Метод расчета осадок висячих коротких свай в талых и оттаивающих сезонно-промерзающих грунтах

В последние годы заметно возрос интерес к внедрению в производство малозатратных строительных технологий. В природно-климатических условиях Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока к таким направлениям относится применение коротких свай (до 10 м), которые в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов оснований зачастую оказываются более конкурентоспособными в сравнении с другими фундаментными конструкциями. Более широкое их применение сдерживается отсутствием достаточно апробированных и обоснованных методик расчета осадок и просадок в оттаивающих основаниях при их значительной мощности.

Особенно привлекательным кажется применение коротких свай при строительстве высоковольтных ЛЭП, трансформаторных подстанций, опор контактной сети железных дорог, зданий и сооружений другого назначения со сравнительно небольшими нагрузками на фундаменты.

Устойчивость в пучинистых грунтах малонагруженных свай призматического сечения обеспечивается их длиной. Принято считать, что их экономическая эффективность снижается с увеличением степени пучинистости и глубины промерзания грунтов. Кроме того, основным недостатком таких свай является их способность накапливать деформации пучения.

Известны, например, остаточные деформации малозагруженых опор свайно-эстакадных мостов на участке железнодорожной линии Тайшет – Саянская ВСЖД [3], достигшие величины от 10 – 15 до 40 – 50 см, что приводило к ежегодным ремонтно-восстановительным работам в течение длительного времени.

В Улан-Удэ малонагруженные свайные фундаменты под конструкции стилобата торгового комплекса по ул. Балтахинова выпучило до 45 – 48 см, при этом были разорваны густоармированные железобетонные ростверки сечением 60×60, 60х70 см.

В Гусиноозерске (Бурятия) часть свайных фундаментов под опоры наземного трубопровода теплотрассы от ГРЭС до военного городка силами морозного пучения выперло на 35 – 40 см, а другая часть – около 800 м из 6,5 км общей протяженности – получила просадки порядка 30 – 35 см.

К работе независимой комиссии, созданной решением Правительства Республики Бурятия для оценки технического состояния линий электроснабжения на территории республики, были привлечены специалисты управления Главгосэкспертизы России по РБ и сотрудники ВСГТУ.
Ими была установлена непригодность к дальнейшей эксплуатации ВЛ большой протяженности и ТП стоимостью в несколько миллионов рублей в текущих ценах вследствие остаточной деформации – морозного выпучивания или просадок – опор линий электропередач и недопустимых деформаций фундаментов подстанций.

В Омске силами морозного пучения было разорвано более 100 свай с объемным армированием на строящемся 80-квартирном жилом доме [6].

Даже из этих единичных примеров видно, что неверная оценка работы свай в районах с глубоким сезонным промерзанием оснований, особенно в морозоопасных грунтах, приводит к весьма нежелательным последствиям. Цена таких ошибок оборачивается многомиллионными убытками.

Авторами предпринята попытка разработки инженерного метода определения осадок висячих свай в талых и просадок в оттаивающих основаниях, достаточно апробированного на сегодняшний день для практического применения.

Как показывает опыт [5, 9], возможен расчет свай по деформациям в оттаивающих грунтах с использованием осредненных прочностных характеристик оттаивающего основания с применением методики расчета осадок свай в талых грунтах, хотя в действительности картина оттаивающего вокруг свай основания будет более сложной. Здесь могут встречаться перемежающиеся слои мерзлого и талого грунта, только что оттаявший грунт первоначально может иметь прочность, близкую к нулевой [4], но по истечении 1 – 2 суток может уже иметь примерно половину своей первоначальной прочности, а в течение 9 – 10 дней восстанавливает ее полностью [8]. Если же учесть, что оттаивание мерзлой толщи идет как сверху, так и снизу, и зависит от многих трудноопределимых природных факторов, создание строгой математической модели для определения прочностных характеристик оттаивающего основания по всей его толще одновременно представляется весьма сложной задачей.

Тем не менее, как показали наши исследования и обработка многочисленных данных экспериментов В.Н. Зекина, Н.А. Мальцевой, М.А. Малышева, О.П. Медведовой, В.С. Сажина, А.Ф. Светенко, В.В. Фурсова, В.Я. Шишкина и др., возможно использование в расчетах по деформациям осредненных прочностных характеристик оттаивающего основания.

