книги из ГПНТБ / Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению

Объект

Механический

цех

Литейный цех

													Таблица		tll.t
				свайДиаметрв см	Количествов шт.	гра-песчано- смесьвийная вм3	влесм?	mвцемент	арматурная mвсталь	Стоимость за­			Стоимостьэнергии на 1 реакцию-тонносваи руб.в	Стоимостьзабивки (из­ готовления)свай в тыс. руб.	Стоимостьустройства руб.тыс.в
										песча­одной сваиной	деревян­м13 железо­ной бетонной	сваи Трудоемкостьработна реакцию-тонно1 сваи час-чел.в
						Расход материалов				бивки	(изго­
										товления )
										в руб.
	Тип основания
Уплотненное		песчаны-		32,5	2165	1280	— —		—	5,1	—	0,1	0,42	72	128
				26,28j 710					—		416	0,6	0,96	194	512
На	деревянных		сваях			— j468 j —
На	железобетонных			30X30	442	-—	—	120	61	—	770	0,45	0,88	307	403
Уплотненное		песчаны­		32,5	1175	704	—	—	—	5,1	—	0,11	0,46	39	70
ми сваями
На	деревянных		сваях	28	530	—	280	—	—	—	416	0,41	0,65	117	307

Объект

Литейный цех

	в см	шт.
Тип	основания	Количество в
	Диаметрсвай
На	железобетонных
забивных	сваях . . . . 30X30	352

Рас <0Д M зтери			§ ю
• Л
те о		g
Q, О)	ч		арматурная стальв m
с m m		0>
US		са
6"		н
Я к	Я
те те		Я
0" « =	о	1)
ёЦ 4		2
—	—	75	39

Продолжение табл. IUI

Стой мость				Трудоемкостьработ на	реакцию-тонно1 сваи час-чел.в
забивки (из-
о я	ления)
готов
в	руб.
те	.		я
	; о ш
з-	я	m	°
и
о» я	S £:Я
с: те	а ;		о
«3 о
о	et S я
Я sS	'S? н
« о

О ci

я>о

—770 0,28

Стоимость энергии на 1 тонно-реакцию сваи в руб.	Стоимость забивки (из­ готовления) свай в тыс. руб.	Стоимость устройства в тыс. руб.
0,55	195	257

Заводоуправле­	Уплотненное	песчаны-			—	—	—		—
ние		32,5	2520	)320				6,7		0,24	1	110	196
	На деревянных сваях 26,28		837	—	482	—	—	—	297	0,51	1,28	131	344
Жилой дом	Уплотненное	песчаны­			—	—	—		—
	ми сваями	32,5	2830	1512				6,7		0,33	0,54	99	176

На деревянных сваях

28

684 — 440 — — —

285 0,39 0,64 97 258

сваи в окружающую область. Как показали исследова­ ния, при забивке сваи диаметром 40—50 см, вокруг нее

образуется зона	уплотненного грунта	на расстоянии до
полутора метра от центра сваи [44].
По существу	песчаная свая — это песчаная дрена,
только с уплотненной зоной вокруг нее.
Принцип работы песчаной сваи отличается от прин­
ципа работы висячей железобетонной		сваи, вокруг ко­

торой тоже возникает уплотненная зона. Разница состо­

ит в том, что после приложения						нагрузки		к основанию
практически		вся она		воспринимается			железобетонными
сваями, так		как	модуль		деформации железобетонной
сваи	(200 000 кгс/см2)			во много раз превышает модуль об­
щей деформации уплотняемых грунтов (30—50									кгс/см2),
и передается		грунтам		через нижние концы свай. Мо­
дуль	деформации материала					песчаной		сваи	(100—
150	кгс/см2)	ненамного отличается от модуля общей
деформации		окружающих			песчаную		сваю	грунтов. По­
этому песчаная			свая	воспринимает			нагрузку		вместе с

окружающим ее уплотненным грунтом. Иными словами,

фундамент,	расположенный		на основании,	уплотненном
песчаными	сваями,	следует	рассчитывать	как	фунда­
мент на естественном		основании, но в качестве			модуля

общей деформации основания принять модуль грунта после его уплотнения.

