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 Vгр превышает скорость осадки свайного фундамента Vф, т. е.
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
z — координата глубины рассматриваемой точки от подошвы слоя, см;
h — толщина сжимаемого слоя, расположенного между фильтрующим слоем и недренированным скальным основанием, или 2h между фильтрующими слоями, см;
ао — коэффициент относительной сжимаемости, см 2 /кгс;
q — интенсивность внешней равномерно распределенной нагрузки, кгс/см 2 ;
t — время, с;
сv — коэффициент консолидации, см 2 /с:
eср — средний коэффициент пористости;
ув — объемный вес воды, кгс/см 3 ;
а — коэффициент сжимаемости, см 2 /кгс;
kф ¾ коэффициент фильтрации, см/с, определяемый при изысканиях, или принимаемый равным для приближенных расчетов из табл. 12.
N п.п. Грунт Коэффициент фильтрации, см/с Песок пылеватый (0,6 — 6) 10 -3 « мелкозернистый (1,2 — 3) 10 -2 « среднезернистый (2,5 — 6)10 -2 « крупнозернистый (4 ¾ 8,5)10 -2 Супесь (0,1 ¾ 1,2)10 -3 Суглинок (0,5 — 0,05)10 -3 Глина Менее 1 × 10 -6 Торф малоразложившийся (1 — 5) 10 -3 Торф среднеразложившийся (0,2 — 1,2)10 -3 Торф сильноразложившийся (0,12 — 0,18) 10 -4
где eн — 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 Sm = 8см, причем к окончанию строительства осадка сооружения ожидается равной 0,4Sпр = 4 см, а скорость осадки сооружения принята равномерной, т. е. при завершении строительства в течение 1 года она составит vф = 4 см/год, а в течение 1,5 лет — 2,7 см/год.
Геологические условия площадки и характеристики грунтовых напластований представлены в табл. 13.
№ слоя Наименование грунта Относительная отметка, м Толщина слоя, м Объемный вес, гс/см 3 Коэффициент пористости Коэффициент сжимаемости, cм 2 /кгс Коэффициент относительной сжима Коэффициент фильтрации Кф, см/с Коэффициент консолидации, кровли подошвы емости, см 2 /кгс см 2 /с Намывной песок средней крупности, средней плотности -5 0,62 — — — — Ил супесчаный —5 —8 1,75 0,95 0,035 0,017 5×10 -5 2,85 Песок средней крупности, средней плотности —8 -9,5 1,5 2,03 0,54 0,008 0,005 5×10 -2 ¾ Глина мягкопластичная заторфованная -9,5 -15,5 1,57 1,55 0,15 0,06 8×10 -8 1,36×10 -8 Песок средней крупности, средней плотности —15,5 —28 12,5 2,03 0,54 0,008 0,005 5×10 -2 ¾
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 × 10 7 с. М = 5 × 10 3 , 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.
Показатели Время от начала намыва, лет 0,5 1,5 М 0,59 l,17 1,76 2,34 е -м 0,554 0,31 0,172 0,096 Осадка грунта, Vр, см, при z = 600 33,1 z = 400 17,3 20,2 21,2 z = 200 9,7 10,7 11,3 Скорость осадки грунта, Vp см/год, при: - z = 600 8,0 4,2 z = 400 10,6 5,8 z = 200 15,8 3,6 1,2
Осадка слоя № 4 обусловливает зону развития сил отрицательного трения, которая в соответствии с условием vгр > vф 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, vгр = 3,9 см/год, а по условию vф = 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/м 2 (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/м 2 (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/м 2 .
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
где Sгp — 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);
Sпp — величина предельных деформаций оснований, принимаемая по табл. 18 СНиП II-15-74;
Sф.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 Sф.стр = 0,5Sпр.
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;
kн — коэффициент надежности, принимаемый равным kн = 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;
Ротр — расчетное значение силы отрицательного трения, действующей на боковой поверхности свай, те, определяемое по формуле (24) или по результатам полевых исследований;
где mo — 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;
kpj — коэффициент реализации, учитывающий уменьшение сил отрицательного трения с уменьшением разности осадок j-го слоя околосвайного грунта и сваи, принимаемый: для висячих свай kpj = 1, а для свай-стоек kpj = 1 при Sгpj ³ So
Sгрj — осадка j-го слоя грунта, см, после забивки сваи;
So — осадка грунта относительно сваи, при которой полностью реализуются силы отрицательного трения, принимаемая 5 см;
foj — расчетное сопротивление, j-го слоя оседающего грунта на боковой поверхности сваи, т/м 2 , определяемое по табл. 2(2) СНиП II-17-77;
lj — 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:
где U — периметр куста, м, по наружным граням свай, расположенных в крайних рядах;
kpj, lj, foj — 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:
По формуле (23) определим зону учитываемых в расчете сил отрицательного трения.
Стабилизированная осадка слоя № 4 —
для t = 1 год S¢гр = 31 см;
» t = 1,5 года S¢гр = 33,1 »
» t =1год Sгр - S¢гр = 5 см > Sпр - Sф.стр = 8 - 4 = 4 см;
» t =1,5 года Sгр - 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 Sгр = 24 см,
Sгр - S¢гр = 24 — 20,2 = 3,8 см < 4 см;
U = (l,2 × 2 + 0,35)4 = 11 м;
Из табл. 2(2) СНиП II-17-77 для слоя № 1:
Рк.oтp = 11 × 1(54,5 + 3 × 0,5 + 1,5 × 5,8 + 2 × 1,9) = 402 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.