О работе свайного фундамента в грунте

Проектирование свайных фундаментов (геотехническая практика)

Рост мегаполисов, увеличение плотности населения, глобальные экономические вызовы, градостроительные и архитектурные новации неизбежно влияют на строительный прогресс. Фактор роста нагрузок и напряжений в конструкциях, фактор сложности инженерно-геологических условий городских агломераций – все это определяет необходимость внедрения современных решений при выборе типов фундаментов.

Без точных математических моделей разработка эффективного проекта строительства зданий и сооружений на свайном основании не представляется возможной. Однако любая новая модель требует апробации и верификации. Недостаточность сравнительной информации работы модели с реальным поведением системы свая – грунтовый массив заставляет проектировщиков закладывать «запасы на незнание» в проектах, что в конечном счете неизбежно приводит к существенным экономическим расходам, к увеличению сроков проектирования и строительства.

ПРОЕКТ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА

При максимальном использовании несущей способности свай по грунту и материалу обеспечивается рациональность и экономичность конструкций свайных фундаментов. К сожалению, в сложившейся отечественной практике зачастую не полностью используется прочность свай по грунту, в ряде случаев ее недоиспользование достигает 40 %. Это можно объяснить следующим: излишней осторожностью при проектировании, некачественными изысканиями, неправильным применением методик расчета и, конечно же, недостатками самих используемых методов.

Излишняя осторожность проектировщиков не является оправданной, так как изучение и обобщение опыта строительства зданий на свайных фундаментах из забивных свай показывает, что они, как правило, надежнее фундаментов на естественном основании. По статистике, несущественные деформации в несущих конструкциях составляют не более 0,02 % от числа построенных зданий. При этом возникновение деформаций объясняется главным образом неучетом грунтовых условий (заложение нижних концов свай в слабых органогенных и биогенных грунтах и др.), а также ошибками, допущенными в процессе производства работ.

К примеру, одним из интересных обстоятельств является то, что в соответствии с методикой Свода Правил (СП) 24.13330 значения нормативных сопротивлений грунта под нижними концами свай указаны применительно к песчаным грунтам средней плотности, а для плотных песков рекомендуется их увеличивать до 100 % (табл. 7.2 СП 24.13330). И даже при этом многочисленные сопоставления нормативных значений несущей способности свай при заглублении нижних концов в плотные пески с результатами статических испытаний свай, погруженных в аналогичные грунты, показывают, что несущая способность свай, определенная по СП 24.13330, значительно занижена, т. е. даже при двукратном увеличении значении расчетных сопротивлений. Кроме того, практика показывает, что погружение забивных свай в плотные пески возможно не более чем на 0,3–0,5 м. К сожалению, данные аспекты как правило не учитываются при проектировании свайных фундаментов.

На рис. 1 приведены кривые зависимости осадок от нагрузок, полученные при испытаниях свай длиной до 7 м, сечением 30×30 см статической нагрузкой (по материалам института Фундаментпроект). При сравнении этих данных с результатами расчетов по СП 24.13330 можно увидеть существенные различия в значениях расчета несущей способности свай. Таким образом, эти диаграммы непосредственно указывают на целесообразность повышения несущей способности свай, заглубленных в плотные пески.

зависимость осадок от действующей нагрузки на сваи

По данным ряда исследований, несущая способность свай, погруженных в плотные пески, оказывается в 1,5–2 раза выше результатов расчетов по СП 24.13330.

Современные нормативно-технические документы в строительстве рекомендуют выполнять расчеты фундаментов, в том числе свайных, с учетом физической и геометрической нелинейности, с помощью численных методов, реализованных в популярных программных комплексах, таких как PLAXIS, Rocscience RS и др. В СП 24.13330.2011 существует требование о необходимости выполнения расчетов свайных фундаментов с построением математических моделей, описывающих их механическое поведение для расчетов по первому или второму предельному состоянию. Также рекомендуется выполнять верификацию выбранных моделей, отражающих механизмы взаимодействия свайных фундаментов и прилегающих грунтовых массивов для выполнения геотехнических расчетов. Однако при этом не приводятся рекомендации по выбору подобных моделей, более того не представлен состав моделей, которые возможно применять в тех или других грунтовых условиях (кроме эмпирического решения по п. 7.2.2 СП 24.13330.2011).