Чтобы ускорить консолидацию слабых водонасыщен­ ных глинистых грунтов при помощи вертикальных дрен, необходимо, как было сказано выше, обжать грунты пригрузочной насыпью — отжать поровую воду. При устройстве песчаных свай пригрузочной насыпи не тре­ буется. После забивки металлической трубы в грунт в уплотненной зоне возникают большие напряжения (на контакте напряжения достигают 8 кгс/см2). Они воспри­ нимаются поровой водой, в ней возникает избыточное давление, под действием которого вода перемещается в песчаную сваю.

Следует отметить, что при забивке в водонасыщен­ ные глинистые грунты железобетонной сваи в поровой воде вокруг нее также возникают большие давления. Однако в этом случае поровая вода может либо пере­ мещаться по контактной поверхности со сваей, либо от­ жиматься в противоположном от сваи направлении. Очевидно, что при устройстве песчаных свай уплотне­ ние водонасыщенных глинистых грунтов происходит

155

значительно быстрее, чем при забивке свай желе­ зобетонных.

После устройства вертикальных песчаных свай мо­

дуль общей деформации грунта увеличивается. Так,			по­
сле устройства песчаных	свай для жилых зданий в		Ри­
ге модуль деформации слабых водонасыщенных		грунтов
увеличился в 3—4 раза	(см. рис. III.12). Как	правило,

модуль общей деформации грунтов после устройства

	песчаных свай			равен	модулю	общей	деформации			грун­
	Давление					тов,	уплотненных				в
					?	компрессионном				прибо­
	0,5	I		I.S
			,	1		ре до пористости, рав­
						ной	пористости			грунта
						(среднее		значение)
	?	\				между сваями [28].
		\	X			Производство				работ
						но	глубинному			уплот­
			Л
				\		нению слабых			водона­
				\		сыщенных		глинистых
				»
						грунтов песчаными сва­
				\
				\		ями	осуществляется
				I5âh		следующим			образом.
	ИМ					На площадке, где пред­
	Рис. II 1.12.	Изменение			сжимаемо­	полагается			устроить
						песчаные		сваи,	отсыпа­
	сти грунтов	основания			после уст­	ют	песчаную		подушку
	ройства песчаных свай
						толщиной		0,5—0,7			м
	/ — уплотненный грунт; 2 — неуплотнен­
						для	беспрепятственного
	ный грунт
						прохода механизмов,					с

помощью которых устраивают сваи (экскаватор или ко­ пер, самосвалы, перевозящие песок, погрузчик и т.п.). Песчаные сваи устраивают тем же практическим спосо­ бом, что и вертикальные песчаные дрены. Разница заклю­ чается лишь в необходимости очень тщательного уплот­

нения песка в теле сваи.
В	СССР наиболее часто	песок	в теле сваи уплотня­
ют по	методу «свая в сваю»,	т.е.	после того, как песча­

ная свая будет устроена и труба с самораскрывающим­

ся башмаком	извлечена	из	грунта,	створки	башмака
снова закрывают, надевают			кольцо	на низ	башмака,
и трубу снова	погружают	в	тело уже устроенной сваи.

Обычно считается удовлетворительным, если при пов­ торном погружении трубы ее удается опустить до глу­ бины, составляющей 0,8 длины песчаной сваи. Затем в

156

трубу снова порциями	засыпают	песок и извлекают ее
из грунта. Этот метод	позволяет	прекрасно уплотнять

слабые водонасыщенные глинистые грунты, так как ди­ аметр песчаных свай вместо 40—50 см получается фак­ тически равным 60—70 см. Кроме того, этот способ да­ ет гарантию непрерывности сваи по всей ее длине. Над песчаными сваями устраивают песчаную подушку толщиной 50 см (даже в том случае, если она не требу­ ется для производства работ).

Обычно при забивке трубы с закрытым концом из соседней (уже изготовленной) песчаной сваи вода часто фонтанирует. Поэтому, чтобы частицы грунта не выно­ сились с водой, для заполнения свай должен использо­ ваться песок среднеили крупнозернистый, содержание пылеватых и глинистых частиц в песке не должно пре­ вышать 10%, а только глинистых частиц не более 3%.

