V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Изучению работы горизонтально нагруженных одиночных свай и свайных групп посвящены исследования многих российских и зарубежных специалистов, что позволило разработать достаточно надёжные и проверенные на практике методы их расчётов. Вместе с тем практически не изучена работа ленточных фундаментов при однорядном расположении призматических свай, в случаях, когда фундаменты зданий или сооружений, возводимых на склоновых территориях, работают как подпорная конструкция, воспринимающая горизонтальную нагрузку, в виде оползневого давления грунта.

В настоящей работе приводятся некоторые результаты серии полевых экспериментов с использованием моделей призматических свай, погруженных в грунтовый массив природного сложения. Исследования проводились в полевых условиях на специально подготовленной площадке, расположенной в городе Бор Нижегородской области (фото.1). При подготовке опытного прямоугольного в плане полигона длиной 9 м и шириной 5 м был снят растительный и плодородный слой почвы общей мощностью 0,5-0,8 м. Горизонтальная поверхность участка, с целью предотвращения высыхания грунтового массива, была покрыта полиэтиленовой плёнкой.

Серия выполненных экспериментов состояла из испытаний: 1) одиночной сваи; 2) группы из 2-х свай, объединенных жестким ростверком; 3) ленточного фундамента из 4-х свай расположенных в один ряд; 4) ленточного однорядного фундамента из 6-ти свай.

В исследованиях использовались деревянные модели призматических свай длиной 600 мм с поперечным сечением 30х30 мм. Отношение длины сваи к стороне её поперечного сечения принималось равным 20, что по условиям геометрического подобия соответствовало стандартным железобетонным сваям длиной 6 м с сечением 300х300 мм (фото.2).

Установка, с помощью которой, выполнялись исследования (рис.1), представляет собой конструкцию, специально разработанную для испытаний моделей однорядных ленточных свайных фундаментов при действии горизонтальных, а также при совместном действии горизонтальных и вертикальных нагрузок.

Фото. 1. Общий вид испытательной площадки. Размеры площадки в плане 5х9 м, заглубление 0,8 м. Вертикальные стенки площадки усилены опалубкой из досок дюймовой толщины. Для защиты участка от атмосферных осадков выполнен навес из деревянных вертикальных стоек, горизонтальных балок с обрешеткой и стальным оцинкованным настилом с уклоном кровли 0,03.	Фото. 2. Модели свай, изготовленные из цельного массива древесины сосны. В острие сваи, имеющей форму четырёхгранной усечённой пирамиды с углом наклона граней 60°, вставлен наконечник, представляющий собой цилиндрический стальной стержень-лидер диаметром 8 мм, длиной 100 мм и глубиной заделки в ствол модели 70 мм.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки.

Установка готовится к работе следующим образом. Нижняя плоскость опорной плиты 1 силового устройства 2 устанавливается на поверхности грунта испытательной площадки. Горизонтальное положение плиты выверяется с помощью уровня. Неподвижность плиты в процессе эксперимента обеспечивается креплением её болтами к швеллеру 3 и распределительному брусу 4, а также стальными штырями-анкерами 5, вертикально забитыми в грунтовый массив.

Приямок 6 глубиной 1,1 м, шириной 0,9 м предназначен для обеспечения нормальной работы силовой установки, с помощью которой на сваи передаются горизонтальные нагрузки. При этом на подвеску 7 рычага 2 с соотношением плеч 1:10, укладываются плоские тарированные грузы 8, диаметром 200 мм.

Таким образом, по длине полигон разбит на две равные половины расположенным в центре приямком. При этом все четыре типа фундаментов каждой серии испытаний, размещены в одном створе (рис.2), за счёт чего удалось избежать необходимости многократного трудоёмкого перемещения и монтажа силового устройства, а сократить время на подготовку экспериментов.

Подготовкамоделей свайных фундаментов к испытаниям выполнялась в следующей последовательности. С помощью ручного молота массой 14 кг, сбрасываемого с высоты 0,6м, производилось погружение моделей свай 9 на заданную глубину. При этом определялось общее количество ударов необходимых для забивки каждой сваи, и также измерялся отказ (осадка) сваи от последнего удара. Это позволило определить ориентировочное значение несущей способности каждой сваи, использованной в эксперименте.

Ростверк выполнен из двух неравнополочных уголков 10, с монтирующейся на них сверху опорной стальной плитой 14. Жёсткое сопряжение голов свай с ростверком обеспечивается деревянными призматическими элементами 11 толщиной 30 мм, вставляемых между сваями, и тонкими стальными пластинами 12, предназначенными для того, чтобы выбрать вертикальные зазоры между сваями и призматическими элементами 11.

Для создания вертикальной нагрузки использовались плоские тарированные грузы массой 3 кг, укладывавшиеся строго по центральной оси фундаментов на стальную плиту 14. Вертикальные перемещения на противоположных концах ростверков в процессе испытаний измерялись точностью до 0,01 мм при помощи двух индикаторов часового типа 15.