Механизм работы сваи в грунтовом массиве

Момент достижения предельного состояния грунта в основании сваи, как правило, определяет максимальную несущую способность сваи. Это относится к сваям любых типов. Однако такому состоянию соответствуют высокие значения осадки сваи, поэтому в практике проектирования расчет несущей способности сваи выполняет оценочную роль и служит для дальнейших определений максимально допустимой нагрузки на сваю и предварительному определению конструкции фундамента. В общем виде, работа висячей сваи, расположенной в дисперсных грунтах, определяется двумя компонентами (1): сопротивлением ствола (R_s) сваи, за счет бокового трения, и сопротивлением основания сваи (R_b) при опирании на грунт.

Правда, при строгой научной постановке, такой подход не может считаться в достаточной степени обоснованным. К примеру, при погружении сваи формируется уплотненное грунтовое ядро в области ее нижней части, которое участвует в работе совместно, а не раздельно, с «пятой» и «стволом» сваи. Другими словами, механизм взаимодействия сваи и окружающего грунта является комплексным и сложным процессом, который зависит от многих факторов:

сложности инженерно-геологических условий;
истории образования грунтовых массивов (которая, в частности, определяет степень недоуплотненности или переуплотненности слагающих их грунтов), их текущего и прогнозного состояния (в том числе напряженно-деформированного);
строения и состава окружающих грунтов, их физических и механических свойств;
глубины погружения сваи;
технологии погружения;
типа свай, их физических и геометрических параметров;
функционального режима нагружения и интенсивности нагрузок;
геотехнической сложности (плотность окружающей застройки, сложности проекта и пр.).
процессов, изменяющихся во времени, и др.

Не малую роль в механизме взаимодействия свай с грунтом играет сложность и характер нагружения конструкции свай.

На первом этапе нагружения, при невысокой вертикальной нагрузке конструкции сваи, ее взаимодействие с окружающим грунтом происходит по упругой (при этом нелинейной) зависимости, без нарушения структурных связей в прилегающем грунте. При разгрузке конструкции сваи осадки восстанавливаются. Здесь характер работы сваи отражает классический механизм «сваи–трения», т. е. внешняя нагрузка воспринимается за счет бокового трения и не передается на основание сваи.

На втором этапе, при дальнейшем нагружении, начинают накапливаться необратимые сдвиговые деформации, что отражается нелинейным и пластическим характером деформирования. При этом в некоторых слоях грунта касательные напряжения и деформации достигают предельных значений, т. е. свая на отдельных участках достигает предельных значений сдвиговой осадки S₀. Сопротивление трению по боковой поверхности сваи снижается до минимальных значений, и происходит перераспределение усилий от ствола сваи к ее основанию. При достижении осади равной предельной сдвиговой, наступает «срыв» сваи и дальнейшая осадка сваи носит незатухающий характер, без увеличения нагрузки (рис. 2).

зависимость s от p

Значения предельных сдвиговых осадок зависят от типа грунтов, их строения, состава и состояния. В 60-х гг. прошлого столетия, на основе статических испытаний, проведенных «Ленинградоргстроем», были получены значения предельных сдвиговых осадок свай для некоторых типов грунтов табл. 1). Предельная сдвиговая осадка – это осадка, при которой прекращается дальнейшее искривление слоев грунта около сваи (депланация) и происходит срез грунта около ствола. Различные значения предельных сдвиговых осадок косвенно указывают на различные механизмы взаимодействия свай с грунтом не только в разных местах устройства сваи, а также на разных отрезках ствола в пределах одной сваи по глубине.

Таблица 1. Предельные сдвиговые осадки свай

Наименование грунта	Предельная сдвиговая осадка, S₀, мм
Песок мелкозернистый, средней плотности	5
Супесь легкая, пылеватая, средней плотности	6
Супесь легкая, пылеватая с растительными остатками, мягкопластичная	7
Суглинок тугопластичный	9
Суглинок пылеватый, с гравием, мягкопластичный (морена)	10
Суглинок пылеватый, слоистый, мягкопластичный	15
Суглинок пылеватый, ленточный, мягкопластичный	18
Глина пылеватая, ленточная, тугопластичная	22
Глина пылеватая, ленточная, мягкопластичная	25

На третьем этапе, при достижении нагрузок, близких к предельным, работа сваи происходит преимущественно за счет сопротивления грунта в зоне опирания нижнего конца сваи, т. е. характер работы сваи в грунте напоминает работу «сваи-стойки» (рис. 3).

усилие в свае при нагружении

Особенности взаимодействия сваи с глинистыми грунтами

При погружении свай в тонкодисперсные грунты происходит радиальное и вертикальное смещение частиц грунта и поровой несвязной воды. Это приводит к нарушению структуры грунта, к его уплотнению и росту порового давления вокруг сваи. В глинистых грунтах пластичных консистенций восстановление порового давления может занять несколько месяцев, что отражается в медленном наборе несущей способности этих грунтов. В строительной практике это явление называют эффектом «засасывания» сваи. В период восстановления снижается поровое давление, происходит воссоздание структурных связей, грунты мягкопластичной и текучепластичной консистенции восстанавливают прочность и как бы обжимают сваю, происходит рост эффективного вертикального давления и пассивного горизонтального давления (нормального давления). В этот период можно наблюдать снижение эффекта набухания грунта на поверхности земли вокруг сваи.

Тиксотропные эффекты в грунтах, окружающих сваю, необходимо учитывать при проектировании свайных фундаментов, так как прочностные характеристики грунта, полученные на этапе геологических изысканий и лабораторных исследований, могут быть восстановлены только спустя значительный промежуток времени после устройства свайного фундамента. Например, для скандинавских глин процесс восстановления несущей способности свай занимает порядка одного года.

Наряду с собственно тиксотропией грунты могут проявлять квазитиксотропные свойства, т. е. частичное восстановление прочности после нагрузок.

Юрские глины Московского региона при нарушении их состояния существенно и, как правило, необратимо теряют свои первоначальные прочностные характеристики. Эти грунты, располагающиеся на значительных глубинах, в силу генетического формирования имеют высокую пористость (коэффициент пористости (е), как правило, больше единицы) и находятся в слабоуплотненном (ρ=1,7–1,8 т/м³), но твердом состоянии (I_l»0), что предопределяет высокую изменчивость их свойств в случае нарушения их состояния. Так, при разгрузке этих грунтов, вызванных снятием вышележащих отложений, происходит их разуплотнение, что приводит к образованию трещин. И в случае попадания грунтовых вод при устройстве фундаментов или в процессе эксплуатации зданий (при попадании атмосферных вод через поверхность соприкосновения сваи с грунтом) это ведет к их набуханию, снижению показателя их консистенции и, как следствие, к ухудшению прочностных и деформационных характеристик в 2–5 раз.

Погружение свай в глины твердой консистенции также сопровождается смещением частиц грунта, уплотнением и снижением влажности грунтов, но при этом возможно развитие процесса трещинообразования. Закономерность развития трещин, как правило, определяется структурно-текстурными особенностями грунтов. Так, в ленточных глинах наблюдается глубокое развитие трещин вдоль плоскости слоев. В отличие от пластичных глин, в твердых глинах деформации смещения могут иметь необратимый характер, т. е. на протяжении всего жизненного цикла строительства и эксплуатации здания прочность грунтов не будет восстановлена. Различными экспериментальными наблюдениями установлено, что зона уплотнения грунта вокруг сваи на поверхности земли достигает 8 диаметров, а на уровне основания сваи – до 4,5 диаметров сваи.

В процессе погружения сваи имеет место явление в строительной практике называемое «ложным отказом». При этом может наблюдаться кратковременное увеличение прочности грунта под подошвой сваи. В дальнейшем в процессе релаксации напряжений в грунтах их прочность в основании сваи будет снижаться, т. е. будет достигнут действительный отказ сваи. Здесь нельзя забывать, что на изменчивость свойств глинистых грунтов во времени, при прочих равных, весьма значительно влияют условия образования данных отложений. Очевидно, что реология флювиогляциальных, аллювиальных или морских образований может отличаться в весьма широких пределах. К сожалению, в отличие от грунтоведения, генетический подход в механике грунтов получил гораздо меньшее развитие.

В городах, расположенных в устьях рек, часто приходится возводить здания и сооружения на значительной толще слабых грунтов, превышающей 20–30 м. Эта толща состоит в том числе из слоев органогенных, биогенных и глинистых грунтов в текучем состоянии. Такие условия предопределяют использование свайных фундаментов зданий и сооружений. Однако во многих случаях даже при длине свай 20 м они получаются висячими и имеют несущую способность по грунту существенно ниже, чем может выдержать железобетонная свая по материалу. Кроме всего прочего, в районах речных долин со сложным и специфическим формированием пойменного или руслового аллювия характеристики сопротивления свай могут существенно отличаться от значений, указанных в нормативно-технической документации. Так, по региональным нормам для Санкт-Петербурга нормативные сопротивления трению глинистых грунтов по боковой поверхности свай превышают в 1,5–2 раза аналогичные значения, приведенные в федеральных нормах (для глин с I_l=0,3–0,7).

Очевидно, что геометрические и жесткостные параметры свай отражаются на значениях несущей способности. Увеличение размера сечения забивной сваи влияет на объем уплотняемого грунта, что отражается в увеличении радиальных (нормальных) напряжений на ствол сваи, а значит и на уровень сопротивления сваи трению.

При этом различными экспериментами установлена обратная зависимость удельной несущей способности q от поперечного размера сваи. Так, по данным экспериментов, разница между величинами предельного давления наименьшая для свай в рыхлых песках и наибольшая в плотных песках (рис. 4).

зависимость диаметра сваи от удельной несущей способности

Влияние размеров поперечного сечения сваи на изменение предельного давления при прочих равных условиях называют масштабным эффектом. С уменьшением угла внутреннего трения грунтов влияние масштабного эффекта уменьшается, а в глинистых недренируемых грунтах это явление почти не наблюдается.

Как уже было упомянуто выше, многие связные грунты обладают тиксотропией, или способностью частично или полностью восстанавливать прочность через некоторое время после нарушения структурных связей (разупрочнения) вследствие действия внешней нагрузки. Разупрочнение грунта наступает вследствие нарушения структурных связей между его частицами и может проявляться как в виде разжижения (полной потери прочности), так и в виде некоторого размягчения (частичного снижения прочности).

Наблюдениями установлено, что размягчение и разжижение связных грунтов наиболее интенсивно происходит в зоне нарушения структурных связей при наличии свободной воды. Если ее нет, то в процессе разрушения структурных связей грунта связанная вода трансформируется в свободную. Чем больше свободной воды в зоне деформации грунта, тем легче нарушаются структурные связи в процессе погружения свай, способствуя облегчению их заглубления. В свою очередь, чем больше нарушено связей, тем ниже сопротивление сдвигу грунтов, а следовательно, их несущая способность. Поэтому наиболее низкой несущей способностью обладают сваи, погруженные в текучие, а также текучепластичные связные грунты.

