Динамические формулы по оценке несущей способности свай. Документация » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Динамические формулы по оценке несущей способности свай. Документация

07.07.2021

Уже более ста лет назад предпринимались попытки оценивать несущую способность свай исходя из данных, полученных при их забивке. Для этой цели одна из групп инженеров приравнивала энергию падающего молота работе, затрачиваемой на забивку сваи, т. е.

где W — вес падающего молота (или бабы);

H — высота падения W;

R — предельное сопротивление грунта погружению в него сваи;

S — погружение сваи в грунт за один удар (отказ);

Z — сумма всех потерь энергии, вызванных различными причинами.

Определение величины Z связано с большими практическими трудностями, так как при забивке свай потеря энергии удара может быть вызвана многими причинами. Укажем некоторые из них: упругое сжатие грунта, самой сваи или головы сваи, включая ее оголовок; отдача молота на свае и упругие деформации самого молота.

Другая группа ученых, например Эйтельвейн, обосновала свои формулы ньютоновской теорией удара, хотя, как показал позже А.Е. Камингс, Ньютон правильно ограничил предложенные им законы удара оговорками, которые исключают их использование при решении проблем, подобных забивке сваи.

Основное различие между двумя подходами к решению рассматриваемой задачи не всегда бывает правильно понято. Например, многие из предложенных для этой цели формул представляют собой модификации так называемой полной динамической формулы, которая, согласно А.Е. Каммингсу, была впервые получена Редтенбекером и имеет вид

где W, Н, R и S имеют те же значения, что и в выражении (15.1);

E — модуль упругости материала сваи;

А — площадь поперечного сечения сваи;

P — вес сваи;

L — длина сваи;

n — коэффициент восстановления.

В формуле Редтенбекера не учитываются потери энергии от упругого сжатия грунта, которые зачастую имеют важное значение, и принимается во внимание главным образом энергия, расходуемая на сжатие самой сваи. В то же время, как показал А.Е. Каммингс, некоторые виды потерь энергии, которые уже были включены в ньютоновский коэффициент восстановления п, в этой формуле учитываются дважды. Это только один из примеров путаницы, которая существует в этом вопросе.

При обосновании формул, касающихся свай, среди инженеров до сих пор господствуют два направления. Поэтому комиссия по несущей способности свайных фундаментов американского общества гражданских инженеров не могла достигнуть соглашения по этому вопросу и опубликовала в 1943 г. два варианта своего отчета. В отчете А признается большинство ограничений, связанных с использованием динамических формул, но тем не менее выражается надежда на возможность применения таких формул на практике при надлежащем учете отмеченных положений. Доклад В приводит к логическому выводу о необходимости признания этих недостатков, утверждая, что «все формулы динамического сопротивления свай содержат определенные недостатки и любая из них является не более чем мерилом, помогающим инженерам обеспечить достаточную надежность и однообразные результаты на весь период работы свай. He рекомендуется использовать усложненные формулы, так как степень их точности не превосходит точность более простых формул».

Автор этой книги разделяет взгляды, приведенные в докладе В.

Простой формулой, основанной на полевой практике и находящей широкое распространение в Соединенных Штатах, является так называемая формула «Энджиниринг Ньюс», предложенная Веллингтоном:

Здесь с — коэффициент; другие обозначения те же, что и в выражении (15.1). Множитель 12 вводится из-за того, что H принимается в футах, a S — в дюймах. При коэффициенте запаса Fs= 6 допускаемая нагрузка Rs на сваю при использовании копровых баб и паровых молотов одинарного действия равна:

а для паровых молотов двойного действия

где А — площадь поршня молота;

р — давление пара на поршень.

Для коэффициента с принимаются следующие значения: 1 для баб копров; 0,1 для паровых молотов; 0,1 (P/W) для паровых молотов при учете инерции и веса сваи.

