Учет негативного (отрицательного) трения грунта на боковой поверхности висячих свай

5.14. Силами негативного (отрицательного) трения называются силы, возникающие на боковой поверхности сваи при осадке околосвайного грунта и направленные вертикально вниз.

К п. 5.14. Процесс возникновения негативного трения характеризуется тем, что осадка грунта около сваи и соответственно скорость его осадки значительно превышают осадку сваи и ее скорость протекания от действующей нагрузки. В этом случае грунт около свай как бы нависает на них, а дополнительная нагрузка прибавляется к внешней нагрузке, приложенной к сваям. Это явление, как правило, происходит в случае прорезания сваями сильносжимаемых грунтов большой мощности при наличии пригрузки грунта вокруг них.

Осадка околосвайного грунта может быть вызвана:

намывом или подсыпкой грунта, выполняемыми при повышении территории строительства или при ее инженерной подготовке, когда сильносжимаемые грунты залегают на поверхности;

загрузкой поверхности грунта или пола, основанного на грунте, значительной полезной нагрузкой. Этот случай особенно опасен, если пригружение произведено во время эксплуатации сооружения;

увеличением собственного веса грунта при искусственном или естественном понижении уровня грунтовых вод на площадке; естественной консолидацией грунтовой толщи; уплотнением грунтов под динамической нагрузкой; возведением рядом с сооружением на сваях сооружения на фундаментах мелкого заложения.

Силы отрицательного трения действуют на боковой поверхности сваи в пределах участка ее длины, где скорость осадки околосвайного грунта V_гр превышает скорость осадки свайного фундамента V_ф, т. е.

V_гp > V_ф.

Осадка полностью водонасыщенных мелких песков и супесей, илов, заторфованных грунтов и торфов, происходящая под действием сплошной равномерно распределенной нагрузки территории, см. может быть определена на основе теории фильтрационной консолидации по формуле

, (20)

где

; (21)

z — координата глубины рассматриваемой точки от подошвы слоя, см;

h — толщина сжимаемого слоя, расположенного между фильтрующим слоем и недренированным скальным основанием, или 2 h между фильтрующими слоями, см;

а_о — коэффициент относительной сжимаемости, см²/кгс;

q — интенсивность внешней равномерно распределенной нагрузки, кгс/см²;

t — время, с;

с_v — коэффициент консолидации, см²/с:

; (22)

e_ср — средний коэффициент пористости;

у_в — объемный вес воды, кгс/см³;

а — коэффициент сжимаемости, см²/кгс;

k_ф ¾ коэффициент фильтрации, см/с, определяемый при изысканиях, или принимаемый равным для приближенных расчетов из табл. 12.

Таблица 12

,

где e_н — начальный коэффициент пористости.

Пример 19. Определить зону действия сил отрицательного трения, действующих на свайный фундамент сооружения, возводимого через 0, 5 года после намыва территории, при завершении строительства в течение 1 года или 1, 5 лет.

Сваи длиной 18 м забиты с поверхности намываемого грунта. Величина предельных деформаций сооружения S_m = 8см, причем к окончанию строительства осадка сооружения ожидается равной 0, 4 S_пр = 4 см, а скорость осадки сооружения принята равномерной, т. е. при завершении строительства в течение 1 года она составит v_ф = 4 см/год, а в течение 1, 5 лет — 2, 7 см/год.

Геологические условия площадки и характеристики грунтовых напластований представлены в табл. 13.

Таблица 13

Сваи заглублены на 2 м в слой № 5. Песчаные грунты для определения зоны действия сил отрицательного трения принимаем несжимаемыми.

Для супесчаного ила (слой № 2): М = 3, 16 × 10^-4 t (1/с), при t = 0, 5 года = 1, 58 × 10⁷ с. М = 5 × 10³, а е^-М» 0, т. е. осадка слоя № 2 практически стабилизируется до начала строительства.

Расчет скорости осадок мягкопластичной заторфованной глины (слой № 4) в различных временных интервалах, выполненный по вышеприведенным формулам, сведен в табл. 14.

Таблица 14

Осадка слоя № 4 обусловливает зону развития сил отрицательного трения, которая в соответствии с условием v_гр > v_ф и данными табл. 14 при строительстве сроком 1 год распространяется до отм. — 12, 5 м, так как через год после начала строительства при z = 300 см для слоя № 4, т. е. на отм. — 12, 5 м, v_гр = 3, 9 см/год, а по условию v_ф = 4 см/год. При завершении строительства в 1, 5 года эта зона распространяется до отм. — 10, 8 м.

