- Основные положения нормативных документов и рекомендации по расчету свайных оснований
Нормативные документы по расчету свайных оснований [28, 31] разработаны на основе богатого опыта применения их в промышленном и гражданском строительстве. Несущая способность свай при действии осевых нагрузок определяется по двучленной формуле, учитывающей лобовое сопротивление грунта под нижним концом и трение по боковой поверхности сваи. При этом приведенные расчетные сопротивления грунтов определены в результате статистической обработки большого экспериментального материала, полученного при испытаниях в основном забивных железобетонных свай сравнительно небольшой длины. Поэтому расчеты по СНиП II-17-77 железобетонных свай для гражданских и промышленных зданий обычно дают хорошие результаты, особенно при возможности их оценки и корректировки на основе полевых испытаний грунтов и инвентарных свай.
При проектировании оснований гидротехнических сооружений с длинными трубчатыми стальными сваями расчет несущей способности их по СНиП II-17-77 либо не может быть выполнен, либо нуждается в существенной корректировке. Ряд проведенных исследований [24] позволяет утверждать, что использование методики СНиП в этих случаях дает заниженные значения несущей способности, кроме того, отсутствие оборудования для проведения полевых исследований грунтов и испытания свай на больших глубинах морских акваторий усложняет проектирование оснований гидротехнических сооружений.
В еще меньшей степени пригоден для гидротехнических свайных сооружений расчет на горизонтальные нагрузки, приведенный в приложении к этому СНиП и в Руководстве по проектированию свайных фундаментов. Свая рассматривается как балка на линейно-деформируемом основании, характеризуемом коэффициентом постели, линейно изменяющимся по глубине. Приведенные значения коэффициента пропорциональности отвечают условиям очень малых горизонтальных перемещений голов свай, в пределах которых работу грунтовой среды можно считать линейной. Расчет может быть выполнен только для свай постоянного поперечного сечения в однородном грунте при шарнирном или абсолютно жестком закреплении головы. Сваи рассчитываются на постоянную горизонтальную нагрузку без учета возможного циклического, многократного характера ее приложения.
При действии вертикальных нагрузок несущая способность сваи по грунту определяется по формуле
где N - расчетная нагрузка (вертикальная), передаваемая на сваю; Ф - расчетная несущая способность одиночной сваи по грунту основания; кн - коэффициент надежности, зависящий от числа свай в фундаменте; Nр - нагрузка, допускаемая на сваю.
При действии на свайный фундамент в виде куста центральной вертикальной силы Νф расчетная нагрузка между отдельными сваями распределяется равномерно:
где п - число свай в фундаменте.
При приложении к группе свай вертикальной нагрузки и момента усилия в опорах определяются по формуле
Расчетная несущая способность свайного куста по грунту основания Фф определяется как сумма несущих способностей независимых одиночных свай: Фф = ΣΦ.
Фундаменты в виде свайных групп рассчитываются по деформациям как массивные сооружения на естественном основании с подошвой на уровне низа свай. Горизонтальная нагрузка распределяется между всеми сваями равномерно, без учета их взаимовлияния.
Особенности работы свай в конструкциях мостовых опор и морских портовых сооружениях, однако, без специфики расчета длинных свай, применяемых, например, для анкеровки сооружений континентального шельфа, учитываются МСН 171-71 [4].
Необходимо отметить, что, в связи с развитием добычи нефти и газа в открытом море, в последние годы за рубежом большое внимание уделяется вопросам исследования и расчета свай и свайных фундаментов применительно к условиям строительства и эксплуатации морских платформ.
В настоящее время разработано несколько нормативных документов по расчету свай для морских нефтегазопромысловых сооружений. Наиболее известны нормы Американского нефтяного института (API) [42] для проектирования забивных свайных фундаментов глубоководных стационарных платформ. Несущая способность таких трубчатых свай, забиваемых с открытым концом, определяется по трехчленной формуле с учетом сопротивления грунта под острием и трения по внутренней и внешней поверхностям сваи. Расчеты по этим нормам дают хорошие результаты, однако при условии получения очень подробных прочностных характеристик грунтового основания, которыми проектировщики часто не располагают.
Широкое распространение получил при строительстве платформ в Северном морс голландский метод расчета сваи [24], в котором несущая способность свай определяется по результатам статического зондирования с помощью стандартного конуса. Полевые испытания грунтов дают сразу расчетное значение удельного сопротивления под нижним концом и по боковой поверхности сваи.
В Норвегии действуют нормы DNV [58], в которых составляющая несущей способности по боковому трению определяется по одному из трех методов: а, β или λ, в зависимости от способа получения расчетных характеристик грунтового основания.