Следует отметить, что формула (15.5) дает довольно удовлетворительные результаты при забивке свай в зернистые грунты, но не учитывает возможной отдачи свай при их погружении в толщу водонасыщенных связных грунтов, т. е. значительного количества энергии, которая может быть затрачена на временное сжатие некоторой разновидности этих грунтов. Этот вопрос может оказаться весьма важным.

Впервые интерес к механике грунтов у автора этой книги пробудился около 40 лет назад, когда он работал в качестве проектировщика по железобетону в европейской строительной компании в Египте и проектировал новые фундаментные плиты для трех правительственных зданий в дельте Нила, возведенных на свайном основании из висячих свай, которые были в конце концов забракованы. Статические испытания пробными нагрузками показали, что сваи могли нести менее одной трети нагрузки, на которую они рассчитывались в соответствии с нормами и данными расчета по динамической формуле, используемой для контроля при забивке свай. Проведенное исследование показало, что водонасыщенная глина на этом участке ведет себя подобно резине, так что в конце концов свая проникала в грунт от одного удара на весьма небольшую величину, причем наблюдалась значительная отдача. Возможность такого положения не учитывается формулой, и потому люди, проводящие работу, не были поставлены об этом в известность. Вера директора компании в динамические формулы по забивке свай была сильно подорвана таким инцидентом; этот урок обошелся его фирме в солидную сумму денег.

Сравнительно простой и все же рациональной формулой, которая позволяет оценить в полевых условиях потерю энергии с помощью фактических замеров, является формула Хайли, получившая широкое распространение в Великобритании. Она имеет следующий вид:

Обозначения R, W, H и S имеют тот же смысл, что и в выражении (15.1); H принимается в дюймах; k — коэффициент, всегда меньший единицы, который определяет эффективность удара молота, т. е. долю его первоначальной энергии (WH), фактически передаваемую на сваю; C=C1+C2+C3 представляет собой потерю энергии, вызванную временным сжатием головы сваи и ее оголовка (C1), самой сваи (C2) и грунта (C3).

Величины S, C2 и C3 могут быть определены на любой строительной площадке с помощью устройства, приведенного на рис. 15.5. Вдоль направляющей доски с постоянной скоростью двигают рукой слева направо карандаш, как показано на рис. 15.5, а. Так как в это же время свая перемещается вниз под действием удара молота, а затем испытывает частично возвратное смещение (вверх), на листке бумаги, прикрепленном к свае, получают диаграмму, показанную на рис. 15.5, б.

Согласно рекомендациям Ассоциации портландцементной промышленности, величина k может изменяться в пределах от 0,15 для тяжелой сваи, легкого молота и прокладки из сырой древесины до 0,68 для легкой сваи, тяжелого молота и хорошо уплотненной старой прокладки; эти значения включают коррективы на к. п. д. оборудования. Значения C1 также основываются на эмпирических данных, опубликованных этой ассоциацией. Так как формула Хайли позволяет довольно точно учесть все потери энергии, то при ее использовании может быть принято более низкое значение коэффициента запаса, чем в случае применения формулы «Энджиниринг Ньюс», а именно: Fs=2, так что допускаемая нагрузка на сваю будет равна: Rs=R/2, где R — величина, полученная из выражения (15.6).

В толще некоторых разновидностей связных грунтов сваи после паузы в забивке могут «замораживаться», т. е. при последующей забивке они будут оказывать уже большее сопротивление погружению в грунт, чем до остановки. Природу этого явления пока еще не удалось полностью выявить, особенно применительно к физическим характеристикам грунтов, в которых оно обнаруживается.

Подводя итог нашему анализу, укажем еще раз на необходимость большой осторожности и учета ряда условий при оценке реальной несущей способности свай с помощью динамических формул. Тем не менее данные, полученные исходя из этих формул, весьма полезны, так как при их использовании возможно ограничиться проведением дорогостоящих статических испытаний пробными нагрузками в лучшем случае только на очень небольшой части общего числа забиваемых свай.