Сваи устраивают от периметра к центру. При необ­ ходимости большого количества свай их устраивают ря­

дами, т. е. первоначально	нечетные	ряды, а		затем чет­
ные. В зимних условиях	необходимы		меры,	исключаю­
щие смерзание песка в комья.
При проектировании	основания	с	песчаными		свая­
ми сначала определяют,	какое значение модуля				общей

деформации должны иметь сильносжимаемые водона­ сыщенные глинистые грунты после их уплотнения, что­ бы сооружение, которое строится на ?той площадке, имело меньшие осадки, чем это допускается для нор­ мальной эксплуатации сооружения данного типа. Затем определяют значение угла внутреннего трения и сцепле­

ния	грунтов		основания,		при		которых		фундаменты про­
ектируемого			сооружения			будут		устойчивыми.
	По данным компрессионных опытов и испытаний об­
разцов		на срезных		приборах				определяют		максималь­
ное	значение		пористости			(коэффициента				пористости),
при	котором		грунт	будет		иметь данный модуль общей
деформации			и необходимые				значения		угла	внутреннего
трения		и сцепления.		Площадь				сечения всех песчаных
свай определяют по формуле
						1 +	е0
где	е0	— коэффициент			пористости грунтов					природного
		сложения		до	уплотнения;
	е у п	— то же, после			уплотнения;

157

i} — отношение площади сечения		песчаных	свай
^св к площади	уплотняемого	основания	F0.
Обычно песчаные сваи устраивают под всем зданием.
Крайние сваи располагают	за пределами	крайних	осей

фундаментов на расстоянии от них 2—2,5 м. В некоторых случаях при устройстве песчаных свай для фундаментов промышленных сооружений (когда сваи забивают под отдельные фундаменты или только под крайние ленты фундаментов) песчаные сваи располагают на площади таким образом, чтобы крайний их ряд находился за кра­

ем	фундамента (на расстоянии	0,2—0,3 ширины фунда­
мента). Площадь уплотняемого		основания	принимается
равной площади, оконтуренной		песчаными	сваями. Об­
щее количество песчаных свай в пределах			уплотняемого
основания определяют по формуле
где	юс в — площадь песчаной сваи.
	Песчаные сваи считаются качественно изготовленны­
ми, если при их устройстве в созданную скважину				(в тру­
бу)	будет засыпано необходимое количество песка. Не­
обходимое количество песка на 1 пог. м песчаной				сваи
определяется по формуле

где уп — удельный вес песка,' засыпаемого в сква­ жины;

W1—весовая влажность песка во время устройст­ ва песчаных свай.

Длина песчаных свай принимается такой, чтобы свая прорезала всю сжимаемую толщину грунтов основания, но не менее двух ширин фундамента для прямоугольных фундаментов и не менее трех-четырех ширин для лен­ точных.

Приведенный метод расчета песчаных свай следует считать приближенным, так как в расчете не учитывает­

ся	фактическое	напряженное	состояние, возникающее
при	устройстве	песчаных свай	в водонасыщенных	грун­
тах. В действительности задача			о работе песчаных	свай
и об их влиянии на консолидацию грунтов должна				быть
решена из учета		следующего явления. После того как в
водонасыщенное		глинистое основание внедряется инвен-

158

тарная свая,	частицы грунта перемещаются от ее центра
к периферии	( к поверхности инвентарной сваи), т. е.

грунт сразу получает «деформацию». В результате этой деформации вокруг сваи возникают напряжения, кото­ рые по мере удаления от поверхности инвентарной сваи затухают. В зависимости от вида грунтов напряжения после забивки инвентарной сваи распределяются по ра­

диусу либо линейно	(для аллювиальных грунтов, по дан­
ным А. 3. Попова),	либо по параболе (для засоленных

илов и других грунтов с цементационными связями меж­

ду частицами). После		извлечения инвентарной трубы и
заполнения	сваи песком образуется			вертикальная пес­
чаная дрена, вокруг		которой	имеется		напряженная
зона.
Под действием поля напряжений в различных точках
грунтового	основания	вокруг	песчаной		сваи	возникает
различное	поровое давление, под			действием		которого

вода фильтрует из грунта в песчаную сваю-дрену. Метод расчета песчаных свай с учетом зоны уплотне­

ния вокруг сваи приведен в главе IV.