В нашем случае при этом нужно ввести следующие допущения:

• в силу большей теплопроводности железобетона свай по сравнению с теплопроводностью грунта (в 4 – 6 раз) свая оказывается облаченной в талую рубашку раньше, чем наступает полное оттаивание грунта;
• при отсутствии данных о коэффициенте пористости он определяется с учетом плотности в сухом состоянии оттаивающего грунта, принимаемой как rdot = rd/Єfh, где rd – плотность талого основания в сухом состоянии, Єfh – коэффициент пучения промерзающего грунта;
• при отсутствии данных о влажности оттаивающего грунта, необходимых для определения показателя текучести IL, она принимается равной Wот = 1,2 W. При этом WL и Wp приравниваются соответствующим значениям, определенным для талого основания, или коэффициентпористости — коэффициент Пуассона nот определяется по способу Ф.К. Лапшина, В.Н. Краюшкина (Саратов) с учетом IL оттаявшего основания для суглинков и глин nот = 0,1 (1 + 3 IL), для супесей – nот = 0,15 (1+ IL ), для песков nот = (1 – Sin j)/2;
• в случае, если сваи целиком расположены в сезонно-промерзающем слое, следует иметь ввиду, что в процессе оттаивания они взаимодействуют не с разжиженной грунтовой массой, а с основанием, обладающим некоторой прочностью.

При разработке методики расчета осадок и просадок свай в сезонно-промерзающих грунтах авторы статьи остановились на получении решения в виде статической формулы, которая в общем виде имеет следующую структуру: Ru = Asfu + At ru, где As – поверхность трения сваи, At – площадь сечения ее нижнего конца, fu – предельное значение трения по боковой поверхности, ru – предельная несущая способность под острием.
Существует много статических формул, из которых к наиболее известным относятся выведенные на основе решений Терцаги и Пека. Эти полуэмпирические формулы предназначены для расчета свай квадратного и цилиндрического сечения.

Отличие от общепринятых способов предлагаемого авторами метода расчета свай по деформациям заключается в том, что определение полной осадки сваи под нагрузкой проводится в два этапа.

На первом этапе загружения сваи внешней нагрузке N оказывает сопротивление уплотненная зона. При этом вначале вокруг сваи под воздействием трения и затем под ее острием возникают напряжения, воспринимаемые уплотненным грунтом без разрушения структурных связей, график осадки носит почти прямолинейный характер, ее величина в несвязных грунтах достигает 0,8 – 1,0 см, а в связных – 0,5 см.
Предельную нагрузку, воспринимаемую уплотненным основанием без разрушения структурных связей, обозначим, как Nстр, а полученную при этом осадку – Sстр. При N > Nстр в околосвайном массиве начинают развиваться деформации сдвига, осадку при которой обозначим, как Sсд.

Нагрузка перед началом сдвиговых деформаций будет равна:

Nстр = SстрbE/(gRw(1-n2))+uS(Cу/(gfi(tg2 jy+1))· hi , (1)

где:

• b – размер стороны сечения сваи, или ее диаметр;
• Е – модуль деформации грунта ниже острия сваи;
• wconst – коэффициент формы сечения сваи; для круглого равен 0,79, для квадратного – 0,88;
• n – коэффициент Пуассона;
• Су – удельное сцепление уплотненного грунта вокруг боковой поверхности в слоях толщиной hi;
• jy – угол внутреннего трения уплотненного грунта, град.;
• Sстр – псевдоупругая осадка сваи до начала сдвиговых деформаций грунта; ее величина принимается для несвязных грунтов равной 0,8 – 1,0 см, для связных – 0,5 см.

По нашим представлениям, применение в данном случае эмпирического значения Sстр для определения Nстр оправдано следующими соображениями.

У висячих свай малые нагрузки воспринимаются верхними слоями основания и лишь при больших нагрузках, возможно даже больших, чем предельная рабочая нагрузка, в работу вовлекаются более низкие пласты и остриё. Доля нагрузки, воспринимаемой за счет острия, зависит от грунта, типа сваи, метода погружения. Поскольку эта доля зависит также от величины нагрузки, то может быть равной нулю, если нагрузка недостаточна велика.