Вместе с тем можно довольно просто получить данные по несущей способности свай исходя из анализа условий по забивке каждой из свай, участвующих в работе, и тем самым связать их работу с результатами нескольких статических испытаний свай, проведенных на том же участке. На рис. 15.6 приведен хороший способ документации таких данных. На кальке отпечатывают ряд графиков с изображением трех кривых, выражающих предельное сопротивление свай забивке в зависимости от различных глубин их погружения в грунт в соответствии с типом свай и молота, используемых при строительстве. Эти кривые строятся применительно к трем категориям грунтов: 1-я категория — твердые, 2-я категория — средней плотности и 3-я категория — мягкие. В частном случае эти три предельные кривые на приведенном-графике строятся по данным практического использования формулы Хайли применительно к различному оборудованию и различным грунтам. В случае, к которому относится рис. 15.6, использовался молот одинарного действия с W=2 т с ходом поршня H=48 дюймов для сваи № 44Er и H=36 дюймов для сваи № 44F. В обоих случаях сваи были деревянные длиной 50 футов и сечением 14x14 дюймов. Величина отказа S для первой из этих двух свай была принята равной 0,29 дюйма, а для второй 0,23 дюйма. Фактические данные, относящиеся к каждой из забитых свай и характеризующие их несущую способность при той или иной величине их погружения в грунт, могли быть легко установлены с помощью этих данных и других показателей, входящих в формулу Хайли и характеризующих используемое оборудование, и нанесены на отдельные листы графика. При желании с таких графиков может быть получено любое количество светокопий. Поведение каждой из забитых свай в процессе их погружения в грунт можно легко сопоставить, обратившись к картотеке таких графиков. Любые ослабленные места, неизбежно остающиеся нераспознанными в период разведки грунтов, проводимой перед началом строительства, в связи с относительно редким расположением скважин немедленно выявляются с помощью графической документации, выполняемой по методу, приведенному на рис. 15.6. Эти данные могут служить хорошим пособием для сопоставления условий забивки свай по всему строительному участку. Используя такие данные, можно быстро привести в соответствие глубину забивки отдельных свай с фактическими грунтовыми условиями под каждой из свай. Однако это положение относится только к нескольким футам грунта, расположенного у конца данной конкретной сваи и обеспечивающего ее опору. Все ограничительные замечания, приведенные ранее и касающиеся значения результатов испытаний пробными нагрузками одиночных свай по отношению ко всему свайному фундаменту, остаются в равной степени в силе и в данном случае. Другими словами, при разведке грунтов с помощью скважин следует устанавливать характер и свойства грунтов, залегающих значительно ниже уровня, до которого будут опущены сваи. Это замечание весьма существенно, так как в ином случае, как уже показано на рис. 13.13, сооружение на свайном фундаменте может претерпеть значительную осадку. Сваи показанного на этом рисунке моста были все забиты в грунт на глубину, достаточную для обеспечения требуемой их несущей способности исходя из расчетов по динамическим формулам. При забивке свай было отмечено их погружение в слой довольно жесткой глины. Только позже здесь были заложены глубокие скважины, обнаружившие наличие под этим слоем значительно более слабых слоев глинистого грунта и торфа, которые явились источником значительных осадок сооружения. Осадка сооружения достигала при этом 6 футов 4 дюйма.

He всегда возможно производить забивку свай, особенно если они изготовлены из дерева, через плотные слои песка без серьезного их повреждения. В то же время часто необходимо, чтобы сваи достигали более глубокого горизонта, например, когда существует опасность размыва грунта или подмыва фундамента текучей водой. В этих случаях прибегают к «погружению свай с подмывом». При этом способе песок у конца сваи взвешивается и размывается струей воды под напором, что в результате способствует погружению сваи в грунт. Когда будет достигнут желаемый уровень погружения сваи, подача воды к ее концу прекращается, и свая забивается до отказа, т. е. до получения желаемого минимального ее погружения за один удар.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: