз с перегибом в непосредственной близости от боковой поверхности массива.
Силы нагружающего трения Рн в сваях С-1 и С-2 начали развиваться (рис.3 ) на 12... 15 сут, а в массиве - на 22...25 сут с начала замачивания. Наиболее интенсивный рост усилий Рн (75...80 кН/сут) происходил на первоначальном этапе развития просадок грунтов. В дальнейшем их нарастание снизилось до 15...20 кН/сут, а стабилизированная величина Рк в С-1 составила 1200.Л 300 кН при удельных силах но боковой поверхности 30...42 гсН/м2, а в С-2 соответственно - 1800 кН и 53 кН/м2. Объяснением практически одинаковых усилий Рн в С-1 на глубинах 4,7 и 9,8 м является предположение о совместной работе сваи в пробитой скважине и окружающего её массива уплотнённого грунта и восприятии уплотненным массивом значительной доли Рн.

С ростом глубины доля дополнительной пригрузки, воспринимаемая защитной оболочкой из уплотнённого грунта, возрастает.
В свае С-2 на глубине 10,8 м в начальный период также отмечается скачкообразный рост усилий до 800 кН с последующим падением до 430 кН и новым нарастанием до 1750... 1820 кН с последующей стабилизацией на 110 сутки замачивания. Удельные стабилизированные силы Рн в С-2 достигали 52...54 кН/м2, что в 1,3 раза больше, чем в С-1, окружённой грунтовыми сваями. Изменение усилий в С-2 на глубине 4,9 м происходит более плавно, чем на глубине 10,8 м, с первоначаль ным нарастанием до 1180 кН, В дальнейшем при просадках грунтов и перемещении их относительно сваи С-2, по-видимому, произошёл "срыв" грунтов по боковой поверхности, а сила Рк в его верхней части существенно уменьшилась и составила к окончанию замачивания 400 кН. При этом периоды разгрузки С-2 на глубине 4,9 м и дополнительной лри-грузкиС-2 на глубине 10,8 м практически совпадают. Это свидетельствует о том, что наибольшую дополнительную нагрузку при просадках грунтов и перемещении их относительно одиночных свай в пробитых скважинах следует ожидать в их нижней части, где усилия носят установившийся без срывов характер.
Сопоставление графиков изменения усилий Рн в верхней части С-1 и С-2 на глубинах 4,7 и 4,9 м в начальный период замачивания (по истечении 40...50 сут) указывает на их близкие величины и характер развития. Это свидетельствует о том, что защитная оболочка в виде уплотнённого вокруг фундамента массива в данном случае имеет значение лишь с глубины 5...7 м, ниже которой происходит интенсивный рост Рн.
Представляет интерес сопоставление зависимости перемещений свай С-1 и С-2 от Рн (рис.4). Для С-1, нагруженной силами Рн, исчерпание несущей способности подстилающих грунтов и перегиб кривых зависимостей осадок от сил Рн наступает при нагрузке 1250...1300 кН, а для С-2 - при 1750...1820 кН.
Анализ приведенных данных, особенностей инженерно-геологического сложения площадки, а также расчёты показывают, что отмеченное явление объясняется различными размерами загруженных площадей: под элементом С-1 площадь опирания с учётом окружающих его трех армирующих элементов составляет 2,35 м2 ,а для одиночной сваи С-2 -0,785 м2. Следствием различных опорных площадей С-1 и С-2 являются разные глубины сжимаемых зон под фундаментами. Нижняя граница сжимаемой зоны от нагрузки нижнего конца С-1 и окружающих армирующих элементов находится на глубине примерно 16 м в массиве лёссовидных сжимаемых грунтов, залегающих ниже плотного слоя с включением гравия. Свая С-1 в данных грунтовых условиях имеет меньший резерв несущей способности, чем С-2.
Анализ результатов исследований усилий Рн в С-4, С-5 армированного массива (рис.5) показал, что наибольшая дополнительная нагрузка к концу замачивания возникает в нижней части армирующих элементов на глубине 10 м, расположенных внутри массива во втором ряду и достигает 700 кН. На глубине 7 м дополнительная нагрузка составила 550 кН. В С-4 рост Рн происходил неравномерно с наличием чередующихся пиков и падений усилий в зависимости от роста просадок окружающих грунтов. Наибольшая сила нагружающего трения зарегистрированная на глубине 9 м в С-4, составила 550 кН.
Установлено существенное влияние уплотнения околосвайного грунта на уменьшение осадки сваи в пробитой скважине и сил негативного трения по её боковой поверхности. Уплотнение околосвайного грунта, улучшающее работу свай в просадочном грунте II типа, эффективно лишь при жёстком и прочном подстилающем слое, служащим основанием свай.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крутое В.И., Попсуенко И.К. Устранение просадок лёссовых грунтов путём армирования просадочной толщи//ОФМГ.- 1976.- N6. - С.17-19.
2. Руководство по гидрозащите тензорезисторов и тензорезисторных преобразователей.-М.: НИИЖБ, 1976.-17 с
3. Руководство по тензометрированию строительных конструкций и материалов.- М., НИИЖБ, 1971.-86 с.
4. Руководство по наблюдениям за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений .-М.: -Стройиздат, 1975.-156 с.