С помощь троса 16 силового устройства, в конструкции которого использовались элементы стандартного срезного прибора ГГП-30, прикладывалась горизонтальная нагрузка. Горизонтальные перемещения моделей фундаментов измерялись в уровне приложения нагрузки прогибомером 17 с точностью 0,01 мм.

Скользящие опоры в виде плоских шарикоподшипников 18, расположенные по боковым сторонам ростверка, предотвращали боковые смещения фундамента из вертикальной плоскости во время проведения эксперимента.

После приложения вертикальной нагрузки и прекращения осадки фундамента, ступенями в 150 Н (из расчёта на каждую сваю) прикладывалась горизонтальная нагрузка. Нагрузкой в 7-11 ступеней фундамент доводился до предельного состояния, соответствующего незатухающим горизонтальным перемещениям. Показания приборов, измеряющих горизонтальные и вертикальные перемещения при каждой ступени нагружения, снимались следующим образом: первый отсчет - перед нагружением, второй - сразу после приложения очередной ступени нагрузки, затем последовательно два отсчета с интервалом 15 минут и далее с интервалом 30 мин до условной стабилизации деформации (затухания перемещений), за которую принималось перемещение, равное 0,1 мм за последние 30 мин наблюдения. После стабилизации горизонтальных перемещений прикладывалась следующая ступень горизонтальной нагрузки.

Рис.2. Расположение моделей фундаментов в одном створе.

Результаты выполненных экспериментов представленные в виде зависимостей кренов и горизонтальных перемещений от величины приложенной нагрузки tgψ = f(T_н)и Δ_н = f(T_н), показали, что горизонтальные перемещения и крены горизонтально нагруженных свайных фундаментов нелинейно увеличиваются с ростом горизонтальной нагрузки (рис.4 и 5). Крен фундаментов при одинаковой нагрузке, приходящейся на одну сваю, уменьшается с увеличением числа свай (рис.7). Уменьшение крена объясняется тем, что увеличение числа свай в фундаменте приводит к увеличению его жесткости в плоскости действия горизонтальной нагрузки.

Экспериментально установлено, что сопротивление горизонтально нагруженных фундаментов увеличивается с увеличением в них количества свай (рис. 3). Так, при горизонтальном перемещении равном Δ_н =1,0 мм, увеличение количества свай в фундаменте с 1-ой до 2-х приводит к увеличению сопротивления группы свай в 2,37 раза. Сопротивление фундамента из 4-х свай увеличивается в 4,95, а фундамента из 6-ти свай - в 9,51 раза. Таким образом, несущая способность фундаментов при однорядном расположении свай, при действии горизонтальных нагрузок увеличивается не пропорционально увеличению количества свай в фундаменте. В наибольшей степени нелинейная зависимость проявляется в диапазоне горизонтальных перемещений фундаментов от 0,0 до 0,25 мм (рис.4). Однако при горизонтальных перемещениях Δ_н ≥ 2,0 мм для фундаментов из одной, двух и четырёх свай, удельное сопротивление сваи снижается до одной, одинаковой для всех фундаментов величины.

Таким образом, при небольших горизонтальных перемещениях и кренах, фундаменты работают как свайно-грунтовая конструкция-диафрагма, состоящая из свай, объединенных жестким ростверком, с защемлённым между сваями грунтом. В этом случае с ростом числа свай в фундаменте удельная горизонтальная нагрузка Т^у_н, приходящаяся на одну сваю, увеличивается за счёт совместной работы свай и защемлённого между ними грунта (рис.3). При больших горизонтальных перемещениях крен фундамента увеличивается и защемленный между сваями грунт разрушается, в результате чего удельное сопротивление свай в различных фундаментах выравнивается (рис.6).

Фото.3. Общий вид экспериментальной ус­тановки во время испытаний мо­дели фундамента из 4-х свай. По обеим сторонам свайного фунда­мента расположены неподвижные боковые опоры-направляющие с линейными под­шипниками, препятствующими боковому смещению свай из вертикальной плоскости.	Рис.3. Принципиальная схема свайно-грунтовой диафрагмы: 1 - свая; 2 – ростверк; 3 – грунт, защемлённый в меж­свайном пространстве; 4 – верхний относительно рыхлый в природном состоянии грунт (песок мелкий); 5 - подстилающий плотный грунт (сцементированный мелкий песок коричневого цвета).

Рис.4. Зависимости горизонтальных перемещений фундаментов Δн от горизонтальной нагрузки Тн: 1 – одиночная свая; 2 – группа из двух свай; 3 – ряд из четырёх свай; 4 – ряд из 6 свай.	Рис.5. Зависимости крена фундаментов tgφот горизонтальной нагрузки Тн: 1 – одиночная свая; 2 – группа из двух свай; 3 – ряд из четырёх свай; 4 – ряд из 6 свай.

Рис.6. Зависимости горизонтального перемещения Δн моделей фундаментов от удельной горизонтальной нагрузки Тун,приходящейся на одну сваю.

Рис.7. Зависимости крена tgφ моделей фундаментов от удельной горизонтальной нагрузки Тун,приходящейся на одну сваю.

Код для цитирования: Скопировать