5.15. Если в пределах длины погруженной части сваи залегают напластования торфа толщиной более 30 см и возможна планировка территории подсыпкой или иная ее загрузка, эквивалентная подсыпке, то расчетное сопротивление грунта f, расположенного выше подошвы наинизшего (в пределах длины погруженной части сваи) слоя торфа, принимается:

а) при подсыпках высотой менее 2 м для грунтовой подсыпки и слоев торфа — равным нулю, а для минеральных ненасыпных грунтов природного сложения — положительным значениям по табл. 2 (2);

б) при подсыпках высотой от 2 до 5 м для грунтов, включая подсыпку, — равным 0, 4 от значений, указанных в табл. 2(2), взятых со знаком минус, а для торфа — минус 0, 5 тс/м² (негативное трение);

в) при подсыпках высотой более 5 м для грунтов, включая подсыпку, — равным значениям, указанным в табл. 2(2), взятым со знаком минус, а для торфа — минус 0, 5 тс/м² (негативное трение).

В случае, когда консолидация грунта от подсыпки или пригрузки территории к моменту возведения надземной части зданий или сооружений (включая свайный ростверк) завершилась или возможная величина осадки грунта, окружающего сваи, после указанного момента в результате остаточной консолидации не будет превышать половины предельно допускаемой величины осадки для проектируемого здания или сооружения, то сопротивление грунта на боковой поверхности сваи или сваи-оболочки допускается принимать положительным вне зависимости от наличия или отсутствия прослоек торфа. Для прослоек торфа величину f следует принимать равной 0, 5 тс/м².

Если известны коэффициенты консолидации и модули деформации торфов, залегающих в пределах длины погруженной части сваи, и возможно определение величины осадки основания от воздействия пригрузки территории для каждого слоя грунта, то при определении несущей способности сваи или сваи-оболочки допускается учитывать силы сопротивления грунта с отрицательным знаком (негативное трение) не от уровня подошвы нижнего слоя торфа, а начиная от верхнего уровня слоя грунта, величина дополнительной осадки которого от пригрузки территории (определенной, начиная с момента времени передачи на сваю расчетной нагрузки) составляет половину предельно допускаемой величины осадки для проектируемого здания или сооружения.

К п. 5.15. При определении зоны действия силы отрицательного трения исходят из того, что, как правило, максимальная скорость осадки околосвайного грунта развивается в предпостроечный и строительный периоды, когда действие силы отрицательного трения на сваи и их осадка под действием этих сил незначительно влияют на последующую эксплуатацию фундаментов. Кроме того, определенная осадка допускается нормами. Исходя из изложенного, в расчете учитывают действие сил отрицательного трения, расположенных только выше плоскости, проходящей через слой грунта, для которого выполняется условие

S_гр - S¢ _гр = S_пр - S_ф.стр, (23)

где S_гp — стабилизированная осадка слоя грунта, определяемая по указаниям главы СНиП II-15-74 или по формуле (20) при t = ¥;

S¢ _гp — осадка слоя околосвайного грунта, происшедшая к моменту окончания строительства здания или сооружения, определяемая по формуле (20);

S_пp — величина предельных деформаций оснований, принимаемая по табл. 18 СНиП II-15-74;

S_ф.стр — осадка свайного фундамента, происшедшая к моменту окончания строительства здания или сооружения.

Для зданий и сооружений, передающих нагрузки на фундамент в основном от собственного веса конструкции, допускается принимать S_ф.стр = 0, 5 S_пр.

При действии сил отрицательного трения расчет свай и свайных фундаментов производят по второму предельному состоянию (по деформациям) по формуле (16) СНиП 11-15-74. Для одиночных свай это условие считается выполненным, если

где N — расчетная нагрузка, тc, на одну сваю, определяемая при проектировании зданий или сооружений;

k_н — коэффициент надежности, принимаемый равным k_н = 1, 4;

Ф — расчетная несущая способность, тс, грунта основания сваи, расположенного ниже действия силы отрицательного трения, определяемые по формулам СНиП II-17-77 или по результатам полевых испытаний;

Р_отр — расчетное значение силы отрицательного трения, действующей на боковой поверхности свай, те, определяемое по формуле (24) или по результатам полевых исследований;

Р_отр = m_ouSk_pjf_ojl_j, (24)

где m_o — коэффициент условий работы сваи в оседающем грунте, учитывающий уплотнение околосвайного грунта при забивке свай, принимаемый для песчаных грунтов 1, 1, а для глинистых 1;

u — периметр поперечного сечения сваи, м;

k_pj — коэффициент реализации, учитывающий уменьшение сил отрицательного трения с уменьшением разности осадок j -го слоя околосвайного грунта и сваи, принимаемый: для висячих свай k_pj = 1, а для свай-стоек k_pj = 1 при S_гpj ³ S_o

и при S_грj < S_o;

S_грj — осадка j -го слоя грунта, см, после забивки сваи;

S_o — осадка грунта относительно сваи, при которой полностью реализуются силы отрицательного трения, принимаемая 5 см;

f_oj — расчетное сопротивление, j -го слоя оседающего грунта на боковой поверхности сваи, т/м², определяемое по табл. 2(2) СНиП II-17-77;

l_j — толщина j -го слоя грунта, м, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи и расположенного в пределах части длины сваи от уровня планировки до уровня нейтральной точки.