Сопоставительные расчеты показывают, что американские нормы дают достаточно осторожные результаты при оценке несущей способности свай на осевые нагрузки, как и рекомендации СНиП. При этом способе внимание обращается на методы исследования грунтов в их естественном состоянии и на возможности получения расчетных характеристик грунта различными способами.
В отмеченных выше зарубежных нормативных документах наряду с расчетом на осевые нагрузки регламентируется расчет свай на горизонтальные нагрузки; при этом, как правило, учитывается изменение сопротивления грунта по глубине и в зависимости от перемещения свай. Однако параметры кривых нелинейного деформирования грунта определяются в каждом случае по различным рекомендациям. При расчете свай нормы учитывают их взаимодействие через грунтовую среду в предположении упругой работы грунта в межсвайном массиве.
Наряду с нормативными документами имеется большое количество рекомендаций по расчету свайных оснований, разработанных на основе экспериментальных и теоретических исследований, позволяющих получить достаточно полное представление о степени изученности и обоснованности тех или иных вопросов, связанных с расчетом свай. Не останавливаясь подробно на обзоре этих рекомендаций [15, 24, 46], приведем лишь основные положения, относящиеся к вопросам расчета свай на действие комбинированных нагрузок.
- Большинство существующих методов расчета свайных оснований гражданских, промышленных и гидротехнических сооружений на комбинированные нагрузки, в том числе включенные в отечественные нормативные документы [28, 31], основаны на предположении, что грунт представляет собой упругое основание Фусса-Винклера, характеризуемое коэффициентом постели, изменяющимся по глубине пропорционально или по другим законам. Их применимость, как правило, ограничена перемещениями в уровне поверхности грунта порядка 10 мм.
- Имеются работы, в которых в прямой или косвенной форме даются нелинейные зависимости "нагрузка - перемещение головы сваи" [3, 7, 46]. В них перемещение головы сваи обычно выражается через переменную глубину условной заделки или переменную глубину пластической зоны - при использовании упруго-пластической модели грунтового основания. Основными недостатками этих зависимостей является большое количество используемых эмпирических параметров и весьма приближенное отражение реальной деформируемости основания. Есть предположения [21, 50], с помощью которых можно рассчитать сваю с переменным коэффициентом постели, характеризующим способность основания к нелинейной местной деформации. Однако авторами не приводятся рекомендации по определению коэффициентов, учитывающих напряженное состояние грунта, или они строго ограничены условиями проведенных опытов.
- В расчетных методиках приближенно отражена как разнообразность слоев грунта с различными механическими свойствами, так и переменность изгибной жесткости по длине свай гидротехнических сооружений, что не позволяет надежно определять напряженно-деформированное состояние системы "свая-грунт"
- В нормативных документах по проектированию свайных фундаментов [28, 31] при вычислении расчетной нагрузки на каждую сваю куста, так же как и при определении несущей способности, не учитывается возможное перераспределение усилий в сваях за счет "кустового эффекта". Но, как показали исследования, при определении несущей способности свайной группы следует учитывать совместную работу опор в фундаменте [46, 50].
- Для расчета взаимодействия свай, как правило, используются методы, основанные на решениях теории упругости, поскольку они наиболее просто позволяют оценить взаимодействие нагруженных свай через основание [55]. Однако эти теоретические методы и .результаты расчетов не имеют пока надежного экспериментально го подтверждения в связи с отсутствием необходимого материала по испытаниям реальных сооружений с тщательным измерением напряжений и деформаций конструкций и прилегающего массива грунта.
- При расчете свайных групп на действие горизонтальной нагрузки наряду с "упругими" решениями значительное развитие и распространение находят в последнее время методы, основанные на контактных расчетных моделях [49, 52], имеющие ряд преимуществ в практических расчетах, но которым свойствен один из основных недостатков — невозможность теоретического учета перераспределительной способности грунта. В связи с этим непосредственно из расчета невозможно определить влияние на совместную работу близко расположенных свай и изучить это явление. Строго говоря, все контактные модели (см. § 4) в чистом виде применимы только для одиночных свай. Предложения по использованию их при расчете горизонтально нагруженных свайных кустов [49] являются лишь эмпирическим обобщением метода коэффициента постели, т. е. полученные каким-либо другим путем данные об эффекте взаимодействия свай в составе группы вводятся в виде коэффициентов или зависимостей в расчет одиночной сваи.
- Анализ результатов многочисленных исследований взаимовлияния свай в группе [3, 7, 46] позволяет отметить следующее:
взаимодействие свай через грунтовую среду приводит к увеличению деформативности группы, снижению ее горизонтальной сопротивляемости и неравномерности в распределении усилий между отдельными опорами;
интенсивность взаимовлияния в группе зависит главным образом от числа свай и расстояния между ними;
влияние таких факторов, как глубина погружения свай, их диаметр, высота приложения нагрузки и ее интенсивность и других, в большинстве исследований не зарегистрировано.