После погружения свай в слабые глинистые грунты происходят сложные процессы по восстановлению нарушенной структуры грунта (в первую очередь, тиксотропному упрочнению) вокруг каждой сваи, в результате чего увеличиваются силы трения грунта о боковую поверхность свай и как следствие этого возрастает их несущая способность – эффект «засасывания» (рис. 5). В результате ряда исследований и полевых испытаний свайных фундаментов было установлено, что в зависимости от свойств грунтов значительное увеличение несущей способности наблюдается в первые 6–80 суток с момента прекращения погружения свай.

зависимость прочности сваи во времени Как уже было сказано, функциональный режим и интенсивность нагружения сваи также влияет на ее показатели несущей способности. Так, влияние времени на несущую способность за счет работы ствола свай в слабых глинистых грунтах изучал J.B. Burland. Он проводил полевые испытания в городе Мехико, когда разделил механизм формирования касательных напряжений за счет эффективного трения свай и эффективного сцепления. Ожидаемо был отмечен медленный рост предельного сопротивления ствола сваи во времени в процессе набора деформаций (мобилизация прочности за счет полного включения в работу). Однако было установлено, что при замедлении процесса нагружения свай (с 10 до 0,001 мм/мин) отмечается существенное снижение сопротивления свай. Так, коэффициент сцепления (адгезии) свай с грунтом был снижен на 50 %, т. е. при медленном и длительном нагружении сваи зацепление частиц грунта о поверхность сваи не происходит, т. к. свая находится в постоянном, хоть и в медленном, процессе погружения – т. е. в данном случае несущая способность сваи о боковую поверхность будет определяться только силами трения грунта. Здесь важно отметить, что скорость нагружения не влияет на несущую способность свай, расположенных в твердых глинистых грунтах, но при этом возможно снижение их прочности за счет реологических процессов, свойственных таким грунтам. К примеру, применительно к Лондонским твердым глинам, снижение несущей способности свай составляло до 20 % за 9-ти месячный период наблюдений.

Практикой установлено, что начальное сопротивление одинаковых по размерам свай сразу после окончания их погружения в одни и те же слабые глинистые грунты одним и тем же способом может существенно различаться. Однако спустя несколько часов разброс значений несущей способности уменьшается. В грунтах текучей и текучепластичной консистенции отсутствует существенное уплотнение грунтов вблизи забиваемых свай, поэтому удельные силы трения и связанное с ними упрочнение свай почти не зависят от размеров их поперечного сечения (в диапазоне от 0,3 до 0,8 м). Вследствие этого размер сечения свай в этих грунтах не оказывает заметного влияния на изменение прироста их несущей способности. Таким образом, можно считать, что решающее влияние на удельную несущую способность свай в период эксплуатации сооружения оказывают физико-механические свойства глинистых грунтов с показателем текучести I_l>0,5, и мало влияют способ заглубления, размеры поперечного сечения, материал свай и характер их нагружения.

Интересные наблюдения были сделаны Научно-исследовательской ассоциацией инженеров строителей в Великобритании в 1969 г. при проведении серий экспериментальных исследований взаимодействия свайных фундаментов с грунтами. В качестве забивных свай были использованы стальные трубы Ø168 мм, длиной 5,6 м, погруженные в глинистые грунты твердых консистенций. Серию испытаний проводили в течении года после забивки. Результаты исследований показали, что при погружении свай вдавливанием и забивкой в устье скважины – в области верхней части сваи, формировался технологический зазор глубиной до 8 диаметров сваи. При этом в процессе наблюдения за грунтом в области технологического зазора в течении одного года было установлено, что зазор не был закрыт в процессе реологического восстановления грунта. По данным измерений сила сцепления (адгезии) грунта со сваей была незначительной на глубине от 8 до 14 диаметров сваи, а при больших глубинах (>16 d) была зафиксирована максимальная адгезия грунта, превышавшая сдвиговую прочность недренированного грунта до 20 %, которая сформировала плотный слой («корку») грунта толщиной 1–5 мм, работающий совместно со сваей при ее осадках, т. е. линия предельного сопротивления проходила не по границе сваи, а была расположена внутри грунтового массива на некотором расстоянии от сваи. Очевидно, что сила сцепления (адгезия) грунта зависит от сдвиговой прочности недренированного связного грунта и его физических параметров (плотность, показатель текучести). При этом при снижении показателя текучести адгезия грунта также снижается.