В 1959 г. на юге КНР под руководством Ю. М. Абелева [8] были проведены большие натурные эксперименты по устройству и исследованию песчаных свай. Этот рай­ он на глубине 45—85 м был сложен слабыми илами мор­

ского	происхождения.		Естественная		влажность		грун­
тов составляла 32—48%, влажность на пределе							теку­
чести	29,5—49,3%, объемный вес скелета грунта						1,1 —
1,26 гс/см3. По результатам				компрессионных опытов мо­
дуль	общей	деформации		грунтов был равен			18,3—
25,6 кгс/см2.		Угол внутреннего трения			грунтов,	опреде­
ленный при их испытании			по методике		быстрого	сдвига,
был равен 7—13°, а сцепление — 0,06—0,1 кгс/см2.							При­

мененные на этой площадке железобетонные висячие сваи длиной до 35 м испытывали осадку 50—70 см.

На опытной площадке размером 11,4X16,6 м было забито несколько песчаных свай диаметром 42 см. Сваи забивали при помощи обсадной трубы с самораскрываю­ щимся башмаком на глубину 16 м. Предварительно их устраивали по периметру участка, а затем от него к центру площадки.

После устройства свай (на расстоянии 75 см между центрами) над ними была устроена песчаная подушка толщиной 50 см, а поверх песчаной подушки уложен же­ лезобетонный ящик размером в плане 6X9 м. Опытный

159

фундамент нагружали металлическими слитками таким

образом, чтобы давление	увеличивалось на 0,5	кгс/см2.
За условную стабилизацию	осадки при каждой	ступени

нагрузки принималась		осадка, равная 1 мм/сутки. Кро­
ме того, в основании на		глубине		1,5; 3; 6 и 9,0 м были
заложены глубинные марки.
Исследования	показали,		что	применение песчаных
свай увеличивало	модуль		общей	деформации грунтов
примерно до 100	кгс/см2.

Анализ осадок глубинных марок подтвердил, что осадки в опыте соответствовали расчетным значениям, определенным по теории линейно-деформируемых тел. Несколько больше расчетной оказалась осадка марки, расположенной на глубине 9 м. Вероятно, эпюра распре­ деления напряжений в нижней части активной зоны не­ сколько отличается от эпюры вертикальных напряжений, построенной по теории линейно-деформируемых тел. Эти данные хорошо совпадают с нашими натурными иссле­ дованиями, проведенными на оз. Сиваш и описанными в п. 3 главы I I .

На этой же площадке были исследованы и другие типы искусственных оснований — железобетонные сваи различной длины, песчаные дрены с песчаной подушкой толщиной 3,5 м (песчаная подушка служила и пригрузочной насыпью). Результаты этих исследований приве­ дены в табл. I I I . 2.

						Таблица		III.2
Общая				Осадка	фундаментов в см
нагрузка	Давление	Глубина забивки свай В M				Песчаные	Песчаные
на фун­	на грунт					дрены и	сваи	и
дамент	в кгс/см?					подушка	подушка
в m		45	35	25	15	толщиной	толщиной
						3,5 м	1,5 м
2700	5	15	128	170	178	186	52,5
2330	2,75	9	44,8	70,5	84,2	96,4	29

Как видно из таблицы, песчаные сваи являются наи­ более эффективным методом создания искусственного основания при строительстве промышленных и граждан­ ских сооружений на больших толщах слабых водонасы­ щенных глинистых грунтов.