При расчете фундаментов, состоящих из нескольких свай, подвергающихся действию сил отрицательного трения, в число расчетных нагрузок, действующих на условный фундамент, включается величина расчетного значения сил отрицательного трения, действующих на куст свай:

(25)

где U — периметр куста, м, по наружным граням свай, расположенных в крайних рядах;

k_pj, l_j, f_oj — обозначения те же, что и в формуле (24).

Силы отрицательного трения, действующие на сваи внутри куста, не могут превосходить веса грунта, расположенного внутри куста, который при расчете свайных фундаментов (в соответствии с п. 7.1 СНиП II-17-77) включается в собственный вес условного фундамента. Поэтому их учитывают только по периметру куста.

Пример 20. По данным примера 19 определить расчетную нагрузку свайных фундаментов, состоящих из 9 свай (3 ´ 3) с шагом 1, 2 м. Сваи сечением 35 ´ 35 см, длиной 18 м. Острие сваи на отм. — 17, 5 м.

Решение. В примере 19 зона действия силы отрицательного трения при строительстве в течение 1 года распространяется до отм. — 12, 5 м, а при строительстве в течение 1, 5 лет — до отм. — 10, 8 м. Таким образом, расчетные силы сопротивления в соответствии с формулой [7(7)] и табл. 1(1) и 2(2) СНиП. 11-17-77 составляет соответственно:

Ф _{t = f} = 1[1 × 436 × 0, 1225 + 0, 35 × 4 (1 × 2 × 3 +

+ 1 × 7, 4 × 2)]9 = 743 тс;

Ф_{t = 1, 5} = l[1 × 436 × 0, 1225 + 0, 35 × 4(l × 2 × 4, 7 + 1 7, 4 × 2)] 9 = 783 тc.

По формуле (23) определим зону учитываемых в расчете сил отрицательного трения.

Стабилизированная осадка слоя № 4 —

S_гр = a_oqh ¢ = 0, 06 × 1 × 600 = 36 см:

для t = 1 год S¢ _гр = 31 см;

» t = 1, 5 года S¢ _гр = 33, 1»

» t =1год S_гр - S¢ _гр = 5 см > S_пр - S_ф.стр = 8 - 4 = 4 см;

» t =1, 5 года S_гр - S¢ _гр = 2, 9 см < 4 см.

Таким образом, при строительстве продолжительностью 1, 5 года силы отрицательного трения могут в расчете не учитываться, так как условие (23) выполняется на кровле сильносжимаемого слоя, т. е. тс.

Интерполируя данные табл. 14 для продолжительности строительства в 1 год, определяем, что зона учитываемых в расчете сил отрицательного трения распространяется выше отм. — 11, 5 м, так как осадка грунта на этой отметке составляет S¢ _гр = 20, 2 см, a S_гр = 24 см,

S_гр - S¢ _гр = 24 — 20, 2 = 3, 8 см < 4 см;

U = (l, 2 × 2 + 0, 35)4 = 11 м;

k_pj = 1.

Из табл. 2(2) СНиП II-17-77 для слоя № 1:

f_oj1 = 4, 5 тс/м²; f_oj2 = 0, 5 тс/м²; f_oj3 = 5, 8 тс/м²; f_oj4 = 1, 9 тс/м²;

Р_к.oтp = 11 × 1(54, 5 + 3 × 0, 5 + 1, 5 × 5, 8 + 2 × 1, 9) = 402 тс;

тс.

Таким образом, в рассмотренных примерах зона действия силы отрицательного трения при завершении строительства в 1 год распространяется до отм. — 12, 5 м, а зона учитываемых в расчете сил отрицательного трения — до отм. — 11, 5 м. При завершении строительства в 1, 5 года зона действия силы отрицательного трения распространяется до отм. — 10, 8м, но в расчете их можно не учитывать, так как они не могут вызвать недопустимую осадку фундамента.

Этим объясняется и существенная разница в расчетной нагрузке на свайный фундамент — 626 тс при строительстве в течении 1, 5 лет и всего 208 тс при строительстве в течение 1 года.