Результаты измерений показали, что, несмотря на повреждение структуры глинистого грунта, непосредственно примыкающего к свае, процессы консолидации грунта не повлияли на величину сопротивления грунта по боковой поверхности сваи. Хотя при этом было зафиксировано отрицательное поровое давление грунта в зоне непосредственного примыкания к свае, которое, однако, восстанавливалось в течении 48 часов.

Индикаторы деформирования, которые были установлены на сваях, зафиксировали следующий характер распределения усилия по глубине (рис. 6).

Таким образом, по результатам анализа экспериментов было установлено, что сопротивление грунта о боковую поверхность при прочих равных также зависит от: уровня переуплотнения грунта (Over Consolidation Ratio – OCR) и жесткости (гибкости) ствола сваи.

распределение усилий в свае Уровень переуплотнения грунта (OCR) в данном случае выступает как количественная характеристика, отражающая литогенетические условия образования и возраст дисперсных грунтов. Под степенью переуплотнения пород (OCR) понимается отношение максимального давления, которое испытал грунт при предыдущем нагружении, к давлению, испытываемому в данный момент времени. Данная характеристика непосредственно влияет на эффективное горизонтальное напряжение в массиве грунта, а значит и на уровень горизонтальных напряжений, действующих на ствол сваи, выраженных через коэффициент бокового давления покоя K₀ (рис. 7). Под коэффициентом бокового давления грунта К₀ понимается отношение горизонтального эффективного напряжения σ′h к вертикальному σ′v при отсутствии горизонтальных деформаций (εh=0).

коэффициент бокового давления при историческом давлении в грунте

При этом ранее на основе многочисленных наблюдений была построена кривая зависимости коэффициента переуплотнения массива грунта и коэффициента адгезии грунта a. Для удобства практических расчетов здесь OCR представлен как отношение сдвиговой прочности недренированного грунта t_u и эффективного вертикального давления s_vo (рис. 8).

переуплотнение грунта и коэффициент адгезии

Похожая закономерность распределения касательных напряжений и картина деформирования (депланации) слоев грунта была зафиксирована при полевых экспериментальных испытаниях свай, проводившихся сотрудниками НИИОСП в нашей стране, в г. Херсоне и Душанбе, хотя авторами этих экспериментов не была зафиксирована закономерность появления технологического зазора.

Совершенно очевидно, что факт возникновения технологического зазора необходимо учитывать при расчете и проектировании свайных фундаментов. Учитывая, что появление такого зазора при технологическом погружении сваи зависит, в том числе, от длины сваи и ее диаметра, М. Томлинсон предложил в расчетах вводить коэффициент гибкости F (рис. 9). В целом очевидно, что образование технологического зазора влияет на несущую способность сваи по боковой поверхности, а также создает опасность реструктуризации грунтов, ухудшения их физических и механических свойств посредством попадания атмосферных или подземных вод в низлежащие слои грунта, состоящие из плотных глин твердых консистенций.

Выводы

Факторы, влияющие на несущую способность свай, имеют сложный характер взаимодействия и предопределяют комплексный механизм работы сваи в грунте, не поддающийся строгому математическому описанию. Существующие расчетные схемы и модели, в том числе базирующиеся на них численные методики, имеют существенные расхождения в результатах.

Из-за большого многообразия грунтовых условий действующие нормы не в состоянии предложить единую методику определения несущей способности грунтов с достаточно высокой степенью точности приближения к фактическим данным, получаемым при натурных испытаниях.