160

6. ИЗВЕСТКОВЫЕ СВАИ

Впервые для уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов известковые сваи были применены в КНР . Эти сваи диаметром до 13 см использовались при

строительстве	небольших сооружений	на водонасыщен­
ных лессах.	В 1960 г. Б. Ф. Рельтов	провел большие

натурные исследования известковых свай на строитель­

ной	площадке			Рижского			электролампового завода, но
впервые в			СССР		известковые			сваи были		внедрены в
1965	г.	По		нашему		проекту они были				устроены в
основании			промышленного				объекта в		Барнауле [4] .
В последние годы эти сваи стали								более широко приме­
няться при строительстве на водонасыщенных											глинистых
грунтах.
Известковые сваи						устраивают		следующим			образом.
В толще		водонасыщенного					глинистого		грунта		проходят
скважину			диаметром 32—50 см. Если грунты не сохра­
няют вертикальных					откосов, то			скважины		пробуривают

с обсадными трубами. Пробуренные скважины наполня­ ют негашеной комовой известью. При использовании об­ садной трубы известь в скважины засыпают таким обра­ зом, чтобы в трубе оставалась толщина слоя не менее 1 м и уплотняют трамбовкой весом 300—400 кг, опуска­ емой внутрь трубы.

При этом способе устройства оснований слабые водонасыщенные глинистые и заторфованные грунты уп­ лотняются в несколько этапов.

Прежде всего они уплотняются погружаемой в грунт трубой с закрытым концом. Трамбование засыпанной в скважину негашеной извести (предварительно раздроб­ ленной до размеров 2—3 см) вызывает некоторое расши­ рение сваи в диаметре, что приводит к дополнительному уплотнению грунта. Негашеная комовая известь при вза­ имодействии с поровой водой водонасыщенных глинис­ тых и заторфованных грунтов гасится и в процессе гаше­ ния в некоторых случаях диаметр известковой сваи уве­ личивается на 60—80%. Это также приводит к дополни­ тельному уплотнению окружающего водонасыщенного грунта.

При гашении извести выделяется много тепла. Экспе­ рименты показали, что температура в свае достигает 300°С (Тахиров И. Г., 1971 г.). Под действием высокой температуры из водонасыщенных грунтов испаряется большое количество поровой воды, и в результате влаж-

11—1

161

иость уменьшается. При уменьшении степени влажности до 0,7 можно уплотнять грунты тяжелыми трамбов­ ками. Наконец, взаимодействие негашеной комовой изве­ сти с грунтом приводит к физико-химическому закрепле­ нию грунтов в зонах, смежных с поверхностью сваи, при этом прочностные и деформативные характеристики грунтов увеличиваются. Как правило, сразу после уст­ ройства известковых свай грунт уплотняют тяжелыми трамбовками, а над сваями отсыпают слой местного грунта толщиной 2—3 м, также уплотняемого тяжелыми трамбовками.

Необходимо отметить, что разные заводы выпускают известь с различными свойствами. Для известковых свай необходимо применять такую известь, активность кото­ рой больше 75%- Применение доломитовой извести для известковых свай нецелесообразно.

В отличие от песчаных известковые сваи водонепро­ ницаемы, поэтому они действуют как дренаж в течение короткого промежутка времени, пока происходит гаше­ ние извести. Поэтому в некоторых случаях целесообраз­ но устраивать известковые и песчаные сваи совместно.

Как уже упоминалось, известковые сваи были успеш­ но применены для уплотнения слабых водонасыщенных лёссовых грунтов в основании строящегося цеха сталь­ ного литья в Барнауле. Лёссовые грунты залегали на глубину около 30 м, имели текучую, мягкопластичную и

текучепластичную	консистенцию,	удельный	вес
2,65 гс/см3, объемный вес 1,51 —1,61		гс/см3, естественную

влажность 23—26%- Влажность грунтов на пределе рас­

катывания	составляла	18—21%,		на	пределе	текучести
25,7—29,5%. Модуль		общей	деформации			был равен
10,3—15,7 кгс/см2, угол внутреннего					трения	13—14°, а
сцепление	0,12—0,21	кгс/см2	(результаты			испытания
грунтов по методике		медленного		сдвига на		нормально
уплотненных образцах).

Первоначально предполагалось уплотнить грунты тя­ желыми трамбовками. Однако опытное уплотнение ос­ нования этим методом показало, что грунт при трамбо­ вании не уплотняется, а разрушается, и наблюдается выпор грунта из-под трамбовки (степень влажности грунтов равнялась 0,91—0,98). Поэтому в течение двух месяцев 1966 г. было устроено 587 известковых свай дли­ ной 6—7 м (рис. I I I . 13) при помощи станка УГБ-50-А. Устройство такого количества скважин оказалось воз-

162